Воздушный солнечный коллектор-догреватель

Применение законов физики не так просто как кажется.
При решении любых технических задач возникают сложности о которых мы не догадываемся в начале, не даром есть поговорка что "специалист отличается от НЕ специалиста тем, что знает тонкости".
Лично я в своей практике не раз сталкивался с этим.
Например, "в общих чертах" и я знаю как построить космический корабль для полета на Марс, но сильно сомневаюсь, что мне это когда-либо удасться сделать в реальности.
Поэтому я считаю, что выдвинутую идею нужно подтверждать практикой, так как иногда вылезают такие проблемы, которые уничтожают всю идею.

На счет оребрения металла: скажите, каким простым и недорогим способом можно увеличить площадь плоского листа металла в разы?
Лично мне понравилась виденная где-то идея сделать лист металла не сплошным, а в виде очень мелкой сетки и заставить воздух проходить сквозь эту сетку.
Таким образом можно турбулизировать поток воздуха и значительно увеличить теплосъем с поверхности.
А сеток таких нужно сделать несколько слоев.
Аэродинамическое сопротивление у сетки весьма небольшое (так как большая площадь поверхности) и несколько сеток поставленные на пути потока сильно влиять на сопротивление не будут.

 

Мне кажется, что не обязательно увеличивать площадь именно металла. Я, в своей конструкции СК, перед железкой располагаю три слоя поликарбоната. Площадь каждого слоя такая же как и у железки. Прозрачность поликарбоната = 0,8. Это значит, что 20% проходящего через слой света превращается в тепло.
Предположим, что на СК светит солнышко с мощностью излучения 800 вт/м2. Тогда в передней стенке СК задержится (потеряется) =800*0,2=160 вт./м2. На первом слое экрана превратится в тепло = (800-160)*0,2 =120 вт./м2. На втором = (800-160-120)*0,2=104 вт./м2. На третьем превратится в тепло = (800-160-120-104)*0,2=83,2. Кроме того третий слой подогреется обратным ИК излучением от железки. До железки дойдет = (800-160-120-104-83,2) = 333 вт./м2. Если мы увеличим площадь железки в 2 раза (согнем из не гармошку с углом между смежными плоскостями 60 градусов), то получим плотность потока энергии на железке = 333/2 = 166 вт./м2.

Если учесть, что каждая из этих плоскостей контачит с воздухом двумя поверхностями, то эти числа надо поделить на 2 (это для расчета теплоотдачи). Возьмем, например, железку 166/2 = 83 вт./м2. То есть, при коэффициенте теплоотдачи = 10вт/(м2*градус) у нас железка будет теплее нагреваемого ею воздуха на 83/10 = 8,3 градуса. Вполне себе нормально. И это при максимально возможной интенсивности солнечного излучения.
Вот.

 

А спектр пропускаемого электромагнитного излучения у поликарбоната Вам известен?
Почему Вы считаете что из 800 вт солнечного излучения превратится в тепло 160 вт?

 

Потому-что производители на своих сайтах пишут светопропускание (кое-кто пишет прозрачность) = 0,8 - 0,86. Так как обычно врут в лучшую сторону, я решил = 0,8. Значит, если пройдет 0,8, то 1-0,8=0,2 останется (поглотится,превратится в тепло). Я где-то ошибся? Далее я умножил 800 на 0,2 получилось 160. Что не так?
Спектр пропускаемого электромагнитного излучения у поликарбоната я, полазивши по интернету, нашёл


Нашел спектр солнечного излучения


Только не могу понять зачем нужны спектры излучений. Я думал, что те кто описывают свою продукцию просто померили мощность излучения с поликарбонатом и без и получили эту цифру 0,8. А сколько надо?

 

Вы всё посчитали но сделали неверные выводы.

Дело в том что солнечное излучение поглощается в диапазоне 250нан до 2000нан, а железяка излучает на 8 микронах при +100С (закон смещения Вина)
4 мя слоями поликарбоната вы просто убили парниковый эффект.
Поликарбонат - это идеальная ловушка для солнечной энергии.

Я вам пояснил на картинке ниже.

Идея интересная, но похоже безжизненная.
Как сифон она работать будет плохо, потому что тёплый воздух будет вываливаться в коллектор, остывать и проваливаться вниз, выталкивая вверх подогретый от стены.

