ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ"

Ἀντιόπη Μιχαηλίδης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΜΒΑΠΤΙΣΜΕΝΟΥ ΣΕ ΟΧΕΙΟ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΑ. Ν. Χασιώτης, Ι. Γ. Καούρης, Ν. Συρίµπεης. Τµήµα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών 65 (Ρίο) Πάτρα. Τηλ n_hassiotis@helios.mech.upatras.gr, caouris@helios.mech.upatras.gr, nisy@mech.upatras.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία αναφέρεται σε τµήµα µελέτης ενός πρωτότυπου ηλιακού θερµοσίφωνα, µε αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωµα κυκλοφορίας. Μελετάται η συµπεριφορά του συστήµατος µε την τοποθέτηση δύο τύπων εναλλακτών στο δοχείο αποθήκευσης, οµοίου σχήµατος, µε διαφορετικό όµως µήκος και διάµετρο. Για την εντατικοποίηση της µετάδοσης θερµότητας από το νερό του δοχείου στον εναλλάκτη, τοποθετείται πτερυγιοφόρος αναδευτήρας. Από την επεξεργασία των αποτελεσµάτων προκύπτει ότι η θερµοκρασία του νερού χρήσης είναι λίγο µικρότερη από την θερµοκρασία του δοχείου αποθήκευσης ακόµη και για χαµηλές στροφές ανάδευσης.. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ηλιακά θερµικά συστήµατα ευρύτερα γνωστά ως ηλιακοί θερµοσίφωνες χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες: Στα ανοικτά συστήµατα, όπου το νερό χρήσης κυκλοφορεί και στο συλλέκτη. Στα κλειστά συστήµατα όπου το θερµανταλλακτικό ρευστό που κυκλοφορεί στον συλλέκτη είναι διαφορετικό από το νερό χρήσης. Τα συστήµατα ανοικτού κυκλώµατος, είναι φτηνότερα στην κατασκευή τους, δεν είναι διαδεδοµένα όµως, λόγω των αυξηµένων προβληµάτων διάβρωσης και φραγής των σωληνώσεων του συλλέκτη. Αυτό είναι αποτέλεσµα της συνεχούς ανανέωσης του νερού χρήσης µέσα στις σωληνώσεις του συλλέκτη, της αυξηµένης θερµοκρασίας και σκληρότητας του. Τα προβλήµατα αυτά δεν παρουσιάζονται στα συστήµατα κλειστού κυκλώµατος. Λόγω όµως του ότι η συλλεγόµενη ενέργεια αποθηκεύεται στο νερό χρήσης του δικτύου µε το οποίο συνδέεται το δοχείο αποθήκευσης, και στα δύο αυτά συστήµατα παρατηρούνται αυξηµένες απαιτήσεις αντοχής σε πίεση και διάβρωση. Οι τεχνικές προστασίας είναι πολλές, όλες όµως έχουν σηµαντική επίπτωση στο κόστος του ηλιακού θερµοσίφωνα. Το θερµικό σύστηµα που µελετάται είναι ένα κλειστό θερµοσιφωνικό σύστηµα, µε αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωµα κυκλοφορίας, έτσι ώστε να αποφεύγονται οι απαιτήσεις σε αντοχή και διάβρωση του δοχείου αποθήκευσης. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα επιλογής και µη µεταλλικού δοχείου και µε όποιο επιθυµητό σχήµα (δεν είναι απαραίτητο να έχει κυλινδρική µορφή). Η ελάττωση του κόστους κατασκευής είναι προφανής. Το νερό χρήσης θερµαίνεται µέσω εναλλάκτη, εµβαπτισµένου στο δοχείο. Έτσι, ο κίνδυνος διάβρωσης µεταφέρεται στην εσωτερική επιφάνεια των σωλήνων του εναλλάκτη. Αναγκαία είναι λοιπόν η µελέτη του εναλλάκτη που χρησιµοποιείται, η γεωµετρία του εναλλάκτη και του δοχείου και οι στρωµατώσεις της θερµοκρασίας µέσα στο δοχείο. Ο εναλλάκτης κατασκευάστηκε από χαλκοσωλήνα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος διάβρωσης και να επιτευχθεί µεγιστοποίηση της µεταφοράς θερµότητας, ώστε να δηµιουργηθεί ένα σύστηµα µε µεγάλο βαθµό απόδοσης και αξιοπιστία για κάθε χρήση.. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Η πειραµατική συσκευή αποτελείται από ένα δοχείο σχήµατος ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου, διαστάσεων cm τοποθετηµένο σε µεταλλική βάση όπως φαίνεται στην εικόνα α, και β,. Είναι κατασκευασµένο από διαφανές Plexiglas, ώστε να φαίνεται το εσωτερικό του. Στην πίσω πλευρά και κοντά στη βάση του τοποθετήθηκαν τρεις αντιστάσεις ισχύος,7 kw η κάθε µια για τη θέρµανση του νερού που περιέχει το δοχείο. Είναι δυνατή η περιστροφή του δοχείου έτσι ώστε να προσοµοιωθεί η λειτουργία του σε πραγµατικές συνθήκες.

