Wydział Mechaniczno-Energetyczny
kierunek studiów: Energetyka
specjalność: Energetyka komunalna
PROJEKT PŁASKIEGO KOLEKTORA
POWIETRZNEGO
Prowadzący: ................................................. ....................... .......................
imię i nazwisko
ocena
podpis
Wrocław 2014
• 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: 01- = 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.
a) Deklinacja:
5 = 243 - dzień roku, w którym suma promieniowania jest najmniejsza 284 + 5
6 = 23,45 · 785 9360 ∙ 365 < = 8,104609
b) Kąt godzinowy:
/ = 12:50 – godzina, w której natężenie jest największe
> = 15 ∙ ?12: 50 − 12A = 750B = 12,5 °
c) Kąt nachylenia kolektora:
Z poniższego równania wyznaczono wartość kąta nachylenia kolektora: CD7EF = 7856785G785H −7856CD7G785HCD7I +CD76CD7GCD7HCD7> +
+CD76785G785HCD7ICD7> + CD76785H785I785>
gdzie:
EF - 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:
JF = JKLK + JMLM + ?JK + JMA · .N · LN
Współczynnik korekcyjny promieniowania bezpośredniego: CD7?G − HA · CD76 · CD7> + 785?G − HA · 7856
LK =
CD7G · CD76 · CD7> + 785G · 7856
= 1,17
Współczynnik korekcyjny promieniowania rozproszonego: 1 + CD7H 1 + cos ?12,13A
LM =
2
=
2
= 0,99
Współczynnik korekcyjny promieniowania odbitego:
1 − CD7H 1 − cos ?12,13A
LN =
2
=
2
= 0,011
JF = 705,41
e) Natężenie promieniowania absorbowanego: R ST = JK · LK · ?/%AU + WJ
V
M · LM + ?JK + JMA.N · LNX · ?/%AUV
?
/
0,9 ∙ 0,96
/%A
,- · %
U =
=
V
1 − ?1 − %NA · .N 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) średnia temperatura pracy absorbera
'śj = Z −
k5 l Zm
Z = ! n −
= 397 e
k5 9 ! n<
Z = ! n −
o = 390 e
k5 9 ! n<
o
! n = 513 e - maksymalna temp. pracy absorbera
o = 290 e - temperatura na wejściu do kolektora
= 300 e - temperatura na wyjściu kolektora
397 − 390
'śj =
= 393,5 e
k5 l397
390m
c) stosunek oporu przypływu ciepła od szyby do zewnątrz, do oporu przepływu ciepła od absorbera do szyby:
_Z
p12 ∙ 10_b ∙ q
+ 0,3 ∙ 0
R =
Sd + 0,2 ∙ 'śjr+ + ℎ s
,-
_Z =
p6 ∙ 10_b ∙ q$
_N,
' + 0,028rq 'śj + 0,5 ∙ Sdr+ + 0,6 ∙ [,
∙ tq 'śj − Sdr ∙ CD7HuN, vs
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°AxN, vX_Z
R = 0,386
d) temperatura szyby:
R ∙ 'śj + Sd 0,386 ∙ 393,5 + 288
,- =
1 + R
=
1 + 0,386
= 317,4 e
e) temperatura nieboskłonu
Z,`
, = 0,0552 ∙ Sd
= 0,0552 ∙ 288Z,` = 269,8 e
f) liczba Rayleigha:
∆ = 'śj − z = 393,5 − 317,4 = 76,1 e
Y ∙ H ∙ ∆ ∙ [
9,81 ∙ 0,008 ∙ 76,1 ∙ 0,05 ∙ ?1,21A
L{ =
, ∙ C' ∙ .'S
=
'S ∙ ^'S
0,025 ∙ 1,8 ∙ 10_`
L{ = 899300
L{ ∙ CD7H = 879221,5
g) liczba Nusselta:
| = 0,157 ∙ ?L{ ∙ CD7HAN, b` = 0,157 ∙ 879222N, b` = 7,76
h) konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła:
| ∙
7,76 ∙ 0,025
ℎ =
'S
[
=
,
0,05
= 3,88
∙ e
i) radiacyjny współczynnik wnikania ciepła:
aq
ℎ
'śj + ,- rq 'śj + ,-r
j =
1
=
$ + 1 − 1
'
$,-
5,67 ∙ 10_b ∙ ?393,5 + 317,4 A ∙ ?393,5 + 317,4A
=
1
0,2 + 1
0,96 − 1
ℎj = 2,04
∙ e
j) radiacyjny współczynnik strat ciepła: a ∙ $
~ − ~r 5,67 ∙ 10_b ∙ 0,96 ∙ ?317,4~ − 269,8~A
ℎ
,- ∙ q ,-
,
j,} =
=
,- − Sd
317,4 − 288
ℎj,} = 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
?
