Wspomaganie projektowania instalacji grzewczych z akumulacyjnymi wymiennikami ciepła

Możliwości poprawy sprawności funkcjonowania instalacji grzewczych z kominkiem

Najpopularniejszymi urządzeniami grzewczymi małej mocy wykorzystywanymi w gospodarstwach domowych są dziś kotły c.o.

Sporą popularnością cieszą się także systemy grzewcze oparte na paleniskach kominkowych. Spalanie w nich charakteryzuje się gwałtownym nagrzewaniem korpusu i relatywnie dużą stratą kominową, która ma największy udział w bilansie cieplnym kominka i rośnie wraz ze wzrostem temperatury spalin [1].

Rys. 1a i rys. 1b prezentują termogram wykonany dla żeliwnego wkładu kominkowego, na którym wyraźnie widoczny jest efekt nagrzania czopucha przez spaliny, świadczący o dużej ilości energii traconej tą drogą.

Jedną z popularnych metod redukcji straty kominowej jest wyposażenie urządzenia w płaszcz lub wymiennik wodny nasadzony na czopuch, zabudowę konwekcyjną albo ceramiczny wymiennik akumulujący ciepło spalin.

Dobre palenisko kominkowe pozwala wytworzyć 3 kW ciepła, przy założeniu szybkości spalania drewna opałowego równej 1 kg/h (przy sprawności 75%). Taka ilość energii umożliwia ogrzanie powierzchni ok. 60 m² przy temperaturze zewnętrznej –12°C [2].

Uproszczona metoda sterowania mocą chwilową urządzenia polega na manipulacji strumieniem powietrza dostarczanego do komory spalania, co wpływa niekorzystnie na emisję zanieczyszczeń i obniża sprawność jednostki.

Według literatury [2] zmniejszenie mocy chwilowej jednostki do 50% wartości nominalnej poprzez ograniczenie dopływu powietrza do komory spalania spowoduje nawet trzykrotne zwiększenie emisji zanieczyszczeń.

Obecnie w Polsce najpowszechniej stosuje się kominki w tzw. zabudowie konwekcyjnej, pozwalające na ogrzanie w stosunkowo krótkim czasie dużych mas powietrza. Źródłem ciepła jest korpus wkładu, natomiast powietrze pobierane jest przez kratki nawiewne usytuowane u dołu komory grzewczej i rozprowadzane za pomocą kratek wywiewnych w górnej części konstrukcji. Układ może także stanowić podstawę systemu dystrybucji gorącego powietrza (DGP).

Alternatywą niewymagającą zabudowy komory ogrzewającej powietrze jest stosowanie masywnych akumulacyjnych korpusów palenisk, najczęściej łączonych z akumulacyjnymi wymiennikami ciepła, w postaci systemu kanałów wykonanych z prefabrykatów ceramicznych (fot. 1a, fot. 1b i fot. 2).

Wyposażenie instalacji w kanał ceramiczny o odpowiednim kształcie i masie umożliwia maksymalne wykorzystanie ciepła niesionego przez spaliny (znaczne obniżenie straty kominowej) oraz uniknięcie nadmiernego ich wychłodzenia. System kanałów może stanowić samodzielną konstrukcję wolnostojącą (w postaci ścianki grzewczej – wachlarzowa konfiguracja wymiennika) albo formę nadbudowy na korpusie paleniska (nasadowa konfiguracja wymiennika). Możliwe jest natomiast obniżenie straty kominowej.

Analiza eksperymentalna i numeryczna (CFD) parametrów pracy akumulacyjnych wymienników ciepła w konfiguracji wachlarzowej i nasadowej

Stanowisko doświadczalne i metody pomiarowe

W celu porównania właściwości akumulacyjnego wymiennika ciepła w konfiguracji wachlarzowej i nasadowej wykonano symulacje numeryczne przygotowane w oparciu o dane z analiz eksperymentalnych. Stanowisko doświadczalne składało się z akumulacyjnego wymiennika ciepła (fot. 2) w konfiguracji wachlarzowej oraz paleniska o mocy nominalnej 22,5 kW (fot. 3a).

