POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza Łukasz AMANOWICZ Wpływ parametrów konstrukcyjno-operacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła (PRGWC) AUTOREFERAT Z ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz WOJTKOWIAK Poznań, 2015
STRESZCZENIE W pracy przeanalizowano wpływ parametrów konstrukcyjno-operacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła (PRGWC). Spośród parametrów konstrukcyjnych wzięto pod uwagę wpływ: średnicy, długości i liczby gałęzi wymiennika, stosunku średnicy kolektorów do średnicy gałęzi, kąta łączenia gałęzi i kolektorów oraz sposobu zasilania wymiennika (układ U lub Z). Analizowanym parametrem operacyjnym był strumień przepływającego powietrza. Wyznaczono doświadczalne charakterystyki przepływowe 80 modeli wymienników w skali 1:4, które wykorzystano do walidacji modelu numerycznego oraz przeprowadzono cykl symulacji z wykorzystaniem komercyjnego kodu ANSYS Fluent (CFD). Stwierdzono, że dla danej średnicy i długości gałęzi wymiennika, parametrem najsilniej wpływającym na charakterystyki przepływowe PRGWC jest stosunek średnicy kolektorów do średnicy gałęzi. Wykorzystując zwalidowany model numeryczny przeprowadzono symulacje, na podstawie których wyznaczono zależność pozwalającą na obliczenie granicznej wartości stosunku średnicy kolektorów do średnicy gałęzi, której dalsze zwiększanie nie przynosi znaczącego zysku w postaci zmniejszonych strat ciśnienia. Wykorzystując wyniki badań doświadczalnych i symulacji numerycznych sformułowano wnioski i praktyczne rekomendacje do projektowania powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła. Spis treści 1. CEL PRACY, TEZY I ZAKRES... 4 1.1. Wprowadzenie... 4 1.2. Cel pracy, przyczyny zainteresowania tematem... 4 1.3. Tezy pracy... 5 1.4. Zakres pracy... 5 2. METODA BADAWCZA... 7 2.1. Badania doświadczalne... 7 2.2. Symulacje numeryczne CFD, walidacja... 8 3. PRZYKŁADOWE WYNIKI... 11 3.1. Opracowanie i prezentacja wyników... 11 3.2. Przykładowe wyniki badania doświadczalne... 12 3.3. Przykładowe wyniki symulacje numeryczne CFD... 14 4. NAJWAŻNIEJSZE WNIOSKI... 17 ZAŁĄCZNIK... 18 Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 2 -
Ważniejsze oznaczenia: A pole przekroju, [m 2 ] c p średnie ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, [J/(kgK)] D średnica zewnętrzna, [m] d średnica wewnętrzna, [m] d kol średnica kolektora, [m] k b chropowatość bezwzględna, [m] k współczynnik całkowitej straty ciśnienia, [-] L długość, [m] m strumień masy powietrza, [kg/s] p ciśnienie, [Pa] Q strumień ciepła, [W] Re liczba Reynoldsa, Re= t temperatura, [ 0 C] V,V strumień objętości powietrza, [m 3 /h] w prędkość, [m/s] w 1 prędkość w pojedynczej gałęzi, [m/s] różnica, spadek, przyrost, różnica, spadek, przyrost, [] p spadek ciśnienia, [Pa] ε chropowatość względna, [-] ε= λ współczynnik oporów liniowych, [-] µ współczynnik lepkości dynamicznej, [kg/(ms)] ν współczynnik lepkości kinematycznej, [m 2 /s] ρ gęstość, [kg/m 3 ] τ czas, [s] Ω współczynnik równomierności rozdziału, [-] ξ współczynnik oporów miejscowych, [-] ν Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 3 -
