Nagy hatásfokú keresztáramú hőcserélő projekt Téma kezdése: 2011 január Frissítve: -
A téma háttere (röviden) Régóta nézegettem a szebbnél szebb, márkás… ugyan akkor méregdrága gyári hővisszanyerős rendszereket. Hogy csak az általam ismerteket említsem: REHAU; HELIOS; ENERGOTRADE által forgalmazott rendszer; a francia ALDES stb.… Amit sikerült megtudnom ezekről a rendszerekről: letisztult, „jól kitalált” rendszerek. Szép megjelenés, relatíve nagy variálhatóság. Megbízhatóak (a felhasznált anyagok jók), és emellett könnyen karbantarthatóak (kinyithatóak). Mindegyik márkára igaz, hogy a következő fő elemekből áll(hatnak): - talaj-levegő hőcserélő. Ennél a rendszernél a külső levegőt először a földbe helyezett, nagy átmérőjű (általában 150-300mm) csövön keresztül szívjuk be. - a következő elem, maga a légkezelő, ami tartalmaz: szűrőt, ventillátort, esetleg előfűtőt, hőcserélőt. A hőcserélő adja a légkezelő lelkét. A kintről bejövő (télen) hideg levegő ebben melegszik fel úgy, hogy a házból elszívott, elhasznált levegőtől „elveszi” annak hőjét. A csere lényege nem csak a hő átadás, hanem az, hogy a két fajta levegő nem keveredik, tehát nem kapjuk vissza pl. a konyha „fáradt” szagát! - légtechnikai csövek - befúvók, elszívók Saját kézzel én, a talaj-levegő hőcserélőt (lásd másik projekt leírásomat is) és a légkezelőt készítettem el. A többi elemet készen megvettem, mert otthon csövet hajlítani, vagy elszívót fröccsönteni, nem tartottam érdemleges feladatnak. A gyári hőcserélőkről néhány gondolat Én egyik gyártónál sem láttam leírva, hogy mekkora is valójában a hőátadó hasznos felület. Persze mindenki hírdeti, hogy 50-70-80 %-os a hatásfok (mennyire hatékonyan adja át a hőt az eldobni kívánt levegő). De arra jöttem rá, hogy a marketing itt is becsapós lehet. A hatásfok ugyanis függ ugyan a felülettől, de a légsebességtől, a hőmérsékleti különbségtől (a hideg és meleg levegőtől) is. Például relatíve kis hőátadó felülettel is el lehet érni jó hőcserét, de nagyon-nagyon lassan kellene a levegőt járatni. Egy szó mint száz, ha sok levegőt, gyorsan akarunk jó hatékonysággal „ingyen” meg melegíteni, akkor bizony nagy felületű hőcserélőre lesz szükségünk. És eljutottunk a legfőbb okhoz: az előbb leírt hőcserélő (bármely márkájú) nagyon-nagyon drága, és otthon kivitelezhetetlen (méret-hatásfok viszonylatban).
Hogyan csináljunk hullámpapírból nagy hatásfokú keresztáramú hőcserélőt? Mátrix elv ismertetése A 90°-ban elforgatott, egymásra helyezett hullámpapírból kivágott mini cella működése 4 lépésben.
A kép : A friss hideg levegőt betoljuk a mikrocella felső részébe. Az egyszerűség kedvéért legyen 0°Cos. Az elhasznált meleg levegőt betoljuk a mikrocella alsó részébe. Ez legyen 20°C-os. B kép: A hideg levegő bent van a cella felső részében, a meleg levegő a cella alsó részében. C kép: Az alsó és a felső levegő hőmérséklete kiátlagolódik, mind a kettő 10°C-os lesz. D kép: 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 mikrocella 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, egy 10x10-es cella mátrixszal vizsgáljuk meg a rendszert. 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.
belső levegő, kifújás 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
2
3
belépő 4
friss 5
levegő 6
7
8
9
10
20,00 10,00 5,00 2,50 1,25 0,63 0,31 0,16 0,08 0,04 0,02
20,00 15,00 10,00 6,25 3,75 2,19 1,25 0,70 0,39 0,21 0,12
20,00 17,50 13,75 10,00 6,88 4,53 2,89 1,80 1,09 0,65 0,39
20,00 18,75 16,25 13,13 10,00 7,27 5,08 3,44 2,27 1,46 0,92
20,00 19,38 17,81 15,47 12,73 10,00 7,54 5,49 3,88 2,67 1,80
20,00 19,69 18,75 17,11 14,92 12,46 10,00 7,74 5,81 4,24 3,02
20,00 19,84 19,30 18,20 16,56 14,51 12,26 10,00 7,91 6,07 4,54
20,00 19,92 19,61 18,91 17,73 16,12 14,19 12,09 10,00 8,04 6,29
20,00 19,96 19,79 19,35 18,54 17,33 15,76 13,93 11,96 10,00 8,15
20,00 19,98 19,88 19,61 19,08 18,20 16,98 15,46 13,71 11,85 10,00
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.
Az alapelvek megismerése után tervezzünk egy mikro cellás keresztáramú hőcserélőt. Legyen egyszerű és olcsó, házilag is elkészíthető. A mikrocella 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
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, a felület 50%-án halad át.
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
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 48 41 33 25 17 9 1
A hő és nedvesség diffúziós terhelést ezen az ábrán a színek melegségével, illetve annak vörös tartalmával szemléltetjük.
