ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM

Transkrypt

1 Wymiana ciepła, żebro, ogrzewanie podłogowe, komfort cieplny Henryk G. SABINIAK, Karolina WIŚNIK* ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM W artykule przedstawiono sposób wymiany ciepła w płycie grzewczej poprzez użebrowanie zewnętrzne rur grzewczych. Zastosowanie prostych nakładek pozwolić może na wyrównanie temperatury na powierzchni płyty oraz na obniżenie temperatury czynnika grzewczego. W technice grzewczej powszechne jest stosowanie żeber, prętów, czy też igieł głównie w warunkach konwekcyjnej wymiany ciepła, a więc gdy współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy powierzchnią zewnętrzną ciała stałego, a otaczającym go płynem jest kilkadziesiąt razy mniejszy niż po stronie wewnętrznej. Wykorzystanie żeber ma na celu rozwinięcie powierzchni wymieniającej ciepło, co prowadzi do zwiększenia ilości oddawanego strumienia ciepła. W artykule przedstawione zostały wyniki z badań numerycznych z zastosowaniem ożebrowania rur grzewczych w ogrzewaniu podłogowym. Proces ustalonej wymiany ciepła w układzie płyta grzewcza, a otoczenie rozpatrywany jest w oparciu o założenia: - stała temperatura czynnika zasilającego ( woda ) w instalacji, - temperatura w przekroju poprzecznym żebra jest funkcją jego długości, a nie grubości, stąd założono stałą grubość badanych żeber, - współczynnik przewodzenia ciepła materiału żebra ma wartość stałą, - temperatura pod warstwą izolacji ciepłochronnej t izol =15 [ 0 C] - na pionach płyty założono symetrię, przyjmując, że tą samą temperaturę wody w sąsiednich rurach (rys. 2) - współczynnik przejmowania ciepła na górnej powierzchni płyty h c =10 [W/m 2 K] - temperatura otoczenia t i = 20 [ 0 C]. * Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, Politechnika Łódzka, karolina.wiśnik@p.lodz.pl

2 594 H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK Na rysunkach 1 oraz 2 zaprezentowano model płyty wraz ze zdefiniowanymi parametrami poszczególnych warstw komponentów (rys. 1) oraz przyjętymi warunkami brzegowymi (rys. 2). Nr Rodzaj warstwy Grubość warstwy D Wspólczynnik przewodzenia ciepła Λ [m] [W/m K] 1 jastrych 0,075 1,1 2 rura miedziana 0, styropian 0,05 0,045 Rys. 1. Model płyty grzewczej Rys. 2. Schemat odzwierciedlający warunki brzegowe na rozpatrywanej płycie

3 Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem 595 Rozważania nad wymianą ciepła w ogrzewaniu podłogowym, a otoczeniem realizowano poprzez określanie temperatur na powierzchni płyty tj. w miejscach położonych nad osiami rur i w połowie ich odległości ( rys. 6). W ramach pakietu oprogramowania ANSYS wykonano obliczenia: I. Rozkład temperatury w nieużebrowanej płycie grzewczej. II. Zmiany temperatury w płycie grzewczej z żebrami prostokątnymi. W przypadku płyty grzewczej bez ożebrowania wielkością zmienną była odległość pomiędzy rurami zasilającymi w przedziale 0,05 0,3 [m], natomiast temperatura wody grzewczej (t w ) była stała i wynosiła 40 [ 0 C]. Na rysunku 3 przedstawiony został wpływ zmiany odległości rur zasilających na wartość temperatury na powierzchni płyty grzewczej. Zastosowanie najmniejszej odległości pomiędzy rurami pozwala na uzyskanie na powierzchni płyty temperatur, których różnica nie przekracza 2 [ 0 C]. Wzrost odległości pomiędzy rurami grzewczymi powoduje obniżenie temperatury na powierzchni nad osiami rur (t fr ) w dość wąskim zakresie 1,5 K natomiast spadek temperatury pomiędzy rurami grzewczymi (t fp ) jest znaczny i wynosi ok. 6 K. Przeprowadzone analizy pozwoliły na określenie najbardziej niekorzystnej, choć zgodnej z zalecanym przez literaturę [1, 2] odległości pomiędzy rurami stosowanymi w ogrzewaniu podłogowym i wynoszącej 0,3 [m]. Odległość ta została przyjęta, jako wielkość stała i wyjściowa do analiz płyty grzewczej z żebrami. Rys. 4. Wpływ zmian odległości rur grzewczych na wartości temperatury na powierzchni płyty grzewczej

