Оқшауланған жинақтаушысы бар жүйелер

Мәжбүрлі айналым. Сурет 5.1, е –де көрсетілген қабылдағыштар сорғы арқылы жинақтаушы ыдысқа (сурет 5.6) қарай айдалатын кіші көлемді сұйықтықтарды қыздыруға мүмкіндік береді. Үй тұрмысында қолданылатын жүйелер үшін көлемі 100 – 200 л құрайтын резервуарлар тәуліктік ыстық су қажеттілігін қамтамасыз ете алады. Әдетте суды айдау жылдамдығы су қыздырғыштан әр өткен сайын температурасы 4°С артатын етіп таңдалады. Бұл үшін арзан болып саналатын біржылдамдықты сорғылар қолданылады. Температураның артуы қабылдағыш ауданның сәулеленуіне және қабылдағышқа кірер жердегі су температурасына тәуелді болғандықтан, су температурасының 4°С артуы тек шарттың бір түрі үшін ғана қол жетімді.

Мысал 5.3. Қабылдағыштағы температураның артуы. Өлшемдері 2×0,8 м², жылу жоғалту кедергісі және жылу беру коэффициенті болатын жазық пластиналы қыздырғышты қарастырайық. Шыны қақпақтың өткізу коэффициенті ; пластинаның жұту коэффициенті . Қабылдағышқа кіретін сұйықтық температурасы . Қоршаған орта температурасы , қабылдағыш аудан жазықтығындағы сәулелік энергия ағыны .

а) Қабылдағыштағы су температурасын 4°С көтеру үшін қажет айдау жылдамдығын анықтаңыз.

б) кезде сорғы түнде де жұмыс істеуін жалғастырады деп қарастырайық. Судың температурасы қабылдағыштан әр өткен сайын қалай өзгереді? ( және деп алайық.)

Шешеуі. а) (5.1) және (5.2) өрнектерінен бірлік аудан үшін жылулық ағын мына шамаға тең екенін табамыз:

. (5.15)

қойсақ (ағынның орташа температурасы), онда келесі теңдікті аламыз:

.

(5.15) өрнегіне , және табылған шамаларын қойсақ, келесі өрнекті аламыз:

.

Олай болса, сурет 5.3 – те көрсетілген қабылдағыш су 1 айналым/сағ жылдамдықпен айдалатын көлемі 130 л қыздырғыш жүйесінің бір бөлігі болып табылса және егер сорғы жұмыс істей берсе, температура сағатына 1,3°С – ге төмендейді. Бұл жайтты ескере отырып, қабылдағыштағы сұйықтықты салқындаудың қорғауды қарастыру қажет.

Сұйықтық мәжбүрлі айналымы бар жүйелер тиімді, өйткені оларды жасау үшін су қыздырғыш жүйелеріне сорғы мен күн сәулесін қабылдағышты енгізе отырып, жасауға болады. Оған қоса, мұндай жүйелерде жинақтаушы ыдысты қабылдағыштан жоғары қою қажеттілігі жоқ. Сорғы пайдаланатын қымбат болатын немесе тұрақты түрде берілмеуі мүмкін электр энергиясына тәуелділік бұл жүйенің басты кемшілігі болса керек.

Жылулық айналым. Сурет 5.7, а – да көрсетілген қыздырғыш жүйесіндегі сұйықтықтың айналымы салқын және ыстық су тығыздықтары аырмашылығы арқылы жүзеге асырылады. Тұйықталған тік контур арқылы сұйықтықтың айналымын қарастырайық (сурет 5.8).

қимасында

 

 

қимасындақысым сол жақта оң жаққа қарағанда артығырақ, бұл сұйықтықтың барлық контур бойымен қозғалысына алып келеді.

(5.16) өрнегінің сол жағын мынадай түрде жазуға болады

 

 

мұнда интегралдау жабық контур арқылы жүзеге асырылады. (5.17) өрнегіндегі dz құбырда тік бағыт бойынша артуына сәйкес келеді. (5.17) өрнегін басқа түрде жазайық:

 

 

мұндағы

энергияның сұйықтықтың бірлік массасына қатысты артуына сәйкес келеді; – анықталған нүктедегі сұйықтық тығыздығы. Сұйықтықтың энергиясының артуы құбырдағы үйкеліске кететін жоғалтулармен шектеледі (§2.6 қараңыз).

 

Кеңею коэффициенті β әдетте тұрақты:

 

Бұл кезде (5.19) формуласын мынадай түрге келтіруге болады:

 

 

мұндағы – анықталған нүктедегі температура. Ағын бағыты – ның оң мәніне сәйкес келеді.

