ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διδάσκων: Δ. Βαλουγεώργης Εαρινό εξάμηνο 16-17 ΕΡΓΑΣΙΑ 3: Συλλέκτες Ημερομηνία ανάρτησης (ιστοσελίδα μαθήματος): 8-4-17 Ημερομηνία παράδοσης: 1-5-17 Επιμέλεια λύσεων: Αλέξανδρος Τσιμπούκης 1. Να υπολογιστεί ο συνολικός συντελεστής απωλειών του πάνω τμήματος ενός συλλέκτη με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά :.1.9 6 o C 5 o C ταχύτητα ανέμου 5/s T 9 o C 35. sky ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Συντελεστής συναγωγής: h.8 3u 17.8 / C Έστω T 17. C (Η θερμοκρασία αυτή έχει βρεθεί μετά από σειρά επαναλήψεων και ο κώδικας δίνεται στο Παράρτημα) και μέση θερμοκρασία T T T / 36.8 Ιδιότητες: k.76 /Κ v 1.834 /s Pr.719 Συντελεστής φυσικής συναγωγής: h c T 1/3 g T.6.17 k.751 9 Tv / C Γραμμικοποιημένος συντελεστής ακτινοβολίας: T T T T hr.79 1 1 1 / C T Tsky 3 5.19 T T Συντελεστής ακτινοβολίας: h T T T T r sky sky Συντελεστής απώλειας θερμότητας στο πάνω τμήμα του συλλέκτη: 1 1 U 3 3.69 / C 1 1 1 1 3 h h h h c r r3 / C Θερμοκρασία καλύμματος: T T T U3 T 17.5 C h h c r
. Περιγράψτε τα υλικά και χαρακτηριστικά επίπεδων ηλιακών συλλεκτών παραγωγής ζεστού νερού οικιακής χρήσης που πωλούνται στην Ελλάδα και επαληθεύστε τις παραμέτρους που δίδουν οι προμηθευτές (π.χ. U F F ). eff ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Στην ελληνική αγορά η κυρίαρχη επιλογή είναι ο επιλεκτικός συλλέκτης που χρησιμοποιεί απορροφητή επιλεκτικής επιφάνειας αντί της απλής μαύρης βαφής. Χαρακτηριστικά επιλεκτικών ηλιακών συλλεκτών: Συλλέκτες με απορροφητικότητα 95% και εκπομπή 5% από φύλλα αλουμινίου συγκολλημένα με lser και με επίστρωση τιτανίου. Το έλασμα αυτό έχει πάχος 4 ενώ το χρώμα του είναι μπλε. Πλαίσιο αλουμινίου για καλή στεγανοποίηση φινίρισμα και ανθεκτικότητα Πλάτη συλλέκτη από γαλβανισμένο χαλυβδοέλασμα πάχους.5 και ειδική στεγανοποίηση Σωλήνες κυκλοφορίας ρευστού εξ ολοκλήρου από χαλκό με τυπική διατομή Φ8 Διπλή θερμική μόνωση πάχους 4 και περιμετρικά συνήθως από πετροβάμβακα Άθραυστο ειδικό ηλιακό τζάμι ασφαλείας MISTLIET (Low Iron Tepered - Security) πάχους 4 με ειδικό λάστιχο μεταξύ κρυστάλλου και πλαισίου για πλήρη στεγανότητα Ως θερμοαπαγωγά ρευστά χρησιμοποιούνται μίγματα νερού με αιθυλενογλυκόλη ή προπυλενογλυκόλη. Η επαλήθευση των τιμών θα γίνει για το προϊόν Clisol 1.75 της Βιομηχανίας ηλιακών συστημάτων Sole. Στα πιστοποιητικά του συλλέκτη δίνεται το Σχήμα 3 που είναι το διάγραμμα του βαθμού απόδοσης του συλλέκτη. Σχήμα 3: Βαθμός απόδοσης επίπεδου συλλέκτη
Υπολογίζουμε τη κλίση του συλλέκτη από τη γραφική παράσταση που δίνεται στο Σχήμα 3. Για x * * nn F ενώ όταν για T.1 έχουμε n.74 F UT.74 F U.1 έχουμε x.74 eff n.65.74 F U.1 FU 4.8. Οι ποσότητες U F μπορούν να βρεθούν και πειραματικά με μετρήσεις κάνοντας είτε τους τρεις eff βασικούς εργαστηριακούς ελέγχους είτε εφαρμόζοντας τον λεπτομερή θερμορευστοδυναμικό σχεδιασμό του συλλέκτη. Τα χαρακτηριστικά του συλλέκτη είναι: Απόσταση ανάμεσα σε σωλήνες: 1 Εξωτερική διάμετρος D 8 Εσωτερική