УДК
536.12.621
ЗАДАЧА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГЕЛИОПОКРЫТИЙ
Кенжетаев Г.Ж., Елдесбаева Р.Б., Оразбаев А.А.
Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга.
Эффективность воздействия внешнего источника
на тепловое состояние данного физического тела, зависит прежде всего от самого
источника и от условий теплообмена между источником тепла и поверхностью тела.
Кроме того, оказывают влияние характеристики тела (геометрические размеры, и
теплофизические параметры) и наличие других источников, если рассматриваемый
источник является температурным. Условия теплообмена в большей или меньшей
степени мешают внешнему источнику тепла достигнуть поверхности тела. Обычно это
препятствие выражается в виде пограничного слоя. В самом общем случае тепло от
источника передается к поверхности тела через пограничный слой, который,
во-первых, поглощает часть тепла, так как обладает теплоёмкостью, то есть,
теплоёмкостным сопротивлением [1]:
(1)
где 
- удельная теплоёмкость пограничного слоя, Вт·ч/(кг·град); 
- плотность пограничного слоя, кг/м3; 
- толщина слоя хорошо перемешиваемой жидкости (идеального
проводника), м.
и,
во-вторых, понижает (гасит)
температуру, так как обладает температурным сопротивлением:
(2)
где
- коэффициент теплопроводности пограничного слоя,
Вт/(м·град); 
- коэффициент теплоотдачи Вт/(м2·град).
Таким образом, до поверхности тела
действие источника доходит ослабленным – с меньшей температурой и меньшей
эффективностью. Если источники отрицательные (стоки), то влияние пограничного
слоя будет противоположным. Наличие у поверхности тела слоя, который
одновременно обладает теплоёмкостным и температурным сопротивлениями, приводит
к схеме двухслойного тела, при котором имеет место ГУ IV рода, и такие задачи
весьма сложны. В подавляющем случае ГУ являются более простыми. Так, например,
в некоторых задачах можно рассматривать лишь один вид сопротивления.
Встречаются случаи, когда имеют место оба вида тепловых сопротивления, но
каждое из них сосредоточено отдельно, и внешним источникам тепла при их
воздействии на тело надо последовательно преодолеть оба сопротивления. Этот
последний случай является общим и из него могут быть как частные случаи
выведены все другие ГУ, за исключением ГУ IV рода. Итак, пусть имеются внешние
источники тепла обоих типов (температура наружного воздуха и солнечное
излучение), а на пути их действия к поверхности тела расположены сперва,
температурное, а затем теплоемкостное сопротивление. Примером такого граничного
условия ГУ, как раз может служить задача о тепловом режиме ложа широкого
токсичного «пруда» хвостохранилища. Для того чтобы решить эту задачу,
необходимо написать ГУ для «пруда» хвостохранилища [2].
Необходимо пояснить, что, в работе, решается задача определения
теплового режима противоиспарительных покрытий, разработанных для уменьшения потерь на испарение с поверхности
токсичного пруда хвостохранилища [3]. Гелиопокрытия, изготовленные в виде
полимерных «барабанов», с образованием двух воздушных зазоров, из трех
полиэтиленовых пленок, и жестким закреплением с помощью упругих обручей, их по
диаметру, при этом их диаметр составляет 2,0 м, высота 10-15 см, укладываются
на водную поверхность токсичного накопителя (рис. 1).
1 - береговая линия;
2 – противоиспарительные гелиопокрытия на поверхности воды; 3 – элементы
крепления гелиоустройств к береговым опорам; 4 - подогреватели масла АС-8, из
полимерных трубок Ø 
мм, зачерненных; 5 -
отработанное моторное масло АС-8 между гелиопонтонами и
трубками-подогревателями
Рисунок 1 – способ уменьшения испарения с поверхности
токсичных вод
Конструктивно, в покрытиях, первый
воздушный зазор (5-7 см), образован между верхней и промежуточной, прозрачными
пленками, из (полиамидной пленки ПК-4, с коэффициентом пропускания 
= 0,91, отражения 
= 0,08, поглощения 
= 0,01, второй
ограничен промежуточной-прозрачной и нижней темной теплопоглощающей, у
основания «барабана». Теплообмен с окружающей средой осуществляется конвекцией
и лучеиспусканием. В дневное время, благодаря прозрачности верхней и
промежуточной, солнечная радиация аккумулируется на поверхности черной
полиэтиленовой пленки с сажевым наполнителем, с коэффициентами: пропускания 
= 0, отражения 
= 0,04, поглощения 
= 0,96, что способствует нагреву, и заполнению
теплым воздухом замкнутого воздушного зазора над темной пленкой [4].
