Приближенный метод расчета температуры воздуха при выходе из аккумулятора тепла в гелиотеплицах

Введение. Во многих странах все больше внимания уделяется практическому использованию солнечной энергии, в первую очередь для горячего водоснабжения и отопления зданий а также создании необходимого микроклимата в помещениях сельскохозяйственных сооружений, в которых солнечная энергия эффективно используется в течение значительной части года [3-5]. Поэтому, можно сказать, что современное положение солнечной энергетики таково, что использование солнечной энергии расширяется с каждым днём.

Основная часть. Гелиотеплица - является сложным объектом с распределенными параметрами, в котором одновременно протекают теплообменные и массообменные процессы [6,7].

Ввиду того, что порядок дифференциального уравнения описывающего температуру воздуха в гелиотеплицы, определяется числом теплоаккумулирующих веществ, то порядок уравнения для гелиотеплицы данной конструкции [8,9] равен шести (если учесть теплоемкость внутреннего воздуха, водяного и подпочвенного аккумулятора тепла, почву, растительного покрова и светопрозрачного ограждения).

Расчет пленочных гелиотеплиц допустимо проводить так же, как и для стеклянных. Однако необходимо принимать теплопотери через светопрозрачные одинарные ограждения на 10 % больше, а через двойные на 30 % меньше, чем через стеклянные ограждения[10].

В настоящее время у нас в стране и за рубежом проявляют особый интерес к внедрению в производство тепличных хозяйств разработанных и рекомендуемых конструкций гелиотеплиц с использованием солнечной энергии для выращивания овощей и фруктов. Основными параметрами микроклимата гелиотеплиц является температура и влажность воздуха.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала.

В последние годы наиболее распространены тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом[11]. Это связано в первую очередь с использованием недорогих материалов, простых и проверенных технических решений. В таблице 1 приведены основные свойства твердых теплоаккумулирующих материалов.

Таблица 1 - Основные свойства твердых теплоаккумулирующих материалов

ТАМ	Температура °C	Плотность, кгм3	Удельная теплоёмкость, кДж/кг	Коэффициент теплопроводности, Втем*К	Коэффициент температуропроводности К)"6 м:с
Щебень	400	2500-2800	0,92	2,2-3,5	0,85-1,5
Феолит	400	3900	0,92	2.1	2,5
Бетон	400	1900-2000	0,84	1,2-1,3	0,76
Шамот	1700	1830-2200	1,1-1,3	0,6-1,3	0,21-0,65
Графит	3500	1600-2000	2,0	40-170	12-54
Кирпич красный	1000	1700-1800	0,88	0,7-0,8	0,5
Песок	-	1460-1600	0,8-1,5	0,3-0,2	-

Жидкостные тепловые аккумуляторы относятся к числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала теплоносителя.

Отопление и вентиляция гелиотеплицы должны поддерживать заданные параметры:

• - температуру;

  -относительную влажность внутреннего воздуха; -

  -требуемую температуру почвы.

Тепловой режим в подпочвенного аккумулятора тепла гелиотеплиц формируется главным образом под действием солнечной радиации и тепловым воздействием воздушной среды внутри гелиотеплицы [12]. Нахождение температурного поля в подпочвенного аккумулятора тепла, где действует ряд факторов переноса тепла (конвекция, кондукция, и излучение), является задачей большой сложности [13].

В гелиотеплицах температура почвы поддерживается за счет конвективного теплопритока от внутреннего воздуха и аккумулированной в дневное время теплоты.

При составлении дифференциального уравнения сооружения (гелиотеплицы) в целом для каждой из них составляется уравнения теплообмена. При этом учитывается следующие факторы:

• -    поступление тепла за счет радиации;

• -    тепловыделение почвы;

• -    теплопотери через светопрозрачные ограждения;

• -    теплопотери с рециркулируемым воздухом;

• -    затраты тепла на испарение влаги с почвы и растительности.

Балансовые уравнения тепла для объема воздуха гелиотеплицы записываются следующей системой уравнений:

CBGBdQB = Q РАД + Qn+Qp - Qc - Q ИНФ - Q& - Q ВЕНТ + Q; dt r r dQn _ ^РАД О^ОКР ИСИСП.                               m

| C n G n ,. = ^Qn    ^Qn    ^Qn ;                                   ⁽¹⁾

dt

CpGp Q = Qp™ - Q?p - QpИcП; dt где QpAfl -суммарное количество поглощаемого воздухом гелиотеплицы при многократном отражении солнечной радиации; Qn, Qp -тепло, поступающее от почвы и растительного покрова к воздуху в гелиотеплице; Qc -теплопотери через светопрозрачное ограждение; QИНФ -потери тепла на инфильтрацию; Q^ -тепло аккумулируемое стенами подсобного помещения и другими строительными конструкциями; QВЕНТ -тепло затрачиваемое на нагрев вентиляционного воздуха; Qp -тепло,              отдаваемое рециркуляционным воздухом; Q^, Q^ -количество поглощенной солнечной радиации почвой и растениями соответственно; Q^, Qp°Kp -тепло отдаваемое почвой и растениями воздуху гелиотеплицы; Qnccn, QpP1 -потери тепла на испарение влаги с поверхности почвы и растительного покрова; Q0, Qn, Qp -температура внутреннего воздуха, почвы и растительного покрова соответственно; GB -вес воздуха в объеме сооружения (гелиотеплицы); Gn -вес слоя почвы, способного аккумулировать тепло; Gp -вес растения, участвующего в аккумуляции тепла; t -время.