 

Может мы с Вами друг друга не поняли? Солнце (диапазон от 300 нм до 2000 нм) проходит через переднюю стенку СК, через слои поликарбоната, частично поглощаясь, доходит до железки, нагревает её. ИК излучение от железки пытается пройти сквозь слои поликарбоната, но не может, полностью поглощается поликарбонатом (нагревает его). В свою очередь каждый слой поликарбоната излучает ИК (по мере приближения к внешнему стеклу слои имеют все меньшую температуру (проходящий в зазорах воздух охлаждает листы поликарбоната)). Это ИК излучение от слоя поликарбоната поглощается соседними слоями поликарбоната. Получается, что внешний слой теплового экрана имеет наименьшую температуру, т. е. излучение ИК от него на переднюю стенку минимально. Все нормально, воздух греется, парниковый эффект жив.
Теперь по поводу утверждения:

1. Предположим, ночь, нет солнечного освещения. Температура у передней стенки СК = температуре около железки и стены, температура ниже чем температура на входе в коллектор. Сифон запрётся (холодный воздух плотнее тёплого).
2. Предположим, слабая освещённость, в коллектор поступает энергии меньше, чем теряется через переднюю стенку. Это как раз та ситуация которую описали Вы. Повидимому переднюю стенку коллектора надо делать не из поликарбоната с теплопроводностью 3,8 вт./(м2*гр.), а из однокамерного стеклопакета с и-стеклом (прозрачность 0,88, теплопроводность 1,6 вт./(м2*гр). Тогда такой нехороший эффект будет наблюдаться до мощности излучения = (t1-t2)*1,6/0,88. Предположим, что температура в комнате 20 гр., на улице -20 гр. , тогда эта мощность излучения = 73 вт./м2. Это сильно пасмурная погода, но надо предусмотреть замыкание входа на выход коллектора при низких температурах на выходе. В случае, когда коллектор работает на ТА (я это описывал в https://www.forumhouse.ru/threads/75111/page-9#post-2155221 пост 313) это замыкание входа на выход происходит автоматически.
3. При мощности излучения больше 73 вт./м2, все нормально, идет циркуляция с подогревом.

Кстати, вчера зашел в одну контору по изготовлению пластиковых окон, они гонят рекламу по телевизору про посеребрённые окна. Попросил дЕвицу посчитать цену панели из энергосберегающих стеклопакетов в раме 8м.х 6м. = 40 м2. Насчитала 67 тыс. руб. Я думал будет значительно дороже. В прошлом году стоило около 80 тыс. руб. Похоже, когда я наконец дострою дом - будет совсем дёшево.

 

Физика посчитана не верно.
1) Поликарбонат в диапазоне 200-2000нм пропускает 80% отражает 20%
практически ничего не поглощает, в противном случае он сильно бы нагревался, чего не наблюдается.
в диапазоне 8мкм 90% отражает и 10% пропускает.(СМ график пропускания СПК.)

2) Для обычного СК без теплового экрана при Т внутри +40С, Т снаружи -10С.
Пусть 1000*0,8= 800вт это то что вошло во внутрь.

Потери теплопроводностью будут 3,8 *50= 190вт
Потери излучением
(313^4 *5.6)*(1-0,9)=54вт это то что улетело на длинне волны 8мкм от железки крашеной сажей например.
Плюс то что влетело (263^4*5,6) *0,1=27вт
ИТОГО: 54-27=27Вт
Это пренебрежимо мало по сравнению с теплпотерями теплопроводностью.

В остатке 800-190-27= 583Вт ушло в нагрев. КПД 583/1000=58%

3) пусть T (та)=+20С, Тогда в вашей конструкции долетит до железки 1000вт*0,8*0,8*0,8*0,8=409Вт
Остальное переотражением вылетит назад в диапазоне 200-2000нм.
Потери теплопроводностью будут 30*3,8=114Вт
Потери излучением около 25Вт
В остатке 409-114-25= 270Вт ушло в нагрев. КПД 270/1000=27%

Делайте выводы сами.

 