Мысал 5.4. Жылулық айналымы бар жүйедегі ағынды есептеу. Сурет 5.7 – де көрсетілген қыздыру жүйесінде су қабылдағышқа – та беріледі, 4°С – қа қызады да, жылуды жоғалтпай жоғары қарай кезінде қозғалады. Егер жүйе 100 л суға ие болса, су бүкіл контур бойымен айналуға жұмсалатын уақытты есептеңіз.

Шешімі. Оқшауланған контурда айналым кезінде жинақтаушы резеруар түбіндегі салұын су температурасы қабылдағышқа кірер кездегі температураға тең болады, яғни . 1234 контуры бойынша интегралы сурет 5.7, б – дағы 1234 қиысғымен шектелген аудан болса керек және штрихталған үшбұрыштар ауданы мен ортадағы тік төртбұрыш ауданлары қосындысына тең:

Ауданның оң мәні интегралдау бағытымен анықталады. Сұйықтық ағыны бағыты 1234 бағытымен сәйкес келеді. (5.20) өрнегіне орташа мәнін қоя отырып, аламыз. (5.19) өрнегінің шешімін тапсақ, дәл мән ала аламыз.

Ағын жылдамдығын есептеу үшін мәнін теріс таңбалы үйкеліс күшіне теңестіреміз. Ең жұқа қабылдағыш құбырларында үйкеліс максимал мәнге ие болады. Қабылдағышта ұзындығы L=2 м және диаметрі D=12 мм болатын төрт құбыр бар деп қарастырайық. Онда әрбір құбырда:

мұндағы u – ағын жылдамдығы; f=16 /uD ламинарлы ағыс үшін.

Сәйкеіснше,

Рейнольдс санын табайық uD/ν=540, яғни ағын шынымен ламинарлық екен.

Төрт құбыр арқылы көлемдік шығын

Олай болса, 100 л суы бар жүйеде бір айналым үшін осынша уақыт қажет:

Селективтік беттер

Идеалды селективтік беттер. Қабылдағыш жұтатын максимал күн сәулелену энергиясы шамамен 0,5 мкм толқын ұзындығына сәйкес келеді; қабылдағыш сәулелендіретін максимум энергия 10 мкм толқын ұзындығына сәйкес келеді. Идеалды қабылдағыш беті мүмкіндігінше көп энергия жұтып, жоғалтуды минимум шамаға дейін жеткізу керек, яғни болғанда бет үлкен монохроматты жұту коэффициентіне ие болуы тиіс, ал болғанда бет төмен монохроматты жұту коэффициентіне ие болуы тиіс (сурет 5.9). Ал селективтік бет үшін . Мұндай жағдайда және сәйкесінше орташа мәнді және болады.

Сурет 5.9. Әртүрлі беттердің спектрлі сипаттамалары. Cu металы үшін (1 қисық сызығы) және Cu₂S жартылай өткізгіш үшін (2 қисық сызығы) қисықтары берілген. Штрихталған қисық – идеалды селективтік бет

Металл – жартылай өткізгіш құрылымы. Кейбір жартылай өткізгіштер идеалды селективтік бет үшін талап етілетін қатынасына жақындығымен сипатталады. Жартылай өткізгіштер тек электронның валенттік аумақтан өткізгіштік аумаққа өту үшін қажет энергиясы бар фотондарды ғана жұта алады (тарау 7 қараңыз). Бастапқы E_g энергия шамамен Si үшін 1,1 мкм және Cu₂S үшін 2 мкм – ге тең толқын ұзындытарына сәйкес келеді, одан қысқа толқындар жұтылады (сурет 5.9). Алайда төмен механикалыө беріктік, төмен жылуөткізгіштік және жартылай өткізгіштердің қымбат құны күн сәулесі қабылдағышын толық жасау үшін тиімсіз етеді.

Металдар берік, жылуды жақсы өткізеді, салыстырмалы түрде арзан, алайда спектрдің көрінетін және инфрақызыл аймақтарында сәулеленуді жақсы қайтарады (яғни нашар жұтады).

Өткізгіш электрондары мен металл бетіне түсетін электромагниттік сәулеленудің әрекеттесуі бетке жақын жердегі электрондар тербелісі жиілігінің өзгеруіне алып келеді. Нәтижесінде электромагниттік өрістен электрондар алған энергияның үлкен бөлігі екіншілік толқын ретінде сәулелендіріледі, олар жиналып шағылысушы толқын түзеді. Шағылысатын толқындар энергиясы түсетін толқындар энергиясынан аз ерекшеленеді, сол себепті сырт көзге металл бетіне түскен сәуле шағылысқандай көрінеді. үшін , яғни (сурет 5.9 қараңыз).

