Εργαστήριο ΑΠΕ I Ενότητα 3: Ηλιακοί Συλλέκτες: Μέρος Β «Πειραματική Μελέτη Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων» Πολυζάκης Απόστολος / Καλογήρου Ιωάννης / Σουλιώτης Εμμανουήλ
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Η Λογική και η Βασική Σχεδίαση των ΣΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 2
Θερμοσιφωνικά Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 3
Θερμοσιφωνικά Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 4
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Βεβιασμένης Κυκλοφορίας Ρευστού Το πεδίο των ΗΘΣ βρίσκεται σε απόσταση από τη δεξαμενή αποθήκευσης ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 5
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Βεβιασμένης Κυκλοφορίας Ρευστού ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 6
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Βεβιασμένης Κυκλοφορίας Ρευστού ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 7
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 8
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Βεβιασμένης Κυκλοφορίας Ρευστού ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 9
Συστήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλεκτών Βεβιασμένης Κυκλοφορίας Ρευστού ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 10
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Η θερμική συμπεριφορά των ΗΘΣ εξαρτάται από πλήθος παραμέτρων. Σκοπός της πειραματικής μελέτης αποτελεί ο προσδιορισμός της συνολικής θερμικής αποδοτικότητας του συστήματος συλλέκτη αποθήκη θερμότητας για δεδομένες θερμοκρασιακές απαιτήσεις. Η κάλυψη του θερμικού φορτίου είναι συνάρτηση της επιφάνειας του ηλιακού συλλέκτη, αρκεί το πηλίκο του όγκου της δεξαμενής αποθήκευσης προς τη συλλεκτική επιφάνεια να παραμένει σταθερό. Η πειραματική μελέτη των ΗΘΣ περιλαμβάνει: 1. Προσδιορισμό της Μέσης Ημερήσιας Απόδοσης του ΗΘΣ 2. Προσδιορισμό του Συντελεστή Θερμικών Απωλειών της δεξαμενής αποθήκευσης 3. 24ωρη και 4ήμερη λειτουργία του ΗΘΣ για τον έλεγχο της επίτευξης της θερμοκρασίας ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 11
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης ηd d Q u / Q R Qu είναι η ωφέλιμη θερμική ενέργεια του νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης QR είναι η προσφερόμενη ηλιακή ενέργεια στο επίπεδο του ηλιακού θερμικού συλλέκτη Q ( M C ) ( T T ) u w p,w f,m i,m QR Aa Gm t Gm είναι η μέση ημερήσια πυκνότητα ηλιακής ισχύος. Συνήθως η ημερήσια λειτουργία λαμβάνεται για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, το οποίο δεν είναι απαραίτητα ταυτόσημο με τη διάρκεια ηλιοφάνειας Ti,m και Τf,m είναι η αντίστοιχα η μέση αρχική και μέση τελική θερμοκρασία του νερού αποθήκευσης στη δεξαμενή για το χρονικό διάστημα της ημερήσιας λειτουργίας του ηλιακού θερμικού συστήματος Μw και Cp,w είναι αντίστοιχα η μάζα του νερού αποθήκευσης στη δεξαμενή και η ειδική θερμότητά του υπό σταθερή πίεση. Δt είναι το χρονικό διάστημα της ημερήσιας λειτουργίας του συστήματος. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 12
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης ηd 2, /, / A B T G Γ T G d m D m m D m Λαμβάνοντας αποτελέσματα υπολογισμού της μέσης ημερήσιας απόδοσης του ηλιακού θερμικού συστήματος για συνεχόμενες ημέρες λειτουργίας και για διαφορετικές θερμοκρασίες εκκίνησης, τελικά έχουμε ένα πλήθος αριθμητικών ζευγών (ηd, ΔΤm,D/Gm) T i, m T f, m / Ta m T m, D 2, Τa,m είναι η μέση ημερήσια θερμοκρασία περιβάλλοντος η οποία λαμβάνεται για το χρονικό διάστημα της ημερήσιας λειτουργίας του ηλιακού θερμικού συστήματος. Τελικά προκύπτουν διαγράμματα μεταβολής της μέσης ημερήσιας απόδοσης του ηλιακού θερμικού συστήματος συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 13
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης ηd ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 14
