ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΒΡΑΣΜΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: Καθ. Ν. Α. ΚΥΡΙΑΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΒΡΑΣΜΟΥ ΖΩΓΡΑΦΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΕΜ.:4412 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: Αναπλ. Καθηγητής ΤΣΙΛΙΓΚΙΡΙ ΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΡΜΟ ΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ρ. ΜΑΡΤΙΝΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2011

2 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Αναπληρωτής Καθ. Γ. Τσιλιγκιρίδης 7. Τίτλος Εργασίας: 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 6. Αρµόδιος Παρακολούθησης: ρ. Γ. Μαρτινόπουλος ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΒΡΑΣΜΟΥ. 8. Ονοµατεπώνυµο φοιτητή: Ζωγράφος Γεώργιος 10. Θεµατική Περιοχή: Παραγωγή και χρήση ενέργειας 14. Περίληψη: 9. Αριθµός Μητρώου: Ηµερ. Έναρξης: 12. Ηµερ. Παράδοσης: 13. Αριθµός Εργασίας Σκοπός της παρούσας διπλωµατικής εργασίας ήταν η κατασκευή ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη βρασµού έτσι ώστε να εκτιµηθούν τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα της χρήσης του σε σχέση µε τους συµβατικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες. Μετρήθηκε ο θερµικός βαθµός απόδοσης πρότυπου ηλιακού συλλέκτη βρασµού, σε ειδικές εγκαταστάσεις στην οροφή του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ, µε εργαζόµενο ρευστό αποσταγµένο νερό. Στο 1 ο κεφάλαιο δίδονται γενικά στοιχεία για τους ηλιακούς συλλέκτες και παρουσιάζονται οι τύποι των ηλιακών συλλεκτών καθώς και µια σύντοµη περιγραφή τους. Στο 2 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών βρασµού. Στο 3 ο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής του πρότυπου συλλέκτη βρασµού, καθώς και τα χαρακτηριστικά του. Στο 4 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υπολογιστική διαδικασία που εφαρµόστηκε για τον υπολογισµό του βαθµού απόδοσης του εναλλάκτη διπλού σωλήνα. Στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα και τα γενικότερα συµπεράσµατα της διπλωµατικής εργασίας. 15. Στοιχεία Εργασίας Αρ. Σελίδων: 50 Αρ. Εικόνων: 23 Αρ. ιαγραµµάτων: 6 Αρ. Πινάκων: 6 Αρ. Παραρτηµάτων: 1 Αρ. Παραποµπών: Λέξεις Κλειδιά: Ηλιακή ενέργεια Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες Συλλέκτες βρασµού 17. Σχόλια 18. Συµπληρωµατικές Παρατηρήσεις: 19. Βαθµός 1

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωµατική εργασία έχει ως σκοπό την κατασκευή ενός πρότυπου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη βρασµού και την µελέτη της επίδρασης που έχει η αλλαγή διαφόρων παραµέτρων στον στιγµιαίο βαθµό απόδοσης του. Με επιστηµονικές µετρήσεις και διαφοροποιώντας τις ιδιαίτερες παραµέτρους, όπως η κλίση του συλλέκτη και η παροχή του ρευστού µεταφοράς της θερµότητας, έγινε προσπάθεια να εκτιµηθεί το κατά πόσο είναι σκόπιµη η χρησιµοποίηση των συλλεκτών βρασµού έναντι των συµβατικών επίπεδων συλλεκτών. Επιπρόσθετα, καταστρώθηκε αλγόριθµος υπολογισµού του βέλτιστου µήκους του εναλλάκτη διπλού κελύφους που χρησιµοποιήθηκε για τη µεγιστοποιήση του βαθµού απόδοσης του. Στο σηµείο αυτό, πρέπει να γίνει ειδική αναφορά σε όλους όσους συνέβαλαν ώστε να καταστεί δυνατή η εκπόνηση της διπλωµατικής εργασίας και πιο συγκεκριµένα προς : Τον Αναπληρωτή Καθηγητή του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. κ. Τσιλιγκιρίδη Γεώργιο για την επιστηµονική συµβολή του στα ζητήµατα της διπλωµατικής εργασίας Τον αρµόδιο παρακολούθησης, ρ. Μαρτινόπουλο Γεώργιο για τις υποδείξεις, τις διορθώσεις, τη βοήθεια που προσέφερε για όλα τα ζητήµατα της εργασίας και γενικότερα για την αγαστή συνεργασία που υπήρχε έτσι ώστε να έρθει σε πέρας η εργασία. Όλα τα µέλη του Εργαστηρίου Κατασκευής Συσκευών ιεργασιών του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών για την παροχή των υποδοµών του εργαστηρίου. Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2011 Ζωγράφος Γεώργιος 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ Γενικές Παρατηρήσεις Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες Συλλέκτες αέρα Συλλέκτες υγρού Συλλέκτες µε σωλήνες κενού Συγκεντρωτικοί συλλέκτες.11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΒΡΑΣΜΟΥ Εισαγωγή Βασικές αρχές λειτουργίας ηλιακών συλλεκτών βρασµού Αρχές σχεδίασης θερµοσωλήνα Επεξήγηση λειτουργίας θερµοσωλήνων Συστήµατα που χρησιµοποιούν συλλέκτες βρασµού Επίδραση διαφόρων παραµέτρων στην απόδοση του συλλέκτη Τεχνικές για την αποφυγή της υπερθέρµανσης του θερµοσωλήνα και διατήρηση της χαµηλής πίεσης σε σωλήνες κενού Σηµερινή κατάσταση σε διεθνές και σε ελλαδικό επίπεδο...26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 3.1 ιαδικασία κατασκευής του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη βρασµού 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΒΡΑΣΜΟΥ Περιγραφή της διάταξης µέτρησης Αποτελέσµατα µετρήσεων Βαθµός απόδοσης ηλιακού συλλέκτη Σύγκριση απόδοσης µε διαφορετική πληρότητα συλλέκτη Προτάσεις για περαιτέρω διερεύνηση της συµπεριφοράς του ηλιακού συλλέκτη βρασµού 46 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 47 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 :Κατασκευαστικά σχέδια πρότυπου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη 49 3

5 HΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ 1.1 Γενικές Παρατηρήσεις Οι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούν τη βάση των περισσοτέρων ενεργητικών συστηµάτων αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι µια διάταξη, η οποία απορροφά την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και τη µετατρέπει σε θερµική ενέργεια, µεταφέροντας τη θερµότητα αυτή σε ένα ρευστό (συνήθως νερό ή αέρας) που ρέει διαµέσου του συλλέκτη είτε άµεσα, για παράδειγµα για θέρµανση ζεστού νερού χρήσης, είτε έµµεσα, όπου η άντληση του µπορεί να γίνει από δεξαµενές αποθήκευσης στις οποίες έχει οδηγηθεί. Οι ηλιακοί συλλέκτες διακρίνονται σε ορισµένες κατηγορίες µε βάση τις θερµοκρασίες λειτουργιάς, οι οποίες είναι [1]: Χαµηλής θερµοκρασίας (< 80 ο C), Επίπεδοι συλλέκτες Μέσης Θερµοκρασίας ( ο C), Συλλέκτες µε σωλήνες κενού Υψηλής θερµοκρασίας (>250 ο C),Συγκεντρωτικοί συλλέκτες 1.2 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες Αποτελούν την πιο συνηθισµένη µορφή συλλέκτη για θέρµανση ζεστού νερού χρήσης ή θέρµανση χώρου. Ένας επίπεδος ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από τα εξής µέρη : Το διαφανές κάλυµµα Το διαφανές κάλυµµα, κατασκευάζεται συνήθως από γυαλί χαµηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο, µε πάχος 3-5 mm, για να µεταδίδει ένα υψηλό ποσοστό της ηλιακής ενέργειας. Έχει συντελεστή διαπερατότητας περίπου 91% επιτρέποντας στην ηλιακή ακτινοβολία να φτάσει την απορροφητική πλάκα, µειώνοντας όµως το ποσό της θερµότητας που µπορεί να διαφύγει προς το περιβάλλον. Το γυαλί επίσης έχει εξαιρετική αντοχή στις καιρικές συνθήκες και ικανοποιητικές µηχανικές ιδιότητες. Σε ορισµένες περιπτώσεις, αντί του γυαλιού, χρησιµοποιείται πολυµερικό κάλυµµα αποτελούµενο από λεπτά φύλλα τα οποία είναι ελαφριά, χαµηλότερου κόστους, και εµφανίζουν µικρότερο δείκτη διάθλασης από το γυαλί. Παρόλα αυτά, το πολυµερές κάλυµµα δε συνίσταται γιατί παρουσιάζει σοβαρά µειονεκτήµατα όπως χαµηλή διάρκεια ζωής, ειδικά σε δυσµενείς καιρικές συνθήκες, µε συνέπεια την αισθητή µείωση της ηλιακής διαπερατότητας και της µηχανικής αντοχής του. Επίσης, η θερµική αγωγιµότητα είναι µεγαλύτερη [2]. 4

