Nagy hatásfokú keresztáramú hőcserélő Mátrix elv ismertetése Vizsgáljuk meg 1 darab mikro cella működési elvét. A következő ábrán 4 elemi lépésre bontjuk a működést.
A: A friss hideg levegőt betoljuk a mikro cella felső részébe. Az egyszerűség kedvéért legyen 0°C-os. Az elhasznált meleg levegőt betoljuk a mikro cella alsó részébe. Ez legyen 20°C-os. B: A hideg levegő bent van a cella felső részében, a meleg levegő a cella alsó részében. C: Az alsó és a felső levegő hőmérséklete kiátlagolódik, mind a kettő 10°C-os lesz. D: Az átlagos hőmérsékletű levegők távoznak, mind az elhasznált, mind a friss. Ebben az estben ideálisan 50%-os hatásfokot tudunk elérni, ha a levegő sebessége közelít a 0-ához. Átlagoló mikro cellákat rendezzük egy 5x5-ös mátrixba.
A színes illusztráción már jól látható, hogy csak a mátrix jobb felső sarkában és az átlójában találkozunk 10°C-os átlaghőmérsékletekkel. A kilépő elhasznált levegő 10°C és annál hidegebb, a kilépő friss levegő 10°C és annál melegebb. Ahogy a levegő átlép egy adott mikro cellából egy másik mikro cellába, az ottani két léghőmérséklet átlaga keletkezik, és megy onnan tovább a következőbe. Hogy érzékeltessük, mitől emelkedik a mikro cella rendszer hatásfoka 50% fölé nézzük meg az elméletet egy táblázat segítségével.
A táblázatba az olvasási irányoknak megfelelően balról jobbra, és fentről lefelé haladjon a levegő. Itt már vizsgáljuk meg a rendszert egy 10x10-es cella mátrixszal. Az elhasznált meleg levegőt fentről lefelé toljuk 10 oszlopban. A friss hideg levegőt balról jobbra toljuk a táblázat soraiban. Az 1-1 cellába a 0. sor 1. eleme (sárgával jelölt 20°C) és a 0. oszlop 1. eleme (sárgával jelölt 0°C) érkezik. Így a kettő átlaga, azaz 10°C van az 1-1 cellában. Ha, vízszintesen toljuk tovább a friss levegőt, akkor a 2-1 cellában, az 1-1 cella (10°C) és a 0. oszlop 2. eleme (20°C) átlagolódik és 15°C lesz. Ha, még tovább toljuk akkor a 15°C és 20°C átlaga, azaz 17,5°C keletkezik.. és így tovább. A sor végén (10-1) már 19,98°C van. Ha, szisztematikusan végig toljuk az összes soron a friss levegőt, akkor a 10. oszlopban lévő kilépő levegő hőmérsékletekkel lehet számolni. Az itt kilépő léghőmérsékletek átlaga 16.48°C.
füg. Cell. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T{°c} 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
1 20,00 10,00 5,00 2,50 1,25 0,63 0,31 0,16 0,08 0,04 0,02
2 20,00 15,00 10,00 6,25 3,75 2,19 1,25 0,70 0,39 0,21 0,12
3 20,00 17,50 13,75 10,00 6,88 4,53 2,89 1,80 1,09 0,65 0,39
elhasznált levegő be 4 5 20,00 20,00 18,75 19,38 16,25 17,81 13,13 15,47 10,00 12,73 7,27 10,00 5,08 7,54 3,44 5,49 2,27 3,88 1,46 2,67 0,92 1,80
6 20,00 19,69 18,75 17,11 14,92 12,46 10,00 7,74 5,81 4,24 3,02
7 20,00 19,84 19,30 18,20 16,56 14,51 12,26 10,00 7,91 6,07 4,54
8 20,00 19,92 19,61 18,91 17,73 16,12 14,19 12,09 10,00 8,04 6,29
A függőlegesen betolt elhasznált levegő az oszlopok alján a 10. sorban találhatók értékeket mutatja. Ennek átlaga 3,52°C. A külső-belső hőmérséklet dTkb=20°C-0°C=20°C. A befújt felmelegített friss levegő Tbe=16,48°C, dTkbe=16,48°C-0°C=16,48°C. Egy 10x10-es mátrix Hatásfok=100%*16,48/20=82,4% A friss levegő felmelegedésének diagramjai mikro csatornánként ábrázolva.
