Poczta „Magazynu Instalatora”. Połączenia w absorberach

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa zobacz pdfa 

W artykule tym autor stwierdza, że „w badaniach opisanych w [1] określono najwyższy współczynnik przekazywania ciepła dla absorberów spawanych laserowo, a następnie dla zgrzewanych ultradźwiękowo”. Autor nie podał roku publikacji (artykuł opublikowano w roku 1996) oraz informacji o tym, jakie sposoby mocowania rurek przepływowych do blachy absorbera analizowano w tych badaniach. Nie napisał, że badaniom nie poddano absorberów powierzchniowych, a 21 różnych absorberów pasemkowych/lamelowych dostarczonych przez dziewięciu producentów. Absorbery te posiadały pasemka/paski blachy o różnej szerokości oraz rurki przepływowe wykonane generalnie z miedzi. Połączenia blachy z rurkami wykonane były przez zaciskanie, poprzez spawanie ultradźwiękami lub laserem.
Jedynie jeden egzemplarz wykonany był z aluminium. Należy zwrócić uwagę, że autor jest pracownikiem firmy, która łączy za pomocą ultradźwięków miedzianą blachę i rurki przepływowe, natomiast za pośrednictwem lasera aluminiową blachę z miedzianymi lub aluminiowymi rurkami przepływowymi (informacja ze strony internetowej firmy).
Dla przybliżenia parametrów badanych próbek przedstawiam oryginalny opis próbek nr 8 i 19, które badano (z tłumaczeniem na język polski, rys. 1).Przeliczanie jednostek miary drewna

Jak widać, badane próbki posiadały różne szerokości pasemka oraz średnice rurek przepływowych. Nie upoważnia to, moim zdaniem, do formułowania wniosku, że połączenie laserem posiada wyższy współczynnik przekazywania ciepła od połączenia ultradźwiękami. Sam autor na początku swojego artykułu zaznaczył, że: „sprawność pracy zależy od szczegółów konstrukcyjnych”.

Dlaczego autor próbuje udowodnić wyższość lasera nad ultradźwiękami, posługując się wynikami badań na pasemkach absorbera zamiast podać wyniki dla absorbera powierzchniowego, nie uwzględnia, że próbki różniły się od siebie, badano jedynie absorbery z powłoką czarny chrom/nikiel, do badań nie wykorzystano próbek z innymi sposobami łączenia blachy z rurkami przepływowymi, na przykład lutowania, itd.? Może wyjaśnienie jest proste?

W tabeli 1 przedstawiono kolektory produkowane przez firmę, której pracownikiem jest autor analizowanego artykułu, a jej nazwę podano w ww. artykule.
W tabeli zawarto podstawowe parametry.

Najprostszym sposobem na uzyskanie odpowiedzi na pytanie, który sposób łączenia blachy absorbera z rurkami przepływowymi pozwala na osiągnięcie najwyższej sprawności, jest porównanie wyników badań wydajności.

Warunkiem podstawowym jest oczywiście zachowanie porównywalności parametrów wpływu, to jest wykonanie identycznych kolektorów, które będą się różniły jedynie sposobem łączenia rurek przepływowych z blachą absorbera.

Jak wynika z tabeli 1, nie ma możliwości porównania w taki sposób kolektorów tego producenta, albowiem ultradźwięki są stosowane przy łączeniu blachy i rurek z miedzi, a laser przy łączeniu aluminiowej blachy z miedzianymi rurkami przepływowymi. Stąd też prawdopodobnie autor, aby udowodnić swoją tezę, posłużył się wynikami badań obcych.
Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, że łączenie blachy absorbera z rurkami przepływowymi wykonanymi z innego materiału niż blacha (np. blacha aluminiowa – rurki miedziane) związane jest z koniecznością zapewnienia kompensacji różnic wydłużeń liniowych/powierzchniowych wynikających z ich różnej wydłużalności cieplnej. Bez kompensacji wydłużeń istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo rozdzielenia się połączonych elementów. Zaistniała sytuacja wymusza niejako wykorzystanie lasera do wykonania połączenia – laser umożliwia bowiem nieciągłe połączenie elementów, w odróżnieniu do głowicy ultradźwiękowej, gdzie połączenie jest liniowe ciągłe.


Autor w artykule podjął się udowodnienia, że układ absorbera z harfą pojedynczą jest korzystniejszy od harfy podwójnej, inaczej zwanej dzieloną.
Skoro podjął się tego zadania, to powinien na początku przedstawić parametry obu porównywanych kolektorów oraz ich charakterystykę sprawności, aby wiadomo było, jakie kolektory porównuje.
Przypomnijmy czytelnikom wzór na sprawność kolektora słonecznego:

η = ηo – k1 * ΔT/Es – k2 * ΔT2/Es,

gdzie:

ηo – współczynnik konwersji (sprawność optyczna),
k1, k2 – liniowy i kwadratowy składnik współczynnika przewodności cieplnej,
Es – wartość natężenia promieniowania słonecznego,
ΔT – różnica temperatur pomiędzy temperaturą absorbera a temperaturą otoczenia.rys. 3.

