Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z - Eko-DOk

Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z - Eko-DOk

Wymiana ciepła, żebro, ogrzewanie podłogowe, komfort cieplny
Henryk G. SABINIAK, Karolina WIŚNIK*
ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY
GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM
W artykule przedstawiono sposób wymiany ciepła w płycie grzewczej poprzez użebrowanie zewnętrzne rur grzewczych. Zastosowanie prostych nakładek pozwolić może na wyrównanie temperatury na powierzchni płyty oraz na obniżenie temperatury czynnika grzewczego.
W technice grzewczej powszechne jest stosowanie żeber, prętów, czy też igieł
głównie w warunkach konwekcyjnej wymiany ciepła, a więc gdy współczynnik
przejmowania ciepła pomiędzy powierzchnią zewnętrzną ciała stałego, a otaczającym
go płynem jest kilkadziesiąt razy mniejszy niż po stronie wewnętrznej. Wykorzystanie
żeber ma na celu rozwinięcie powierzchni wymieniającej ciepło, co prowadzi do
zwiększenia ilości oddawanego strumienia ciepła.
W artykule przedstawione zostały wyniki z badań numerycznych z zastosowaniem
ożebrowania rur grzewczych w ogrzewaniu podłogowym.
Proces ustalonej wymiany ciepła w układzie płyta grzewcza, a otoczenie rozpatrywany jest w oparciu o założenia:
- stała temperatura czynnika zasilającego ( woda ) w instalacji,
- temperatura w przekroju poprzecznym żebra jest funkcją jego długości, a nie grubości, stąd założono stałą grubość badanych żeber,
- współczynnik przewodzenia ciepła materiału żebra ma wartość stałą,
- temperatura pod warstwą izolacji ciepłochronnej tizol =15 [0C]
- na pionach płyty założono symetrię, przyjmując, że tą samą temperaturę wody
w sąsiednich rurach (rys. 2)
- współczynnik przejmowania ciepła na górnej powierzchni płyty hc =10 [W/m2K]
- temperatura otoczenia ti = 20 [0C].
__________
* Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, Politechnika Łódzka, karolina.wiś[email protected]
594
H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK
Na rysunkach 1 oraz 2 zaprezentowano model płyty wraz ze zdefiniowanymi parametrami poszczególnych warstw komponentów (rys. 1) oraz przyjętymi warunkami brzegowymi (rys. 2).
Nr
Rodzaj warstwy
Grubość warstwy
–
1
2
3
–
jastrych
rura miedziana
styropian
D
[m]
0,075
0,015
0,05
Wspólczynnik
przewodzenia ciepła
Λ
[W/m · K]
1,1
370
0,045
Rys. 1. Model płyty grzewczej
Rys. 2. Schemat odzwierciedlający warunki brzegowe na rozpatrywanej płycie
Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem
595
Rozważania nad wymianą ciepła w ogrzewaniu podłogowym, a otoczeniem realizowano poprzez określanie temperatur na powierzchni płyty tj. w miejscach położonych nad osiami rur i w połowie ich odległości ( rys. 6). W ramach pakietu oprogramowania ANSYS wykonano obliczenia:
I. Rozkład temperatury w nieużebrowanej płycie grzewczej.
II. Zmiany temperatury w płycie grzewczej z żebrami prostokątnymi.
W przypadku płyty grzewczej bez ożebrowania wielkością zmienną była odległość
pomiędzy rurami zasilającymi w przedziale 0,05 ÷ 0,3 [m], natomiast temperatura
wody grzewczej (tw) była stała i wynosiła 40 [0C].
Na rysunku 3 przedstawiony został wpływ zmiany odległości rur zasilających na
wartość temperatury na powierzchni płyty grzewczej. Zastosowanie najmniejszej odległości pomiędzy rurami pozwala na uzyskanie na powierzchni płyty temperatur,
których różnica nie przekracza 2 [0C]. Wzrost odległości pomiędzy rurami grzewczymi powoduje obniżenie temperatury na powierzchni nad osiami rur (tfr) w dość wąskim zakresie 1,5 K natomiast spadek temperatury pomiędzy rurami grzewczymi (tfp)
jest znaczny i wynosi ok. 6 K.
