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, zejda@centrum.cz Bc. Petr Novák, MZLU v Brně, kasparov@seznam.cz 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 heating up 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. 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. 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 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 [Wm 2] 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 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 ms 1 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 m 3 1,275 při 0 C a tlaku 105 Pa molární hmotnost 55,85 kg mol 1 28,96 kg mol 1 referenční teplota 25 C 25 C hustota 1,831e 5 kg m 1 s 1 dynamická viskozita měrná tepelná kapacita 469 J kg 1K 1 1004,4 J kg 1K 1 koeficient tepelné vodivosti 80 W m 1K 1 0,0261 W m 1K 1 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. 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. 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. 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 100 150 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. 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 80 900759 5 9 [2] BAJER, Petr. Informace o počasí [online]. 2008 [cit. 2008 06 21]. Dostupný z WWW: <http://pocasi.divoch.cz/>. [3] HECHT,L., 1996: Thermal Transport Properties of Grey Cast Irons. In: Society of Automotive Engineering, 9s. Dostupný z WWW: <http://www.osti.gov/bridge/servlets/ purl/391701w8xmvm/webviewable/391701.pdf> [4] SIMPSON, W.,1991: Dry Kiln Operators Manual. Madison : Forest Product Laboratory, 256 s. Dostupný z WWW: <http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/usda/ah188/intro_gloss_index.pdf>. [5] WENGERT, G. and OLIVEIRA, C.: Solar Heated, Lumber Dry Kiln Designs Part 1 4. Woodweb [online]. 1996 2008 [cit. 2008 06 02]. Dostupný z WWW: <http://www.woodweb.com/knowledge_base/solar_kiln_designs_1.html>. 10