Научно-производственное предприятие
phone
  • (068) 734-59-44
Контакты
  • Syneko - научно-производственное предприятие
  • Александр Согоконь
  • +38 (068) 734-59-44
  • Написать нам
  • Московский проспект, 41, Харьков
  • График работы

Измерение мощности вакуумных трубок

Посещая выставки и общаясь с представителями фирм, продающих солнечные коллекторы на основе вакуумных трубок, автор обнаружил, что никто из них не мог внятно ответить, какова же тепловая мощность одной трубки. Разговор сразу переходил на литры, бойлеры и температуру. А вопрос о мощности в климатических условиях Харькова вообще приводил к пожиманию плечами. Поэтому, ничего не оставалось другого, кроме, как самостоятельно измерить реальную тепловую мощность вакуумной трубки в климатических условиях города Харькова. И после этого, опираясь на достоверные цифры, переходить к разговорам о литрах бойлерах и температуре.

За основу был взят метод определения мощности путем построения кинетических кривых процессов нагревания и остывания, и вычисления мощности в пределах малых конечных приращений температуры в течение всего цикла нагревание-остывание. http://syneko.etov.com.ua/articles/13837-ChEMU-RAVNA-TEPLOVAYa-MOShchNOST-SVEChI.html. Другими словами, тепловая мощность - это производная кинетической кривой, умноженная на массу нагреваемого тела m и его теплоемкость c: P = mc dT/dt, где: T – температура, а t - время.

Методика измерений и результаты

В эксперименте использовались вакуумные трубки диаметром 58мм и длиной 85см, производства фирмы «Star-energy» (http://www.star-energy.com.ua ) с поглощающим покрытием AL-N/SS/CU. В трубку заливалась вода (1,2 литра) и закрывалась пенопластовой пробкой, сквозь которую вводился тонкий термометр. Затем трубка выставлялась на солнце, и ориентировалась так, чтобы лучи на нее падали примерно под прямым углом. Через каждые 5 минут снимались показания термометра. После вскипания воды, трубка затенялась от солнца, а измерения температуры продолжались. Было выполнено две серии измерений. Одна в начале марта 2012 года при высоте Солнца над горизонтом 36 градусов, а вторая в конце мая того же года при высоте Солнца 61 градус.

Нагрев 10марта.png

Рис.1.

На Рис.1 представлены результаты первого эксперимента. Небо было исключительно ясное весь день, температура воздуха минус 8 градусов. Начало эксперимента 8:04. Вода в трубке вскипела в 12:20, т.е, через 256 минут (4 часа и 16 минут). На момент окончания эксперимента в 23:30, температура воды в трубке была 54 градуса.

Линейный характер кинетики нагревания свидетельствует о том, что поступление тепла намного превышает потери. В этом случае мощность можно вычислить и без дифференцирования, взяв начальные и конечные значения температуры и времени. Следует заметить, что вместе с водой нагревалась и внутренняя стеклянная колба. Поэтому в формулу для вычисления мощности необходимо внести коррективы. Массу внутренней колбы можно определить по весу трубки с учетом соотношения диаметров:

mвн = M/(1+ Dвнеш/Dвнутр).

Вес трубки М=958гр, внутренний диаметр колбы - 46мм, диаметр внешней колбы -58мм, толщина стекла - 1,6мм. Из этих данных находим, что масса внутренней колбы составляет 423гр. Теплоемкость термостойкого стекла равна 860 Дж/кг град. Поэтому формула для вычисления мощности принимает следующий вид:

Р = (1,2х4200 + 0,423х860)dT/dt = 5404 dT/dt.

Подставляя в эту формулу найденное из графика значение производной, находим, что тепловая мощность вакуумной трубки в данном эксперименте составляет 32,4Вт.

Кинетика остывания, как ей и положено, описывается экспоненциальным законом. Однако показатель экспоненты настолько мал (0,0009), что этот отрезок с достаточной точностью можно представить в виде прямой. Красная линия на графике - это есть линейная аппроксимация процесса остывания, которая не сильно отличается от синей линии. По угловому коэффициенту прямой находим среднюю мощность потерь, которая в данном случае составляет 5725х0,0681/60=6,5Вт. Это средняя мощность потерь тепла в диапазоне температур 50-100 градусов, и она в 5,4 раза меньше мощности поступающего тепла.

Баланс 10 марта.png

Рис.2.

На Рис. 2 представлен баланс мощности в течение процесса нагревание-остывание. Очень показателен ряд точек в процессе нагревания в диапазоне до 32 градусов. Все они соответствуют одинаковой мощности 35,85Вт, что отличается от полученного ранее среднего значения на 9%.

Как правило, зимой и весной атмосфера чище и спокойнее, чем летом. Относительное постоянство мощности при нагреве до 50 градусов, объясняется стабильностью поступления энергии от солнца. А флуктуации при температурах выше 50 градусов можно объяснить испарением растворенного в воде воздуха. Образующиеся пузырьки прилипают к поверхности трубки и препятствуют поступлению тепла, создавая минимум на кривой, а отрываясь группами, увеличивают теплоотдачу стенок, в результате чего возникает максимум. При приближении к точке кипения к этому подключается еще и процесс парообразования, приводящий к интенсивному перемешиванию. Пиковая мощность не превышала 38Вт.

