ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební. Laboratoře TZB

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební

Laboratoře TZB Cvičení č. 5 – Stratifikace vodního objemu v akumulačním zásobníku Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra TZB, fakulta stavební, ČVUT v Praze

Praha 2011

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Zadání Formulace úkolu:

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.

LTZB/LATZ Laboratoře TZB, pracovní materiál pro výuku, LS 2011/2012

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.


Zadání Veličiny:

t0, t1, ... t9 – teploty vody v jednotlivých vrstvách [°C] t0 – teplota nejvyšší vrstvy, t9 – teplota nejnižší vrstvy

stanovte veličiny pro výpočet odběru/dodávky tepla. ? doplňte ? doplňte


Přístroje a vybavení Použitá zařízení:

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 5690-2M


Situace měření Stratifikační zásobník:

Odběr tepla z akumulace

vstup a výstup nabíjení z externího zdroje tepla

Návrat vychlazené vody do akumulace

Situace měření Stratifikační zásobník:

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


Situace měření Stratifikační zásobník: Zaměření rozměrů a výšky osazení čidel

Teplotní čidla pro měření rozložení teplot po výšce jsou po 150 mm


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. LTZB/LATZ Laboratoře TZB, pracovní materiál pro výuku, LS 2011/2012

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.


Zadání úlohy Podklady: Web katedry: http://tzb.fsv.cvut.cz/?mod=vyuka&kod=125LTZB &u=3


Teoretická příprava Princip teplotní stratifikace vodního objemu

Měrná hmotnost vody je závislá na teplotě. S vyšší teplotou klesá. měrná teplota hmotnost [°C] [kg/m3] 0 0.999841 4 0.999973 8 0.999849 12 0.999498 16 0.998943 20 0.998203 24 0.997296 28 0.996232 30 0.995646

kg/m3]] měrná hmotnost vody [kg/m3

1.0005 1 0.9995 0.999 0.9985 0.998 0.9975 0.997 0.9965 0.996 0.9955 0.995 0

5

10

15 20 teplota vody [°C]


25

30

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).



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.




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

40 °C

sv

tv 60 °C

Která varianta bude pro uživatele přínosnější?

40 °C

20 °C sv




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.




Příklady samočinných stratifikačních vestaveb 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.

ρ2<ρ ρ3<ρ ρ4>ρ ρ5>ρ

ρ

ρ

Speciální talířové vestavby (vpravo) tento problém řeší přirozenou zpětnou klapkou – voda o vyšší hustotě brání zpětnému proudu. Zároveň snižují svislé proudění mezi vrstvami




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)




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


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


Příklad chování zásobníku 1

Odběr z nejvyššího výstupu (č.7) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku.

postupné ochlazování jednotlivých Rozložení teplot po výšce zásobníku vrstev od spodu zásobníku, 1600 s ubíhajícím časem zasahující vyšší 1400 vrstvy, 1200 teploty ve spodních vrstvách se blíží 1000 16 °C, 800 600 nejvyšší body křivek reprezentují 400 vrstvy a teplotní čidla nad místem 200 odběru, 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 minimální změna – pouze vliv t [°C] tepelných ztrát. 30 min měření 130 min měření červená křivka – 200 min – nejvyšší 200 min měření počáteční stav rozdíl teplot mezi výpočtem a měřenímLTZB/LATZ Laboratoře TZB, pracovní materiál pro výuku, LS 2011/2012

výška zásobníku [mm]

55


Odběr z druhého výstupu (č.6) s teplotou zpátečky nižší než nejnižší teplota v zásobníku.

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

Změny vybraných teplot v čase experimentu 55

nejvyšší vrstva t0

50 45 teplota [°C]

2

t5

t6

40

t4 – přibližně střed výšky

35 30

tzpátečka

25 20 1

21

41

61

81 t [min]


101

121

141


Odběr z výstupu č.3 za současného nabíjení zásobníku.

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

1600 Rozložení teplot po výšce zásobníku – stav 1

Výška zásobníku [mm]

1400 1200 1000 800 600 400 200

cca 15 cm

3

0 20

25

30

35

40

45

50

t [°C] 114 min měření


počáteční stav

55

Teoretická příprava Doplňková literatura:

Matuška, T. Zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením (stratifikací), (stratifikací), portál TzbTzb-info, info, 2007, 2007, k dispozici na: http://energie.tzbinfo.cz/solarni-kolektory/zasobniky-tepla-s-rizenym-teplotnimvrstvenim-stratifikaci (6.6.2011) Solar Water Heater Training Course, Course, Installer Installer and User Manual, Manual, Solar Industries Association, Association, k dispozici na: http://www.solarindustries.org.nz/solar_tech.asp (6.6.2011)


ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov

DĚKUJI ZA POZORNOST

Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. ČVUT – Fsv, katedra TZB http://tzb.fsv.cvut.cz email: daniel.adamovsky@ [email protected]

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební. Laboratoře TZB

Recommend Documents