Закрытые нагреватели воды. Конструкция, принцип работы и эквивалентная диаграмма.

Помещенный в открытом солнечном месте резервуар с изолированным от земли дном обычно охлаждается ветром. Защитить емкость нагревателя от ветра можно, помещая его в контейнер с прозрачной для солнечного излучения крышкой.

Лучшим материалом для крышек является стекло. Прозрачная полиэтиленовая пленка дешевле, но ее слишком часто приходится заменять, т.к. на солнце она быстро разрушается. Коэффициент пропускания стекла в инфракрасной области спектра меньше, чем полиэтилена, следовательноно, радиационные потери приемника со стеклянной крышкой ниже, чем с полиэтиленовой. Для приемников солнечного излучения используются также специальные покрытия из пластика, имеющие подобные стеклу свойства, но менее хрупкие.

Такую нагревательную систему имеет смысл использовать в тех случаях, когда горячая вода не требуется рано утром (домашнее хозяйство). Емкость нагревателя можно заполнять вручную.

Будем рассматривать резервуар и его содержимое как единую систему, имеющую коэффициент поглощения и теплоемкость . Температура, при которой система теряет тепло, есть наружная температура резервуара Т_р. В первом приближении можно положить Т_р=Т_f (средней температуре воды).

С учетом потерь тепла через дно резервуара, имеющего температуру наружной стенки Т_b=Т_a, получаем

Или, используя выражение для количества тепла Р, переносимого в результате теплопроводности через пластину толщиной и площадью А при разности температур ее поверхности :

что пренебрежимо мало.

Введем эффективное сопротивление дна резервуара в общее сопротивление тепловым потерям . На самом деле всегда можно сделать достаточно большим, т.к. пренебрежимо мало. Уравнение теплового баланса запишется в виде

Из рисунка 4,19,б следует, что поток тепла наружу выходит в три стадии.

1. Тепло в результате свободной конвекции поступает к стеклянной крышке через воздушный промежуток. Параллельно поверхность резервуара излучает энергию в диапазоне . В этой области спектра стекло не пропускает излучение, но сильно поглощает, поэтому тепловое излучение резервуара непосредственно с окружающей средой не взаимодействует, а поглощается стеклянной крышкой.

2. Тепло, подводимое к стеклу посредством этих двух механизмов, передается к наружной его поверхности.

3. С наружной поверхности отвод тепла происходит в процессе свободной и (или) вынужденной конвекции и излучения.

Выражение для полного сопротивления теплопотерям между приемной поверхностью резервуара и окружающим воздухом:

Сопротивление пренебрежимо мало, т.к. стекло тонкое (5 мм) и достаточно хорошо проводит тепло, поэтому разность температур вдоль стеклянной крышки также пренебрежимо мала. Конвективное и радиационное сопротивления слабо зависят от температуры, поэтому в расчетах используют оценочные значения температур:

=70ºС, =45ºС

Конвективное сопротивление

Радиационное термическое сопротивление

Полное термическое сопротивление промежутка приемная поверхность нагревателя-стеклянная крышка

Сопротивление между наружной поверхностью стекла и окружающим воздухом

ºС

Для достижения максимальной температуры требуется 31 ч работы нагревателя.

Расчетное значение максимально достижимой температуры сверхоптимистично, поскольку пренебрегли периодичностью солнечного излучения, вследствие которой невозможно обеспечить освещенность приемника в течение всего времени, необходимого для нагрева до такой температуры. Тем не менее наличие стеклянной крышки примерно в 4 раза повышает сопротивление теплопотерям между поверхностью нагретой воды и окружающим воздухом и простой закрытый нагреватель позволяет повышать температуру воды более чем на 50ºС.

б