LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

Transkrypt

1 Ćwiczenie numer 3 Konwersja energii słonecznej na ciepło 1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna ET 202 pozwala analizować konwersję energii słonecznej na ciepło użyteczne. Urządzenie składa się z płaskiego kolektora słonecznego, który pochłania energie słoneczną (generowana w sposób sztuczny przez lampy) a następnie przekazuje zaabsorbowane ciepło do przepływającej przez kolektor wody. Podgrzana woda której obieg wymusza pompa gromadzona jest następnie w zbiorniku. W urządzeniu tym (rys. 1 i rys. 9) można badać jaki wpływ na konwersję energii (sprawność) mają kluczowe z punktu wymiany ciepła własności i parametry tj. emisyjność absorbera, kąt pochylenia kolektora, temperatura wody, prędkość przepływu wody, natężenie promieniowania słonecznego i kąt jego padania. Źródło promieniowania słonecznego Kolektor płaski Zbiornik wody Pompa cyrkulacyjna Rys. 1. Układ do konwersji energii słonecznej 1

2 2. Cel ćwiczenia Przeprowadzenie ćwiczenia ma za zadanie poznanie podstawowych aspektów związanych z pracą systemu solarnego i konwersją promieniowania słonecznego na ciepło użytkowe. W szczególności jaki wpływ na prace układu ma: 1 *. Prędkość przepływu wody przez kolektor i wężownice zbiornika; 2 *. Kąt pomiędzy padającym promieniowaniem a kolektorem słonecznym 3 *. Zmiana parametrów termofizycznych kolektora 4 *. Krzywa grzania układu * Podczas ćwiczeń realizowany jest tylko jeden wskazany przez prowadzącego aspekt pracy układu 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony poniżej wstęp nie wyczerpuje tematyki związanej z podstawowymi informacjami o promieniowaniu słonecznym oraz konwersji energii słonecznej. Dodatkowe informacje teoretyczne jak i praktyczne można znaleźć m.in. w następujących pozycjach literaturowych związanych z wymianą ciepła w szczególności rozdziały poświęcone radiacyjnej wymianie ciepła. 3.1 Promieniowanie słoneczne W wyniku fuzji termojądrowej temperatura wewnątrz Słońca osiąga wartość K. Jednak spektrum energii Słońca basuje na tym co dzieje się w zewnętrznych warstwach naszej najbliższej gwiazdy. Spektrum energii może być w dosyć dobrym przybliżeniu opisane teoretycznie przez tzw. ciało doskonale czarne o temperaturze T=5777K (rys.2) Rys. 2. Spektrum energii dla ciała doskonale czarnego Promieniowanie słoneczne w drodze do powierzchni Ziemi zostaje osłabione przez atmosferę naszej planety. Miarą tego osłabienia jest efektywny współczynnik masy powietrza oznaczany jako AM (Air Mass). Spektrum energii na zewnątrz 2

3 atmosfery definiowane jest jako AM0 (rys.3.). Średnia wartość promieniowania słonecznego wynosi wówczas ok. 1367W/m 2. Oznaczenie AM1 odnosi się do sytuacji gdy promieniowanie pada prostopadle do powierzchni Ziemi (czyli przechodzi prostopadle dokładnie przez całą grubość atmosfery). Dla typowej sytuacji przyjmowany jest zwykle współczynnik AM1.5 który odpowiada kątowi padania promieniowani słonecznych ok o. Dla takich warunków promieniowanie słoneczne przyjmuje wartość 1000W/m 2. Rys. 3. Spektrum energii: (A) dla ciała doskonale czarnego (T=5777K); (B) na zewnątrz atmosfery Ziemi (AM0); (C) dla AM1.5 W wyniku przejścia promieniowania przez atmosferę powstają tzw. dziury w widmie które są wynikiem absorpcji promieniowania w poszczególnych zakresach długości fali. Odpowiadają za to poszczególne gazy znajdujące się w atmosferze oraz para wodna. W wyniku nachylenia osi Ziemi w stosunku do Słońca promieniowanie słoneczne staje się funkcją położenia i czasu. Zarówno czas nasłonecznienia jak i maksymalna wysokość słońca podlegają zmianom sezonowym. Ponadto zachmurzenie, lokalne zacieniowanie powoduje zmienność w potencjale energii słonecznej. Całkowite promieniowanie słoneczne odnosi się do ilości promieniowania padającego na dowolnie zorientowaną powierzchnię. Składa się ono a promieniowania bezpośredniego, pośredniego oraz odbitego. Pochodzenie różnych typów promieniowania wyjaśnia rysunek 4. 3