1. Cel pracy, tezy i zakres 1.1. Wprowadzenie Efektywnym rozwiązaniem, pozwalającym na ograniczenie zapotrzebowania budynku na energię jest wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła, umożliwiająca odzysk ciepła (zimą) i odzysk chłodu (latem w klimatyzowanych pomieszczeniach) z powietrza usuwanego. Przy temperaturach poniżej 4 9 C następuje jednak wykraplanie i zamarzanie wykroplonej pary wodnej w płytowych wymiennikach ciepła central wentylacyjnych z odzyskiem ciepła, co skutkuje obniżeniem efektywności systemu. Problem ten rozwiązuje wstępne podgrzanie powietrza np. w powietrznym rurowym gruntowym wymienniku ciepła (PRGWC), pozwalając na uzyskanie dodatkowej ilości ciepła zimą i chłodu latem dzięki wykorzystaniu akumulacyjnych właściwości gruntu. Ogólną zasadę działania i przykładowy schemat systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i gruntowym wymiennikiem ciepła przedstawiono na rys. 1.1. Rys. 1.1. Zasada działania gruntowego powietrznego wymiennika ciepła i przykładowy schemat systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i gruntowym wymiennikiem ciepła 1.2. Cel pracy, przyczyny zainteresowania tematem Celem pracy było zbadanie wpływu wybranych parametrów konstrukcyjnooperacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych gruntowych wielorurowych wymienników ciepła, wskazanie parametrów najistotniejszych z punktu widzenia minimalizacji strat ciśnienia oraz zapewnienia równomierności rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wymiennika oraz opracowanie rekomendacji ułatwiających poprawne zaprojektowanie struktury wielorurowych gruntowych wymienników ciepła. Najważniejsze cele pośrednie: uzyskanie wiarygodnych danych doświadczalnych, opracowanie i walidacja przepływowych modeli numerycznych z wykorzystaniem komercyjnego oprogramowania CFD, uogólnienie wyników badań w postaci możliwie prostych równań matematycznych. W pracy zostały przeanalizowane parametry konstrukcyjne wpływające na charakterystykę przepływową wymiennika rozumianą jako straty ciśnienia oraz równomierność rozdziału powietrza pomiędzy gałęzie wymiennika. Korzystna charakterystyka przepływowa zapewnia niskie straty ciśnienia oraz równomierny rozdziału Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 4 -
powietrza pomiędzy wszystkie gałęzie wymiennika. Wpływa na zminimalizowanie kosztów eksploatacyjnych instalacji PRGWC (niższe opory przepływu), ale również na zwiększenie wydajności cieplnej (dzięki bardziej równomiernemu rozdziałowi powietrza). Główną przyczyną podjęcia tego tematu stał się brak publikacji dotyczących badań przepływu powietrza i strat ciśnienia w PRGWC, a także jego znaczenie dla efektywności energetycznej systemu, szczególnie istotnego w kontekście budownictwa niskoenergetycznego. 1.3. Tezy pracy W pracy sformułowano 3 tezy: 1. Parametry konstrukcyjne takie jak: średnica, długość i liczba gałęzi, średnica kolektorów, kąt łączenia gałęzi i kolektorów, układ (struktura U lub Z) mają istotny wpływ na równomierność rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie gruntowych wielorurowych wymienników ciepła oraz na wartość całkowitych strat ciśnienia i tym samym na efektywność energetyczną i ekonomiczną wymienników. 2. Rozdział powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wymiennika silnie zależy od jego struktury (parametrów konstrukcyjnych) i słabo od strumienia powietrza (parametr operacyjny). 3. Parametrem geometrycznym, który najsilniej wpływa na równomierność rozdziału powietrza pomiędzy gałęzie powietrznych, wielorurowych gruntowych wymienników ciepła jest stosunek średnicy kolektorów do średnicy gałęzi. Przy odpowiednio dużej wartości tego stosunku wpływ pozostałych parametrów staje się mało znaczący. 1.4. Zakres pracy Pracę podzielono na 2 części: część doświadczalną (badania eksperymentalne), część numeryczną (symulacje CFD). W ramach części doświadczalnej wykonano badania i przeanalizowano wyniki badań modeli gruntowych wielorurowych powietrznych wymienników ciepła wykonanych w skali 1:4 w zakresie zmienności parametrów konstrukcyjnych zestawionych w tabeli 1.1. Łącznie przebadano 80 wariantów. Rysunki 1.2 1.4 przedstawiają schematy analizowanych układów wraz z przyjętą numeracją gałęzi. Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 5 -