4 596 H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK Badania użebrowanej płyty grzewczej (rys. 5) wykonane zostały w oparciu o następujące założenia: - szerokość żeber s = 0,02[m] constans, - grubość żeber g ż = 0,002 [m] constans, - współczynnik przewodzenia ciepła żebra (miedź) λ ż = 370 [W/m K] - constans, - temperatura na wewnętrznej powierzchni rury grzewczej: t w1 = 30 [ 0 C], t w2 =35[ 0 C], t w3 =40 [ 0 C], - współczynnik przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni rury: h p1 = 2962 [W/m 2 K], h p2 = 3130 [W/m 2 K], h p3 = 3299 [W/m 2 K], - rozstaw żeber (r p ): r p1 = 0,01[m], r p6 = 0,08 [m], - wysokość żeber (h ż ): h ż1 = 0,012 [m], h ż2 = 0,017 [m], h ż3 = 0,02 [m], h ż4 =0,03 [m], h ż5 = 0,04 [m], h ż6 = 0,05 [m], h ż7 = 0,07 [m], h ż8 = 0,09 [m], h ż9 = 0,1 [m], h ż10 = 0,12 [m], h ż11 = 0,13 [m], h ż12 = 0,3 [m]. Rys. 5. Wymiary żebra prostokątnego Rysunek 6 przedstawia wykorzystany w analizach numerycznych model grzewczy z żebrami prostokątnymi wraz z miejscami kontroli temperatury na powierzchni badanej płyty.

5 Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem 597 Rys. 6. Płyta grzewcza z żebrami prostokątnymi Na rysunkach 7 oraz 8 zamieszczono zależność temperatury na powierzchni użebrowanej płyty grzewczej nad osiami rur (t fr ) i pomiędzy nimi (t fp ) w zależności od odległości pomiędzy żebrami (r p ), ich wysokości (h ż ) oraz temperatury czynnika zasilającego. Rys. 7. Wpływ zmian wysokości żeber prostokątnych na wartości temperatury na powierzchni płyty grzewczej przy odległości żeber r p = 0,01 [m]

6 598 H. G. SABINIAK, K. WIŚNIK Rys. 8. Wpływ zmian wysokości żeber prostokątnych na wartości temperatury na powierzchni płyty grzewczej przy odległości żeber r p = 0,08 [m] Badania numeryczne płyty grzewczej z żebrami prostokątnymi wykazały zależność temperatury na powierzchni płyty grzewczej nad rurami (t fr ) i w połowie ich odległości (t fp ) od wysokości żeber (h ż ) i odległości pomiędzy nimi (r p ). Zwiększenie wysokości żeber (h ż czyli powierzchni grzewczej) determinuje wartości temperatury na powierzchni płyty: - temperatura nad osiami rur (t fr ) bez względu na zastosowaną odległość pomiędzy żeber (r p ), wzrastała sukcesywnie do wysokości (h ż ) równej 0,08 [m]. Powyżej tej wartości można mówić o jej pewnej stabilizacji. Rozwinięcie powierzchni wymiany ciepła wpływało na temperaturę (t fp ) w połowie odległości pomiędzy rurami grzewczymi, powodując jej przyrost bez względu na wartości temperatury czynnika zasilającego. Analizowane przypadki grzejnika podłogowego z ożebrowaniem prostokątnym powodują pewne rozciągnięcie pola temperatury w płaszczyźnie poziomej, pozwalając na wyrównanie temperatury na powierzchni płyty grzewczej oraz zmniejszenie temperatury czynnika grzewczego.

7 Analiza wymiany ciepła ożebrowanej płyty grzewczej z otoczeniem 599 LITERATURA [1] KOCZYK H., Ogrzewnictwo. Podstawy projektowania cieplnego i termomodernizacji budynków, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [2] RABJASZ R., Ogrzewanie podłogowe-poradnik, Centralny Ośrodek Informacji budownictwa, Warszawa 1995 ANALYSIS OF HEAT EXCHANGE FINNED HEATING PLATE In article present how the heat transfer in the heating plate by the WEU-brow external heating pipes. The use of simple overlays can afford to compensate the temperature on the surface of the disc and the lower water temperatures.