Kapalinové výměníky a teplo s nízkou teplotou
Článek předkládá základy návrhu výměníku tepla v soustavách s nízkoteplotními zdroji tepla. Především jde o základní fyzikální vlastnosti různých konstrukcí výměníků tepla, od kterých se odvíjí volba pro konkrétní případ. Zahrnut je i vliv vlastností různých nízkotuhnoucích teplonosných kapalin na účinnost přenosu tepla výměníkem, protože vlastnosti těchto kapalin se od vlastností vody významně liší.
Úvod
Soustavy pro využívání tepla s nižší teplotou tvoří energetické celky, jejichž nedílnou a důležitou součástí jsou výměníky tepla. Soustavami, které využívají toto teplo, jsou zejména solární systémy s tepelnými solárními kolektory, soustavy s tepelným čerpadlem a velmi často i zařízení pro rekuperaci tepla.
Účinnost každé soustavy je limitována účinností nejhoršího konstrukčního prvku použitého v soustavě. Aby jím nebyl výměník tepla, je nutné věnovat jeho výběru maximální pozornost a zohlednit skutečné provozní podmínky.
Výměníky tepla mění svůj výkon v závislosti na intenzitě proudění kapalin, která nemusí být po obou stranách teplosměnných ploch stejná, na rozdílu teplot mezi těmito kapalinami, z nichž jedna je ohřívací a druhá ohřívaná a výkon výměníku ovlivňují fyzikální vlastnosti obou kapalin.
V některých případech mohou být podmínky pro přenos tepla natolik nepříznivé, že výměníky obvyklé, často používané konstrukce, nemohou za takových podmínek ekonomicky plnit svoji funkci. V takových případech je zapotřebí použít výměník speciální konstrukce nebo zvolit jiné technické řešení.
Akumulační výměníky
Nízkoteplotní zdroje tepla se zpravidla vyznačují tím, že zdroj tepla, respektive právě žádaný výkon zdroje tepla, není k dispozici současně s žádaným množstvím tepla, tedy odebíraným množstvím tepla. Pro překrytí těchto výkonových disproporcí mezi zdrojem a spotřebou v určitých časových intervalech je nutná tepelná akumulace. K tomuto účelu se nejčastěji používají akumulační výměníky tepla. Obecně si je lze představit tak, že na sekundární straně výměníku je dostatečná tepelně akumulační kapacita daná objemem vody. Typickým příkladem konstrukčního řešení je nepřímo vytápěný zásobník s vloženou spirálou z trubky, kterou protéká otopná voda a přes stěnu trubky se ohřívá pitná voda na vodu teplou.
Specifika tepla s nižší teplotou
Teplo získané ze zdroje s nižší teplotou je zapotřebí využít již při malém teplotním rozdílu mezi teplotou teplonosné kapaliny v primárním okruhu a teplotou ohřívané vody v akumulační části.
V akumulačních výměnících tepla se voda ohřívá tak, že teplonosná látka nuceně činností čerpadla proudí kolem teplosměnné plochy výměníku a teplo z ní přes stěnu výměníku přestupuje do ohřívané vody, která kolem stěny výměníku proudí jen na základě přirozeného proudění. To znamená, že do proudění směrem vzhůru se uvede voda v blízkém sousedství stěny výměníku poté, co její teplota stoupne a tím se sníží její měrná hmotnost, hustota, a její místo odspodu zaujímá voda chladnější.
Zatímco na primární straně výměníku s čerpadlem můžeme řídit regulací výkonu čerpadla intenzitu proudění, čímž můžeme ovlivňovat i střední teplotu teplonosné látky mezi vstupem do výměníku a výstupem z něj, tak na sekundární straně je vše dáno pevným konstrukčním řešením výměníku, tedy i intenzita přirozeného proudění.