διάμετρος di 7. Πάχος καλύμματος 4 Μήκος πλαισίου A 15 Πλάτος πλαισίου B 1 Πάχος πλαισίου ί 86 Παροχή συλλέκτη.48 kg/s Επιφάνεια A.46 Θερμική αγωγιμότητα πλάκας (χαλκός): k 385 /C Υπολογισμός διαπερατότητας-απορροφητικότητας συλλέκτη : eff eff όπου 1 1 kl 1 cos r e όπου 4 1 L και υποθέτουμε k 3 1 1 n n 1.5γυαλί.4 1 n και για κάθετη ηλιακή ακτινοβολία και.7731 Άρα.8799 για α=.95. Υπολογισμός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U eff Διατηρoύμε τις παραδοχές της άσκησης 1.88 sky 5 o C ταχύτητα ανέμου 4/s T 9 4 αλλά αλλάζουμε τις παραμέτρους T 3 C.1 σύμφωνα με τα στοιχεία του κατασκευαστή. Συντελεστής απώλειας θερμότητας στο πάνω τμήμα του συλλέκτη: U3 3.139 / C k.4 Η μόνωση στο κάτω μέρος είναι 4 πετροβάμβακα: U1 1 / C L.4 Για τη πλαϊνή μόνωση ( υαλοβάμβακα με k.4 /C ) χρησιμοποιούμε την Εξ. 6.4.11 [1] o C U e k A B.4 ί 6.7.86 UAe L..4744 / C A.46.46 Συνολικός συντελεστής απώλειας θερμότητας: U U3 U1 U e 3.139 1.4744 4.613 / C
Υπολογισμός F Υποθέτουμε συντελεστής μεταφοράς θερμότητας εντός των σωλήνων: h 3 / C tube U 1.731 k D tnh F D.9979 1 1 F U 4.613.9346 1 1 1 1 UD DF 4.311 C htube di c Συντελεστής απομάκρυνσης θερμότητας: p 19.4 AUF c p AUF F 1exp.974 AUF c p F FF.915 F και FU 4...74 eff Παρατηρείται ότι αν και στους υπολογισμούς έχουν συμπεριληφθεί αρκετές υποθέσεις οι αποκλίσεις είναι της τάξης του 1% που θεωρούνται αποδεκτές.
3. Να συγκριθούν ως προς την ωφέλιμη ημερήσια θερμική ενέργεια οι εξής τρεις συλλέκτες: Α) επίπεδος συλλέκτης με επιλεκτική επιφάνεια και ένα κάλυμμα (κόστος 14 ευρώ/ ) Β) συλλέκτης κενού (κόστος 4 ευρώ/ ) και Γ) συγκεντρωτικός συλλέκτης γραμμικής εστίασης (κόστος 19 ευρώ/ ). Η σύγκριση να γίνει λαμβάνοντας υπόψη την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και την θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά το χειμερινό και θερινό ηλιοστάσιο για Tf in 9 o C το καλοκαίρι και Tf in 6 o C το χειμώνα σε μία τοποθεσία της Ελλάδας. Ποιος από τους τρεις συλλέκτες θεωρείται ως η καλύτερη επιλογή? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Η τοποθεσία που επιλέγεται είναι ο Βόλος με τα εξής στοιχεία: Θερμοκρασία περιβάλλοντος (κλιματικά δεδομένα αεροδρομίου Αγχιάλου Πίνακας 3. σελ. 1 []) o Χειμερινό ηλιοστάσιο o Θερινό ηλιοστάσιο T 9.4 C T 5.9 C Μέση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία q S όπου το λαμβάνεται από το Πίνακα (Παράρτημα σελ. 596) [3] και το από το Πίνακα 7 (Παράρτημα σελ. 6) [3] για κλίση συλλέκτη 4 και Ζώνη 4 o Χειμερινό ηλιοστάσιο khr khr 48.55 1.55 1.61 o dy Ώρες ηλιοφάνειας (βλέπε Εργασία άσκηση 3): 4.61 t 9.hr SS d khr 1dy dy 9.hr q S.495 7 o Θερινό ηλιοστάσιο khr khr 1.111 6.73.83 o dy Ώρες ηλιοφάνειας (βλέπε Εργασία άσκηση 3): 7.39 t 14.78hr SS d khr 1dy dy 14.78hr q S 5.564 376 Η μέση μηνιαία ολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε κεκλιμένη επιφάνεια υπολογίζεται είτε μέσω πινάκων όπως εφαρμόστηκε εδώ είτε μέσω της αντίστοιχης διαδικασίας όπως έχει χρησιμοποιηθεί στην άσκηση 6 της Εργασίας.