6 Την απορροφητική πλάκα Είναι µαύρη ώστε να απορροφά περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Το φως του ήλιου περνά µέσα από τον υαλοπίνακα, «χτυπά» την απορροφητική πλάκα η οποία θερµαίνεται. Η θερµότητα µεταφέρεται στο υγρό ή τον αέρα διαµέσου του συλλέκτη. Οι απορροφητικές πλάκες πολλές φορές βάφονται µε επιλεκτικές βαφές οι οποίες αυξάνουν την απορροφητικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας και µειώνουν την εκπεµπψιµότητα. Οι απορροφητικές πλάκες κατασκευάζονται συνήθως από µέταλλο, συνήθως χαλκό ή αλουµίνιο γιατί και τα δυο είναι καλοί αγωγοί της θερµότητας. Ο χαλκός είναι πιο ακριβό υλικό, αλλά είναι καλύτερος αγωγός της θερµότητας και πιο ανθεκτικός στη διάβρωση από το αλουµίνιο [1]. Την υδραυλική διάταξη των σωλήνων Είναι µια διάταξη χάλκινων σωληνώσεων τοποθετηµένων συνήθως σε σειρά, οι οποίοι έχουν συγκολληθεί πάνω στην απορροφητική πλάκα, µέσα στους οποίους ρέει το προς θέρµανση ρευστό [1]. Τη µόνωση στις πίσω και πλάγιες πλευρές Οι πλευρές και το κάτω µέρος του συλλέκτη είναι µονωµένα για να µειωθούν οι απώλειες θερµότητας προς το περιβάλλον. Η µόνωση αυτή επιτυγχάνεται µε τη χρήση υαλοβάµβακα ή πετροβάµβακα, ενώ αρκετές φορές χρησιµοποιείται και πολυουρεθάνη. Το υλικό της µόνωσης απαιτείται να είναι σταθερό στις υψηλές θερµοκρασίες του συλλέκτη [1]. Το πλαίσιο Όλα τα παραπάνω τµήµατα του συλλέκτη ενοποιούνται και προστατεύονται από τις εξωτερικές συνθήκες από το περίβληµα του συλλέκτη. Είναι κατασκευασµένο συνήθως από αλουµίνιο για µείωση του βάρους του ενώ συνηθίζεται η πλάτη του συλλέκτη να κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα για περιορισµό του κόστους [1]. 5

7 Εικόνα 1.1 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης µε τα επιµέρους τµήµατα του [2]. Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες χωρίζονται ανάλογα µε το εργαζόµενο µέσο σε συλλέκτες αέρα και υγρού Επίπεδοι συλλέκτες αέρα Οι συλλέκτες αέρα είναι επίπεδοι συλλέκτες που χρησιµοποιούνται κυρίως για τη θέρµανση χώρων. Η απορροφητική πλάκα στους συλλέκτες αέρα είναι κατασκευασµένη από µεταλλικά συνήθως υλικά. Η θερµότητα απάγεται είτε µε φυσική συναγωγή ή εξαναγκασµένα ( π.χ µε χρήση ανεµιστήρων). Επειδή το εργαζόµενο µέσο, που είναι ο αέρας, έχει χαµηλή δυνατότητα µεταφοράς θερµότητας, είναι αναγκαίο να περνάει από όσο το δυνατόν µεγαλύτερη επιφάνεια συναλλαγής, και συνεπώς να ρέει πάνω από όλη την επιφάνεια του απορροφητήρα, και ορισµένες φορές και από τις δυο του µεριές. Για το λόγο αυτό σε µερικά ηλιακά συστήµατα αέρα, χρησιµοποιούνται πτερύγια ή αυλακώσεις στην υδραυλική διάταξη των σωλήνων για να αυξηθεί η τύρβη και να βελτιωθεί η µεταφορά θερµότητας. Το µειονέκτηµα σε αυτές τις περιπτώσεις είναι ότι λόγω της ύπαρξης ανεµιστήρων απαιτείται κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και άρα αύξηση του κόστους λειτουργίας. Οι συλλέκτες αέρα δεν παρουσιάζουν βλάβες οφειλόµενες σε χαµηλές θερµοκρασίες όπως τα συστήµατα υγρού. Ωστόσο, τυχόν διαρροές είναι πιο δύσκολο να ανιχνευθούν [2].

8 Εικόνα 1.2 Σχηµατική παράσταση επίπεδου συλλέκτη αέρα [2] Επίπεδοι συλλέκτες υγρού Σε έναν συλλέκτη υγρού, η ηλιακή ενέργεια ζεσταίνει ένα υγρό καθώς αυτό ρέει σε αγωγούς, µέσα ή γειτονικά της απορροφητικής πλακάς. Οι αγωγοί της ροής είναι προσαρτηµένοι στην απορροφητική πλάκα έτσι ώστε η απορροφούµενη θερµότητα να µεταφέρεται εύκολα στο υγρό. Οι αγωγοί µπορεί να είναι τοποθετηµένοι παράλληλα, ή µε µορφή σερπαντίνας. Η σερπαντίνα, λόγω του ιδιαίτερου σχηµατισµού της, ελαχιστοποιεί την πιθανότητα διαρροών και εξασφαλίζει οµοιόµορφη ροη. εν ενδείκνυται όµως για συστήµατα που πρέπει να αποστραγγιστούν για προστασία από παγετό καθώς αυτό είναι ανέφικτο σε καµπυλωτά περάσµατα. Το ρευστό, κατά τη διέλευση του από το συλλέκτη, απορροφά ποσά θερµότητας,µε συνέπεια η θερµοκρασία του να ανεβαίνει. Αν η διερχόµενη ποσότητα ρευστού είναι µικρή η τελική του θερµοκρασία είναι µεγαλύτερη αλλά η απόδοση του συλλέκτη µικρότερη. Έτσι, η ποσότητα του ρευστού που διέρχεται και η αρχική του θερµοκρασία παίζουν ρόλο στην απόδοση του συλλέκτη. Η µετάδοση θερµότητας από την απορροφητική επιφάνεια προς το ρευστό εξαρτάται από τη γεωµετρία και τα υλικά από τα οποία αποτελείται το σύστηµα [3]. Το βασικό ενεργειακό ισοζύγιο σε έναν επίπεδο συλλέκτη υγρού µπορεί να γραφεί ως εξής: 7

9 Συλλεγόµενη ενέργεια = Απορροφούµενη ενέργεια θερµικές απώλειες του συλλέκτη. Οι θερµικές απώλειες του συλλέκτη είναι δύσκολο να υπολογισθούν. Ο συλλέκτης χάνει θερµότητα από τη πίσω µονωµένη πλευρά, από τα άκρα του, αλλά κυρίως από τη διαφανή πλάκα, από την οποία προκύπτουν απώλειες είτε µε αγωγή, είτε µε ακτινοβολία. Είναι δύσκολο να εκτιµηθούν γιατί οι απώλειες από το συλλέκτη είναι ανάλογες προς τη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ συλλέκτη και περιβάλλοντος [1]. Τα πιο απλά συστήµατα συλλέκτη υγρού χρησιµοποιούνται για νερό οικιακής χρήσης το όποιο θερµαίνεται απευθείας µέσα στο συλλέκτη και στη συνέχεια διανέµεται µε δίκτυα αγωγών για χρήση. Σε περιοχές όπου επικρατούν πολύ χαµηλές θερµοκρασίες το νερό πρέπει να οδηγηθεί σε έναν άλλο εναλλάκτη ή/και να χρησιµοποιηθεί αντιψυκτικό υγρό. 1.3 Συλλέκτες µε σωλήνες κενού Οι συµβατικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες κατασκευάστηκαν για να λειτουργούν σε ηλιόλουστα και θερµά κλίµατα. Η αποδοτικότητα τους µειώνεται ραγδαία όταν δεν επικρατούν ιδανικές συνθήκες, δηλαδή κατά τη διάρκεια ηµερών µε χαµηλές θερµοκρασίες και υψηλές ταχύτητες αέρα. Επιπρόσθετα οι καιρικές συνθήκες καθώς και η υγρασία, προκαλούν αλλοίωση των εσωτερικών υλικών του συλλέκτη, που έχει ως αποτέλεσµα τη περαιτέρω µείωση της απόδοσης του συστήµατος. Αυτές οι αδυναµίες ελαχιστοποιούνται µε τους συλλέκτες κενού. Οι ηλιακοί συλλέκτες µε σωλήνες κενού, αποτελούνται από σωλήνες διπλής υάλωσης µεταξύ των οποίων υπάρχει πολύ χαµηλή πίεση. Το γυαλί που χρησιµοποιείται είναι ιδιαίτερης σκληρότητας µε µεγάλες αντοχές. Ενδιάµεσα των δυο γυάλινων επιφανειών υπάρχει θερµοαπορροφητικό υλικό που µετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε θερµότητα. Σε έναν συλλέκτη κενού, η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται διαµέσου του εξωτερικού γυάλινου αγωγού, προσπίπτει στον απορροφητικό σωλήνα, και µετατρέπεται σε θερµότητα. Ο συλλέκτης αποτελείται από συστοιχία παράλληλων γυάλινων σωλήνων, ο καθένας από τους οποίους περιέχει έναν χάλκινο απορροφητικό σωλήνα επικαλυµµένο µε επιλεκτική βαφή. Ο εσωτερικός σωλήνας, αποτελεί το σωλήνα προσαγωγής του ρευστού. Το ρευστό που έχει θερµανθεί κυκλοφορεί µέσα στον εναλλάκτη ο οποίος βρίσκεται στο άνω µέρος του συλλέκτη, και δίνει τη θερµότητα αυτή στο νερό που υπάρχει συνήθως σε δεξαµενή αποθήκευσης [4]. 8