W ramach eksperymentu spalono porcję paliwa przy jednoczesnym pomiarze temperatury w komorze paleniskowej (termopara PTTK), a także na wlocie (PTTK) i wylocie (czujnik Pt100) akumulacyjnego wymiennika ciepła. Na potrzeby walidacji wyników przeprowadzonych symulacji wykonano także analizę termowizyjną.

W czasie pomiaru utrzymywano stałą wartość podciśnienia w kominie (ok. 12 Pa), zadaną na regulatorze ciągu (fot. 3b).

Na podstawie zebranych danych pomiarowych zdefiniowano odpowiednie warunki brzegowe dla opracowanych modeli numerycznych. Ponadto porównanie danych eksperymentalnych oraz wyników symulacji tego samego akumulatora ciepła pozwoliło na określenie zgodności rezultatów uzyskanych obiema metodami. Dzięki temu możliwe było wykonanie analiz wymiennika w konfiguracji nasadowej bez konieczności czasochłonnej przebudowy stanowiska doświadczalnego.

Przygotowanie symulacji numerycznych

Rys. 2 prezentuje bryły akumulatorów ciepła (zaprojektowane w skali 1:1) opracowane w programie Autodesc Inventor Professional 2015. Wymiary gabarytowe analizowanych wymienników ciepła zostały przedstawione w tabeli 1.

Geometrie przestrzenne wyeksportowa­no następnie do środowiska ANSYS Work­bench15, gdzie w pierwszej kolejności zdefiniowano domenę płynu (przepływające przez wymiennik spaliny).

Następnie przeprowadzono dyskretyzację domen, polegającą na naniesieniu na nie tzw. siatki obliczeniowej (podzielenie modelowanych geometrii na określoną liczbę niewielkich elementów, dla których wykonywane są obliczenia dotyczące modelowanych procesów).

Domena płynu została podzielona na obszar centralny strumienia oraz obszar przyścienny (rys. 3) charakteryzujący się znacznym zagęszczeniem siatki, gwarantującym odpowiednie odzwierciedlenie zjawisk związanych z tarciem oraz z międzyfazowym (spaliny – wymiennik) transferem ciepła. Zdefiniowana warstwa przyścienna składała się z pięciu podwarstw charakteryzujących się współczynnikiem wzrostu grubości warstwy równym 1,2 i maksymalną grubością 5 mm.

Całkowita liczba elementów siatki obliczeniowej w przypadku modelu wymiennika nasadowego wyniosła 2 008 000, natomiast dla wymiennika wachlarzowego 1 990 000. Większa wartość w przypadku mniejszego wymiennika nasadowego jest związana z bardziej złożoną geometrią kanału spalin, co utrudnia generację siatki, szczególnie w obszarze warstwy przyściennej.

W przypadku modeli obydwu wymienników ciepła zastosowano jednakowy zestaw warunków brzegowych, przy czym założono niewielkie różnice dotyczące zadawanej temperatury powierzchni zewnętrznych wymienników, co wiąże się z różnym usytuowaniem urządzeń w ogrzewanej przestrzeni (wymiennik wachlarzowy – wolnostojąca „ścianka grzewcza”, nasadowy – na korpusie paleniska).

Ze względu na występowanie w siatce warstwy przyściennej zdecydowano o zastosowaniu modelu turbulencji przepływu „Shear Stress Transport – SST”. W modelach uwzględniono oddziaływanie grawitacji.

W związku z zastosowaniem w pomiarach eksperymentalnych miarkownika ciągu na wylocie z wymiennika zadano stałą wartość podciśnienia 12 Pa. W skład warunków brzegowych wejściowych domeny spalin wchodziło ciśnienie odniesienia równe ciśnieniu atmosferycznemu oraz temperatura wlotowa spalin ustalona na podstawie wyników eksperymentu.

