Collector Hydraulics Werner Weiss

Collector Hydraulics
Werner Weiss
AEE - Institute for Sustainable Technologies
A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 2
AUSTRIA
Hydraulic connection of collectors
Hydraulic connection of collectors
Collector hydraulics: serial - parallel
Parallel connection
All collectors work on the
same temperature level
The total mass flow is
devided by the number
of collectors
Serial connection
All collectors work on
different temperature
levels
The mass flow in all
collectors is equal to the
total mass flow
To
To
T3
Ti
T2
T1
Ti
Pressure drop
Pressure drop
Mass flow in parallel connected collectors
Pressure p
1. Connection which causes
diffent mass flows
pe
pcol
ps
High
Hi
h mass flow
fl
in
i the
th first
fi t
collector, low mass flow in
the last collector of the field
mcol
f
pcol
The higher
Th
hi h th
the pressure d
drop
(mass flow) in the collector –
the lower the pressure drop
in the distribution pipes
pdist << pcol
pdist
Mass flow in parallel connected collectors
Pressure p
2. Connection via return pipe
(Tichelmann)
pe
pcol
ps
Differentt mass flows
Diff
fl
in
i the
th
centre and at the end of the
collector field
-> non-linear pressure in the
pp
distribution pipes
pdist
Mass flow in parallel connected collectors
Pressure p
3. Connection via return
pipe and reduced
pipe diameter in the
distribution p
pipes
p
Equal mass flow in all
collectors
ll t
off the
th field
fi ld
pe
pcol
ps
pdist
Mass flow in parallel connected collectors
Pressure p
4. Connections with valves for
each string
Equal mass flow in all
collectors of the field
Different pressure is
compensated via ajustable
valves
pe
p
pcol
pválvula
ps
pdist
THE HYDRAULIC CONNECTION OF THE COLLECTORS
Hydraulic connection of large
large-scale
scale collectors
Flat plate Collectors – Roof Integrated
Large-scale collectors
E tlüft
Entlüftung
Kollektorvorlauf
ca. 4 m
2m
1m
Kollektorrücklauf
ca. 10 m
Collector connections
V i t 1:
Variante
1 N
Np fil
filas de
d Ns
N captadores
t d
Np captadores en
paralelo
Mfield
Definiciones:
(1) Afield = Ncol * Acol
Ns captado
ores en serrie
(2) Ncol = Ns * Np
Relaciones caudal – area:
Mcol
Mcol
Mcol
Mfield
(3) Mcol = Mfield / Np
Conexión de campos solares:
V i t 2:
Variante
2 N
Ns bl
bloques de
d Np
N captadores
t d
Np captadores en paralelo
Mfield
Definiciones:
Mcol
Mcol
Mfield
Mcol
(1) Afield = Ncol * Acol
Ns captadorres en serie
N
e
(2) Ncol = Ns * Np
Mfield
Relaciones caudal – area:
(3) Mcol = Mfield / Np
Mfield
Mfield
Mfield
Conexión de campos solares:
Variante 3: Np1 filas de Ns bloques de Np2
captadores
Bloque 1
Bloque Ns
Fila 1
IN
OUT
Fila Np1
Np = Np1 * Np2
Relación entre caudal en el campo y caudal en
ell captador
t d
Definiciones:
((1)) Afield = Ncol * Acol
(2) Ncol = Ns * Np
Relaciones caudal – area:
((3)) Mcol = Mfield / Np
p
Con (3) y (2) ->
(4) Mcol = (Mfield / Ncol) * Ns
Dividiendo (4) por Acol ->
(5) (Mcol/Acol) = (Mfield / Acol*Ncol) * Ns
Sustituyendo Afield por Ncol*Acol (Ec. (1)):
(6) (Mcol/Acol) = (Mfield / Afield) * Ns
E invirtiendo ecuación (6):
(7) (Mfield / Afield) = (Mcol/Acol) * (1/Ns)
Relación de caudal
por unidad de
superficie en el
campo y en el
captador está dado
por el número de
captadores
t d
conectados en serie
Relación entre caudal y salto de temperatura
Cálculo para radiación solar máxima (1000 W/m2)
(rendimiento captador supuesto: 70%)
Qu
Regimen de flujo
G T Ac m c p T s T e
m Ac
T  Ts  Te
Ts  15C  T
kg/m2h
K
C
flujo alto
50
13
28
flujo medio
25
26
41
12.5
52
67
fljujo bajo
Ventajas y desventajas de sistemas “low-flow”
low flow
Pro
Contra
Reacción rápida:
ya con bajo nivel de radiación
((mañana)) se llega
g a la
temperatura de servicio
Diámetro inferior de tubería
Coste de instalación inferior
Menos pérdidas térmicas
Menor consumo de energía
eléctrico para bombas de
recirculación
Necesidad de un acumulador
estratificado
Altas temperaturas en la zona
superior del acumulador
Rendimiento inferior en
sistemas
i t
con baja
b j
cobertura solar
Posible en sistemas grandes:
-> caudal variable
((“matched
matched flow
flow”))
Consequencias de un flujo no equilibrado
 Altas temperaturas en los ramos con poco caudal
 -> peligro de sobrecalentamiento
 -> reducción del rendimiento
Criterios de diseño de un campo solar
1.
Selección del caudal total del campo solar (Mfield / Afield) :
•
•
2
2.
High-flow / low-flow
-> opción de diseño según tipo de aplicación
Definición del caudal máximo / mínimo permitido en el captador (Mcol/Acol)
(según especificaciones del fabricante)
 límite inferior: evitar régimen de flujo laminar (reducción de transferencia de calor)
 límite superior: exceso de pérdida de carga
3.
Definición del número de captadores por conectar en serie
 Ns = (Mcol/Acol) / (Mfield / Afield)
 Nota: Ns puede variar según el rango de variación permitido en Mcol/Acol y
Mfield/Afield
4.
Elegir la configuración definitiva del campo según los siguientes criterios:
 ajuste a la geometría del espacio disponible
 minimización de la longitud de tubería
 minimización de la cantidad de válvulas equilibradoras