Странно Вы как-то считаете.
(313^4 *5.6)*(1-0,9)=54вт, что такое "(1-0,9)" ? Если это коэффициент излучения (или степень черноты), то это 0,9/1. Вот ссылочка на таблицу (http://temperatures.ru/pages/koefficient_izlucheniya). Вот цитата оттуда:"Коэффициент излучения (или степень черноты) - ε показывает отношение энергии теплового излучения 'серого тела' согласно Закону Стефана Больцмана, к излучению 'абсолютно черного тела' при той же температуре. Коэффициент излучения абсолютно черного теле ε = 1."
Обратите внимание "отношение", а не разность с единицей.
Итак, считаем. (313^4 * 5,67032 ^ -8) * 0.9 = 544,2*0.9 = 489,78 - это то что улетело на длине волны 8мкм от железки крашеной сажей, например.
Плюс то, что влетело (263^4 * 5,67032 ^ -8) * 0.9= 271,29 * 0.9 = 244,16
ИТОГО: 489,78-244,16=245,62Вт Это достаточно много по сравнению с теплпотерями теплопроводностью.
Кроме того надо помнить, что железка имеет температуру выше температуры воздуха. И разность этих температур определяется коэффициентом теплоотдачи. На предыдущей странице я считал эту разность температур для Николая (правда для моей схемы), для Вашей схемы разность будет больше, потому-что теплопередающая поверхность меньше. Пусть железка всего на 10 градусов теплее воздуха, тогда:
(323^4 * 5,67032 ^ -8) * 0.9 = 617,19*0.9 = 555,47 вт. и разность уже равна 311,31 вт.

В остатке 800-190-311= 299Вт ушло в нагрев. КПД 299/1000=29.9%

Вообще-то, это очень грубый (прикидочный) расчет. Надо считать из условия, что векторная сумма всех тепловых потоков на передней прозрачной стенке равна нулю.
А потоки такие:
1. Поток тепла от солнца, поглощенный передней стенкой
2. Поток тепла от железки, поглощенный передней стенкой
3. Поток тепла от воздуха, поглощенный передней стенкой
4. Теплопередача через переднюю стенку на улицу
5. Теплоизлучение передней стенки на улицу.

Теперь по поводу:

Расчетом я Вам смогу доказать обратное, когда найду где-нибудь таблицу коэффициентов поглощения для поликарбоната (пока ищу).
Но из собственного опыта. В прошлом году в октябре сидел на даче у горящей печки. Решил провести такой опыт. Открыл дверцу (остались одни угли), поднес к открытой дверце руку (не обжигает, рука терпит), в руке кусочек поликарбоната. Секунд через 10 этот кусочек скукожился и потёк (палец обжёг). А Вы говорите, что все отражается. Попробуйте так-же поднести к печке зеркало и подержать его подольше.

 

Коэффициент пропускания на 8 микронах равен 10% или 0,1
Хотя может быть ещё меньше.

Железка +40С
излучает (313^4 * 5,67032 ^ -8) = 544,2
Наружу выходит (313^4 * 5,67032 ^ -8) * 0.1 = 54,4вт на м2

на улице -10С
На СК падает мощность 263^4 * 5,67032 ^ -8) = 271,29
вовнутрь входит 271,29*0,1=27вт

всё логично

Если железка, или правильно: поглощающая поверхность, имеет температуру +40С
то воздух между поликарбонатом и железкой действительно будет холоднее.
Скажем на 10градусов, как вы предполагаете.

Тогда теплопотери через поликрбонат будут ещё меньше.
Не 50*3,8 =190 вт как посчитал уважаемый Pipilats
а 40*3,8=152вт
КПД простого СК будет не 58% а 64%

СПК поглощает всего 2-4%
см. https://polyglass.ru/tech/teplo_mono.php

 

Куда девается 544,2-54,4=489,8 ?

 

Отражается от поликарбоната назад на железяку, и почти полностью поглощается ей.
(По закону Кирхгофа любое тело, интенсивно излучающее волновую энергию, не менее интенсивно и поглощает ее.)

 

Ну вот, нашел коэффициенты излучения (поглощения) поликарбоната в области ИК.
Перечень материалов, температуру которых можно измерять с помощью пирометра со спектральной полосой 7,9 микрон (https://www.diagnost.ru/Presentations%20Adobe%20Acrobat/M67applicat11.pdf) - это pdf, поэтому цитировать затруднительно. Там написано, что коэффициент излучения (поглощения) поликарбоната на длине волны 7,9 микрон = 0,96
Вот ещё статейка по поводу лазерной резки полимерных материалов (http://plastinfo.ru/information/articles/239/). Вот цитата оттуда:

Получается, что ИК излучение от железки попадает на переднюю стенку коллектора, практически полностью поглощается поликарбонатом, нагревает этот поликарбонат до температуры, когда наступит термодинамическое равновесие (можно считать, что почти до температуры железки).
А если вспомнить, что сотовый поликарбонат состоит из двух тоненьких пленочек, разделённых между собой воздушным промежутком, то можно представить такой процесс. ИК излучение от железки попало на первую пленочку, нагрело её, пленочка сама начала излучать ИК, это излучение от первой пленочки через воздушный промежуток светит на вторую пленочку, вторая пленочка нагревается, греет воздух на улице и начинает светить ИК тоже на улицу, а там -10 градусов и обратное излучение (с улицы) в несколько раз меньше того которое на улицу.
Как Вам такие рассуждения?