4 Rys. 4. Rodzaje promieniowania słonecznego: (A+B) rozproszone, (C) bezpośrednie, (D) odbite Zależnie od warunków pogodowych promieniowanie rozproszone może stanowić 50% i więcej udziału w promieniowaniu całkowitym. Większość pomiarów i map dotyczących promieniowania słonecznego odnosi się do promieniowania całkowitego. 3.1 Pomiar promieniowania słonecznego Podstawowa wielkością dla określenia ilości energii promieniowania słonecznego jest natężenie promieniowania słonecznego R w W/m 2. W tym wypadku ważny jest również kierunek w jakim dokonany został pomiar. Jeżeli pomiar będzie dokonany w kierunku źródła promieniowania słonecznego otrzyma się wartość maksymalną. Zwykle jednak w meteorologii pomiar jest wykonywany w odniesieniu do powierzchni poziomej. W żadnym z opisanej sytuacji natężenie promieniowania słonecznego nie uwzględnia orientacji modułu ani kąta padania promieni. W celu przeliczenia promieniowania bezpośredniego padającego na dowolnie zorientowaną powierzchnię korzysta się z prostych zależności geometrycznych. Rys. 5. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem pomiaru (linia pomarańczowa) a kierunkiem padania promieniowania słonecznego (linia niebieska) 4

5 Rozpatrując przypadek 2-wymiarowy zależność między natężeniem promieniowania słonecznego padającym na powierzchnię z dowolnego kierunku i natężeniem promieniowania (rzut) padającego na powierzchnię poziomą może być opisany jak na rysunku 5. Rys. 6. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora (linia czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem padania promieniowania słonecznego (linia niebieska) Jeżeli powierzchni absorbera nie jest pozioma, ale dowolnie zorientowana wówczas można wyróżnić i zdefiniować kilka kątów co przedstawiono na rysunku 6. Gdzie opisano kąt pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora (linia czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem padania promieniowania słonecznego (linia niebieska). Ostatecznie jednak zależności geometryczne sprowadzają się do prostej konfiguracji w której określony jest jedynie kąt pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a kierunkiem normalnym do powierzchni absorbera. Sytuacje taka przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Zależność pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a kierunkiem normalnym do powierzchni absorbera 5

6 Pozwala to ostatecznie na wyprowadzenie następującej zależności: gdzie: R dir promieniowanie słoneczne mierzone w kierunku padania promieni słonecznych R hor promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię poziomą R gen promieniowanie słoneczne padające na absorber kolektora słonecznego Wykorzystując powyższą zależność można określić ilość promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora zorientowaną pod dowolnym kątem. 3.2 Bilans energii dla kolektora słonecznego (płaskiego) Celem kolektora słonecznego jest zaabsorbowanie jak największej ilości energii słonecznej w celu wykorzystania tego ciepła np. do ogrzania ciepłej wody użytkowej. Kolektor jak każde urządzenie ma określona sprawność która wynika z jego bilansu energii. Poszczególne składniki takiego bilansu zostały przedstawione w sposób graficzny na rysunku 8. Poszczególne składniki oznaczają (1) promieniowanie słoneczne, (2) straty w wyniku odbicia promieniowania, (3) straty ciepła w wyniku konwekcji, (4) straty w wyniku promieniowania termicznego, (5) moc użyteczną. Rys. 8. Graficzna reprezentacja bilansu energii dal kolektora płaskiego Pomimo iż kolektor słoneczny formalnie nie jest zasilany paliwem w klasycznym tego słowa znaczeniu to sprawność jest definiowana jak dla każdego urządzenia czyli ilość energii użytecznej dostarczonej w jednostce czasu do ilości energii dostarczonej w tym wypadku w formie promieniowania słonecznego. 6

