Wydział Mechaniczno-Energetyczny
kierunek studiów: Energetyka
specjalność: Energetyka komunalna

PROJEKT PŁASKIEGO KOLEKTORA

POWIETRZNEGO

Prowadzący: ................................................. ....................... .......................

imię i nazwisko

ocena

podpis

Wrocław 2014

1.

Dane

•

typ kolektora: powietrzny

•

moc:

= 10

•

temperatura czynnika na wyjściu:

= 27 °

•

okres użytkowania: 10 maja – 31 sierpnia

•

współrzędne geograficzne położenia kolektora:

17,3 ° ; 50,6 ° (miejscowość:

Brzeg)

•

powierzchnia kolektora:

= 2 (długość = 2 , szerokość = 1 )

2.

Dobór materiałów

a)

absorber: miedź

•

maksymalna temperatura pracy:

240 °

•

współczynnik przewodzenia ciepła:

= 386

!·#

•

emisyjność:

$ = 0,20

•

absorpcyjność:

% = 0,96

•

powierzchnia:

= 2

b)

pokrycie: czarny chrom

•

maksymalna temp pracy:

300 °

•

emisyjność:

$

'

= 0,2

•

absorpcyjność:

%

'

= 0,98

c)

szyba: szkło hartowane o niskiej zawartości

() *

+

•

emisyjność:

$

,-

= 0,96

•

refleksyjność:

.

,-

= 0,86

•

transmisyjność:

/

,-

= 0,9

•

współczynnik przewodzenia ciepła:

,-

= 1,35

!·#

•

grubość szyby:

0

,-

= 0,005

d)

izolacja: włókno szklane

•

współczynnik przewodzenia ciepła:

1-

= 0,4

!·#

•

grubość izolacji:

0

1-

= 0,060

e)

obudowa: aluminium

3.

Obliczenie kąta nachylenia kolektora oraz sumy promieniowania absorbowanego
przez absorber

Za pomocą programu SolarSym, dla zadanego okresu pracy oraz położenia
geograficznego, wyznaczono dzień z najmniejszą sumą promieniowania słonecznego.
Następnie określono godzinę, dla której to promieniowanie jest największe. Z wyliczeń
programu wynika, że najmniejsza suma promieniowania występuje dla dnia 31 sierpnia

(243 dzień roku) i wynosi

19,46

23

!

4

. Natężenie promieniowania jest największe dla

godziny 12:50 i wynosi

699,6

!

4

.

Część obliczeniowa:

a)

Deklinacja:

5 = 243 - dzień roku, w którym suma promieniowania jest najmniejsza

6 = 23,45 · 785 9360 ∙

284 + 5

365 < = 8,104609

b)

Kąt godzinowy:

/ = 12: 50 – godzina, w której natężenie jest największe

> = 15 ∙ ?12: 50 − 12A = 750

B

= 12,5 °

c)

Kąt nachylenia kolektora:

Z poniższego równania wyznaczono wartość kąta nachylenia kolektora:

CD7E

F

= 7856785G785H − 7856CD7G785HCD7I + CD76CD7GCD7HCD7> +

+CD76785G785HCD7ICD7> + CD76785H785I785>

gdzie:

E

F

- kąt padanie promieniowania słonecznego

G = 50,6 ° - szerokość geograficzna

I = 0 - orientacja kolektora względem Pn-Pd

Kąt nachylenia kolektora:

H = 12,13 °

d)

Całkowite natężenie promieniowania słonecznego na płaszczyznę
kolektora:

J

F

= J

K

L

K

+ J

M

L

M

+ ?J

K

+ J

M

A · .

N

· L

N

Współczynnik korekcyjny promieniowania bezpośredniego:

L

K

=

CD7?G − HA · CD76 · CD7> + 785?G − HA · 7856

CD7G · CD76 · CD7> + 785G · 7856

= 1,17

Współczynnik korekcyjny promieniowania rozproszonego:

L

M

=

1 + CD7H

2

=

1 + cos ?12,13A

2

= 0,99

Współczynnik korekcyjny promieniowania odbitego:

L

N

=

1 − CD7H

2

=

1 − cos ?12,13A

2

= 0,011

J

F

= 705,41

e)

Natężenie promieniowania absorbowanego:

R

ST

= J

K

· L

K

· ?/%A

U

V

+ WJ

M

· L

M

+ ?J

K

+ J

M

A.

N

· L

N

X · ?/%A

U

V

?/%A

U

V

=

/

,-

· %

1 − ?1 − %

N

A · .

N

=

0,9 ∙ 0,96

1 − ?1 − 0,96A ∙ 0,09 = 0,87

.

N

= 0,09 – współczynnik refleksyjności podłoża (dachówka kolorowa

ciemna)

R

ST

= 613,7

4.

Obliczenie temperatur i współczynników używanych do obliczeń strat cieplnych
Dane do obliczeń:

Y = 9,81

!

