Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
1
Ćwiczenie numer
3
Konwersja energii
słonecznej na ciepło
1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna ET 202 pozwala analizować konwersję energii
słonecznej na ciepło użyteczne. Urządzenie składa się z płaskiego kolektora słonecznego, który pochłania energie słoneczną (generowana w sposób sztuczny przez lampy) a następnie przekazuje zaabsorbowane ciepło do przepływającej
przez kolektor wody. Podgrzana woda której obieg wymusza pompa gromadzona jest następnie w zbiorniku.
W urządzeniu tym (rys. 1 i rys. 9) można badać jaki wpływ na konwersję energii (sprawność) mają kluczowe z punktu wymiany ciepła własności i parametry tj. emisyjność absorbera, kąt pochylenia kolektora, temperatura wody, prędkość
przepływu wody, natężenie promieniowania słonecznego i kąt jego padania.
Rys. 1. Układ do konwersji energii słonecznej
Źródło promieniowania słonecznego
Kolektor płaski
Pompa
cyrkulacyjna
Zbiornik
wody
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
2
2. Cel ćwiczenia
Przeprowadzenie ćwiczenia ma za zadanie poznanie podstawowych aspektów związanych z pracą systemu solarnego i konwersją promieniowania słonecznego
na ciepło użytkowe. W szczególności jaki wpływ na prace układu ma: 1*. Prędkość przepływu wody przez kolektor i wężownice zbiornika;
2*. Kąt pomiędzy padającym promieniowaniem a kolektorem słonecznym 3*. Zmiana parametrów termofizycznych kolektora 4*. Krzywa grzania układu
* Podczas ćwiczeń realizowany jest tylko jeden wskazany przez prowadzącego aspekt pracy układu
3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony poniżej wstęp nie wyczerpuje tematyki związanej z
podstawowymi informacjami o promieniowaniu słonecznym oraz konwersji energii
słonecznej. Dodatkowe informacje teoretyczne jak i praktyczne można znaleźć
m.in. w następujących pozycjach literaturowych związanych z wymianą ciepła w
szczególności rozdziały poświęcone radiacyjnej wymianie ciepła.
3.1 Promieniowanie słoneczne
W wyniku fuzji termojądrowej temperatura wewnątrz Słońca osiąga wartość
15000000K. Jednak spektrum energii Słońca basuje na tym co dzieje się w
zewnętrznych warstwach naszej najbliższej gwiazdy. Spektrum energii może być
w dosyć dobrym przybliżeniu opisane teoretycznie przez tzw. ciało doskonale
czarne o temperaturze T=5777K (rys.2)
Rys. 2. Spektrum energii dla ciała doskonale czarnego
Promieniowanie słoneczne w drodze do powierzchni Ziemi zostaje osłabione
przez atmosferę naszej planety. Miarą tego osłabienia jest efektywny współczynnik
masy powietrza oznaczany jako AM (Air Mass). Spektrum energii na zewnątrz
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
3
atmosfery definiowane jest jako AM0 (rys.3.). Średnia wartość promieniowania
słonecznego wynosi wówczas ok. 1367W/m2. Oznaczenie AM1 odnosi się do
sytuacji gdy promieniowanie pada prostopadle do powierzchni Ziemi (czyli
przechodzi prostopadle dokładnie przez całą grubość atmosfery).
Dla typowej sytuacji przyjmowany jest zwykle współczynnik AM1.5 który
odpowiada kątowi padania promieniowani słonecznych ok. 48.2o. Dla takich
warunków promieniowanie słoneczne przyjmuje wartość 1000W/m2.
Rys. 3. Spektrum energii: (A) dla ciała doskonale czarnego (T=5777K);
(B) na zewnątrz atmosfery Ziemi (AM0); (C) dla AM1.5
W wyniku przejścia promieniowania przez atmosferę powstają tzw. dziury w
widmie które są wynikiem absorpcji promieniowania w poszczególnych zakresach
długości fali. Odpowiadają za to poszczególne gazy znajdujące się w atmosferze
oraz para wodna.
W wyniku nachylenia osi Ziemi w stosunku do Słońca promieniowanie
słoneczne staje się funkcją położenia i czasu. Zarówno czas nasłonecznienia jak i
maksymalna wysokość słońca podlegają zmianom sezonowym. Ponadto
zachmurzenie, lokalne zacieniowanie powoduje zmienność w potencjale energii
słonecznej.
