Badanie sprawności cieczowego kolektora słonecznego

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Instrukcja do zajęć laboratoryjnych kolektora słonecznego Ćwiczenie nr 12 Laboratorium z przedmiotu Alternatywne źródła energii Kod: ŚĆ3066 Opracował: mgr inż. Anna Demianiuk mgr inż. Anna Werner-Juszczuk Białystok, luty 2017

2 Katedra Ciepłownictwa Ogrzewnictwa i Wentylacji 1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą wyznaczania sprawności kolektorów słonecznych oraz obserwacja i zrozumienie zasady działania termosyfonu (cyrkulacji naturalnej). 2. 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 Podstawowe wielkości i jednostki Symbol Znaczenie Jednostka podstawowa p ciśnienie Pa g przyspieszenie ziemskie m/s 2 ρ gęstość kg/m 3 Q przepływ objętościowy m 3 /s ṁ przepływ masowy kg/s Q u moc użyteczna kw c p ciepło właściwe kj/kgk A powierzchnia czynna kolektora m 2 E natężenie promieniowania elektromagnetycznego (w programie Wr) W/m Zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego Rys. 1. Schemat płaskiego : 1- osłona szklana, 2- obudowa, 3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja 2

3 Katedra COW Typowy płaski kolektor wodny składa się z pięciu podstawowych elementów (Rys.1.): przezroczysta osłona wykonana ze szkła charakteryzującego się wysoką odpornością na warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalnością promieniowania UV i niskim współczynnikiem odbicia promieni, dzięki czemu więcej energii dociera do absorbera, obudowa rama, najczęściej aluminiowa ze względu na małą masę, w której umieszczone są pozostałe elementy kolektora wraz z płytami osłonowymi i izolacją cieplną stosowaną w celu zredukowania strat energii, układ odbioru ciepła układ przewodów, najczęściej miedzianych, zintegrowany z płytą absorbera, w których krąży czynnik roboczy; czynnikiem może być woda, ale w przypadku całorocznego użytkowania kolektorów słonecznych konieczne jest stosowanie płynu niezamarzającego (np. glikol etylenowy), absorber płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne, stanowiąca zasadniczy element urządzenia; do konstrukcji tego elementu najczęściej wykorzystywane są miedź, aluminium, stal lub mosiądz, izolacja cieplna warstwa materiału izolacyjnego, chroniącego absorber i układ odbioru ciepła przed nadmiernymi stratami energii cieplnej. Najczęściej wykonana jest z typowych materiałów izolacyjnych, które charakteryzują się niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła, małą gęstością (mającą wpływ na całkowitą masę konstrukcji) oraz niewielką nasiąkliwością. Promienie ultrafioletowe po przejściu przez szkło ulegają załamaniu, zmianie ulega też długość fali. Te dwa zjawiska uniemożliwiają wydostanie się promieniowania na zewnątrz wywołując wystąpienie efektu cieplarnianego, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewnątrz kolektora. Wytworzone ciepło odbierane jest przez krążący w przewodach czynnik roboczy (glikol). Podczas jednokrotnego przepływu temperatura czynnika rośnie zwykle o kilka do kilkunastu stopni, a przyrost ten zależy od natężenia promieniowania słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez układ odbioru ciepła Cyrkulacja naturalna (termosyfonowa) Przepływ czynnika roboczego w kolektorze słonecznym następuje wskutek różnicy temperatury czynnika w zbiorniku (zasobnik wody) i wewnątrz kolektora. W wyniku działania promieniowania słonecznego czynnik roboczy ulega ogrzaniu, jego gęstość maleje, a ciśnienie wewnątrz przewodów rośnie. W związku z tym czynnik przemieszcza się do wyżej położonego zbiornika (bez wykorzystania pompy cyrkulacyjnej), w którym następuje jego ochłodzenie. Schłodzony czynnik roboczy wraca do kolektora w wyniku działania siły grawitacji. Na przewodzie doprowadzającym czynnik do kolektora montuje się zawór zwrotny w celu zapobiegnięcia cofaniu się płynu. Gdy temperatura wody w zbiorniku zrówna się z temperaturą w kolektorze, przepływ czynnika roboczego ustaje, co powoduje z kolei wzrost ciśnienia w układzie. Po odprowadzeniu gorącej wody z zasobnika i napełnieniu go zimną wodą cyrkulacja naturalna czynnika roboczego w kolektorze zostaje samoistnie przywrócona. Działanie cyrkulacji naturalnej jest uzależnione od dwóch czynników: różnicy temperatur między źródłem i odbiornikiem ciepła różnicy wysokości położenia źródła i odbiornika Im większe są powyższe różnice tym większa cyrkulacja czynnika roboczego. 3

