Kapalinové výměníky pro využívání nízkopotenciálního tepla

výměníky

Článek přibližuje problematiku návrhu výměníků tepla u nízkopotenciálních zdrojů tepla. Autor poukazuje na základní fyzikální vlastnosti výměníků tepla v souvislosti s vhodností volby daného typu výměníku tepla. Závěrem popisuje vliv vlastností teplonosné kapaliny na účinnost přenosu tepla výměníku.

Recenzent: Roman Vavřička

Soustavy pro využívání nízkopotenciálního tepla tvoří energetické celky, jejichž nedílnou a důležitou součástí jsou výměníky tepla. Za soustavy pro využívání nízkopotenciálního tepla považujeme zejména solární systémy, soustavy s tepelným čerpadlem a zařízení pro rekuperaci tepla.

Účinnost každé soustavy je limitována účinností nejhoršího konstrukčního prvku použitého v soustavě. Aby jím nebyl právě výměník, je nutné věnovat jeho výběru maximální pozornost.

Při volbě výměníku tepla je nutné si uvědomit, že výměníky tepla mění svůj výkon v závislosti na intenzitě proudění kapalin po obou stranách teplosměnných ploch, na rozdílu teplot mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou i na fyzikálních vlastnostech kapalin.

V některých případech jsou podmínky pro přenos tepla při použití výměníků obvyklé konstrukce natolik nepříznivé, že výměníky obvyklé konstrukce nemohou ekonomicky plnit svoji funkci. V takových případech je zapotřebí použít výměník speciální konstrukce.

Nízkopotenciální zdroje tepla se zpravidla vyznačují tím, že zdroj tepla není k dispozici současně s odběrem tepla. Pro překrytí časových disproporcí mezi zdrojem a spotřebou tepla je nutná tepelná akumulace. K tomuto účelu se nejčastěji používají akumulační výměníky tepla, na jejichž sekundární straně je dostatečná tepelně akumulační kapacita daná objemem vody.

Teplo získané z nízkopotenciálního zdroje je zapotřebí odvést již při malém teplotním rozdílu mezi teplotou teplonosné kapaliny v primárním okruhu a teplotou ohřívané vody v akumulační části.

V akumulačních výměnících tepla se voda ohřívá tak, že teplonosná látka proudí kolem teplosměnné plochy výměníku a předává teplo, skrze stěnu výměníku, přirozenou konvekcí ohřívané vodě.

Dobré účinnosti výměny tepla lze dosáhnout jen tehdy, jsou-li intenzity přestupu tepla na obou stranách teplosměnných ploch alespoň řádově stejné. Tento požadavek však většina akumulačních výměníků s hladkými předávacími plochami nesplňuje.

Z hlediska přenosu tepla jsou na tom lépe výměníky, jejichž teplosměnná plocha je vytvořena trubkami se žebrováním na vnější straně.

Součinitel přestupu tepla uvnitř trubkové teplosměnné plochy a_i= 1300 až 2500 [W·m^–2·K^–1], případně i větší v závislosti na intenzitě proudění. Na vnější straně díky přirozené konvekci a_e= 120 až 500 [W·m^–2·K^–1].

Součinitel prostupu tepla U akumulačních výměníků se obvykle pohybuje v rozmezí od 80 do 400 [W·m^–2·K^–1].

Nevýhodou akumulačních výměníků tepla je postupné snižování množství přenášeného tepla při nabíjení a malá využitelnost obsahu akumulační nádoby. Při ohřevu obsahu nádoby se teploty teplosměnné plochy výměníku a teploty ohřívané vody vyrovnávají, a tím postupně klesá tepelný výkon výměníku tepla. Není-li teplotní rozdíl, není přestup tepla, jak je známo z termodynamických zákonů.

Pro některé aplikace však použití akumulačního výměníku postačuje.

Pro náročnější aplikace je vhodným řešením použití akumulační nádoby a připojení samostatného výměníku tepla. Toto řešení má několik výhod:

• a) Součinitel přestupu tepla na primární straně výměníku se bude alespoň řádově blížit součiniteli přestupu tepla na sekundární straně teplosměnné plochy.
• b) Výměník pracuje s nejnižší možnou vstupní teplotou ohřívané vody.
• c) Intenzita proudění na sekundární straně teplosměnné plochy je úměrná teplotnímu rozdílu mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou (přirozené proudění).
• d) Vytvoří se optimální teplotní gradient v akumulační nádobě.
• e) Využije se celý objem akumulační nádoby.

Při nepřesné funkci regulace, např. ­pokud při nedostatečném tepelném ­výkonu zdroje tepla (malém oslunění kolektorů) bude v činnosti oběhové čerpadlo primárního okruhu, nedojde k odnímání naakumulovaného tepla v sekundárním okruhu zpětnou cestou přes výměník do primárního okruhu a jeho dopravou do kolektorů.

