VLIV AKUMULAĆNÍCH VLASTNOSTÍ KOLEKTORU NA PODMÍNKY V SOLÁRNÍ SUŠÁRNĚ

VLIV AKUMULAĆNÍCH VLASTNOSTÍ KOLEKTORU NA  PODMÍNKY V SOLÁRNÍ SUŠÁRNĚ Autor, autoři: Ing. Jiří Zejda, MZLU v Brně, [email protected] Bc. Petr Novák, MZLU v Brně, [email protected]

Anotace Článek   je   zaměřena   na   porovnání   akumulačních   schopností   různých   tlouštěk   slunečního  kolektoru solární sušárny řeziva. Práce popisuje numerický model představující horní šikmý  tunel solární sušárny s vloženým kolektorem. Model jako takový byl sestaven pomocí metody  konečných prvků/objemů s využitím programů  společnosti ANSYS. Simulace obsahuje dvě  fyzikální prostředí. Vzduch představuje okolní prostředí zkoumaného kolektoru a slouží jako  nosné   médium   pro   přenos   tepla.   Pevné   prostředí   obsahující   kolektor   který   je   zahříván  slunečním zářením a dále pak je ovlivněn okolní teplotou. Po fyzikální stránce model využívá  mechaniky tekutin a termální analýzy, kdy proces ohřevu a přestupu tepla je řešen transientní  analýzou trvající tři dny.  Předmětem   pozorování   byla   analýza   chování   akumulačních   schopností   různých   tlouštěk  (materiálů) absorpčních kolektorů solárních sušáren. Hlavním kritériem posouzení vhodnosti  použití kolektorů pak byla změna tloušťky tedy teplotní kapacitu. Analýza byla provedena na  základě   dvou   standardních   dnů,   představující   nejteplejší   a   nejstudenější   den   v   jednom  kalendářním roce. 

Annotation The paper is focused on comparison of accumulation abilities of sun collectors used for solar  drying kiln in different thickness. We describe numerical model of upper diagonal tunnel of  the solar kiln with embedded collector. The model was done by Finite Volume Method using  software of the company ANSYS. The simulation involve two physical environments. The air domain represents surrounding  environment around the collector in focuse and serves like medium for heat transfer. Solid  environment include the collector which is heated up by sun radiation and also is influenced  by surrounding temperature. The model includes fluid mechanics and thermal analysis. The  processes of heating­up and transfer of heat are solved by transient analysis which takes three  days. The analysis of accumulation capabilities of different thicknesses and materials of absorptive  solar kiln collector was the main object of goals. The main criteria of the suitability of  collectors was the thickness change. It means change of thermal capacity. The analysis was  carried out on base of two standard days – the warmest and the coldest days of a calendar  year. 

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 1

Úvod Sušení dřeva je proces, při kterém dochází k odstranění přebytečné vlhkosti ze dřeva.  Jednou   z možných   alternativ   sušení   dřeva   je   sušení   v tzv.   solární   sušárně.   Tato     zařízení  využívá   energie   slunečního   záření   k ohřevu   sušícího   prostředí   a  k  odstranění   vlhkosti   ze  dřeva.  Na obr.    je znázorněn jeden z možných  principů  funkce solární  sušárny   (v tomto  případě se jedná o poloskleníkový typ bez aditivního zdroje tepla). 

Obrázek  1: Schéma poloskleníkové solární sušárny (RV1 – relativní vlhkost vzduchu po ohřátí kolektorem,  RV2 – relativní vlhkost vzduchu v prostoru sušárny, převzato z „Dry kiln operators manual, Simson (1991), –  přeloženo a upraveno).