Tabela 1.1. Wykaz parametrów wraz z zakresem ich zmienności Parametr Symbol Zakres zmienności parametru Wymiarowo Bezwymiarowo Liczba równoległych gałęzi n 3, 5, 7 Kąt łączenia gałęzi i kolektora zasilającego β 45 0, 90 0, 2x45 0 Średnica kolektorów d kol DN50, DN75 i DN110 d kol = d, 1,54d, 2,30d Długość równoległych gałęzi L od 3,5 m do 16,5 m od 76d do 358d Sposób zasilania wymiennika Z/U układ typu Z, układ typu U (rys. 2.1) Odległość między gałęziami L 0,28 m 6d W ramach części numerycznej przeprowadzono walidację modelu numerycznego zbudowanego z wykorzystaniem komercyjnego kodu ANSYS CFD. Ponadto zilustrowano i wyjaśniono przyczyny nierównomierności rozdziału powietrza. Wykorzystując zweryfikowany model numeryczny przeprowadzono symulacje: wpływu sposobu zasilania wymiennika (układ U lub Z), wpływu długości gałęzi wymiennika, wpływu średnicy kolektorów zasilającego i zbiorczego Rys. 1.2. Wymienniki o kącie łączenia gałęzi i kolektora zasilającego 45 0 Rys. 1.3. Wymienniki o kącie łączenia gałęzi i kolektora zasilającego 90 0 Rys. 1.4. Wymienniki o kącie łączenia gałęzi i kolektora zasilającego 2x45 0 Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 6 -
Wpływ parametrów konstrukcyjno-operacyjnych operacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła 2. Metoda badawcza 2.1. Badania doświadczalne wiadczalne W ramach pracy przeprowadzono badania doświadczalne do iadczalne mające mają na celu wyznaczenie charakterystyk przepływowych modeli gruntowych powietrznych wielorurowych wymienników ciepła wykonanych w skali 1:4. W tym celu wykorzystano metodykę metodyk opisaną w literaturze.. Zbudowano stanowisko badawcze wg schematu pokazanego zanego na rys. 2.1. 2 Zdjęcia przykładowych modeli wymienników pokazano na rys 2.2. oraz rys. Z.1 w załączniku. W tabeli 2.1.1 podano wymiary stanowiska badawczego. Rys. 2.1. Schemat stanowiska do badań doświadczalnych wiadczalnych Rys. 2.2. Zdjęcia Zdj stanowiska badawczego: różne ne modele wymienników Tabela 2.1. Wymiary stanowiska badawczego (podano zakresy dla różnych ró wariantów) L.p. Wielkość Wartość [mm] Wartość ść [[-] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 di dkol Lwl L Li Li Lwy LC-D LB-D 46,1 46,1 104,5 1500 3500 16500 1800 280 1500 1350 1833 2850 3810 1d 1d 2,3 d 33d 76d 358d 39d 6d 33d 29d 40d 62d 83d Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ II PP 2015 - str. 7 -
W ramach badań doświadczalnych wykonywano pomiary: strumieni powietrza w poszczególnych gałęziach wymiennika, strat ciśnienia przy przepływie powietrza przez wymiennik. Wyniki badań pokazały wpływ: długości gałęzi, kąta odejścia, sposobu zasilania wymiennika (U lub Z), rozmiaru średnic kolektorów w stosunku do średnic gałęzi na charakterystyki przepływowe rozumiane jako wartość strat ciśnienia oraz równomierność rozdziału powietrza pomiędzy gałęzie wymiennika w funkcji strumienia powietrza. 