Důležité je, aby měl výměník tepla na sekundární straně teplosměnné plochy velmi nízký hydraulický odpor. Použijeme-li např. deskový výměník tepla, který má velký hydraulický odpor na vnější straně teplosměnné plochy, nepostačí k jeho vybíjení pouze přirozené proudění, způsobené rozdílem teplot, ale je nutné instalovat oběhové čerpadlo i na sekundární straně a zvýšit tak přenos tepla do ohřívané kapaliny. Toto řešení je problematické, protože intenzita proudění na sekundární straně nebude v každém okamžiku odpovídat teplotnímu rozdílu mezi primární a sekundární stranou výměníku a způsobí rozrušení teplotního gradientu v akumulační nádobě. Důsledkem bude malá využitelnost akumulační schopnosti nádoby. Řešením by bylo použít čerpadlo s vhodně elektronicky regulovaným výkonem, což připadá v úvahu u soustav většího rozsahu.

Vliv fyzikálních vlastností teplonosné kapaliny na účinnost přenosu tepla ve výměníku

V zařízení, které je po určitou dobu vystaveno podnulovým teplotám, je třeba použít nízkotuhnoucí teplonosnou kapalinu, která neohrožuje zařízení destrukcí vlivem zvětšení objemu při tuhnutí.

Jsou-li oběhová čerpadla, potrubí a výměníky tepla dimenzovány pro vodu a ve skutečnosti je použita nízkotuhnoucí kapalina, může nerespektování fyzikálních vlastností kapaliny snížit účinnost zařízení o 20 až 50 %.

Rozhodujícími vlastnostmi teplonosné látky jsou hustota r [kg·m^–3], měrná tepelná kapacita c [J·kg^–1·K^–1], tepelná vodivost l [W·m^–1·K^–1], kinematická viskozita n [m²·s^–1] a součinitel objemové teplotní roztažnosti b [K^–1].

V solárních systémech se používají téměř výhradně teplonosné kapaliny vyrobené na bázi propylenglykolu, v primárních okruzích soustav s tepelným čerpadlem též kapaliny vyrobené na bázi etylalkoholu a v otopných soustavách přípravky vyrobené na bázi etylenglykolu.

Při laminárním proudění kapalina vytvoří v potrubí tzv. laminární vrstvy, které se při proudění po sobě posouvají. Kapalina klade tomuto posouvání odpor, který se projevuje tečnými silami mezi jednotlivými vrstvami. Tečné napětí je úměrné gradientu rychlosti na rozhraní vrstev. U stěn potrubí a podél teplosměnných ploch výměníků tepla se tak vytváří nepohyblivá vrstva teplonosné kapaliny. Čím je kapalina viskóznější, tím je nepohyblivá vrstva tlustší. Tepelná vodivost nízkotuhnoucích kapalin je zpravidla menší, než tepelná vodivost vody. Nepohyblivá vrstva nízkotuhnoucí kapaliny je tedy silnější a navíc má i nižší tepelnou vodivost. Výsledkem je, že nízkotuhnoucí kapalina, při proudění v potrubí, ve srovnání s vodou působí v podstatě jako izolant, a tím snižuje přenos tepla.

Oproti tomu účinnost slunečních kolektorů se při použití nízkotuhnoucí teplonosné kapaliny, ve srovnání s vodou, podstatným způsobem nezmění. Je to vysvětlitelné tím, že odpory vedením tepla v lamele kolektoru, přechodové odpory mezi lamelou a trubkou kolektoru a materiálu trubky jsou řádově větší, než tepelný odpor způsobený rozdílem součinitelů přestupu tepla z trubky do kapaliny nebo vody, způsobeným záměnou kapalin.

Pozornost je nutné věnovat skutečnosti, že hydraulické odpory budou při použití nízkotuhnoucí kapaliny oproti vodě zpravidla větší.

Účinnost výměníku tepla bude ovlivněna i změnou fyzikálních vlastností kapaliny v závislosti na intenzitě proudění podél primární a sekundární strany teplosměnné plochy.

Závěr

Výměník tepla a jeho tepelně-technické vlastnosti jsou stejně důležitým konstrukčním prvkem otopných soustav jako například kotel, tepelné čerpadlo, nebo sluneční kolektor. Proto si zaslouží naši pozornost, neboť nesprávná volba výměníku může podstatně zhoršit účinnost celé soustavy.

Liquid heat exchangers for low-potential heat

Article approaches the issue of design heat exchangers for low-potential heat sources. Basic physical properties are described. Highlighted is the influence of heat transfer fluid.

Keywords: heat exchanger, low potential heat exchanger