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 Τηλ. 261 997 258 e-mail: spnevmat@mech.upatras.gr, caouris@helios.mech.upatras.gr, gertzos@upatras.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η ανάπτυξη ενός ολοκληρωµένου επίπεδου ηλιακού θερµοσίφωνα ICS συλλέκτη αποθήκης. Περιγράφεται η κατασκευή της πειραµατικής διάταξης και η πειραµατική µελέτη του συγκεκριµένου συστήµατος. Τέλος, γίνεται η µελέτη της συµπεριφοράς του µέσου συντελεστή µετάδοσης θερµότητας για διαφορετικές ροές του νερού χρήσης, καθώς και για εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας. Από την επεξεργασία των µετρήσεων προκύπτει ότι, η συµπεριφορά του συστήµατος αλλάζει ανάλογα µε την παροχή του νερού χρήσης, την ροή ανακυκλοφορίας του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας, αλλά και τη θέση εισόδου του νερού χρήσης. Τέλος, εξάγονται χρήσιµα συµπεράσµατα, όσον αφορά τη βελτιστοποίηση του σχεδιασµού και την εκµετάλλευση του συγκεκριµένου συστήµατος. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα πλέον διαδεδοµένα ηλιακά θερµικά συστήµατα για οικιακή αλλά και βιοµηχανική χρήση είναι τα λεγόµενα θερµοσιφωνικά συστήµατα (ηλιακοί θερµοσίφωνες). Το χαµηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας, σε συνάρτηση µε τις κλιµατολογικές συνθήκες της χώρας µας, συµβάλει στο να είναι εγκατεστηµένα σήµερα στην Ελλάδα πάνω από 1.5. m 2 ηλιακών συλλεκτών {1}. Η κατάταξη των θερµοσιφωνικών συστηµάτων γίνεται σε δύο κύριες κατηγορίες: τα λεγόµενα συστήµατα «κλειστού κυκλώµατος», όπου το υγρό του συλλέκτη είναι διαφορετικό από το νερό χρήσης, και τα συστήµατα «ανοικτού κυκλώµατος», όπου το υγρό του συλλέκτη είναι το ίδιο το προς χρήση νερό. Τα συστήµατα που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία αποτελούνται από ένα δοχείο αποθήκευσης στο οποίο αποθηκεύεται το νερό χρήσης. Η ανταλλαγή θερµότητας µε το υγρό του συλλέκτη γίνεται µέσω εναλλάκτη, ο οποίος είτε εµβαπτίζεται µέσα στο δοχείο (υπό µορφή αυλών ή σερπαντίνας), είτε κατασκευάζεται γύρω από το δοχείο υπό µορφή µανδύα ώστε να περιβρέχει εξωτερικά το δοχείο σε µεγάλο µέρος της επιφάνειάς του {2}, {3}. Το βασικό πρόβληµα που πρέπει να αντιµετωπιστεί στην κατασκευή και λειτουργία ενός ηλιακού θερµοσίφωνα, είναι η διάβρωση του δοχείου αποθήκευσης (boiler) {2}. Λόγω της συνεχούς εναλλαγής του νερού χρήσης µέσα σε αυτό, της θερµοκρασίας αυτού, της κακής ποιότητας των δικτύων ύδρευσης και της ποιότητας του νερού, είναι απαραίτητη η πολύ καλή προστασία του εσωτερικού του δοχείου αποθήκευσης για να είναι η διάρκεια ζωής του τέτοια που να καθιστά συµφέρουσα την αγορά του. Οι τεχνικές προστασίας είναι πολλές, όλες όµως έχουν σηµαντική επίπτωση στο κόστος του ηλιακού θερµοσίφωνα. Η αποθήκευση θερµότητας στο πρωτεύoν κύκλωµα