Ilościowy opis równomierności rozdziału powietrza w wielorurowych gruntowych wymiennikach ciepła

Wielorurowe wymienniki ciepła

W przypadku małych obiektów, takich jak domy jednorodzinne, najpopularniejsze są wymienniki jednorurowe okalające bryłę budynku, wykorzystujące fragment terenu działki do celów montażowych. W przypadku większych obiektów, takich jak supermarkety [8, 11] czy hale produkcyjne, stosowane są wymienniki wielorurowe skutkujące mniejszymi stratami ciśnienia przy przepływie dużych ilości świeżego powietrza.

Badania eksperymentalne prowadzone w Instytucie Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej wykazały zauważalną nierównomierność rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wielorurowych gruntowych wymienników ciepła.

Wyniki badań zaprezentowano w artykułach [1, 2] w postaci charakterystyk przepływowych: strumień objętości powietrza w poszczególnych gałęziach wymiennika Vi w funkcji całkowitego strumienia przepływu Vc (rys. 1 i 2) oraz wykresów kołowych (rys. 3 i 4) przedstawiających procentowy udział strumienia powietrza w danej gałęzi w całkowitym przepływie przez wymiennik.

Z kolei w analizie przedstawionej w pracy [3] wykazano, że obserwowana w praktyce, szczególnie dla wymienników o krótkich gałęziach, nierównomierność rozdziału powietrza może skutkować obniżeniem wydajności cieplnej wymiennika nawet o 15%.

Stopień równomierności rozdziału powietrza w układach równoległych można zwiększyć za pomocą odpowiedniej geometrii, np. stosując układy typu U [1] (rys. 6) lub odpowiednio duże przekroje kolektorów zbiorczych wymiennika.

W praktyce jednak spotyka się wymienniki krótkie, o zbyt małych średnicach kolektorów oraz w układzie typu Z (rys. 5). W takich przypadkach zjawiska nierównomierności nie da się całkowicie wyeliminować. Warto zatem zdefiniować wielkość umożliwiającą ilościową ocenę intensywności występowania tego zjawiska.

Nowy sposób oceny równomierności rozdziału powietrza

Ze względu na trudności związane z określeniem ilościowej równomierności rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wielorurowych gruntowych wymienników ciepła zaproponowano współczynnik ułatwiający porównywanie oraz obiektywną ocenę stopnia występowania tego zjawiska, a co za tym idzie lepszy jego opis i rozpoznanie.

Dla ilościowego opisu zjawiska równomierności rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wielorurowych wymienników ciepła zdefiniowano współczynnik równomierności rozdziału oznaczony symbolem W:

V·_śr – średni strumień objętości powietrza w gałęzi wymiennika, [m3/h]

V·_i – strumień objętości powietrza w i-tej ga­łęzi [m³/h],

n – liczba gałęzi wymiennika [szt.].

Współczynnik równomierności rozdziału powietrza (wzór 1) obliczany jest przez analogię do odchylenia standardowego średniej arytmetycznej i bazuje na odchyleniach przepływów w poszczególnych gałęziach wymiennika od przepływu średniego.

Współczynnik przyjmuje wartość 1 dla idealnie równomiernego rozdziału (V_i = V_śr) i wartość tym bliższą 0, im rozdział powietrza jest mniej równomierny. Zmienność współczynnika W zobrazowano na przykładzie w tabeli 1 dla czterech różnych rozpływów powietrza na poszczególne gałęzie wymiennika zbudowanego z siedmiu gałęzi.

Wartości współczynnika W obliczone dla eksperymentalnie wyznaczonych rozpływów powietrza [1] zestawiono w tabeli 2. Badania przeprowadzono na modelach wymienników o identycznych średnicach gałęzi i kolektorów. Dla analizowanych przypadków wartości W mieszczą się w zakresie 0,554–0,978.

Wyniki zestawione w tabeli 2 pokazują, że współczynnik równomierności rozdziału zmienia się nieznacznie nawet przy dużych zmianach strumienia powietrza przepływającego przez wymiennik (różnica na poziomie 0,4–3,3%). Potwierdza to wniosek z publikacji [1] mówiący o tym, że procentowy udział strumieni przepływu w poszczególnych gałęziach wymiennika w strumieniu całkowitym jest praktycznie stały, tzn. prawie niezależny od strumienia całkowitego.

Powyższa prawidłowość pozwala na wyznaczenie współczynnika równomierności rozdziału (tabela 3) jako średniej arytmetycznej z wartości skrajnych, a w praktyce na wyznaczenie współczynnika dla dowolnego strumienia całkowitego i odpowiadających mu strumieni w poszczególnych gałęziach bez znaczącej utraty dokładności.

Wnioski

Przeprowadzona analiza pozwoliła na wyciągnięcie następujących wniosków:

1. współczynnik równomierności rozdziału obliczany ze wzoru (1) ułatwia ilościową ocenę zjawiska nierównomierności rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wielorurowych gruntowych wymienników ciepła,
2. współczynnik W umożliwia łatwe porównanie wymienników o tej samej liczbie gałęzi. Zmienność współczynnika zawiera się w zakresie od 0 do 1, gdzie 1 oznacza idealną równomierność rozdziału powietrza,
3. wyniki zestawione w tabeli 3 wskazują, że powietrze rozpływa się równomierniej w wymiennikach o strukturze zmodyfikowanej (układy typu U) niż w wymiennikach o tradycyjnej strukturze (układy typy Z),
4. im większa jest liczba równoległych gałęzi w wymienniku o danej średnicy kolektorów, tym mniej równomierny jest rozdział powietrza – niższe wartości W.

Literatura

1. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Badania eksperymentalne wpływu zmian sposobu zasilania powietrznego gruntowego wymiennika ciepła typu rurowego na jego charakterystykę przepływową. Cz. 1. Równomierność rozpływu, „COW” nr 6/2011.
2. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Experimental flow characteristics of earth-to-air multi-pipe heat exchangers, „Foundations of Civil and Environmental Engineering” No. 15 (2012).
3. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., An effect of flow non-uniformity in earth-to-air multi-pipe heat exchangers (EAHEs) on their thermal performance, XIII International Conference Air & Heat – Water & Energy, Wrocław­‑Kudowa 2011.
4. De Paepe M., Janssens A., Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers, „Energy and Buildings” No. 35 (2003).
5. Firląg S., Współpraca wentylacji mechanicznej z GWC w budynku pasywnym, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013.
6. Firląg S., Witkowska E., Instalacje c.o., c.w.u. i wentylacji w budynkach energooszczędnych NF40 i NF15, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013.
7. Florides G., Kalogirou S., Ground heat exchangers – A review of systems, models and applications, „Renewable Energy” No. 32 (2007).
8. Górka A., Szymański M., Mróż T., Measurements and modeling of an earth-to-air heat exchanger for retail building ventilation, Proceedings of the 34th AIVC Conference „Energy conservation technologies for mitigation and adaptation in the built environment: the role of ventilation strategies and smart materials”, Athens 2013.
9. Jadwiszczak P., Budynek energooszczędny – wprowadzenie, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2013.
10. Kostka M., Zając A., Dopłaty do domów energooszczędnych a zużycie energii elektrycznej na wentylację mechaniczną, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2013.
11. http://www.rehau.com/linkableblob/PL_pl/1020870/data/referencje-TESCO-342401-PL-06-2007-data.pdf.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!