LABORATORIUM

POMPY CIEPŁA I KOLEKTORY SŁONECZNE

Ćwiczenie nr 5

BADANIE KOLEKTORA POWIETRZNEGO –
POMIAR PRZYROSTU TEMPERATURY POWIETRZA.

Prowadzący: dr inż. Beata Grabowska

Termin: czwartek TP 13:15

Data wykonania ćwiczenia: 30.04.2015r

Data oddania sprawozdania: 13.05.2015r

Skład grupy:
Marta Bielewska 204766

Anna Perz 204792

1. Wstęp teoretyczny

2. Cel ćwiczenia - celem ćwiczenia było oznaczenie przyrostu temperatury powietrza
   w płaskim kolektorze słonecznym oraz zapoznanie się z metodą wyznaczania jego sprawności.

Sprawność kolektora wyznaczamy za pomocą wzoru :

$$\eta = \frac{Q_{u}}{A \bullet E}$$

$${Q_{u} - energia\ uzyteczna,\ W\backslash n}{A - powierzchnia\ absorpcyjna\ kolektora,\ m^{2}\backslash n}{E - calkowite\ natezenie\ promieniowania\ slonecznego,\ \frac{W}{m^{2}}}$$

Do wyznaczenie energii użytecznej wykorzystamy wzór:

Q_u = m_p • c_p • (t₁−t₃)

$${m_{p} - masowy\ przeplyw\ powietrza,\ \frac{\text{kg}}{s}\backslash n}{c_{p} - \text{ciep}l\text{o\ w}las\text{ciwe\ powietrz}a,\ \frac{J}{\text{kgK}}}$$

t₁ − temperatura powietrza na wyjsciu z kolektora,  C

t₃ − emperatura powietrza na wejsciu do kolektora,  C

Niezbędne więc będzie wyznaczenie strumienia masowego przepływu powietrza:

m_p = V_p • ρ

V_p − objetosc powietrza,  m3

ρ−gęstość powietrza, kg/m3

Strumień objętości powietrza obliczamy ze wzoru:

V_p = A_w • w_sr

A_w − pole powierzchni przekroju otworu wyplywu powietrza,  m²

$$w_{sr} - srednia\ predkosc\ liniowa\ czynnika\ w\ kierunku\ przeplywu,\ \frac{m}{s}$$

1. Przebieg ćwiczenia i schemat stanowiska pomiarowego

Dla sześciu różnych ustawień podstawy kolektora (45°, 35°, 25°,15°, 5°, 0°) po włączeniu lamp i ustabilizowaniu temperatur, odczytywano temperatury z poszczególnych termopar na rejestratorze. W trakcie stabilizacji układu mierzono prędkość przepływu powietrza za pomocą anemometru(trzy pomiary).

Promienie ultrafioletowe emitowane przez lampę, po przejściu przez szkło, ulegają załamaniu. Wtedy też zmianie ulega długość fal. Uniemożliwia to wydostanie się promieniowania poza kolektor(zachodzi efekt cieplarniany) – temperatura wewnątrz wzrasta. Następnie ciepło odbierane jest przez powietrze przepływające przez kolektor. Przyrost temperatury powietrza zależy od natężenia promieniowania docierającego do absorbera oraz od prędkości przepływu czynnika przez układ.

Rysunek . Schemat stanowiska z kolektorem powietrznym

1 - wylot powietrza

2 – lampa na podczerwień

3 - wlot powietrza

4 - miernik temperatur

5 - zasilanie

6 - regulacja kąta nachylenia

7 - kolektor powietrzny

1. Tabela pomiarowa
   

Tabela . Zestawienie mierzonych temperatur oraz prędkości przepływu powietrza na wylocie kolektora

α	t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7	τ
°	°C	°C	°C	°C	°C	°C	°C	s
45	47,0	44,2	32,6	65,4	77,6	82,2	57,7	28,9
35	47,0	44,5	32,7	66,0	78,8	83,0	58,4	29,0
25	48,0	45,1	33,1	67,4	80,9	84,4	59,3	29,1
15	48,7	45,4	33,2	68,6	83,0	82,7	60,9	29,0
5	50,3	45,6	33,2	70,5	82,8	79,6	62,8	29,0
0	51,7	45,8	33,3	72,2	83,5	78,4	64,6	29,2

Tabela . Dane pomiarowe prędkości przepływu powietrza

α	w1	w2	w3
°	m/s	m/s	m/s
45	0,60	0,61	0,60
35	0,57	0,54	0,55
25	0,48	0,49	0,51
15	0,37	0,37	0,37
5	0,22	-	-
0	-	-	-