ενός θερµοσίφωνα κλειστού κυκλώµατος, έχει σαν στόχο την σηµαντική µείωση αυτού του κόστους. Η θερµότητα αποθηκεύεται στο υγρό αποθήκευσης, το οποίο δεν ανανεώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την ελαχιστοποίηση της διάβρωσης του υλικού, άρα είναι δυνατή η χρήση κάποιου φτηνού υλικού, χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις προστασίας. Η ροή του νερού χρήσης µέσω ανοικτού κυκλώµατος επίσης, δεν επιτρέπει µεγάλη διάβρωση στις σωληνώσεις, λόγω του ότι το νερό δεν παραµένει στάσιµο. Το πρόβληµα των επικαθίσεων αλάτων, στην εσωτερική επιφάνεια του εναλλάκτη, µπορεί να αντιµετωπιστεί µε κατάλληλο σχεδιασµό που να επιτρέπει τον καθαρισµό τους µε χρήση κάποιας χηµικής ουσίας. Με κατάλληλη κατασκευή, είναι δυνατόν να επιτευχθεί µεγιστοποίηση της µεταφοράς θερµότητας και να δηµιουργηθεί ένα πολύ αξιόπιστο σύστηµα για κατοικίες, βιοµηχανίες κλπ. Η εργασία αυτή σαν στόχο έχει, να µελετήσει ένα ηλιακό θερµοσίφωνα µε αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωµα. Αυτό γίνεται, για να αναπτυχθεί ένα σύστηµα αξιόπιστο και οικονοµικό. Για να συµβεί αυτό, θα πρέπει να µελετηθούν οι µηχανισµοί µετάδοσης θερµότητας από το ρευστό αποθήκευσης στο νερό χρήσης, η γεωµετρία του θερµοσίφωνα και οι στρωµατώσεις της θερµοκρασίας µέσα στο δοχείο αποθήκευσης. Σε δεύτερο στάδιο, θα πρέπει να µελετηθεί η µόνωση του δοχείου για να περιοριστούν οι απώλειες προς το περιβάλλον, ιδιαίτερα τις βραδινές ώρες. 1. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ ΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

Η πειραµατική συσκευή κατασκευάστηκε εξ ολοκλήρου από σίδηρο. Ο σίδηρος έχει το πλεονέκτηµα ότι είναι εύκολη η διαµόρφωσή του και είναι φτηνό υλικό. Αντιθέτως, µειονεκτεί στο ότι έχει χαµηλή θερµική αγωγιµότητα ενώ και τα πάχη τα οποία είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν, είναι µεγάλα σε σχέση µε τα αντίστοιχα του χαλκού. Για την κατασκευή χρησιµοποιήθηκαν περίπου 2m σιδερένιου σωλήνα εξωτερικής διαµέτρου 14 mm και πάχους τοιχώµατος 2 mm, φύλλο σιδήρου εµβαδού περίπου 2,1 m 2 και πάχους 1,7 mm και τα απαραίτητα εξαρτήµατα για τη σύνδεση των σωλήνων, την τοποθέτηση βανών κλπ. Η κατασκευή τοποθετήθηκε πάνω σε τροχήλατη βάση για να µπορεί να τοποθετηθεί υπό κλίση και να µετακινηθεί µε ευκολία. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στο χώρο του εργαστηρίου Μηχανολογίας του τµ. Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών του Παν. Πατρών, µε τη χρήση πειραµατικής διάταξης (Εικόνα 1). Ως υγρό αποθήκευσης της θερµότητας χρησιµοποιήθηκε αποσκληρυµένο νερό, µε το οποίο πληρώθηκε το δοχείο. Τοποθετήθηκαν βάνες στο κάτω µέρος της αριστερής πλευράς του δοχείου και στο άνω της δεξιάς πλευράς, για να γίνεται ανακυκλοφορία του νερού αποθήκευσης. Στο άνω µέρος του δοχείου τοποθετήθηκε δοχείο διαστολής, το οποίο έχει και το ρόλο δοχείου πλήρωσης στο σύστηµα. Η θέρµανση του νερού αποθήκευσης έγινε µε τη χρήση ενός κοινού ταχυθερµαντήρα νερού οικιακής χρήσεως, κατάλληλα διαµορφωµένου ώστε να εξυπηρετεί τις ανάγκες του πειράµατος. Για την ανακυκλοφορία του νερού αποθήκευσης χρησιµοποιήθηκε απλός κυκλοφορητής όµοιος µε αυτούς που χρησιµοποιούνται σε εγκαταστάσεις κεντρικής θέρµανσης. Για τη διεξαγωγή των µετρήσεων, µε ανακυκλοφορία του νερού αποθήκευσης, χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρονικό ροόµετρο για τη µέτρηση και καταγραφή της ροής ανακυκλοφορίας. Ολόκληρο το σύστηµα, οι σωληνώσεις ανακυκλοφορίας και το δοχείο διαστολής µονώθηκαν µε υαλοβάµβακα και µόνωση σωληνώσεων θέρµανσης. Η συλλογή των µετρήσεων έγινε µε τη χρήση κάρτας συλλογής δεδοµένων σε Η/Υ και κατάλληλο λογισµικό καταγραφής αυτών. Για την καταγραφή των µετρήσεων χρησιµοποιήθηκαν επτά θερµοζεύγη τύπου Ε, τέσσερα εκ των οποίων τοποθετήθηκαν εντός του δοχείου κατά µήκος του, σε ίσαπέχουσες αποστάσεις (θερµοκρασίες Τ 1, Τ 2, Τ 3, Τ 4 ). Τα υπόλοιπα τρία στην είσοδο, την έξοδο και το µέσον του εναλλάκτη (θερµοκρασίες Τ in, Τ out και Τ med ). Κατά τη διάρκεια των µετρήσεων η πειραµατική συσκευή τοποθετήθηκε σε κλίση 45 ο ως προς το οριζόντιο. Το λογισµικό που χρησιµοποιήθηκε για την καταγραφή των µετρήσεων προγραµµατίστηκε ώστε να Εικόνα 1 καταγράφει µία µέτρηση το δευτερόλεπτο και να ολοκληρώνει κάθε τριάντα (3) δευτερόλεπτα. Οι τιµές που προέκυπταν από την ολοκλήρωση καταγραφόταν σε αρχείο τύπου ASCII και αποθηκεύονταν. 2. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε δύο στάδια, ένα χωρίς εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας και ένα µε εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία. Και στα δύο στάδια, η ροή του νερού χρήσης ρυθµίστηκε στα 3, 5 και 7 l h -1.Το υγρό αποθήκευσης θερµότητας θερµαινόταν µε τη βοήθεια του ταχυθερµαντήρα έως τη θερµοκρασία των 8 9 ο C και στα δύο στάδια των µετρήσεων. Σκοπός των µετρήσεων είναι να υπολογιστεί ο µέσος ολικός συντελεστής µετάδοσης θερµότητας U από το θερµό υγρό αποθήκευσης θερµότητας προς το ψυχρό νερό χρήσης. Ο συντελεστής προκύπτει από τη σχέση: m C Τ = Α U (1) {4} και λύνοντας ως προς U: p T m m C p Τ U = (2) Α Τ m

Όπου: m :παροχή νερού χρήσης στον εναλλάκτη (kg s -1 ) C p : Ειδική θερµότητα του νερού (J Kg -1 K -1 ) Τ=Τ out -Τ in για το νερό χρήσης (Κ) Α: εµβαδόν επιφάνειας εναλλαγής θερµότητας (m 2 ). Τ m =Τ mh -T mc Μέση θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ θερµού και ψυχρού ρευστού (Κ), όπου T1 + 2 T2 + 2 T3 + T4 Tin + 2 Tmed + Tout Tmh = και Tmc = 6 4 οι µέσες θερµοκρασίες του νερού αποθήκευσης και του νερού χρήσης. Επίσης, έγινε υπολογισµός των µέσων συντελεστών µετάδοσης για κάθε µία επιφάνεια του δοχείου Tin + Tmed ξεχωριστά, χρησιµοποιώντας την σχέση (2), όπου Τ = Τ med Tin, Tmc = για την επιφάνεια εισόδου 2 του νερού χρήσης και Τ = Τout T med, T med T out + T mc = για την επιφάνεια εξόδου του νερού χρήσης. 2 Α. Πειραµατικές µετρήσεις χωρίς εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία Τα πειράµατα χωρίς εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία έγιναν σε δύο στάδια. Kατά το πρώτο στάδιο, η είσοδος του κρύου νερού χρήσης γινόταν στην πίσω επιφάνεια του δοχείου και η έξοδος από την εµπρός επιφάνεια. Στο δεύτερο στάδιο, η είσοδος του κρύου νερού χρήσης γινόταν στην εµπρός επιφάνεια του δοχείου και η έξοδος στην πίσω. Α1. Είσοδος νερού χρήσης από την πίσω επιφάνεια του δοχείου Όπως ήταν αναµενόµενο, ο µέσος συντελεστής µετάδοσης θερµότητας U αυξάνεται όσο αυξάνεται η παροχή νερού χρήσης ενώ αντίθετα η θερµοκρασία εξόδου του νερού χρήσης από τον εναλλάκτη µειώνεται. Παρακάτω παρουσιάζονται συγκριτικά διαγράµµατα των µέσων συντελεστών µετάδοσης συναρτήσει της µέσης θερµοκρασιακής διαφοράς στον εναλλάκτη και των θερµοκρασιών εξόδου του νερού χρήσης συναρτήσει της µέσης θερµοκρασίας του υγρού αποθήκευσης. 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 θερµότητας για είσοδο νερού χρήσης στην πίσω επιφάνεια του δοχείου 3 l/h 5 l/h 7 l/h 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 Εικόνα 2 Α2. Είσοδος νερού χρήσης από την εµπρός επιφάνεια του δοχείου Και σε αυτή την περίπτωση, ο µέσος συντελεστής µετάδοσης θερµότητας είναι µεγαλύτερος όσο µεγαλύτερη είναι η ροή εισόδου του νερού χρήσης στον εναλλάκτη, ενώ η θερµοκρασία εξόδου, αντίθετα, είναι µικρότερη. Η βασική διαφορά που παρατηρείται, είναι ότι η διαφορά µεταξύ των µέσων συντελεστών µετάδοσης, είναι µικρότερη σε αυτή την περίπτωση σε σχέση µε την προηγούµενη.

11 Θερµοκρασία εξόδου νερού χρήσης από τον εναλλάκτη για είσοδο από την εµπρός επιφάνεια 1 9 8 7 6 5 4 3 3 l/h 5 l/h 7 l/h 2 1 2 3 4 5 χρήσης Τm (K) Εικόνα 3 Σύγκριση µεταξύ των µετρήσεων χωρίς ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης, για είσοδο του νερού χρήσης στην πίσω και την εµπρός επιφάνεια του δοχείου Στα συγκριτικά διαγράµµατα ανάµεσα στα δύο στάδια µετρήσεων, αυτό που παρατηρείται είναι ότι ο µέσος συντελεστής µετάδοσης θερµότητας U είναι µεγαλύτερος, όταν η είσοδος του νερού χρήσης γίνεται στην εµπρός επιφάνεια του δοχείου. Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η διαφορά στην θερµοκρασία εξόδου από την πρώτη επιφάνεια του δοχείου, η οποία επίσης είναι αισθητά µεγαλύτερη, όταν η είσοδος γίνεται από την εµπρός επιφάνειά του. Ιδιαίτερα, όταν η θερµοκρασία του ρευστού αποθήκευσης είναι υψηλή. Η εξήγηση που δίνεται στα παραπάνω φαινόµενα, είναι ότι η επάνω επιφάνεια του δοχείου, λόγω της κλίσης αυτού κατά τη διάρκεια των µετρήσεων, έρχεται σε επαφή µε θερµότερα στρώµατα του υγρού αποθήκευσης. Όταν η είσοδος του νερού χρήσης είναι στην εµπρός επιφάνεια, τα θερµά στρώµατα του υγρού αποθήκευσης ψύχονται ταχύτερα και εντονότερα, µε αποτέλεσµα να εντείνεται η φυσική κυκλοφορία του υγρού αποθήκευσης λόγω διαφοράς θερµοκρασίας και να εντατικοποιείται η µετάδοση θερµότητας προς το νερό χρήσης. Το φαινόµενο αυτό παρατηρείται και στην περίπτωση που η είσοδος του νερού χρήσης είναι στην κάτω πλευρά του δοχείου, αλλά µε µικρότερη ένταση. Οι θερµοκρασίες εξόδου του νερού χρήσης από τον εναλλάκτη και στα δύο στάδια των µετρήσεων είναι περίπου ίσες, για ίδιες ροές εισόδου νερού χρήσης. 12 Σύγκριση µέσου συντελεστή µετάδοσης για ροή 3 l h -1 1 8 6 4 2 U (είσοδος πίσω) U (είσοδος εµπρός) 5 1 15 2 25 3 35 4 Εικόνα 4

Σύγκριση θερµοκρασιών T med για ροή 3 l h -1 7 θερµοκρασία εξόδου νερού χρήσης ( o C) 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 Μέση θερµοκρασία υγρού αποθήκευσης θερµότητας ( o C) Tmed (είσοδος πίσω) Tmed (είσοδος εµπρός) 1 Εικόνα 5 12 Σύγκριση µέσου συντελεστή µετάδοσης για ροή 7 l h -1 1 8 6 4 2 U (είσοδος πίσω) U (είσοδος εµπρός) 1 2 3 4 5 χρήσης Τm (K) Εικόνα 6 Σύγκριση θερµοκρασιών T med για ροή 7 l h -1 4 Θερµοκρασία εξόδου νερού χρήσης ( ο C) 35 3 25 2 15 1 5 Tout (είσοδος πίσω) Tout (είσοδος εµπρός) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Μέση θερµοκρασία υγρού αποθήκευσης θερµότητας ( o C) Εικόνα 7

Β. Πειραµατικές µετρήσεις µε εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία Τα πειράµατα µε εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης έγιναν για ροές στις περιοχές των 4 l h -1, 7 l h -1, 8 l h -1 και 9 l h -1. Η παροχή του νερού χρήσης ρυθµίστηκε και πάλι στα 3 l h -1, 5 l h -1 και 7 l h -1. Η επεξεργασία των µετρήσεων για τις διαφορετικές παροχές του νερού χρήσης στον εναλλάκτη έδωσε αποτελέσµατα αντίστοιχα µε αυτά των µετρήσεων χωρίς ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας, όσον αφορά τον µέσο συντελεστή µετάδοσης θερµότητας U και την θερµοκρασία εξόδου του νερού χρήσης από τον εναλλάκτη. Όπως και στην περίπτωση Α (χωρίς εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία) έγιναν µετρήσεις µε είσοδο του νερού χρήσης και στην εµπρός και στην πίσω επιφάνεια του δοχείου. Σε αντίθεση µε την περίπτωση της µη εξαναγκασµένης ανακυκλοφορίας του ρευστού αποθήκευσης, δεν παρατηρούνται αξιοσηµείωτες διαφορές στους µέσους συντελεστές µετάδοσης U. Επίσης, η διαφορά στις θερµοκρασίες κατά την έξοδο από την πρώτη επιφάνεια (την εµπρός όταν η είσοδος του νερού χρήσης γίνεται στην εµπρός και την πίσω όταν η είσοδος γίνεται πίσω) παρουσιάζεται µόνο σε αρκετά υψηλές θερµοκρασίες