Optimální napojení dlouhých otopných těles

Optimum connection of long radiators

Ing. Jiří BAŠTA, Ph.D.,Ing. Jan SCHWARZER,Ing. Roman VAVŘIČKAČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústavtechniky prostředí

Recenzentdoc. Ing. Karel Kabele, CSc.

Článek se soustředí na popis teplotního a rychlostního pole u deskových otopných těles na straně vody, napojených jed-nostranně shora dolů a oboustranně shora dolů u těles tzv. krátkých a dlouhých (L ≥ 4H). Vzhledem ke získaným výsled-kům z matematické simulace dává jednoznačné doporučení stran napojení dlouhých otopných těles.Klíčová slova: vytápění, otopné těleso, počítačová simulace, napojení otopných těles

The authors fixed their attention on the description of the temperature and velocity fields on the water side of the desktype radiators, connected one-sidedly from above downwards and double-sidedly from above downwards with theso-called short and long (L ≥ 4H) radiators. With regard to the results obtained by mathematical simulation the authorsgive unequivocal recommendation concerning the connection of long radiators.Key words: heating, radiator, computer simulation, connection of radiators

U deskových otopných těles bylo při měření za jme-novitých podmínek zjištěno, že je jmenovitý výkonu těles tzv. krátkých konstantní jak při jednostran-ném, tak při oboustranném napojení shora dolů.Tento poznatek však neplatí pro dlouhá (L ≥ 4H)desková otopná tělesa. Odborná literatura vysvět-luje jev rozdílně. Některá se přiklání k tzv. ejekční-mu účinku prvních kanálků napojených na hornírozvodnou komoru [1], jiná [3] jev vysvětluje jakovýznamný pokles dynamického tlaku v horní roz-vodné komoře vzhledem k její délce. Problematikase tak nejsnáze dala řešit matematickou simulacív programu Fluent, zmapováním teplotního a rych-lostního pole u obou výše uvedených příkladů tě-les. Řešením bylo na základě získaných teplotnícha rychlostních polí vyhodnotit příčinu markantníhopoklesu tepelného výkonu tzv. dlouhých těles přijednostranném napojení shora dolů.

1. PODMÍNKY ŘEŠENÍ

Při návrhu modelu jsme uvážili několik možností,které nabízel kreslící program Gambit a zároveňzohlednili možnosti výpočetního programu Fluent.

Matematická simulace byla pro-vedena u dvou typů otopných tě-lesa. První typ byl tzv. krátkýa odpovídal otopnému deskové-mu tělesu Radik Klasik 10–500x 500 s napojením jednostran-ným shora dolů a oboustrannýmshora dolů při jmenovitéma dvojnásobném průtoku. Druhýtzv. dlouhý model odpovídalotopnému deskovému tělesuRadik Klasik 10–500 x 2000opět s napojením jednostran-ným shora dolů a oboustrannýmshora dolů při jmenovitéma dvojnásobném průtoku.

Princip řešení vytvoření modelu spočívá v tom, žese předběžný model postupně rozdělí na co největ-ší počet jednoduchých tělesových útvarů. Zname-ná to tedy, že u tělesa 10–500 x 500 je celkový tvardán průniky 15 kanálků a dvěma rozvodnými komo-rami (horní a dolní), což je 17 těles ve tvaru šestibo-kého hranolu, kde rozvodné komory jsou kolmé nakanálky.

Tepelný tok který těleso předává do okolíbyl zadáván přes součinitel přestupu tep-la na straně vzduchu αe. Bylo zohledně-no, že se součinitel přestupu tepla nastraně vzduchu s výškou otopného těle-sa mění. Rovněž byly zadány teplotyokolí a tlouš�ky materiálu tělesa. Modelbyl zasí�ován na konečný počet 370 000buněk u krátkého a 610 000 buněku dlouhého tělesa.

Neméně důležitou součástí celé simula-ce je kromě sí�ování také volba okrajo-vých podmínek. Jedná se o definici ma-teriálu tělesa, vlastností proudící vody,

vstupního otvoru do tělesa a výstupního z tělesaa dalších vlastností modelu.