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
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 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. 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 5-10kg-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 szoba friss be rossz ki kinti T(friss T(elhasznált levegő, levegő, idő (h) pára (%) T(helyiség) felmelegítve) kifújva) T (külső) 15:00 43,0 14,5 13,0 -4,0 -6,0 15:25 40,0 20,0 17,3 -5,0 -8,5 16:10 36,0 20,0 18,3 -7,5 -9,5 16:20 34,0 22,0 20,0 -8,0 -10,0 16:40 31,0 21,0 19,0 -8,0 -10,5 17:20 30,0 21,0 19,0 -7,5 -10,0 19:00 26,0 21,4 19,3 -4,0 -7,0 valós körülmények között elérhető hatásfok
megjegyzés pvc cső függ. közelebb+ pvc-re rongy párás meleg terelés, dobozokkal lassan hűl kint is bent is
93%
Mérésre használt eszközök Vishay NTC10k
2. megtudjuk a hőcserélő légellenállását... ...egyszerű vízoszlop méréssel!!! Munkaponti adatok: 160m3/h, 60Pa (6mm=60Pa) 200m3/h, 100Pa (10mm=100Pa) 3. friss és használt levegő közötti átszivárgást A vizsgálathoz használjunk egy ventilátort (légellenállása elhanyagolható), amelynek a fordulatszámát megmérjük egy oszcilloszkóppal. Majd ezután ugyan ezt a ventilátort, forgassuk meg ugyan ezzel a fordulatszámmal úgy, hogy kalibráltan megmérjük az átáramló levegő mennyiségét egy ipari gázórával. Átszivárgás 200m3/h-nál 6m3/h, azaz 3%
hatásfok % 92,683 90,526 94,237 93,750 93,651 93,548 92,606 93,000 átlag
De a gyakorlatban legalább 5%-al kell számolni, mert a csőrendszer (a cső, és a légszűrők, csak hőcserélő utáni szakaszban számítanak!) légellenállása is bele fog számítani az átszivárgásba! Szép lassan kezd összeállni a rendszer, a hőcserélő már megvan, de ahhoz hogy a levegő egyformán mozogjon a lakásba befelé és kifelé is, szükségünk van lehetőleg csendes, de 100-200Pa nyomású ventilátorra! Erre a célra legalkalmasabbak a centripetális (centrifugális) ventilátorok. Az erre a célra kínált ventilátorok tudják a szükséges paramétereket, de árban nem elég barátságosak. Legkellemesebb ár/paraméter viszonyt a hőtárolós villanykályhákban található készülék adta! Az ORCZY-ban megvehető 11.490Ft/db áron. Egyszerű, mint egy trabant! 1db tekercse van sima csévén, pofon egyszerű a javítása, ha valaha leég! Csapágyai is cserélhetők! Csendes járású! Ha valaki ennél jobbat tud, akkor kérjük jelezze nekünk is! (előre is köszönjük ;) Névleges légszállítása: 200m3/h (230V/65W) Maximális nyomása: 200Pa Ez megfelel egy családi ház intenzív szellőztetésének! Ha sorba kötjük a motorokat, azaz 115V-on járatjuk: akkor 80-100m3/h szállít egy motor, 30W fogyasztás mellett! Kis fokozatban tehát, a két motor 65W-al megy (a motorok soros kapcsolása mellett). Nagy fokozatnál, mindkét motor „megkapja” a 230V-ot, és összesen 130W-ot fogyasztanak. A rendszerbe kell még légszűrő, a friss levegő beszíváshoz, és a beltéri elszíváshoz! Ha lehetőségünk van rá, akkor érdemes a levegőt előmelegíteni egy talaj-levegő hőcserélővel. Erről külön projekt formájában írok majd, elvét pedig fent ismertettem már. Most egy rövid számítás álljon itt hasznosságáról! Télen, a cső méretétől függően, fagypont felett tudjuk tartani a bejövő levegőt. Pl. L=60m, D=200mm cső -13°C külső léghőmérséklet mellett, +3°C-ra melegíti fel a levegőt, 160 m3 / h mellett. (Ahol L a cső teljes hossza a földben, D a cső átmérője.) Ez az előmelegített levegő kerül be a fent leírt hőcserélőbe, ahol a lakás hőjét vegyük 23°C-nak. Figyelembe véve a hőcserélő hatásfokát, levonva a veszteségeket: 30W motorteljesítménnyel folyamatosan 21,6°C-os friss levegővel tudjuk ellátni a házunkat! A hőcserélő elkészítésében szívesen segítünk bárkinek! Várható költségek: 2 tekercs hullámpapír
3.200Ft
boltban kapható
1szet fém szerkezet
25.000Ft
tudunk benne segíteni, a minta dobozon szándékosan nincsenek lyukak. Ha valakinek kell ilyen doboz, akkor majd megmondja, hogy milyen átmérővel és darabszámmal képzelte megvalósítani.
Popszegecs Papírvágó 2 db ventilátor
23.000Ft
Orczy
2 ,nap barkácsolás
xxxxxx
tudunk benne segíteni
Mi nem vagyunk gépészek! Tehát nem garantált, hogy minden gépészeti kérdésre azonnal tudunk válaszolni. Jól látható, hogy nincsenek szuper mérőberendezéseink, de mégis mindent meg tudunk mérni, amire kíváncsiak vagyunk! Köszönőm a figyelmet! Gál és Romacsek