του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας. Αυτό οφείλεται στο ότι η εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης της θερµότητας εντατικοποιεί την εξαναγκασµένη µετάδοση θερµότητας οµοιόµορφα και προς τις δύο επιφάνειες του δοχείου. Η επεξεργασία των µετρήσεων µε εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία επικεντρώθηκε στη σύγκριση των µέσων συντελεστών µετάδοσης θερµότητας U και των θερµοκρασιών εξόδου από τον εναλλάκτη σε όµοιες ροές εισόδου νερού χρήσης και διαφορετικές ροές ανακυκλοφορίας για το ρευστό αποθήκευσης θερµότητας (Εικόνες 1 έως 15). Όπως ήταν αναµενόµενο όσο µεγαλύτερη είναι η ροή ανακυκλοφορίας του ρευστού αποθήκευσης, τόσο µεγαλύτερος είναι και ο µέσος συντελεστής µετάδοσης θερµότητας U. Επίσης, ακόµη και για χαµηλή ροή ανακυκλοφορίας ( της τάξεως των 4 45 l h -1 περίπου), ο U διαφέρει σηµαντικά σε σχέση µε την περίπτωση µη εξαναγκασµένης ανακυκλοφορίας. Ακόµη, στην περίπτωση µη ανακυκλοφορίας του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας η θερµοκρασία εξόδου του νερού χρήσης είναι διακριτά µικρότερη απ ότι στις περιπτώσεις µε εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία. Αντιθέτως, οι διαφορές των θερµοκρασιών εξόδου για τις διάφορες ροές ανακυκλοφορίας, είναι πολύ µικρές. 12 Σύγκριση των συντελεστών U για διάφορετικές ροές ανακυκλοφορίας, µε παροχή νερού χρήσης 3 l h -1 11 1 9 8 7 6 5 U (428 l/h) U (7 l/h) U (8 l/h) U (923 l/h) 4 U ( l/h) 5 1 15 2 25 3 35 4 Εικόνα 8

9 Σύγκριση θερµοκρασιών Tout για διάφορετικές ροές ανακυκλοφορίας, µε παροχή νερού χρήσης 3 l h -1 8 Θερµοκρασία εξόδου νερού χρήσης ( o C) 7 6 5 4 3 Tout (428 l/h) Tout (7 l/h) 2 Tout (8 l/h) 1 Tout (923 l/h) Tout ( l/h) 2 4 6 8 1 Μέση θερµοκρασία υγρού αποθήκευσης θερµότητας ( o C) Εικόνα 9 Σύγκριση συντελεστών U για διάφορετικές ροές ανακυκλοφορίας, µε παροχή νερού χρήσης 7 l h -1 14 12 1 8 6 4 2 U (466 l/h) U (718 l/h) U (926 l/h) U ( l/h) 1 2 3 4 5 Εικόνα 1 7 Σύγκριση θερµοκρασιών Tout για διάφορετικές ροές ανακυκλοφορίας, µε παροχή νερού χρήσης 7 l h -1 Θερµοκρασία εξόδου νερού χρήσης ( o C) 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 Μέση θερµοκρασία υγρού αποθήκευσης θερµότητας (oc) Tout (466 l/h) Tout (718 l/h) Tout (926 l/h) Tout ( l/h) 1 Εικόνα 11

Γ. Σύγκριση µέσων συντελεστών µετάδοσης θερµότητας στις δύο επιφάνειες του δοχείου Γ1. Χωρίς εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας Αυτό που παρατηρείται κατά τη µελέτη των µέσων συντελεστών µετάδοσης σε κάθε επιφάνεια του δοχείου, είναι ότι ανεξάρτητα από την επιφάνεια από την οποία γίνεται η είσοδος του νερού χρήσης και τη ροή αυτού, η εµπρός επιφάνεια παρουσιάζει υψηλότερους µέσους συντελεστές µετάδοσης σε σχέση µε την πίσω (Εικόνες 16 έως 21). Μάλιστα, η διαφορά είναι µεγαλύτερη