2. VÝSLEDKY POČÍTAČOVÉ SIMULACE

Zabývejme se nejdříve krátkým tělesem jedno-stranně napojeným (obr. 1, 2 a 3). Na obr. 1 je zná-

142 VVI 4/2003

V Y T Á P Ě N Í

Obr. 1 Teplotní pole u tělesa 10-500 x 500 s jednostranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 2 Rychlostní pole u tělesa 10-500 x 500 s jednostranným na-pojením shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 3 Vektorové pole u tělesa 10-500 x 500 s jednostranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

zorněno teplotní pole při jmenovitém průtoku.Je zde zřetelně vidět jak dochází k postupnémuzatékání vstupní (teplé) vody do jednotlivých ka-nálků.

Je rovněž patrná chladnější oblast v dolním pravémrohu tělesa, která se vytvořila následkem zchladnu-tí vody v tělese a menších rychlostí, které jsou zná-zorněny na obr. 2. Obr. 3 prezentuje vektorové pole,kde vektory ukazují směr proudění, zatékání dojednotlivých kanálků a spojování proudů v dolnísběrné komoře.

Při zdvojnásobení průtoku pozorujeme zmenšeníchladné oblasti v pravém dolním rohu. Také teplotavracející se vody z tělesa je vyšší vlivem většíhoprůtoku. Tento případ však není tak zajímavý, nebo�představuje případ předimenzované či hydraulickynevyvážené potrubní sítě, kdy otopné těleso mámarkantní nadprůtok.

Při oboustranném napojení krátkého tělesa provo-zovaného za jmenovitého průtoku se chladnější ob-last přesune dolů doprostřed tělesa obr. 4. Obrazrychlostního pole (obr. 5) nyní ukazuje zcela jiné

proudění vody horní rozvod-nou a dolní sběrnou komorou,a tudíž i jiné tlakové poměryv otopném tělese. Oblasti rela-tivního přetlaku a relativníhopodtlaku jsou definovány zcelajinak než tomu bylo v předcho-zím případě a pomyslná neut-rální křivka získala jiný tvar.Převážná část průtoku vody serozdělí do prvních tří a posled-ních čtyřech kanálků. Značí to,že uprostřed tělesa voda ne-zatéká do jednotlivých kanálkůani přibližně tak, jako na jehozačátku a konci. Vektorovépole (obr. 6) uvedené postřehyjen potvrzuje.

U oboustranného napojeníshora dolů s dvojnásobnýmprůtokem je chladná oblast té-měř potlačena. Rychlostnípole je však stále ovlivněnopřevažujícím prouděním v prv-ních a posledních kanálcích.

Pokud se soustředíme na tzv.dlouhé otopné těleso, posu-me nejdříve napojení jedno-stranné shora dolů s jmenovi-tým průtokem. Na obr. 7 jezobrazeno teplotní pole, kteréjiž na první pohled signalizujevýznamný pokles tepelnéhovýkonu. Je názorně vidět, ževstupní teplá voda nepropla-chuje celé těleso, ale jen asi50 % celkového objemu. Díktlakové ztrátě otopného tělesa,která v podobě tření a míst-ních odporů roste s délkou tě-lesa, se převážná část průtokuihned vrací do dolní sběrnékomory a k výstupu z tělesa(obr. 8). Musíme však upozor-nit, že obr. 8 je trochu nepře-sný ve svém měřítku, nebo�měřítko uvádí podle barvy nu-lovou rychlost ve druhé polovi-ně otopného tělesa. To však

není pravda. V druhé polovině tělesa dochází k ne-uspořádanému proudění a rychlosti se zde pohybu-jí řádově v 10-9 m/s, což FLUENT vyhodnotil při gra-fickém výstupu jako 0 m/s. Vektorové pole nám pakprokázalo zcela nahodilý směr proudění vody s vel-mi nízkými rychlostmi v druhé polovině tělesa.

Při hydraulické nevyváženosti potrubní sítě, tj. v na-šem případě zdvojnásobení průtoku vody tělesem,se sice oblast, ve které nedochází k proplachováníteplou přívodní vodou zmenší, ale závěry jsou stej-né jako u jmenovitého průtoku.

