Projekt-Fototermia-LN.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 , promieniowanie wyniosło 1097,9 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

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°.

4.      Moc promieniowania padającego na pojedynczy kolektor

Moc generowana przez pojedynczy kolektor zależy od strumienia promieniowania padającego na jego powierzchnię apertury. Zakładany rozmiar kolektorów wynosi 2 m długości na 1 m szerokości. Zakłada się, że powierzchnia czynna kolektora ograniczona jest ramą kolektora o szerokości 5 cm licząc od krawędzi kolektora. Przyjmuje się że zacienienie kolektora redukuje jego czynną powierzchnię o 5%.  Na tej podstawie efektywna powierzchnia absorbera (apertura) wynosi 1,62 m2.

Strumień promieniowania padającego na powierzchnię apertury kolektora można obliczyć przy pomocy wzoru:

                                          Gβ=Gb∙Rb+Gd∙1+cosβ2+Gb+Gd∙ρ0∙1-cosβ2                                            (4.1)

gdzie:

Gb - strumień promieniowania bezpośredniego

Gd - strumień promieniowania dyfuzyjnego

ρ0  - refleksyjność otoczenia

Strumień ciepła użytecznego przejmowany przez czynnik obliczono przy pomocy wzoru:

                                                        Qu=ApS-UL∙TAbs-Totocz                                                         (4.2)

gdzie:

Ap - apertura

S    - strumień promieniowania docierający do absorbera

UL - zastępczy współczynnik strat cieplnych dla kolektora

TAbs - temperatura absorbera

Totocz - temperatura otoczenia

Na podstawie wieloletnich danych meteorologicznych dla stacji we Wrocławiu [3] obliczono średnią temperaturę otoczenia, która w rozpatrywanym okresie wynosi 18,57°C. Przy obliczaniu średniej brano pod uwagą średnie temperatury dla każdej godziny w wybranym okresie w godzinach od 700 do 1900. Jako średnią temperaturę powierzchni absorbera przyjęto temperaturę o 5°C wyższą od średniej temperatury czynnika wewnątrz kolektora, która została wyznaczona jako średnia logarytmiczna temperatury czynnika na wejściu i na wyjściu. Przyjęta temperatura powierzchni absorbera TAbs  wyniosła ok. 317,4 K ( ok. 44,2°C).

Strumień promieniowania docierający do absorbera można obliczyć ze wzoru:

              S=Gb∙Rb∙τ∙αθβ+Gd∙1+cosβ2+Gb+Gd∙ρ0∙1-cosβ2∙τ∙αθβ                             (4.3)

gdzie:

τ - współczynnik transmisji osłony przeźroczystej

α - współczynnik absorpcji osłony przeźroczystej

ρ0 - współczynnik odbicia dla otoczenia kolektora

Przyjęto że w otoczeniu kolektora jest głównie trawa i beton i na tej podstawie współczynnik ρ0 został przyjęty na poziomie 0,30 [4]. Przyjęto transmisyjność osłony przeźroczystej dla widma promieniowania słonecznego typową dla szyby ze szkła zwykłego o grubości 3 mm, wynoszącą 0,86 [4].

Na podstawie obliczeń strumień promieniowania docierający do powierzchni kolektora wynosi 1053,5 W.

5.      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                                                                           (5.1)

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

...