gr, caouris@helios.mech.upatras.gr, nisy@mech.upatras.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία αναφέρεται σε τµήµα µελέτης ενός πρωτότυπου ηλιακού θερµοσίφωνα, µε αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωµα κυκλοφορίας.

2 Με ανάπτυξη κώδικα Η/Υ υπολογίστηκαν τα χαρακτηριστικά cm διαφόρων τύπων εναλλακτών. Επελέγη τελικά εναλλάκτης τύπου «σπιράλ» λόγω της απλότητας στη κατασκευή του. Έτσι, κατασκευάστηκαν εναλλάκτες από εύκαµπτο χαλκοσωλήνα, διατοµής.m και µήκους και µέτρων αντίστοιχα. 8.5 cm Ο πρώτος εναλλάκτης µε ακτίνα, m, τοποθετήθηκε 67.5 cm 7 cm υπό γωνία 5 µοιρών περίπου, µέσα στο δοχείο µαζί µε το απαραίτητο κύκλωµα σωληνώσεων για τη διεξαγωγή των πειραµάτων και τη συλλογή των µετρήσεων. Ο δεύτερος εναλλάκτης κατασκευάστηκε µε λίγο µεγαλύτερη ακτίνα (, cm 6 cm 95.5 cm m). Χρησιµοποιήθηκε δε, το ίδιο κύκλωµα σωληνώσεων cm 7.7 cm Τον άξονα του κάθε εναλλάκτη διαπερνά ένας 9 cm πτερυγιοφόρος αναδευτήρας, ο οποίος στρεφόµενος εντείνει τη µετάδοση θερµότητας. Η κίνηση στον αναδευτήρα δίνεται από Εικόνα α. ηλεκτρικό κινητήρα οµοαξονικά τοποθετηµένο, δίχως µειωτήρα στροφών. Ο κινητήρας είναι ακριβείας και ελέγχεται από ένα ηλεκτρονικό κύκλωµα που είναι υπεύθυνο για την σταθερή λειτουργία του, έτσι ώστε να µη παρατηρηθεί αλλαγή των στροφών ύστερα από κάποιο χρόνο λειτουργίας..5 cm. ΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στο χώρο του εργαστηρίου Μηχανολογίας του Τµήµατος Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Ως υγρό αποθήκευσης της θερµότητας χρησιµοποιήθηκε αποσκληρυµένο νερό, µε το οποίο πληρώθηκε το δοχείο. Η θέρµανση του νερού αποθήκευσης έγινε µε τη χρήση των αντιστάσεων που προαναφέρθηκαν. Τοποθετήθηκαν θερµοζεύγη τύπου Κ µέσα στο δοχείο, σε διαφορετικά ύψη, τα οποία µετρούν την θερµοκρασία νερού του δοχείου σε διάφορα σηµεία έτσι ώστε να είναι εµφανής η στρωµάτωση της, όταν διεξάγεται πείραµα δίχως ανάδευση (8 θερµοζεύγη). Επίσης, η θερµοκρασία µετράται στην είσοδο και έξοδο του εναλλάκτη θερµότητας καθώς και έξω από το δοχείο (θερµοκρασία περιβάλλοντος). Τα θερµοζεύγη καταλήγουν σε σύστηµα Η/Υ, έτσι ώστε να συλλέγονται οι θερµοκρασίες 6 φορές το λεπτό. Οι µέσοι όροι των θερµοκρασιών (6 το λεπτό) καταχωρούνται σε αρχείο. Πραγµατοποιήθηκαν 8 πειράµατα µε διαφορετικές στροφές αναδευτήρα (,, 7,, rev/min), µε διαφορετικές αρχικές θερµοκρασίες δοχείου (,, 5, 6, 7 o C) και µε διαφορετικές ροές νερού χρήσης (,, 5, 7, 8, 9 l/h).. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Παρακάτω, παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα για τους δύο εναλλάκτες, για παροχές νερού χρήσης, 5, 7 l/h και για στροφές αναδευτήρα,, revs/min. Σε όλα τα διαγράµµατα που ακολουθούν, οι καµπύλες αντιστοιχούν, ανάλογα µε το δείκτη δίπλα τους, στις παρακάτω θερµοκρασίες: θερµοκρασία νερού του δοχείου. θερµοκρασία του νερού χρήσης στην έξοδο του εναλλάκτη. θερµοκρασία περιβάλλοντος κατά την διάρκεια του πειράµατος. θερµοκρασία του νερού στην είσοδο του εναλλάκτη (θερµοκρασία δικτύου). Ως «T αρ» σηµειώνεται η αρχική θερµοκρασία στην οποία θερµαίνεται το νερό του δοχείου, πριν ξεκινήσουν οι µετρήσεις. Επίσης, ως «exch_» και «exch_» συµβολίζονται οι δύο εναλλάκτες, µήκους m και m αντίστοιχα.

5 cm 7 cm υπό γωνία 5 µοιρών περίπου, µέσα στο δοχείο µαζί µε το απαραίτητο κύκλωµα σωληνώσεων για τη διεξαγωγή των πειραµάτων και τη συλλογή των µετρήσεων.

3 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ : : :7 :8 : : :8 :6 : 5: 5:9 5: : : :6 :8 : : : :6 :7 :59 : : :5 :7 :59 : : : : Εικόνα l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ : :8 : :56 : : :8 :5 :7 : :5 :5 :7 : : :58 :6 : 6: : : : : :55 :6 :7 :8 :9 :5 : : : : : :55 :6 :7 :8 Εικόνα l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ :6 : :7 : :9 : :5 :6 : :7 :5 :8 : :8 :5 :8 : :6 : :7 : :8 : :9 :5 : :6 :5 :8 : :9 :5 : :6 Εικόνα

:8 :5 :7 : :5 :5 :7 : : :58 :6 : 6: : : : : :55 :6 :7 :8 :9 :5 : : : : : :55 :6 :7 :8 Εικόνα l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ l/h,

4 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ : :8 : :7 : :5 : : :8 : :7 :5 :56 : : :8 : :7 : :6 : :8 : : :6 : :8 :5 : :6 : :9 :5 : :7 : Εικόνα 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ : :9 :5 : :5 : :6 : :7 :5 :58 : :9 : : :5 : :6 : :6 : :8 :5 : :7 : :5 :56 : :9 :5 : :7 : : Εικόνα 5 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ :5 : :6 : :7 : :8 : :9 :5 : :5 : :6 : :7 : :8 : :9 : :9 : :8 : :7 : :6 : :5 :9 :5 :59 : :8 : :7 : :6 : :5 :9 Εικόνα 6

