Жабық қыздырғыштар
Жабық қара қыздырғыштар.Түбі жерден оқшауланған күн түсетін жерге орналастырылған резервуар (сурет 5.1, г қараңыз) әдетте желмен салқындатылып тұрады. Қыздырғыш ыдысын желден қорғау үшін күн сәулесі түсу үшін мөлдір контейнерге орналастырады (сурет 5.1, д қараңыз).
Контейнер қақапағы үшін ең жақсы материал – шыны. Мөлдір полиэтиленді пленка арзан, алайда оны жиі ауытырып отыру қажет, өйткені күн сәулесі оны тез бүлдіреді. Сурет 3.15 – тен көріп тұрғанымыздай, шынының өткізгіш қабілеті спектрдің инфрақызыл аймағында полиэтиленнен гөрі төмен, сәйкесінше, шыны қақпақтың радиациялық жоғалтулары полиэтиленмен салыстырғанда төмен болады. Күн сәулесін қабылдағыш үшін шыны секілді қасиеттерге ие пластиктен жасалған арнайы жабындар қолданылады. Толық бағасы 200 АҚШ доллары тұратын мұндай жабық қыздырғыш жүйесін ыстық су тағымен қает болмайтын жағдайларда қолданған жөн (мысалы, үй тұрмысында). Қыздырғыш ыдысын қолмен толтыруға болады.
Сурет 5.4. Жабық қара қыздырғыш (а) және оның эквиваленттік диаграммасы (б):
– аспан; – қоршаған орта ауасы; – жоғарғы шыны; – сұйықтық; - түбі.
Мысал 5.2. Жабық қабылдағыштың жылулық тепе-теңдігі. 5.1 мысалында қарастырылған қара резервуар ыдыс бетінен 3 см қашықтықта орналасқан және ыдыс астындағы оқшаулау қалыңдығы 10 см болатын шыны қақпақты контейнер ішіне орналастырылды деп қарастырайық. 5.1 мысалындағы сыртқы жағдайлардағыдай резервуардан жылулық жоғалту кедергісін, судың теориялық орташа максимал температурасын және бұл температураға жету үшін қажетті анықтайық.
Шешімі. Сурет 5.4, а – да жабық қабылдағыштың сүлбесі көрсетілген, ал сурет 5.4, б – да эквиваленттік диаграмма көрсетілген. Резервуар мен оның құрамын жұту коэффициенті және жылусыйымдлығы болатындай біртұтас жүйе деп қарастырамыз. Жүйе жылу жоғалтатын температура резервуардың сыртқы температурасы болып табылады. Жуықтау кезінде деп қабылдауға болады.
Сыртқы қабырға температурасына тең резервуар түбі арқылы болатын жоғалтуды ескерсек, онда
(5.9)
немесе (3.9) қолдана отырып,
ал бұл өте аз.
Резервуар түбінің тиімді кедергісін жылулық жоғалтулардың жалпы кедергісіне енгізейік. Неігізінде шамасын әрдайым үлкен етуге болады, өйткені шамасы өте аз болып келеді. Жылулық тепе – теіңдік (5.1) өрнегін былай жазамыз:
. (5.10)
Сурет 5.4, б – дан көретініміздегідей жылу ағыны сыртқа үш сатыда шығады.
1. Жылу еркін конвекция нәтижесінде ауа аралығы арқылы шыны қақпаққа беріледі. Осыған параллель резервуар беті энергияны сәулелендіреді. Спектрдің бұл аумағында шыны сәулеленуді өткізбейді, алайда оны жұтып алады, сол себепті резервуардың жылулық сәулеленеуі қоршаған ортамен әрекеттеспейді, ол шыны қақпақпен жұтылады.
2. Осы екі механизм арқылы шыыға берілетін жылу оның сыртқы етіне беріледі.
3. Сыртқы беттен жылу еркін және (немесе) мәжбүрлі конвекция және сәулелену арқылы әкетіледі.
Олай болса, резервуардың қабылдаушы беті мен қоршаған орта ауасы арасындағы жылу жоғалтулардың толық кедергісін келесі өрнекпен жазуға болады:
. (5.11)
Сурет 5.4, б – дағы шамасы өте аз, өйткені шыны өте жұқа және жылуды жақсы өткізеді, сол себепті шыны қақпақ бойындаға температуралар айырымы тым кішкентай. Конвективтік және радиациялық кедергілер температураға аз тәуелді, сол себепті есептеулерде температураның бағалаушы шамаларын қолдануға болады:
.
