WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA INTENSYWNOŚĆ WYMIANY CIEPŁA W OGRZEWANYM TUNELU FOLIOWYM

Transkrypt

1 InŜynieria Rolnicza 11/2006 Słaomir Kurpaska, Maciej Sporysz Katedra InŜynierii Rolniczej i Informatyki Akademia Rolnicza Krakoie WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA INTENSYWNOŚĆ WYMIANY CIEPŁA W OGRZEWANYM TUNELU FOLIOWYM Wstęp Streszczenie W pracy zbadano pły yposaŝenia oeanego tunelu folioego oraz róŝnicy temperatury między czynnikiem ejnym a poietrzem nątrz obiektu na intensyność ymiany ciepła. Do analizy ykorzystano dane monitoroane przez system pomiaroy z tunelu zlokalizoanego na Akademii Rolniczej Krakoie. Uzyskane yniki badań pozoliły określić pły yposaŝenia dodatkoego na intensyność ymiany ciepła, a konsekencji na ymaganą poierzchnię eczą systemu ejnego Słoa kluczoe: tunel folioy, ekran cieplny, ekran zaejnikoy, strumień ciepła, spółczynnik ymiany ciepła Stale rosnące koszty energii ykorzystyanej do oeania obiektó szklarnioych ymuszają działania mające na celu, z jednej strony ograniczenie strat ciepła, a z drugiej bardziej efektyne ykorzystanie jego źródeł. Opłacalność produkcji moŝemy podnieść m.in. poprzez odpoiedni dobór poierzchni ejnikó, czy teŝ racjonalne steroanie parametrami fizycznymi ody ejnej. Kolejnym aŝnym czynnikiem jest yposaŝenie tuneló folioych. Zastosoane roziązania techniczne mają istotny pły na intensyność ymiany ciepła pomiędzy poierzchnią ejnikó a otoczeniem. MontaŜ takich urządzeń jak ekrany zaejnikoe czy cieplne, znacząco zmienia intensyność ymiany ciepła między ejnikami a osłoną obiektu. Stosoanie nooczesnych ariantó konstrukcyjnych, noych pokryć osłon proadzi konsekencji do ograniczenia ydatkó na energię i popraia konkurencyjność zakładó zajmujących się upraami pod osłonami. W pracy [Critten, Bailey 2002] autorzy przedstaili przegląd róŝnorakich roziązań proadzanych do techniki eczej szklarniach latach 90-tych ubiegłego ieku. Koaleski i Uziak [1993] dobierali nastay regulatora %)$

2 FÄTjb`\e Fcbelfm do steroania temperatura ody ejnej szklarni. Z kolei Titel i in. [1996] badali pły zmiennej temperatury ody ejnej na intensyność ymiany ciepła szklarni. Zart [1996] analizoał zagadnienie ymiany ciepła między szklarnią (o zróŝnicoanym yposaŝeniu), a otoczeniem określając konkluzji ilościoe zmiany zuŝyciu ciepła. W pracy [Kurpaska 2003] określono ilościoe zmiany zuŝyciu ciepła zaleŝności od yposaŝenia technicznego tunelu folioego. Określenie na drodze teoretycznych rozaŝań ilościoych zmian między zapotrzeboaniem ciepła (a konsekencji ymaganą poierzchnią ecza systemu ejnego) a arunkami klimatu (nątrz i na zenątrz obiektu) jest obarczone trudno do oszacoania błędem. Stąd określenie intensyności ymiany ciepła między poierzchniami ejnymi a poietrzem nątrz będzie głónym celem prezentoanej pracy. Materiał i metoda Badania przeproadzono tunelu dośiadczalnym zlokalizoanym na terenie Wydziału AgroinŜynierii AR Krakoie. Analizoany obiekt przedstaiony został schematycznie na rys. 1. Jego poierzchnia ynosiła 54 m 2, zaś poierzchnia ejnikó 18,5 m 2. Więcej informacji ziązanej z budoą, yposaŝeniem technicznym moŝna znaleźć pracy [Kurpaska i in. 2004]. Rys. 1. Fig. 1. Schemat stanoiska badaczego raz z przyjętymi oznaczeniami Diagram of the test bench ith adopted denotations W pracy ykorzystano dane zarchiizoane przez automatyczny system monitoroania zainstaloany badanym tunelu dośiadczalnym. Pomiaró dokonyano standardoym tunelu folioym, a takŝe tunelu z dodatkoym yposaŝeniem, %)%