Účinnost výměny tepla
Pokud má být výměník využit na maximum, tak by obě jeho strany měly umět ve stejné době přenášet stejné množství tepla. Dobré účinnosti výměny tepla lze dosáhnout jen tehdy, jsou-li součinitelé přestupu tepla na obou stranách teplosměnných ploch alespoň řádově stejné. Tento požadavek však většina akumulačních výměníku s hladkými předávacími plochami nesplňuje.
Z hlediska přenosu tepla jsou na tom lépe trubkové výměníky, jejichž teplosměnná plocha na vnější straně, tedy straně s přirozeným prouděním, je opatřena žebrováním.
Součinitel přestupu tepla z hladké teplosměnné plochy uvnitř trubky je obvykle αi = 1300 až 2500 [W‧m−2‧K−1], případně i větší v závislosti na intenzitě proudění. Na vnější hladké straně je vlivem pouze přirozené konvekce tento součinitel zhruba i desetkrát menší, αe = 120 až 500 [W‧m−2‧K−1].
Součinitel prostupu tepla ocelovou stěnou akumulačních výměníku se obvykle pohybuje v rozmezí U = 80 až 400 [W‧m−2‧K−1]. Z rozdílu koeficientů po obou stranách trubky je zřejmé, proč je pro lepší účinnost výměníku dobré přiměřeně zvětšit vnější plochu výměníku například žebrováním. Pro jednodušší aplikace se častěji volí hladká trubka s větším průměrem, větší délkou, a tedy větším povrchem, neboť i při nižší účinnosti výměníku toto řešení vychází jako levnější.
Nevýhodou akumulačních výměníků tepla je postupné snižování množství přenášeného tepla při jejich nabíjení, pokud souběžně není z výměníku odebírána ohřívaná voda a přiváděna nová, chladná. Teplosměnná plocha, trubka, se umísťuje vespod nádoby, kde má ohřívaná voda nejnižší teplotu. Při ohřevu obsahu nádoby ohřátá voda stoupá nahoru a na její místo klesá voda, která již není nejchladnější. Tím se teploty kapalin po obou stranách teplosměnné plochy postupně sbližují a klesá tepelný výkon výměníku tepla. Tomu nezabrání případné zvýšení intenzity proudění na primární straně, a tedy zvýšení součinitele přestupu tepla na této straně, protože poměry na sekundární straně výměníku se nezmění.
Teplosměnná plocha výměníků tepla v zásobnících je často tvořena spirálovitou hladkou nebo žebrovanou trubkou, případně má tvar válce vytvořeného zdvojením válcové stěny zásobníku nebo vložením menší nádoby do větší. V ohřívané vodě se vytváří přirozený teplotní gradient a teplotní rozhraní. Teplotní rozhraní mezi teplou a studenou vodou se při nabíjení zásobníku posunuje od horní části nádoby směrem dolů a postupně tak vyřazuje teplosměnnou plochu z činnosti, jak se po obou jejích stranách vyrovnávají teploty.
Narušování teplotního gradientu vnějšími vlivy (např. při intenzivním odběru vody, nebo při intenzivní cirkulaci teplé vody), mohou omezit speciální konstrukční vestavby ovlivňující vnitřní proudění v nádobě. Ty pomáhají udržet v nádobě teplotní rozvrstvení. Jejich cílem je oddělení přirozeně stoupajícího proudu ohřáté vody od klesajícího proudu dosud chladné vody a zamezení promíchávání vrstev vody s různou teplotou v nádobě. Ve fázi blížící se nabití se však i zde projeví snižování množství přenášeného tepla, neboť teploty kapalin po obou stranách teplosměnné plochy se sblíží.
Při využití nízkoteplotního zdroje tepla nemůžeme automaticky počítat s plnou akumulační schopností výměníku, jako je to možné se zdroji tepla s pracujícími s mnohem vyššími teplotami.
Samostatný výměník s přirozeným prouděním
Pro některé aplikace použití akumulačního výměníku s přirozeným prouděním na sekundární straně teplosměnné plochy plně postačuje.