:6 : :7 :5 :58 : :9 : : :5 : :6 : :6 : :8 :5 : :7 : :5 :56 : :9 :5 : :7 : : Εικόνα 5 5 l/h, revs/min, T αρ =7 o C, exch_ 5 l/h, revs/min, T αρ

5 Στα παρακάτω διαγράµµατα, παρατίθενται, για σύγκριση, αποτελέσµατα πειραµάτων και µε τους δύο εναλλάκτες, µε µέγιστη θερµοκρασία 7 o C, ταχύτητα ανάδευσης rev/min, και ροή νερού χρήσης 7 l/h. Εναλλάκτης Εναλλάκτης : :8 : :6 : : :8 : :6 : : :8 :5 :56 : : :8 : :6 : :5 :9 : :9 : :8 : :7 : :6 :5 :55 : : :9 : :8 : :7 : :6 Εικόνα 7 Όπως φαίνεται, η θερµοκρασία εξόδου στο δεύτερο εναλλάκτη είναι µεγαλύτερη κατά περίπου 7 o C (για θερµοκρασία δοχείου 7 o C. Αυτό οφείλεται στο µεγαλύτερο µήκος του ου εναλλάκτη (διπλάσιο), το οποίο δίνει διπλάσια επιφάνεια εναλλαγής. 5. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσµατα της ανάδευσης είναι εµφανή. Από τα διαγράµµατα θερµοκρασίας εξόδου ( νερό χρήσης ) και δοχείου (υγρού πλήρωσης ), παρατηρείται ότι, όσο αυξάνει η ταχύτητα ανάδευσης, τόσο µειώνεται η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ τους. Εκεί ακριβώς στοχεύει η χρήση του αναδευτήρα. Για µικρές παροχές του νερού χρήσης οι διαφορετικές ταχύτητες ανάδευσης δεν επηρεάζουν ουσιαστικά τη θερµοκρασία εξόδου. Η ανάδευση δεν είναι επιτακτική λοιπόν, για χαµηλές παροχές. Επίσης, παρατηρείται ότι η ανάδευση στις στροφές δεν είναι επιτακτική για παροχές της τάξης των l/h. Το φαινόµενο της στρωµάτωσης της θερµοκρασίας του νερού του δοχείου παρατηρείται µόνο όταν δεν υπάρχει ανάδευση. Όπως παρατηρείται, όσο αυξάνεται η παροχή του νερού χρήσης, τόσο πιο επιτακτική γίνεται η ανάδευση. Παρατηρείται ότι για τυπικές παροχές νερού χρήσης 5 l/h [Warmeatlas] µια ανάδευση των rev/min είναι πάρα πολύ ικανοποιητική. Έτσι, είναι δυνατή η εφαρµογή µιας διάταξης µε τη χρήση φθηνών κινητήρων. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. Ελληνικό Πρότυπο ΕΛΟΤ 879, Μέθοδοι οκιµών Ηλιακών Συστηµάτων Ζεστού Νερού Οικιακής Χρήσης, ΕΛΟΤ ( 99 ). VDI Warmeatlas, Μετάδοση Θερµότητας, Έκτη Έκδοση, Τεχνοεκδοτική ( 99 )

εναλλάκτη είναι µεγαλύτερη κατά περίπου 7 o C (για θερµοκρασία δοχείου 7 o C. Αυτό οφείλεται στο µεγαλύτερο µήκος του ου εναλλάκτη (διπλάσιο), το οποίο δίνει διπλάσια επιφάνεια εναλλαγής. 5.

Σχετικά έγγραφα

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΑ ICS, ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ - ΑΠΟΘΗΚΗΣ

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΑ ICS, ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ - ΑΠΟΘΗΚΗΣ Σ. Ε. Πνευµατικάκης, Ι. Γ. Καούρης, Κ. Γκέρτζος Τµήµα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπίστηµιο Πατρών, 265, Πάτρα