10 Όταν κατασκευάζονται οι συλλέκτες κενού, δηµιουργείται χαµηλή υποπίεση µεταξύ των δύο σωλήνων. Οι απώλειες λόγω συναγωγής ελαχιστοποιούνται, γιατί δεν υπάρχει αέρας να κυκλοφορήσει. Μπορεί να υπάρχουν κάποιες θερµικές απώλειες, το ποσό των οποίων είναι πολύ µικρό συγκριτικά µε το ποσό θερµότητας που µεταφέρεται στο ρευστό µέσω του απορροφητικού εσωτερικού σωλήνα. Η χαµηλή υποπίεση στο γυάλινο αγωγό, είναι η καλύτερη µόνωση για τον ηλιακό συλλέκτη, καθώς αποτρέπει τις απώλειες και προστατεύει την απορροφητική πλάκα και το θερµοσωλήνα από τις εξωτερικές συνθήκες. Οι αποστάσεις µεταξύ των γυάλινων σωλήνων είναι τόσες ώστε να µη σκιάζει η µία την άλλη. Αυτές οι λεπτοµέρειες έχουν σαν αποτέλεσµα ο συλλέκτης κενού να παρουσιάζει καλύτερη απόδοση από κάθε άλλου είδους συλλέκτη [5]. Κύριο µειονέκτηµα τους είναι ότι παρουσιάζουν κατασκευαστικές δυσκολίες λόγω της υποπίεσης που πρέπει να δηµιουργηθεί και της συνεργασίας που πρέπει να επιτευχθεί µεταξύ διαφορετικών υλικών στη θέρµανση και ψύξη. Για το λόγο αυτό έχουν υψηλό κόστος κατασκευής και υψηλή τιµή πώλησης [1]. Εικόνα 1.3 Σωλήνας Κενού [5]. Βασικό στοιχείο των συλλεκτών κενού είναι ο χαλκοσωλήνας που βρίσκεται στο κέντρο του διπλού γυάλινου σωλήνα. Αυτός αποτελεί έναν θερµοσωλήνα, µέσα στον οποίο υπάρχει µικρή ποσότητα ρευστού, µε χαµηλό σηµείο ζέσης, που φτάνει σε βρασµό και µετατρέπεται σε ατµό σε χαµηλές θερµοκρασίες. 9

11 Εικόνα 1.4 Σχηµατική παράσταση χαλκοσωλήνα εντός γυάλινου σωλήνα [5]. Ο ατµός ανεβαίνει στο υψηλότερο σηµείο του χαλκοσωλήνα όπου έρχεται σε επαφή µε το ψυχρό νερό του σωλήνα συγκέντρωσης, αποδίδει την ενέργειά του, ψύχεται, υγροποιείται και κινείται πάλι προς τα κάτω. Οι συλλέκτες αυτού του τύπου αποτελούνται από 3 τοµείς I. Εξατµιστή II. Αδιαβατικό τµήµα III. Συµπυκνωτή Όταν οι ακτίνες του ήλιου προσπέσουν στον τοµέα εξάτµισης του θερµοσωλήνα τότε η εξάτµιση είναι άµεση, το αέριο κυκλοφορεί µέχρι το άλλο άκρο, στον συµπυκνωτή, ο οποίος βρίσκεται σε χαµηλότερη θερµοκρασία και δίνει τη θερµότητα στο ρευστό αποµάκρυνσης της θερµότητας. Επιστρέφει υγροποιηµένο το ρευστό µέσω του ινώδους τοιχώµατος εσωτερικά του θερµοσωλήνα. Το φαινόµενο αυτό επαναλαµβάνεται συνεχώς. Βρίσκουν εφαρµογή σε Βόρειες χώρες µε µικρή ηλιοφάνεια και χαµηλές θερµοκρασίες [3]. Εικόνα 1.5 Ηλιακός συλλέκτης µε σωλήνες κενού [5]. 10

12 1.4 Συγκεντρωτικοί συλλέκτες Στους συγκεντρωτικούς συλλέκτες, µπορούν να επιτευχθούν θερµοκρασίες πολύ υψηλότερες απ ότι στους επίπεδους γιατί η ηλιακή ακτινοβολία συγκεντρώνεται σε µικρή επιφάνεια. Αυτό επιτυγχάνεται παρεµβάλλοντας ένα κάτοπτρο µεταξύ της πηγής της ακτινοβολίας και της απορροφητικής επιφάνειας. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες επιτυγχάνουν υψηλές θερµοκρασίες, µόνο όταν είναι διαθέσιµη άµεση ηλιακή ακτινοβολία. Ορισµένες διατάξεις συγκεντρώνουν την άµεση ηλιακή ακτινοβολία σε ένα εστιακό σηµείο, ενώ άλλες συλλέγουν τις ακτίνες του ηλίου σε µια λεπτή γραµµή που ονοµάζεται εστιακή γραµµή. Ο αποδέκτης είναι τοποθετηµένος στο εστιακό σηµείο ή κατά µήκος της εστιακής γραµµής. Το ρευστό µεταφοράς θερµότητας ρέει µέσα στον αποδέκτη και απορροφά τη θερµότητα. Αν και η θερµοκρασιακή περιοχή λειτουργίας τους είναι σε υψηλότερες θερµοκρασίες από τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, εµφανίζουν το µειονέκτηµα ότι η απόδοση τους είναι αισθητά µειωµένη σε συνθήκες υψηλής νέφωσης. Για αυτό το λόγο χρησιµοποιούνται σε περιοχές υψηλής ηλιοφάνειας [6]. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες αποδίδουν όταν έχουν προσανατολισµό τέτοιο ώστε ο οπτικός τους άξονας να στοχεύει τον ήλιο. Για αυτό το λόγο χρησιµοποιούνται µηχανισµοί ευθυγράµµισης που µετακινούν τους συλλέκτες κατά τη διάρκεια της ηµέρας έτσι ώστε να είναι εστιασµένοι στον ήλιο. Η πιο συνηθισµένη µέθοδος είναι η χρήση µονοαξονικών µηχανισµών που ευθυγραµµίζουν τη διάταξη στον ήλιο σε µια διεύθυνση, είτε από ανατολικά σε δυτικά είτε από βόρεια σε νότια. Επιπρόσθετα, υπάρχουν και διαξονικοί µηχανισµοί ευθυγράµµισης που εξασφαλίζουν ότι ο οπτικός άξονας στοχεύει τον ήλιο καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Αυτοί οι µηχανισµοί χρησιµοποιούνται κυρίως σε εµπορικές εφαρµογές γιατί έχουν υψηλό κόστος και οι µηχανισµοί ευθυγράµµισης χρειάζονται συχνή συντήρηση. Ανάλογα µε το είδος της κίνησης (ένας ή δυο άξονες), και το είδος του δέκτη (κινητός ακίνητος) υπάρχουν οι εξής κατηγορίες συγκεντρωτικών συλλεκτών [6]. Κυλινδρικός παραβολικός συλλέκτης ( Parabolic trough collector) Κατασκευάζονται συστρέφοντας το µέταλλο από ανακλαστικά υλικά σε παραβολοειδή µορφή. Ένας µαύρος µεταλλικός αγωγός καλυµµένος από γυαλί χρησιµοποιείται για να µειωθούν οι απώλειες και τοποθετείται κατά µήκος της εστιακής γραµµής του αποδέκτη. Έχουν λειτουργικότητα όταν χρησιµοποιείται οµοαξονικό σύστηµα ευθυγράµµισης µε τον ήλιο ενώ η περιοχή θερµοκρασιών λειτουργίας τους είναι από 50 έως 400 C. Σηµαντικό πλεονέκτηµα είναι ότι απαιτείται ελάχιστος προσανατολισµός κατά τη διάρκεια της ηµέρας[6]. 11

13 Εικόνα 1.6 Σχηµατική παράσταση παραβολικού συγκεντρωτικού συλλέκτη [6]. Linear Fresnel Reflector (LFR) Οι διατάξεις αυτές βασίζονται σε παρατεταγµένα κάτοπτρα τα οποία αντανακλούν την ακτινοβολία η οποία συγκεντρώνεται σε ένα στερεωµένο αποδέκτη ο οποίος είναι τοποθετηµένος σε ένα πύργο. Πλεονέκτηµα τους είναι ότι χρησιµοποιούν επίπεδους ή ελαστικούς καµπυλωτούς ανακλαστήρες οι οποίοι είναι φθηνότεροι από τους γυάλινους παραβολικούς. Επίσης, είναι τοποθετηµένοι κοντά στο έδαφος ελαχιστοποιώντας τις δοµικές απαιτήσεις [6]. Εικόνα 1.7 Σχηµατική παράσταση LFR [6]. Παραβολικός δίσκος ( Parabolic dish) Ο ανακλαστήρας παραβολικού δίσκου είναι ένας σηµειακά εστιασµένος συλλέκτης που χρησιµοποιεί δυο άξονες για την ευθυγράµµιση µε τον ήλιο, συγκεντρώνει την ηλιακή ενέργεια σε έναν αποδέκτη που είναι τοποθετηµένος στο εστιακό σηµείο του δίσκου. Ο 12

14 αποδέκτης απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία µετατρέποντας την σε θερµική ενέργεια. Αυτά τα συστήµατα µπορεί να επιτύχουν θερµοκρασίες ανώτερες των 1500 C [6]. Εικόνα 1.8 Σχηµατική παράσταση παραβολικού δίσκου [6]. Σύστηµα κεντρικού αποδέκτη -πύργου( Central receiver) Στο σύστηµα αυτό χρησιµοποιούνται µια πληθώρα επίπεδων κατόπτρων, οι ηλιοστάτες, οι οποίοι αντανακλούν την άµεση ηλιακή ακτινοβολία σε ένα κοινό σηµείο. Η συγκεντρωµένη θερµική ενέργεια απορροφάται από το δέκτη και στη συνέχεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή ισχύος. Σηµαντικό πλεονέκτηµα τους είναι ότι δε χρειάζονται µεγάλες απαιτήσεις για τη µεταφορά της θερµότητας, και ότι µπορεί να επιτευχθούν θερµοκρασίες γύρω στους 1100 C [6]. Εικόνα 1.9 Σχηµατική παράσταση συστήµατος κεντρικού πύργου [6]. 13

