Laboratorium – Fizyka przemian energetycznych
Wydział: WEiP GPiE
Ćwiczenie nr 25

1. Wstęp teoretyczny:

Kolektor słoneczny jest to urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia słoneczna docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Kolektory można podzielić na:

• płaskie:

  • cieczowe,

  • gazowe,

  • dwufazowe,

• płaskie próżniowe,

• próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury),

• skupiające (prawie zawsze cieczowe),

• specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna).

Kolektor płaski składa się z:

• przezroczystego pokrycia (najczęściej ze szkła strukturalnego)

• absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną),

• wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera),

• izolacji (przeważnie wełna mineralna).

Kolektor próżniowo-rurowy składa się z:

• rur próżniowych, w których element zbierający ciepło, tzw. absorber, znajduje się w próżni, co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich, na jakich znajduje się Polska. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej, dzięki czemu stosując panel tego typu można liczyć na zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni,

• niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło, dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej. Jest ono wykonane poza rurkami, bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta.

1. Elementy układu:

   - Kolektory słoneczne: płaski i rurowy-próżniowy (umieszczone na dachu budynku)

   - Stanowisko pomiarowe sterownicze wraz z zasobnikami

   Licznik ciepła jest uniwersalnym wysoko rozwiniętym systemem pomiaru ciepła. Ciepło nie jest mierzone w sposób bezpośredni, ale obliczone przez układ zliczający (całkujący) jako suma iloczynów chwilowych pomiarów różnicy temperatur zasilania i powrotu czynnika grzewczego, oraz przepływu masowego tego czynnika – według formuły jak poniżej:

   

2. Schemat stanowiska pomiarowego:

   

3. Wykonanie ćwiczenia:

   1. Zapoznanie się ze stanowiskiem pomiarowym.

   2. Zapoznanie się z układem połączeń rurowych i zaworów i ciepłomierzem.

   3. Odczytano wskazania początkowe zaworów (Tabela 1).

   4. Zapoznanie się z elektronicznym sterownikiem instalacji kolektorowej i przełączenie jej na tryb manualny.

   5. Przełączenie zaworów w taki sposób, aby przez ciepłomierz przepływała ciecz z kolektora próżniowego a następnie płaskiego.

   6. Ustawiono przepływ pompy na 1,5 l/min.

   7. Odczytano odpowiednie wskazania i zapisano je w Tabeli 1.

   8. Po 5-ciu minutach zmieniono wartość przepływu na 3 l/min.

   9. Odczekano kolejne 5 min i spisano odpowiednie wartości do Tabeli 1.

   10. Podobne czynności wykonano dla przepływu 4; 5; 6 l/min.

   11. Po skończeniu pomiarów przestawiono sterownik kolektora na tryb automatyczny i sprwadzono poprawność pracy instalacji.

4. Wyniki wykonanych pomiarów.

1. Opracowanie wyników pomiaru.

   1. Wyznaczono wartości przepływu medium grzewczego trzema sposobami - za pomocą rotametru, ciepłomierza i wodomierza. Wartości te różniły się.

- W używanym rotametrze wartość natężenia przepływu została odczytana poprzez porów-nanie położenia pływaka ze skalą umieszczoną na rurze lub obudowie rotametru. Ustawienie wartości natężenia przepływu zależało od ustawienia opartego na naszym wzroku i mogło być obarczone błędem.

- Wskazania przepływu na ciepłomierzu obliczane są według wskazań wodomierza, który wysyła do ciepłomierza jeden impuls po przepływie jednego litra medium.

- Zarówno w rotametrze jak i wodomierzu błąd pomiaru może wynikać głównie z błędnego odczytu.

- Można uznać, że najdokładniejszym z urządzeń użytych w ćwiczeniu jest wodomierz, a najmniej dokładnym urządzeniem jest ciepłomierz.

1. Porównanie mocy wskazywanej przez ciepłomierz z mocą obliczoną.

𝑃=𝑚 ∙𝐶𝑝∙𝛥𝑇∙𝜌

ρ = 1000 kg/m3

Cp = 3,17 kJ/kg*K (dla Ergolid A-20 35%)

Moce obliczone:

𝑃=(0,07 [𝑚³/ℎ] ∙3,17 [𝑘𝐽/𝑘𝑔∙𝐾]∙(49,2−38,3)[𝐾]∙1000 [𝑘𝑔/𝑚³ ]): 3600 𝑠/ℎ = 0,671 𝑘𝑊

Wartości mocy obliczonej znacznie różnią od wartości mocy wskazanej przez ciepłomierz. We wszystkich przypadkach wartości mocy obliczonej są niższe od wartości mocy wskazanych przez ciepłomierz. Można uznać, iż dokładniejsze są wartości mocy obliczonej, ponieważ do jej wyznaczenia użyto wartości stałych.

1. 𝑄=𝑚∙𝐶_𝑝∙Δ𝑇₁=𝑉∙𝜌∙𝐶_𝑝∙Δ𝑇₁

ρ = 1000 kg/m3

Cp = 4,19 kJ/kg*K

t=300 s/1 pomiar

𝑉= (0,07 [𝑚³/ℎ] ∙300 [𝑠/𝑝𝑜𝑚𝑖𝑎𝑟]) : 3600 [𝑠/ℎ] = 0,0058 [𝑚³/𝑝𝑜𝑚𝑖𝑎𝑟]

𝑄= 0,0058 [𝑚3/𝑝𝑜𝑚𝑖𝑎𝑟] ∙1000 [𝑘𝑔/𝑚3] ∙4,19 [𝑘𝐽/𝑘𝑔∙𝐾] ∙(46,4−34,6)[𝐾] = 18,86 [𝑘𝐽/𝑝𝑜𝑚𝑖𝑎𝑟]

Nr pomiaru	V [m^3/pomiar]	Q [kJ/pomiar]
1	0,0058	286,76
2	0,014	545,54
3	0,017	854,76
4	0,025	1508,4
5	0,031	2415,95

1. Q = P ∙𝑡

Q = 2,8676 [kW] ∙ 300 [s] = 860,28 [kJ]

Nr pomiaru	Q [kJ]
1	860,28
2	1636,62
3	2564,28
4	4525,2
5	7247,85

Ilości ciepła obliczone w punkcie c) i d) różnią się. Do obliczenia mocy w punkcie b), a następnie ciepła w punkcie d) użyto stałych dla roztworu glikolu, a także temperatur zasilania i powrotu. Do obliczenia ciepła w punkcie c) zaś użyto stałych dla wody oraz różnicy temperatur w zasobniku i kolektorze.

Różnice w ostatecznych wynikach obliczeń wynikają z użycia innych danych.

1. Wnioski.

Wskazania przepływu na ciepłomierzu obliczane są według wskazań wodomierza, który wysyła do ciepłomierza jeden impuls po przepływie jednego litra medium.

Najmniej dokładnym rodzajem pomiaru wydaje się być pomiar ciepłomierzem, ponieważ jest on uzależniony od wskazań wodomierza. W rotametrze jak i wodomierzu błąd pomiaru wynika głównie z błędnego odczytu.

Temperatura w obiegu kolektora była wyższa od temperatury wody w zasobniku, a ta z kolei miała temperaturę porównywalną z temperaturą otoczenia.