Geometrie této sušárny nejlépe vyhovuje klimatickým podmínkám České republiky a  vychází z ní i popisovaný model části sušárny, kolektoru s proudícím vzduchem. Kolektor  slouží   k absorpci   a   předávání   energie   slunečního   záření   do     vzduchu.   Avšak   vlastnosti  kolektoru v závislosti na jeho konstrukci mohou být také akumulační. Kolektor v této práci představuje pasivní prvek v podobě litinové desky. Požadavky na tento  prvek jsou nejvyšší možná absorpce slunečního záření a nejnižší reflexní vlastnosti. Samotná   práce   je   zaměřena   na   sestavení   a   analýzu   numerického   modelu   ve   kterém   byly  simulovány podmínky prostředí solární sušárny. Pro simulaci ročního období byly vybrány 2  dny jako zástupci nejlepších a nejhorších povětrnostních a teplotních podmínek.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 2

Materiál a metodika Pro vytvoření parametrického modelu, výpočtu  a zobrazení výsledků byl použit FEM1  a CFD2 program ANSYS Workbech 11 a  ANSYS CFX 11.  Sestavení celkové analýzy sleduje základní postup vytváření numerického modelu.

Geometrický model

Pro vytvoření geometrického modelu byly použity základní rozměry vycházející ze  solární sušárny v Kanadě v Thunder Bay  (Wengert). Geometrický model nezahrnuje celou  sušárnu,   zaměřuje  se   pouze   na   prostor   (tunel)   mezi   kolektorem   a   transparentní   plochou  sušárny.   Model   tedy   představuje   tunel   s proudícím   vzduchem   a   kolektorem   umístěným  uprostřed tohoto tunelu. Pro optimalizaci výpočtu byla plocha kolektoru z původních 2,4 x 2,1  m redukována na 2,1 x 0,2 m při zachování všech okrajových podmínek. Geometrický model  byl sestaven v programu ANSYS Workbench 11 viz obrázek 2. Vnější rozměry modelu jsou  pro všechny zvolené případy konstantní tj. 3,1 x 0,3 x 0,2 m  dochází pouze ke změně tloušťky  kolektoru (1,5; 8; 12 cm) a jeho vertikální umístění v tunelu.

Obrázek 2: Geometrický model, 1. výstupní část tunelu, 2. přestup mezi prostředím a kolektorem, 3. zdroj  kolektoru, 4. tělo kolektoru, 5 vstupní část, 6. plochy určující symetrii modelu.

Samotný   kolektor  je   sestaven  ze   dvou  částí.  Jedná  část  „zdroj“,  jehož  tloušťka  je   0.08 m  z důvodu   velikosti   použitého   elementu   je   umístěna   v   horní   části   kolektoru.   Druhá   část  představuje „tělo kolektoru“. Jeho tloušťka je automaticky dopočítávána z požadavku celkové  tloušťky kolektoru, která zahrnuje zdroj a tělo kolektoru.

1

 Computational Fluid Dynamic, ­ využítí matematiky s výpočetní technikou 

Fluid Dynamics ­ dynamika částic, které jsou navzájem v pohybu 2

 Finite Element Methods ­ Metoda Konečných Prvků

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 3

Konečněprvkový model Geometrický model byl transformován na konečněprvkový model.  Konečněprvkový  model byl tvořen s ohledem na požadavky vázaného   fyzikálního prostředí, hlavně pak na  přechodové charakteristyky jednotlivých fyzikálních veličin v mezní vrstvě hranice pevného  tělesa. Kvůli zkvalitnění výsledků byla síť zjemněna na  hranici pevného tělesa. Výsledná síť  byla vytvořena pomocí šestistěnů, síťováním jedné plochy a jejím tažením do prostoru.

Fyzikální model

Do programového prostředí ANSYS CFX 11 vstupuje konečně objemový model. Byly  vytvořeny   dvě   oblasti   (vzdušná   a   pevná)   a   k   nim   odpovídající   materiálové   modely   dle  zvolených   fyzikálních   prostředí.  Úloha   byla   fyzikálně   určena   zadáním   odpovídajících  okrajových a počátečních podmínek. Porovnání účinnosti kolektoru probíhalo během dvou  ročních období v červnu (tab. I, obr. 4) a prosinci (tab. I, obr. 5).   Okrajové podmínky a přestupové plochy jsou znázorněny na obr.  3. Prostor mezi  zvýrazněnými plochami je proudící vzduch v tunelu. 

Obrázek 3: Fyzikální model.

Tabulka I: Intenzita slunečního záření I [Wm­2] denní hodině v prosinci a červnu. Převzato z (Cihelka, 1994). 11 10 9 8 7 6 5 Měsíc 12 13 14 15 16 17 18 19 XII.

