PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKY OTOPNÝCH TĚLES

Transkript

1 ČVUT v Praze, Fakulta strojní Ústav techniky prostředí PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKY OTOPNÝCH TĚLES Datum odevzdání: Měřicí skupina: Měřili: Semestr/rok: Datum měření:

2 Zpráva o výsledcích experimentálních prací by měla obsahovat: 1. Titulní list. Soupis značek 3. Téma a cíl experimentu. Popis experimentální metody.1 Teorie. Popis experimentální metody.3 Postup měření 5. Experimentální zařízení 5.1 Popis experimentálního zařízení 5. Schéma zařízení 5.3 Soupis měřících přístrojů 5. Popis měřeného předmětu 6. Postup vyhodnocení 6.1 Přehled výpočtových vztahů 6. Tabulky naměřených hodnot 6.3 Výpočet jednoho řešení 6. Tabulky vypočtených hodnot 7. Grafické znázornění výsledků 8. Hodnocení přesnosti měření 9. Diskuse o výsledcích a závěr V příloze musí být originál zápisu naměřených hodnot s datem měření!!!

3 . Seznam použitého značení c0 cw H Mw n N kot Ko Qk Qs Sa SL SL tg to tst twm tw1 tw t1 t Tu V α λ [W m- K-] [J kg-1 s-1] [-] [kg s-1] [-] [-] [W m- K-1] [%] [W] [W] [W] [%] [m] [m] [K] [m3 s-1] [W m- K-1] [m] [-] [-] [W m-1 K-1] [kg m-3] Stefan-Boltzmannova konstanta (5, W m- K-) měrná tepelná kapacita počet dílků na cejchované stupnici rotametru hmotnostní průtok vody teplotní exponent otopného tělesa počet měření součinitel prostupu tepla OT konvekční složka tepelného výkonu OT celkový tepelný výkon OT tepelný výkon OT přenášený konvekcí tepelný výkon OT přenášený sáláním sálavá složka tepelného výkonu OT přestupní plocha OT na straně vzduchu plocha tělesa sálajícího do vytápěného prostoru výsledná teplota kulový teploměr teplota okolí stíněný teploměr povrchová teplota OT střední teplota v OT teplota vstupní vody teplota vratné vody povrchová teplota stěny OT na straně vody povrchová teplota stěny OT na straně vzduchu absolutní určující teplota = střední radiační teplota objemový průtok vody součinitel přestupu tepla tloušťka stěny emisivita součinitel vzájemného poměru osálání součinitel tepelné vodivosti hustota vody při tw 3. Téma a cíl experimentu Cílem měření je zjistit výkonové charakteristiky otopného tělesa za různých provozních podmínek. Hlavním cílem je stanovení tepelného výkonu měřeného vzorku otopného tělesa. Dále stanovit hodnoty tepelného výkonu sdíleného otopným tělesem sáláním a konvekcí a vypočítat hodnotu součinitele prostupu tepla otopného tělesa. Měření vychází z váhové metody podle ČSN EN. Pro potřeby výuky je tato metoda především s důrazem na časové nároky a přehlednost zjednodušena.

4 . Popis experimentální metody.1 Teoretická část Otopná tělesa jsou výměníky tepla určené pro dodávku tepla do vytápěného prostoru. Tepelný výkon otopných těles je závislý zejména na uspořádání teplosměnné plochy na straně vzduchu. Použití otopných těles předurčuje k tzv. převážně konvekčnímu vytápění, tj. způsob vytápění, kdy otopné plochy nejdříve ohřívají vnitřní vzduch, který poté předává teplo stěnám vytápěného prostoru. Teplo z teplonosné látky se sdílí jednak na vnitřním povrchu tělesa (na straně vody) prouděním (konvekcí), dále vedením stěnou tělesa a na vnějším povrchu tělesa je sdíleno konvekcí do vzduchu a sáláním na okolní plochy (obr. 1). Fyzikálně lze tento děj vyjádřit jako: S m t1 t T Tr k S L t t L c0 OT S L k S L twm t L QT mw c tw1 tw w S w twm t1 (1) Obr. 1 Schématické znázornění průběhu teplot v rovinné stěně otopného tělesa Z hlediska umístění otopného tělesa ve vytápěném prostoru je součinitel vzájemného osálání φ = 1. Je to dáno tím, že sálající plocha (otopné těleso) je podstatně menší než plocha osálaná (okolní stěny) a je osálanou plochou zcela obklopena. Střední teplotní rozdíl na otopném tělese lze zjednodušeně vyjádřit jako t twm t L tw1 tw tl () Změnu součinitele přestupu tepla, a tedy i výkonu otopného tělesa, při změněných teplotních parametrech lze postihnout exponenciální rovnicí

