Εργαστήριο ήπιων µορφών ενέργειας

Transcript

1 Εργαστήριο ήπιων µορφών ενέργειας Ενότητα: Θερµικός υπολογισµός ηλιακού συλλέκτη Ταουσανίδης Νίκος Τµήµα ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης CreativeCommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηµατοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδηµαϊκά Μαθήµατα στο TEI υτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδηµία Θεσσαλονίκης» έχει χρηµατοδοτήσει µόνο τη αναδιαµόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και απόεθνικούς πόρους. 2

3 Περιεχόµενα 1. Σκοποί ενότητας Περιεχόµενα ενότητας Μέτρηση βαθµού απόδοσης επιπέδου συλλέκτη ανοικτού κυκλώµατος Α. Περιγραφή εγκατάστασης Β. Τεχνικά χαρακτηριστικά Γ. Σύντοµη θεωρία σκοπός της άσκησης ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ Βιβλιογραφία Παράρτηµα... 8 Περιεχόµενα Σχηµάτων Σχήµα 1: Σκίτσο ηλιακού συλλέκτη εργαστηρίου Σχήµα 2: Επιφάνεια απορρόφησης Περιεχόµενα Πινάκων Πίνακας 1: Μετρήσεις & Καταγραφές - δέκα (10) σετ µετρήσεων

4 1. Σκοποί ενότητας Προσδιορισµός θερµικής απόδοσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. 2. Περιεχόµενα ενότητας Προσδιορισµός θερµικής απόδοσης και σταθερών επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. 3. Μέτρηση βαθµού απόδοσης επιπέδου συλλέκτη ανοικτού κυκλώµατος 3.1 Α. Περιγραφή εγκατάστασης Η µονάδα αποτελείται από µία συλλεκτική επιφάνεια, µία δεξαµενή αποθήκευσης ζεστού νερού (boiler) και ένα όργανο µέτρησης (θερµιδόµετρο). Σχήµα 1: Σκίτσο ηλιακού συλλέκτη εργαστηρίου. Πηγή:AMCOR (1995). Η συλλεκτική επιφάνεια αποτελείται από τα παρακάτω στοιχεία όπως αυτά αριθµούνται στην επόµενη εικόνα. 1. Επιφάνεια απορρόφησης. Κατασκευασµένη από φύλλα χάλυβα, διαµορφωµένα γύρω από χάλκινους σωλήνες (όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα), έτσι ώστε να διασφαλίζεται η βελτιστη µετφορά θερµότητας. 4

5 Σχήµα 2:Επιφάνεια απορρόφησης. Πηγή: AMCOR (1995). Επικαλύπτεται από το µάυρο χρώµιο (Blackchrome) πάνω σε «φωτεινό» νίκελ (brightnickel), ώστε να δηµιουργείται επιλεκτική επιφάνεια υψηλής ποιότητα και συγκεκριµένα υψηλής απορροφητικότητας. Απορροφητικότητα α=0,95. Εκπεµψιµότητα ε=0, ίκτυοσωλήνων. Χαλκοσωλήνες 16mm, ασηµοκολληµένοι µε χάλκινους συλλέκτες 29 mmµε βέλτιστο λόγο διαµέτρων. Έτσι αποφεύγεται η σταιµότητα του νερού στο συλλέκτη και επιταγχύνεται οµοιόµρφη ροή. 3. Σύνδεση σωλήνων. Μπορεί να γίνει σε 4 σηµεία (σπείρωµα 1) µειώνοντας έτσι την ανάγκη ύπαρξης εξωτερικών σωληνώσεων σε µία συστοιχία συλλεκτών. 4. Φύλλο αλουµινίου. Είναι προσαρτηµένο πάνω στην µόνωση, για να αντανακλά την εκπεµπόµενη θερµική ακτινοβολία προς την επιφάνεια απορρόφησης, ελαχιστοποιώντας κατά τον τρόπο αυτό τις θερµικές απώλειες από τη «ράχη» του συλλέκτη. 5. ιάκενο αέρα. Προσφέρει πρόσθετη θερµοµόνωση και µειώνει τις απώλειες θερµότητας. 6. Μόνωση. 37mmαφρού πολυουρεθάνης, κάτω και γύρω από την επιφάνεια απορρόφησης. Η πολυουρεθάνη είναι αυτοσβεννύµενο υλικό και δρα σαν αποσβέστης ταλαντώσεων που προκαλεί ο άνεµος. 7. Κέλυφος αυλλέκτη. Ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες κατασκευασµένο από εξελασµένο προφίλανοδιόµενο αλουµίνιο. 8. ιαφανές κάλλυµα. 5