Ze względu na fakt, że nie jest znany dokładny skład betonu akumulacyjnego (zastrzeżony przez producenta), z którego zbudowano wymienniki, przyjęto właściwości materiału jak dla betonu o cechach odpowiadających stosowanym materiałom akumulacyjnym [3]: relatywnie dużej gęstości (rzędu 2000–2500 kg/m³) i wysokiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła (rzędu 1–3 W/mK).

Dla fragmentów ścian zewnętrznych wymienników pozostających w kontakcie z korpusem paleniska lub podłogą założono stałą temperaturę powierzchni, w oparciu o pomiary termowizyjne. Przyjęto także stałą temperaturę otoczenia równą 10°C. Obliczenia przeprowadzono dla maksymalnego poziomu rezyduów równań rządzących 10–5, przy założeniu automatycznej skali czasowej.

Wyniki analiz eksperymentalnych i numerycznych

Rys. 4 umożliwia analizę cyklu pracy paleniska akumulacyjnego połączonego z wymiennikiem wachlarzowym przy załadunku drewnem bukowym (wilgotność ok. 20%) równym 14 kg. Zielone linie przerywane wyznaczają umowny przedział czasowy, w którym mamy do czynienia z zasadniczą fazą procesu spalania, charakteryzującą się względną stabilnością warunków panujących w komorze spalania i kanale wymiennika ciepła.

Z uwagi na stabilne warunki pracy układu w relatywnie długim czasie zdecydowano o przyjęciu na potrzeby obliczeń w stanie stacjonarnym wartości temperatury na wlocie do wymiennika ciepła odczytanej dla 60 minuty pomiaru.

Wartość spadku temperatury na drodze spalin wewnątrz wymiennika dla założonych warunków jego pracy odbiega o 9 K od temperatury wyznaczonej doświadczalnie (157 K) i wynosi 166 K.

Rozbieżność wynika z szeregu uproszczeń przyjętych na potrzeby obliczeń oraz nieznajomości części rzeczywistych wartości parametrów związanych szczególnie z procesem nagrzewania i oddawania ciepła przez wymiennik oraz materiałem wymiennika ciepła. Ponadto istnieje ryzyko niewielkiego błędu przy określaniu dokładnego położenia czujnika temperatury wewnątrz kanału, a fakt magazynowania energii w materiale ceramicznym wpływa na zmianę jego zdolności akumulacji ciepła (stąd zawyżony wynik). Mimo tych trudności zgodność obliczenia i wartości wyznaczonej doświadczalnie można uznać za zadowalającą.

Wymienione czynniki determinują rozkład temperatury na powierzchni wymiennika wachlarzowego.

Prezentowany termogram (rys. 5) dowodzi ogólnej zgodności wyników modelowania numerycznego i rzeczywistych warunków pracy wymiennika wachlarzowego.

W reprezentatywnych punktach oznaczonych na rysunku różnica wyniku otrzymanego eksperymentalnie i obliczeniowo waha się między 2,5 a 8,5 K, przy czym wartość obliczona jest zawsze nieco wyższa.

Z uwagi na problemy z określeniem odpowiedniej temperatury podstawy wymiennika, największy błąd notowany jest dla punktu najbliższego podłożu.

Istotne znaczenie mają zaburzenia pomiaru kamerą termowizyjną związane z niejednorodnością powierzchni wymiennika (zmienna wartość współczynnika emisyjności), a także kątem ustawienia kamery względem badanej konstrukcji.

Porównanie wyników obliczeń numerycznych przeprowadzonych dla akumulacyjnego wymiennika ciepła w konfiguracji wachlarzowej wskazuje, że przyjęta metodologia budowy modelu jest zasadna i pozwala na wykonanie analiz dla alternatywnej konstrukcji wymiennika nasadowego.