Α) Επίπεδος συλλέκτης με επιλεκτική επιφάνεια και ένα κάλυμμα: Σχήμα 3: Βαθμός απόδοσης για επίπεδο συλλέκτη με επιλεκτική επιφάνεια (Βλέπε σημειώσεις Σχήμα 3.11.α) T o Χειμερινό ηλιοστάσιο T.187 (Σχήμα 3) f in qs n.13 qu nq s 35.1 κόστος: T o Θερινό ηλιοστάσιο T.17 (Σχήμα 3) f in qs nu.19 qu nq s 71.4 κόστος: 14 c 35.1 14 c 71.44 3.988 1.95 Β) Συλλέκτης κενού: Σχήμα 4: Βαθμός απόδοσης για συλλέκτη κενού (Βλέπε σημειώσεις Σχήμα 3.11.α)
Tf int o Χειμερινό ηλιοστάσιο.187 (Σχήμα 4) q s 4 n.15 q u 58.5 κόστος: c 58.5 4.13 Tf int o Θερινό ηλιοστάσιο.17 (Σχήμα 4) q s 4 n.5 q u 94 κόστος: c 94.55 Γ) Συγκεντρωτικός συλλέκτης γραμμικής εστίασης: Σχήμα 5: Βαθμός απόδοσης για συγκεντρωτικό συλλέκτη (Βλέπε σημειώσεις Σχήμα 3.1.β Cg 15 ) Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες λειτουργούν μόνο με την άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Άρα πρέπει να την Hd υπολογίσουμε μέσω της σχέσης Hb H Hd όπου 1 1.13KT H με KT H / H. Το K T λαμβάνεται από το Πίνακα 4.3 σελ. 44 []. o Χειμερινό ηλιοστάσιο Hd KT.43 11.13*.43.5141 Hb H Hd 131 H Tf int.386 (Σχήμα 5) H b 19 n.34 q u Hb n 44.54 κόστος: c 4.6 44.4
o Χειμερινό ηλιοστάσιο Hd KT.61.317 Hb H Hd 59 H Tf int.47 (Σχήμα 5) H b 19 n.4 q u Hb n 19 κόστος: c 1.74 19 Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες έχουν την καλύτερη απόδοση και συμφέρουν οικονομικά λόγω της χαμηλής τιμής τους. Όμως και οι συλλέκτες κενού έχουν πολύ καλή απόδοση αν και είναι λίγο πιο ακριβοί σε σχέση με τους συγκεντρωτικούς τη θερινή περίοδο. Αναφορές 1. J.A. Duffie.A. Beckn Solr Engineering of Therl Processes John iley & Sons Inc. 1991. ΤΕΕ Κλιματικά δεδομένα ελληνικών περιοχών Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. 71-3/1 Αθήνα 1 3. Σ. Καπλάνης Ήπιες Μορφές Ενέργειας ΙΙ - Ηλιακή Μηχανική Ίων 4 Παράρτημα: Πρόγραμμα EES Για την επίλυση της Άσκησης 1 εφαρμόζεται το πρόγραμμα EES με τον εξής κώδικα: ekl=.9 {syntelestis ekpophs kllytos} epl=.1 {syntelestis ekpophs plks} T=CONVETTEMP('C' 'K' 6) {Therokrsi perivllontos} Tsky=CONVETTEMP('C' 'K' 5) {Therokrsi ournou} Tpl=CONVETTEMP('C' 'K' 9) {Therokrsi kllytos} bi=35 {Klisi syllekti} u=5 {Txyth neou} h=.8+3*u {Syntelestis syngogis} g=9.81 {Brytht} Tkl=CONVETTEMP('C' 'K' 17.) {Ypothetoue therokrsi klytos} Teso=(Tpl+Tkl)/ =viscosity(ai T=Teso) d = Density(AI T=Teso P=11.35) v=/d k = conductivity (AI T=Teso ) Pr=Prndtl(AirT=Teso) hr=sig#*(tpl+tkl)*(tpl^+tkl^)/((1/epl)+(1/ekl)-1) hr3=ekl*sig#*(tsky+tkl)*(tsky^+tkl^)*(tkl-tsky)/(tkl-t) hc=(.6-.17*bi/9)*k*((g*(tpl-tkl)/(teso*v*v))^(1/3)) U3=1/(1/(hc+hr)+1/(h+hr3)) Tkl_new=Tpl-(Tpl-T)*U3/(hc+hr) Tkl_new_C=CONVETTEMP('K' 'C' Tpl-(Tpl-T)*U3/(hc+hr))