Tabela . Pozostałe dane pomiarowe oraz stałe potrzebne do obliczeń

P	a	b	A	cp
W	cm	cm	m^2	kJ/kg∙K
750•0, 9	4,2	19,5	0,5459	1,005

P - Moc odczytana z watomierza – 750W

t₁ - temperatura wylotowa (mierzona wewnątrz)

t₂ - temperatura na środku kolektora

t₃ - temperatura wlotowa

t₄ …t₇ - temperatury mierzone na szybie

w₁ …w₃ - prędkość przepływu powietrza na wylocie kolektora

a,b - wymiary powierzchni wylotowej z kolektora

A – powierzchnia absorbera

c_p - ciepło właściwe dla powietrza

1. Obliczenia na sprawność kolektora słonecznego

Dla α=45°

• Strumień objętości powietrza

V_p = A • w_sr = 0, 00819 • 0, 603 = 0, 0049 m³

• Przepływ masowy powietrza

m_p = V_p • ρ = 0, 0049 • 1, 1595 = 0, 00573 kg/s

• Obliczenie energii użytecznej

Q_u = m_p • c_p • (t₁−t₃) = 0, 00573 • 1005 • (47−32,6) = 82, 92 W

• Obliczanie sprawności kolektora

$$\eta = \frac{Q_{u}}{A \bullet E} = \frac{Q_{u}}{A \bullet \frac{P}{A}} = \frac{82,92}{750} = 0,1228 \approx 12,28\%$$

1. Tabela wynikowa
   

Tabela . Zestawienie wyników obliczeń

α	Vp	mp	Qu	η
°	m^3	kg/s	W	%
45	0,0049	0,00573	82,92	12,28
35	0,0045	0,00526	75,52	11,19
25	0,0040	0,00469	70,15	10,39
15	0,0030	0,00351	54,73	8,11
5	0,0018	0,00209	35,90	5,32
0	-	-	-	-

1. Wykresy

Rysunek . Wykres przedstawiający zależność sprawności od kąta nachylenia kolektora

Rysunek Wykres przedstawiający zależność prędkości przepływu czynnika od kąta nachylenia kolektora

1. Uwagi i wnioski

Naszym zadaniem było sprawdzenie przy jakim ustawieniu kąta nachylenia kolektora osiągniemy największą sprawność. Analizując Rysunek 2. można stwierdzić, że sprawność kolektora słonecznego rośnie wraz ze wzrostem jego kąta nachylenia. Najwyższą sprawność została osiągnięta dla największego z badanych kątów: α=45° i wyniosła 12,28% .

Podobnie zmieniała się wartość strumienia przepływu- im mniejszy ustawialiśmy kąt, tym strumień się zmniejszał. Dla kąta α=5° tylko raz udało nam się zmierzyć prędkość strumienia za pomocą anemometru, z kolei dla α=0° w ogóle nie udało się wykonać tego pomiaru(mierzona prędkość spadła poniżej zakresu pomiarowego anemometru).

Im ustawialiśmy mniejszy kąt nachylenia kolektora, tym notowane temperatury na odpływie powietrza z wymiennika były większe. Temperatura powietrza na wlocie do kolektora była stabilna- w czasie pomiarów zwiększyła się tylko o 0,5^oC, co było skutkiem wzrostu temperatury powietrza.

Zaletą kolektorów powietrznych jest ich łatwa instalacja, która nie wymaga użycia sieci przewodów oraz zasobnika ciepła. Nośnikiem ciepła jest powietrze, które jest bezpośrednio wtłaczane do ogrzewanego pomieszczenia.

Sprawność kolektorów powietrznych dostępnych na rynku wg danych zmienia się
w szerokim zakresie i wynosi od ok.25% do 50% dla małych natężeń przepływu powietrza (ok 25m³/h), aż do 70% dla ok 100m³/h. Kolektory tego typu posiadają niższą sprawność spowodowaną małą wartością współczynnika przejmowania ciepła powietrza, co powoduje iż temperatura absorbera jest wyższa, a co za tym idzie wyższe są straty ciepła.

Uzyskane na podstawie obliczeń sprawności badanego kolektora osiągają niższe wartości od katalogowych.

Jedną z przyczyn uzyskania niewielkich wartości może być bardzo mały strumień przepływu . Badany kolektor nie jest produktem wykonywanym przez profesjonalną firmę, dlatego też może nie być idealnie szczelny, co jest bardzo ważne w przypadku kolektorów powietrznych, w innym wypadku zanotujemy duże straty nagrzanego powietrza . Możliwe, że badany kolektor posiada drobne nieszczelności, co również mogłoby wpłynąć na obniżenie jego sprawności.