Całkowite promieniowanie słoneczne odnosi się do ilości promieniowania
padającego na dowolnie zorientowaną powierzchnię. Składa się ono a
promieniowania bezpośredniego, pośredniego oraz odbitego. Pochodzenie różnych
typów promieniowania wyjaśnia rysunek 4.
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
4
Rys. 4. Rodzaje promieniowania słonecznego: (A+B) rozproszone, (C)
bezpośrednie, (D) odbite
Zależnie od warunków pogodowych promieniowanie rozproszone może
stanowić 50% i więcej udziału w promieniowaniu całkowitym. Większość pomiarów
i map dotyczących promieniowania słonecznego odnosi się do promieniowania
całkowitego.
3.1 Pomiar promieniowania słonecznego
Podstawowa wielkością dla określenia ilości energii promieniowania
słonecznego jest natężenie promieniowania słonecznego R w W/m2. W tym
wypadku ważny jest również kierunek w jakim dokonany został pomiar. Jeżeli
pomiar będzie dokonany w kierunku źródła promieniowania słonecznego otrzyma
się wartość maksymalną. Zwykle jednak w meteorologii pomiar jest wykonywany
w odniesieniu do powierzchni poziomej. W żadnym z opisanej sytuacji natężenie
promieniowania słonecznego nie uwzględnia orientacji modułu ani kąta padania
promieni.
W celu przeliczenia promieniowania bezpośredniego padającego na dowolnie
zorientowaną powierzchnię korzysta się z prostych zależności geometrycznych.
Rys. 5. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem pomiaru (linia pomarańczowa) a
kierunkiem padania promieniowania słonecznego (linia niebieska)
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
5
Rozpatrując przypadek 2-wymiarowy zależność między natężeniem
promieniowania słonecznego padającym na powierzchnię z dowolnego kierunku i
natężeniem promieniowania (rzut) padającego na powierzchnię poziomą może być
opisany jak na rysunku 5.
Rys. 6. Definicja kąta pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora
(linia czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem
padania promieniowania słonecznego (linia niebieska)
Jeżeli powierzchni absorbera nie jest pozioma, ale dowolnie zorientowana wówczas
można wyróżnić i zdefiniować kilka kątów co przedstawiono na rysunku 6. Gdzie
opisano kąt pomiędzy kierunkiem normalnym do powierzchni kolektora (linia
czerwona), kierunkiem pionowym (linia pomarańczowa) a kierunkiem padania
promieniowania słonecznego (linia niebieska). Ostatecznie jednak zależności
geometryczne sprowadzają się do prostej konfiguracji w której określony jest
jedynie kąt pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a kierunkiem
normalnym do powierzchni absorbera. Sytuacje taka przedstawiono na rysunku 7.
Rys. 7. Zależność pomiędzy kierunkiem padania promieni słonecznych a
kierunkiem normalnym do powierzchni absorbera
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
6
Pozwala to ostatecznie na wyprowadzenie następującej zależności:
gdzie:
Rdir – promieniowanie słoneczne mierzone w kierunku padania promieni
słonecznych
Rhor – promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię poziomą
Rgen– promieniowanie słoneczne padające na absorber kolektora
słonecznego
Wykorzystując powyższą zależność można określić ilość promieniowania
słonecznego padającego na powierzchnię kolektora zorientowaną pod dowolnym
kątem.
3.2 Bilans energii dla kolektora słonecznego (płaskiego)
Celem kolektora słonecznego jest zaabsorbowanie jak największej ilości energii
słonecznej w celu wykorzystania tego ciepła np. do ogrzania ciepłej wody
użytkowej. Kolektor jak każde urządzenie ma określona sprawność która wynika z
jego bilansu energii. Poszczególne składniki takiego bilansu zostały przedstawione
w sposób graficzny na rysunku 8. Poszczególne składniki oznaczają (1)
promieniowanie słoneczne, (2) straty w wyniku odbicia promieniowania, (3) straty
ciepła w wyniku konwekcji, (4) straty w wyniku promieniowania termicznego, (5)
moc użyteczną.