На рис.1 представлена принципиальная расчетная схема водяного аккумулятора тепла, как объекта регулирования температуры воздуха на выходе из аккумулятора, задачей которой является стабилизация температур на заданном значении [14].

Рисунок 1 - Принципиальная расчетная схема водяного аккумулятора тепла

I-воздух на входе в аккумулятор; II- воздух на выходе из аккумулятора; III- водяной аккумулятор тепла; IV-тепло теряемое в процессе теплопередача аккумулятором; V-тепло подводимое нагревателями.

Тепловой баланс теплоаккумулирующего элемента включает;

• - поступление тепла от внутреннего воздуха;

• - потерю тепла в процессе теплопередачи и аккумулирование тепла аккумуляторам.

• 1.    Уравнение процесса передачи теплоты от воздуха к жидкости т.е., при зарядке аккумулятора имеет вид:

• 2.    Уравнение процесса передачи теплоты от жидкости к воздуху т.е. при разрядке аккумулятора имеет вид:

V t C b P b d ⁹ = C B L B А9 0 - a J ( А9 0 -А9 Ж ) - C B L B А9 0 ;     (2)

dt

В

V t C b P b —Г ⁰⁰ = - C b L b А90 + a Tp F T( А9 Ж - А ^ В ) — C b L b !     (3)

dt

Уравнение накопления теплоты массой элементов конструкций аккумулятора и жидкости при изменении температуры воздуха на входе запишется в виде:

Ж

( т . C Ж + т С м )       = K t F t ( А9 0 - А9 ^Ж );     (4)

dt где V - объем труб аккумулятора; рв - плотность воздуха; CB - удельная теплоемкость воздуха; LB -расход воздуха; А9Ж -приращение средней температуры воды; аТ -коэффициент теплоотдачи; FT -площадь поверхности трубы участвующий в теплообмене; Кт -коэффициент теплопередачи трубы; тж -масса жидкости (воды) в аккумуляторе; Cж - удельная теплоемкость жидкости; тм -масса элементов конструкции аккумулятора; СМ -удельная теплоемкость металла (стали);

Уравнения (2) и (3) можно объеденить в одно, т.е.

V T C B P B d⁹^ = ± [ ( C B L B m a _T F _T) А9 0 + a _T F _T А9 ^Ж ]      (5)

Где верхние знаки относятся к процессу зарядки аккумулятора, а нижние к процессу разрядки аккумулятора.

(5) приводим их к

Выполняя соответствующие преобразования уравнений (4) и стандартному виду:

T d^ + А9 0 =± K 31 ( K 31 ) А 9 В + K 32 А 9 Ж ;

dt где

T =

Т

T 2

d А9

dt

Ж

— + А 9 Ж = А9 0 ;

^V T ^C B ^p B _ ^V T ^р в .

CL

BB

L b ^;

^aT^FT . V-

^K 31    ¹       Т ; ^K 32

C _B L _B

aTFT .т/

-----;

CBLB

BB

= 1 + aTFL ;

CL BB

Т = ^т ж ^C ж ^{+ т} м c m .

• ⁴        K _T F _T     ’

В уравнение (6) знак «+» относятся к коэффициенту K ₃₁ (процесс зарядки) и знак «-» к коэффициенту K ,^1 (процесс разрядки) и соответственно в период зарядки, уравнение (6)

решается перед переменным А0 0 с коэффициентом K ₃₁ в период разрядки с коэффициентом - к 31 .

Совместно решая уравнения (6) и (7) можно легко установить уравнения связей в динамике при изменениях входной величины 90, в изменении выходной величины 901, изменении температуры воздуха на входе-изменении температуры жидкости (воды) на выходе (7), и изменении температуры жидкости (воды) на входе-изменение температуры воздуха на выходе (7), и изменении температуры жидкости (воды) на входе - изменении температуры воздуха на выходе.

Выводы. Предложенный аналитический метод расчета температуры воздуха на выходе из водяного аккумулятора тепла позволяет получить динамические характеристики гелиотеплицы.

В сельском хозяйстве южных районов республики есть возможности внедрения гелиотехники (использование солнечной энергии), можно развивать и совершенствовать строительство в сельскохозяйственных построек -это даст:

• - во-первых, -экономию топлива на обогрев помещений сельскохозяйственных сооружений;

• - во-вторых, -себестоимость вырабатываемой продукции будет низким, чем естественным отоплением;

• - в-третьих, -строительство таких систем не дороже и прост чем с отопительными системами и т.д.

Файзуллаев Ихтиёр Мукимович – ст. преподаватель

Каршинский инженерно-экономический институт, г.Карши, Узбекистан 180105.КИЭИ, г.Карши, ул Мустакиллик 225, Узбекистан

Fayzullaev Ihtiyor Mukimovich - Art. teacher

Karshi Engineering and Economic Institute, Karshi, Uzbekistan