Przekazywaniu energii do materiału ceramicznego sprzyja duża zmienność kierunku przepływu gazu, co jest wyraźnie widoczne na rys. 6: relatywnie niewielka zmiana temperatury towarzyszy przemieszczaniu się spalin wzdłuż prostych odcinków wymienników.

Nadanie kanałowi formy meandra intensyfikuje wymianę ciepła, szczególnie na narożach przewodu. Redukcja dystansu między dwoma kolejnymi odcinkami poziomymi w centralnej części konstrukcji wachlarzowej umożliwia dopływ ciepła do materiału akumulacyjnego z góry i z dołu, co bez wątpienia korzystnie wpływa na jednorodność rozkładu temperatury na powierzchni grzewczej.

Wymiennik nasadowy, z uwagi na charakterystyczny przebieg kanału, cechuje się dużym zróżnicowaniem temperatury powierzchni zewnętrznych (rys. 7). Kierunek przepływu spalin determinuje intensywne nagrzewanie się obszarów, w których wewnątrz kanału strumień spalin zderza się z przeciwległą ścianą konstrukcji. W związku z powyższym dla przedniej i tylnej ściany wymiennika rozkład temperatury będzie miał podobną strukturę, co nie jest jednak optymalne z punktu widzenia funkcji użytkowej urządzenia.

Dla zwiększenia efektywności ogrzewania wymiennikiem takiego typu należałoby zatem instalować układ z zachowaniem odpowiednio dużego dystansu od ścian pomieszczenia.

Wymiennik wachlarzowy najlepiej sprawdzi się w przypadku ogrzewania dwóch sąsiednich pomieszczeń, szczególnie jeżeli jego zewnętrzna krawędź boczna (widoczna na rys. 8b) może pozostawać nieosłonięta (np. stanowić element przejścia z salonu do holu, części kuchennej, jadalnej itp.). Warto nadmienić, że sposób nagrzewania się ściany bocznej wymiennika wachlarzowego widocznego na rys. 8b jest zgodny ze zjawiskami zarejestrowanymi na termogramie (rys. 5b).

Rys. 6b oraz rys. 7b pozwalają dostrzec, że odcinek pierwszego górnego nawrotu spalin jest narażony na silne nagrzewanie. Biorąc pod uwagę, że wymiennik tego typu jest przeznaczony do montażu na palenisku, w długim cyklu grzewczym praca wymiennika może powodować intensywne nagrzewanie się powietrza pod sufitem, wzmagając tym samym rozprzestrzenianie się kurzu i drobnoustrojów. Z drugiej strony niekorzystny wpływ na warunki w ogrzewanym pomieszczeniu może zniwelować odpowiednia zabudowa wymiennika.

Rys. 9 i rys. 10 pozwalają na obserwację wpływu przebiegu kanału spalinowego na turbulentność, opory i prędkość przepływu.

Z punktu widzenia transferu ciepła do materiału wymiennika istotne jest utrzymanie relatywnie niskiej prędkości spalin w kanale, co wydłuża czas przekazywania energii. Wnikanie ciepła intensyfikują także turbulencje, które szczególnie widoczne są w przypadku obydwu typów wymiennika na górnych narożach, gdzie następuje nagła zmiana kierunku przepływu i prędkości spalin. W tych samych obszarach obserwowane jest intensywne nagrzewanie betonu akumulacyjnego (np. rys. 6).

Tabela 2 stanowi podsumowanie analizy porównawczej akumulacyjnego wymiennika ciepła przebadanego na stanowisku doświadczalnym oraz zaproponowanego alternatywnie wymiennika nasadowego. Wymiennik wachlarzowy przeważa w zakresie wszystkich cech istotnych z punktu widzenia efektywności odbioru ciepła ze spalin. Mniejsza masa całkowita wymiennika nasadowego stanowi jednak zaletę z punktu widzenia możliwości wykończenia układu, pozwala bowiem na budowę systemu kominka z wymiennikiem akumulacyjnym stylizowanym na piec kaflowy.

