Wyniki eksperymentalnych badań rozkładu temperatury grzejników płaszczyznowych o lekkiej konstrukcji bez jastrychów

Grzejnik płaszczyznowy typu B opisany w PN-EN 1264 [1] składa się z rury grzejnej umieszczonej w górnej części izolacji termicznej lub w pustce powietrznej, całość zakryta jest jastrychem w postaci mokrej bądź suchej z płyt cementowych lub gipsowych.

Pomiędzy izolacją termiczną a wężownicą umieszcza się najczęściej profile metalowe, które przyczyniają się do poprawy wymiany ciepła, co jest szczególnie ważne wtedy, gdy chcemy zastosować większe odległości między rurami grzejnymi.

W artykule zaprezentowano nietypowe grzejniki o ultracienkiej, lekkiej konstrukcji bez jakichkolwiek jastrychów w celu wykonania badań doświadczalnych dla nietypowych rozwiązań, korzystając z normy [2] odnoszącej się do systemów lekkich w układzie poziomym z profilami metalowymi. Norma ta może być stosowana również przy projektowaniu elektrycznego ogrzewania podłogowego, a pozostałe rozwiązania konstrukcyjne ogrzewania płaszczyznowego bez zastosowania płyt lub lamela przewodzącego mogą być projektowane tylko na podstawie badań eksperymentalnych.

Przygotowano trzy stanowiska badawcze, każde podzielone zostało na dwie równe części z różnymi rozstawami wężownicy.

• Po lewej stronie każdego ze stanowisk znajduje się układ izolacji termicznej z lamelem aluminiowym jako powłoka przewodząca ciepło w celu jego rozpraszania. Część tę pokrywa wodoodporna zaprawa klejowa.
• Po prawej stronie nie zastosowano rozpraszaczy ciepła, a rurki grzejne bezpośrednio włożono w rowki wyżłobione w izolacji termicznej i pokryto cementową zaprawą klejową. Całość przykryto terakotą (rys. 1 i rys. 2).

Rys. 1. Trzy stanowiska badawcze; fot. J. Karpiesiuk

Rys. 2. Podział stanowisk badawczych na układ z lamelem aluminiowym i bez niego, z pokryciem terakotą; fot. J. Karpiesiuk

Opis stanowiska pomiarowego i metodyka badań

Stanowiska badawcze zostały wykonane w firmie Elektra Kardo Białystok.

• Schematy stanowisk i ich przekroje pionowe zaprezentowano na rys. 3.
• Jako element grzejny zastosowane zostały trzy przewody grzejne jednostronnie zasilane Elektra TuffTec 30/290, opisane w [3], każdy o mocy jednostkowej 30 W/m, średnicy 7 mm i włożony w rurki grzejne PE/RT/Al/PE/RT o średnicy zewnętrznej 16×2 mm.
• Sprawność zasilania wynosiła 100% – powrotna żyła grzejna znajduje się w konstrukcji przewodu i temperatura na wejściu i wyjściu zasilania jest taka sama.
• Wewnętrzna średnica rurki wynosi 10 mm.
• Równomierne oddawanie ciepła z przewodu grzejnego zapewniała powłoka aluminiowa znajdująca się w warstwie ścianki osłonowej rury.
• Do pomiaru temperatury na rurze grzejnej i w pomieszczeniu zastosowano termostaty elektroniczne programowalne ST‑500 o dokładności pomiaru do ±0,5°C z dwoma czujnikami – temperatury powietrza i temperatury podłogi.

Rys. 3. Schematy i przekrój pionowy stanowisk pomiarowych: 1 – wężownica, 2 – czujnik temperatury, 3 – termoregulator do pomiaru temperatury powietrza i zasilania wężownicy; oprac. J. Karpiesiuk

Pomiary temperatury bezpośrednio na powierzchni grzejnej skanowane były za pomocą kamery termowizyjnej Flir I40 o czułości termicznej (NETD) < 0,1°C przy temperaturze 25°C, o dokładności pomiaru temperatury ±2% oraz dodatkowo przy użyciu pirometru TN1 OJ Electronics o czułości termicznej i dokładności pomiaru temperatury takich samych jak dla kamery termowizyjnej.

Pomiarów pirometrem dokonywano od razu po skanowaniu kamerą termowizyjną w czasie nie dłuższym niż 5 sekund.

Identyczne warunki wymiany ciepła uzyskano dzięki pomiarom wykonywanym w stabilnej temperaturze zewnętrznej ukazanej na termostatach, wynoszącej 20°C ±0,5.

Eksperymenty rozgrzewania były wykonywane w trzech następujących po sobie seriach, zaczynając od stanowiska z rozstawem rur grzejnych 20 cm, później 15 cm i na końcu 12,5 cm.

Pomiarów temperatury na powierzchni grzejnika dokonywano w trakcie rozgrzewania wraz z jej wzrostem na czujnikach umieszczonych przy rurkach grzejnych – przy 28, 31, 35, 40 i 45°C.

Następnie zwiększono temperaturę do 50°C i wykonano pomiary jw. w trakcie naturalnego studzenia – przy 45, 40, 35 i 28°C.

Pomiary w trakcie studzenia dotyczyły wszystkich trzech rozgrzanych stanowisk badawczych.

Ze względu na bardzo małą bezwładność cieplną badanych grzejników, przy zastosowaniu jako czynnika grzejnego elektrycznych przewodów grzejnych umieszczonych w rurkach zamiast gorącej wody, rozgrzanie od temperatury 28 do 45°C następowało w ciągu 40 minut. Z tego względu zrezygnowano z opracowywania charakterystyki bezwładności cieplnej i pomiarów czasu. Byłyby one nieadekwatne (krótsze) do rzeczywistego wzrostu temperatury przy rozgrzewaniu powierzchni podłogi, gdy do podgrzania wody w wężownicy używa się kotła grzejnego. W takich warunkach czas ten w temperaturze 28–45°C, przy rozstawie rur grzejnych 10 cm, bez lamela aluminiowego podczas nagrzewu wynosi ok. 2 godz. 20 minut, a czas studzenia z 45 do 28°C wynosi ok. 4 godz. 30 minut wg [4].

Nie ma to znaczenia przy pomiarach zgodnie z [2], w których nie mierzy się różnicy temperatury pomiędzy zasilaniem a powrotem przepływu w rurze ogrzewania podłogowego, ale ważny jest pomiar temperatury i strumienie ciepła w konstrukcji grzejnika, w tym na jego powierzchni.

W eksperymencie spełniono podstawowe warunki przygotowania stanowisk testowych zgodnie z [2] pkt 7.

Ze względu na brak mierników strumienia ciepła wykonano dodatkowe obliczenia teoretyczne gęstości strumienia ciepła emitowanego z badanej powierzchni, stosując wzór zalecany w powyższej normie: q_i = K_H · ΔΘ_H [W/m²].

Jako miarodajne przyjęto badania temperatury na powierzchni grzejników podczas naturalnego studzenia, trwającego ok. 3 godz. 40 minut, co stanowi wynik zbliżony do naturalnych warunków sprawdzonych w [4] przy wykorzystaniu gorącej wody w wężownicy.

Czytaj też: Niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe >>>