Поставленная
цель достигается тем, что солнечное излучение, достигая поверхности покрытия,
проходит через два прозрачных ограждения 4,5 и поглощается теплопоглощающей темной
пленкой 6, способствуя радиационному нагреву и подъёму температуры, и
последующему заполнению теплым воздухом, замкнутого зазора 9, между нижней 6 и промежуточной 5, в результате этого,
пленка 5, поджимается к верхней 4, вытесняя воздух из верхнего зазора 8, через отверстия 10 предусмотренные в верхнем
воздушном зазоре 8, (рис. 3). Вытесняемый из верхнего зазора 8, воздух используется
для разогрева масла АС-8, посредством
зачерненных полимерных трубок. В вечернее время суток, верхний зазор 8, вновь
заполняется более холодным воздухом, возвращая промежуточную «подвижную» пленку
5, в исходное положение [5].
1 – корпус полимерный Ø 1500 мм, высотой 150 мм, толщиной 15 мм; 2 – обруч, полимерный – фиксатор верхней пленки 4; 3, 3а – вкладыши полимерные – для фиксирования промежуточной прозрачной 4 и нижней темной 5; 4 – верхняя пленка прозрачная ПВХ поливилинилхлоридная, 5 – промежуточная – подвижная (вверх-вниз», прозрачная; 6 – нижняя темная, с сажевым наполнителем; 7 – гофрированные элементы, для придания уклона, и возможности перемещения промежуточной пленки по вертикали; 8 – верхний воздушный зазор – переменный в сечении; 9 – нижний замкнутый воздушный зазор; 10 – отверстие для вытеснения воздуха из прослойки.
Рисунок 2 – Противоиспарительное гелиопокрытие
Вернемся к задаче. Внешними источниками
тепла служат окружающий воздух (температурный источник 
) и солнечная радиация (источник заданной интенсивности 
). Первое препятствие имеет место на пути от источников к
противоиспарительным покрытиям, и маслу АС-8 между ними (рис.1), на поверхности
воды, второе – на пути от них к поверхности ложа (рис. 3). При этом коэффициент
теплоотдачи на границе «вода-воздух» не является бесконечно большим. Поэтому
действие температурного источника здесь ослабляется. На действие источника 
температурное
сопротивление на границе «вода-воздух» не оказывает влияния, поэтому тепло от
него полностью поглощается или входит в воду. Таким образом от обоих источников
на поверхность противоиспарительного устройства, через два
светопропрозрачных слоя, на темную
теплопоглощающую поверхность нижней пленки, поступает тепло с интенсивностью,
равной 
Далее часть этого
тепла благодаря теплоемкостному сопротивлению расходуется на изменение
теплосодержания прозрачного слоя 
а оставшаяся часть
проникает к сажевой теплоприёмной поверхности нижней пленки и поглощается ею. В
результате этого, уравнение теплового баланса на поверхности гелиопокрытия принимает
следующий вид [2]:
(3)
где
- коэффициент теплопроводности прозрачной пленки,
Вт/(м·град); 
- плотность (интенсивность) теплового потока на поверхности покрытия,
Вт/м2; 
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град); 
- температура среды, °С; 
- удельная теплоемкость устройства, Вт·ч(кг·град); 
- плотность материала гелиопокрытия, кг/м3; 
- толщина светопрозрачного слоя (пленки) м; 
- время, ч.
- окружающий воздух (температурный источник; 
- солнечная радиация (источник заданной интенсивности); 1 – температурное
сопротивление; 2 – теплоёмкостное сопротивление на поверхности покрытий, и
масла АС-8; 3 – ложе пруда;
4 –
противоиспарительные покрытия на поверхности пруда, с заполнением участков
между ними маслом АС-8.
Рисунок 3 – Схема поступления тепла извне к
поверхности пруда
Важно отметить, что величина 
в уравнении (3)
представляет собой алгебраическую сумму интенсивности всех внешних источников
типа 
, где бы они не расположены – на поверхности устройства или
вне его. Например, диссипация
энергии потока является равномерно распределенным в воде объемным источником,
испарение воды с заданной скоростью является плоским источником, расположенным
на поверхности воды, солнечное излучение является источником, расположенным вне
воды; причем все эти источники имеют определенную интенсивность (мощность), то
есть являются источниками типа 
. Что примечательно, из уравнения (3) можно получить ряд
других ГУ, что и будет нами выполнено при описании тепловых режимов гелиопокрытия,
на поверхности «пруда», для противоиспарительных мероприятий.
Если одновременно действуют источники
типа 
и 
и у поверхности тела
имеется температурное сопротивление (коэффициент теплоотдачи не равен
бесконечности), имеем
(4)
Такого рода ГУ, принимаются в случаях,
когда тело подвержено нагреву за счет конвекции (источник типа 
) и охлаждению за счет испарения с поверхности (источник типа
). Одновременное действие на тело источников типа 
и 
возможно также при конвекции и радиационном нагреве. Приведенное ГУ объединяет ГУ II и III родов
и может быть приведено формально к виду ГУ III рода путем подстановки.
