Wyznaczenie charakterystyk cieczowego kolektora słonecznego

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Wyznaczenie charakterystyk cieczowego kolektora słonecznego Ćwiczenie nr 11 Laboratorium z przedmiotu Alternatywne źródła energii Kod: ŚĆ066 Opracował: mgr inż. Anna Demianiuk mgr inż. Anna Werner-Juszczuk Białystok, luty 017

2 1 Cel ćwiczenia Celem tego ćwiczenia jest ustalenie zależności pomiędzy wartością przepływu czynnika roboczego w obwodzie pierwotnym a sprawnością. Podstawy teoretyczne Wśród kolektorów, których zadaniem jest konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło, ze względu na rodzaj czynnika roboczego wyróżnić można kolektory powietrzne i cieczowe. Ze względu na budowę kolektory słoneczne dzieli się na: kolektory płaskie kolektory próżniowe (płaskie, rurowe) kolektory magazynujące..1 Podstawowe wielkości i jednostki Symbol Znaczenie Jednostka podstawowa p Ciśnienie Pa g przyspieszenie ziemskie m/s ρ gęstość kg/m Q przepływ objętościowy m /s ṁ przepływ masowy kg/s Q u moc użyteczna kw c p ciepło właściwe kj/kgk A powierzchnia czynna kolektora m E natężenie promieniowania (w programie Wr) W/m. Czynnik roboczy w kolektorach słonecznych Jako czynnik roboczy w kolektorach słonecznych wykorzystuje się: wodę, wodne roztwory glikoli: etylenowy, propylenowy. W instalacjach pracujących przez cały rok, które są wykorzystywane do bezpośredniego podgrzewu c.w.u., stosowane są wodne roztwory glikoli, głównie propylenowego, ze względu na odporność na zamarzanie oraz nietoksyczność. Wadą glikolu propylenowego jest cena oraz duża lepkość w stosunku do toksycznego glikolu etylenowego. Wodne roztwory glikoli ulegają termicznemu utlenianiu w zakresie temperatur charakterystycznych dla pracy kolektorów słonecznych oraz przy dostępie tlenu atmosferycznego. W związku z tym należy dokonywać regularnych kontroli oraz wymian wodnych roztworów glikoli w układach solarnych.

3 .. Przepływ czynnika przez kolektory i układ solarny Są dwa sposoby organizacji przepływu czynnika roboczego w układzie solarnym: high-flow strumień objętość czynnika w odniesieniu do 1 m powierzchni kolektorów słonecznych jest większy od 0,007 dm /s., low-flow strumień objętości czynnika roboczego w odniesieniu do 1 m powierzchni kolektorów słonecznych zawarty jest w przedziale 0,00 0,00 dm /s. W systemach typu high-flow przyrosty temperatury nie przekraczają kilku lub kilkunastu stopni Celsjusza, w związku z czym proces podgrzewu jest długi zanim uzyska się wymagane przyrosty temperatury w zasobniku ciepłej wody. W systemach typu low-flow woda w zasobniku c.w.u. lub buforze szybko osiąga wymaganą temperaturę, ponieważ przyrosty temperatury są rzędu kilkudziesięciu stopni. Niski strumień objętości powoduje również mniejsze opory przepływu czynnika roboczego w układzie solarnym. System lowflow w porównaniu do systemu high-flow charakteryzuje się mniejszą efektywnością pozyskiwania ciepła od promieniowania słonecznego. Systemy high-flow znajdują zastosowanie w przypadku małych instalacji solarnych. W dużych układach wykorzystuje się system low-flow z przepływami około 15 dm /m h dla kolektorów płaskich i 0 dm /m h dla kolektorów rurowych próżniowych... Sprawność Sprawność kolektora najprościej określić można jako wydajność cieplną (W/m ) jaką wytwarza on w jednostce czasu w odniesieniu do otrzymanego promieniowania słonecznego (W/m ) tj.: jeżeli np. promieniowanie słoneczne wynosi 1000 W/m, a wydajność kolektora w tym samym momencie 750 W/m, to jego sprawność wynosi 75%. Sprawność cieplną płaskiego określa się jako stosunek energii absorbowanej przez płyn cyrkulujący w kolektorze do całkowitego natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię brutto kolektora (): c Qu A E gdzie: Q u energia użyteczna [W], A powierzchnia absorpcyjna (brutto) kolektora [m ], E całkowite natężenie promieniowania słonecznego [W/m ]. Energię użyteczną oblicza się z zależności: Qu mwody cp T T [W] () out I in I gdzie: m przepływ masowy wody [kg/s], wody J c p ciepło właściwe wody 180 kg K, T out I temperatura wody na wejściu do zasobnika (wyjściu z kolektora [ C], T in I temperatura wody na do wyjściu z zasobnika (wejściu do kolektora) [ C]. (1)

4 Sprawność jest zmienna w czasie i zależy od wielu czynników, m.in. od: - konstrukcji (kolektor płaski czy próżniowy), - rodzaju izolacji cieplnej, - rodzaju przeszklenia, - konstrukcji absorbera, - nasłonecznienia, - przepływu czynnika roboczego. Zmniejszenie natężenia przepływu czynnika roboczego wpływa na wzrost temperatury na wyjściu z, co obniża jego sprawność. Wzrost temperatury roboczej kolektora podwyższa straty ciepła do otoczenia. Metodyka badań.1 Budowa stanowiska 1 Rys.. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, - zbiornik akumulacyjny, - jednostka sterująca, - komputer

5 Rys.. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1 - wodny kolektor słoneczny, - zbiornik akumulacyjny, - panel lamp (symulator solarny), - zamknięte naczynie wzbiorcze. Metodyka pomiarów 1) Ustawić panel lamp równolegle do kolektora. ) Otworzyć zawór V-8. ) Uruchomić podwójną lub pojedynczą linię świateł zgodnie z zaleceniem prowadzącego. ) Ustawić w obiegu wtórnym przepływ Q II o wartości 1 l/min. 5) Włączyć pompę obiegową. 6) Całkowicie otworzyć zawór VR-1 i ustawić na rotametrze podany przez prowadzącego przepływ czynnika w obiegu pierwotnym Q I. 7) Odczekać, aż układ się ustabilizuje dokonując odczytów wartości określonych w tabeli 1 co minuty. 8) Po ustabilizowaniu się temperatur zapisać w tabeli 1 wartości temperatur czujników ST-1 i ST- oraz ST-6 i ST-7. 9) Powtórzyć ćwiczenie dla pozostałych przepływów podanych przez prowadzącego. 5

6 Tabela 1. Tabela pomocnicza. Q I [ ] Tabela. Zestawienie wyników pomiarów 1 5 Q I (SC-1) Q II (SC-) T 6 (ST-6) T 7 (ST-7) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 6

7 . Analiza wyników 1) Sporządzić w jednym układzie współrzędnych wykres zależności = f(q I ) i = f(q I ). ) Sporządzić wykres zależności T 7 = f(q I ). ) Obliczyć sprawność cieplną kolektora dla poszczególnych przepływów w obiegu pierwotnym (A =, m ). ) Sformułować wnioski. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, ) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędne związki teoretyczne, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), g) zestawienie i analiza wyników badań. ) Analiza dokładności pomiarów. ) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 5) Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 5 Literatura uzupełniająca 1. Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 011. Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 011. Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 009. Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji. Gliwice, Pluta Z.: Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, warszawa L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej, Arkady Warszawa