7 Moc dostarczona do kolektora P in może być wyznaczona jako iloczyn natężenia promieniowania słonecznego razy powierzchnia kolektora słonecznego (tzw. powierzchnia czynna lub absorbera) A col Z kolei moc użyteczna P N może być określona na podstawie danych pomiarowych. Znając różnice temperatury tj. o ile wzrosła w kolektorze temperatura czynnika obiegowego (wody) oraz znając przepływ masowy i własności termofizyczne płynu wówczas moc użyteczną P N można wyznaczyć z następującej zależności: gdzie: F oznacza przepływ, gęstość płynu, c p jego ciepło właściwe. Występujące w powyższym równaniu temperatury oznaczają temperaturę na wlocie T 1 i wylocie T 2 z kolektora płaskiego. 4. Opis układu eksperymentalnego Jednostka eksperymentalna ET 202 jest samodzielna jednostka pomiarową. Wszystkie elementy, przyciski do sterowania oraz wyświetlacze są wyraźnie rozmieszczone na przednim panelu jednostki, której obraz przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Jednostka eksperymentalna ET Rurka przelewowa 8 Panel sterujący 2 Pompa (P) 9 Źródła światła 3 Odpowietrznik 10 Czujnik natężenia światła 7

8 4 Grzałka 11 Kolektor płaski 5 Zbiornik wody 12 Zasilanie kolektora 6 Pokrywa zbiornika 13 Zasilanie kolektora 7 Mierniki pomiarowe 14 Absorber (wymienny) Schemat urządzenia przedstawiony na rysunku 10, służy zrozumieniu zasady działania urządzenia. Wszystkie parametry są mierzone elektronicznie i pokazywane na cyfrowych wyświetlaczach. Istnieje również możliwość rejestrowania sygnałów z czujników na komputerze PC za pomocą specjalistycznego oprogramowania i podłączenia USB. Tak więc system jest gotowy do pracy zarówno z wykorzystaniem mierników z których wartości mogą być odczytywane ręcznie jak do zapisu tych wartości bezpośrednio na komputerze. Rys. 10. Schemat układu pomiarowego ET Zespół lamp halogenowych V1 Zawór układu solarnego 2 Kolektor płaski V2 Zawór zbiornika 3 Zbiornik R Miernik natężenia promieniowania 4 Wymiennik ciepła F Przepływomierz 5 Grzałka T1 Temperatura na wejściu do kolektora 6 Odpowietrznik T2 Temperatura na wyjściu z kolektora 7 Przelew T3 Temperatura wody w zbiorniku P Pompa T3 Temperatura otoczenia 8

9 Opis działania urządzenia Światło z zespołu lamp halogenowych (1) pada na płaski kolektor słoneczny (2). W wyniku pochłaniania promieniowania w absorberze kolektora wzrasta jego temperatura. W kolektorze płaskim znajdują się rurki umożliwiające przepływ czynnika obiegowego (wody) co umożliwia odbiór ciepła z kolektora. Nagrzany nośnik ciepła wymuszony pompą (P) jest transportowany do zbiornika z ciepłą woda (3) a dokładnie do spiralnej wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła (4). Ciepło z pierwotnego obiegu (solarnego) przekazywane jest do wody znajdującej się w zbiorniku. Ochłodzony płyn obiegu solarnego jest ponownie transportowany do kolektora słonecznego gdzie się nagrzewa i cały cykl ulega powtórzeniu. Obieg czynnika w układzie solarnym jest zamknięty z tego powodu system wyposażono w układ kompensujący rozszerzalność czynnika (wody) pod wpływem temperatury (6) jak i układ odpowietrzający (7). Temperatury T 1, T 2, T 3 oraz T 4 są mierzone za pomocą czujników we wszystkich kluczowych punktach układu tj. odpowiednio na wejściu i wyjściu z kolektora płaskiego, w zbiorniku oraz temperatura otoczenia. Grzałka (5) znajdująca się w zbiorniku umożliwia szybsze nagrzanie wody w zbiorniku. Na rysunku 11 znajduje się szczegółowy opis głównego panelu roboczego na którym znajdują się przełączniki, urządzenia sterujące oraz mierniki umożliwiające załączanie systemu, jego regulacje jak i odczytywanie aktualnych wskazań. Rys.11. Widok pulpitu sterującego urządzenia 1 Temperatura T1 na wejściu 8 Włącznik lamp halogenowych do kolektora 2 Temperatura T2 na wyjściu z kolektora 9 Włącznik główny 3 Temperatura T3 w zbiorniku 10 Aktywator dla konfigurowania (istnieje możliwość jest deklarowanej temperatury w ustawienia) zbiorniku 4 Temperatura T4 otoczenia 11 Włącznik grzałki w zbiorniku 5 Natężenie promieniowania 12 Włącznik pompy obiegowej 6 Czujnik temperatury T4 13 Potencjometr do regulacji przepływu 7 Schemat układu 14 Miernik przepływu 9