 

По поводу движения воздуха в этом коллекторе.
Есть такое явление как прилипание потока воздуха к поверхности.
Поэтому работать оно конечно будет. И смешения сильного не будет.
Далее.
Внешнее стекло (температура уличная плюс пять-десять градусов) будет холоднее входящего воздуха (примерно 18-23 градуса, мы же про комфортные температуры говорим), а значит поток по нему возможен только нисходящий до самого низа стекла.
Есть еще возможность покрыть внутреннюю поверхность стекла панели чем то отражающим ИК (что то вроде полупрозрачного зеркала, возможно что то из китайских пленок зеркальных).
То же самое возможно можно сделать с поликарбонатом на жалюзи.
Еще один плюс такой системы более близкий к нормали угол падения лучей солнца.
По сайту https://khd2.narod.ru/gratis/solar.htm#SOLAR_DIRECT оптимален угол 40 градусов.
Если при этом листы поликарбонатного жалюзи по отношению к металлическим жалюзи установить непараллельно (под углом, вершиной угла к наружной стенке, смотрите схемочку) получим более интересный угол отражения ИК излучения от металлической панели. Что то вроде световой ловушки в виде зеркального коридора. Этим мы еще увеличим КПД за счет многократного отражения и поглощения.
За счет увеличения зазора к верхней части получим реактивный эффект при нагреве воздуха (воздух ведь расширяется при нагреве). Это еще более улучшит циркуляцию

Считай не считай - пробовать надо.
Солнечный свет в пасмурный день пробивается в ИК диапазоне с меньшими потерями чем видимый, как ни крути.
У кого нибудь есть пасмурный спектр?
К тому же коллектор нам нужен зимой, следовательно и расчет надо делать для зимних минимумов.
А они на порядок ниже ваших расчетов.

У кого есть теплица поликарбонатная можно попробовать модель слепить из подручного материала и посмотреть что получится.
Или на окне с солнечной стороны поэкспериментировать.
Тогда первичную модель можно вообще из бумаги склеить.
Хм...Завтра попробую посмотреть что смогу сделать из подручных.
Термометр электронный медный у меня есть. Жаль пирометра нету, но может что придумаю и с ним.

Вот как на рисунке систему сделать.

У вас там ошибочка. Максимум поглощения - провал к 0 между 1500 и 2000 нм.
Вы над графиком пропускания изголялись.
У солнца там есть максимум излучения в пасмурный день. Нам тепла в холодные дни маловато как раз.
А они чаще пасмурные.
И вообще все провалы на графике пропускания есть точки поглощения электромагнитного излучения поликарбонатом и следовательно прямое преобразования этой энергии в тепло.
Тут возможен плюс что можно вообще обойтись без металла.
Просто одну сторону сторону поликарбоната зачернить.
Да еще и поликарбонат взять разноцветный. Красный, синий, зеленый.
К тому же по графику пропускания видно что нагретая железяка будет излучать в зоне лучшего поглощения поликарбонатом. А это снова прямое преобразование в тепло что нам и надо.
Т. е. как ни крути, а поликарбонат в коробе будет сам нехило греться. Даже в пасмурный день.
Остается придумать как это тепло в улицу не рассеять.

 

По поводу покрытия стекла панели чем то отражающим ИК - можно использовать однокамерные стеклопакеты с энергосберегающим стеклом. У них хорошие характеристики по светопропусканию и приведенному коэффициенту теплопроводности

Вроде бы жёлтенький график "очень даже" подходит для использования в солнечном коллекторе.

По поводу схемки. Я не очень понял - зачем размещать листы поликарбоната между задней стенкой коллектора и железками. Если заднюю стенку покрыть фольгой (у алюминиевой фольги коэффициент поглощения 0,04), то ИК будет отражаться от фольги на железку, температура железки повысится и теплоотдача от железки к воздуху тоже повысится.

Ещё по поводу теплового экрана. Я в теме про воздушный коллектор (https://www.forumhouse.ru/threads/75111/page-11) пост 165, предлагал сделать эти жалюзи гофрированными (для снижения отражения от поверхности листов) и пытался посчитать оптимальный угол гофры. Посмотрите, если интересно.

 

Всё верно, всё что поглотилось то и излучилось назад.
На пропускание остаётся максимум 0,04. То есть ничего.

Не изобретали бы вы велосипед.

Лучше поделитесь результатами эксперимента.