GÜNEŞ ENERJĐSĐ IV. BÖLÜM. Prof. Dr. Olcay KINCAY

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJĐSĐ IV. BÖLÜM Prof. Dr. Olcay KINCAY

2 DÜZ TOPLAYICI Düz toplayıcı, güneş ışınımını, yararlı enerjiye dönüştüren ısı eşanjörüdür. Akışkanlar arasında ısı geçişi sağlayan ısı eşanjörlerinden farkı, enerji kaynağının bir ışını olması ve ısı geçiş hızının yüksek oluşudur. Bu bölümde sac-boru sistemi sıcak sulu düz toplayıcı incelenmiştir. Düz toplayıcı şu kısımlardan oluşur: a. Enerji toplayan siyah yüzey, b. Toplanan enerjiyi akışkana ileten borular, c. Enerji ışınlarının siyah yüzeye geçmesini sağlayan ve üstten ısı kayıplarını önleyen saydam örtüler (genellikle cam) d. Alttan ısı kaybını önleyen yalıtıcı e. Mahfaza

3 Şekil: DÜZ TOPLAYICI

4 Düz toplayıcı enerji dengesi ve verimi Düz toplayıcı enerji dengesi: A H ( τ. α) = Q + Q + Q C T net U L S H T = Yüzeye gelen toplam ışınım A C = Düz toplayıcı alanı (τ α) net = Net geçiş-yutma katsayısı Q U = Yararlı ısı Q L = Kaybolan ısı Q S = Depolanan ısı Düz toplayıcı verimi: QU η = A H C T

5 DÜZ TOPLAYICININ TOPLAM ISI GEÇĐŞ KATSAYISI Düz toplayıcının sacı belirli bir sıcaklığa ulaştıktan sonra üst örtüden, alt yalıtıcıdan ve yan yüzeylerden ısı kaybı başlar. Üst örtünün toplam ısı geçiş katsayısı; U T (344/T N 1 σ.(t ) (T 0,31 1 [(T T )/(N + f) ] h [ ε + 0,0425 N (1 ε )] + [(2N + f 1)/ε ] N + T P A = + + P ). P A w P P 1 2 P + T 2 A ) g U T = Üst örtünün toplam ısı geçiş katsayısı (W/m 2 C) N = Cam örtü adedi f = (1-0,04 h w h w 2 ) (1+ 0,058 N)

6 DÜZ TOPLAYICININ TOPLAM ISI GEÇĐŞ KATSAYISI h w = Rüzgar için ısı geçiş katsayısı (5,7+ 3,8 v) v = Rüzgar hızı (m/s) ε p = Toplayıcı sacı için yayma katsayısı ε g = Cam için yayma katsayısı = 0,88 T A T P = Dış sıcaklık (ºC) = Toplayıcı sacı sıcaklığı (ºC) Not: Cam örtüler arası ve örtü ile sac arasındaki mesafesi 2,5 cm kabul edilmiştir.

7 ÜST ÖRTÜNÜN TOPLAM ISI GEÇĐŞ KATSAYISI Aşağıdaki şekilde üst sırada toplayıcı sacın yayma katsayısı, ε p = 0,1 kabul edilmiştir. Bu değer seçici yüzey kullanıldığını ifade eder. Alt sırada seçici olmayan yüzey ele alınarak, ε p = 0,95 değeri kullanılmıştır. Her iki durum için üç ayrı rüzgar hızı incelenmiştir: 0 m/s 5 m/s ve 10 m/s Üst örtü olarak 1, 2 ve 3 cam için ve dış sıcaklık 40ºC, 10ºC ve - 20ºC olduğuna göre eğriler çizilmiştir. Eğim açısının 45º olduğu kabul edilmiştir. Eğim açısının değişmesi halinde U T değeri de değişir. Bir sonraki şekilde eğim açısına göre U T değerine uygulanacak düzeltme katsayısını gösterir.

