Badania wpływu strat cieplnyc hkolektorów słonecznych

Badania strat cieplnych kolektorów
słonecznych ponoszonych przez frontowe
pokrycie szklane
W celu określenia całkowitego współczynnika strat cieplnych kolektora słonecznego αa→ot wyznaczono poszczególne strumienie składowe całkowitego strumienia
strat cieplnych kolektora słonecznego, zawierającego izolację termiczną powierzchni
tylnej oraz pojedyncze frontowe pokrycie szklane.
Ciepło tracone z kolektora słonecznego do otoczenia jest sumą strumieni
strat cieplnych ponoszonych przez powierzchnię przednią, powierzchnię tylną oraz
powierzchnie boczne kolektora. Ze względu na znikomą wartość strumienia strat
przez powierzchnie boczne w analizie uwzględniono jedynie straty ciepła przez
powierzchnię przednią i tylną. Wartość całkowitego współczynnika przyjmuje zatem
następującą postać:
αa→ot = αaf + αab
(1)
gdzie αaf jest współczynnikiem strat przez powierzchnię przednią oraz αab jest
współczynnikiem strat przez powierzchnię tylną.
Ciepło tracone z kolektora przez powierzchnię tylną jest wynikiem przenikania
strumienia ciepła przez materiał izolacyjny zawarty w obudowie kolektora. Wartość
współczynnika strat cieplnych przez powierzchnię tylną można opisać wzorem:
αab =
λiz
1
=
Rab
giz
(2)
gdzie Rab jest oporem cieplnym materiału izolacyjnego, λiz jest współczynnikiem
przewodności cieplnej oraz giz jest grubością materiału izolacyjnego.
Ciepło tracone z układu absorbera do otoczenia przez przednią powierzchnię
pokrycia szklanego wymaga jednoczesnego rozważenia wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie pomiędzy równoległymi płaszczyznami płyty pochłaniającej
oraz pokrycia. Podejście to jest bardzo trudne, gdyż wymaga określenia zależności
temperatury płyty pochłaniającej od konwekcyjnych i zastępczych współczynników
przejmowania ciepła. W praktyce wykorzystuje się wzory i wykresy empiryczne
opisujące wartość współczynnika strat cieplnych α przez powierzchnię frontową
kolektora .
1
αaf =
1
B
Ta
Ta −Tot
1+H
0,33
+
1
αc
+
σ(Ta 2 + Tot 2 )(Ta + Tot )
1
ε+0,05(1−εa )+ H+1
ε
(3)
c
We wzorze (3) współczynniki B oraz H oblicza się w następujący sposób:
B = 365, 9(1 − 0, 00883β + 0, 0001298β 2 )
(4)
2
Badania strat cieplnych przez pokrycie szklane
gdzie: β jest kątem nachylenia kolektora względem płaszczyzny poziomej,
H = 1, 091(1 − 0, 04αc + 0, 0005αc 2 )
(5)
gdzie: αc jest współczynnikiem przejmowania ciepła przez wiatr opływający
powierzchnię pokrycia szklanego, wyznaczony empirycznie przez McAdams’a:
αc = 5, 7 + 3, 8ww
(6)
gdzie ww - jest prędkością powietrza opływającego zewnętrzne powierzchnie
kolektora słonecznego, wyrażone w m/s.
Wartości współczynnika strat cieplnych z kolektora αa→ot wyznaczono w zakresie
zmian temperatury średniej absorbera w zakresie Ta = 0 ÷ 200 ◦ C oraz temperatury
otoczenia w zakresie Tot = 10 ÷ 40 ◦ C. Wyniki przeprowadzonych obliczeń
przedstawiono na wykresie zmian wartości współczynnika strat αa→ot od średniej
temperatury absorbera Ta i temperatury otoczenia Tot (wyk. 1).
αa−ot [W/m2*K]
7
6
5
4
3
40
30
200
20
150
10
100
0
Tot [°C]
−10
50
0
Ta [°C]
Rys. 1. Wykres zmian wartości współczynnika strat cieplnych układu absorbera αa→ot w
funkcji średniej temperatury absorbera Ta i temperatury otoczenia Tot .