,

4

- przyspieszenie ziemskie

H = 0,008

Z

#

- współczynnik rozszerzalności cieplnej powietrza

[

,

= 0,05 - odległość między szybą i absorberem

C

'

= 1005

3

\∙#

- ciepło właściwe powietrza (dla temperatury 290 K)

.

'S

= 1,2

\

!

]

- średnia gęstość powietrza

'S

= 0,025

!∙#

- współczynnik przewodzenia ciepła powietrza

^

'S

= 1,8 ∙ 10

_`

\

,∙!

- dynamiczny współczynnik gęstości powietrza

a = 5,67 ∙ 10

_b

!

4

∙#

c

- stała Stefana – Boltzmana

Sd

= 288 e - temperatura otoczenia (zakładana)

a)

konwekcyjny współczynnik strat (prędkość wiatru

f = 4

!

,

A

ℎ = 2,8 + 3 ∙ h = 2,8 + 3 ∙ 4 = 14,8

∙ e

b)

ś

rednia temperatura pracy absorbera

'śj

=

Z

−

k5 l

Z

m

Z

=

! n

−

k5 9

! n

<

= 397 e

Z

=

! n

−

o

k5 9

! n

o

<

= 390 e

! n

= 513 e - maksymalna temp. pracy absorbera

o

= 290 e - temperatura na wejściu do kolektora

= 300 e - temperatura na wyjściu kolektora

'śj

=

397 − 390

k5 l397

390m

= 393,5 e

c)

stosunek oporu przypływu ciepła od szyby do zewnątrz, do oporu
przepływu ciepła od absorbera do szyby:

R =

p12 ∙ 10

_b

∙ q

Sd

+ 0,2 ∙

'śj

r

+

+ ℎ s

_Z

+ 0,3 ∙ 0

,-

p6 ∙ 10

_b

∙ q$

'

+ 0,028rq

'śj

+ 0,5 ∙

Sd

r

+

+ 0,6 ∙ [

,

_N,

∙ tq

'śj

−

Sd

r ∙ CD7Hu

N, v

s

_Z

=

=

W12 ∙ 10

_b

∙ ?288 + 0,2 ∙ 393,5A

+

+ 14,8X

_Z

+ 0,3 ∙ 0,005

W6 ∙ 10

_b

∙ ?0,2 + 0,028A?393,5 + 0,5 ∙ 288A

+

+ 0,6 ∙ 0,05

_N,

∙ w?393,5 − 288A ∙ cos?12,13°Ax

N, v

X

_Z

R = 0,386

d)

temperatura szyby:

,-

=

R ∙

'śj

+

Sd

1 + R

=

0,386 ∙ 393,5 + 288

1 + 0,386

= 317,4 e

e)

temperatura nieboskłonu

,

= 0,0552 ∙

Sd

Z,`

= 0,0552 ∙ 288

Z,`

= 269,8 e

f)

liczba Rayleigha:

∆ =

'śj

−

z

= 393,5 − 317,4 = 76,1 e

L{ =

Y ∙ H ∙ ∆ ∙ [

,

∙ C

'

∙ .

'S

'S

∙ ^

'S

=

9,81 ∙ 0,008 ∙ 76,1 ∙ 0,05 ∙ ?1,21A

0,025 ∙ 1,8 ∙ 10

_`

L{ = 899300

L{ ∙ CD7H = 879221,5

g)

liczba Nusselta:

| = 0,157 ∙ ?L{ ∙ CD7HA

N, b`

= 0,157 ∙ 879222

N, b`

= 7,76

h)

konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła:

ℎ =

| ∙

'S

[

,

=

7,76 ∙ 0,025

0,05

= 3,88

∙ e

i)

radiacyjny współczynnik wnikania ciepła:

ℎ

j

=

aq

'śj

+

,-

rq

'śj

+

,-

r

1

$

'

+ 1

$

,-

− 1

=

=

5,67 ∙ 10

_b

∙ ?393,5 + 317,4 A ∙ ?393,5 + 317,4A

1

0,2 +

1

0,96 − 1

ℎ

j

= 2,04

∙ e

j)

radiacyjny współczynnik strat ciepła:

ℎ

j,}

=

a ∙ $

,-

∙ q

,-

~

−

,

~

r

,-

−

Sd

=

5,67 ∙ 10

_b

∙ 0,96 ∙ ?317,4

~

− 269,8

~

A

317,4 − 288

ℎ

j,}

= 8,98

∙ e

k)

współczynnik wnikania ciepła od tylnej powierzchni kolektora:

d

=

Sd

+ 1 e = 289 e – temperatura od strony tylnej powierzchni

kolektora

B

=

•€•

= 1,5

ℎ

,}

= 0,61 ∙ ‚

?

d

−

Sd

A

? ′A

„

N,

= 0,61 ∙ …

289 − 288

1,5

†

N,

= 0,52

∙ e

5.

