17 www.informacjainstal.com.pl 3/2015 Źródła ciepła i energii elektrycznej Wprowadzenie Słońce jest najjaśniejszym obiektem na niebie, ale przede wszystkim głównym źródłem energii docierającej na Ziemię. Energia promieniowania słonecznego podlega konwersji: fototermicznej (na cie- pło), fotowoltaicznej (na energię elektrycz- ną) oraz fotobiochemicznej (na energię wiązań biochemicznych) [13, 22]. Metody konwersji fototermicznej dzieli się na: – pasywne, czyli nie wymagające dodat- kowego źródła energii napędowej (w tym do napędu np.: pomp, wentyla- torów). Wśród przykładów pasywnych metod wykorzystania energii słonecz- nej wyróżnia się: ogrzewanie budynku poprzez zastosowanie odpowiednio skonstruowanych przegród, np.: szkla- nych, suszenie płodów rolnych, bezpo- średnie ogrzewanie wody w zbiorniku, akumulacja ciepła w przegrodach budowlanych, chłodzenie pasywne z wykorzystaniem np.: parowania wody; – aktywne, czyli przetwarzające energię słoneczną w ciepło w specjalnie skon- struowanych instalacjach wymagają- cych dodatkowych nakładów energe- tycznych podczas ich pracy (cieczowe kolektory słoneczne, stawy słoneczne, kominy słoneczne, farmy i elektrownie słoneczne, pompy ciepła, itp.) [13]. Zgodnie z [18] rozróżnia się, w zależ- ności od rodzaju czynnika roboczego, kolektory słoneczne: cieczowe oraz powietrzne. Powietrzne kolektory słonecz- ne mogą być wykorzystywane do: – suszenia (płodów rolnych, drewna, bio- masy uprawowej, biomasy odpadowej, materiałów budowlanych, itp.) [1, 9], – regulacji mikroklimatu w przechowal- niach płodów rolnych [6, 21], – naturalnej wentylacji i ogrzewania pomieszczeń (głównie hal i magazy- Badania eksperymentalne prototypowego, pasywnego powietrznego kolektora słonecznego z pokryciem poliwęglanem komorowym Experimental investigation on the thermal efficiency of a prototype passive solar air collector KRZYSZTOF DUTKOWSKI, PIOTR PIĄTKOWSKI prof. nadzw. dr hab. inż. Krzysztof Dutkowski – Zakład Mechaniki Płynów, Politechnika Koszalińska; dr hab. inż. Piotr Piątkowski – Politechnika Koszalińska Katedra Transportu W artykule przedstawiono wyniki badań prototypu powietrznego płaskiego pasywnego kolektora słonecznego. Kolektor wykonany z blachy aluminio- wej miał konstrukcję skrzynkową o wymiarach 1,04x2,08x0,18m (szer. x wys. x gł.). Do kolektora dopływało powietrze przez kanał o średnicy 110 mm i długości 0,5 m. Kanał wypływu ogrzanego powietrza wykona- no z rury o średnicy 130 mm i długości 0,5 m. Skrzynię kolektora zamknięto płytą komorową wykonaną z poliwęglanu w kolorze brązowym o grubości 5mm. Badania prototypu przeprowadzono w warunkach labo- ratoryjnych, gdzie uzyskano konwekcyjny przepływ powietrza przez skrzy- nię kolektora. Jako źródło energii dostarczonej do kolektora wykorzystano promienniki podczerwieni o maksymalnym natężeniu I = 0 – 325 W/m 2 . Badania dotyczyły zmian temperatury powierzchni czynnej kolektora oraz określenia jego mocy cieplnej zależnej od zastosowanej konstrukcji kolekto- ra oraz zmiany natężenia promieniowania. W wyniku przeprowadzonych badań określono, że dla maksymalnego natężenia promieniowania średnia prędkość powietrza na dopływie wyniosła w = 1 m/s, objętościowe natę- żenie przepływu powietrza wyniosło V ˙ = 28 m 3 /h, natomiast moc cieplna wyniosła Q = 270 W przy sprawności na poziomie η = 41%. Słowa kluczowe: pasywny powietrzny kolektor słoneczny, badania