3 JcÄlj jluetalv[ Vmlaa\^Çj!!! tzn. z zamontoanym za ejnikami ekranem odbłyśnikoym, zbudoanym ze spienionego polistyrenu grubości 4 mm (nętrzna strona pokryta była arstą aluminizoaną), raz z ekranem zaejnikoym zainstaloano na ysokości 2 m ekran cieplny składający się naprzemiennie z tkaniny oraz paskó folii aluminioej proporcji 1:1. Strumień ciepła dostarczony przez poierzchnię ejnika do nętrza tunelu folioego moŝna przedstaić za pomocą rónania: ( T T ) q = m c (1) Z drugiej strony, strumień ciepła przekazyany przez ścianki ejnika do otoczenia moŝna zapisać jako [Orzechoski i in. 1997]: zas po ( T T ) q = q = k F (2) gdzie: m masa ody płynącej przeodach ejnych jednostce czasu [kg/s], c ciepło łaście ody [J/kgK], T temperatura ody zasilającej ejnik [ C], zas T temperatura ody opuszczającej ejnik [ C], po k spółczynnik nikania ciepła [W/m 2 K], F poierzchnia ejnika [m 2 ], Tzas T T średnia temperatura ejnika T = 2 T temperatura e nętrzu tunelu folioego [ C], po [ C], PonieaŜ strumienie te analizoanym przypadku są identyczne, porónując obyda rónania, moŝemy yznaczyć spółczynnik nikania ciepła ejnikó, który ynosi: k ( ) ( ) m c T T = F T T zas po (3) %)&

4 FÄTjb`\e Fcbelfm Dokładność z jaką ykonano obliczenia została oszacoana za pomocą róŝniczki zupełnej. PonieaŜ artościami bezpośrednio mierzonymi dośiadczeniach T, były: masa czynnika instalacji ejnej (m ) temperatura zasilania ( zas ) T oraz temperatura nętrzna ( T ) temperatura porotu ( po ) bezzględny ma postać: zas po, zatem błąd k = m + Tzas + T po + T (4) m T T T Po zróŝniczkoaniu zaleŝności (3) otrzymujemy kolejno: m = c F Tzas F T T ( Tzas Tpo ) ( T T ) m c = Tpo F T T ( ) ( T ) 2 po T m c = T F T T ( ) ( T ) 2 Tzas m c = ( ) ( T ) 2 zas Tpo po ykonaniu odpoiednich przekształceń rónanie (4) moŝna ięc zapisać jako: ( ) ( ) m c k = T T T + T T T + T T T F T T 2 po zas zas po zas po (5a) (5b) (5c) (5d) (8) Wyniki i dyskusja Maksymalny błąd zględny (obliczony dla najbardziej niekorzystnego przypadku tzn. tedy kiedy szystkie błędy cząstkoe sumują się) i mieścił się granicach 5 7%. Do szczegółoej analizy pracy zamieszczono dane z kilku okresó róŝniących się między sobą arunkami klimatycznymi. Dla przypadku, kiedy tunel folioy był bez dodatkoego yposaŝenia technicznego, zmienne decyzyjne mieściły się następującym zakresie: %)'

5 JcÄlj jluetalv[ Vmlaa\^Çj!!! 9,5 t 12,1, 16,2 tzas 54,1, 15,4 tpo 35,9 Badania, gdzie obiekcie zainstaloano dodatkoy ekran zaejnikoy (który odbija ciepło emitoane przez ejnik do nętrza tunelu) charakteryzoał się następującymi przedziałach zmienności mierzonych parametró: 9,3 t 12,3, 18,7 tzas 53,3, 14,4 tpo 24,9 Z kolei, podczas badań których obiekcie zainstaloano zaróno ekran zaejnikoy jak i ekran ciepła zmierzone parametry kształtoały się następujących zakresach: 6,2 t 8,7, 46,2 tzas 54,8, 35,5 tpo 46,2. W kaŝdym z opisyanych przypadkó ydatek ody ejnej był na poziomie 14,47 l/min, czyli 0,24 kg/s. Na rys. 2 przedstaiono zaleŝność zuŝycia ciepła od róŝnicy pomiędzy temperaturą otoczenia a temperaturą nątrz dla obiektó z róŝnym yposaŝeniem dodatkoym. Gęstość strumienia ciepła, W/m ,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 Rys. 2. Fig. 2. T -T ot, K Gęstość zuŝycia ciepła funkcji róŝnicy temperatury dla zróŝnicoanego yposaŝenia tunelu tunel standardoy tunel z ekranem zaejnikoym tunel z ekranem zaejnikoym i ekranem ciepła Heat consumption density as a function of temperature difference for various tunnel outfit standard tunnel tunnel ith thermal screen tunnel ith thermal screen and heat screen %)(