6 Απλό κρύσταλλο πάχους 32mm, χαµηλής περιεκτικότητας σε σίδερο, ενισχυµένο, υψηλής αντίστασης σε θράυση. Φερει πολυπρισµατική εσωτερική επιφάνεια για την δέσµευση της εκπεµπόµενης από την επιφάνεια απορρόφησης ακτινοβολίας. Έχει υψηλή διαπερατότητα (τ=0,901), χαµηλή ανακλαστικότητα και πλήρη απουσία «αντηλιάς» (glaring). 9. Οπές αποστράγγισης και εξαερισµού. Βρίσκονται στο κέλυφος για εξαερισµό και αποµάκρυνση υγρασίας σε περίπτωση συµπύκνωσης. 10. Πίσω επιφάνεια. Απί φύλλο P.V.C. ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία. 11. Περικόχλια στήριξης. Για σύνδεση του συλλέκτη πάνω στο πλαίσιο στήριξης. 12. Παρεµβύσµατα. Υψηλής αντοχής σε θερµοκρασία καουτσούκ σχήµατος U. 13. Συγκράτηση κρυστάλλου. Από ανοδοιώµενο προφίλ αλουµινίου. Η δεξαµενή αποθήκευσης είναι οριζόντια, κατασκευασµένη από µαλακό χάλυβα. Το εσωτερικό της είναι εφυαλώµενο. Υπάρχει καθοδική προστασία µε ανόδιο µαγνησίου. Το εξωτερικό έλυφος είναι από γαλβανισµένα φύλλα χάλυβα, ηλεκτροπροστατικά βαµµένα κµε ακρυλικό χρώµα, ψηµένο σε φούρνο. Η µόνωση ανάµεσα στο κέλυφος και την δεξαµενή είναι 40mαφρός πολυουρεθάνης. 3.2 Β. Τεχνικά χαρακτηριστικά Συλλέκτης. Μικτή επιφάνεια:2.3m 2 (1.93X1.24). Καθαρή επιφάνεια:2.2m 2. Πίεση δοκιµής:12 bar. Πίεση λειτουργίας:6 bar. Λόγος δεξαµενής/συλλέκτη: 50 1/ m 2. Χωριτικότητα: Θερµική απόδοση:65.5%. Ηµερήσια θερµική απόδοση: 5935 kcal/day. εξαµενή. Χωριτικότητα: Πίεση δοκιµής:12 bar. Πίεση λειτουργίας:6 bar. Στοιχείο θέρµανσης: 230V 3kW. 6

