Ашық қыздырғыштар

Жер бетіндегі ашық резервуар. Сурет 5.1,а – да қарапайым су қыздырғыш көрсетілген, мысалы бассейн. Сумен толтырылған көлем күн сәулесімен қыздырылады, алайда су температурасының артуы шектелген, өйткені жылу оңай жерге беріледі.

Жерден оқшауланған ашық резервуар (сурет 5.1, б қараңыз). Мұнда алдыңғы жағдаймен салыстырғанда жылулық жоғалтулар аз, судың жұту коэффициенті төмен болғандықтан температураның артуы шектеледі. Оған қоса, жұтылған жылудың үлкен бөлігі суды буландыруға жұмсалады, бұл да температураның артуы кедергі болады.

Қара резервуар (сурет 5.1, в қараңыз). Бұл жағдайда сұйықтық әдетте үйдің төбесінде болатын беті қаратүсті ыдыста болады. Булануға жұмсалатын жылу жоғатулар нөлге жақындатылған. Ыдыстың қара беті суға қарағанда сәуленің көп бөлігін жұтады. Жұтылған жылудың бір бөлігі сұйықтыққа беріледі.

Мұндай қыздырғыштар қымбат емес, құрастыру қарапайым және суды 45°С – ге дейін қыздыруға мүмкіндік береді. Мұндай қыздырғыштар Жапонияда кешкі ванналардағы суды қыздыру үшін кеңінен қолданысқа ие болды. Қыздырғыш параметрлері желді ауа – райы кезінде жылулық жоғалтулардың артуымен ғана шектеледі. Көптеген арзан қара су өткізбейтін материалдардың күн көзінде тез бұзылып, бірнеше айдан соң су өткізетіні қиындық туғызса керек. Алайда кейбір жағдайларда ескі ыдыстарды жаңасына ауыстырып отыру күрделі құрылысты қыздырғыштарды қоданудан гөрі тиімдірек болады. Айта кететін жайт, қыздырғыштың ыдыс міндетті түрде қара түсті болуы қажет емес, жай ғана ол қара жабынды болса болғаны.

Мысал 5.1. Ашық қара ыдыстың жылулық балансы. Өлшемдері 1м×1м×0,1м және қабырға қалыңдығы 5 мм болатын жер биік орналасқан жылу өткізбейтін көлденең шілтер үстіндегі тік бұрышты қара резервуарды қарастырайық. Ыдыс ішінде 100 л су бар. Ыдыс бетіне берілетін күн сәулесі ағыны G=750 Вт м² (сурет 5.3). Қоршаған орта температурасы , жел жылдамдығы 5м . Ыдыстың жылулық жоғалтуларға қарсы кедергісін, одан кейін судың максимал орташа температурасын және осы температураға дейін қыздыру қажет уақытты анықтаңыз.

Сурет 5.3. Беті қара түсті күн қыздырғышы

а – физикалық диаграмма; б – қарапайым эквиваленттік диаграмма; в – қыздыру бетінен қоршаған ортаға конвективтік және радиациялық жылу жоғалтуларға сәйкес келетін параллель кедергілер түрінде берілетін кедергісі; г – қыздыру бетінен қоршаған ортаға конвективтік жылу жоғалтуларға және қыбздыру бетінен атмосфераның жоғары қабатына радиациялық жылу жоғалтуларға сәйкес келетін параллель құраушылар түрінде берілетін кедергісі

Шешімі. Жылу суға жүйенің қабылдаушы ауданыболып табылатын резеңке қабаты арқылы беріледі немесе одан шығады, сол себепті судың масимал температурасы резеңке температурасын асып кетуі мүмкін емес. Шынымен де, су қыздырылған кезде су мен резеңке қабаты температуралары бір-біріне тең болады. Өйткені, жұқа резеңке қабатының жылу сыйымдылығы судың жылусыйымдылығынан бірнеше есе кіші және қабаттың термиялық кондуктивтік кедергісі аз, қара резервуар мен оның құрамын температурасы , жұту коэффициенті , жылусыйымдылығы болатын бір тұтас объект ретінде қаратсырайық. Мұндай жуықтау кезінде және болады.