6 FÄTjb`\e Fcbelfm ZauaŜyć moŝna, iŝ najiększe zuŝycie ciepła notoane jest standardoym obiekcie. Zastosoanie ekranu zaejnikoego i cieplnego pooduje znaczące zmniejszenie gęstości strumienia ciepła. Ma to istotny pły na ograniczenie kosztó ziązanych z funkcjonoaniem obiektu zaróno na etapie budoy (poierzchnia przeodó ejnych), zuŝycia palia jak i moŝliości regulacji temperatury ody ejnej. Na rys. 3 przedstaiony został pły róŝnicy pomiędzy średnią temperaturą ejnika a temperaturą nątrz obiektu na artość spółczynnika nikania ciepła (yliczonego z rónania 3) przy zróŝnicoanym yposaŝeniu dodatkoym tunelu folioego. MoŜna zauaŝyć, iŝ najiększy zrost spółczynnika nikania ciepła, przy identycznym zroście róŝnicy temperatur notuje się przypadku tunelu folioego z zamontoanymi ekranami cieplnym i zaejnikoymi, zaś najmniejszy przypadku obiektu standardoego. 17 Wartość sp. nikania ciepła, W/m 2 K (T zas +T po )/2-T K Rys. 3. Fig. 3. Wartość spółczynnika nikania ciepła funkcji róŝnicy temperatury dla zróŝnicoanego yposaŝenia tunelu: tunel standardoy, tunel z ekranem zaejnikoym, tunel z ekranem zaejnikoym i ekranem ciepła Value of convective heat-transfer coefficient as a function of temperature difference for various tunnel outfit %))

7 JcÄlj jluetalv[ Vmlaa\^Çj!!! W tabeli 1 przedstaiono minimalne i maksymalne artości spółczynnika nikania ciepła oraz gęstości strumienia ciepła uzyskane podczas eksperymentu. Tabela 1. Minimalne i maksymalne artości spółczynnika nikania ciepła (k ) i gęstości strumienia ciepła (q) rozpatryanych tunelu folioym Table 1. Minimum and maximum values of convective heat-transfer coefficient (k ) and heat flux density (q) in the analyzed foil tunnel Tunel: k [W/m 2 K] q [W/m 2 ] MIN MAX MIN MAX Standardoy 7,3 7, Standardoy z ekr. za. 8,2 9, Standardoy z ekr. za. i ciepl. 13,7 14, Analizując te dane moŝna zauaŝyć, Ŝe średnia artość spółczynnika ciepła ( badanym zakresie arunkó dośiadczenia) porónaniu dla artości spółczynnika yznaczonego dla tunelu standardoego, jest iększa od 25% (tunel z ekranem zaejnikoym) do 87% (tunel z ekranami zaejnikoym i cieplnym). Błąd bezzględny obliczenia spółczynnika ymiany ciepła rozpatryanych tunelach folioych nie przekraczał 1 [W/m 2 K], zaś błąd zględny mieścił się na poziomie 5-7 [%]. Wnioski 1. W badanym zakresie róŝnic temperatur pomiędzy otoczeniem a nętrzem tunelu, gęstość strumienia strat ciepła mieściła się od 41 do 92 (tunel standardoy), tunelu z ekranem zaejnikoym mieściła się przedziale od 109 do 155, zaś tunelu z ekranem zaejnikoym i ekranem ciepła od 180 do 215 [W/m 2 ]. 2. Średnia artość spółczynnika nikania ciepła porónaniu do tunelu standardoego jest iększa od 25% (tunel z ekranem zaejnikoym) do 87% (tunel z ekranami zaejnikoym i cieplnym). 3. Błąd bezzględny obliczenia spółczynnika ymiany ciepła rozpatryanych tunelach folioych nie przekraczał 1 [W/m 2 K], zaś błąd zględny mieścił się granicach 5-7%. Bibliografia Critten D.L., Bailey B.J A reviev of greenhouse engineering developments during the 1990s. Agricultural and Forest Meteorology, 112, %)*

8 FÄTjb`\e Fcbelfm Koaleski P., Uziak J Układ regulacji temperatury szklarni- dobór nasta regulatora. Problemy InŜynierii Rolniczej, 2; Kurpaska S Modyfikacja yposaŝenia technicznego tunelu folioego aspekcie jego zapotrzeboania ciepła. Problemy InŜynierii Rolnicta, 1, Kurpaska S., Latała H., Michałek R., Rutkoski K Funkcjonalność zintegroanego systemu eczego oeanych tunelach folioych. PTIR, Krakó. Orzechoski Z., Pryer J., Zarzycki R Mechanika płynó inŝynierii środoiska. WNT, Warszaa. Teitel M., Shklyar A., Regal I., Barak M Effects of nonsteady hot ater greenhouse heating on heat transfer and microclimate. J. Agr. Eng. Res. 65, Zhang Y., Gauthier L., Halleux de D., Dansereau B., Gosselin A Effect of covering materials on energy consumption and greenhouse microclimate. Agricultural and Forest Meteorology, 82 (1-4), Zart de H.F. 1996: Analyzing energy-saving options in greenhouse cultivation using a simulation model. PhD, Wageningen EFFECT OF SELECTED FACTORS ON HEAT EXCHANGE INTENSITY IN THE HEATED FOIL TUNNEL Summary The ork includes a study of the effect of the outfit of the heated foil tunnel and difference in temperature beteen heating medium and air inside the object on heat exchange intensity. For the analysis the data monitored by the measuring system in the tunnel located at the Academy of Agriculture in Krako as used. The results obtained from the analysis alloed to determine the effect of additional equipment on heat exchange intensity, and in consequence on the required heating area of the heating system Key ords: foil tunnel, heat screen, thermal screen, heat flux, heat transfer coefficient %)+