ekspe- rymentalne, przepływ ciepła, sprawność cieplna The results of experimental investigations on the prototype flat air solar collector are presented in this paper. The collector consists of an aluminum casing with dimensions 1.04 m (width) x 2.08 m (height) x 0.18 m (thickness). The air inlet to the collector has an inlet channel with diameter, d in , of 110 mm and a length of 0.5 m. The air outlet channel has an internal diameter, d out , 130 mm and a length of 0.5 m. The prototype solar air collector has a cover made of a cellular polycarbonate with a thickness of 5 mm and in brown color. The study was performed on a laboratory set- up. The collector worked under conditions of natural convection. The tests were performed for a range of irradiance I = 0 – 325 W/m 2 . The absorber surface temperature variations, air temperature increase, the collector thermal power, and the collector efficiency were determined. It was found that at maximum irradiation, the air velocity was w = 1 m/s, volume flow rate of air V ˙ = 28 m 3 /h, and the corresponding heat transfer rate and thermal efficiency were Q = 270 W and η = 41%, respectively. Keywords: solar passive air collector, experimental investigations, heat transfer, thermal efficiency
7
Embed
Badania eksperymentalne prototypowego, pasywnego ...rynek-gazu.cire.pl/pliki/2/dutkowski.pdf · powszechnych, rzetelnych, uzyskanych w warunkach eksploatacyjnychdanych na temat parametrów
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
17www.informacjainstal.com.pl 3/2015
Źród
ła c
iepł
a i e
nerg
ii el
ektr
yczn
ej
Wprowadzenie
Słońcejestnajjaśniejszymobiektemnaniebie, ale przede wszystkim głównymźródłem energii docierającej na Ziemię.Energia promieniowania słonecznegopodlegakonwersji:fototermicznej(nacie-pło),fotowoltaicznej(naenergięelektrycz-ną) oraz fotobiochemicznej (na energięwiązańbiochemicznych)[13,22].Metodykonwersjifototermicznejdzielisięna:– pasywne,czyliniewymagającedodat-
kowego źródła energii napędowej(wtymdonapędunp.:pomp,wentyla-torów).Wśródprzykładówpasywnychmetod wykorzystania energii słonecz-nejwyróżniasię:ogrzewaniebudynkupoprzez zastosowanie odpowiednioskonstruowanychprzegród,np.:szkla-nych,suszeniepłodówrolnych,bezpo-średnieogrzewaniewodywzbiorniku,akumulacja ciepła w przegrodachbudowlanych, chłodzenie pasywnez wykorzystaniem np.: parowaniawody;
ności od rodzaju czynnika roboczego,kolektory słoneczne: cieczowe orazpowietrzne.Powietrznekolektorysłonecz-nemogąbyćwykorzystywanedo:– suszenia(płodówrolnych,drewna,bio-
KoncepcjęwykorzystaniaodpadowychpuszekaluminiowychdobudowykolektorapowietrznegoopisanotakżewpracyOzgenF.iinni[8,17].Autorzyokreślilieksperymentalniesprawnośćtrzechprototypowychrozwiązańkolektorówzpodwójnymprzepływem(nadipodabsorberem).Dobadańwykorzystanokolektory:zpłaskimabsorberem;zpuszkamiusta-wionymiwszeregiumocowanymipoobustronachabsorberaorazpuszkamiustawionymiwszachownicęiumocowanymipoobustronachabsorbera.Wszystkiekonstrukcjepra-cowałyjednocześniewwarunkachnaturalnegopromieniowaniasłonecznegoorazpod-czaswymuszonegoprzepływupowietrzaowartościG=0,03kg/s iG=0,05kg/s.Większą sprawność uzyskano dla kolektora podczas przepływu powietrza o natężeniuprzepływu0,05kg/s.Największąsprawnośćuzyskiwałkolektorpowietrznyzpuszkamiustawionyminaprzemiennie.Wgodzinachmaksymalnegonatężeniapromieniowaniasło-necznegosprawnośćtegokolektoraprzekraczała70%.