ескере отырып, (5.1) және (5.2б) өрнектерінен келесі формуланы аламыз

, (5.3)

Эквиваленттік диаграммада (сурет 5.3, б) G ток көзіне сәйкес келеді, және нүктелері арасындағы сыйымдылыққа сәйкес келеді. температурасы еркін, бірақ белгіленген және уақытқа тәуелсіз. 5.3 формуласының сол жағындағы туындысын туындысына алмастыруға болады, мұндағы . деп алған тиімді болса керек. Егер қоршаған орта тмепературасы уақытқа тәуелсіз болса, онда болады; бұл кезде электрлік токпен ұқсастық сақталады және (5.3) жылулық баланс теідңгң дұрыс бола береді. Эквиваленттік контурдың оң жағындағы ток көзінің «кернеуі» құрайды.

Қабылдағыш қабат пен қоршаған орта арасындағы кедергісі қақпақтан да, қабылдағыш түбіндегі жылулық жоғалтуды өзіне қосады. Қарастырылып отрығна жүйе үшін қақпақ та, қабылдағыш түбі де қоршаған ортамен бірдей әрекеттеседі, сол себепті олардың бетінің жиынтық ауданы А=2 м² болағндықтан эквиваленттік диаграммада конвективтік және радиациялық жылу ағындары параллельді болуы мүмкін (сурет 5.3, в).

Көп жағдайда конвекция мен сәулелену кезіндегі жоғалтулар тең емес. Конвективтік жылу алмасу ыдыс қоршаған ортаға берілсе, радиациялық ыдыстан атмосфераның жоғарғы қабатына және/немесе қоршаған ортаға беріледі. Сурет 5.3, г – те жылулық жоғалтулар үшін толық эквиваленттік диаграммма берілген, онда жылудың берілуі әртүрлі ортаға жүруі мүмкін екені ескерілген. Қарастырылып отрыған мысалда және тұрақты болады.

Конвективтік жылу жоғатулар кедергісі

, (5.4)

мұндағы

(5.5)

берілген шамалар үшін кесте 3.2 қараңыз.

Атмосфераның жоғарғы қабаттарына берілетін ражиациялық жылу ағыны келесі өрнекпен анықталады.

, (5.6)

мұндағы аспанның тиімді температурасы (4.16 қараңыз).

(5.6) формуласын келесі түрде жазайық:

, (5.7)

(5.6) өрнегімен теңдігі орындалады, егер

Олай болса, жылу жоғалтуды сурет 5.3, в көрсетлігендей қарастырауға болады, ондағы кедергі сәулелену қабылдағышын қоршаған ортамен (5.3) формулаға сәйкес байланыстыруға болады. шамасы шамасына аз тәуелді. деп, , және =0,015K .

(5.3) формуласы (5.1) өрнегіне түрленіп, берілетін жылу мен жоғалту арасында тепе-теңдік орнаған кезде максимал температураға қол жеткізіледі.

Сонымен, қарастырлып отырған резервуар үшін .

Бұл температураға жету қажет уақытты есептейік. арту жылдамдығын (5.3) формулаға сәйкес анықталады. Есептелген шамасын пайдала отырып, . Сәйкесінше, температураны 11°С – ге көтеруге қажет уақыт шамамен

( =1,3 c

Практикалық тұрғыда күн сәулесі ағыны G күні бойы өзгереді, сол себепті есепеулер тек шамаларының ретін береді. Нақтырақ нәтижелерді алу үшін (5.3) өрнегін әр сағаттағы мәліметтерді ескере отырып, есептеген жөн.

Түбі оқшауланған қара резервуар. Сурет 5.1,в – да көрсетілген жүйенің жылу жоғалтуын резервуардың түбін оқшаулау арқылы 2 есе төмендетуге болады (сурет 5.1,г). Оқшаулағыш ретінде кез келген тесік өлшемі 1 мм-ден аспайтын ұсақ тесікті материалды қолдануға болады, мысалы, шынымата, пенополистирол және т.б. мұндай материалдардың жылу өткізгіштігі ауаның жылу өткізгіштігімен шамалас болып келеді. Тесік өлшемі тым үлкен болмауы тиіс, әйтпесе жылудың конвективтік алмасу орын алады және тесіктер құрғақ болуы керек, өйткені судың жылу өткізгіштігі ауадан гөрі жоғары.

Оқшаулағыш қабаттың небары бірнеше сантиметр болғаны резервуар түбінен жылу жоғалту кедергісі артуына жеткілікті екені 5.2 мысалды көрсетілген. Мұндай жұқа оқшаулау арзан және сол себепті тиімді.