N,
289 − 288 N,
ℎ
d − SdA
,} = 0,61 ∙ ‚
? ′A
„ = 0,61 ∙ … 1,5 † = 0,52 ∙ e
5. Obliczenia strat cieplnych kolektora
a) straty od czoła kolektora:
1
1
0
‡ _Z
,-
z
= ℎ + ℎ +
+
j
ℎ + ℎj,}
,-
1
1
0,005
‡ _Z
z
= 3,88 + 2,04 + 14,8 + 8,98 + 1,35 = 0,22
‡z = 4,55
∙ e
b) straty od tyłu kolektora:
1
1
‡d = 0
=
= 0,29
1- + 1
0,060
∙ e
1-
ℎ ,}
0,04 + 1
0,52
c) straty od boku kolektora:
powierzchnia boczna kolektora
K = 2 ∙ ∙ [, + 2 ∙
∙ [, = 2 ∙ 2 ∙ 0,05 + 2 ∙ 1 ∙ 0,05 = 0,3
1
0,3
1
‡K = K ∙ 0
=
= 0,072
1- + 1
2 ∙ 0,06
∙ e
1-
ℎ ,}
0,4 + 1
0,52
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 − Sdr ∙ ‡ = 2 ∙ ?290 − 288A ∙ 4,9 = 19,6
6. Obliczenie mocy użytecznej kolektora
a) strumień przepływającego czynnika:
R
613,7
Y
‰ =
ST
=
C' ∙ q
− o r 1005 ∙ ?300 − 290A = 0,06 7
b) współczynnik odprowadzania ciepła:
R
613,7
(
ST
j =
=
∙ ŠR ST − ‡z ∙ q
− o r‹ 2 ∙ W613,7 − 4,55 ∙ ?300 − 290AX
(j = 0,54
c) moc użyteczna jednego kolektora:
Œż = (j ∙ ?R ST − ˆ,dj dA ∙
= 0,54 ∙ ?613,7 − 19,6A ∙ 2 = 641,62
d) sprawność kolektora:
641,62
Ž =
Œż
R ST ∙
= 613,7 ∙ 2 = 52 %
e) ilość paneli:
10000
5 = 641,62 = 15,58 ≈ 16
7. Obliczenie powierzchni przekroju kanału wlotowego i wylotowego
a) strumień powietrza przepływającego przez kolektor: ˆ
10000
Y
‰ Z =
=
C' ∙ q
− o r 1005 ∙ ?300 − 290A = 0,99 7
b) powierzchnia kanałów:
‰
=
Z
. ∙ f = 0,22
c) średnica kanału wlotowego:
‘ = ’4 ∙“ = 0,53
Obliczona średnica kanału wlotowego jest za duża dla przyjętych wymiarów kolektora.
Przyjmuję więc równoległe połączenie paneli kolektora.
powietrza
przepływający
przez
kolektor
(połączenie
równoległe):
‰
0,99
Y
‰ = Z
5 = 16 = 0,062 7
e) powierzchnia kanałów (połączenie równoległe):
‰
0,062
= . ∙ f = 1,12 ∙ 4 = 0,014
f) średnica kanału wlotowego (połączenie równoległe):
‘ = ’4 ∙“ = 0,134
Średnica 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:
‰
0,06
f = . ∙ = 1,12 ∙ 0,014 = 3,83 7
b) średnia temperatura między absorberem i szybą:
393,5 − 317,4
'śj_,- = 'śj − ,- =
= 354,1 e
k5 9 'śj<
k5 l393,5
,-
317,4m
c) współczynnik lepkości kinematycznej odczytany dla tej temperatury:
” = 20,9 ∙ 10_v 7
d) liczba Reynoldsa:
f ∙
L) = ” = 366507
e) współczynnik strat liniowych:
Dla otrzymanej wartości liczby Reynoldsa korzystamy z formuły Blasiusa 0,3164
0,3164
T =
= 0,013
√c
=
L)
√c366507
f) straty liniowe:
f
2
3,83
∆ℎT = T ∙ ‘ ∙ 2 ∙ Y = 0,013 ∙ 0,033 ∙ 2 ∙ 9,81 = 0,59