ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební. Laboratoře TZB

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Laboratoře TZB Cvičení č. 5 Stratifikace vodního objemu vakumulačním zásobníku Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra TZB, fakulta stavební, ČVUT v Praze Praha 2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2 Formulace úkolu: Zadání Zjistěte a popište výškové rozložení teplot ve stratifikačním zásobníku. Vypočítejte aktuální odběr tepla případně nabíjecí výkon. Popište průběh změny teplot v jednotlivých vrstvách během vašeho experimentu. Stanovte, po jakou dobu bude možné vybíjet zásobník vaším vypočteným odběrem tepla, je-li počáteční teplota 75 C a konečná teplota 45 C. Tepelné ztráty pláštěm zanedbejte.

3 Zadání Podmínky měření a měřené veličiny měření nebude probíhat pro ustálený stav teploty v jednotlivých vrstvách po výšce vodního objemu zásobníku NAVRHNĚTE, jaké veličiny musíme měřit pro stanovení odběru/dodávky tepla.

4 Veličiny: Zadání t 0, 1, t... t 9 teploty vody v jednotlivých vrstvách [ C] t 0 teplota nejvyšší vrstvy, t 9 teplota nejnižší vrstvy stanovte veličiny pro výpočet odběru/dodávky tepla.? doplňte? doplňte

5 Použitá zařízení: Přístroje a vybavení stratifikační akumulační zásobník objemu 690 l teplotní termočlánková ponorná čidla Ø 3 mm, dl. 500 mm teplotní čidla Pt100 pro osazení do jímky snímače průtoku umístěné na přípojném potrubí měřicí ústředna ALMEMO M

6 Stratifikační zásobník: Situace měření Odběr tepla z akumulace vstup a výstup nabíjení z externího zdroje tepla Návrat vychlazené vody do akumulace

7 Stratifikační zásobník: Situace měření kvádr z plechů z nerezové oceli čelní celoplošné prosklení rozměry 600 x 700 x 1650 mm objem 690 l výbava: dvojice stratifikačních vestaveb 7 řízených odběrů po výšce zásobníku

8 Stratifikační zásobník: Situace měření Zaměření rozměrů a výšky osazení čidel Teplotní čidla pro měření rozložení teplot po výšce jsou po 150 mm

9 Postup práce Práce na místě měření bude trvat přibližně 15 až 20 minut na skupinu. Nejprve bude studentům demonstrován princip stratifikačního zásobníku. Členové skupiny navrhnou, jaké veličiny je nutné změřit. Měření proběhne v délce 10 minut. Vyhodnotí výsledky a vypočtou požadované výkony. 1. Seznámit se se stratifikačním zásobníkem a situací měření. 2. Navrhnout postup měření a stanovit jaké veličiny budou měřené. 3. Vytvořit zápis zapojení čidel. 4. Měření rozložení teplot a jejich změny v intervalu min. 10 minut s časovým krokem 1 minuta. Data budou zaznamenávána do ústředny. 5. Stáhnout měřená data z paměťové karty. 6. Vyhodnotit získaná data. 7. Popsat rozložení teplot po výšce zásobníku a jeho vývoje během měření.

10 Postup práce Práce na místě měření bude trvat přibližně 15 až 20 minut na skupinu. Nejprve bude studentům demonstrován princip stratifikačního zásobníku. Členové skupiny navrhnou, jaké veličiny je nutné změřit. Měření proběhne v délce 10 minut. Vyhodnotí výsledky a vypočtou požadované výkony. 8. Výpočet odebíraného příp. dodávaného tepelného výkonu. 9. Stanovení doby vybíjení zásobníku při uvažování konstantního odběru tepla. 10. Napsat a odevzdat závěrečnou zprávu.

11 Zadání úlohy Podklady: Web katedry: &u=3

12 Teoretická příprava Princip teplotní stratifikace vodního objemu Měrná hmotnost vody je závislá na teplotě. S vyšší teplotou klesá měrná teplota hmotnost [ C] [kg/m3] měrná hmotnost vody [kg/m3 kg/m3] teplota vody [ C]

13 Teoretická příprava Princip teplotní stratifikace vodního objemu Voda se vlivem vztlakových sil dělí do teplotních vrstev s nejvyšší nahoře a nejnižší dole. Udržení teplotních vrstev ve vodním objemu napomáhá nízká tepelná vodivost vody. Ve vodním objemu nesmí výrazněji působit jiné síly, které by promíchávali jednotlivé vrstvy (průtok po výšce).

14 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Stratifikační zásobníky Hlavní výhodou je při funkčním rozvrstvení vodního objemu do teplotních vrstev možnost využití akumulovaného tepla pro různé účely. Vrstvy o nejvyšší teplotě pro přípravu TV, střední pro nízkoteplotní vytápění a spodní vrstvy pro ochlazenou vodu.