4 Katedra Ciepłownictwa Ogrzewnictwa i Wentylacji p ( RL Z ) [ Pa ] cz obiegu p p gh( ) [ Pa ] cz gr p z gdzie: p cz ciśnienie czynne [Pa], p gr ciśnienie grawitacyjne [Pa], g przyspieszenie ziemskie; 9,81[m/s 2 ], h różnica wysokości pomiędzy środkiem kolektora a środkiem rozpatrywanego zasobnika [m], p gęstość wody na powrocie do kotła [kg/m 3 ], z gęstość wody na wyjściu z kotła [kg/m 3 ], R jednostkowa strata ciśnienia [Pa/m], L długość odcinka instalacji [m], Z wartość strat ciśnienia spowodowana oporami miejscowymi [Pa]. Grawitacyjny przepływ czynnika roboczego w układzie solarnym jest przyczyną zwiększania strat ciepła. Różnica wysokości pomiędzy zasobnikami c.w.u., kolektorami oraz odbiornikami ciepła, powoduje że w trakcie przerwy w działaniu kolektorów (np. nocą) ciepło solarne ze zbiornika jest przekazywane do wyżej położonych kolektorów słonecznych. Tam następuje strata ciepła przez konwekcję i promieniowanie długofalowe do otoczenia lub też niepotrzebne przekazywanie ciepła do instalacji odbiorczych. W celu zapobiegania tym stratom ciepła stosowane są hamulce grawitacyjne (zawory zwrotne ze sprężyną, które otwierają się pod wpływem różnicy ciśnień generowanej przez pompę), lub syfony i odcinki przewodów pochylone w dół przy włączeniu przewodów do zasobnika ciepła. Alternatywą dla cyrkulacji naturalnej jest cyrkulacja wymuszona. W przypadku zastosowania pompy obiegowej działanie przestaje być zależne od różnicy wysokości pomiędzy kolektorem a zasobnikiem c.w.u., a odbiornik ciepła może znajdować się poniżej źródła ciepła, czyli kolektora. Sprawność grzewcza układu z obiegiem wymuszonym jest wyższa, jednak należy pamiętać o energii pobieranej przez pompę, o którą należy pomniejszyć zyski energetyczne przy sporządzaniu bilansu ogólnego. (1) 2.4. Sprawność Sprawność kolektora najprościej określić można jako wydajność cieplną (W/m 2 ) jaką wytwarza on w jednostce czasu w odniesieniu do otrzymanego promieniowania słonecznego (W/m 2 ) tj.: jeżeli np. promieniowanie słoneczne wynosi 1000 W/m 2, a wydajność kolektora w tym samym momencie 750 W/m 2, 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 (2): gdzie: c Qu A E Q u energia użyteczna [W], (2) 4

5 Katedra COW A powierzchnia czynna kolektora (apertura) [m 2 ], E całkowite natężenie promieniowania słonecznego [W/m 2 ]. Energię użyteczną oblicza się z zależności: Qu mwody cp T T [W] (3) out I in I gdzie: m przepływ masowy wody [kg/s], wody J c p ciepło właściwe wody 4180 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]. 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. Wielkością stałą charakteryzującą kolektor słoneczny jest sprawność optyczna η o. Jest to największa teoretyczna sprawność danego typu kolektora, przy założeniu braku strat ciepła do otoczenia (brak różnicy pomiędzy temperaturą otoczenia a temperaturą powierzchni absorbera). Sprawność optyczna określa najwyższy stopień wykorzystania promieniowania słonecznego przez absorber na potrzeby wytwarzania ciepła. Im sprawność optyczna jest wyższa, tym kolektor słoneczny w większym stopniu wykorzystuje promieniowanie słoneczne. Podczas normalnej pracy występują straty ciepła do otoczenia, które obniżają tzw. sprawność roboczą (chwilową): 2 1 I a 2 I a (4) a T T a T T o E E gdzie: a 1 liniowy współczynnik strat ciepła [W/m 2 K], a 2 nieliniowy współczynnik strat ciepła [W/m 2 K 2 ], T a temperatura otoczenia [ C], T I średnia temperatura czynnika roboczego w kolektorze [ C]: T I T in I T 2 out I K. (5) 5

6 Katedra Ciepłownictwa Ogrzewnictwa i Wentylacji Im większa różnica temperatur pomiędzy powierzchnią kolektora oraz otoczeniem, tym większe straty ciepła, co powoduje zmniejszenie sprawności roboczej kolektora słonecznego. W związku z tym zaleca się, aby kolektory słoneczne pracowały z niskotemperaturowymi odbiornikami ciepła. Im większe wartości współczynników strat ciepła a 1 i a 2, tym bardziej nachylony wykres sprawności oraz niższa wydajność cieplna kolektora (Rys. 2) Rys. 2. Zależność sprawności roboczej kolektora od współczynników strat ciepła 2.5. Charakterystyki cieplne kolektorów słonecznych Jedną z charakterystyk cieplnych jest zależność sprawności roboczej kolektora od wartości zredukowanej różnicy temperatury, czyli różnicy średniej temperatury czynnika roboczego i temperatury otoczenia odniesionej do natężenia promieniowania słonecznego (tzw. wykres Hottel-Whillier-Blissa) (6): T r 2 T I Ta m K E W Inne charakterystyki to: - zależność sprawności roboczej od różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią absorbera a temperaturą otoczenia, - zależność sprawności roboczej od różnicy średniej temperatury czynnika roboczego a temperaturą otoczenia. (6) 6