Przeprowadzone analizy pozwoliły na określenie najbardziej niekorzystnej, choć
zgodnej z zalecanym przez literaturę [1, 2] odległości pomiędzy rurami stosowanymi
w ogrzewaniu podłogowym i wynoszącej 0,3 [m]. Odległość ta została przyjęta, jako
wielkość stała i wyjściowa do analiz płyty grzewczej z żebrami.
Rys. 4. Wpływ zmian odległości rur grzewczych na wartości temperatury na powierzchni płyty grzewczej
596
H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK
Badania użebrowanej płyty grzewczej (rys. 5) wykonane zostały w oparciu o następujące założenia:
- szerokość żeber s = 0,02[m] –constans,
- grubość żeber gż = 0,002 [m] – constans,
- współczynnik przewodzenia ciepła żebra (miedź) λż = 370 [W/m·K] - constans,
- temperatura na wewnętrznej powierzchni rury grzewczej: tw1 = 30 [0C],
tw2 =35[0C], tw3 =40 [0C],
- współczynnik przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni rury:
hp1 = 2962 [W/m2K], hp2 = 3130 [W/m2K], hp3 = 3299 [W/m2K],
- rozstaw żeber (rp): rp1 = 0,01[m], rp6 = 0,08 [m],
- wysokość żeber (hż): hż1 = 0,012 [m], hż2 = 0,017 [m], hż3 = 0,02 [m], hż4=0,03
[m], hż5 = 0,04 [m], hż6 = 0,05 [m], hż7 = 0,07 [m], hż8 = 0,09 [m], hż9 = 0,1 [m], hż10 =
0,12 [m], hż11 = 0,13 [m], hż12 = 0,3 [m].
Rys. 5. Wymiary żebra prostokątnego
Rysunek 6 przedstawia wykorzystany w analizach numerycznych model grzewczy
z żebrami prostokątnymi wraz z miejscami kontroli temperatury na powierzchni badanej płyty.
Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem
597
Rys. 6. Płyta grzewcza z żebrami prostokątnymi
Na rysunkach 7 oraz 8 zamieszczono zależność temperatury na powierzchni użebrowanej płyty grzewczej nad osiami rur (tfr) i pomiędzy nimi (tfp) w zależności od
odległości pomiędzy żebrami (rp), ich wysokości (hż) oraz temperatury czynnika zasilającego.
Rys. 7. Wpływ zmian wysokości żeber prostokątnych na wartości temperatury na powierzchni płyty
grzewczej przy odległości żeber rp= 0,01 [m]
598
H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK
Rys. 8. Wpływ zmian wysokości żeber prostokątnych na wartości temperatury na powierzchni płyty
grzewczej przy odległości żeber rp= 0,08 [m]
Badania numeryczne płyty grzewczej z żebrami prostokątnymi wykazały zależność
temperatury na powierzchni płyty grzewczej nad rurami (tfr) i w połowie ich odległości (tfp) od wysokości żeber (hż) i odległości pomiędzy nimi (rp). Zwiększenie wysokości żeber (hż czyli powierzchni grzewczej) determinuje wartości temperatury na powierzchni płyty:
- temperatura nad osiami rur (tfr) bez względu na zastosowaną odległość pomiędzy
żeber (rp), wzrastała sukcesywnie do wysokości (hż) równej 0,08 [m]. Powyżej tej
wartości można mówić o jej pewnej stabilizacji.
Rozwinięcie powierzchni wymiany ciepła wpływało na temperaturę (tfp) w połowie
odległości pomiędzy rurami grzewczymi, powodując jej przyrost bez względu na wartości temperatury czynnika zasilającego.
Analizowane przypadki grzejnika podłogowego z ożebrowaniem prostokątnym
powodują pewne rozciągnięcie pola temperatury w płaszczyźnie poziomej, pozwalając
na wyrównanie temperatury na powierzchni płyty grzewczej oraz zmniejszenie temperatury czynnika grzewczego.
Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem
599
LITERATURA
[1]
[2]
KOCZYK H., Ogrzewnictwo. Podstawy projektowania cieplnego i termomodernizacji budynków,
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000.
RABJASZ R., Ogrzewanie podłogowe-poradnik, Centralny Ośrodek Informacji budownictwa,
Warszawa 1995
ANALYSIS OF HEAT EXCHANGE FINNED HEATING PLATE
In article present how the heat transfer in the heating plate by the WEU-brow external heating pipes.
The use of simple overlays can afford to compensate the temperature on the surface of the disc and the
lower water temperatures.