7 3.3 Γ. Σύντοµη θεωρία σκοπός της άσκησης Όπως γνωρίζουµε από τη θεωρία η ωφέλιµη συλλεγόµενη θερµική ισχύς δίνεται από τον τύπο: Q=F R *A C *[I T *(τ*α)-u L *(Τ i -Τ a )]. Όπου τα σύβολά έχουν τη γνωστή σηµασίας τους. Επειδή η µέγιστη ισχύς που θα µπορούσαµε να συλλέξουµε είναι: A C *I T Ορίζουµε σαν βαθµός απόδοσης, τον λόγο του Qπρος τη µέγιστη ισχύ που θα µπορούσαµε να συλλέξουµε και είναι: n = F R *(τ*α)-f R *U L *[(Τ i -Τ a )/ I T ] Ο βαθµός απόδοσης αυτός είναι στιγµιαίος. Πειραµατικά προσδιορίζεατι σαν ο λόγος της θερµότητας που θερµιδοµετρικά µετρείται στο νερό που κυκλοφορεί στο συλλέκτη προς την µέγιστη ισχύ που θα µπορούσαµε να συλλέξουµε, ή αλλιώς: n = Q/(A C *I T )=m*c p * Τ/(A C *I T ) όπου, m η µετρούµεµη παροχή. c p η ειδική θερµότητα του υγρού του συλλέκτη συλλέκτη. Τ η διαφορά θερµοκρασίας εξόδου-εισόδου του υγρού του. A c η µικτή επιφάνεια του συλλέκτη. I T η µετρούµενη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Για τον προσδιορισµό της καµπύλης του στιγµιαίου βαθµού απόδοσης συναρτήσει της (θ fe -T α )/I T, πρέπει να χρησιµοποιήσουν τουλάχιστο τέσσερις διαφορετικές θερµοκρασίες εισόδου και για κάθε τιµή της θερµοκρασίας εισόδου πρέπει να γίνουν τουλάχιστον τέσσερις µετρήσεις (δύο πριν και δύο µετά το ηλιακό µεσηµέρι) ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ Λόγω του περιορισµένου χρόνου διεξαγωγής του Εργαστηρίου θα συµπτυχθούν τα παραπάνω µε τη λήψη δέκα (10) σετ µετρήσεων. Τα µεγέθη που θα µετρηθούν είναι η θερµοκρασία εισόδου συλλεκτικού υγρού θfί, η θερµοκρασία εξόδου συλλεκτικού υγρού θfe, η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας ΙΤ και η παροχή όγκου του συλλεκτικού υγρού V. Επειδή πρόκειται για ανοικτό κύκλωµα το συλλεκτικό ρευστό είναι νερό, κατά συνέπεια η ειδική θερµότητα του συλλεκτικού υγρού είναι αυτή του νερού. 7

8 Πίνακας1: Μετρήσεις & Καταγραφές - δέκα (10) σετ µετρήσεων. Πηγή: ιδάσκων (2015). Με βάση τις παραπάνω τιµές θα υπολογισθεί ο βαθµός απόδοσης και θα εκπονηθεί διάγραµµα του, συναρτήσει του λόγου (θfe-tα)/it. Στη συνέχεια να εκτιµηθούν οι σταθερές F R U L και F R ταn, χρησιµοποιώντας το διάγραµµα που εκπονήθηκε και τη σχέση του βαθµού απόδοσης. 4. Βιβλιογραφία Amcor, S. (1995). Thermosyphon Solar Systems. Tel-Aviv, Israel:, Amcor Solar Energies Ltd Παράρτηµα ΣηµείωµαΑναφοράς. Copyright ΤΕΙ υτικής Μακεδονίας, Ταουσανίδης Νίκος. «Εργαστήριο ήπιων µορφών ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Γρεβενά ιαθέσιµο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. Σηµείωµα Αδειοδότησης. Το παρόν υλικό διατίθεται µε τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εµπορική Χρήση Παρόµοια ιανοµή 4.0 [1] ή µεταγενέστερη, ιεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράµµατα κ.λ.π., τα οποία εµπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται µαζί µε τους όρους χρήσης τους στο «Σηµείωµα Χρήσης Έργων Τρίτων». 8

9 [1] Ως Μη Εµπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαµβάνει άµεσο ή έµµεσο οικονοµικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανοµέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαµβάνει οικονοµική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανοµέα του έργου και αδειοδόχο έµµεσο οικονοµικό όφελος (π.χ. διαφηµίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος µπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιµοποιεί το έργο για εµπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. ιατήρηση Σηµειωµάτων. Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συµπεριλαµβάνει: το Σηµείωµα Αναφοράς. το Σηµείωµα Αδειοδότησης. τη δήλωση ιατήρησης Σηµειωµάτων. το Σηµείωµα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). µαζί µε τους συνοδευόµενους υπερσυνδέσµους. Σηµείωµα Χρήσης Έργων Τρίτων. Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήµατα/ ιαγράµµατα/φωτογραφίες. Amcor, S. (1995). Thermosyphon Solar Systems. Tel-Aviv, Israel:, Amcor Solar Energies Ltd. 9