Nagy hatásfokú keresztáramú hőcserélő (Mátrix elv ismertetése) Hogyan csináljunk hullámpapírból nagy hatásfokú keresztáramú hőcserélőt??? A 90°-ban elforgatott, egymásra helyezett hullámpapírból kivágott mini cella működése 4 lépésben.
A: A friss hideg levegőt betoljuk a mikrocella felső részébe. Az egyszerűség kedvéért legyen 0°C-os. Az elhasznált meleg levegőt betoljuk a mikrocella 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 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 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
belépő 4 20,00 18,75 16,25 13,13 10,00 7,27 5,08 3,44 2,27 1,46 0,92
elhasznált 5 20,00 19,38 17,81 15,47 12,73 10,00 7,54 5,49 3,88 2,67 1,80
levegő 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 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 mintapélda: 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
Ha a mikrocellák bejövő és kimenő levegőt elválasztó fala természetes növényi rostot tartalmazó papír, akkor nem csak a hőmérséklet egyenlítődik ki a cella két oldalán, hanem a relatív és abszolút páratartalom is. Mivel a levegő maximális abszolút páratartalma hőmérséklet függő, és a magasabb hőmérsékleteken több nedvességet képes tárolni, fontos hogy a mikrocellák két oldalán lévő levegő hőmérséklet különbsége ne legyen túl nagy. Ahogy a hőcserélőben a hidegebb felület hűti a levegőt, úgy annak nedvességtároló képessége is csökken és a nedvesség egy része a papír nedvességtartalmától függően kiegyenlítésre kerül, a 100%-os légnedvesség elérése nélkül is. A maximális levegőnedvesség hőmérséklet függése Léghőmérséklet (°C) Víztartalom (g/m3)
-30 -25 -20 -15 -10
10
15
20
25
30
35
40
0,4 0,7 1,1 1,6 2,4 3,4 4,8 6,8 9,4
-5
0
5
13
17
23
30
40
51
Ha a befelé érkező levegő nedvességtartalma alacsonyabb mint a papírfelület nedvességtartalma, akkor a felület nem csak melegíti a levegőt, de párologtatással nedvesíti is. Ha a légsebesség konvergál a 0-hoz, akkor a mikrocellák két oldalán lévő hőmérsékletkülönbsége és páratartalom-különbsége is tart a 0-hoz. Mivel a papír hővezető képessége és nedvességdiffúziós képessége nem végtelen, törekedni kell a nagy átadó felület kialakítására. Figyelni kell arra is, ha a hűteni kívánt levegő nedvességtartalma túl magas, akkor már a nálánál hidegebb melegítendő levegő elérheti a telítettséget, így nem tudja szárítani a papírt. Ebből adódik, hogy a gyakorlatban megszokott 60-70% hőcserélő-hatásfok nem elegendő. Mivel, ha már a levegő kilépet a hőcserélőből hiába melegítjük utólagosan, a nedvességet már nem képes kivenni a papírból, hiszen elhagyta annak felületét. Gyakorlati megoldások: 1. Több keresztáramú hőcserélő elem sorba kötése (egymás után helyezése). 2. Ellenáramú hőcserélő kialakítása (technológiailag nehezebben kivitelezhető). 3. Minden esetben 90%-os hatásfokot meghaladó hőcserélő alkalmazása. 4. Utómelegítés helyett a kilépő levegőt melegítsük elő.* 5. A 0°C alatti frisslevegőt elő kell melegíteni, talajcsővel vagy egyéb módon (ne álljon le a nedvesség diffúzió a papírban)** *Ha, az elszívott, elhasznált levegő páratartalma túl magas, akkor az utómelegítés helyett célszerű ezt felmelegíteni, így a relatív páratartalmat mesterségesen csökkentettük, miközben a magas hatásfoknak köszönhetően 10%-nál kevesebb energia veszteséggel! **Mivel a rendszerben nem keletkezik cseppfolyós víz, felügyelt körülmények között nem kötelező a 0°C betartása. Ha, az elszívott-elhasznált levegő nedvességtartalmát figyelve előmelegítünk, illetve a külsőtérből beszívott frisslevegő nedvességtartalmát figyelve előmelegítünk a hőcserélő-hatásfoknak megfelelően, akkor viszonylag kevés energia befektetéssel cseppfolyós vízmentes marad a rendszer. A levegő 0°C alatt is képes nedvességet tárolni, leadni-felvenni és a természetes rostot tartalmazó papírban a vízmolekulák koncentrációja (bizonyos határok között) nem éri el a jégkristály kialakulásához szükséges értéket. Elég száraz belépő levegők esetén a -5..-10°C-os levegő is használható, célszerűen 95%-os hatásfokú rendszer esetén. A gyakorlatban például a ventilátorok hő-vesztesége is hasznosítható erre a célra, mind két oldalon a levegőt (elszívott-elhasznált levegőt és külsőtérből beszívott frisslevegőt) benyomjuk a hőcserélőbe.
