Projekt-Fototermia-BezStrTyt.docx

1.      Dane do projektu oraz założenia wstępne

Pgrzewcza = 17 kW

T WY kolektora = 42 °C

zakładany czynnik: wodny roztwór glikolu propylenowego (51% masowo, Tkrzepnięcia=-35 °C)

ρ  = 1,04 kg/dm3 (w temperaturze 20 °C)

cp = 3,55 kJ/kg*K

lokalizacja: Wrocław

Przyjęto, że ciepło generowane przez kolektory jest wykorzystywane do ogrzewania jaj w wylęgarni. Temperatura na wejściu do kolektora wynosi 36,5 °C. Temperatura wymagana w aparatach lęgowych dla drobiu mieści się w przedziale pomiędzy 37,7 a 38,3 [1]. Zakładana temperatura jest niższa, ze względu na straty cieplne na powrocie czynnika.

2.      Gęstość promieniowania na powierzchnię horyzontalną

Gęstość promieniowania na powierzchnię płaską oszacowano przy użyciu kalkulatora online – SOLARSYM [2]. Parametry wejściowe dla których program dokonywał obliczeń są przedstawione na rysunku 1.

Rysunek 1. Parametry wejściowe – ustawienia wybrane w kalkulatorze promieniowania słonecznego SOLARSYM [2] dla powierzchni ustawionej na płaszczyźnie horyzontalnej

Za pomocą kalkulatora SOLARSYM został znaleziony dzień, w którym suma promieniowania dochodzącego do ziemi była najmniejsza. Wynikiem był 273 dzień roku (30 września). Następnie dla znalezionego dnia wybrano godzinę, w której wartość chwilowa promieniowania była najwyższa. Była to godzina 1200 zaś suma promieniowania docierającego do powierzchni wyniosła 544 W/m2 (Rys.2).

Rysunek 2. Wyniki otrzymane za pomocą kalkulatora SOLARSYM [2] dla powierzchni ustawionej na płaszczyźnie horyzontalnej

3.      Poszukiwanie minimalnej odchyłki i optymalnego kąta nachylenia kolektora oraz strumienia promieniowania padającego na powierzchnię kolektora

Dla znalezienia wspomnianych w niniejszym punkcie parametrów należy posłużyć się następującymi formułami:

δ=23,45∙sin360∙284+n365                                             (3.1)

gdzie:

n - numer dnia w roku (na podstawie pkt.2 przyjmuje się 273 dzień w roku, tj. 30 września)

δ - deklinacja

                                                                      ω=15∙(τ-12.00)                                                                        (3.2)

gdzie:

ω - kąt godzinowy

τ  - godzina (na podstawie pkt.2 przyjmuje się godzinę 1200)

θβ=sinδ∙sinφ∙cosβ-sinδ∙cosφ∙sinβ∙cosγ+cosδ∙cosφ∙cosβ∙cosω+cosδ∙          sinφ∙sinβ∙cosγ∙cosω+cosδ∙sinβ∙sinγ∙sinω                                                             (3.3)

gdzie:

Θβ - kąt padania promieniowania słonecznego

φ  - szerokość geograficzna

β  - kąt odchylenia kolektora od poziomu

γ   - orientacja kolektora względem osi północ-południe (0° gdy wektor normalny powierzchni kolektora skierowany jest na południe, -1° za każdy stopień odchylenia osi w kierunku wschodnim)

Obliczenia zostały przeprowadzone iteracyjnie, gdzie przy kolejnej iteracji zmianie o 1° ulegał kąt β. Wartość kąta β zmieniała się w przedziale od 0° do 90°. Najmniejsza wartość kąta Θβ została osiągnięta dla kąta β równego 55° i wyniosła 0,18°.

Następnie po podstawieniu uzyskanej wartości kąta nachylenia β  do kalkulatora Solarsym, została ponownie oszacowana moc promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora (Rys.3).

Rysunek 3. Parametry zadane do kalkulatora Solarsym [2] - kolektor ustawiony pod kątem do płaszczyzny poziomej

Wartość strumienia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora, obliczona za pomocą kalkulatora Solarsym wynosi ostatecznie 650,3 W/m2 (Rys.4).

Rysunek 4. Wyniki otrzymane za pomocą kalkulatora Solarsym [2] dla powierzchni ustawionej pod kątem płaszczyzny horyzontalnej

4.      Obliczenie strat cieplnych kolektora

Aby obliczyć straty cieplne kolektora należy znaleźć zastępczy współczynnik strat cieplnych kolektora UL . Jest on sumą współczynników  Ub , Uc  oraz Ud , które oznaczają odpowiednio:

Ud - zastępczy współczynnik strat cieplnych dla absorbera i izolacji na dolnej stronie kolektora

Ub - zastępczy współczynnik strat cieplnych dla bocznych powierzchni kolektora

Uc - zastępczy współczynnik strat cieplnych dla szyby kolektora

Aby obliczyć Ud należy posłużyć się wzorem:

Ud=11hp+δAλA+δiλi+1hz                                                                           (4.1)

gdzie:

hp  - współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy absorberem a powietrzem znajdującym się w pustej przestrzeni pod płytą absorbera

hz  - współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy obudową kolektora a otoczeniem

δA  - grubość płyty absorbera

δi  - grubość izolacji

λA  - przewodność cieplna absorbera

λi  - przewodność cieplna izolacji

Aby obliczyć współczynniki przejmowania ciepła wykorzystano równanie Wattmuffa [3]:

h=2,8+3∙vśr                                                                 (4.2)

gdzie:

h   - współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy elementem a otoczeniem

vśr - średnia prędkość wiatru występująca w danym miejscu

Rozpatrywana formuła jest prawdziwa dla lokalizacji, w których średnia prędkość wiatru nie przekracza 5 m/s. Dla przyjętej lokalizacji średnia prędkość wiatru mieści się w przedziale pomiędzy 4 a 5 m/s [4], co pozwala wykorzystać wzór 4.2.

Aby obliczyć Uc należy posłużyć się wzorem:

Uc=11ha+hr+1∙dcλc                                                             (4.3)

gdzie:

ha - współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy absorberem a powietrzem znajdującym się pomiędzy szybą i płytą absorbera

dc  - grubość szyby

λc  - przewodność cieplna szyby

Aby obliczyć hr należy posłużyć się wzorem:

                                                                      hr=σ∙TAbs2-Tc2∙TAbs-Tc1εAbs+1εc-1                                               (4.4)

gdzie:

σ     - stała Stefana-Boltzmana, równa 5,67*10-8 W(m2K4)

TAbs - temperatura powierzchni absorbera

Tc    - temperatura zewnętrznej powierzchni szyby

εAbs ...