5 Q1 t1 Q t n (3) Z naměřených hodnot tepelného výkonu otopného tělesa při různých teplotních spádech lze stanovit teplotní exponent podle vztahu n N log t log Q log t log Q N log t log t (). Popis experimentální metody Norma ČSN EN - - Otopná těles, stanovuje jednotný postup při ověřování tepelného výkonu otopných těles. K zjišťování tepelného výkonu dle této evropské normy je možné použít dva způsoby: - měřením průtoku teplonosné látky otopným tělesem a určení rozdílu teplot teplonosné látky na vstupu a výstupu (tzv. váhová metoda) - měřením příkonu energie dodávané do okruhu teplonosné látky (tzv. elektrická metoda) V laboratořích Ú je využívána tzv. váhová metoda. U váhové metody je tepelný výkon zkušebního vzorku otopného tělesa zjišťován měřením hmotnostního průtoku teplonosné látky tělesem (vážením) a z rozdílu teplot teplonosné látky na vstupu a výstupu z otopného tělesa (). Q M W cw tw1 tw () Hmotnostní průtok teplonosné látky se stanoví z objemového průtoku a hustoty vody. Hustota vody pro učení hmotnostního průtoku odpovídá teplotě vratné vody z otopného tělesa, protože je průtokoměr umístěn za otopným tělesem. Pro stanovení hustoty vody (3) a měrné tepelné kapacity vody () lze využít obecných závislostí veličin na teplotě vody ve tvaru: w 1000 (t ) 0, 097 0, 0036 t (3) cw 186,8 0, 671, T 8, T 8, T 3 () Norma ČSN EN dále stanovuje, že průtok vody je možné měřit pomocí měřidel, jestliže je možné je kontrolovat vážením a vykazují-li požadovanou přesnost. Pro účely měření provozních charakteristik otopných těles lze využít plovákový průtokoměr tzv. rotametr. Výrobce u těchto průtokoměrů udává pro jednu cejchovní křivku vztahy pro přepočet průtoku na jiné teplotní podmínky. Ukázku závislosti objemového průtoku na odečítané výšce plováku pro teplotu vody 65 C u rotametru RU je znázorněna na obr..

6 Kalibrační křivka plovákového průtokoměru RU pro teplotu tw = 65 C , H 7, H 3 6, H 0, 616 H 15, 79 V H[-] [dm3/h] Obr. Kalibrační křivka plovákového průtokoměru RU; V objemový průtok [dm3/h], H počet dílků na cejchované trubici [-].3 Postup měření Na mobilním zdroji tepla je nastavena požadovaná hodnota teploty vody na vstupu do otopného tělesa. Regulačním ventilem je současně nastaven požadovaný průtok teplonosné látky otopným tělese. Po dosažení ustáleného stavu jsou odečítán hodnoty teplot tw1, tw, to, tg a výšky plováku na rotametru H. Všechny takto zapisované hodnoty jsou odečítány 5x po cca 5 minutách. Z těchto pěti hodnot jsou následně stanoveny střední hodnoty. Poté jsou nastaveny na mobilním zdroji tepla nové parametry (teplota na vstupu do OT a průtok teplonosné látky) a stejným způsobem probíhají další měření. Pro objektivní posouzení provozních parametrů otopného tělesa je nutné stanovit alespoň 5 různých provozních stavů měřeného otopného tělesa. Pevným měřítkem je nutné stanovit rozměry pro určení průmětné plochy SLφ pro složku sálání do místnosti(tj. čelní a boční plochy). Pružným měřítkem jsou stanoveny rozměry pro určení celkové teplosměnné plochy na straně vzduchu SL.