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΒΡΑΣΜΟΥ 2.1 Εισαγωγή Αν και τα ηλιακά θερµικά συστήµατα για τη θέρµανση νερού χρήσης αποτελούν πλέον µια ώριµη τεχνολογία, µε τους ηλιακούς συλλέκτες να αποτελούν τον κύριο µηχανισµό, νέες τεχνικές βρίσκονται υπό µελέτη και εξέλιξη για την κατασκευή συστηµάτων µε υψηλότερο βαθµό απόδοσης. Μια από τις τεχνικές που χρησιµοποιείται είναι η χρήση υγρών µε χαµηλό σηµείο ζέσεως ως ρευστά για την µεταφορά θερµότητας. Οι συλλέκτες που χρησιµοποιούν αυτή την τεχνική ονοµάζονται συλλέκτες βρασµού και οι συλλέκτες σωλήνων κενού αποτελούν µια υποκατηγορία τους. Οι συλλέκτες βρασµού προσοµοιάζουν ουσιαστικά έναν κλασσικό επίπεδο ηλιακό συλλέκτη ο οποίος χρησιµοποιεί για τη µεταφορά θερµότητας ρευστό υγρών µε χαµηλό σηµείο ζέσεως. Η απορροφητική επιφάνεια αποτελείται είτε από θερµοσωλήνες µε ενσωµατωµένα πτερύγια είτε από δύο πλάκες συγκολληµένες στα άκρα τους η οποία λειτουργεί ως θερµική πλάκα. Οι συλλέκτες βρασµού είναι κατάλληλοι για τη θέρµανση κατοικιών, πισινών και διαφόρων άλλων χώρων. Επίσης, είναι µια τεχνική λύση που προτιµάται σε περιοχές µε χαµηλά θερµοκρασιακά επίπεδα. 2.2 Βασικές αρχές λειτουργίας συλλεκτών βρασµού Η απορροφητική επιφάνεια αποτελείται από θερµοσωλήνες µε ενσωµατωµένα πτερύγια είτε από δυο πλάκες συγκολληµένες στα άκρα του. Ο θερµοσωλήνας είναι ένας σφραγισµένος σωλήνας ο οποίος περιέχει ρευστό µε χαµηλό σηµείο ζέσης. Η λειτουργία του βασίζεται σε έναν συνεχή κύκλο εξάτµισης και συµπύκνωσης του εργαζοµένου ρευστού. Η εξάτµιση του εργαζόµενου ρευστού συντελείται όταν µια εξωτερική πηγή, όπως ο ήλιος, του δίνει ενέργεια. Το ρευστό εξατµίζεται στη θερµή ζώνη του θερµοσωλήνα µεταφέροντας θερµότητα, ενώ στη ψυχρή ζώνη ο ατµός συµπυκνώνεται. Το κύκλωµα «κλείνει» - ολοκληρώνεται µε την επιστροφή του συµπυκνωµένου ατµού στη θερµή ζώνη διαµέσου της ινώδους κατασκευής που περιβάλλει τα τοιχώµατα του θερµοσωλήνα. Εάν ένας τέτοιος σωλήνας τοποθετηθεί κατακόρυφα ή υπό κλίση και το χαµηλότερο άκρο του θερµανθεί, το υγρό θα εξατµιστεί (εξατµιστήρας) και ο ατµός που δηµιουργείται θα κινηθεί προς τα πάνω στα πιο ψυχρά τµήµατα του σωλήνα όπου θα συµπυκνωθεί και θα αποδώσει την ενθαλπία εξάτµισης του (συµπυκνωτής). Το συµπύκνωµα θα κυλίσει έπειτα πίσω στο κάτω άκρο όπου µπορεί να επανεξατµιστεί. Το µεγάλο πλεονέκτηµα τους είναι ότι συνδυάζουν βρασµό-συµπύκνωση µε 14

16 ελάχιστες απώλειες. Έτσι εκµεταλλεύονται και τη χαµηλή ακόµη ηλιοφάνεια για να µεταφέρουν θερµότητα από τη βάση στον κοινό εναλλάκτη που κυκλοφορεί το εργαζόµενο ρευστό [7]. Πλεονέκτηµα αυτού του γεγονότος είναι ότι δεν απαιτείται εξωτερική ενέργεια προκειµένου να επιστρέψει το ρευστό µεταφοράς θερµότητας στον εξατµιστήρα [8]. Επειδή η µεταφορά θερµότητας µέσα στο σωλήνα προέρχεται από την προσωρινή αποθήκευση θερµότητας, µε την µορφή της ενθαλπίας εξάτµισης και επειδή η ποσότητα του ρευστού που πρέπει να κινηθεί µέσα στο σωλήνα είναι µικρή, η θερµική αγωγιµότητα του θερµοσωλήνα είναι πολύ µεγάλη [7]. Εικόνα 2.1 Σχηµατική παράσταση θερµοσωλήνα [5]. Το χαµηλό κενό µεταξύ του συλλέκτη και του περιβλήµατος προσφέρει σχεδόν τέλεια µόνωση. Ο συλλέκτης µπορεί να έχει θερµοκρασία 95 C και το τζάµι θερµοκρασία περιβάλλοντος (µηδενικές απώλειες θερµότητας αγωγής και µεταφοράς). Επιπλέον το υλικό επικάλυψης του συλλέκτη είναι τέτοιο ώστε να προκαλεί µέγιστη απορρόφηση των ηλιακών ακτινών και ελάχιστες απώλειες επανεκποµπής (2-3% απώλειες ακτινοβολίας) [5]. Οι συλλέκτες βρασµού παρουσιάζουν ορισµένα πολύ σηµαντικά πλεονεκτήµατα έναντι των συµβατικών, όπως: O κάθε σωλήνας του ηλιακού συλλέκτη κενού είναι ένα κλειστό κύκλωµα ανεξάρτητο από το νερό χρήσης, άρα εάν σπάσει κάποια σωλήνα δεν έχουµε διαρροή νερού, αλλά συνεχίζει να ζεσταίνει το νερό κανονικά. Η θερµική αγωγιµότητα είναι εξαιρετικά υψηλή και ανεξάρτητη από το µέταλλο από το οποίο είναι κατασκευασµένος ο θερµοσωλήνας. 15

17 Καθώς δεν έχουµε πλήρωση του συλλέκτη σε ποσοστό 100% µε υγρό, δεν κινδυνεύει να καταστραφεί από παγετό. Εικονα2.2 Σχηµατική Παράσταση ηλιακού συλλέκτη βρασµού [9]. 16

18 2.3 Αρχές σχεδίασης θερµοσωλήνα Ο θερµοσωλήνας αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία Έναν κενό σφραγισµένο κελυφωτό σωλήνα Η λειτουργία του σωλήνα-δοχείου είναι να αποµονώνει το εργαζόµενο ρευστό από το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτό σηµαίνει ότι δεν πρέπει να υπάρχουν διαρροές, να είναι δηλαδή στεγανός, να διατηρεί την αρχική δοµή του κάτω από την επίδραση διαφοράς πίεσης κατά µήκος του τοιχώµατος του, και να εξασφαλίζει ότι η µεταφορά θερµότητας θα λάβει χώρα και από και προς το εργαζόµενο ρευστό [10]. Η επιλογή του υλικού του σωλήνα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Συµβατότητα( εργαζόµενο ρευστό και εξωτερικό περιβάλλον) Θερµική αγωγιµότητα Ευκολία στην κατασκευή, π.χ. στη συγκόλληση και να είναι εύπλαστος Εφυγραντική ικανότητα (η ικανότητα ενός στερεού σώµατος να προσροφά µεγάλες ποσότητες υγρού µέχρι να αναπτυχθεί λεπτό στρώµα υγρού στην επιφάνεια του στερεού) Συνοψίζοντας, το υλικό πρέπει να ειναι µη πορώδες, για να αποτρέπεται η διάχυση του ατµού. Επίσης, η υψηλή θερµική αγωγιµότητα εξασφαλίζει ελάχιστη πτώση θερµοκρασίας µεταξύ της πηγής της θερµότητας και του ινώδους τοιχώµατος. Συνήθως το υλικό που χρησιµοποιείται για την κατασκευή του θερµοσωλήνα είναι ο χαλκός, ενω πιο σπάνια το αλουµινίο [11]. Το εργαζόµενο ρευστό Μια πρώτη θεώρηση για τον εντοπισµό του κατάλληλου εργαζόµενου ρευστού είναι το λειτουργικό εύρος θερµοκρασίας των ατµών. Μέσα στο επιτρεπτό αυτό εύρος θερµοκρασιών µπορεί να υπάρχουν αρκετά ρευστά, µε µια µεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών να πρέπει να εξεταστεί, έτσι ώστε να διασαφηνιστεί ποια ρευστά είναι τα πιο κατάλληλα για συγκεκριµένη εφαρµογή. Οι κύριες απαιτήσεις είναι [12]: Συµβατότητα µε το ινώδες τοίχωµα και το υλικό του τοιχώµατος Καλή θερµική ισορροπία Καλή εφυγραντική ικανότητα του ινώδους τοιχώµατος 17