Ауданы 1 м2 қабылдағыш үшін конвективтік кедергісі мысал 3.2 – ге сәйкес:
.
Ұзынтолқынды сәулелер үшін деп қабылдап, мысал 3.6 – ға сәйкес есептелһулер жүргізіп, радиациялық термиялық кедергіні табамыз:
.
Олай болса, қыздырңыштың қабылдағыш беті – шыны қақпақ аралығындағы толық термиялық кедергіні аламыз:
. (5.12)
Шынының сыртқы беті мен қоршаған орта ауасы арасындағы кедергі ашық резервуар үшін анықталғанмен шамалас, дәлірек айтқанда: . Бұл шамны (5.11) өрнегіне қойсақ, аламыз: . кезінде (5.10) өрнегінен табамыз: . Максимал температураға қол жеткізу үшін қыздырғыш 31 сағат жұмыс жасауы керек.
Максимал қол жетімді температура шамасы нақты емес, өйткені біз күн сәулесінің периодтылығын ескермедік, яғни мұндай температураға қол жеткізу үшін қыздырғыштың сәулеленуіне қажет уақытты ескермедік. Сонда да, мысал 5.2 – ге сүйенсек, келесіні байқауға болады: 1) шыны қақпақтың болуы қыздырылған су мен қоршаған орта ауасы арасындағы жылулық жоғалту кедергісін шамамен 4 есе арттырады; 2) қарапайым жабық қыздырғыш судың температурасын 50°С аса арттырады.
Металл ағынды қыздырғыштар.Сурет 5.1, е – де көрсетілген қабылдағышта су қарайтылған пластинаға бекітілген параллель құбырлар арқылы ағады. Мұндай жүйеде пластина мен құбырлар және құбырлар арасында пластина бойында төмен термиялық кедергіні қамтамасыз ету керек.
Әдетте құбыр диаметрі шамамен 2см, олардың ара қышықтығы 20 см, пластина қалыңдығы 0,3 см құрайды. Құбырлары бар пластинаны желден қорғау үшін шыны қақпағы бар контейнерге орналастырады. Бұл қабылдағыш негізінен жабық қара резервуарға сәйкес эквиваленттік диаграммаға ие және сол себепті кедергілер шамасы жағынан ұқсас.
Сумен толтырылған пластина құбырлыға қарағанда тиімдірек, өйткені жылулық жанасу беті үлкенірек.
Қыздырылған сұйықтықты бірден қолдануға болады немесе оны сақтау және (немесе) сурет 5.6 – да көрсетілгендей айдауға болады.
Жазық пластиналық қабылдағыштың тиімділігі.Ауданы Ap болатын және сәулелені беті G болатын қабылдағыштан жылутасығышқа берілетін жылу ағыны келесі формуламен анықталады:
. (5.13)
(5.1) және (5.2а) – ларға сәйкес, қабылдағыш тиімділігін сәулелену энергиясын жұту тиімділігін және жылудың сұйыққа берілу тиімділігін сипаттайтын екі көбейткіштің туындысы ретінде қарастыруға болады.
. (5.14)
(5.1) өрнегінен көретініміздей, қабылдағшы пластинаны қыздыру кезінде жылу шығыны шамасы нөлге тең болғанша өсе береді. Жақсы құрастырылған қыздырғышта қабылдағыш пластина мен жылутасығыш арасындағы температуралар айырым өте аз және жылуберу тиімділігі жоғары (есеп 5.8 қараңыз). Негізінен және ол температураға тәуелсіз, ал радиациялық жоғалтулар кедергісі – ның артуына қарай азаяды. Бұл сурет 5.5 – те көрсетілген шамасының жұмыстық температурадан ауытқын көрсетеді.
Жазық пластиналы қабылдағыштың сипаттамасы мен оның тиімділігі жоғары температуралар кезінде мыналардың нәтижесінде жақсаруы мүмкін: 1) егер бірінші шыны қақпақ үстіне тағы бір қосымша шыны қақпақ орналастырылса, қабылдағыш пластина мен шыны қақпақ арасындағы конвективтік алмасуды азайту нәтижесінде (сурет 5.1, ж және есеп 5.5 қараңыз); 2) егер пластина бетін қара емес, селективті етіп жасаса, яғни қатты жұтатын, бірақ спектрдің белгілі бір аумағында нашар сәулелендіретін болса, онда пластинадан радиациялық жоғалтуларды азайту нәтижесінде (§5.6 қараңыз).
Әртүрлі қабылдағыштардың параметрлері кесте 5.1 – де көрсетілген.