NatereniePolskibrakjestproducentapasywnychpowietrznychkolektorówsłonecz-nych.Podejmowanesąstaraniamającenaceluopracowanieprototypu,którybędziestanowiłmodelgotowydorozpoczęciaprodukcjimasowej.Wartykuleopisanowynikibadań laboratoryjnych pierwszego profesjonalnego, prototypowego pasywnegopowietrznego kolektora słonecznego z płaskim absorberem i pokryciem wykonanymzciemnegopoliwęglanukomorowego.
Uzyskanewynikibadańpasywnegokolektorapowietrznegostanowiąbazęporównaw-cządlawynikówbadańzrealizowanychzwykorzystaniemkolejnych,bardziejzaawanso-wanych rozwiązań konstrukcyjnych. Dostępność wyników tych badań jest szczególnieistotna,gdyżtrudnojestznaleźćwliteraturzeświatowejwynikibadańkolektorówpasyw-nych.Dodatkowowiększośćpublikacjizwiązanychzpowietrznymikolektoramisłoneczny-mi prezentuje wyniki eksperymentów zrealizowanych w warunkach naturalnych czylizmiennychwczasie.Wahaniomulega,zależnieodpanującychwarunkówatmosferycz-nych:natężeniepromieniowania,temperaturaotoczenia,prędkośćpowietrzawotoczeniu,coniejednokrotnieprzybrakukompletnejinformacjistanowiproblemwporównaniuwyni-kówbadańróżnychautorów.
Rys. 1. Widok badanego kolektora słonecznego Fig. 1. View of tested solar collector
19www.informacjainstal.com.pl 3/2015
Źród
ła c
iepł
a i e
nerg
ii el
ektr
yczn
ej
H = 2,08 m (wysokość) x 0,18 m (gru-bość).Tylna,wewnętrznaścianakolektorawyłożonajestizolacjązwełnymineralnejo grubości 50 mm. Na jej powierzchniznajduje się płaski absorber wykonanyzblachyaluminiowejogrubości0,5mmpokryty cienką warstwą czarnej matowejfarby. Do tylnej powierzchni absorberaprzymocowano12termopartypuK.Reje-stracja wskazań termopar pozwoliła naokreślenieczasupotrzebnegodouzyska-niastanuustalonegoukładuorazrozkładutemperatury powierzchni absorbera.Ściankiboczne,górnaorazdolnakolekto-ra wyłożone są warstwą izolacyjnąz wełny mineralnej grubości 20 mm.Transparentneprzykryciekolektorawyko-nano z poliwęglanu jednokomorowegow kolorze brązowym o grubości 5 mm.Wlot powietrza do wnętrza kolektoraodbywasięwsposóbnaturalnykanałemrurowymośrednicydin=110mmidługo-ści 0,5 m. Kanał wylotowy powietrzaposiadaśrednicęwewnętrznądout=130mmidługość0,5m.Osiekanałówdoloto-
Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 – kolektor powietrzny, 2 – źródło promieniowania o regulowanej mocy, 3 – system akwizycji danych, T1 ÷ T12 – miejsce pomiaru temperatury powierzchni absorbera, Tin – temperatura powietrza na wejściu do kolektora, Tout – temperatura powietrza na wyjściu z kolektora, w – prędkość przepływu powietrza, I1 ÷ I30 – miejsce pomiaru lokalnej wartości promieniowania cał-kowitego Fig. 2. Measurement schematic: 1 – air collector, 2 – adjustable radiation source, 3 – data acquisition system, T1-T12 – the absorber surface temperature measurement locations, Tin – the inlet air temperatu-re, Tout – the outlet air temperature, w – the air velocity, I1-I30 – total radiation measurement locations
Warunki ustalonego przepływuNarys.3przedstawionoprzykładowo
wyniki pomiarów temperatury tylnejpowierzchniabsorbera,odmomentuwłą-czenia źródła promieniowania do osią-gnięciastanuustalonego.