19 Η πίεση του ατµού να µην υπερβαίνει ούτε να είναι κάτω από το θερµοκρασιακό εύρος λειτουργίας. Υψηλή ενθαλπία εξάτµισης Υψηλή θερµική αγωγιµότητα Υψηλή επιφανειακή τάση Χαµηλό ιξώδες υγρού και ατµού Το υγρό να µην έχει χαµηλό σηµείο πήξης Υψηλή ενθαλπία εξάτµισης Η επιλογή του εργαζόµενου ρευστού πρέπει επίσης να βασιστεί και στις θερµοδυναµικές θεωρήσεις οι οποίες σχετίζονται µε διαφόρους περιορισµούς στη ροή της θερµότητας που προκύπτουν µέσα στο θερµοσωλήνα όπως το ιξώδες, το ινώδες τοίχωµα, κτλ. Η υψηλή ενθαλπία εξάτµισης είναι επιθυµητή έτσι ώστε να µεταφερθούν µεγάλα ποσά θερµότητας µε µικρή ποσότητα υγρού. Η αντίσταση στη ροή µειώνεται αν χρησιµοποιηθούν ρευστά µε χαµηλό ιξώδες. Η πίεση του ατµού πρέπει να είναι τόση ώστε να µη δηµιουργούνται µεγάλες ταχύτητες στον ατµό, οι οποίες προκαλούν αστάθειες στη ροή. Η θερµική αγωγιµότητα του εργαζόµενου ρευστού πρέπει να είναι µεγάλη, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η ακτινική κλίση της θερµοκρασίας, και να µειωθεί η πιθανότητα δηµιουργίας βραστού ιζήµατος στην επιφάνεια του τοιχώµατος. Η αντίσταση στη ροή του ρευστού θα µειωθεί, επιλέγοντας ρευστά µε χαµηλές τιµές ιξώδους [8]. Την τριχοειδή πορώδη δοµή Είναι µια πορώδης δοµή που συνήθως κατασκευάζεται από ατσάλι, αλουµίνιο, νικέλιο ή χαλκό, σε ποικίλα εύρη του πόρου (πόρος: µικροσκοπικό άνοιγµα ή κενό που δηµιουργείται µέσα στη συµπαγή µάζα ενός µεταλλικού υλικού). Κατασκευάζεται χρησιµοποιώντας αφρώδης µέταλλα, και πιο συγκεκριµένα από µονωτική µεµβράνη. Μεταβάλλοντας την πίεση της µεµβράνης κατά τη διάρκεια της διεργασίας µπορούν να δηµιουργηθούν διάφορα µεγέθη πόρων. Σκοπός της πορώδους δοµής είναι να υποβοηθηθεί η κυκλοφορία του εργαζόµενου ρευστού από το συµπυκνωτή στον εξατµιστήρα. Επίσης βοηθά στο να κατανεµηθεί το ρευστό σε όλη την επιφάνεια του θερµοσωλήνα, έτσι ώστε όλος ο θερµοσωλήνας να διαβρέχεται από αυτό. 18

20 Ινώδη υλικά, όπως τα κεραµικά έχουν χρησιµοποιηθεί ευρέως. Γενικά, έχουν µικρότερους πόρους. Κύριο µειονέκτηµα των κεραµικών ινωδών υλικών είναι ότι έχουν χαµηλή ακαµψία και ότι απαιτείται συνεχής υποστήριξη από ένα µεταλλικό πλέγµα. Αν και το ινώδες υλικό είναι από τη φύση του χηµικά συµβατό µε το εργαζόµενο ρευστό, το µεταλλικό πλέγµα που προσφέρει υποστήριξη µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα λογά διάβρωσης. Τελευταίες έρευνες έδειξαν ότι υλικά µε ίνες άνθρακα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την πορώδη δοµή. Τα λεπτά νήµατα των ινών άνθρακα έχουν πολλές διαµήκης αυλακώσεις στην επιφάνεια τους και είναι χηµικά σταθερά. Αρκετοί θερµοσωλήνες που κατασκευάστηκαν από ίνες άνθρακα έδειξαν καλύτερη ικανότητα µεταφοράς της θερµότητας [13]. Πρωταρχικός σκοπός του ινώδους τοιχώµατος είναι η δηµιουργία πίεσης για τη µεταφορά του εργαζόµενου ρευστού από το συµπυκνωτή στον εξατµιστή. Πρέπει επίσης να είναι ικανή να διανείµει το ρευστό γύρω από την περιοχή του εξατµιστή, σε κάθε περιοχή που η θερµότητα είναι πιθανό να γίνει αποδεκτή από το θερµοσωλήνα. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του διακένου το όποιο πρέπει να βελτιστοποιηθεί, είναι το πάχος του. Η ικανότητα µεταφοράς θερµότητας του θερµοσωλήνα, αυξάνεται µεγαλώνοντας το πάχος του ινώδους τοιχώµατος.η συνολική θερµική αντίσταση στον εξατµιστή εξαρτάται από την αγωγιµότητα του εργαζόµενου ρευστού στο τοίχωµα. Άλλες αναγκαίες ιδιότητες του τοιχώµατος είναι η συµβατότητα του µε το εργαζόµενο ρευστό και η διαβρεκτικότητα του [11]. Οι πιο συνήθεις τρόποι κατασκευής ινώδους τοιχώµατος που χρησιµοποιούνται είναι Πορώδης σκόνη Αγωγοί µε αυλακώσεις Πλέγµα Εικόνα 2.3 Πορώδης δοµή σε θερµοσωλήνα [11]. 19

21 2.4 Συνοπτική επεξήγηση λειτουργίας θερµοσωλήνων Μέσα στο σωλήνα-δοχείο υπάρχει ένα ρευστό, το όποιο εισέρχεται στους πόρους της τριχοειδούς δοµής, βρέχοντας όλες τις εσωτερικές επιφάνειες. Παίρνοντας θερµότητα σε κάθε σηµείο καταµήκος της επιφάνειας του θερµοσωλήνα, προκαλείται βρασµός του ρευστού το όποιο υπεισέρχεται σε µια κατάσταση ατµοποίησης. Όταν συµβαίνει αυτό το ρευστό παραλαµβάνει τη θερµότητα της εξάτµισης. Το αέριο, το όποιο έχει υψηλότερη πίεση κινείται µέσα στο σφραγισµένο σωλήνα κατευθυνόµενο σε µια πιο κρύα περιοχή όπου και συµπυκνώνεται. Έτσι, το αέριο δίνει τη θερµότητα της εξάτµισης και κινείται από την είσοδο στην έξοδο του θερµοσωλήνα. Η ικανότητα µεταφοράς θερµότητας ενός θερµοσωλήνα καθορίζεται,όπως συνηθίζεται στην Αγγλική ορολογία, από την «Axial Power Rating» (APR). Όσο πιο µεγάλη είναι η διάµετρος του θερµοσωλήνα το µεγαλύτερο είναι το APR. Όµοια, όσο πιο µακρύς είναι ο θερµοσωλήνας τόσο πιο µικρό είναι το APR. Οι θερµοσωλήνες µπορούν να κατασκευαστούν σχεδόν σε κάθε σχήµα και µέγεθος [14]. Εικόνα 2.4 Σχηµατική παράσταση λειτουργίας θερµοσωλήνα [14]. 20

22 2.5 Συστήµατα που χρησιµοποιούν ηλιακούς συλλέκτες βρασµού Σε γενικές γραµµές τα συστήµατα που χρησιµοποιούν συλλέκτες βρασµού διακρίνονται σε δυο κατηγορίες ανάλογα µε το που βρίσκεται τοποθετηµένος ο συµπυκνωτής. Στην πρώτη κατηγορία περιλαµβάνονται τα συστήµατα στα οποία η θερµότητα µεταφέρεται µέσω του θερµοσωλήνα από τον εξατµιστή, ο οποίος είναι στην πραγµατικότητα η απορροφητική επιφάνεια του συλλέκτη, προς το πάνω άκρο στο οποίο λαµβάνει χώρα η συµπύκνωση. Εικόνα η Κατηγορία ηλιακών συλλεκτών βρασµού [15]. Στην δεύτερη περίπτωση ο συµπυκνωτής δεν αποτελεί τµήµα του συλλέκτη αλλά τµήµα της δεξαµενής και µόνο ο εξατµιστής παραµένει στον συλλέκτη. Συστήµατα αυτού του είδους χρησιµοποιούν θερµοσωλήνες υποβοηθούµενους από την βαρύτητα για την κυκλοφορία του ρευστού, µε την δεξαµενή να βρίσκεται ψηλότερα από τον συλλέκτη. Προφανώς και στις δυο περιπτώσεις µπορούν να χρησιµοποιηθούν αντλίες για την κίνηση του προς θέρµανση νερού µεταξύ του εναλλάκτη και την δεξαµενής αποθήκευσης. Ως ρευστά στους συλλέκτες βρασµού έχει χρησιµοποιηθεί µίγµα ακετόνης-πετρελαίου, καθαρή αιθανόλη ή διάφορα ψυκτικά υγρά (όπως R-22, κτλ) [15]. 21