7 5. Experimentální zařízení 5.1 Popis experimentálního zařízení Schéma měřicí tratě je znázorněno na obr. 3. Ultratermostat UT zajišťuje dodávku otopné vody o nastavené teplotě tw1 do otopného tělesa. Ve vratném potrubí je instalován plovákový průtokoměr R pro měření objemového průtoku otopné vody H. Dále měřicí trať obsahuje regulační ventily RV, kterými je nastavována požadovaná hodnota průtoku vody. Teplota na vstupu tw1 a výstupu tw z otopného tělesa je měřena rtuťovými teploměry osazenými v jímkách v potrubí. Teplota okolního vzduchu tl je snímána stíněným teploměrem ST, výsledná teplota tg je měřena kulovým teploměrem KT. 5. Schéma měřicího zařízení Obr. 3 Schéma měřicí tratě 5.3 Soupis měřicích přístrojů Teploměr rtuťový (tw1 a tw) měřená veličina: teplota vstupní a výstupní vody [ C] měřicí rozsah: 0 až 100 C přesnost přístroje: 0,1 C Stíněný teploměr rtuťový (ST) měřená veličina: teplota okolního vzduchu tl [ C] měřicí rozsah: 0 až 50 C přesnost přístroje: 0,5 C Kulový teploměr rtuťový (KT) měřená veličina: výsledná teplota tg [ C] měřicí rozsah: 0 až 50 C přesnost přístroje: 0,5 C

8 Plovákový průtokoměr RU (R) měřená veličina: objemový průtok otopným tělesem V [m3/h] měřicí rozsah: 0,0 až 0,15 m3/h přesnost přístroje: 0,01 m3/h Ultratermostat Labio MTB 06 s integrovaným zdrojem tepla (UT) měřená veličina: teplota výstupní vody z akumulační nádrže [ C] měřicí rozsah: 0 až 100 C přesnost přístroje: 0,1 C 5. Popis měřeného předmětu V laboratořích Ú jsou k dispozici pro experimentální měření tato otopná tělesa: a) desková otopná tělesa - RADIK KLASIK a RADIK MM v typech 10, 11, 0, 1, a 33 v různých rozměrových variantách, COSMO NOVA a COSMO NOVA T6 typu 10 a různých délkových variantách. b) článková otopná tělesa - litinová KALOR o hloubce 70, 110, 160 a 5 mm vždy se skladbou 10ti článků a článková otopná tělesa ze slitin hliníku Orion a Solar obě se skladbou 10ti článků, článková c) trubkové otopné těleso - KORALUX LINEAR KL

9 6. Postup vyhodnocení 6.1 Přehled výpočtových vztahů a) stanovení objemového průtoku otopné vody H [dílky] => V [l min-1] V 0,3136 9, H 1, H pokud není vyučujícím stanoveno jinak b) stanovení hustoty vody a měrné tepelné kapacity vody w 1000 (tw ) 0, 097 0, 0036 tw 3 cw 186,8 0, 671, Twm 8, Twm 8, Twm c) výpočet hmotnostního průtoku otopné vody M w w V d) výpočet celkového tepelného výkonu otopného tělesa QC M w cw tw1 tw e) výpočet teplotního exponentu měřeného otopného tělesa N log t log Q log t log Q n N log t log t f) určení průmětné plochy otopného tělesa pro složku sálání do místnosti SL pevným měřítkem (tj. čelní a boční plochy) g) určení průmětné plochy otopného tělesa pro složku sálání do místnosti SL pružným měřítkem (celková teplosměnná plocha na straně vzduchu) h) výpočet střední radiační teploty Tr T g kg t g t L i) výpočet součinitele prostupu tepla stěnou otopného tělesa kot S L. twm t L j) výpočet tepelného výkonu sáláním otopného tělesa T T Qs OT c0 S L wm r k) výpočet tepleného výkonu otopného tělesa sdíleného konvekcí => l) určení poměru tepla sdíleného sáláním a konvekcí Q Q Sa s 100 Ko k 100 Qk Qs