580

565

470

280

­

­

­

­

VI.

1000

990

970

930

860

750

625

400

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 4

             Obrázek 4: Vývoj teploty 21. června 2006 (Bajer)         Obrázek 5: Vývoj teploty 21. prosince 2004 (Bajer)

Rychlost a teplota proudícího vzduchu

Rychlost proudění vzduchu na vstupu byla stanovena na 2 ms­1 jako průměrná hodnota  zvoleného typů sušárny, odpovídající objemovému toku vzduchu v hráni. Pro  docílení oběhu  ohřátého   vzduchu   v tunelu   byla   výsledná   teplota   na   výstupu   převedena   jako   počáteční  podmínka na vstup každého časového kroku. Počáteční podmínka teploty v objemu vzduchu  byla stanovena na 295 K. Tímto způsobem je zajištěna cirkulace teplého vzduchu v tunelu.

Materiálové vlastnosti V řešeném modelu  figurují dva materiály, šedá litina a vzduch. Vlastnosti litiny jsou  velice variabilní a závisí především na poměru jednotlivých příměsí. Z Thermal Transport  Properties of Grey Cast Irons (Hecht, 1996) byla vybrána litina o materiálových vlastnostech  při referenční teplotě 25 oC. Vzduch byl vybrán jako materiál v nabídce ANSYS CFX 11 a  jedná se o ideální plyn. Tabulka II. Tabulka materiálových vlastností užitých v modelu.

šedá litina

ideální plyn

7150 kg m­3

1,275 při 0 °C a tlaku 105 Pa 

molární hmotnost

55,85 kg mol­1

28,96 kg mol­1

referenční teplota

25 ˚C

25 ˚C

hustota

1,831e­5 kg m­1 s­1

dynamická viskozita měrná tepelná kapacita

469 J kg­1K­1

1004,4 J kg­1K­1

koeficient tepelné vodivosti  

80 W m­1K­1

0,0261 W m­1K­1

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 5

Hodnocení výstupů  Byla   zkoumána   především   teplota   v různých   částech   tunelu   solární   sušárny.   Pro  zjištění teploty byly umístěny 4 referenční body, které zobrazují průběh teplot. Body snímají  teplotu uprostřed kolektoru, na vstupu a výstupu a na rozhraní okolního vzduchu. Rozmístění  bodů zobrazuje obr. 6.

Obrázek 6: Umístění referenčních bodů pro odečítání průběhu veličin v čase.

Transientní   analýza   byla  rozdělena   do 3  částí  reprezentujících  3  dny  fyzického   času.  Pro  vyhodnocení zda se projevují akumulační vlastnosti kolektoru bylo nutné první 24h cyklus  rozšířit o dalších pět hodin, tedy po dobu kdy je výkon slunečního záření nulový. Další dny  byly řešeny se stejnými okrajovými podmínkami, pouze počáteční podmínka teploty v tunely  byla kontinuálně předávána do následných řešení. 

Výsledky V   modelu   nebyly   zohledněny   zdaleka   všechny   okrajové   podmínky,   které   v solární  sušárně   figurují   (hráň   řeziva,   výměna   vzduchu   mezi   komorou   a   okolím   atd.).   Byly  redukovány   pouze   na   ty,   jež   jsou   nezbytné   nutné   pro   pozorování   izolovaného   problému  závislosti tloušťky kolektoru na charakteru vývoje teploty v komoře sušárny. Pro  konkrétní  tloušťky   kolektoru   v   letním   a   zimním   období   byly   vytvořeny   grafy   průběhu   teplot  v jednotlivých referenčních bodech. Výsledky jsou uspořádány podle ročního období a podle  tloušťky   kolektoru.   Okrajová   podmínka  okolní   teplota,   která   do   výpočtu   všech   modelů  vstupuje má konstantní charakter podle  obr. 4, 5.  Výsledky v letním období  Kolektor   tloušťky  0,015   m  dosahuje   nejvyšších   hodnot   teploty,   ze   všech  modelovaných variant. Z grafu na obrázku  7  je také vidět, že po dosažení těchto vysokých  hodnot klesne teplota ve všech měřených místech po skončení slunečního dne prakticky na  původní hodnoty zadané okrajovou podmínkou okolního prostředí. Podle vývoje grafu nebyl  v modelu sledován jev akumulace sluneční energie. U tohoto případu je také nejvyšší rozdíl  mezi maximem a minimem teploty v jednotlivých zkoumaných místech. Z průběhu teplot lze  předpokládat, že dřevo bude vystaveno velkým teplotním výkyvům během procesu sušení. U další varianty kolektoru tl. 0,08 m je oproti tloušťce 0,015 m zaznamenán výrazný pokles  dosahovaných maximálních teplot. Ve 2. dni se již projevila akumulační schopnost kolektoru.  Teplota se výrazně zvýšila 2. den, kdy maximum se zvýšilo o 10 K. Nárůst teploty 3. den byl  menší než v den předešlý kdy se teplota zvýšila jen 3 K, avšak klesl rozdíl mezi minimem a  maximem o 2 K. Průběh teplot je znázorněn na obrázku 9. ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 6