23 Εικόνα η Κατηγορία ηλιακών συλλεκτών βρασµού [15]. Βασικό πλεονέκτηµα του συλλέκτη είναι ότι η θερµική αγωγιµότητα είναι εξαιρετικά υψηλή και σχεδόν ανεξάρτητη από το µέταλλο από το οποίο είναι κατασκευασµένος ο θερµοσωλήνας. Επίσης, η συσκευή ενεργεί ως θερµοδίοδος µε αποτέλεσµα η συναγωγή να είναι πολύ υψηλή σε µια κατεύθυνση (προς τα πάνω) και πολύ χαµηλή στην άλλη (προς τα κάτω). Τέλος δεν χρησιµοποιούν κινούµενα µέρη ενώ επιπλέον δεν αντιµετωπίζουν και πρόβληµα καταστροφής λόγω παγετού. Εξαιτίας αυτών των πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζουν αποτελούν ιδανική λύση για χώρες µε ψυχρό κλίµα [15]. 2.6 Επίδραση διαφόρων παραµέτρων στην απόδοση του συλλέκτη Από του πρώτους παράγοντες που µελετήθηκαν ώστε να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία των συλλεκτών βρασµού ήταν το ρευστό µεταφοράς της θερµότητας. Η σύσταση του ρευστού που θα τοποθετηθεί µέσα στον θερµοσωλήνα ή στη θερµική πλάκα παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο. Τα ρευστά στους συλλέκτες βρασµού πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή ενθαλπία εξάτµισης ώστε µε µικρή παροχή ατµού µέσα στον θερµοσωλήνα να µπορούν να µεταφέρουν µεγάλη ποσότητα θερµότητας. Άλλα απαραίτητα χαρακτηριστικά των ρευστών είναι η υψηλή επιφανειακή τάση, το χαµηλό ιξώδες και η υψηλή θερµική αγωγιµότητα στην υγρή φάση, ώστε να µειώνεται η πτώση της θερµοκρασίας µεταξύ του εξατµιστή και του συµπυκνωτή. Στον Πίνακα 2.1 παρατίθενται ρευστά που έχουν χρησιµοποιηθεί σε θερµοσωλήνες θερµικές πλάκες. 22

24 Ρευστά που έχουν χρησιµοποιηθεί σε θερµοσωλήνες θερµικές πλάκες Ρευστό Θερµοκρασία βρασµού σε 1 atm [ C] Ωφέλιµη περιοχή [ C] Ήλιο έως -269 Άζωτο έως -160 Αµµωνία έως 100 R έως 120 Πεντάνιο έως 120 R έως 100 Ακετόνη 57 0 έως 120 Μεθανόλη έως 130 Αιθανόλη 78 0 έως 130 Επτάνιο 98 0 έως 150 Νερό έως 200 Πίνακας 2.1 Ρευστά που έχουν χρησιµοποιηθεί σε θερµοσωλήνες Στα πρώτα πειράµατα είχε γίνει χρήση καθαρής αιθανόλης, νερού καθώς επίσης και µίγµατος ακετόνης- πετρελαίου. Στη συνέχεια η έρευνα επεκτάθηκε και σε άλλα υγρά τα οποία χρησιµοποιούνταν κατά κύριο λόγο σε ψυκτικές συσκευές, όπως το R-11, R-22, R- 143, R407A και R410A. Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά του κάθε ρευστού επηρεάζουν άµεσα την απόδοση του συλλέκτη. Σύµφωνα µε µελέτες που έγιναν σε τρεις πανοµοιότυπους συλλέκτες βρασµού που χρησιµοποιούσαν ως ρευστό R-143, R407A και R410A ο βαθµός απόδοσης του κυµαινόταν από 48,7% µέχρι 51% κατά την διάρκεια της ηµέρας[6]. Το σύστηµα µε το R410A παρουσίασε καλύτερη απόδοση που οφείλεται στην υψηλότερη ενθαλπία εξάτµισης του, στην υψηλότερη θερµική αγωγιµότητα στην υγρή του φάση καθώς και στο χαµηλότερο ιξώδες του [15]. Αρχικά, µελετήθηκε η επίδραση της στάθµης του ρευστού µέσα στον συλλέκτη βρασµού στην απόδοση του µε την χρήση συλλέκτη ακετόνης πετρελαίου, ενώ ταυτόχρονα διερευνήθηκε και η επίδραση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην απόδοση του συλλέκτη. Σύµφωνα µε αυτή προέκυψε ότι γενικά η απόδοση αυξάνει ανάλογα µε το επίπεδο του υγρού. Για χαµηλές στάθµες, ο σωλήνας δεν διαβρέχεται σε όλο το µήκος του µε αποτέλεσµα την υπερθέρµανση του ατµού. Εξαιτίας του χαµηλότερου ρυθµού µεταφοράς της θερµότητας στην υπέρθερµη περιοχή, αυξάνεται η θερµοκρασία του συλλέκτη µε αποτέλεσµα αυξηµένες απώλειες και εποµένως χαµηλότερη απόδοση. Καθώς η στάθµη του ρευστού αυξάνει, φτάνουµε σε ένα σηµείο όπου η υπέρθερµη περιοχή εξαφανίζεται και ξαναρχίζει η επανακυκλοφορία του υγρού µε αποτέλεσµα την διαβροχή του σωλήνα σε όλο του το µήκος και εποµένως την αύξηση της αποδοτικότητας του συλλέκτη. Όπως και µε την 23

25 στάθµη του ρευστού, έτσι και µε την ηλιακή ακτινοβολία, παρατηρείται αύξηση της απόδοσης µε την αύξηση της ακτινοβολίας. Τα αποτελέσµατα αυτά διερευνήθηκαν επιπρόσθετα οπότε και διαπιστώθηκε ότι στην περιοχή στρωτής ροής, όπου συνήθως λειτουργούν οι συλλέκτες βρασµού, για παρόµοιες ροές µάζας του ρευστού η καλύτερη απόδοση παρατηρείται όταν στον συλλέκτη χρησιµοποιείται νερό, λόγω των καλύτερων θερµοφυσικών του ιδιοτήτων[6]. Επιπρόσθετα, η απόδοση των συλλεκτών του τύπου παραµένει υψηλή όχι µόνο στη περιοχή κεκορεσµένου βρασµού αλλά ακόµα και στις περιπτώσεις όπου η θερµοκρασία του ρευστού είναι µικρότερη από την θερµοκρασία βρασµού. Τέλος, αύξηση της πίεσης στον θερµοσωλήνα ή στη θερµική πλάκα οδηγεί σε µείωση της απόδοσης [15]. 24

26 2.7 Τεχνικές για την αποφυγή υπερθέρµανσης του θερµοσωλήνα Η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας ποικίλλει κατά τη διάρκεια του έτους. Αυτό σηµαίνει ότι κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερµοκρασίες, ενώ στη χειµερινή το αντίθετο. Όπως έχει προαναφερθεί, µεγάλο πλεονέκτηµα του θερµοσωλήνα είναι ότι µπορεί να λειτουργήσει αποδοτικά και το χειµώνα και σε συννεφιασµένες µέρες. Μια παράµετρος που πρέπει να εκτιµηθεί είναι η υπερθέρµανση του ρευστού µέσα στο θερµοσωλήνα. Μια µέθοδος είναι η λεπτοµερής µελέτη των συνθηκών περιβάλλοντος και ιδιαίτερα της µέγιστης θερµοκρασίας που αναπτύσσεται στο περιβάλλον. Έτσι πρέπει να επιλεγεί το κατάλληλο ρευστό σε συγκεκριµένη ποσότητα ώστε να εισαχθεί στο θερµοσωλήνα. Όταν το ρευστό φθάνει σε µια µέγιστη θερµοκρασία τότε µέσα στο θερµοσωλήνα υπάρχει µόνο αέριο και έτσι ο µηχανισµός µετάδοσης θερµότητας σταµατάει. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η υπερθέρµανση και η καταστροφή του θερµοσωλήνα [13]. Εικόνα 2.7 Τοµή συµπυκνωτή θερµοσωλήνα µε εσωτερική τοποθέτηση βαλβίδας Μια ακόµη µέθοδος είναι η τοποθέτηση µιας βαλβίδας που θα ρυθµίζει την θερµότητα στο κάτω µέρος του συµπυκνωτή. Η βαλβίδα αυτή είναι έτσι τοποθετηµένη ώστε να ρυθµίζει τη θερµότητα στο κάτω µέρος του συµπυκνωτή. Η βαλβίδα αυτή ρυθµίζει την ποσότητα αερίου που θα περάσει στο συµπυκνωτή και έτσι ελέγχει τη θερµοκρασία λειτουργίας ώστε να µην φτάσει στο όριο υπερθέρµανσης του ατµού. Αποτελείται από ένα µεταλλικό ελατήριο το οποίο έχει την ιδιότητα να κλείνει να και να ανοίγει ανάλογα µε τη θερµοκρασία που επικρατεί στο συµπυκνωτή. Καθώς η θερµοκρασία µέσα στο θερµοσωλήνα πλησιάζει τη θερµοκρασία ασφάλειας, το ελατήριο διαστέλλεται ωθώντας τη βαλβίδα προς τα τοιχώµατα του σωλήνα 25

27 διακόπτοντας έτσι τη ροή του συµπυκνωµένου ρευστού προς το κάτω µέρος του θερµοσωλήνα. Με αυτόν τον τρόπο περιορίζεται και η µετάδοση θερµότητας και έτσι διατηρείται η θερµοκρασία σε επιθυµητά επίπεδα. Σε θερµοκρασίες χαµηλότερες της θερµοκρασίας ασφαλείας το ελατήριο συµπιέζεται επιτρέποντας το συµπυκνωµένο ρευστό να κυκλοφορήσει προς το κάτω µέρος του θερµοσωλήνα εστί ώστε να επιτευχτεί οµαλή λειτουργία του. Μια άλλη τεχνική που χρησιµοποιείται είναι η εισαγωγή ποσότητας βαρίου εσωτερικά του σωλήνα. Αυτή αποτρέπει την απώλεια µάζας ατµού από το θερµοσωλήνα και τη διαπίδυση του στο σωλήνα κενού. Στόχος είναι η διατήρηση του κενού αέρος στο σωλήνα για παραπάνω από 25 χρόνια στην περίπτωση των ηλιακών συλλεκτών βρασµού. Η µη λειτουργία της διάταξης για αρκετό καιρό µειώνει τη διάρκεια ζωής του σωλήνα και τη διατήρηση του κενού [13]. 2.8 Σηµερινή κατάσταση σε διεθνές και εθνικό επίπεδο Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ραγδαία αύξηση της χρήσης ηλιακής ενέργειας ως εναλλακτική µορφή και πηγή ενέργειας. Το πετρέλαιο και ηλεκτρική ενέργεια δεν αποτελούν µακροχρόνια λύση. Το κόστος τους αυξάνεται συνεχώς, ακόµη και στη σηµερινή κατάσταση λόγω της παγκόσµιας οικονοµικής κρίσης και η παραγωγή πετρελαίου έχει φτάσει στο υψηλότερο σηµείο και πρόκειται να µειωθεί. Οι κτιριακοί κανονισµοί όλο και περισσότερο απαιτούν τη χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και τα ηλιακά θερµικά συστήµατα προσφέρουν µια πολύ συµφέρουσα οικονοµικά λύση. Η τεχνολογία των ηλιακών θερµικών εφαρµογών είναι ευρέως διαδεδοµένη και υποστηρίζεται από ένα ευρύ φάσµα επιχειρήσεων- από µικρές επιχειρήσεις εγκαταστατών έως µεγάλες εταιρείες που κατασκευάζουν εξοπλισµό θέρµανσης, και προσφέρει λύσεις σε πολλές διαφορετικές περιπτώσεις [16]. Είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός ότι µέχρι και σήµερα οι τυπικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούν το συντριπτικό ποσοστό των εγκατεστηµένων συστηµάτων. Έως το 2010 η παγκόσµια εγκατεστηµένη ισχύς ηλιακών θερµικών συστηµάτων σε λειτουργία ήταν ίση µε GW th που αντιστοιχούν σε εκατοµµύρια τετραγωνικά µέτρα συλλεκτών. Από αυτά οι GW th προέρχονται από επίπεδους συλλέκτες και σωλήνες κενού, 25.1 GW th σε συλλέκτες χωρίς διαφανές κάλυµµα και 1.2 GW th. σε συλλέκτες αέρος. 26

28 Όσον αφορά την Ελλάδα, η διεθνής θέση της χώρας µας στα θερµικά ηλιακά είναι καλή καθώς κατατάσσεται στην 6 η θέση όσον αφορά τις εγκατεστηµένες επιφάνειες ηλιακών συλλεκτών χαµηλής θερµοκρασίας [17]. ιάγραµµα 2.1 Ευρωπαϊκή θέση της Ελλάδας στους συλλέκτες χαµηλής θερµοκρασίας [17] Αν και τα στοιχεία δείχνουν αύξηση των πωλήσεων των ηλιακών συλλεκτών τα τελευταία χρόνια, αυτό είναι σε µεγάλο βαθµό πλασµατικό γιατί οι πωλήσεις σήµερα δεν αυξάνουν την εγκατεστηµένη επιφάνεια, αλλά αντικαθιστούν συστήµατα που ολοκλήρωσαν τον κύκλο ζωής τους. Στην πραγµατικότητα ο αριθµός νέων χρηστών ηλιακής ενέργειας είναι πολύ µικρός. ιάγραµµα 2.2 Εγκατεστηµένη επιφάνεια ηλιακών θερµικών συστηµάτων στην Ελλάδα [17] 27

29 Το γεγονός ότι οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες επικρατούν συντριπτικά στην αγορά, δεν είναι βέβαια σε αντίφαση µε τις συνεχείς προσπάθειες βελτίωσης της ποιότητας και της απόδοσης του. Οι συλλέκτες µε σωλήνες κενού είναι η µόνη ουσιαστική εναλλακτική πρόταση στον επίπεδο συλλέκτη. Τα τελευταία χρόνια έκανε την εµφάνιση του ο σωλήνας κενού διπλού τοιχώµατος, κυρίως λόγω της παραγωγής του σε χαµηλό κόστος στην Κίνα, όπου µόνο εκεί έχουν ευρεία εφαρµογή οι συλλέκτες κενού. Οι συλλέκτες αυτοί έχουν ακόµα χαµηλή, αλλά συνεχώς αυξανόµενη διείσδυση στην ευρωπαϊκή αγορά, ενώ στην Ελλάδα δε χρησιµοποιούνται σχεδόν καθόλου. Η µεγαλύτερη αγορά είναι αυτή της Γερµανίας όπου οι συλλέκτες βρασµού αποτελούν το 10 % των νέων εγκαταστάσεων [17]. Σε λειτουργία Νέες εγκαταστάσεις Ετήσια εξέλιξη της αγοράς m 2 Σύνολο (m 2 ) Επίπεδοι (m 2 ) Κενού (m 2 ) Αγγλία 573,220 89, ,200 75,600 29, % Αυστρία 3,836, , , ,093 11, % Βέλγιο 328,148 50,700 38,301 31,306 6, % Βουλγαρία 106,300 8,000 8,400 7, Γαλλία 1,573, , , ,000 9, % Γερµανία 13,824,000 1,615,000 1,150,000 1,035, , % ανία 525,146 54,500 58,100 57, % Ελλάδα 4,084, , , ,500 1, % Ιταλία 2,671, , , ,500 62, % Ισπανία 2,106, , , ,300 21, % Ολλανδία 447,595 45,260 40,834 40, % Πορτογαλία 672, , , , % Σουηδία 323,735 21,309 20,699 13,567 7, % Πίνακας 2.2 Εγκατεστηµένη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών το 2010 στην Ευρώπη των 27 [17] Από τον Πίνακα 2.2 παρατηρείται ότι στην Ελλάδα όσον αφορά τις νέες εγκαταστάσεις ηλιακών συλλεκτών, υπήρχε µια µικρή αύξηση της τάξης του 3,9 %, από τις 206,000 m 2 στα 214,000 m 2. Όσον αφορά το µερίδιο των συλλεκτών κενού στην Ελληνική αγορά, αυτό παραµένει σε πολύ χαµηλά επίπεδα καθώς αντιπροσωπέυουν µόλις τα 0.7 % µε µόνο 1,500m 2. 28

30 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Στην παρούσα διπλωµατική εργασία, έγινε προσπάθεια εκµετάλλευσης των πλεονεκτηµάτων ενός τυπικού επίπεδου συλλέκτη, και ενός σωλήνα κενού, προχωρώντας στην κατασκευή ενός συλλέκτη που αποτελεί συνδυασµό των δύο προηγούµενων τύπων. 3.1 ιαδικασία κατασκευής του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη βρασµού Ο συλλέκτης αποτελείται από 10 χάλκινους σωλήνες διαµέτρου 10 mm που συνδέθηκαν µε συγκόλληση, στο άνω και κάτω τµήµα τους αντίστοιχα, µε έναν εναλλάκτη διπλού κελύφους στο άνω µέρος και έναν απλό χάλκινο σωλήνα στο κάτω µέρος. Εικόνα 3.1 Υδραυλική διάταξη απορροφητικής επιφάνειας Ο χάλκινος εναλλάκτης διπλού κελύφους αποτελείται από δύο χάλκινους σωλήνες τοποθετηµένους οµόκεντρα. Ο εσωτερικός σωλήνας, διαµέτρου 15 mm, ήταν ανοικτός στα δύο άκρα του, ενώ ο εξωτερικός, διαµέτρου 22 mm, ήταν κλειστός. Στον εσωτερικό σωλήνα κυκλοφορεί το ρευστό προς θέρµανση ενώ στον εξωτερικό και στους υπόλοιπους σωλήνες το ρευστό µεταφοράς θερµότητας. 29

31 Εικόνα 3.2 Άνω µέρος συλλέκτη Εικόνα 3.3 Κάτω µέρος συλλέκτη Μια λεπτή επιφάνεια από αλουµίνιο συγκολλήθηκε µε την οµάδα των 10 σωλήνων µε συγκόλληση από µηχανή laser διασφαλίζοντας έτσι καλύτερη ποιότητα συγκόλλησης µεταξύ των τµηµάτων. Για την ενδεχόµενη αποφυγή των διαρροών, πριν από τη συγκόλληση της δέσµης των σωλήνων µε την αλουµινένια επιφάνεια, έγινε έλεγχος του συστήµατος σε απόλυτο κενό. 30

32 Στη συνέχεια όλη η προαναφερθείσα διάταξη (σωλήνες και επιφάνεια) βάφτηκε µαύρη και τοποθετήθηκε σε περίβληµα από αλουµίνιο στο οποίο τοποθετήθηκε µονωτικό υλικό στην πλάτη και στις πλευρές του. Εικόνα 3.4 Πίσω µέρος υδραυλικής διάταξης µε τη βαµµένη συγκολληµένη επιφάνεια αλουµινίου Ολόκληρη η κατασκευή (πλαίσιο µε µόνωση, σύστηµα σωλήνων κτλ.) καλύφθηκε από γυάλινη επιφάνεια πάχους 4 mm µε χαµηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο και µε συντελεστή διαπερατότητας 95%. Το ρευστό µεταφοράς θερµότητας εισήλθε στο συλλέκτη σε διάφορες ποσότητες για τις ανάγκες των µετρήσεων και αφού πρώτα πριν από κάθε είσοδο της αντίστοιχης ποσότητας ρευστού επιτεύχθηκε πίεση 0,01 atm στο σύστηµα των σωληνώσεων µε τη βοήθεια αντλίας κενού. Ως ρευστό µεταφοράς θερµότητας χρησιµοποιήθηκε αποσταγµένο νερό. Τα κατασκευαστικά σχέδια βρίσκονται συνηµµένα στο Παράρτηµα 1. 31