Obr. 1 Příklad schématu zapojení zásobníku s externím výměníkem se samotížnou cirkulací na sekundární straně výměníku do tepelné solární soustavy. Je zřejmé, že pro samotížný princip je nutné zajistit vhodné vertikální umístění výměníku vůči zásobníku a zvolit výměník s velmi nízkou hydraulickou ztrátou na sekundární straně.
Pro náročnější aplikace, rovněž s využitím přirozeného prouděním na sekundární straně teplosměnné plochy, může být vhodným řešením kombinace samostatné akumulační nádoby a samostatně řešeného výměníku tepla. Toto řešení má několik výhod:
- Součinitel přestupu tepla na primární straně výměníku se bude alespoň řádově blížit součiniteli přestupu tepla na sekundární straně teplosměnné plochy.
- Výměník pracuje vždy s nejnižší možnou vstupní teplotou ohřívané vody přiváděné odspodu nádoby.
- Rychlost proudění na sekundární straně teplosměnné plochy je úměrná teplotnímu rozdílu mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou (přirozené proudění), není nutné čerpadlo.
- Vzhledem k tomu, ohřívaná voda neproudí uvnitř nádoby, ale mimo ni a intenzita proudění je úměrná teplotnímu rozdílu mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou, v nádrži se udržuje optimální teplotní gradient bez potřeby speciálních vestaveb.
- Pokud se přesně dodrží bod d), pak se využije se celý objem akumulační nádoby.
Výhodou tohoto řešení je, že i při nepřesné funkci regulace, např. pokud by při nedostatečném tepelném výkonu zdroje tepla (malém oslunění kolektorů) bylo v činnosti oběhové čerpadlo primárního okruhu, by nedošlo k odnímání naakumulovaného tepla ze sekundárního okruhu zpětnou cestou přes výměník do primárního okruhu, k jeho dopravě do kolektoru a ke ztrátě tohoto tepla.
Důležité je, aby měl výměník tepla na sekundární straně teplosměnné plochy velmi nízký hydraulický odpor. Pokud by se na toto řešení použil výměník tepla, který má velký hydraulický odpor, nepostačovalo by jen přirozené proudění způsobené rozdílem teplot.
Samostatný výměník s nuceným prouděním
V současnosti se v soustavách s nízkopotenciálními zdroji tepla používají velmi často i výměníky, ve kterých je prodění kapalin po obou stranách výměníku zajištěno nuceným způsobem, tedy čerpadly. Jedná se především o výkonově střední a větší soustavy a používají se deskové výměníky. Jejich výhodou je vysoký výkon při malých rozměrech a příznivá cena.
Bez vhodných regulací v tomto řešení nebude v každém okamžiku odpovídat intenzita proudění na sekundární straně teplotnímu rozdílu mezi primární a sekundární stranou výměníku. Musí se velmi pečlivě řešit problém případného rozrušení teplotního gradientu v akumulační nádobě jak konstrukčním řešením přívodů, tak volbou rychlosti proudění. Pokud se toto zanedbá, výrazně se v důsledku neustálého promíchávání vody v nádobě snižuje využitelnost akumulačního objemu nádoby i zdroje tepla. Řešením může být čerpadlo s vhodně elektronicky regulovaným výkonem nebo použití stratifikační vložky v zásobníku tepla.
Vliv fyzikálních vlastností teplonosné kapaliny
V zařízení, které je po určitou dobu vystaveno podnulovým teplotám, je třeba použít nízkotuhnoucí teplonosnou kapalinu, která neohrožuje zařízení destrukcí vlivem zvětšení svého objemu při tuhnutí.
Jsou-li oběhová čerpadla, potrubí a výměníky tepla dimenzovány podle vlastností vody, ale ve skutečnosti je použita nízkotuhnoucí kapalina, může nerespektování fyzikálních vlastností kapaliny snížit účinnost zařízení o 20 až 50 %.