9 20,00 19,96 19,79 19,35 18,54 17,33 15,76 13,93 11,96 10,00 8,15
10 20,00 19,98 19,88 19,61 19,08 18,20 16,98 15,46 13,71 11,85 10,00
Az alapelvek megismerése után tervezzünk egy mikro cellás keresztáramú hőcserélőt. Legyen egyszerű és olcsó, házilag is elkészíthető. A mikro cella alapanyaga legyen hullámpapír. Ennek több előnye is van. Olcsó és nem csak a hőt képes átadni a bejövő levegőnek, de a páratartalom egy részét is. Mivel a papír rostos szerkezetű anyag, a magas relatív páratartalommal rendelkező hűlésben lévő levegőből kicsapódó nedvesség a papíron át diffundál, és a túloldalán lévő felmelegedésben lévő levegőnek átadja. Vizsgáltat tárgya egy 34cm x34cm x40cm-es hőcserélő.
Az itt látható hőcserélő elem külső méretei 340x340x400mm, de a hasznos terület a rögzítő fémszerkezet miatt csak 320x320x380mm. Ez a MÁTRIX már a valóság is egyben!!! 320mm-en 48 hullám van a papíron, így egy 48x48-mikrocellás 148 emelet magas négyzet alapú hasáb, a hasznos térfogat. A hőátadó felület 0,32x0,32x148=15,15m2, ez azért fontos, mert egyben a nedvesség átdiffundálására is ez szolgál. A 48x48-as mikro cellás mátrix táblázata (külön excel táblázatban megtekinthető)
A 48x48-as mikro cellás mátrix hőmérsékletdiagramja (3D-ben jobban áttekinthető)
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 48 31 32 33 41 34 35 33 36 37 25 38 39 17 40 41 42 43 44 45 46 47 48 48
Így is jól érzékelhető, hogy a legnagyobb hő és nedvesség terhelés a mátrix átlója mentén található. Kicsit elforgatva a diagramot, jól látható. Hogy az energia átvitel 90%-a felület 50%-án halad át.
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 48 41 33 25 17 9 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 48
A hő és nedvesség diffúziós terhelést ezen az ábrán a színek melegségével, illetve annak vörös tartalmával szemléltetjük.
20 18 16 14 18-20 16-18 14-16 12-14 10-12 8-10 6-8 4-6 2-4 0-2
12 10 8 6 4 35 2 0
18
1
Első olvasatra a 15m2-es hőátadó felület nagynak tűnik, de az átló mentén átlagosan 3,14 szeres a hőterhelés. Önmagában még ez sem jelentene túl nagy gondot, de az 1-1-es mikrocella 148 emelet magasságban, elméletileg 48 szoros túlterhelésnek van kitéve. Gondoljunk csak bele, itt a 0°C-os levegő találkozik a 20°C-ossal. Ezért a hatásfok növelésére nem érdemes 100x100-as mátrixot építeni. mert az 1-1-es cellában túl nagy a terhelés! A hatékony megoldás, hogy két keresztáramú hőcserélőt helyezünk el egymás után. (vagy akár többet is)
Elméletileg a 48-as mátrix utolsó (48.) oszlopának számtani átlaga 18,38°C. A függőlegesen betolt elhasznált levegő az oszlopok alján a 48. sorban találhatók értékeket mutatja. Ennek átlaga 1,62°C. A külső-belső hőmérséklet dTkb=20°C-0°C=20°C. A befújt felmelegített friss levegő Tbe=18,38°C, dTkbe=18,38°C-0°C=18,38°C. Egy 48x48-as mátrix Hatásfok=100%*18,38/20=91,88%, ha a légsebesség konvergál a 0-ához. Ha ugyanezt megnézzük 2db 48x48-assal, akkor a hatásfok 95,94% lesz Az elvek után nézzük meg a gyakorlatban, hogyan is néz egy dupla keresztáramú hőcserélő! A képeken jól látható, hogy a 2db 340x340mm-es hőcserélő elem 45°-ban elforgatva, 1db 480x960mm-es dobozba fér bele.