8

9 Şekil: TOPLAM ISI GEÇĐŞ KATSAYISI ĐÇĐN DÜZELTME KATSAYISI

10 DÜZ TOPLAYICI ALT YALITIMINDAN OLAN KAYIPLAR Bu kayıplar yalıtıcının niteliğine bağlıdır: k U B = L k = Yalıtıcının ısı iletim katsayısı L = Yalıtıcı kalınlığı Not: Yalıtıcının arka yüzeyindeki hava filminin ısı geçiş katsayısı, yalıtıcı direncine göre çok küçük olduğundan ihmal edilmiştir. Düz toplayıcı toplam ısı geçiş katsayısı olan ; U = U T + U B dir. L U L

11 DÜZ TOPLAYICININ EŞANJÖR ISI VERĐMĐ KATSAYISI Üst örtüde geçiş kaybına ve seçici yüzeyde yutma kaybına uğrayan ışınım enerjisi, toplayıcı sacdan suya geçinceye kadar eşanjör kaybına uğrar. Gelen ışınım sacı ısıtır. Đki boru arasında kalan sac parçasının orta çizgisinden boruya doğru enerji akımı başlar ve borudan geçen suyu ısıtır. Đki boru arasındaki sac parçasının yarısını bir kanat olarak kabul edersek borudaki ısı geçiş konusu bir kanat şeklinde incelenebilir.

12 Kanat verimi: tanh m(w D)/2 F = m (W D)/2 m = Hava kütlesi = ( U L / k δ) ½ δ = Kanat malzemesinin kalınlığı (m) W = Boru eksenleri arasındaki mesafe (m) D = Boru çapı (m) k = Kanat malzemesinin ısı iletim katsayısı (kcal/mhºc)

13 Şekil: DÜZ TOPLAYICININ EŞANJÖR DÜZENĐ

14 Şekil: KANAT VERĐMĐ [m (W-D)/2 nin fonksiyonudur]

15 TOPLAYICI VERĐM KATSAYISI Kanat verimine ve diğer parametrelere bağlı olarak, toplayıcı verim katsayısı olan F aşağıdaki gibi ifade edilir. F' = W. U L 1 1/ U L + 1 C [ D + (W D).F] b + 1 π.d.h f,i C b h f,i = Kaynak malzemesinin ısı geçiş direnci (ihmal edilebilir) = Boru iç yüzeyi ile sıvı arasındaki taşınımla ısı geçiş katsayısı (kcal/m 2 hºc)

16 TOPLAYICI VERĐM KATSAYISI Aşağıda üst üç grafikte suyun termosifon etkisi ile hareket ettiği düşünülmüş ve = 250 kcal/m 2 hºc değeri kullanılmıştır. Alttaki üç grafikte ise suyun pompa vasıtası ile hareket ettiği düşünülmüş ve boru ile sıvı arasındaki taşınımla ısı geçişi katsayısı = 1300 kcal/m 2 hºc değeri kullanılmıştır. U L h f,i h f,i ise 1,7 3,4 6,8 kcal/m 2 hºc değerlerine göre hazırlanmıştır. Bu değerler yaklaşık olarak üç, iki ve bir cam örtüye tekabül eder.

17 TOPLAYICI VERĐM KATSAYISI Düz toplayıcılarda çok kullanılan bazı sac malzemelerin k değerleri: çelik için 0,06 W/mm = 0,05 kcal/mm hºc alüminyum için 0,23 W/mm = 0,20 kcal/mm hºc bakır için 0,38 W/mm = 0,33 kcal/mm hºc Örneğin 1 mm kalınlığındaki çelik sac için kδ = 0,05 kcal/hºc olacaktır.

18

19 DÜZ TOPLAYICI EŞANJÖR ISI VERĐMĐ ve AKIŞ KATSAYISI Düz toplayıcı eşanjör ısı verimi katsayısı; F R G c = U L P [ ] (U F ' / G c ) 1 e L P G = Düz toplayıcının birim alanından geçen su debisi (kg h/m 2 ) c P = Suyun sabit basınçtaki ısınma ısısı (kcal/kgºc) dir. Düz toplayıcı akış katsayısı; F R F = / F

20 Şekil: DÜZ TOPLAYICININ EŞANJÖR ISI VERĐMĐ KATSAYISI

21 ÖRNEK D = 15 mm W = 15 cm δ = 1,5 mm (çelik) L = 10 cm (cam yünü) k = 0,035 kcal/mhºc (cam yünü) T = 10ºC T = 60ºC ε A P p = 0,1 k = 50 kcal/mhºc (sac) v = 5 m/s G = 0,01 kg/s m 2 h f,i = 1300 kcal/m 2 hºc olduğuna göre; 45º eğimle duran iki cam örtülü, 1 m 2 düz toplayıcının eşanjör verimi katsayısını bulunuz. Not: ihmal edilecektir. C b