Ponieważ autor podaje dokładne wyliczenie strat ciepła, cytuję:
za wyższą temperaturą nie idzie w parze wyższa sprawność – straty ciepła do otoczenia są wyższe o ponad 40%”, to powinien, moim zdaniem, podać wartości współczynników k1 oraz k2, gdyż to one decydują o wielkości strat ciepła.

Autor pisze:
„czynnik grzewczy, przechodząc przez kolejne kolektory szeregowo, podnosi swoją temperaturę. Na wyjściu z baterii różnice są już znaczące: 80°C wobec 49°C”.

Jak nietrudno wyliczyć, przyrost temperatury w baterii z harfą podwójną jest wyższy o (80 – 49)/49 = 63,3% od przyrostu temperatury w harfie pojedynczej.

Autor pisze dalej: jednostkowa moc grzewcza baterii kolektorów o równoległym przepływie czynnika grzewczego przewyższa o 30% moc baterii z przepływem szeregowym”. Moim zdaniem, jest nieco inaczej.

Porównajmy moce cieplne w obu przypadkach, zakładając, że mamy do czynienia z kolektorami o identycznej powierzchni, a przepływ objętościowy przez kolektory wynosi odpowiednio 60 l/h dla baterii równoległej i 30 l/h dla szeregowej (stosownie do danych na rys. 3 z ww. artykułu):

Wzór ogólny na moc cieplną:

P = V * ρ * cp (Twy – Twe),

gdzie:

V – przepływ objętościowy [l/h],
ρ – masa właściwa (gęstość) [kg/l],
cp – ciepło właściwe [Wh/(kg * K)],
Twy – temperatura medium na wylocie [K],
Twe – temperatura medium na wlocie [K].

Wykonujemy proste obliczenia:

a) bateria szeregowa: P = 30 * ρ * cp (80 – 40) = 1200 * ρ * cp.
b) bateria równoległa: P = 60 * ρ * cp (49 – 40) = 540 * ρ * cp .

Bateria szeregowa a) uzyskuje, moim zdaniem, moc większą od b).

Autor stwierdza: „pomimo nieco wyższej temperatury na wyjściu czynnika grzewczego moc grzewcza przykładowego kolektora z dwuścienną rurą próżniową jest niższa o blisko 30% (wartości odnoszone do powierzchni apertury)” – od kolektora z rurą jednościenną. Co autor rozumie pod pojęciem przykładowy kolektor z rurą dwuścienną? Czy autorowi chodzi o kolektor innej firmy, który charakteryzuje się następującą krzywą sprawności odniesioną do powierzchni apertury:

η = 0,611 – 0,84 * (ΔT/Es) – 0,0053 * (ΔT2/Es) [2], czy może chodzi o kolektor innego producenta? Ten drugi kolektor z bezpośrednim przepływem to prawdopodobnie kolektor firmy, której pracownikiem jest autor. Kolektor ten charakteryzuje się następującą krzywą sprawności odniesioną do powierzchni apertury:

η = 0,780 – 1,27 * (ΔT/Es) – 0,0012 * (ΔT2/Es) [3].

Dla porównania charakterystyk obu kolektorów sporządzono wykres porównawczy dla dwóch wybranych wartości nasłonecznienia, 800 oraz 400 W/m2 (rys. 2).

Jak na nim widać, w całym zakresie temperatur sprawność kolektora pierwszego jest wyższa. Nie trzeba więc niczego udowadniać. Nieco inaczej wypadnie jednak porównanie, jeśli konkurentem będzie kolektor innej firmy o następującej krzywej sprawności:

η = 0,687 – 0,613 * (ΔT/G) – 0,003 * (ΔT2/G).

Okaże się bowiem, że w zastosowaniach do obiektów przemysłowych, gdzie wymagane jest uzyskanie wysokich temperatur również podczas niskiej wartości nasłonecznienia, swoją wyższość wykaże ten właśnie kolektor (rys. 3).

dr inż. Jerzy Chodura

Literatura:

[1] Bestimmung des Kollektorwirkungsgradfaktors F’ an flüssigkeitsführenden Solarabsorbern“, SPF Rapperswil 1996.
[2] www.watt.pl/pl/imagesdb_5180ea76111ca17ed3771bab4dba3e1a.pdf
[3] www.solarenergy.ch/fileadmin/daten/reportInterface/kollektoren/factsheets/scf1030de.pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij