NEKONVENČNÉ METÓDY OHREVU TEPLEJ VODY POMOCOU TEPELNÝCH TRUBÍC

Príspevok je zameraný na výskum gravitačných tepelných trubíc v oblasti využitia odpadového tepla na ohrev teplej vody zo spalín malých zdrojov tepla na biomasu. V príspevku je uvedený návrh experimentálneho zariadenia, na ktorom sa skúmal vplyv množstva vodnej náplne pri rôznych teplotných parametroch (teplota ohrevu a teplota chladenia) na prenesený tepelný výkon gravitačnej tepelnej trubice. Tepelná trubica bude bezpečne ohrievať vodu v zásobníku teplom zo spalín na výstupe spalinovodu malých zdrojoch tepla využívajúcich biomasu ako palivo.

 

1  Úvod

Účinnosť energetických zariadení do značnej miery ovplyvňuje transformácia primárnej energie paliva na teplo spaľovaním a prenos tepla zo spalín do teplonosného média. Na ohrev teplej vykurovacej, resp. teplej vody sa v súčasnosti v zdrojoch tepla využívajú hlavne konvektívne spôsoby ohrevu, ktorých dimenzovanie sa realizuje na základe návrhu dostatočnej teplovýmennej plochy pri danom teplotnom spáde závislého od použitého spôsobu ohrevu, resp. druhu paliva. Správny návrh teplovýmennej plochy do značnej miery ovplyvňuje aj celkovú efektívnosť využívania primárnej energie v palive. Ohrev teplej vody prináša so sebou, ale aj problém zabezpečenia bezpečnosti prevádzky zdroja tepla. Preto je potrebné montovať do týchto zariadení bezpečnostné prvky, akými sú napríklad poistné ventily, expanzné nádoby a pod.Jedným z nekonvenčných spôsobov ohrevu teplej vykurovacej, resp. teplej vody, ktoré by mali zvýšiť efektívnosť premeny primárnej energie v palive, ako aj bezpečnosť prevádzky takýchto zariadení, je aplikácia tepelných trubíc. Výhoda použitia tepelných trubíc na prenos tepla spočíva v tom, že majú väčšiu hustotu prenášaného tepelného toku, z čoho vyplývajú podstatne menšie teplovýmenné plochy v porovnaní s konvektívnymi spôsobmi ohrevu. Tepelné trubice na základe svojho princípu môžu byť navrhnuté tak, že zabezpečia aj obmedzenie tepelného transportu pri dosiahnutí požadovaných teplôt na kondenzačnej strane tepelnej trubice. Ďalšia výhoda spočíva v tom, že pomocou tepelných trubíc je možné využiť i odpadové teplo, ktoré nie je možné efektívne využiť pri konvektívnom spôsobe ohrevu teplej vody.

 

2  Návrh experimentálneho zásobníka teplej vody

Pri návrhu umiestnenia zásobníka teplej vody s tepelnými trubicami, sa uvažovalo s rôznym umiestnením zásobníka teplej vody s tepelnými trubicami, ktoré mali rôzne konštrukčné prevedenia a usporiadania – rebrované, hladké, špirálové rúrky, tieto jednotlivé návrhy je možné vidieť na Obr. 1.

 

 

trub

Obr. 1  Návrhy prevedenia a umiestnenia zásobníka teplej vody s tepelnými trubicami

 

Z dôvodu komplikovanosti a zložitosti jednotlivých návrhov z hľadiska prevádzky sa prešlo k jednoduchšiemu riešeniu, a to osadenia zásobníka teplej vody priamo na spalinovod lokálneho zdroja tepla. Finálny experimentálny zásobník teplej vody valcového tvaru o objeme 50,51 litrov, do ktorého je situovaná kondenzačná časť tepelnej trubice, je znázornený na Obr. 2.

 

 

trub 2

Obr. 2  Návrh zásobníka teplej vody s integrovanou tepelnou trubicou

 

Celý experimentálny zásobník teplej vody so vstavanou tepelnou trubicou je vyrobený z antikorového materiálu. Aby bolo možné snímať teploty na vstupe a na výstupe ako aj v samotnom zásobníku v bočnej strane sa urobili otvory pre snímače teploty Pt 100. Súčasťou zásobníka teplej vody je aj tepelná trubica, ktorej kondenzačná časť je v priamom kontakte s teplou vodou a jej druhá stena v styku s tepelnou izoláciou sibral, ktorá je oddelená od spalinovodu touto tepelnou izoláciou. Výparná časť tepelnej trubice je súčasťou spalinovodu, aby dochádzalo k efektívnemu odovzdávaniu tepla cez tepelnú trubicu priamo teplej vode v zásobníku. Na výparnej časti tepelnej trubice sa umiestnil snímač tlaku, ktorým sa snímal tlak v tepelnej trubici a taktiež tu bol umiestnený aj uzatvárací ventil, ktorý slúžil pre potreby odsávania vzduchu (vyvakuovania) a naplnenia tepelnej trubice na požadované tlaky.

 

 

trub 3

Obr. 3  Zapojenie experimentálneho zásobníka teplej vody v laboratórnych podmienkach; 1 – chladiaci termostat, 2 – prietokomer, 3 – zásobník teplej vody, 4 – plynové horáky, 5 – propán-butánová fľaša + váha, 6 – odsávací zákryt, 7 – tlakomer, 8 – meracia ústredňa, 9 – počítač, Tkomína – teplota saplín, Tvstup voda – vstupná teplota chladiacej vody, Tvýstup voda – výstupná teplota chladiacej vody, T1voda až T5voda – teploty v zásobníku teplej vody

 

Na Obr. 3 je schéma zapojenia experimentálneho zásobníka teplej vody, pri ktorom sa ohrev tepelnej trubice zabezpečoval plynovými horákmi. Ohrev výparnej časti tepelnej trubice sa realizoval dvomi plynovými horákmi na propán-bután o výkone 2 x 2,5 kW (4). Chladenie sa realizovalo pomocou vody a prietokového chladiaceho termostatu Julabo (1). Teplo z kondenzačnej časti tepelnej trubice sa odoberalo chladiacou vodou, pričom sa teplota chladiacej vody nastavovala pomocou prietokového chladiaceho termostatu na hodnoty 20 °C, 40 °C a 60 °C. Objemový prietok sa meral na vstupe chladiacej vody (2) a teploty sa zaznamenávali na jej vstupe a výstupe snímačmi teploty typu Pt 100 (Tvstup voda a Tvýstup voda). Na základe, takto nameraných hodnôt sa stanovil prenesený tepelný výkon tepelnej trubice. Počas merania doby ohrevu sa snímali teploty vody zásobníka teplej vody piatimi snímačmi teploty typu Pt 100 (T1voda až T5voda). Taktiež bola snímaná teplota komína termočlánkom NiCr-Ni (Tkomína). Experimentálny zásobník teplej vody (3) bol z dôvodu tepelných strát do okolitého prostredia a objektívnosti merania zaizolovaný minerálnou vatou. Do spalinovodu bola umiestnená špirála z pozinkovaného plechu, ktorá slúžila na rovnomernejšiu distribúciu tepla zo spalín do steny tepelnej trubice, ktorá zabezpečovala ohrev vody v zásobníku teplej vody. Všetky namerané hodnoty, ako sú vstupná a výstupná teplota vody, prietok, tlak v tepelnej trubici, teploty zásobníka teplej vody a teplota komína sa zaznamenávali pomocou programu AMR – WinControl a meracej ústredne AHLBORN ALMEMO 5690 do počítača (8,9).

 

3  Analýza výsledkov

Meranie sa uskutočnilo na tepelnej trubici, v ktorej sa ako pracovná látka použila destilovaná voda s objemom náplne 20 % z objemu tepelnej trubice (3980 ml). Pomocou rotačnej vývevy sa odsával vzduch na tlaky 20 mbar, 40 mbar, 60 mbar, 200 mbar, 300 mbar a 1000 mbar. Výkon, ktorý prenesie tepelná trubica sa stanovila kalorimetrickou metódou na základe známeho hmotnostného prietoku, špecifickej tepelnej kapacity a rozdielu teplôt chladiacej vody. Stredná hodnota výkonu tepelnej trubice sa určila z nameraných hodnôt podľa vzťahu pre kalorimetrickú metódu. Merania sa vykonali pre teploty chladiacej vody 20 °C, 40 °C, 60 °C a tlakoch 20 mbar, 40 mbar, 60 mbar, 200 mbar, 300 mbar a 1000 mbar. Každé meranie pre jednu teplotu chladiacej vody trvalo 10 minút. Tepelné výkony stanovené z jednotlivých meraní pri rôznych teplotách chladiacej vody a tlakoch sú zobrazené na Obr. 4.

 

 

trub 4

Obr. 4  Graf výkonov tepelnej trubice

 

Z grafu (Obr. 5) môžeme pozorovať, že tepelný výkon prenesený tepelnou trubicou pri tlaku 1000 mbar je najvyšší pri teplote chladiacej vody 60 °C a to 1016,8 W. Uvedené experimentálne meranie sa realizovalo s otvorenou tepelnou trubicou, ktorá neobsahovala žiadnu pracovnú náplň. Z tohto merania sa zistilo, že samotná náplň v tepelnej trubici pri rôznom tlaku má určite stabilizačné schopnosti. Je to možné vidieť na výsledných výkonoch, kde rozdiely pri rôznych teplotách chladiacej vody sú s menšou odchýlkou rovnaké v porovnaní s otvorenou tepelnou trubicou. V prílohe č. 1 je uvedená ukážka priebehov merania pri teplote chladiacej vody 20 °C, 40 °C a 60 °C a tlaku 1000 mbar.

 

 

trub 5

Obr. 5  Výsledný graf výkonov tepelnej trubice v závislosti na tlaku vzduchu v tepelnej trubici pri rôznych parametrov chladiacej vody

 

4  Záver

Z nameraných hodnôt (Obr. 4 až 5) vyplynulo, že najstabilnejší tepelný výkon prenesený tepelnou trubicou sa získal pri tlaku 20 mbar pri všetkých teplotách chladenia v porovnaní s ostatnými tlakmi u ktorých možno pozorovať výrazné rozdiely vo výkonoch. Najvýraznejšie to bolo v prípade, ak tepelná trubica bola otvorená, čiže tlak bol 1000 mbar výkon stúpal s teplotou chladenia, čo je pre naše použitie nevyhovujúce. Počas merania experimentálneho zariadenia sa namerala aj doba ohrevu vody v zásobníku teplej vody. Toto meranie spočívalo v tom, že sa meralo za akú dobu sa ohreje voda v zásobníku teplej vody z teploty 20 °C na 60 °C, keď v tepelnej trubici bola pracovná látka o objeme 20 %. Doba potrebná na ohriatie je približne 1 hodina. Taktiež sa zisťovala doba ohrevu, keď v tepelnej trubici nebola pracovná látka, v tomto prípade je potrebný čas na ohriatie vody v zásobníku teplej vody 2 hodiny a 6 minút.

 

 

doc. Ing. Štefan Papučík, PhD., Ing. Richard Lenhard, PhD., Ing. Katarína Kaduchová
Katedra energetickej techniky, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 1, 010 26 Žilina
e-mail: stefan.papucik@fstroj.uniza.sk

 

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za podpory projektu VEGA č. 1/1290/12.


Recenzoval:

doc. Ing. Tomáš Brestovič, PhD., prof. Ing. Peter Horbaj, CSc.


Literatúra:

[1]    Kaduchová, K (2013). Výskum prenosu tepla z kúreniska do vodného priestoru v malých zdrojoch tepla pomocou tepelných trubíc. Dizertačná práca.

[2]    Lenhard, R (2010). Numerical simulation device for the transport of geothermal heat with forced circulation of media. Power control and optimization, ISBN 978-983-44483-32

[3]    Lenhard, R - Malcho, M (2013). Numerical simulation device for the transport of geothermal heat with forced circulation of media.Mathematical and Computer Modelling, p. 111-125, ISSN 0895-7177

[4]    Trávníček, Z - Dančová, P - Lam, J.H - Timchenko, J -Reises, J (2012).Experimental studies of a channel flow with multiple circular synthetic jets. EPJ Web of Conferences, DOI: 10.1051/epjconf/20122501094

[5]    Trávníček, Z - Dančová, P - Kordík, J - Vít, T - Pavelka, M (2010).Heat and mass transfer caused by a laminar channel flow equipped with a synthetic jet array. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Volume 2, Issue 4

[6]    Smitka, M -Nemec, P - Kolková, Z - Malcho, M (2013). Remove the waste heat from insulated gate bipolar transistor using loop heat pipe. Transcom 2013, p. 269-272, ISBN 978-80-554-0695-4

[7]    Kupka, D -Koloničný, J (2010). Mathematical model of film-wise condensation for evaluation of heat transfer coefficient. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Mechanical Series, p. 99-107, ISSN 1210-0471

[8]    Greššák, T - Kapjor, A - Hužvár, J (2012). Measurement of influence geometry of floor convector on his performance. Experimental fluid mechanics, p. 241-244, ISBN 978-80-7372-417-7

[9]    Vitázek, I - Havelka, J - Tirol, J (2008). Tepelná hodnota palív. Aplikácia experimentálnych a numerických metód v mechanike tekutín, p.331-336, ISBN 978-80-8070-826-9

[10]  Kizek, J - Murín, V (1998). Tepelná bilancia spaľovania drevného odpadu a vznikajúcich škodlivých emisií. Energetické premeny v priemysle‘98,Košice, p.214, ISBN 80-7099-357-X

[11]  Patsch, M - Pilát, P - Malcho, M - Čierny, J (2013).Optimizationofglycerinecombustion. ICET 2013: internationalcongress on engineering and technology, ISBN 978-80-87670-08-8

[12]  Čarnogurská, M - Příhoda, M - Koško, M - Pyszko, R (2012). Verification of pollutant creation model at dendromass combustion. Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 26, 12 4161~4169, ISSN 1738-494X, ISSN 1226-4865

[13]  Orman, Ł.J-Chatys, R (2011).Heat transfer augmentation possibility for vehicle heat exchangers,Transport Means 2011,p. 9-12.

 

Podobné odporúčané články: