آبگرمکن خورشیدی
مقدمه:
سیستم
های حرارتی خورشیدی نقش مهمی در انرژی خورشیدی دارد، استفاده از دستگاه
های خورشیدی سابقه طولانی دارد، گفته شده است ارشمیدس تقریباً در سال 214
قبل از میلاد از آینه مقعر برای داغ کردن آب استفاده کرده است. سیستم های
حرارتی امروزی نیز کم هزینه ترین کاربرد انرژی خورشیدی را دارد.
حرارت
خورشید استفاده از حرارت انرژی خورشید را توجیح می کند. بنابراین تعداد
متفاوتی از دستگاه های فنی وجود دارد که اضافه بر گرم کردن فضا، داغ کردن
آب یا فرآیندهای صنعتی سیستم های انرژی خورشیدی را می توان برای سرمایش یا
تولید برق با کارخانه های تولید برق خورشیدی مورد استفاده قرار داد. قسمت
های عملیاتی اصلی عبارتند از:
- گرم کردن استخر شنای خورشیدی
- آبگرمکن های خانگی خورشیدی
- حرارت کم خورشید برای گرم کردن فضای داخل ساختمان ها
- پردازش حرارتی خورشیدی
- تولید برق خورشیدی
چون
این حیطه های عملیاتی خیلی دور از دسترس هستند، این بخش فقط جنبه های مهم
آبگرمکن های خانگی خورشیدی و استخرهای خورشیدی را با سیستم های دارای
صفحات خورشیدی بسته و باز مورد بحث قرار می دهیم. بخش های زیر به کاربرد
بعضی کمیت های ترمودینامیک در توضیح اصول نیاز دارد. جدول 1-3 مهمترین
پارامترها، علائم آنها و واحدهایشان را نشان می دهد.
جدول 1-3: کمیت های ترمودینامیک را برای محاسبات حرارتی نشان می دهد.
|
نام
|
نشانه
|
واحد
|
|
حرارت، انرژی
جریان حرارت
درجه حرارت
درجه حرارت ترمودینامیک
ظرفیت حرارتی خاص
رسانایی حرارتی
ضریب همبستگی انتقال حرارت
ضریب همبستگی انتقال حرارت
ضریب همبستگی سطحی انتقال حرارت
|
|
|
انرژی به شکل حرارت Q با جریان گرماQo مرتبط می باشد.
1-3
هر
تغییر درجه حرارت نیز باعث تغییر حرارت می شود تغییر در حرارت را می
توان با ظرفیت خاص c و جرم m ماده تحت تأثیر قرار گرفته محاسبه کرد.
2-3
ممکن
است بعضی ابهامات رخ دهد که به استفاده از معیارهای متفاوت دما مرتبط
باشد، مقیاس فارنهایت معمولاً برای کار عملی استفاده نمی شود. ولی همزیستی
درجه حرارت در مقیاس سلسیوس و درجه حرارت مطلقT به کلوین مسئله سازی می
باشد. تبدیل سلسیوس به کلوین از فرمول زیر استفاده می شود.
3-3
فرمول
تبدیل فارنهایت به سلسیوس و کلوین را می توان در ضمیمه دید. مقدار عددی
تفاوت درجه حرارت به درجه سلسیوس مانند تفاوت دما در کلوین (k) می باشد.
برای تعادل صحیح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا برای تغییر حرارت باید
به کلوین باشد. همین مورد به معادلاتی مربوط می شود که در بخش بعد ارائه
خواهند شد. ولی چون مقیاس سلسیوس نسبت به کلوین رایج تر است، مقیاس سلسیوس
برای اکثر تفاوت های درجه حرارتی ومعادلات این بخش مورد استفاده قرار
داده می شود. جریان حرارتQo که باعث تغییر حرارت با ظرفیت حرارتی ثابتc می
شود به صورت زیر است:
4-3
برای ظرفیت حرارت مواد متفاوت به جدول 2-3 مراجعه شود.
شکل
1-3 ساخت لایه های n با حیطه سطحی را نشان می دهد. از یک طرف درجه
حرارت و از طرف دیگر وجود دارد. گردیان دما، جریان دما از طریق لایه ها
با فرمول زیر را به دست می آورد.
5-3
این
جریان دما Qoباعث می شود دما در سمت دارای درجه حرارت کمتر افزایش یابد و
در سمت دیگر کاهش داشته باشد تا اینکه هر دو طرف از همان دما برخوردار
شوند. اگر میزان دما یک طرف بیشتر از طرف دیگر باشد تغییردرجه حرارت در
سمتی که از دمای بالاتری برخوردار است را می توان نادیده گرفت. برای مثال
میزان دمای محیط اطراف یک ساختمان خیلی بالاتر از داخل ساختمان است. جریان
گرما از طریق دیوارهای ساختمان درجه حرارت هوای خارج را تغییر نمی دهد و
این مصداق دارد خواه درجه حرارت محیط نسبت به درجه حرارت ساختمان کمتر
باشد یا بیشتر باشد.
جدول 2-3: ظرفیت گرمایی (c) برای بعضی مواد در را نشان می دهد.
نام
شکل 1-3 انتقال حرارت از طریق لایه هایn با همان حیطه سطحی A
شکل
ضریب همبستگی انتقال حرارت به صورت فرمول زیر است:
6-3
که
می توان با ضریب همبستگی سطح انتقال حرارت a2,a1 هر دو طرف، رسانایی
حرارتی و ضخامت لایه SI، تمام لایه های n محاسبه کرد. جدول 3-3 رسانایی
حرارتی مواد متعدد را نشان می دهد.
سیستم های حرارتی خورشیدی برای آبگرمکن
گرمکن خورشیدی استخر شنا
این
بخش ابتدا گرمکن استخر شنا را مورد بحث قرار می دهد، به این دلیل نیست که
استخرهای شنای آب گرم مزایای اکولوژیکی ندارد- آنها همیشه نیاز زیادی در
ارتباط با آب پاکیزه و انرژی دارد. ولی تقاضا برای دمای پایین برای گرم
کردن استخر باعث می‌شود که از سیستم های انرژی خورشیدی ساده و اقتصادی
استفاده شود که در این بخش کاربرد گسترده ای دارد.
فایل ورد 27 ص