Warto wziąć pod uwagę także aspekt organizacji przestrzeni w ogrzewanym pomieszczeniu – wymiennik nasadowy nie wymaga wygospodarowania dodatkowego miejsca (poza paleniskiem). Kolumna tabeli 2 zatytułowana „DT” prezentuje możliwość obniżenia temperatury spalin przy zastosowaniu obydwu typów wymienników.

To, że uzyskany efekt jest mniej korzystny w przypadku wariantu nasadowego, stanowi jedynie sugestię, aby tego typu wymiennik stosować w połączeniu ze źródłem ciepła o mocy nominalnej niższej niż w przypadku wykorzystanym w pomiarach.

Ostatnia kolumna tabeli 2 prezentuje możliwość redukcji straty kominowej wynikającą z obniżenia temperatury spalin opuszczających układ względem przypadku niezastosowania odbioru ciepła za czopuchem (brak wymiennika), przy czym obliczenia wykonano, wykorzystując wzór Siegerta na stratę kominową [3]:

gdzie:

S_k – strata kominowa;

δ – stała Siegerta;

t_s – temperatura spalin, °C;

t_o – temperatura otoczenia, °C;

CO – zawartość tlenku węgla w spalinach, %;

CO₂ – zawartość dwutlenku węgla w spalinach, %.

Biorąc pod uwagę, że rozpatrywana strata stanowi najważniejszy element bilansu cieplnego urządzeń grzewczych małej mocy, jej redukcja o połowę dowodzi zasadności wykorzystywania akumulacyjnych wymienników ciepła w domowych systemach grzewczych zasilanych drewnem.

Podsumowanie

Akumulacyjne wymienniki ciepła umożliwiają znaczną redukcję strat, szczególnie związanych z wysoką temperaturą spalin charakterystyczną dla klasycznych wkładów kominkowych. Na podstawie analiz eksperymentalnych przeprowadzonych na stanowisku z paleniskiem akumulacyjnym oraz wymiennikiem ciepła w konfiguracji wachlarzowej możliwe było określenie parametrów niezbędnych do budowy modelu numerycznego ww. wymiennika.

W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych uzyskano rezultaty o stopniu zgodności z danymi doświadczalnymi umożliwiającym zaimplementowanie założeń do modelu wymiennika ciepła o alternatywnej, nasadowej budowie.

Na podstawie wyników obydwu symulacji przeprowadzono analizę porównawczą istotnych cech rozpatrywanych urządzeń. Określono podstawowe cechy wymiennika akumulacyjnego decydujące o efektywności odbioru ciepła ze spalin, w tym dużą masę wymiennika, liczne zmiany kierunku przepływu gazu w kanale spalinowym oraz odpowiednio dobraną geometrię bryły.

Wielkość wymiennika ciepła należy dobierać do mocy nominalnej paleniska, tak aby osiągnąć jednocześnie jak najniższą, ale zarazem bezpieczną z punktu widzenia ryzyka wykraplania kondensatu temperaturę spalin na wyjściu z układu kanałów. Ponadto decyzja o zastosowaniu nasadowego lub wachlarzowego wariantu jest zawsze zależna od preferencji estetycznych inwestora i charakterystyki przestrzennej ogrzewanych pomieszczeń.

Badania wykonano w ramach prac statutowych AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, zadanie nr 11.11.210.217 pt. „Badanie uwarunkowań zrównoważonego rozwoju energetycznego”

Literatura

1. Kruczek S., Kotły. Konstrukcje i obliczenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001, s. 336–347.
2. Rybak W., Spalanie i współspalanie biopaliw stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006, s. 169–174.
3. Kruczek S., Kotły. Konstrukcje i obliczenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001, s. 336–347.