22 Çözüm : = 1,9 kcal/m 2 hºc (grafikten) = 0,35 kcal/m 2 hºc (hesap) = 2,25 kcal/m 2 hºc (hesap) m = 5,48 (hesap) (W D) / 2 = 0,0675 F = 0,96 (şekil veya hesap) F = 0,96 (şekil veya hesap) = 0,93 (hesap) F = 0,97 (şekilden) F R U T U B U L F R F = / F ifadesi kullanılarak istenirse şekilden = 0,93 bulunur. F R

23 TOPLAYICI SAC SICAKLIĞI ĐLE TOZ ve GÖLGELEMENĐN ETKĐSĐ Toplayıcı sac sıcaklığı T P, su giriş sıcaklığı, T f,i değerinden yaklaşık 5 0 C fazla kabul edilerek hesap yapılır. Toz etkisinin genel olarak % 2 oranında ışınım azalmasına neden olduğu kabul edilmektedir. Düz toplayıcının mahfazasının yan duvarları ve camı tesbit etmek için kullanılan ara bölmeler gölge yaparak, ışınımı bir miktar azaltırlar. Bu engel nedeni ile düz toplayıcının veriminin %3 azaldığı kabul edilir.

24 YARARLI ISI Toplam kayıplar, ışınım enerjisinden çıkarıldıktan sonra kalan enerji, yararlı ısıdır; Q U = A F τ C R [ H ( α) U (T T )] A T net L f, i Q U = Yararlı ısı A C = Düz toplayıcı alanı F R = Eşanjör ısı verimi katsayısı H T (τ α) net = Toplam ışınım U L (T f, i T A ) = Düz toplayıcı ısı kayıpları

25 ĐSTANBUL DA AYLIK TOPLAM YARARLI ISI Örnek: Eşanjör: Sac-boru Yüzey : Seçici Toplayıcı alanı (A C ): 1 m 2 Yayma (ε P ): 0,1 Boru çapı (D) : 15 mm Yutma (α n ): 0,9 Eksen arası (W): 150 mm Üst örtü : 2 cam Sac malzemesi : Çelik Alt örtü : 10 cm cam yünü Sac kalınlığı (δ) : 1,5 mm Rüzgar : 3 m/s Sıvı : Su Su debisi: 0,015 kg/s m 2 Sistem: Pompalı

26 Şekil: ĐSTANBUL DA AYLIK TOPLAM YARARLI ISI

27 ĐSTANBUL DA AYLIK TOPLAM YARARLI ISI Seçici olmayan yüzey için hesaplar tekrarlanarak aşağıdaki şekilde bir nokta halinde gösterilmiştir. Seçici olmayan yüzeyin verdiği ısı seçici yüzeyden alınan ısının %63 kadarı olmaktadır.

28 Şekil:ĐSTANBUL DA KIŞ MEVSĐMĐĐÇĐN TOPLAM YARARLI ISI

29 KIŞ MEVSĐMĐ ĐÇĐN TASARIM ESASLARI 1 m 2 düz toplayıcı için su debisi 0,015 kg/s m 2 civarında olmalıdır. En az 0,01 kg/s m 2 olmalıdır. Seçici yüzey kesinlikle kullanılmalıdır. ε P = 0,1 ve α n = 0,9 değerlerinde tutulmalıdır. Đki cam kullanılmalıdır. Cam yünü kalınlığı 7 cm ve tercihen daha büyük olmalıdır. Sistemde pompa kullanılmalıdır. Eğim açısı = enlem kuralı kış aylarında uygulanmalıdır. Hata ± 15 0 olabilir.

30 KIŞ MEVSĐMĐ ĐÇĐN TASARIM ESASLARI Eşanjör ısı verimi katsayısı F R = 0,9 değerinin altında olmamalıdır. Rüzgar hızı Đstanbul için 3 m/s alınmalıdır. Düz toplayıcıya giren suyun sıcaklığının 50 0 C olarak seçilmesi yeterlidir. Duruma göre C da seçilebilir. Sıcak su deposu hacmi düz toplayıcı alanına göre hesaplanır. 1 m 2 düz toplayıcı alanı için depo hacmi litre arasındadır.