όταν η είσοδος του νερού χρήσεως γίνεται στην πίσω επιφάνεια και όταν η ροή εισόδου είναι µεγάλη. Γ11. Είσοδος νερού χρήσης στην πίσω επιφάνεια του δοχείου 12 Μέσος συντελεστής µετάδοσης για είσοδο νερού χρήσης στην πίσω επιφάνεια του δοχείου και παροχή νερού χρήσης 3 l h -1 1 8 6 4 2 Ufront 1 2 3 4 5 6 Uολ Uback Εικόνα 12 14 Μέσος συντελεστής µετάδοσης για είσοδο νερού χρήσης στην πίσω επιφάνεια του δοχείου και παροχή νερού χρήσης 7 l h -1 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 Uολ Uback Ufront 6 Εικόνα 13

Γ12. Είσοδος νερού χρήσης στην εµπρός επιφάνεια του εναλλάκτη 12 Μέσος συντελεστής µετάδοσης για είσοδο νερού χρήσης στην εµπρός επιφάνεια του δοχείου και παροχή νερού χρήσης 3 l h -1 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 χρήσης Τm (K) Εικόνα 14 Uολ Ufront Uback 12 Μέσος συντελεστής µετάδοσης για είσοδο νερού χρήσης στην εµπρός επιφάνεια του δοχείου και παροχή νερού χρήσης 7 l h -1 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 Εικόνα 15 Uολ Ufront Uback Όταν η είσοδος του νερού χρήσης γίνεται στην εµπρός επιφάνεια του δοχείου, οι µέσοι συντελεστές µετάδοσης στις δύο επιφάνειες εµφανίζονται περισσότερο εξισορροπηµένοι. Αυτό συµβαίνει, διότι για περίπου ίδια µέση θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας και του νερού χρήσης ( Τ m ), η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ εξόδου και εισόδου του νερού χρήσης ( Τ wat ) σε κάθε επιφάνεια ξεχωριστά, είναι περίπου ίση. Στην πίσω επιφάνεια του δοχείου όµως, αυτή η αύξηση της θερµοκρασίας επιτυγχάνεται σε πολύ υψηλότερες θερµοκρασίες του ρευστού αποθήκευσης, σε σχέση µε την εµπρός επιφάνεια. Άρα, η εκµετάλλευση της αποθηκευµένης θερµότητας είναι αποδοτικότερη από την εµπρός επιφάνεια του δοχείου. Γ2. Με εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας Κατά την εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας, ανεξαρτήτως επιφάνειας εισόδου του νερού χρήσης, οι µέσοι συντελεστές µετάδοσης θερµότητας για κάθε επιφάνεια είναι περίπου ίσοι. Ο συντελεστής µετάδοσης για την εµπρός επιφάνεια είναι λίγο µεγαλύτερος από αυτόν της πίσω, ιδιαίτερα όταν η είσοδος του νερού χρήσης γίνεται στην πίσω επιφάνεια του δοχείου, όπως και στην περίπτωση χωρίς ανακυκλοφορία. Η εξήγηση είναι όµοια µε αυτήν της περίπτωσης χωρίς ανακυκλοφορία. Επιπλέον, η µικρή διαφορά µεταξύ των µέσων συντελεστών, σε σχέση µε την