Pomiar temperatury zrealizowanow12punktach rozmieszczonychna czte-rechróżnychwysokościach(rys.2).Prezen-towanyprzebiegzmianytemperaturyuzy-skanopodczasbadańprzyśredniejwarto-ścicałkowitegonatężeniapromieniowaniawynoszącej I = 301,2 W/m2. Na rys. 3widać,żeczas,poktórymosiągniętostanustalonyjestróżnyiwynosiokoło15minutdlamiejscpomiarowychpołożonychwdol-nejczęścikolektoradookoło20minutdlamiejscpołożonychnajwyżej.Potwierdzająto wyniki badań przy innych wartościachnatężenia promieniowania (nie prezento-wane tutaj). Z rys. 3 wynika również, żenajwyższa,dlategoprzypadkubadawcze-go, zmierzona temperatura powierzchniabsorberawynosiłaokoło58oC.
Przyrost temperatury czynnika roboczego
Narys.4przedstawionowzrosttempe-raturypowietrza∆T(wzór1)przepływają-cego przez kolektor w funkcji natężeniapromieniowaniaI.Wrazzewzrostemwar-tościnatężeniapromieniowaniaproporcjo-nalniewzrastawartość∆Tpowietrzaprze-pływającegoprzezkolektor.
Prostoliniowy charakter zmian ∆Tobserwuje się zarówno podczas pracykolektora powietrznego w warunkachwymuszonego przepływu [11,12], jaki podczas konwekcji swobodnej [20].Zuwaginato,żepotwierdzonoekspery-mentalnie liniowy charakterwzrostu tem-peratury powietrza przepływającego
Fig. 4. Zależność przyrostu tem-peratury powietrza ∆T przepływają-cego przez kolektor od średniego natężenie pro-mieniowania IFig. 4. The increase in the air temperatu-re rise, ∆T, flo-wing through the collector of the average radiation intensity, I
Fig. 3. Rozkład lokalnej temperatury tylnej powierzchni absorbera w czasie; średnie całkowite natężenie promieniowania I=301,2 W/m2
Fig. 3. The variation of local temperature of absorber surface; total radiation I = 301.2 W/m2
gdzie:Io=1000W/m2–wzorcowe(standardo-we)natężeniepromieniowania,TGiTL–charakterystycznewartościtempe-raturykolektora.Dlabadanegokolektoraprzyjmują wartości TG = 74oC oraz TL =4oC.Zgodniezrównaniem(5)teoretycznywzrost temperaturypowietrzaprzepływa-jącegoprzezbadanykolektor,przy stan-dardowym natężeniu promieniowania,wynosi∆T=78oC.
Parametry przepływowe czynnika roboczego
Podczas badań eksperymentalnychprototypowego, pasywnego kolektorapowietrznegomierzonośredniąprędkośćprzepływu powietrza. Ruch powietrzawywołany był konwekcją swobodnąwszczeliniepowietrznejutworzonejprzezpokrycie kolektora i absorber. Prędkośćpowietrzamierzononawlociedokolekto-ra,zewzględunastałątemperaturęzasy-sanego powietrza, równą temperaturzeotoczenia.
Na rys. 5 przedstawiono wynikipomiarów prędkości powietrza przepły-wającegoprzezkolektorwzależnościodnatężeniapromieniowania. Zauważa się,że wraz ze wzrostem wartości natężeniapromieniowaniawzrastaśredniaprędkośćprzepływupowietrza.Krzywaw=f(I)maprzebieglogarytmiczny.Zwiększaniewar-tościnatężeniapromieniowaniapowodujecorazmniejszyprzyrostśredniejprędkościprzepływupowietrza.Maksymalna, śred-nia prędkość przepływu powietrza przezkolektor, w warunkach eksperymentu,wynosiłaokołow=1m/s.