,
(5)
где
- эквивалентная температура среды; тогда вместо (4) получим
(6)
Когда теплообмен между поверхностью гелиопокрытия,
и лучистой энергией Солнца, происходит по законам излучения, тогда уравнение
теплового баланса будет иметь вид:
(7)
- относительная излучательная способность (степень черноты)
поверхности тела; 
- постоянная Стефана-Больцмана [σ = 5,7·10-8 Вт/(м2·град)].
До
этого нами рассматривался случай уравнение (3), когда теплообмен с температурными источниками принимался
пропорциональным разности температур источника и поверхности тела. Здесь же,
согласно уравнения (7) закономерность более сложная – теплообмен пропорционален
разности четвертой степени температур источника тепла и поверхности тела, то
есть зависимость нелинейная.
Решение задач с такими ГУ сложно,
поэтому удобно приводить это условие к более простым ГУ. В зависимости от
величины разности температур источника и поверхности тела лучистый теплообмен
может быть приведен к ГУ II и III родов. Если разность невелика: 
, то удобно воспользоваться
ГУ III рода. Для этого вместо (5) надо написать
, (8)
где
. (9)
Если разность температур источника и
поверхности тела велика, то можно по уравнению (5) вычислить интенсивность
теплового потока излучения 
и решать задачу,
полагая, что имеет место ГУ II рода. Так как значения 
зависят от
температуры поверхности тела, то расчетный период надо разбивать на отрезки
времени, внутри которых принимать величину 
, исходя из приближенно задаваемой температуры поверхности
тела; затем при необходимости, может быть применен метод последовательных
приближений.
Тепло солнечного излучения передается
между поглощающей и промежуточной пленкой, а также между верхней и
промежуточной конвекцией и излучением одновременно. В этом случае, плотность
теплового потока между двумя прозрачными покрытиями, можно представить, так [6]:
(10)
где 
. (11)
- коэффициент
теплообмена между верхним и промежуточным прозрачными покрытиями; 
- удельная тепловая
проводимость излучения; 
- площадь покрытия; 
, 
- соответственно температура
верхнего и промежуточного покрытий; 
- постоянная
Стефана-Больцмана; 
, 
- излучательные
способности (степень черноты), прозрачных слоев.
Между верхним прозрачным покрытием и
небосводом при 
происходит теплообмен излучением, тогда как, между верхним
покрытием при температуре 
и окружающим воздухом
при 
происходит
конвективный теплообмен. Излучательные способности двух покрытий будут
одинаковыми, если они изготовлены из одинакового материала. Однако,
экономические показатели можно иногда улучшить, если использовать между верхним
покрытием (стекло, пленка) и поглощающей пленкой-пластиной, пластиковое
покрытие, и следовательно, в такой конструкции типа сэндвича, радиационные
свойства двух покрытий могут оказаться разными.
В
работе определен тепловой режим противоиспарительных гелиотехнических
покрытий, разработанных для уменьшения
потерь на испарение с поверхности техногенного объекта.
Кенжетаев
Г.Ж – д.т.н., профессор каф. «ЭиБЖ» КГУТиИ
Елдесбаева
Р. Б – магистр техники и технологий, ст. преп. каф. «ЭиБЖ»
Оразбаев
А.А – преподаватель Мангистауского политехнического колледжа
Литература
1. Исаченко
В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.:, Энергоиздат, 1981, 415 с.
2. Пехович
А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. «Энергия». Ленинград,
1976, 348 с.
3. Кенжетаев
Г.Ж., Нурбаева Ф.К, Дюсенова Г.С., Жардем А.Г. Предотвращение испарения с
поверхности токсичных вод. Проблемы экологической геоморфологии «IV – е
Жандаевские чтения». Материалы Международной научно-практической конференции
17-19 апреля КазНУ им. Аль-Фараби
Алматы 2007 с 157-162.
4. Подгорнов
Н.И. Использование солнечной энергии при изготовлении бетонных изделий. – М.,
«Стройиздат». 1989. 145 с.
5. Способ
предотвращения испарения водных поверхностей. «Национальный институт
интеллектуальной собственности» Республики Казахстан (НИИС). Решение о выдаче
предварительного патента на изобретение., 142/03 от 27.08.2004, на заявку №
2003/1481.1 от 18.11.2003. /Кенжетаев Г.Ж., Ахмеджанов Т.К., Чакеев У.,
Есенаманова М.С/.
6. Крейт
Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.:, «Мир», 1983, 511 с.