background image

 

 

 

   

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PROJEKT PŁASKIEGO KOLEKTORA 

POWIETRZNEGO 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

imię i nazwisko 

ocena 

podpis 

 

 

Wrocław 2014 

background image

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

 
 
 

background image

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

 

 

 

background image

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 

background image

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: 
 

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

 

 

j

= 2,04

∙ e

 

 
 

background image

j)

 

radiacyjny współczynnik strat ciepła: 
 

j,}

=

a ∙ $

,-

∙ q

,-

~

,

~

r

,-

Sd

=

5,67 ∙ 10

_b

∙ 0,96 ∙ ?317,4

~

− 269,8

~

A

317,4 − 288

 

 

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    

 

,}

= 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

,}

=

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

,}

=

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

 

 
 
 

background image

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. 

background image

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