15 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Příklad zásobníku TV objemu 600 l, A) teplota vody 40 C v celém objemu B) rozdělení do tří teplotních vrstev 60, 40, 20 C, každá objemu 200 l Obě varianty mají akumulováno shodné množství tepla tv tv sv 40 C Která varianta bude pro uživatele přínosnější? sv 60 C 40 C 20 C

16 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Zajištění teplotní stratifikace Využívají se téměř výhradně vertikální zásobníky s vyšší štíhlostí, čímž se podpoří vztlakové síly. Instalace samočinných, případně řízených stratifikačních vestaveb. Je nezbytné udržet vtokovou rychlost vody do vrstev nižší než 0,1 m/s, jinak bude vlivem kinetické energie proudu docházet k promíchání teplotních vrstev.

17 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Příklady samočinných stratifikačních vestaveb ρ 2 <ρ ρ 3 <ρ ρ 4 >ρ ρ 5 >ρ Využívají rozdílu hustot mezi přiváděnou vodou a vrstvami akumulačního zásobníku. Voda je z vestavby přiváděna vždy pod vrstvu, která první má nižší hustotu. Výstupní hrdla se vybavují lehkými zpětnými klapkami, které zabraňují přisávání vody z chladnější části zásobníku. Speciální talířové vestavby (vpravo) tento problém řeší přirozenou zpětnou klapkou voda o vyšší hustotě brání zpětnému proudu. Zároveň snižují svislé ρ ρ proudění mezi vrstvami

18 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Příklad řízené stratifikační vestavby Na základě porovnání vstupní teploty T a teplot jednotlivých vrstev T1 až T8 otevře regulační systém ventil ve výšce s nejnižším rozdílem (T-Tx)

19 Teoretická příprava Využití při akumulaci tepla Kombinované akumulační zásobníky Velké počty vestavěných výměníků solární kolektory, příprava TV, Intenzivní přestup tepla mezi výměníkem a vodou narušuje vertikální rozložení do teplotních vrstev Řešení vhodné pouze pro malé soustavy (RD) Není vhodné pro zásobníky typu tank-in-tank

20 Příklad chování zásobníku Měření provedeno na stratifikačním zásobníku v Demonstrační laboratoři TZB Odběr z nejvyššího výstupu (č.7) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku. 1 Odběr z druhého výstupu (č.6) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku. 2 Odběr z výstupu č.3 za současného nabíjení zásobníku. 3

21 Příklad chování zásobníku Odběr z nejvyššího výstupu (č.7) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku. 1 postupné ochlazování jednotlivých vrstev od spodu zásobníku, s ubíhajícím časem zasahující vyšší vrstvy, teploty ve spodních vrstvách se blíží 16 C, nejvyšší body křivek reprezentují vrstvy a teplotní čidla nad místem odběru, minimální změna pouze vliv tepelných ztrát. červená křivka 200 min nejvyšší rozdíl teplot mezi výpočtem a měřením výška zásobníku [mm] Rozložení teplot po výšce zásobníku t [ C] 30 min měření 130 min měření 200 min měření počáteční stav

22 Příklad chování zásobníku Odběr z druhého výstupu (č.6) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku. 2 Měření - odběr tepla - pokles teploty vrstev postupně od spodu, během 12 minut se vytvoří maximální teplotní rozdíl se sousední vyšší vrstvou pohybující se od 9 do 12 C. rozdíl mezi čidlem ve výšce 1100 a 1400 mm je 21,6 C teplota [ C] Změny vybraných teplot v čase experimentu nejvyšší vrstva t 0 t 6 t 5 t zpátečka t 4 přibližně střed výšky t [min]

23 Příklad chování zásobníku Odběr z výstupu č.3 za současného nabíjení zásobníku. 3 Měření od výšky 275 mm strmý růst teploty vstup ohřevu 54,8 až 60,2 C; 15 kwh (za 114 minut) zpátečka odběru tepla kolem 17 C (13,9 kwh) na konci dosažen teplotní rozdíl 22,3 C mezi výškami 200 až 350 mm Výška zásobníku [mm] 1600 Rozložení teplot po výšce zásobníku stav cca 15 cm t [ C] 114 min měření počáteční stav

24 Teoretická příprava Doplňková literatura: Matuška, T. Zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením (stratifikací), portál Tzb-info info, 2007, k dispozici na: ( ) Solar Water Heater Training Course, Installer I and User Manual, Solar Industries Association, k dispozici na: ( )

25 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov DĚKUJI ZA POZORNOST Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. ČVUT Fsv, katedra TZB daniel.adamovsky@fsv.cvut.cz