Потери это очень важный параметр. Если на трубку будет поступать энергии больше, чем теряется, то теплоноситель будет нагреваться, если меньше, то будет остывать. Т.е., зная величину потерь энергии, можно определить нижний предел плотности потока энергии, при котором солнечный коллектор будет еще работать. Если площадь поглощающего слоя нашей трубки равна 0,0376м2, то предельная плотность мощности, с которой начнется нагревание составит 6,5/0,0376=172 Вт/м2 . Это означает, что эта трубка будет собирать тепло когда солнце находится за облаками. Поскольку мощность потерь зависит от температуры, то и порог срабатывания на нагрев будет разным при разных температурах теплоносителя. Например, для поддержания кипения воды в трубке минимальная плотность мощности, которую необходимо обеспечить, составит не менее 10/0,0376= 266Вт/м2

нагрев 28мая.png

Рис.3.

Следует особо отметить, что речь идет о внутренних потерях энергии, т.е., тепло уже «зашло» в трубку, пройдя все «препятствия», на которых тоже были потери. Их мы пока не рассматриваем. И находясь уже в трубке, (теплоноситель нагрелся) тепловая энергия продолжает утекать наружу. Т.е., мы рассматриваем только внутренние потери трубки.

На Рис.3 представлены результаты эксперимента, выполненного 28 мая 2012 года. Небо было ясное, температура воздуха +25 градусов. Эксперимент начался в 9:02. Вода в трубке вскипела через 188 минут (3 часа и 8 минут). За процессом остывания наблюдали более 2-х суток. Через сутки остывания вода в трубке имела температуру 39,1 градуса, а через двое суток 29,5 градуса. Вакуумная трубка была такого же типа, того же производителя, но из другой партии.

Как и в предыдущем случае, линейный характер кинетики нагревания позволяет сразу вычислить среднюю мощность. Она равна 37,7Вт. Как и в предыдущем эксперименте, первые 600 минут процесса остывания аппроксимируем линейной зависимостью, и получаем среднюю мощность потерь 6,8 Вт. Это с точностью в 5% совпадает с ранее полученным результатом.

Интересные результаты дает анализ баланса мощности. Данные представлены на рис.4.Баланс 28мая.png

Рис.4.

Наблюдается большой разброс значений мощности в процессе нагревания, который невозможно объяснить ни пузырьками воздуха, ни процессами перемешивания. Возможное объяснение – неравномерность поступления энергии от солнца, вызванная неустойчивостью атмосферы, или легкими, незаметными перистыми облаками. Пиковая мощность 56 Вт.

А вот процесс остывания удивительным образом совпадает с предыдущим экспериментом. Найдем точки пересечения аппроксимирующих линий с осью температуры в каждом эксперименте. В марте при температуре минус 8 имеем: 4,382/0,145 = 30,22 градуса. В мае при температуре +25 получаем: 5,2535/0,1629 = 32,25 градуса. Отличие в 2 градуса при 33-х градусной разнице во внешних условиях, свидетельствует о хорошей термоизоляции, не зависящей от того, из какой партии взята трубка.

Обсуждение и выводы

Таким образом, в климатических условиях города Харькова от одной вакуумной трубки длиной 85см можно получить 33-38Вт солнечной тепловой энергии в начале марта, и 40-56Вт в конце мая. Используя коллектор, состоящий, например, из 20 трубок, можно надеяться на получение тепловой мощности в диапазоне 700 – 1100Вт. Следует, однако, заметить, что и потери тоже умножатся на 20, и составят 100 – 130Вт. Т.е. в батарее из 20 трубок 3-4 трубки работают только на компенсацию той энергии, которую «растранжирили» остальные 17-16 трубок. Надо еще учесть, что при соединении трубок в единый блок тоже появятся потери, и еще пара трубок вынуждена будет работать на их компенсацию.

Отсюда напрашивается вывод, что для повышения эффективности коллекторов, состоящих из большого количества трубок, необходимо повышать мощность каждой трубки при сохранении на прежнем уровне величины потерь. Основным каналом потерь в вакуумных трубках является хвостовая часть и горловина. Поэтому, при увеличении длины трубки будет возрастать мощность, а величина основных потерь останется без изменений. Этим объясняется и то, что трубки длиной 180см пользуются бóльшим спросом, чем трубки длиной 50 и 85см. А в последнее время начался выпуск трубок длиной более 2-х метров.

Задачу повышения мощности отдельно взятой вакуумной трубки можно решить и путем использования концентраторов солнечной энергии. Но это тема другого обсуждения.

Вызывает удивление тот факт, что мощность вакуумных трубок находится в том же диапазоне величин, что и мощность обычных парафиновых или восковых свечей. Видимо это обстоятельство и является побудительным фактором для продавцов не афишировать мощность одной трубки.

25-30 ноября 2014 года

01 декабря 2014
© 2013 - 2018 Syneko - научно-производственное предприятие | Пожаловаться на содержимое
Создать сайт бесплатно
Сайт создан на платформе UA MarketUA Market