VVI 4/2003 143

V Y T Á P Ě N Í

Obr. 4 Teplotní pole u tělesa 10-500 x 500 s oboustranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 5 Rychlostní pole u tělesa 10-500 x 500 s oboustranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 6 Vektorové pole u tělesa 10-500 x 500 s oboustranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 7 Teplotní pole u tělesa 10-500 x 2000 s jednostranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 8 Rychlostní pole u tělesa 10-500 x 2000 s jednostranným napo-jením shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 9 Teplotní pole u tělesa 10-500 x 2000 s oboustranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Pokud dlouhé těleso s poměrem L ≥ 4H napojímeoboustranně shora dolů, je obraz teplotního i rych-lostního pole příznivější obr. 9 a 10. Dochází zdestejně jako u krátkého tělesa k rozdělení převážnéčásti průtoku mezi první a poslední kanálky tělesa.Uprostřed tělesa v dolní části vzniká chladnější ob-last, ale využití tepelného potenciálu tekutiny je zdedaleko vyšší než u jednostranného zapojení (lepšípropláchnutí tělesa vstupní teplou vodou). Docházítak k významnému zvýšení střední teploty tělesaoproti napojení jednostrannému a tak i ke zvýšenítepelného výkonu. Vektory rychlostního pole majíuspořádanější charakter po celé délce tělesa.

U dvojnásobného průtoku je chladnější oblast men-ší a střední povrchová teplota otopného tělesa vyš-ší. Obraz rychlostního pole je oproti jmenovitémuprůtoku téměř nezměněn.

3. ZÁVĚR

Z analýzy výsledků matematické simulace s využi-tím programu Fluent je patrná kontrakce prouduvody v místech natékání z horní rozvodné komorydo svislých kanálků. V místech kontrakce proududochází na vnitřní straně za ohybem proudu k jehoodtržení a vzniku vírů (obr. 11). Kinetická energievírů je součástí energie hlavního proudu, tj. energiev těchto místech disipuje. Proudové pole je za kaž-dým kanálkem, resp. jeho napojením, jiné a ne-uspořádané.

Vlivem neuspořádaného proudění a tlakových ztrátv horní rozvodné komoře dochází u dlouhých tělesv druhé polovině jejich délky k plíživému prouděnío rychlostech 2.10-9 m/s. Takto malé rychlosti pod-miňují výrazné snížení součinitele přestupu tepla

na straně vody, ale zároveňi markantnější ochlazení vodypři průtoku celým otopnýmdeskovým tělesem. Výrazněse tak snižuje střední teplotaotopného tělesa a její sníženíje druhotnou příčinou poklesutepelného výkonu.

V projekční praxi bychom ne-měli navrhovat napojení tzv.dlouhých těles jednostrannéshora dolů, ale pouze obou-stranné shora dolů.

V doporučení můžeme na zá-kladě získaných výsledků jít

ještě dál a pozměnit podmínku rozlišení dlouhýcha krátkých těles (L ≥ 4H) vzhledem k napojení. Zadlouhá tělesa, pro něž platí výše uvedené doporu-čení pro jejich napojení, tak považujme deskováotopná tělesa splňující podmínku (L ≥ 3H).

Použité zdroje:[1] ABEL, H., BOTT, H., SCHLAPMANN, D.: Raumheiz-

körper. Heizungstechnik, 1990, 4.13, s. 928-935.[2] BAŠTA, J.: Otopná tělesa – sešit projektanta č. 5.

STP 2000, ISBN 80-02-01351-4, 211 s.[3] BAŠTA, J.: Otopné plochy. Praha: Ediční středisko

ČVUT, 2001. – 328 s. – ISBN 80-01-02365-6.[4] Vavřička, R.: Obrazy proudění na straně vody u otop-

ných těles. DP, ČVUT-FSI-U216, Praha 2002. �

144 VVI 4/2003

V Y T Á P Ě N Í

Obr. 10 Rychlostní pole u tělesa 10-500 x 2000 s oboustranným na-pojením shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C)

Obr. 11 Vektorové pole u tělesa 10-500 x 2000 s jednostranným napoje-ním shora dolů (jmenovitý průtok, 75/65/20 °C) – část vstupu do tělesa

* Uhlíkové infrazářiče Carbon Twin

První výrobce horských sluníček s křemennou lampouHöhensonne Original Hanau, německý Heraeus, po spojenís britskou firmou Noblelight v Heraeus Noblelight GmbH,představuje nejnovější inovaci infrazářičů s uhlíkem jakozdrojem tepelného záření. Infrazářiče technologie CarbonInfraRot (CIR) užívají zářičů ve formě pásku uhlíkové fólie,pracující v oblasti středovlnné části spektra IR vlnovýchdélek 2000 až 3500 nm s maximem kolem 2000 nm.

