3.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь

При анализе процессов теплопереноса используется метод тепловых цепей с параллельным, последовательным и комбинированным соединением термических сопротивлений.

Теплоёмкость. Тепловая энергия может накапливаться в различных телах точно также, как электрическая в конденсаторах. Рассмотрим ёмкость с горячей водой, окружённую средой с температурой Т_с. Тепловой поток от ёмкости в окружающую среду определяется уравнением:

- m*c*(d/dt)*(T₁ – T_с) = (T₁ – T_с)/R_1,с , (3.33)

где знак (-) означает, что Т₁ уменьшается, eсли (Т₁ – Т_с) положительна: R_1,с - результирующее термическое сопротивление тепловому потоку, включающее конвекцию, излучение и теплопроводность.

4. Солнечное излучение

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125%

Этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. Однако препятствием этому является низкая эффективность солнечного излучения. Наибольшая плотность солнечного излучения в коротковолновом диапазоне с длиной волны 0,3-2,5мкм составляет примерно 1кВт/м² и включает видимый спектр.

Для различных районов в зависимости от места, времени суток, и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 30 МДж/м² в день. Особенно привлекательны южные районы Сибири и Дальнего Востока.

4.1. Космическое солнечное излучение

Температура поверхности Солнца- 5800⁰К. Солнечная постоянная над атмосферой Земли

равна G_o =1353ВТ/м². Солнечный спектр можно разделить на три основные области:

- ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 Мкм)- 9 % интенсивности;

- видимое излучение (0,4мкм< λ<0,7мкм) – 45% интенсивности;

- инфракрасное излучение (λ≥ 0,7мкм) -46% интенсивности.

Все три области относятся к коротковолновому диапазону. На поверхности Земли регистрируется как прямой поток, так и рассеянное атмосферой излучение. Отношение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения от 0,9 в ясный день до нуля в пасмурный день. Полная облучённость есть сумма интенсивности направленного и рассеянного излучения:

G = G_н+ G_р. (4.1)

4.2. Геометрия Земли и Солнца

Рис.4. 1.Схема определения широты φ и долготы ψ. 1.- экваториальная плоскость; 2 - меридиональная плоскость.

На рис. 4.1.изображена Земля. Она обращается за 24 часа вокруг своей оси. Ось перпендикулярна экваториальной плоскости Земли. Точка С – центр Земли. Точка Р на поверхности Земли характеризуется широтой φ и долготой ψ. Величина φ положительна для точек, лежащих севернее экватора, отрицательна – для точек южнее экватора. Величина ψ положительна к востоку от Гринвича. Вертикальная плоскость – меридиональная. Точки Е и G = точки на экваторе, имеющие те же долготы, что и точка Р и Гринвич соответственно. Один раз каждые 24ч Солнце попадает в меридиональную плоскость. Это – полдень по солнечному времени для всех точек, имеющих данную долготу. Полдень не обязательно совпадает по солнечному времени с двенадцатью часами, т. к. единое установленное время в часовом поясе в пределах 15⁰ долготы. Земля обращается вокруг Солнца за год. Направление земной оси остаётся фиксированным в пространстве под углом σ₀ = 23,5⁰ к нормали к плоскости вращения (рис.4.2).

Рис.4.2. Схема вращения Земли вокруг Солнца. Сплошная линия на поверхности Земли – экватор.

Угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью называется склонением σ и является мерой сезонных изменений. Мысленно проведём линию от центра Земли до Солнца, пересекающую поверхность Земли в т. Р на рис.4.1. В этом случае σ представляет собой угол φ на рис. 4.1. Таким образом, склонение есть широта точки, для которой Солнце находится в зените в полдень по солнечному времени. Как следует из рис.4.3. в северном полушарии σ плавно меняется от σ₀ = +23,5⁰ в период летнего солнцестояния до σ₀ = -23,5⁰ в период зимнего солнцестояния. Аналитически получено:

σ=σ₀Sin[360⁰(284+n)/365], (4.2)

где n- день года [n=1 соответствует 1 января]

Суточная облучённость H есть полная энергия солнечного излучения, которая приходится на единицу площади поверхности за день:

H = ∫ G*dt (4.3)

Рис. 4.3. Схема освещения поверхности Земли солнечным излучением в различные времена года. Отмечены широты 0⁰; ± 23,5⁰; ±66,5⁰. Видно, как меняется склонение σ. Стрелками обозначен поток солнечного излучения.

Рис. 4.4. Сезонные изменения облучённости H_h горизонтальной приёмной площадки в ясный день на разных широтах.

Летом H_h ≈25 Мдж/м²*сут. во всех широтах. Зимой Н_h в высоких широтах много меньше вследствие более короткого дня, косого падения лучей и большого ослабления атмосферой (Римскими цифрами обозначены месяцы). На рис. 4.4.показано изменение суточной облучённости в зависимости от широты местности и времени года. Приведённые на рис.4.4. значения соответствуют измерениям при ясном небе в горизонтальной плоскости. Сезонные изменения определяются тремя основными факторами.

1.Изменением продолжительности дня. Например, на широте 48⁰ продолжительность дня (N) меняется от 16ч в период летнего солнцестояния до 8ч в период зимнего солнцестояния. В полярных широтах N=24ч (летом) и N=0(зимой).

2. Ориентацией приёмной площадки.

3. Изменением поглощения в атмосфере. Атмосфера Земли ослабляет поток солнечного излучения.