Rys. 8. Graficzna reprezentacja bilansu energii dal kolektora płaskiego
Pomimo iż kolektor słoneczny formalnie nie jest zasilany paliwem w klasycznym
tego słowa znaczeniu to sprawność jest definiowana jak dla każdego urządzenia
czyli ilość energii użytecznej dostarczonej w jednostce czasu do ilości energii
dostarczonej w tym wypadku w formie promieniowania słonecznego.
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
7
Moc dostarczona do kolektora Pin może być wyznaczona jako iloczyn natężenia
promieniowania słonecznego razy powierzchnia kolektora słonecznego (tzw.
powierzchnia czynna lub absorbera) Acol
Z kolei moc użyteczna PN może być określona na podstawie danych pomiarowych.
Znając różnice temperatury tj. o ile wzrosła w kolektorze temperatura czynnika
obiegowego (wody) oraz znając przepływ masowy i własności termofizyczne płynu
wówczas moc użyteczną PN można wyznaczyć z następującej zależności:
gdzie:
F oznacza przepływ, gęstość płynu, cp jego ciepło właściwe. Występujące w
powyższym równaniu temperatury oznaczają temperaturę na wlocie T1 i wylocie T2
z kolektora płaskiego.
4. Opis układu eksperymentalnego
Jednostka eksperymentalna ET 202 jest samodzielna jednostka pomiarową.
Wszystkie elementy, przyciski do sterowania oraz wyświetlacze są wyraźnie
rozmieszczone na przednim panelu jednostki, której obraz przedstawiono na
rysunku 9.
Rys. 9. Jednostka eksperymentalna ET 202
1 Rurka przelewowa 8 Panel sterujący
2 Pompa (P) 9 Źródła światła
3 Odpowietrznik 10 Czujnik natężenia światła
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
8
4 Grzałka 11 Kolektor płaski
5 Zbiornik wody 12 Zasilanie kolektora
6 Pokrywa zbiornika 13 Zasilanie kolektora
7 Mierniki pomiarowe 14 Absorber (wymienny)
Schemat urządzenia przedstawiony na rysunku 10, służy zrozumieniu zasady
działania urządzenia. Wszystkie parametry są mierzone elektronicznie i
pokazywane na cyfrowych wyświetlaczach. Istnieje również możliwość
rejestrowania sygnałów z czujników na komputerze PC za pomocą
specjalistycznego oprogramowania i podłączenia USB. Tak więc system jest
gotowy do pracy zarówno z wykorzystaniem mierników z których wartości mogą
być odczytywane ręcznie jak do zapisu tych wartości bezpośrednio na komputerze.
Rys. 10. Schemat układu pomiarowego ET 202
1 Zespół lamp halogenowych V1 Zawór układu solarnego
2 Kolektor płaski V2 Zawór zbiornika
3 Zbiornik R Miernik natężenia promieniowania
4 Wymiennik ciepła F Przepływomierz
5 Grzałka T1 Temperatura na wejściu do kolektora
6 Odpowietrznik T2 Temperatura na wyjściu z kolektora
7 Przelew T3 Temperatura wody w zbiorniku
P Pompa T3 Temperatura otoczenia
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
9
Opis działania urządzenia
Światło z zespołu lamp halogenowych (1) pada na płaski kolektor słoneczny (2).
W wyniku pochłaniania promieniowania w absorberze kolektora wzrasta jego
temperatura. W kolektorze płaskim znajdują się rurki umożliwiające przepływ
czynnika obiegowego (wody) co umożliwia odbiór ciepła z kolektora. Nagrzany
nośnik ciepła wymuszony pompą (P) jest transportowany do zbiornika z ciepłą
woda (3) a dokładnie do spiralnej wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła (4).
Ciepło z pierwotnego obiegu (solarnego) przekazywane jest do wody znajdującej
się w zbiorniku. Ochłodzony płyn obiegu solarnego jest ponownie transportowany
do kolektora słonecznego gdzie się nagrzewa i cały cykl ulega powtórzeniu.
Obieg czynnika w układzie solarnym jest zamknięty z tego powodu system
wyposażono w układ kompensujący rozszerzalność czynnika (wody) pod wpływem
temperatury (6) jak i układ odpowietrzający (7).
Temperatury T1, T2, T3 oraz T4 są mierzone za pomocą czujników we wszystkich
kluczowych punktach układu tj. odpowiednio na wejściu i wyjściu z kolektora
płaskiego, w zbiorniku oraz temperatura otoczenia. Grzałka (5) znajdująca się w
zbiorniku umożliwia szybsze nagrzanie wody w zbiorniku.