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Το άνω τµήµα του συλλέκτη είναι ουσιαστικά ένας εναλλάκτης διπλού σωλήνα. Το ρευστό µεταφοράς θερµότητας (αποσταγµένο νερό) κυκλοφορεί στο εσωτερικό του εξωτερικού σωλήνα. Το νερό προς θέρµανση κυκλοφορεί στο εσωτερικό του εσωτερικού σωλήνα. O θερµικός υπολογισµός που ακολουθεί γίνεται για να ελεγχθεί η ικανότητα µεταφοράς θερµότητας του εναλλάκτη τύπου διπλού σωλήνα και τη βέλτιστη διαστασιολόγηση του. Κατασκευαστικά δεδοµένα εναλλάκτη διπλού σωλήνα : Εσωτερικός σωλήνας : Εξωτερική διάµετρος D i =15 mm, πάχος S i = 1 mm Εσωτερική διάµετρος d i = D i 2* S i =15-2*1 = 13 mm Εξωτερικός σωλήνας : Εξωτερική διάµετρος D α =22 mm, πάχος S α = 1 mm Εσωτερική διάµετρος d α = D α 2* S α =22-2*1 = 20 mm Μήκος σωλήνα νερού l N = 1m Αρχικά έγινε υπολογισµός της θερµοκρασίας τοιχώµατος του εσωτερικού σωλήνα από την πλευρά του αποσταγµένου νερού θ'w. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής : Μέση θερµοκρασία νερού: θ ΜΝ ΜΝ = και διαφορά θερµοκρασίας θ Ν = θ Α - θ Ε θ Ε : θερµοκρασία εισόδου νερού και θ Α : θερµοκρασία εξόδου νερού Θερµορροή = p N * N * C pn * θ Ν όπου p N : πυκνότητα νερού (kg/m 3 ) C pn : ειδική θερµοχωρητικότητα νερού (kj/kg*k) N : παροχή νερού (m 3 /sec) Pr: αριθµός prandtl για τη µέση θερµοκρασία νερού Ταχύτητα νερού: W N = (m/sec), : εσωτερική διάµετρος εσωτερικού σωλήνα Αριθµός Reynolds : Re N = 32

34 Ανάλογα µε τον αριθµό Reynolds εξάγεται το συµπέρασµα για το είδος της ροής, αν υπάρχει δηλαδή στρωτή ή τυρβώδης ροή. Έλεγχος σε στρωτή ροή : Αριθµός Nusselt: Νu o = Ανηγµένος αριθµός Νusselt : Nu = Νu o *( Pr n /Pr w ) 0,11 όπου Pr w :αριθµός Prandtl για θερµοκρασία τοιχώµατος από την πλευρά του νερού. Έλεγχος σε τυρβώδη ροή : Αριθµός Nusselt: Νu o = * [ 1 + (di / l Ν ) 2/3 ] Με ξ= [1,82* log(re) 1,64] -2 Ανηγµένος αριθµός Νusselt : Nu = Νu o *( Pr n /Pr w ) 0,11 όπου Pr w :αριθµός prandtl για θερµοκρασία τοιχώµατος από την πλευρά του νερού. Συντελεστής συναγωγής για το νερό a N = Θερµοκρασία τοιχώµατος από την πλευρά του νερού : θ w = θ ΜΝ + * (θ san - θ ΜΝ ) µε Θερµική αντίσταση από την πλευρά του νερού R N = Ολική θερµική αντίσταση R =, όπου Κ : συντελεστής θερµοπερατότητας εναλλάκτη τύπου διπλού σωλήνα Από την πλευρά του συµπυκνώµατος του αποσταγµένου νερού ισχύει : = όπου R T : θερµική αντίσταση τοιχώµατος R T = + + όπου S: πάχος σωλήνα : συντελεστής ρύπανσης για νερό ύδρευσης συντελεστής ρύπανσης για αποσταγµένο νερό Θερµοκρασία τοιχώµατος σωλήνα από την πλευρά του αποσταγµένου νερού 33

35 θ w = θ w + * (θ W θ ΜΝ ) Πρέπει θ w θ San όπου θ San : θερµοκρασία βρασµού αποσταγµένου νερού Έλεγχος ροής αποσταγµένου νερού (ατµός συµπύκνωµα) Αριθµός Gallilei : Ga = και Αριθµός φάσεων : Ph = Όπου V AN : όγκος αποσταγµένου νερού για µέση θερµοκρασία συµπυκνώµατος Ο έλεγχος της ροής γίνεται βάσει του υπολογισµου : Η ροή που αναµένεται είναι στρωτή, Σε αυτήν την περίπτωση : Συντελεστής συναγωγής αποσταγµένου νερού (ατµός-συµπύκνωµα) σε κατακόρυφο σωλήνα α ΚΑΝ = 0,943 * µε λ: θερµική αγωγιµότητα ( ) ρ: πυκνότητα (Kg/m 3 ) hr AN : ενθαλπία εξάτµισης (KJ/kg) Συντελεστής συναγωγής αποσταγµένου νερού (ατµός-συµπύκνωµα) σε οριζόντιο σωλήνα α ΟΑΝ = 0,77 * α ΚΑΝ * 1/4 Θεωρητικός συντελεστής θερµοπερατότητας εναλλάκτη διπλού σωλήνα = + R T + 34

36 ιάγραµµα 4.1 Μέση λογαριθµική διαφορά θερµοκρασίας θ m = Επιφάνεια εναλλαγής θερµότητας (θεωρητική τιµή) F θ = Επιφάνεια εναλλαγής θερµότητας (πραγµατική τιµή) Από την κατασκευή έχουµε : Μέση διάµετρος εναλλαγής θερµότητας d m = F π = π * d m *l Ν Πραγµατικός συντελεστής θερµοπερατότητας εναλλάκτη κατασκευής Κ π = Ροή µάζας συµπυκνούµενου ατµού του αποσταγµένου νερού = Ροή θερµοχωρητικότητας νερού W N = Ροή θερµοχωρητικότητας αποσταγµένου νερού W AN = * C PAN 35

37 W min = min(w 1, W 2 ) W max = max(w 1, W 2 ) r = N = NTU = Βαθµός απόδοσης εναλλάκτη τύπου διπλού σωλήνα n = Συνολικός όγκος µέσου µεταφοράς θερµότητας Σε αυτήν τη φάση παρουσιάζεται η διαδικασία υπολογισµού του όγκου του µέσου µεταφοράς θερµότητας, στην προκειµένη περίπτωση απιονισµένου νερού, που χρειάζεται για την πλήρωση του ηλιακού συλλέκτη. V ολ = V άνω τµήµατος + V κάτω τµήµατος + V σωλήνων όπου V άνω τµήµατος = V εξ/κου σωλήνα εναλλάκτη - V ες/κου σωλήνα εναλλάκτη = - V κάτω τµήµατος = V σωλήνων = z * * h σωλ, µε z : αριθµός σωλήνων και h: ύψος σωλήνων Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν στο 80% της πληρότητας του ηλιακού συλλέκτη, απιονισµένο νερό. 36

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Για τον πειραµατικό προσδιορισµό της ενεργειακής απόδοσης του ηλιακού συλλέκτη χρησιµοποιήθηκε διάταξη σύµφωνη µε τον κανονισµό ISO Ο κανονισµός του ISO 9806 αφορά τη θερµική απόδοση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών µε διαφανές κάλυµµα και χρησιµοποίηση υγρού ως µέσον µεταφοράς θερµότητας ο οποίος είναι παραπλήσιος του αντίστοιχου ελληνικού προτύπου (ΕΛΟΤ 388.3). Το τµήµα αυτό του ISO 9806: Υποδεικνύει µεθόδους που προσδιορίζουν τη θερµική απόδοση ηλιακών συλλεκτών, µε χρήση υγρού ως µέσο µεταφοράς θερµότητας. Ορίζει µεθόδους ελέγχων και διαδικασίες υπολογισµών που προσδιορίζουν τις σταθερές συνθήκες καθώς και τη µεταβατική αλλαγή θερµικής απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Περιλαµβάνει µεθόδους στις οποίες διεξάγονται δοκιµές σε εξωτερικούς χώρους µε ηλιακή ακτινοβολία καθώς και δοκιµές που διεξάγονται σε κλειστούς χώρους µε προσοµοιωτή ηλιακής ακτινοβολίας. εν είναι κατάλληλο για συλλέκτες στους οποίους η µονάδα θερµικής αποθήκευσης είναι αναπόσπαστο κοµµάτι του συλλέκτη, σε τέτοιο βαθµό ώστε η διαδικασία συγκέντρωσης να µην µπορεί να διαχωριστεί ώστε να µπορούν να µετρηθούν οι δύο διαδικασίες. εν είναι κατάλληλο για ηλιακούς συλλέκτες χωρίς διαφανές κάλυµµα, ούτε για τους συγκεντρωτικούς ηλιακούς συλλέκτες. 5.1 Περιγραφή της πειραµατικής διάταξης Στην Εικόνα 5.1 απεικονίζεται σκαρίφηµα της διάταξης που κατασκευάστηκε για τον προσδιορισµό του βαθµού απόδοσης επίπεδων ηλιακών συλλεκτών. Η διάταξη εγκαταστάθηκε στο δώµα του κτιρίου της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Η διάταξη αυτή αποτελείται από: 1. Το δοχείο αποθήκευσης (συλλογής) Α χωρητικότητας 92 lt περίπου, το οποίο µπορεί να δεχθεί όλο το υγρό που κυκλοφορεί στη διάταξη. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας της διάταξης, στο δοχείο αποθήκευσης βρίσκονται περίπου 70 lt υγρού. 37