Při tloušťce kolektoru  0,12 m  bylo dosahováno nejnižších maximálních teplot. Tato  tloušťka kolektoru vykazuje nejvyšší akumulační schopnost.  Průběh teplot ve všech částech  kolektoru vykazuje nejmenší rozdíly od minimální a maximální hodnoty zvláště pak ve 2. a 3.  dni. Akumulace se nejvíce projevila ve 2. dni, kdy byl nárůst teploty (8 K) oproti 1. dni velmi  výrazný. Následující 3. den již nebyl tento nárůst (2 K) tak významný.

Výsledky v zimním období Stejně   jako   analýzy   v   letním   období   bylo   dosaženo   nejvyšších   teplota   ve   všech  kontrolních bodech u kolektoru s tloušťkou 0,015 m. Teploty také klesaly zpět na původní  hodnoty odpovídající podmínkám prostředí ovlivněného atmosférickými vlivy. Akumulační  schopnosti   kolektoru   se   v tomto   případě   neprojevily   a   počáteční   teploty  jsou   stejné   pro  všechny 3 dny. U   kolektoru   tl.   0.08 m   byl   pokles   teplot   ve   všech   měřených   bodech   stejně   jako  v letním   období   v porovnání   s předchozí   tloušťkou   0,015 m   velmi   výrazný.   Akumulační  schopnost se projevuje prakticky jen mezi 1. a 2. dnem, kdy stoupají maxima a snižují se  rozdíly mezi hodnotami teplot. Průběh odevzdávání teploty do prostředí je zde pozvolnější a  nemá tak strmý spád ke konci slunečního dne jako u předešlého kolektoru. U   nejsilnějšího   kolektoru   bylo   dosahováno   nejnižších   maximálních   teplot,   ale  nejvyšších   minimálních   teplot   ve   2.   a   3.   dni   v porovnání   s variantami   0,015 m   a   0,08 m.  Akumulace se projevila stejně jako v předchozích případech nejvíce ve 2. dni. Ve 3. dni byl  zaznamenán velmi malý rozdíl teplot oproti dni 2 a to v průměru o 0,5 K ve všech měřených  bodech.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 7

Obrázek  7:   Průběh   teplot   v letním   období   při   tl.  Obrázek  8:   Průběh   teplot   v letním   období   při   tl.  kolektoru 0,015 m.

kolektoru 0,08 m.

Obrázek  9:   Průběh   teplot   v letním   období   při   tl.  kolektoru 0,12 m.

Obrázek  10:   Průběh   teplot   v zimním   období   při   tl.  Obrázek 11: Průběh teplot v zimním období při tl.  kolektoru 0,08 m. kolektoru 0,015 m.