10 6. Tabulky naměřených hodnot Tabulka 1 Naměřené hodnoty - vzor Číslo tw1 tw o měření [ C] Průměr twm [ C] tl [ C] tg [ C] H [dílků] Tabulka 1 Naměřené hodnoty - deskové otopné těleso x 000 Číslo tw1 tw tl tg o o o o měření [ C] [ C] [ C] [ C] 1 7,6 63,,3 18, 7,8 63,,3 18,5 3 7,6 63,, 18,5 7,6 63,, 18,6 5 7,6 63,, 18,5 Průměr 7,6 63,36,36 18,50 twm [ C] 69,00 H [dílků] o o 6.3 Výpočet jednoho řešení a) stanovení objemového průtoku otopné vody H [dílky] => V [l min-1] V 0,3136 9, H 1, H H = 10 [dílků ] => V = 1,68 l min-1 =, m3 s-1 b) stanovení hustoty vody a měrné tepelné kapacity vody w 1000 (tw ) 0, 097 0, 0036 tw 3 cw 186,8 0, 671, Twm 8, Twm 8, Twm w = 99,03 kg m-3, cw = 08,6 J kg-1 K-1 c) výpočet hmotnostního průtoku otopné vody M w w V 99, 03, , 073 kg/s d) výpočet celkového tepelného výkonu otopného tělesa QC M w cw tw1 tw 0,073 08,6 (7,6 63,36) 198 W

11 e) výpočet teplotního exponentu měřeného otopného tělesa 1 = 198 W, Δt1 = 6,6 K = 651 W, Δt = 7,6 K n N log t log Q log t log Q N log t log t log 6, 6 log198 (log 7, 6 log 651) log 6, 6 (log 7, 6) (log198) (log 651) log 6, 6 (log 7, 6) (log 6, 6) log(7, 6) 9, 51 3,110 5,97,863 3,110 9, 51 18, 33 1,319,863 9, 67 f) určení průmětné plochy otopného tělesa pro složku sálání do místnosti SL = 1,01 m g) určení průmětné plochy otopného tělesa pro složku sálání do místnosti SL =, m h) výpočet střední radiační teploty Tr T g 91, kg t g t L ,1 18,50,36 Tr 88, 69 K i) výpočet součinitele prostupu tepla stěnou otopného tělesa 198 kot 1, W/m K S L. twm t L, 69, 00,36 j) výpočet tepelného výkonu sáláním otopného tělesa (εot = 0,95) Twm Tr 3,15 95, 03 8 Qs OT c0 S L 0,95 5, , Qs 15 W k) výpočet tepleného výkonu otopného tělesa sdíleného konvekcí Qk Qs W l) určení poměru tepla sdíleného sáláním a konvekcí Q 15 Sa s % 198 Ko Qk % 198

12 6. Tabulky vypočtených hodnot Tabulka Vypočtené hodnoty - vzor Měřený V cw stav [m3 s-1] [kg m-3] [J kg-1 K-1] Měřený stav SL [m] Tu kot [W m- K] Mw [kg s-1] [W] n [-] SL [m] Qs [W] Qk [W] Sa [%] Ko [%]

13 7. Grafické znázornění výsledků Vyjádřete grafickou závislost následujících vypočtených veličin Q, Qs, Qk, kot, Sa a Ko. Každý graf musí být umístěn na samostatné straně A (viz příloha 1) 8. Hodnocení přesnosti měření Diskutujte jaké veličiny mají z hlediska nejistot měření nejvýznamnější vliv na celkovou přesnost měření. V diskuzi je důležité také zmínit vlil tzv. otevřeného měřicího místa v laboratořích Ú oproti kalorimetrické komoře, která se standardně používá pro měření otopných těles dle ČSN EN. 9. Diskuze o výsledcích a závěr V závěru shrňte dosažené výsledky a podrobte diskuzi zejména Vámi naměřený celkový tepelný výkon otopného tělesa a vypočtený teplotní exponent otopného tělesa v porovnání s hodnotami udávanými výrobcem otopného tělesa. Zároveň je vhodné konstatovat vhodnost používané metodiky měření a použitých měřicích přístrojů. V případě dosažený chybných výsledků konstatovat, kde je příčina chyby.

14 Příloha 1