Na podstawie zmierzonej wartościśredniejprędkościwobliczonozzależno-ści(2)objętościowenatężenieprzepływupowietrzaV˙.Zgodniezrys.6maksymal-nenatężenieprzepływupowietrzaprzezpasywnykolektorwynosiłoV˙=28m3/h.Jest to wartość prawie dziesięciokrotnieniższaoduzyskanej,przyanalogicznymstrumieniuciepła,przezautorówRyanD.iBurekS.A.M. [19].Badalionikonwek-cyjnyprzepływpowietrzawkanaleosze-
Fig. 6. Zależność objętościowego natężenia przepływu powietrza V przepływającego przez kanał wlotowy kolektora od średniego natężenia promieniowaniaFig. 6. Dependence of air volume flow rate, V, flowing through the inlet channel of collector duct on the average irradiance
Fig. 7. Zależność wydajności cieplnej Q kolektora od średniego natężenia promieniowa-nia IFig. 7. Collec-tor heat trans-fer rate, Q, versus the irradiance
Fig. 5. Zależność prędkości powietrza w na wejściu do kanału wlotowego kolektora od natężenia promieniowa-nia IFig. 5. Air velocity, w, at the inlet to the inlet channel of collector, as a function of the irradian-ce, I
22 3/2015 www.informacjainstal.com.pl
Ź Niższewartościnatężeniaprzepływu
powietrzaprzezbadanykolektorspowo-dowane są zmniejszeniem jego polaprzekroju idodatkowymioporamiprze-pływu powietrza kanałami rurowymi:dolotowymiwylotowym.
Wzrostwartościnatężeniapromienio-waniasłonecznegopowodujewzrostwar-tości wydajności cieplnej kolektora.ZpracyZhaiX.Q i inni [23]wynika, żeprzy stałym natężeniu przepływu powie-trzawydajnośćcieplnakolektorazmieniasięproporcjonalniedonatężeniapromie-niowania. W przypadku konwekcji swo-bodnejwzrostnatężeniapromieniowaniapociągazasobąproporcjonalnyprzyrosttemperatury czynnika oraz dodatkowywzrostprędkości jegoprzepływu. Tłuma-czytoparabolicznykształtkrzywejpoka-zanejnarys.7.
czeń sprawności cieplnej kolektora dlaróżnychwartościnatężeniapromieniowa-nia I. Sprawność cieplną obliczono napodstawiezależności(4).Wynikastąd,żewraz ze wzrostem natężenia promienio-waniawzrastasprawnośćcieplnakolekto-ra.Maksymalna,uzyskanawwarunkacheksperymentu, sprawnośćwynosiłaokoło41% dla I = 325 W/m2. W badaniach
Wyniki badań cieczowych, płaskich kolektorów słonecznych są w literaturze często publikowane. Podane są także zależnościpozwalająceokreślić charakterystyki cieplne tego typu kolektorów. Liczbapublikacji dotyczącychpłaskichpowietrznych kolektorówsłonecznychjestznaczniemniejsza,cowznacznymstopniuutrudniawłaściweichprojektowanieirozpowszechnieniewwieludziedzi-nach,zwłaszczagospodarkikomunalnejiwprzemyślerolno-spożywczym.
Przedstawione w opracowaniu wyniki własnych badań eksperymentalnych charakterystyk płaskiego, powietrznego kolektorasłonecznegozwracająuwagęnaproblemytegotypusolarnychelementówpasywnych.Przedmiotembadańbyłpłaskikolektorsło-necznyzpokryciemwykonanymzpoliwęglanukomorowegoogrubości5mmwkolorzebrązowym.Badaniawykonanewlabora-toryjnymstanowiskupomiarowympozwoliłynaopracowaniepodstawowychcharakterystykeksploatacyjnych tego typukolektora.Kolektorpracowałwwarunkachkonwekcjiswobodnej.
Napodstawiepomiarówokreślonorozkładtemperaturypowierzchniabsorbera,przyrosttemperaturypowietrzapodczasprze-pływuprzezkolektor,moccieplnąkolektora,sprawnośćtermiczną.BadaniaprzeprowadzonowzakresienatężeniapromieniowaniaI=0÷325W/m2.Dlamaksymalnejwartościnatężeniapromieniowaniaprędkośćprzepływupowietrzawynosiław=1m/s(objęto-ściowenatężenieprzepływupowietrza V =28m3/h), copozwoliło uzyskaćmoc cieplną kolektoraowartościQ=270Wprzysprawnościtermicznejη=41%.