Nejnovější generací infrazářičů CIR jsou zářiče CarbonTwin, řešené jako dvojité trubice oválného průřezu z kře-menného skla tvaru ležaté osmičky rozměrů 33 x 14 mm,délek až 3 m a provedení pro napětí 115, 230, 400a 480 V s dvěma uhlíkovými zdroji IR záření o maximu vl-nové délky 2000 nm. Mají vysokou rychlost ohřevu na pra-covní teplotu 1 200 °C za 2 s, výkon až 10,5 kW a vysokouplošnou hustotu výkonu až 150 kW.m-2. Mohou mít zapo-jení na jednom i obou koncích. Pro vyšší výkon se vybavu-jí zlaceným reflektorem, který odráží až 95 % záření.

Protože maximum absorbce IR záření vodou leží v blíz-kosti maxima vyzařované energie, jsou zářiče CarbonTwin vhodné pro průmyslový ohřev a sušení, rychlé suše-

ní nátěrů vodou ředitelných barev a laků, sušení granulátůapod. Hodí se pro zpracování plastů, protože plasty ab-sorbují IR záření vlnových délek nad 2000 nm, vazby C-Hvlnové délky 3200 až 3500 nm. Používají se i při tvarováníplastů a pro ohřev plastových trub a trubek z PE, PPa PVC před svařováním na tupo.

Heraeus Noblelight GmbH, Hanau, 2002 (AB)

* První geotermální elektrárna v Německu

V červnu 2003 byly položeny základy první geotermálníelektrárny v Německu u malého města Neustadt-Glewe(Mecklenburg). Provozní společnost Erdwärmekraft GbRby již koncem roku měla být schopna zahájit dodávkyelektřiny do veřejné sítě. Primárním zdrojem energie jevoda o teplotě 98 °C, těžená z hloubky 2 200 m. Jelikožteplota vody je příliš nízká pro přeměnu na vodní páru, jepoužit organický Rankinův cyklus s uhlovodíkem, vroucímpři 30 °C za potřebného tlaku. Přehřáté páry uhlovodíkuexpandují v parní turbině. Podle provozní společnostimůže elektrárna zásobovat elektřinou více než 500 do-mácností (asi 2000 obyvatel) z celkového počtu 7 400obyvatel Neustadt-Glewe. Projekt byl podpořen z výzkum-

ného fondu federálního Ministerstva životního prostředí,ochrany přírody a jaderné bezpečnosti SRN. V tomto pi-lotním projektu jsou zastoupeny tři elektrárenské společ-nosti: Berliner Bewag, Wemag AG a Energie Südwest.

EEP Newsletter, červen 2003 (Br)

* Nová regulace ventilátorů

Aby se minimalizovaly provozní náklady, jsou motory ven-tilátorů, které pracují často s dílčí zátěží, regulovány. Fir-ma Gebhardt přišla na nové řešení regulace výkonu ná-střešních ventilátorů a to kombinaci normovaného motorus novým druhem frekvenčního měniče, odpovídajícíhonovým evropským směrnicím dle ISO 61000-3-2. Měnič jejiž zabudován do ventilátoru a s ním kabelově propojen.S tímto měničem např. při zatížení ventilátoru na 50 % do-chází k úspoře energie přes 40 %. Integrace ventilátorůdo systému řízení budovy je možná, protože zde stačí sig-nál od 0 do 10 Voltů, aby se provoz ventilátoru přizpůsobiljakékoliv potřebě. Je samozřejmě možné i dálkovéovládání jednoduchým potenciometrem.

CCI 11/2002 (Ku)