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
Wstęp teoretyczny
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:
Qu = mp • cp • (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:
mp = Vp • ρ
Vp − objetosc powietrza, m3
ρ−gęstość powietrza, kg/m3
Strumień objętości powietrza obliczamy ze wzoru:
Vp = Aw • wsr
Aw − pole powierzchni przekroju otworu wyplywu powietrza, m2
$$w_{sr} - srednia\ predkosc\ liniowa\ czynnika\ w\ kierunku\ przeplywu,\ \frac{m}{s}$$
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
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 | m2 | 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
cp - ciepło właściwe dla powietrza
Obliczenia na sprawność kolektora słonecznego
Dla α=45°
Strumień objętości powietrza
Vp = A • wsr = 0, 00819 • 0, 603 = 0, 0049 m3
Przepływ masowy powietrza
mp = Vp • ρ = 0, 0049 • 1, 1595 = 0, 00573 kg/s
Obliczenie energii użytecznej
Qu = mp • cp • (t1−t3) = 0, 00573 • 1005 • (47−32,6) = 82, 92 W
Obliczanie sprawności kolektora
$$\eta = \frac{Q_{u}}{A \bullet E} = \frac{Q_{u}}{A \bullet \frac{P}{A}} = \frac{82,92}{750} = 0,1228 \approx 12,28\%$$
Tabela wynikowa
Tabela . Zestawienie wyników obliczeń
α | Vp | mp | Qu | η |
---|---|---|---|---|
° | m3 | 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 | - | - | - | - |
Wykresy
Rysunek . Wykres przedstawiający zależność sprawności od kąta nachylenia kolektora
Rysunek Wykres przedstawiający zależność prędkości przepływu czynnika od kąta nachylenia kolektora
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 0,5oC, 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.