Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych Jednym z parametrów istotnie wpływających na proces odprowadzania ciepła z kolektora jest średnica rur roboczych d p, transportujących czynnik grzewczy. Parametr ten decyduje o prędkości przepływu czynnika i jest wymiarem charakterystycznym określającym stopień uwarstwienia przepływu płynu w kanałach. W rurach o małych średnicach ciecz robocza przemieszczać się będzie szybciej i skróceniu ulegnie czas przejmowania energii cieplnej z płyty pochłaniającej. Ze wzrostem prędkości czynnika zmianie może ulec charakter przepływu, któremu towarzyszy przyrost zdolności do przejmowania ciepła. Wysoka prędkość przyczynia się również do uzyskania niższych gradientów temperatury czynnika roboczego i ograniczenia strat cieplnych z absorbera do otoczenia. Zwiększeniu średnicy rur roboczych d p towarzyszyć będzie natomiast obniżenie prędkości przepływu cieczy a różnica pomiędzy temperaturą czynnika zasilającego i opuszczającego kolektor wzrośnie. W konsekwencji wyższej temperatury średniej czynnika w kolektorze zwiększeniu ulegnie strumień strat cieplnych do otoczenia. Układ ten jednak charakteryzował się będzie korzystnym niskim oporem hydraulicznym. 2000 1500 Re f 1000 500 0 8 10 12 Licza rur roboczych [szt.] 14 16 10 9 8 7 d p [mm] Rys. 1. Wykres zmian liczby Reynolds a w funkcji zmian średnicy d p i ilości rur roboczych w układzie absorbera. W celu określenia wpływu zmian średnicy kanałów roboczych d p na sprawność cieplną kolektora słonecznego n(t m), przeprowadzono badania symulacyjne z wykorzystaniem modeli symulacyjnych o parametrach rozproszonych przestrzennie. Obliczenia przeprowadzono dla wariantów konstrukcyjnych o zróżnicowanej średnicy rur roboczych d p w zakresie 4 10 mm. W obliczeniach każdego z wariantów 6 5 4
2 Badania średnicy rur roboczych kolektorów słonecznych konstrukcyjnych założono średnią gęstość strumienia EPS na płaszczyźnie kolektora równą G β = 930 W/m 2, temperaturę otoczenia kolektora T ot = 21 C oraz natężenie przepływu czynnika roboczego przez kolektor równe ṁ z = 140 kg/h. Otrzymane wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Wykres zmian sprawności cieplnej η(t m) w funkcji średnicy wewnętrznej d p rur roboczych w harfowym kolektorze słonecznym. Przedstawione wyniki analizy numerycznej wpływu zmiany parametru d p na sprawność cieplną η(t m) wskazuje, iż wraz ze wzrostem średnicy wewnętrznej kanałów roboczych d p rośnie sprawność η w zakresie 0 0.03 T m i jednocześnie zwiększeniu ulega wartość strumienia strat cieplnych z absorbera. Podobnie jak w przypadku zwiększenia liczby kanałów roboczych, zwiększenie ich średnic przyczynia się do zwiększenia nachylenia charakterystyki sprawności cieplnej, co jest następstwem wzrostu wartości strumienia strat cieplnych z kolektora do otoczenia. Porównanie przebiegu poszczególnych krzywych sprawności cieplnej η(t m) dla wariantów konstrukcyjnych kolektorów słonecznych o zróżnicowanej średnicy rur roboczych przedstawiono na wykresie 3. W celu weryfikacji eksperymentalnej otrzymanych wyników badań symulacyjnych wykonano kolektor słoneczny o średnicach rur roboczych wynoszących d p = 5 mm, zachowując pozostałe wymiary geometryczne o wartościach jednakowych z seryjnym odpowiednikiem KSH 2.0 (rys. 4). Pomiary eksperymentalne prowadzono jednocześnie dla kolektora standardowego i kolektora wyposażonego w rury robocze o wymiarach D p /d p = 6/5 mm. Podczas badań panowały warunki umożliwiające spełnienie wymagań dotyczących stanów ustalonych okreslonych przez normę EN ISO 9806 : 2014. Średnia gęstość EPS na powierzchni badanych kolektorów wyniosła G β = 985.5 W/m 2, natomiast temperatura otoczenia kolektorów wyniosła T ot = 22.8 C. Podczas badań panowały warunki bezwietrzne. Otrzymane wyniki eksperymentu w porównaniu z wynikami obliczeń, dla tych samych warunków badawczych, przedstawiono na rysunku 5. Przedstawione zestawienie wyników badań symulacyjnych i eksperymentalnych, pomimo zauważalnej rozbieżności, wskazuje na zaobserwowaną wcześniej tendencję do zmiany nachylenia krzywej względem osi poziomej pod wpływem wzrostu
3 Model dp= 4 mm η(t*m) 1 Model dp= 5 mm 0.9 Model d = 6 mm 0.8 Model dp= 7 mm p Model dp= 8 mm 0.7 Model dp= 9 mm 0.6 Model dp= 10 mm 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0.01 0.02 0.03 0.04 T*m [m2k/w] 0.05 0.06 0.07 0.08 Rys. 3. Wykres zmian sprawności cieplnej η(t m) w funkcji średnicy wewnętrznej dp rur roboczych w harfowym kolektorze słonecznym. Rys. 4. Płaski kolektor słoneczny harfowy z rurami roboczymi o średnicy wewnętrznej dp = 5 mm. parametru dp. Zwiększenie średnic rur roboczych przyczynia się do zwiększenia czasu, którym czynnik roboczy przejmuje energię cieplną z płyty pochłaniającej. Gdy temperatura czynnika Tm nie odbiega znacznie od temperatury otoczenia
4 Badania średnicy rur roboczych kolektorów słonecznych Rys. 5. Weryfikacja eksperymentalna zależności sprawności cieplnej η(t m) w funkcji zmiany średnicy wewnętrznej rur roboczych d p. T ot zwiększenie średnicy rur roboczych przyniesie poprawę sprawności cieplnej η. W przypadku, gdy średnia temperatura czynnika roboczego T m znacznie przekroczy temperaturę otoczenia T ot, kolektor o zwiększonej średnicy rur roboczych d p poniesie większe straty cieplne, co wpłynie na ograniczenie sprawności cieplnej η w tym zakresie charakterystyki. Na rysunkach 6(a) oraz 6(b) przedstawiono przebieg zmian współczynników krzywej sprawności cieplnej η(t m) w funkcji średnicy wewnętrznej rur roboczych. 0.8 4 60 0.775 a 1 a 2 η 0 0.75 0.725 0.7 a 1 [W/m 2 K] 3 2 40 20 a 2 [W/m 2 K 2 ] 0.675 0.65 4 6 8 10 d [mm] p (a) Sprawność optyczna η 0. 1 4 6 8 10 0 d p [mm] (b) Współczynniki strat cieplnych. Rys. 6. Wykres zmian wartości współczynników krzywej sprawności cieplnej η(t m) w funkcji średnicy rur roboczych d p. Przeprowadzone badania wpływu średnicy rur roboczych na sprawność cieplną kolektora słonecznego wskazują, iż zmiana średnicy wewnętrznej rur roboczych d p istotnie wpływa na przebieg charakterystyki sprawności cieplnej η(t m). Uzyskane wyniki pozwalają sformułować wniosek, że istnieje możliwość poprawy sprawności cieplnej kolektora, w zakresie wysokich wartości T m (kosztem sprawności optycznej η 0 ), poprzez zmniejszenie średnicy rur roboczych d p. Obserwowana wówczas wyższa
prędkość przepływu czynnika roboczego w rurach v f przyczyni się do uzyskania niższej średniej temperatury powierzchni płyty pochłaniającej T aav i jednocześnie do ograniczenia strumienia strat cieplnych z absorbera do otoczenia. Ze względu jednak na następujący wówczas spadek sprawności cieplnej w zakresie niskich wartości T m, zastąpienie stosowanych obecnie rur roboczych o średnicy d p = 7 mm proponowanymi rurami o średnicy wewnętrznej d p = 5 mm powinno nastąpić jedynie po zwiększeniu liczby rur roboczych w tym układzie. 5