Obliczenia strat cieplnych kolektora

a)

straty od czoła kolektora:

‡

z

_Z

=

1

ℎ + ℎ

j

+

1

ℎ + ℎ

j,}

+

0

,-

,-

‡

z

_Z

=

1

3,88 + 2,04 +

1

14,8 + 8,98 +

0,005

1,35 = 0,22

‡

z

= 4,55

∙ e

b)

straty od tyłu kolektora:

‡

d

=

1

0

1-
1-

+ 1

ℎ

,}

=

1

0,060

0,04 +

1

0,52

= 0,29

∙ e

c)

straty od boku kolektora:
powierzchnia boczna kolektora

K

= 2 ∙ ∙ [

,

+ 2 ∙ ∙ [

,

= 2 ∙ 2 ∙ 0,05 + 2 ∙ 1 ∙ 0,05 = 0,3

‡

K

=

K

∙

1

0

1-

1-

+ 1

ℎ

,}

=

0,3

2 ∙

1

0,06

0,4 +

1

0,52

= 0,072

∙ e

d)

suma strat kolektora:

‡ = ‡

z

+ ‡

d

+ ‡

K

= 4,55 + 0,29 + 0,072 = 4,9

∙ e

e)

ciepło tracone w kolektorze:

ˆ

,dj d

=

∙ q

o

−

Sd

r ∙ ‡ = 2 ∙ ?290 − 288A ∙ 4,9 = 19,6

6.

Obliczenie mocy użytecznej kolektora

a)

strumień przepływającego czynnika:

‰ =

R

ST

C

'

∙ q

−

o

r

=

613,7

1005 ∙ ?300 − 290A = 0,06

Y

7

b)

współczynnik odprowadzania ciepła:

(

j

=

R

ST

∙ ŠR

ST

− ‡

z

∙ q

−

o

r‹

=

613,7

2 ∙ W613,7 − 4,55 ∙ ?300 − 290AX

(

j

= 0,54

c)

moc użyteczna jednego kolektora:

Œż

= (

j

∙ ?R

ST

− ˆ

,dj d

A ∙

= 0,54 ∙ ?613,7 − 19,6A ∙ 2 = 641,62

d)

sprawność kolektora:

Ž =

Œż

R

ST

∙

=

641,62

613,7 ∙ 2 = 52 %

e)

ilość paneli:

5 =

10000

641,62 = 15,58 ≈ 16

7.

Obliczenie powierzchni przekroju kanału wlotowego i wylotowego

a)

strumień powietrza przepływającego przez kolektor:

‰

Z

=

ˆ

C

'

∙ q

−

o

r

=

10000

1005 ∙ ?300 − 290A = 0,99

Y

7

b)

powierzchnia kanałów:

=

‰

Z

. ∙ f = 0,22

c)

ś

rednica kanału wlotowego:

‘ = ’

4 ∙

“ = 0,53

Obliczona średnica kanału wlotowego jest za duża dla przyjętych wymiarów kolektora.
Przyjmuję więc równoległe połączenie paneli kolektora.

d)

strumień

powietrza

przepływający

przez

kolektor

(połączenie

równoległe):

‰ =

‰

Z

5 =

0,99

16 = 0,062

Y

7

e)

powierzchnia kanałów (połączenie równoległe):

=

‰

. ∙ f =

0,062

1,12 ∙ 4 = 0,014

f)

ś

rednica kanału wlotowego (połączenie równoległe):

‘ = ’

4 ∙

“ = 0,134

Ś

rednica ponownie ma za dużą wartość dla zadanych wymiarów kolektora. Przyjmuje

więc 4 kanały wlotowe i 4 kanały wylotowe.

‘ =

0

4 = 0,033 = 3,3 C

8.

Obliczenie strat hydraulicznych

a)

prędkość powietrza przepływającego przez kolektor:

f =

‰

. ∙ =

0,06

1,12 ∙ 0,014 = 3,83 7

b)

ś

rednia temperatura między absorberem i szybą:

'śj_,-

=

'śj

−

,-

k5 9

'śj

,-

<

=

393,5 − 317,4

k5 l393,5

317,4m

= 354,1 e

c)

współczynnik lepkości kinematycznej odczytany dla tej temperatury:

” = 20,9 ∙ 10

_v

7

d)

liczba Reynoldsa:

L) =

f ∙

” = 366507

e)

współczynnik strat liniowych:
Dla otrzymanej wartości liczby Reynoldsa korzystamy z formuły Blasiusa

T

=

0,3164

√L)

c

=

0,3164

√366507

c

= 0,013

f)

straty liniowe:

∆ℎ

T

=

T

∙ ‘ ∙

f

2 ∙ Y = 0,013 ∙

2

0,033 ∙

3,83

2 ∙ 9,81 = 0,59