7 Katedra COW 3. Metodyka badań 3.1. Budowa stanowiska Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer Rys. 3. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- panel lamp (symulator solarny), 4 - zamknięte naczynie wzbiorcze 7

8 Katedra Ciepłownictwa Ogrzewnictwa i Wentylacji 3.2. Parametry badanego kolektora SOL 2300 SD ESCOSOL model: SO01501 WYMIARY KOLEKTORA długość mm szerokość mm wysokość 107 mm POWIERZCHNIA ODNIESIENIA powierzchnia absorbera 2,13 m 2 powierzchnia czynna (apertura) 2,23 m 2 powierzchnia całkowita 2,32 m 2 DANE OGÓLNE typ kolektora płaski masa pustego kolektora kg masa napełnionego kolektora kg nośnik ciepła (czynnik roboczy) roztwór wodny glikolu propylenowego minimalny przepływ 75 l/h maksymalny przepływ (zalecany) 120 l/h/m 2 spadek ciśnienia 140 Pa na 4,9 kg/min i (20 + 2) C maksymalne ciśnienie robocze 9 bar maksymalna temperatura pracy 200 C pojemność 2,61 l materiał profil aluminiowy materiał uszczelniający izolacja termiczna osłona szklana materiał: grubość: ABSORBER materiał powłoka układ odbioru ciepłą WYDAJNOŚĆ TERMICZNA sprawność optyczna η 0 0,734 współczynnik liniowych strat ciepła a 1 współczynnik kwadratowych strat ciepła a 2 guma EPDM pianka poliuretanowa CFC 25 mm (przewodność cieplna λ = 0,030 W/mK) wełna mineralna 20 mm (przewodność cieplna λ = 0,036 W/mK) szkło gładkie pryzmatyczne o niskożelazowe 4 mm miedź czarna farba 12 miedzianych przewodów pionowych ϕ12 mm 2 kolektory ϕ22 mm 5,668 W/m 2 K 0,020 W/m 2 K 2 8

9 Katedra COW 3.3. Metodyka pomiarów 1) Otworzyć zawór V-6 na odpływie wody z zasobnika c.w.u. (obieg wtórny II ). 2) Za pomocą zaworu V-5 ustawić podany przez prowadzącego przepływ wody sieciowej w obiegu wtórnym II (czujnik SC-2). 3) Zamknąć zawór V-2 na obiegu pierwotnym I. 4) Maksymalnie otworzyć zawór regulacyjny VR-1 na obiegu pierwotnym I, znajdujący się za pompą cyrkulacyjną oraz zawór rotametru. 5) Na rotametrze ustawić zadaną przez prowadzącego wartość przepływu czynnika w obiegu pierwotnym I (SC-1). 6) Ustawić panel lamp równolegle do kolektora. 7) Ustawić podany przez prowadzącego poziom natężenia oświetlenia (pojedyncza lub podwójna linia świateł). 8) Zanotować temperaturę, ciśnienie i przepływ w obiegu pierwotnym I (ST-2, ST-1, rotametr, manometr 1), temperaturę i przepływ w obiegu wtórnym II (ST-6, ST-7, SC-2) oraz temperaturę kolektora (ST-4). 9) Powtarzać odczyty z punktu 6 w podanych przez prowadzącego odstępach czasu do momentu ustabilizowania się pracy kolektora. UWAGA: Aby uniknąć uszkodzenia lamp zmiana kąta nachylenia panelu powinna być wykonana przez dwie osoby. 9

10 Katedra Ciepłownictwa Ogrzewnictwa i Wentylacji Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów Czas [min] Pojedyncza/podwójna linia świateł T out I (ST-1) T in I (ST-2) T in II (ST-6) T out II (ST-7) T collect (ST-4) T a (ST-5) Q I [l/h] (SC-1) Q II [l/h] (SC-2) p [Pa] (man. 1) Data wykonania ćwiczenia: Podpis prowadzącego: 10

11 Katedra COW 3.4. Analiza wyników 1) W oparciu o wartości temperatury czynnika w obiegu pierwotnym (I ) wyznaczyć sprawność cieplną kolektora korzystając z zależności (2) i (3). Przyjąć powierzchnię kolektora z punktu 3.2 instrukcji. 2) Wyznaczyć sprawność roboczą ze wzorów (4) i (5), korzystając z danych z punktu 3.2 instrukcji. 3) Sporządzić wykresy zależności: sprawności cieplnej kolektora η c od różnicy temperatur (T I T a ), sprawności roboczej kolektora η od różnicy temperatur (T I T a ), różnicy pomiędzy temperaturą czynnika grzewczego na wyjściu i wejściu do zbiornika (czynnika podgrzanego) (T out II T in II ) od czasu t. 4) Sformułować wnioski. 4. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 2) 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, g) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Analiza dokładności pomiarów. 4) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 5) Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych itp.). 5. 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. 6. Literatura uzupełniająca 1. Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 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