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 16:20 16:40 17:20 19:00
pára 43,0 40,0 36,0 34,0 31,0 30,0 26,0
T 14,5 20,0 20,0 22,0 21,0 21,0 21,4
valós körülmények között elérhető hatásfok
T 13,0 17,3 18,3 20,0 19,0 19,0 19,3
T -4,0 -5,0 -7,5 -8,0 -8,0 -7,5 -4,0
T -6,0 -8,5 -9,5 -10,0 -10,5 -10,0 -7,0
megjegyzés pvc cső függ. közelebb+ pvc-re rongy párás meleg terelése dobozokkal lassan hűl 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... ...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%
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.
Leg kellemesebb ár/paraméter viszonyt a hőtárolós villanykályhákban található készülék adta!
Az ORCZY-ban megvehető 11490Ft/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) Szállítása 200m3/h (230V/65W) Max nyomása 200Pa Ez megfelel egy családi ház intenzív szellőztetésének! Ha sorba kötjük a motorokat, azaz 115V-on járatjuk: 80-100m3/h szállít 15W mellett!!! Kis fokozatban két motor 30W-al elmegy. Nagy fokozat 130W. Célszerű még a rendszert ellátni légszűrőkkel! (friss levegő beszívás, beltéri elszívás) És ha lehetőségünk van rá, akkor egy talajba beásott földhő-előmelegítővel!!! Ez télen a cső méretétől függően, fagypont felett, vagy közelében tudja tartani a bejövő levegőt. Pl L=60m, D=200mm cső -13°C-ban +3°C-ra melegíti fel a levegőt. Ezt áttoljuk egy 23°C-os szobai levegővel a hőcserélőn. dT=20°C 7% veszteséggel, azaz 1.4°C. 30W motorteljesítménnyel folyamatosan 21,6°C-os friss levegővel tudjuk ellátni a házunkat!!! A kisebb fokozatban 80-100m3/h-val, az 1,4°C kb 30W hőelvonást jelent a helységnek, amit a meglévő, radiátoros vagy egyéb fűtés könnyedén tud pótolni. (szeretném megjegyezni a 30W-ot pótolni, kell de nem szükséges a légcsatornában, mert olyan kicsi a dT!) -13°C-os télben. (Ez azért nem rossz!)
A hőcserélő elkészítésében szívesen segítünk bárkinek! Várható költségek: 2tekercs hullámpapír 1szet fém szerkezet Popszegecs Papírvágó 2db ventilátor 2nap barkácsolás
3200Ft 25000Ft
boltban kapható tudunk benne segíteni
23000Ft xxxxxx
Orczy 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! Mi csak a fizikát tudjuk! De, azt nem minden „szakember tudja”! Köszönjük a figyelmet! Gál és Romacsek
[email protected] Kérdés?... jöhet!
Néhány gondolatébresztő a barkácsoláshoz... passzív ház fogalma, szellőztetés, EPS zsalu... A gondolkodó emberek jövője...
