Что такое солнечный соляной пруд и каковы его характеристики.
Солнечный соляной пруд (рисунок 2) — это неглубокий (2 – 4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части, у которого в нижнем придонном слое температура под действием солнечной радиации достигает 90 – 100 ⁰С и даже выше. На 1 м2 площади пруда требуется 500 – 1000 кг поваренной соли, её можно заменить хлоридом магния.
Рисунок 2 – Схема солнечного соляного пруда и изменение температуры жидкости по глубине пруда
Физической основой возможности получения температур до 100 ⁰С вблизи дна пруда (рис. 2) является подавление гравитационной конвекции — всплытия нагретой Солнцем вблизи дна жидкости вверх под действием архимедовой силы, если плотность жидкости падает с ростом температуры. Чистая и слабосоленая (в том числе морская) вода подчиняется этому закону: по мере нагрева из-за термического расширения плотность уменьшается и нагретая вода всплывает вверх, отдавая тепло воздуху, а её место замещает холодная. Устанавливается непрерывный процесс конвекции с переносом теплоты от нагретого Солнцем дна вверх и отдача ее воздуху. Именно поэтому вода в море не нагревается выше 25 – 30 ⁰С.
В солнечном пруду такой конвекции нет, потому что у крутосоленого рассола большой плотности, находящегося у дна, по мере нагрева плотность понижается незначительно, недостаточно для подъема рассола вверх. Если же на дне есть соль, то её в горячем рассоле растворяется больше, чем в «холодных» верхних слоях, увеличивая его плотность.
Механизм отдачи тепла от нагреваемого дна и придонного слоя — это только теплопроводность через грунт вниз, через боковые откосы и слой неподвижной воды вверх. Основную часть энергии в солнечном спектре несут коротковолновые — видимые — и ультрафиолетовые лучи, которые слабо поглощаются в толще воды и достигают дна. В таком пруду часть солнечного излучения — инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем пресной воды, в то время как часть коротковолнового начнет поглощаться более низкими слоями воды, а не поглощенная часть излучения, прошедшего сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от темного дна, частично поглощается водой.
Теплопроводность существенно слабее конвекции, так что вблизи дна рассол будет нагреваться до упомянутых величин. Имеются сведения о получении температуры 102 и 109 ⁰С и расчетные предположения о возможности достичь 150 ⁰С в насыщенных рассолах. Разумеется, эти температуры зависят от географической широты, прозрачности атмосферы, пресной воды, изолирующего слоя и черноты и теплоизоляции дна и боковых стенок, наличия концентраторов солнечного излучения в акваторию пруда и ветра.
Верхний слой пруда состоит из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание жидкости не удается. Сказывается действие ветра, неравномерного загрязнения поверхности и других причин. Этот слой называется верхней конвективной зоной, и его толщина должна быть как можно меньше и чище, и поверхность без ряби, чтобы снизить потери излучения, входящего в воду. То, солнечное излучение, что поглотилось в верхней конвективной зоне, — потери энергии, ибо она легко уносится с поверхности ветром и за счет испарения воды. Ниже находится градиентный слой (изолирующий слой с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), именно здесь создается «термоклин» и «галоклин» — резко неравномерное распределение и температуры, и солености при полном отсутствии перемешивания, если пруд работает устойчиво. От толщины этого слоя — не конвективной зоны — сильно зависят все характеристики пруда. Термическое сопротивление изолирующего слоя воды составляет примерно 1,7 м2∙⁰С∙Вт-1, в то время как у плоского пластинчатого солнечного приемника сопротивление стенок 0,4 м2∙⁰С∙Вт-1. В ранее построенных зданиях средней полосы России сопротивление теплопередаче стен составляет 0,9 – 1,1 м2∙⁰С∙Вт-1, окон — 0,39 – 0,42 м2∙⁰С∙Вт-1, покрытий — около 1,5 м2∙⁰С∙Вт-1. Принятые новые нормативные требования увеличили требуемые значения сопротивления теплопередаче: для стен до 3,0 –3,5 м2∙⁰С∙Вт-1, для окон — до 0,55 – 0,60 м2∙⁰С∙Вт-1, для покрытий — до 4,5 – 5,0 м2∙⁰С∙Вт-1. А самое существенное в этой «конструкции» пруда, это то, что термическое сопротивление градиентного слоя в 1000 раз выше сопротивления пресной воды при наличии свободной конвекции (0,0018 м2∙⁰С∙Вт-1).