10 5. Przygotowanie do pomiarów Przed przystąpieniem do wykonania pomiarów należy zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia oraz instrukcja bezpieczeństwa dostępną w laboratorium. Należy zidentyfikować podstawowe elementy układu w tym czujniki pomiarowe i zawory. Należy sprawdzić poprawność konfiguracji układu i poczekać na prowadzącego który ostatecznie sprawdzi układ tuż przed przystąpieniem do pomiarów. 5.1 Napełnianie obiegu wodą Niezwykle istotną kwestią w wykonaniu ćwiczenia jest napełnienie obiegu urządzenia wodą w taki sposób, aby wyeliminować wszystkie bąbelki powietrza mogące znajdować się w przewodach. W tym celu: Należy przechylić kolektor słoneczny na pozycję 40. Zamknąć zawór doprowadzający V1. Podłączyć wąż doprowadzający wodę do układu do zaworu V1. Włączyć pompę i ustawić średnią wartość przepływu na około 10 l/h. Delikatnie otworzyć zawór doprowadzający wodę na ścianie. Delikatnie otworzyć zawór V1 i ciągle monitorować poziom wody w przewodzie przelewowym. Jeśli poziom wody w przewodzie przelewowym unosi się zbyt szybko, należy zamknąć zawór V1. Podczas procesu napełniania poziom wody w przewodzie przelewowym powinien wynosić przynajmniej ¼ jego wysokości. W celu usunięcia bąbelków powietrza z obiegu należy manewrować prędkością pompy oraz nachyleniem kolektora słonecznego. Należy także kilkakrotnie otworzyć zawód odpowietrzający znajdujący się przy pompie. Proces napełniania i odpowietrzenia można uznać za skończony kiedy poziom wody w przewodzie przelewowym przestanie fluktuować (przy stałej wartości przepływu wody przez układ). 5.2 Napełnienie zbiornika Niezwykle ważne jest, aby w zbiorniku znajdowała się woda i to w odpowiedniej ilości. Przed przystąpieniem do pomiarów należy zdjąć górną ściankę zbiornika i uzupełnić poziom wody do takiego poziomu aby woda zakrywała całkowicie znajdującą się tam wężownice i grzałkę (patrz rysunek poniżej) Rys. 12. Napełnianie zbiornika wodą 10

