ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Солнечные коллекторы предназначены не только для обеспечения систем теплоснабжения, но могут также ис­пользоваться в качестве низкопотенциальных источников для производства механической и электрической энергии [104], в тепловых насосах систем кондиционирования [105, 106], в сушильных установках [107, 108], фотоэлектриче­ских и термодинамических преобразователях, производя­щих полезную энергию в виде работы [109] и т. д. Для оцен­ки эффективности таких систем целесообразно обратиться к эксергетическому анализу [110].

Методу определения эксергетической эффективности плоских солнечных тепловых коллекторов посвящены ра­боты [111-114].

Эксергетическая эффективность солнечных коллекто­ров представляет собой меру обратимости тепловых и опти­ческих процессов, происходящих в данном аппарате. В со­ответствии с основными положениями эксергетического анализа эффективность солнечных коллекторов определя­ется отношением плотности потока эксергии теплоносителя Епол в теплоотводящих каналах из лучепоглощающих пане­лей к плотности потока эксергии £пад солнечного излучения, падающего на их лучепоглощающую поверхность, [113]:

- для солнечных коллекторов с жидкостным теплоносителем

В этих формулах приняты обозначения: Gyp, ср — расход теплоносителя через теплоотводящие каналы лучепогло - щающей панели, отнесенный к единице фронтальной по­верхности солнечного коллектора, и его удельная теплоем­кость; Т0 - абсолютная температура окружающей среды; дпоГл - плотность потока суммарной солнечной радиации, поглощенной поверхностью лучепоглощающей панели; Кпр — приведенный на единицу фронтальной поверхности коллектора коэффициент суммарных теплопотерь; Tf BX - абсолютная температура теплоносителя на входе в лучепо - глощающую панель солнечного коллектора; г|т п - коэффи­циент тепловой эффективности лучепоглощающей панели солнечного коллектора.

Удельный поток эксергии суммарной солнечной радиации

ЯПад = Ф<7пад> (1*245)

где ф - коэффициент, который можно определить по ап­проксимационной формуле [113]; дпад — плотность потока энергии суммарного излучения на фронтальной поверхно­сти коллектора

ф = 1 - 2,314Т0. (1.246)

Таким образом, имеем следующие выражения для опре­деления эксергетического КПД:

- плоских солнечных коллекторов для подогрева воды

- плоских солнечных коллекторов для подогрева воздуха, температура которого на входе в коллектор равна температуре окружающей среды,

Л )дт 9пад*

где г]опт - оптический коэффициент светопрозрачного по­крытия корпуса солнечного коллектора; ар - интеграль­ный коэффициент лучепоглощения поверхности поглоща­ющей панели коллектора.

Коэффициент тепловой эффективности Т]тп лучепогло - щающей панели солнечных коллекторов приведен в фор­мулах (1.247) и (1.248). Он зависит от многих факторов и может быть определен расчетным путем, приведенным в работах [9, 65, 115].

Эксергетический баланс и, как следствие, метод опреде­ления эксергетической эффективности плоских солнечных коллекторов изложены в работе [112]. Следует заметить, что в этой работе не учтены все потери эксергии в анали­зируемой системе, в частности, не включены потери эксер­гии от гидравлических сопротивлений при прохождении теплоносителя в трубках коллектора.

Метод эксергетического анализа использован Р. Р. Аве - зовым, чтобы оптимизировать ряд последовательно соеди­ненных между собой плоских солнечных коллекторов для подогрева воды. Автор приходит к следующему выраже-
нию для определения распределения эксергетической эф­фективности коллекторного ряда по его длине

(УрТрСуіоігг_______________

(1-2,31410 47J))gnontx | 7J)

IhLJU. In

т„

где GB = G/B - расход теплоносителя через коллекторный ряд, отнесенный к единице ширины В ряда; Tf(x) - темпера­тура теплоносителя на расстоянии х от входа в коллектор­ный ряд по направлению его движения; Т- температу­ра теплоносителя на входе в коллекторный ряд, где х=0.

Оптимальный показатель ряда последовательно соеди­ненных коллекторов можно определить из условия экстре­мума функции (1.250)

drJdx = 0. (1.251)

Если обозначить через Еп количество эксергии, равное максимальной работе, полученной в обратимом цикле Кар­но, осуществляемом между источником теплоты с темпе­ратурой Т/ср и окружающей средой, то

(1.252)

где qn — поток полезной теплоты, отнесенный к едини­це площади фронтальной поверхности Р^ солнечных коллекторов.

На основании построенных графиков зависимости хкр от Tf(x=Q) и GB автор работы [116] приходит к выводам:

- максимальным значение Еп теплоносителя будет лишь при узких диапазонах изменения его удельного рас­хода (по данным расчета для нагрева воды Gyfl составляет 0,001...0,002 кг/(м2 с); для нагрева воздуха - 0,004...0,007 кг/(м2-с));

- большие значения Gyfl способствуют выработке боль­шого количества низкопотенциальной теплоты и к сниже­нию Еп;

- при Gm < g°°t плотность потока эксергии не зависит от температуры t0 окружающей среды; при (?уд > g°™ с по­вышением t0 снижается Еп.

Необратимые потери эксергии сопровождаются возрас­танием энергии. Поэтому естественным является стрем­ление оценить эксергетические потери по значению роста энтропии AST п в системе [116]:

AST. n (1.253)

1 о

где АЕ = Е - Е ; Е - поверхностная плотность по-

^ т. п ПОД пол7 под г

тока полезной эксергии, подведенная к поверхности луче - поглащающей панели коллектора; Епол - поверхностная плотность потока полезной эксергии, полученной теплоно­сителем, имеющую температуру Tf; Т0 - температура окру­жающей среды.

Для эксергетического анализа аккумулятора теплоты целесообразно использовать понятие внутренней эксергии [117, 118], основанной на положениях неравновесной тер­модинамики [119].

Внутренняя (собственная) эксергия - есть функция со­стояния, которая характеризует максимальную работу, со­вершенную системой за счет своей энергии при обратимом переходе в состояние внутреннего равновесия. Понятие вну­тренней эксергии приобретает общепринятый смысл, ког­да рассматриваются только внешне неравновесные систе­мы, в частности потоки энергоносителя, не находящегося в равновесии с окружающей средой.

Внутренняя эксергия удобна для анализа потерь ра­ботоспособности вследствие необратимости. При этом работу диссипативного характера duex можно выразить феноменологически:

где T - время; 1/д - работа диссипативных сил; х. - термо­динамические внешние силы; JJ - релаксационная состав­ляющая потока; V— объем.

Уравнением (1.254) можно пользоваться для эксерге - тического анализа в тех случаях, когда изменение параме­тров окружающей среды (приемников теплоты или веще­ства) связаны с происходящими в системе процессами, что невозможно сделать при использовании его в традицион­ном понимании.

Пользуясь внутренней эксергией, можно дифференци­ровать потери необратимых процессов (трение, теплопро­водность, диффузия и пр.), а также локализовать их. Вну­тренняя эксергия как общая мера отклонения системы от состояния внутреннего равновесия применима особенно там, где речь идет о так называемой «энергии, накоплен­ной системой», то есть при анализе аккумуляторов тепло­ты. Внутренняя эксергия может служить критерием эво­люции, равновесия и устойчивости термодинамических систем, в том числе при оптимизации этих систем.