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών Us U s M w C p,w Ti,m T α,m ln Δt Tf,m Tα,m Ti,m και Τf,m είναι η αντίστοιχα η μέση αρχική και μέση τελική θερμοκρασία του νερού αποθήκευσης στη δεξαμενή για το χρονικό διάστημα της νυκτερινής λειτουργίας του ηλιακού θερμικού συστήματος Τa,m είναι η μέση νυκτερινή θερμοκρασία περιβάλλοντος η οποία λαμβάνεται για το χρονικό διάστημα της νυκτερινής λειτουργίας του ηλιακού θερμικού συστήματος. Μw και Cp,w είναι αντίστοιχα η μάζα του νερού αποθήκευσης στη δεξαμενή και η ειδική θερμότητά του υπό σταθερή πίεση. Δt είναι το χρονικό διάστημα της νυκτερινής λειτουργίας του συστήματος. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 15
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών Us U A B T s m, N Λαμβάνοντας αποτελέσματα υπολογισμού του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών του ηλιακού θερμικού συστήματος για συνεχόμενες ημέρες λειτουργίας και για διαφορετικές θερμοκρασίες εκκίνησης, τελικά έχουμε ένα πλήθος αριθμητικών ζευγών (Us, ΔΤm,N) T m, N Ti, m Ta, m Τελικά προκύπτουν διαγράμματα μεταβολής του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών του ηλιακού θερμικού συστήματος συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 16
Πειραματική Μέθοδος Προσδιορισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς των Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων Υπολογισμός του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών Us ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 17
ΑΣΚΗΣΗ Ένα Ηλιακό Θερμικό Σύστημα (ΗΘΣ), θερμοσιφωνικού κυκλώματος, αποτελείται από έναν επίπεδο ηλιακό θερμικό συλλέκτη εμβαδού Α = 2 m² και μια κυλινδρική δεξαμενή θερμού νερού συνολικού όγκου αποθήκευσης 150 λίτρων. Το ηλιακό θερμικό σύστημα προσανατολίζεται πλήρως στο Νότο υπό γωνία κλίσης 30 στην περιοχή της Πάτρας και αφήνεται να λειτουργήσει για τέσσερις (4) συνεχόμενες μέρες χωρίς απομάστευση του νερού χρήσης. Σε ένα αρχείο EXCEL δίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα μετρήσεων για το ΣΗΘΣ. Συγκεκριμένα γίνονται η μέση θερμοκρασία του νερού αποθήκευσης Tw ( C), η θερμοκρασία περιβάλλοντος Ta ( C), η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας G (W/m²) στο επίπεδο του ΗΘΣ και η ταχύτητα του πνέοντος ανέμου Vw (m/s). H ειδική θερμότητα του νερού είναι Cp,w = 4180 J/kg C και η πυκνότητά του είναι ρ = 1000 kg/m 3. Θεωρείστε ότι η διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας είναι 12 ώρες και η διάρκεια της νυκτερινής λειτουργίας είναι 12 ώρες. Η χρονική στιγμή εκκίνησης της ημερήσιας λειτουργίας είναι 6:30 και η χρονική στιγμή εκκίνησης της νυκτερινής λειτουργίας είναι 18:30. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα μεταβολής της μέσης θερμοκρασίας του νερού αποθήκευσης, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου συναρτήσει του χρόνου για το συνολικό χρονικό διάστημα των τεσσάρων ημερών. Να υπολογιστούν οι μέσες ημερήσιες αποδόσεις του συστήματος για κάθε μία μέρα λειτουργίας του και να γίνει το διάγραμμα μεταβολής της μέσης ημερήσιας απόδοσής του συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας. Να υπολογιστούν οι συντελεστές νυκτερινών θερμικών απωλειών του συστήματος για κάθε μέρα λειτουργίας του και να γίνει το διάγραμμα μεταβολής του συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών του συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας. Λαμβάνοντας υπόψη μηνιαία δεδομένα (για τυπική μέρα κάθε μήνα) για τη μέση ημερήσια ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος και μέση θερμοκρασία νερού του δικτύου, να υπολογιστούν για κάθε μήνα η μέση αύξηση της θερμοκρασίας του νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης. Να γίνουν τα σχετικά διαγράμματα και να σχολιάστε τα αποτελέσματα. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 18