11 Zależnie od wersji ćwiczenia może okazać się, że ważne z punktu widzenia wykonywanego wariantu ćwiczenia jest, aby woda znajdująca się w zbiorniku miała stałą i możliwie niska temperaturę. Realizowane jest to wykorzystując wodę wodociągową której temperatura z dużym przybliżeniem jest stała a wartości oscylują w ciągu roku w granicach o C. Woda ta w ilości litrów/godzinę powinna być w sposób ciągły dostarczana do zbiornika. Równocześnie zawór odpływowy należy otworzyć tak, aby odprowadzać wodę do kanalizacji 5.3 Pomiar natężenia promieniowania W pomiarach wykorzystywane jest sztuczne światło halogenowe imitujące promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to nie jest równomierne i zależy od miejsca na które pada. W związku z tym przed przystąpieniem do pomiarów wykorzystując ogniwo słoneczne (służące jako miernik natężenia promieniowania) należy przeprowadzić pomiary w różnych punktach kolektora płaskiego. Zalecane jest wykonanie 16 lub 25 pomiarów realizowanych w 4 do 5 równych odstępach w kierunku poprzecznym i wzdłużnym panelu. Z pomiarów tych należy wyznaczyć wartość średnią ważoną. Wagi dla pomiarów w narożach i krawędziach wynoszą odpowiednio 0.25 i 0.5 a dla pozostałych punktów 1.0. W obliczeniach należy wykorzystywać wartość średnią ważoną natężenia promieniowania, jednak jako wartość odniesienia dla pomiarów należy posługiwać się wskazaniami miernika który na czas pomiarów jest umieszczony na krawędzi panelu. Tabela: Iluminancja zmierzona na powierzchni kolektora w kw/m 2 Pozycja miernika w mm Wykonanie pomiarów 6.1 Badanie wpływu prędkość przepływu wody na pracę układu W ćwiczeniu tym analizowane będzie jaki wpływ na pracę układu (moc i efektywność) ma prędkość przepływu wody przez kolektor oraz wężownicę zbiornika. UWAGA. Podczas wykonywania tego ćwiczenia temperatura w zbiorniku powinna być stała i możliwie jak najniższa. Jest to realizowane poprzez ciągły dopływ wody wodociągowej do zbiornika i równoczesne usuwanie nadmiaru wody do kanalizacji. 11

12 1. Kolektor płaski z zainstalowanym absorberem określonego typu uzgodnionym z prowadzącym ustawić w pozycji poziomej. 2. Na podstawie pomiarów natężenia promieniowania realizowanych przed przystąpieniem do właściwych pomiarów policzyć i określić jakie jest średnie natężenie promieniowania (patrz pkt 5.3). 3. Wykorzystując regulator (potencjometr) prędkości obrotowej pompy ustawić początkowy przepływ na maksymalny ok l/h 4. W celu wykonania pomiarów należy poczekać aż ustalony zostanie stan stacjonarny czyli np. temperatura wody T 2 na wyjściu z kolektora płaskiego osiągnie stałą wartość. 5. Po uzyskaniu wartości ustalonej wyniki pomiarów zapisać w formie papierowej. 6. Po zapisaniu wszystkich wielkości zmniejszyć przepływ o ok. 1/10 przepływu maksymalnego i ponownie wykonać pomiary powtarzając procedurę od pkt.4. Pomiary wykonywać aż do uzyskania przepływu minimalnego wynoszącego ok. 1-2 l/h. Pozwoli to na uzyskanie ok. 10 serii pomiarowych. Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów Lp. Przepływ Natężenie Temperatura Temperatura Temperatura promieniowania Q, l/h R, W/m 2 T1, o C T2, o C TA, o C Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie internetowej katedry. 8. Literatura Staniszewski B., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979 Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000 Holman J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997 Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press, Cambridge, 2002 Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken,

13 9. Załączniki Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami: Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów Lp. Przepływ Natężenie Temperatura Temperatura Temperatura promieniowania Q, l/h R, W/m 2 T1, o C T2, o C TA, o C Podpis prowadzącego: 13

14 10. Dane techniczne urządzenia Flat plate collector Absorbing surface: 320x340mm Angle adjustment: Resolution 10 Height adjustment for three positions: 279 mm, 532 mm, 862 mm Lighting unit Halogen spotlamps: 25 x 50 W Illuminance: 0,5 kw/m2-2,5 kw/m2 Peristaltic pump Variable flow rate: L/h Measuring ranges Temperature: C Flow rate: L/h Irradiance: kw/m2 Dimensions and weight LxWxH: 1860 x 790 x 1500 mm Weight: approx. 90 kg Connection values 230V, 50/60Hz, 1 phase 14

15 11. Instrukcja wymiany absorbera 15