Fig. 8. Wpływ natężenia promieniowania I na efektywność cieplną η kolektora Fig. 8. Influence of irradiance, I, on the thermal efficiency, η, of the collector
Fig. 9. Zależność sprawności cieplnej η powietrznego kolektora słonecznego od współczynnika wzrostu tem-peratury (Tout-Tamb)/IFig. 9. Efficiency, η, of the air solar collector versus the temperature rise factor (Tout-Tamb)/I
pp.267-275.[7] ChenaZ.D.,BandopadhayayP.,HalldorssonJ.,ByrjalsenC.,HeiselbergP.,LiY.:Anexperimentalinvestigationofasolarchimneymodelwithuniformwallheatflux,Building and
Environment,38(2003),pp.893-906.[8] EsenH.,OzgenF.,EsenM.,SengurA.:Modellingofanewsolarairheaterthroughleast-squaressupportvectormachines,Expert Systems with Applications,36(2009),pp.
10673-10682.[9] FudholiA.,SopianK.,RuslanM.H.,AlghoulM.A.,SulaimanM.Y.:Reviewofsolardryersforagriculturalandmarineproducts,Renewable and Sustainable Energy Reviews,14
(2010),pp.1-30.[10] GanG.:Simulationofbuoyancy-inducedflowinopencavitiesfornaturalventilation,Energy and Buildings,38(2006),pp.410-420.[11] KarimM.A.,HawladerM.N.A.:Developmentofsolaraircollectorsfordryingapplications,Energy Conversion and Management,45(2004),pp.329-344.[12] KarimM.A.,HawladerM.N.A.:Performanceevaluationofav-groovesolaraircollectorfordryingapplications,Applied Thermal Engineering,26(2006),pp.121-130.[13] LewandowskiW.M.:Proekologiczne odnawialne źródła energii,WNT,Warszawa,2012.[14] ManeewanS.,KhedariJ.,ZeghmatiB.,HirunlabhJ.,EakburanawatJ.:Investigationongeneratedpowerofthermoelectricroofsolarcollector,Renewable Energy,29(2004),pp.
987-1010.[16] NematollahiO.,AlamdariP.,AssariM.R.:Experimentalinvestigationofadualpurposesolarheatingsystem,Energy Conversion and Management,78(2014),pp.359-366.[17] OzgenF.,EsenM.,EsenH.:Experimentalinvestigationofthermalperformanceofadouble-flowsolarairheaterhavingaluminiumcans,Renewable Energy,34(2009),pp.2391-
2398.[18] PNENISO9488.SolarEnergy–Vocabulary.[19] RyanD.,BurekS.A.M.:Experimentalstudyoftheinfluenceofcollectorheightonthesteadystateperformanceofapassivesolarairheater,Solar Energy,84(2010),pp.1676-1684.[20] ToureS.:Characteristictemperaturesinanaturalconvectionsolarairheater,Energy Conversion and Management,42(2001),pp.1157-1168.[21] YusoffW.F.M.,SallehE.,AdamN.M.,SapianA.R.,SulaimanM.Y.:Enhancementofstackventilationinhotandhumidclimateusingacombinationofroofsolarcollectorand
verticalstack,Building and Environment,45(2010),pp.2296-2308.[22] ZapałowiczZ.,NowakowskiJ.:Ocenamożliwościzastosowaniaogniwfotowoltaicznychwwojewództwiezachodniopomorskimnapodstawiedanychdoświadczalnych.Instal,nr
1(203),2001,s.13-16.[23] ZhaiX.Q.,DaiY.J.,R.Z.:ExperimentalinvestigationonairheatingandnaturalventilationofasolarairWangcollector,Energy and Buildings,37(2005),pp.373-381.