Сурет 5.9. Селективтік беттердің бір түрі үшін жылулық ағындар. Жартылай өткізгіш қабаты (қысқа толқынды күн сәулесін қатты жұтатын) металл бетіне қапталған

 

Кейбір металдар түсетін сәуленің толқын ұзындығы белгілі бір ұзындықтан төмен болғанда жұту коэффициентінің артуымен сипатталады. Мыс үшін (сурет 5.9 қараңыз), сол себепті мыс қызыл аймаққа қарағанжа көк аймақта қаттырақ жұтады. толқын ұзындығы плазмалық жиілікке сәйкес келеді. Түсетін сәуле жиілігін плазмалықтан гөрі арттыру электрондардың плазмалық тербелісінің қозуына алып келеді, бұл кезде металдың жұту коэффциенті артады.

Егер металл беті жартылай өткізгіштің жұқа қабатымен қапталса, олардың сипаттамаларын біріктіруге болады. Сурет 5.10 – да жартылай өткізгіш қабатына бетіне түсетін қысқа толқынды сәуленің жұтылу және металл салмасыны жылу берілу процесі көрсетілген. Жартылай өткізгіш қабатының қалыңдығы, бір жағынан, тиімді жылу беруді қамтамасыз етумен қажеттілігі үшін анықталса, екінші жағынан – жартылай өткізгіш арқылы өткен сәуленің металл бетінен шағылуын бодырмау үшін сәулелену ағынының максимал бөлігін жұтуды қамтамасыз ету үшін анықталады. λ=1 мкм кезінде жартылай өткізгіштерде жұтудың тиімді ұзындығы шамамен 1 мкм құрайды, яғни келетін сәулеленудің 63% - ы 1 мкм қалыңдықта жұтылады және 95% - 3 мкм қалыңдықта жұтылса керек (§3.6 қараңыз), сәйкесінше күн сәулесін жұту коэффциенті жоғары. Толқын ұзындығы 10 мкм болғанда металдың да, жартылай өткізгіштің де шағылыстыру қабілеттілігі жоғары емес ( мысалы сурет 5.10 – да).

Нәтижесінде алынған күрделі беттің көрінетін және инфрақызыл сәулелену үшін қара болатын және сол себепті болатын қарапайым қара бетке қарағанда радиациялық жоғалту деңгейі төмен. Селективтік беттің жұту коэффициенті қара беттікі секілді жоғары емес, өйткені үшін мұндай бетте кемиді (сурет 5.9 қараңыз), ал күн сәулесінің 30% - ы λ диапазонына сәйкес келеді (сурет 4.1 қараңыз). Температура артқан сайын селективтік беттің шағылыстыру қабілеті артады, оған қоса радиациялық жоғалтулар да артады (пропорционалды түрде ). Бет температурасы 40°С және болғанда радиациялық жоғалтулар толық жылу жоғалтулардың шамамен 20% - ын құрайды (мысал 5.1 қараңыз), алайда бет температурасы 400°С және болғанда радиациялық жоғалтулар 50% құрайды, егер болғанда ғана, жоғалтулар 10% болады.

Селективтік бет алу үшін мыс пластинаны сілтілік ерітіндіге батырады, сол кезде оның бетінде қабықшасы түзіледі. Сурет 5.9 – да өнеркәсіптік әдіспен дайындалған осындай беттің абсорбциялық сипаттамалары көрсетілген.

Зертханалық жағдайларда әртүрлі селективтік беттер алынған, алайда олардың тек кейбіреулерін ғана қолдануға болады, өйткені біреулері өте қымбат, ал біреулері морт сынғыш келеді; кей кезде бет сипаттамалары уақыт өтісімен өзгереді (мұндай процесс «тозу» деп аталады). құрылымды беттерден ерекшеленетін кейбір селективтік бетер үшін жұқа қабықшаларда толқын интерференциялары орын алуы мүмкін.

Селективтік беттерді дайындау қабылдағыш беттерің жай қара түске бояғаннан гөрі қымбат болады. Осыған орай және де төмен температураларда жұту коэффициентінің төмендігі мұндай беттерді 60°С – дан төмен температураларда жұмыс жасайтын қабылдағыштар үшін қолданған тиімсіз болса керек. Алайда Цельсий шкаласы бойынша жүздеген градустар құрайтын температуралар кезінде (мысалы, күн мұнараларында, §6.9 қараңыз) бірнеше жылдар бойы қатынасын барынша жоғары ұстап тұратын селективтік беттер қажет.