Rozhodujícími vlastnostmi teplonosné látky jsou její hustota ρ [kg‧m−3], měrná tepelná kapacita c [J‧kg−1‧K−1], tepelná vodivost λ [W‧m−1‧K−1], kinematická viskozita ν [m2‧s−1] a součinitel objemové teplotní roztažnosti β [K−1].
V solárních systémech se používají téměř výhradně teplonosné kapaliny na bázi vody s příměsí propylenglykolu, v primárních okruzích soustav s tepelným čerpadlem též s příměsí etylalkoholu a v otopných soustavách s příměsí etylenglykolu.
Obr. 2 Fyzikální model principu viskozity je založen na představě rozdělení proudu kapalin do mnoha tenkých vrstviček, které se vůči sobě pohybují nestejnou rychlostí a mezi nimi vznikají třecí síly. Červeně je stěna trubky a modré šipky svou různou velikostí symbolizují různou rychlost dané vrstvy kapaliny.
Při laminárním proudění nevznikají v kapalině víry, víření. Laminární proudění si představujeme asi tak, jako kdyby se v kapalině vytvořily tenoučké vrstvičky. První vrstvička, která je ve styku se stěnou výměníku, stojí, ale další směrem od stěny výměníku se již nějak pohybují a rychlost jejich pohybu se vzdálenosti od stěny výměníku narůstá. Mezi vrstvičkami dochází vlivem rozdílu jejich rychlosti pohybu ke tření. Výsledek posuzujeme prostřednictvím tzv. viskozity kapaliny. Čím má kapalina větší viskozitu, tím více vrstviček u povrchu výměníku se pohybuje s nulovou nebo velmi malou rychlostí. Nepohyblivá nebo s malou rychlostí se pohybující vrstva nízkotuhnoucí kapaliny u stěny výměníku je silnější, má nižší tepelnou vodivost a tím méně tepla přenáší.
Oproti možnému snížení účinnosti výměníku použitím nízkotuhnoucí kapaliny se účinnost slunečních kolektorů při použití nízkotuhnoucí teplonosné kapaliny, ve srovnání s vodou, podstatným způsobem nezmění. Je to dáno tím, že odpory vedením tepla v lamele kolektoru, tedy přechodové odpory mezi lamelou a trubkou kolektoru a materiálu trubky jsou řádově větší, než změna tepelného odporu způsobená rozdílem součinitelů přestupu tepla z trubky do nízkotuhnoucí kapaliny nebo jen vody, pokud se kapaliny zamění.
Pozornost je nutné věnovat skutečnosti, že hydraulické odpory budou při použití nízkotuhnoucí kapaliny oproti vodě zpravidla větší. Tento fakt se zohledňuje například v primárních okruzích tepelných čerpadel země-voda při volbě výkonu cirkulačního čerpadla.
Změní-li se fyzikální vlastnosti kapaliny, zpravidla dojde ke změně intenzity proudění podél primární a sekundární strany teplosměnné plochy a pak se změní i účinnost výměníku tepla.
Závěr
Výměník tepla a jeho tepelně technické vlastnosti jsou stejně důležitým konstrukčním prvkem otopných soustav jako například kotel, tepelné čerpadlo nebo sluneční kolektor. Proto si zaslouží naši plnou pozornost. Nesprávná volba výměníku jen podle tabulkových hodnot bez uvážení konkrétních provozních podmínek může podstatně zhoršit účinnost celé soustavy, omezit její funkci a v některých případech být i předmětem soudního sporu s velmi nepříjemnými důsledky pro projektanta a realizační firmu při nedodržení slíbených parametrů.
The paper presents the basics of heat exchanger design in systems with low temperature heat sources. Above all, it is the basic physical properties of the various heat exchanger constructions that make up their choice. The effect of the properties of various low-fat heat-transfer liquids on the efficiency of heat transfer by the exchanger is also included.