Na rysunku 11 znajduje się szczegółowy opis głównego panelu roboczego
na którym znajdują się przełączniki, urządzenia sterujące oraz mierniki
umożliwiające załączanie systemu, jego regulacje jak i odczytywanie aktualnych
wskazań.
Rys.11. Widok pulpitu sterującego urządzenia
1 Temperatura T1 – na wejściu
do kolektora
8 Włącznik lamp halogenowych
2 Temperatura T2 – na wyjściu
z kolektora
9 Włącznik główny
3 Temperatura T3 – w zbiorniku
(istnieje możliwość jest
ustawienia)
10 Aktywator dla konfigurowania
deklarowanej temperatury w
zbiorniku
4 Temperatura T4 – otoczenia 11 Włącznik grzałki w zbiorniku
5 Natężenie promieniowania 12 Włącznik pompy obiegowej
6 Czujnik temperatury T4 13 Potencjometr do regulacji
przepływu
7 Schemat układu 14 Miernik przepływu
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
10
5. Przygotowanie do pomiarów
Przed przystąpieniem do wykonania pomiarów należy zapoznać się z instrukcją
wykonania ćwiczenia oraz instrukcja bezpieczeństwa dostępną w laboratorium.
Należy zidentyfikować podstawowe elementy układu w tym czujniki pomiarowe i
zawory. Należy sprawdzić poprawność konfiguracji układu i poczekać na
prowadzącego który ostatecznie sprawdzi układ tuż przed przystąpieniem do
pomiarów.
5.1 Napełnianie obiegu wodą
Niezwykle istotną kwestią w wykonaniu ćwiczenia jest napełnienie obiegu
urządzenia wodą w taki sposób, aby wyeliminować wszystkie bąbelki powietrza
mogące znajdować się w przewodach. W tym celu:
Należy przechylić kolektor słoneczny na pozycję 40°.
Zamknąć zawór doprowadzający V1.
Podłączyć wąż doprowadzający wodę do układu do zaworu V1.
Włączyć pompę i ustawić średnią wartość przepływu na około 10 l/h.
Delikatnie otworzyć zawór doprowadzający wodę na ścianie.
Delikatnie otworzyć zawór V1 i ciągle monitorować poziom wody w
przewodzie przelewowym. Jeśli poziom wody w przewodzie przelewowym
unosi się zbyt szybko, należy zamknąć zawór V1.
Podczas procesu napełniania poziom wody w przewodzie przelewowym
powinien wynosić przynajmniej ¼ jego wysokości.
W celu usunięcia bąbelków powietrza z obiegu należy manewrować
prędkością pompy oraz nachyleniem kolektora słonecznego. Należy także
kilkakrotnie otworzyć zawód odpowietrzający znajdujący się przy pompie.
Proces napełniania i odpowietrzenia można uznać za skończony kiedy
poziom wody w przewodzie przelewowym przestanie fluktuować (przy stałej
wartości przepływu wody przez układ).
5.2 Napełnienie zbiornika
Niezwykle ważne jest, aby w zbiorniku znajdowała się woda i to w odpowiedniej
ilości. Przed przystąpieniem do pomiarów należy zdjąć górną ściankę zbiornika
i uzupełnić poziom wody do takiego poziomu aby woda zakrywała całkowicie
znajdującą się tam wężownice i grzałkę (patrz rysunek poniżej)
Rys. 12. Napełnianie zbiornika wodą
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
11
Zależnie od wersji ćwiczenia może okazać się, że ważne z punktu widzenia
wykonywanego wariantu ćwiczenia jest, aby woda znajdująca się w zbiorniku miała
stałą i możliwie niska temperaturę. Realizowane jest to wykorzystując wodę
wodociągową której temperatura z dużym przybliżeniem jest stała a wartości
oscylują w ciągu roku w granicach 10-14oC. Woda ta w ilości 70-80 litrów/godzinę
powinna być w sposób ciągły dostarczana do zbiornika. Równocześnie zawór
odpływowy należy otworzyć tak, aby odprowadzać wodę do kanalizacji
5.3 Pomiar natężenia promieniowania
W pomiarach wykorzystywane jest sztuczne światło halogenowe imitujące
promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to nie jest równomierne i zależy od
miejsca na które pada. W związku z tym przed przystąpieniem do pomiarów
wykorzystując ogniwo słoneczne (służące jako miernik natężenia promieniowania)
należy przeprowadzić pomiary w różnych punktach kolektora płaskiego. Zalecane
jest wykonanie 16 lub 25 pomiarów realizowanych w 4 do 5 równych odstępach w
kierunku poprzecznym i wzdłużnym panelu. Z pomiarów tych należy wyznaczyć
wartość średnią ważoną. Wagi dla pomiarów w narożach i krawędziach wynoszą
odpowiednio 0.25 i 0.5 a dla pozostałych punktów 1.0.
W obliczeniach należy wykorzystywać wartość średnią ważoną natężenia
promieniowania, jednak jako wartość odniesienia dla pomiarów należy posługiwać
się wskazaniami miernika który na czas pomiarów jest umieszczony na krawędzi
panelu.
Tabela: Iluminancja zmierzona na powierzchni kolektora w kW/m2
Pozycja miernika w
mm
0 80 160 240 320
0
80
160
240
320
6. Wykonanie pomiarów
6.1 Badanie wpływu prędkość przepływu wody na pracę układu
W ćwiczeniu tym analizowane będzie jaki wpływ na pracę układu (moc i
efektywność) ma prędkość przepływu wody przez kolektor oraz wężownicę
zbiornika.
UWAGA. Podczas wykonywania tego ćwiczenia temperatura w zbiorniku powinna
być stała i możliwie jak najniższa. Jest to realizowane poprzez ciągły dopływ wody
wodociągowej do zbiornika i równoczesne usuwanie nadmiaru wody do kanalizacji.
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
12
1. Kolektor płaski z zainstalowanym absorberem określonego typu
uzgodnionym z prowadzącym ustawić w pozycji poziomej. 2. Na podstawie pomiarów natężenia promieniowania realizowanych przed
przystąpieniem do właściwych pomiarów policzyć i określić jakie jest średnie natężenie promieniowania (patrz pkt 5.3).
3. Wykorzystując regulator (potencjometr) prędkości obrotowej pompy
ustawić początkowy przepływ na maksymalny ok. 20.0-21.0 l/h 4. W celu wykonania pomiarów należy poczekać aż ustalony zostanie stan
stacjonarny czyli np. temperatura wody T2 na wyjściu z kolektora płaskiego osiągnie stałą wartość.
5. Po uzyskaniu wartości ustalonej wyniki pomiarów zapisać w formie
papierowej. 6. Po zapisaniu wszystkich wielkości zmniejszyć przepływ o ok. 1/10 przepływu
maksymalnego i ponownie wykonać pomiary powtarzając procedurę od pkt.4. Pomiary wykonywać aż do uzyskania przepływu minimalnego wynoszącego ok. 1-2 l/h. Pozwoli to na uzyskanie ok. 10 serii pomiarowych.
Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów Lp. Przepływ Natężenie
promieniowania
Temperatura Temperatura Temperatura
Q, l/h R, W/m2 T1,oC T2,oC TA,oC
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
7. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie
internetowej katedry.
8. Literatura Staniszewski B., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979
Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000
Holman J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997
Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press,
Cambridge, 2002
Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, 2003
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
13
9. Załączniki
Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami:
Tabela do ręcznego zapisu wyników pomiarów
Lp. Przepływ Natężenie
promieniowania
Temperatura Temperatura Temperatura
Q, l/h R, W/m2 T1,oC T2,oC TA,oC
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Podpis prowadzącego:
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
14
10. Dane techniczne urządzenia
Flat plate collector
Absorbing surface: 320x340mm
Angle adjustment: 0...60°
Resolution 10°
Height adjustment
for three positions: 279 mm, 532 mm, 862 mm
Lighting unit
Halogen spotlamps: 25 x 50 W
Illuminance: 0,5 kW/m2 -2,5 kW/m2
Peristaltic pump
Variable flow rate: 3...20 L/h
Measuring ranges
Temperature: 0...100°C
Flow rate: 0...30 L/h
Irradiance: 0...3 kW/m2
Dimensions and weight
LxWxH: 1860 x 790 x 1500 mm
Weight: approx. 90 kg
Connection values 230V, 50/60Hz, 1 phase
LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II
15
11. Instrukcja wymiany absorbera