περίπτωση της µη ανακυκλοφορίας, οφείλεται στο ότι η ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας εντατικοποιεί τη µετάδοση θερµότητας µε όµοιο σχεδόν τρόπο και προς τις δύο επιφάνειες του δοχείου, πράγµα το οποίο δε συµβαίνει στην περίπτωση της µη ανακυκλοφορίας. 1. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όπως προκύπτει από τις πειραµατικές µετρήσεις, το συγκεκριµένο σύστηµα µπορεί να είναι ένας αρκετά αξιόπιστος οικιακός ή και βιοµηχανικός ηλιακός θερµοσίφωνας. Η µετάδοση θερµότητας είναι ικανοποιητική και η χρήση ενός υλικού µε καλύτερη θερµική συµπεριφορά από το σίδηρο (για παράδειγµα χαλκό) µπορεί να βελτιώσει ακόµη περισσότερο την αποτελεσµατικότητά του. Αυτό που προκαλεί ενδιαφέρον είναι η διαφορετική συµπεριφορά του εναλλάκτη αναλόγως µε την επιφάνεια εισόδου του νερού χρήσης. Μπορεί η θερµοκρασία εξόδου από τον εναλλάκτη να είναι σχεδόν η ίδια και στις δύο περιπτώσεις, όµως από τις µετρήσεις φαίνεται καθαρά ότι η εµπρός επιφάνεια εκµεταλλεύεται πολύ καλύτερα την αποθηκευµένη ενέργεια, δίνοντας σε κάθε περίπτωση µεγαλύτερους µέσους συντελεστές µετάδοσης θερµότητας. Επίσης, η εξαναγκασµένη ανακυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης θερµότητας αυξάνει το ποσό θερµότητας που απάγεται από το νερό χρήσης. Ακόµη και µικρές ροές εξαναγκασµένης ανακυκλοφορίας εντατικοποιούν την µετάδοση θερµότητας αρκετά ώστε να είναι διακριτή η αύξηση της θερµοκρασίας εξόδου από τον εναλλάκτη. Με βάση τα παραπάνω συµπεράσµατα και τα φαινόµενα που τα προκαλούν, η ύπαρξη εναλλάκτη στην πίσω επιφάνεια του δοχείου αποθήκευσης θερµότητας µπορεί να καταργηθεί µε παράλληλη αύξηση του µήκους του στην εµπρός επιφάνεια. Προφανώς, για να επιτευχθούν ίσες θερµοκρασίες εξόδου, δεν χρειάζεται διπλάσιο µήκος εναλλάκτη, αφού η µετάδοση θερµότητας στην εµπρός επιφάνεια είναι εντονότερη. Επίσης, η ύπαρξη µιας αντλίας ανακυκλοφορίας του ρευστού αποθήκευσης εντατικοποιεί περισσότερο τη µετάδοση θερµότητας δίνοντας έτσι ένα περισσότερο αποδοτικό σύστηµα. Το κύριο πρόβληµα ενός τέτοιου συστήµατος έγκειται στον περιορισµό των απωλειών θερµότητας κατά τις νυκτερινές ώρες. Αυτό µπορεί να καλυφθεί ικανοποιητικά µε κατάλληλη µόνωση των πλαϊνών και της πίσω επιφάνειας του δοχείου αποθήκευσης, τη χρήση επιλεκτικής βαφής για την εµπρός επιφάνεια και την προστασία της µε χρήση διαφανούς µόνωσης. Συµπερασµατικά, το υπό µελέτη σύστηµα µπορεί να είναι αρκετά αξιόπιστο, µε τις κατάλληλες βελτιώσεις που αναφέρθηκαν. Ιδιαίτερα δε, για χρήση σε θερινές κατοικίες ή και βιοµηχανικές εφαρµογές που δεν απαιτούνται ιδιαίτερα υψηλές θερµοκρασίες, το παραπάνω σύστηµα µπορεί να αποτελέσει µια πολύ καλή πρόταση. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1) Κεντρικά Ηλιακά Συστήµατα, Αρχή εγγυηµένης απόδοσης Χρηµατοδότηση τρίτου µέρους, ΚΑΠΕ, Οκτώβριος 1995 2) Ελληνικό Πρότυπο ΕΛΟΤ 879, Μέθοδοι οκιµών Ηλιακών Συστηµάτων Ζεστού Νερού Οικιακής Χρήσης, ΕΛΟΤ (199) 3) Ευρωπαϊκό Πρότυπο EUN 1166 EN, European Solar Collector and Durability Tests of Solar Collectors and Water Heating Systems, JRC Ispra (May 1989) 4) VDI WARMEATLAS, Μετάδοση Θερµότητας, Έκτη Έκδοση, Τεχνοεκδοτική (1993)