Ezek után vegyük végig az elkészítés (gyártás) lépéseit. Első lépés, hogy a boltokban is kapható hullámpapírt vágjuk fel a kívánt méretre. Mi 1mx25m-es tekercseket vettünk 1600Ft/db áron, ami nem jelentős beruházás. Papírvágó késsel vonalzó mentén, a hullámokkal párhuzamosan 34cm-es csíkokra vágtuk. Mivel nem szép egyenesek (tekercsben árulják), a csíkokat egymásra terítve lesúlyoztuk. Ez 1nap alatt kényelmesen elvégezhető, rákészüléssel együtt. Számolni kell selejtekkel is, de 2db 25m-es tekercs elegendő. Mivel a tekercs szélessége kb 101-102cm, kb 33.5-33.8cm-esre felvágjuk a csíkokat. A hullámpapír magassága 2.5-2.6mm, ezért 400mm magasságban 160db lap fér el, és ebből 2db van. A 320db kb 34x34cm-es hullámpapír lap összevágása szintén 1 napocska, az előkészítések is beleférnek. A továbblépés 2 féle lehet, vagy tervezünk profi dobozt horganyzott lemezből és azt legyártatjuk a közeli fémmegmunkáló üzemben, vagy ha nagyon szeretünk barkácsolni, akkor vannak olcsóbb megoldások is. Kapható a boltokban vakoláshoz használt alumínium és műanyag élvédő 300-600Ft/2-3m szál. Ha ezt feldaraboljuk az oldal éleknek megfelelő hosszúságúra, akkor ebből is elkészíthető a „dobókockánk”.
Mi a légtechnikai rendszereknél ismeretes horganyzott lemezből készítettük el berendezésünket, nem kimondottan hagyománytiszteletből! De az illusztráció kedvéért készítettünk 1db élvédős hőcserélő elemet is 300x300x340mm méretben (csak szemléltetés céljára).
A fémszerkezetet egyszerűen popszegeccsel rögzítjük. Bár ez nem oldható kötés, de egy fúrógéppel ez is gyorsan oldható kötésnek minősülhet.
A 340x340mm-es alaplemezre (tálcára) rögzítjük a függőleges oldaléleket összetartó, lemezből hajlított 90°-os pálcákat. (A tálca felhajlított pereme és a pálcák elzárják a levegő útját, ebből adódik a 320x320x380mm hasznos terület.) Ebbe az alsó részbe nyugodtan tehetünk kevésbé sikerült papírokat is.
Az így keletkező szerkezet elég instabil minden irányban. Ezért érdemes készíteni hozzá egy rögzítő keretet.
Egy adott irányban helyezzünk el egy papír lapot a hullámokkal felfelé.
Majd a következő lapot szintén a hullámos felével felfelé, de 90°-al elforgatva az alatta lévőhöz képest. 1 így 1 úgy!
154-156db papírlap fér bele, de le kell nyomni a fedelet 510kg-al, hogy megfelelő tömörség meglegyen, és így kell összeszegecselni! Két ilyen keresztáramú hőcserélő elem összeszerelés néhány óra alatt meg van. Jöhet a bedobozolás!
Behelyezés előtt, az ablakok és ajtók szigetelésénél is használatos öntapadós szivaccsal szigeteljük le az illeszkedő éleket (hőcserélő elem élei és a doboz oldalfala). A doboz aljában a hőcserélő elemeket szegeccsel rögzítjük.
Gyakorlati mérés célja: 1. valós légsebesség mellet is megtudjuk a hatásfokot 2. megtudjuk a hőcserélő légellenállását 3. friss és használt levegő közötti átszivárgást 1. valós légsebesség mellet is megtudjuk a hatásfokot 1db 48x48-as hőcserélő elméleti hatásfok 91.88% 2db egymás után kötött 48x48-as hőcserélő elméleti hatásfoka 95.94% 200m3/h légsebességnél mérhető értékek idő 15:00 15:25 16:10
pára 43,0 40,0 36,0
T 14,5 20,0 20,0
T 13,0 17,3 18,3
T -4,0 -5,0 -7,5
T -6,0 -8,5 -9,5
16:20 16:40 17:20 19:00
34,0 31,0 30,0 26,0
22,0 21,0 21,0 21,4
20,0 19,0 19,0 19,3
-8,0 -8,0 -7,5 -4,0
-10,0 -10,5 -10,0 -7,0
valós körülmények között elérhető hatásfok
megj pvc cső függ. közelebb+ pvc-re rongy párás meleg terelése dobozokkal lassan hül kint is bent is
hatásfok % 92,683 90,526 94,237 93,750 93,651 93,548 92,606 93,000 átlag
93%
Mérésre használt eszközök Vishay NTC10k, a mérés során (meleg-higed, meleg-meleg, hideg-hideg) eszköz cseréket hajtottunk végre! A mérési hibák kiküszöbölése érdekében!
2. megtudjuk a hőcserélő légellenállását Munkaponti adatok: 160m3/h, 60Pa 200m3/h, 100Pa 3. friss és használt levegő közötti átszivárgást Átszivárgás 200m3/h-nál 6m3/h, azaz 3% De a gyakorlatban legalább 5%-al kell számolni, mert a csőrendszer (és a légszűrők, csak hőcserélő utáni szakaszban számít!) légellenállása is bele fog számítani az átszivárgásba!