Obrázek  12:   Průběh   teplot   v zimním   období   při   tl.  kolektoru 0,12 m.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 8

Diskuse Z výsledků je patrné, že se projevuje závislost mezi tloušťkou kolektoru a   teplotou  v prostředí   sušárny.   Tyto   dílčí   výsledky   modelu   se   příliš   neliší   od   reálných   teplot  dosahovaných ve skutečných solárníh sušárnách. Wengert uvádí teplotu v oblastech kolektoru  100­150 °C.  Při konstrukci sušárny zobrazené na obr. 1 je patrné, že sušící řád ovlivňuje především  intenzita slunečního záření, teplota a vlhkost okolního vzduchu a rychlost proudění vzduchu  v sušárně. Pouze rychlost proudění vzduchu je možno účinně regulovat. Při umístění sušárny  na   ideální   místo   (jižní   strana)   se   naskýtá   další   možnost   ovlivňování   sušícího   řádu   právě  volbou   typu  kolektoru.  Při  volbě  kolektoru   s malou  tepelnou  kapacitou   (v  našem  případě  kolektor tl. 0,015 m), jsou výkyvy teplot v sušárně největší. Při zvyšování tepelné kapacity  kolektoru, se snižují extrémy teplot, dochází k akumulaci tepla a podmínky sušení jsou tak  rovnoměrnější.  Při konstrukci sušáren a způsobu sušení je třeba se rozhodnout, jaký druh řeziva bude  sušen a jaké jsou na toto vysušené řezivo konečné požadavky. Pokud bude zvolen kolektor s  nízkou   tepelnou   kapacitou,   pravděpodobně   bude   sušený   materiál   vystaven   velkému  teplotnímu namáhání, které může způsobit napětí vedoucí k znehodnocení materiálu. Naopak  v nočních hodinách pak bude pravděpodobně docházet ke kondenzaci uvolněné vlhkosti na  stěnách sušárny, což je žádaný efekt při zbavování přebytečně vlhkosti ze vzduchu. Naopak  pokud se bude zvyšovat akumulační kapacitu  kolektoru, budou se podmínky prostředí více  blížit   podmínkám   klasických   komorových   sušáren   a   sušený   materiál   nebude   vystaven  takovým   teplotním   výkyvům.   I   u   takto   vybavených   sušáren   můžeme   uvažovat   o   řízené  kondenzaci   vzdušné   vlhkosti   v   průběhu   nočních   hodin,   avšak   se   již   nebude   jednat   o  samovolný proces.

ZÁVĚR 

V práci byl představen model slunečního kolektoru solární sušárny. Jedná se o numerickou  simulaci   podmínek   ohřevu   kolektoru   vlivem   různých   atmosférických   vlivů.   V   samotné  simulaci  pak byly představeny tři tloušťky kolektoru, které byly mezi sebou hodnoceny  z  hlediska akumulačních vlastností. Z jednotlivých výsledků vyplývají následující závěry. Konstrukci solární sušárny tak jak je  navržena   (Wengert)   je   možno   provozovat   bez   problému   na   území   ČR.   Vhodnou   volbou  tloušťky kolektoru lze efektivně prodloužit čas stálé teploty v komoře sušárny a snížit výkyvy  teplot sušícího prostředí. Kolektory s malou tloušťkou nemají akumulační schopnost a v komoře dochází k extrémním  rozdílům teplot mezi denní a noční dobou. Naopak kolektory s větší tloušťkou (vyšší tepelná  kapacita) snižují maximální teploty v komoře a umožňují tyto podmínky udržet i počas noční  doby sušení. Volba vhodného typu kolektoru avšak záleží na konkrétním sušení listnatých či jehličnatých  dřev.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 9

Poděkování Tato práce vznikla za podpory grantu MSM6215648902. 

LITERATURA [1]  CIHELKA, J., 1994: Solární tepelná technika. 1.vyd. Praha: T.Malina, 1994. 208 s. ISBN  80­900759­5­9 [2]  BAJER, Petr. Informace o počasí [online]. 2008 [cit. 2008­06­21]. Dostupný z WWW:  . [3]  HECHT,L., 1996: Thermal Transport Properties of Grey Cast Irons. In: Society of  Automotive Engineering, 9s. Dostupný z WWW:    [4]  SIMPSON, W.,1991: Dry Kiln Operators Manual. Madison : Forest Product Laboratory,  256 s. Dostupný z WWW:  . [5]  WENGERT, G. and OLIVEIRA, C.: Solar Heated, Lumber Dry Kiln Designs ­ Part 1­4.  Woodweb [online]. 1996­2008 [cit. 2008­06­02]. Dostupný  z WWW:  .

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. ­ 7. listopadu 2008 10