2.2. Symulacje numeryczne CFD, walidacja W pracy wykonano numeryczne obliczenia przepływowe w programie ANSYS Fluent 14.5, polegające na rozwiązywaniu układu nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych składającego się z uśrednionego w czasie równania zachowania masy (2.1) i uśrednionych w czasie równań Navier-Stokesa (2.2) opisujących zasadę zachowania pędu. u x =0 ρu x u = p + μ u + u x x x 2 x 3 δ u + ρu x x u (2.1) (2.2) W obliczeniach wykorzystano dwurównaniowy model turbulencji k-ε realizable ze standardowymi wartościami parametrów. W obliczeniach charakterystyk przepływowych modelowano przepływ adiabatyczny (bez wymiany ciepła), co oznacza, że temperatura powietrza miała wartość stałą zadaną na początku obliczeń. Badania doświadczalne charakterystyk przepływowych prowadzono również w warunkach adiabatycznych. Możliwość przyjęcia takiego uproszczenia i jego zasadność wykazano numerycznie przeprowadzając obliczenia charakterystyk przepływowych z wymianą i bez wymiany ciepła. Dyskretyzację parametrycznego modelu geometrycznego wymiennika przeprowadzono przy użyciu modułu Mesh programu Ansys. Gęstość siatki dyskretyzacyjnej dobierano metodą grid independent sollution jako kompromis pomiędzy dokładnością, a czasem obliczeń. Wybrano siatkę Hexa-hedryczną wraz z zagęszczeniem w warstwach przyściennych oraz na łączeniach gałęzi (trójnikach) wymiennika uzyskiwaną za pomocą metody Cut Cell. Na rys. 2.3 pokazano przykładowe siatki dyskretyzacyjne. Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 8 -
Rys. 2.3. Siatka z zagęszczeniem w warstwie przyściennej rury, moduł Mesh programu ANSYS Wykorzystany w pracy model poddano walidacji. Na rys. 2.4 i 2.5 porównano wybrane wyniki badań doświadczalnych i symulacji numerycznych (walidacja). Wykresy pokazują zgodność wyników obliczeń z wynikami pomiarów na poziomie średnio ±10, przy czym procentowe różnice są tym większe im mniejsza jest wartość odniesienia, tzn. są największe w przypadku małych przepływów. Bezwzględne różnice w prędkości przepływu pomiędzy wynikami doświadczalnymi a wynikami symulacji nie przekraczają ±0,3 m/s, tzn. są zbliżone do możliwej do uzyskania dokładności pomiaru prędkości przepływającego powietrza za pomocą bezinwazyjnej metody pomiaru. Wysoką zgodność wyników obliczeń i pomiarów uzyskano wykorzystując standardowe parametry wybranego modelu turbulencji bez konieczności kalibracji modelu. Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 9 -
15 eksperyment numerycznie 10 w i [m/s] 5 0 5 10 15 20 w c [m/s] 25 rura3(exp) rura4(exp) rura5(exp) rura3(num) rura4(num) rura5(num) Rys. 2.4. Porównanie wyników badań doświadczalnych i symulacji numerycznej, wymiennik zbudowany z 5 gałęzi 90 0, układ Z, d = 0,0461 m, d kol = d, L = 6,1d, L = 76d, (rury 3 5) 800 p [Pa] 600 400 eksperyment symulacja 200 0 40 60 80 100 120 140 160 eksperyment symulacja V c [m 3 /h] Rys. 2.5. Porównanie wyników badań doświadczalnych i symulacji numerycznej, wymiennik zbudowany z 5 gałęzi 90 0, układ Z, d = 0,0461 m, d kol = d, L = 6,1d, L = 76d Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 10 -
3. Przykładowe wyniki 3.1. Opracowanie i prezentacja wyników Wyniki badań eksperymentalnych przedstawiono w postaci tabel i wykresów: V i = f(v c ) wymiarowa charakterystyka przepływowa: strumienie powietrza V i w poszczególnych gałęziach wymiennika w funkcji całkowitego strumienia powietrza V c, V i /V c x100 udział przepływu w danej gałęzi V i w przepływie całkowitym V c p = f(v c ) wymiarowa charakterystyka przepływowa: całkowita strata ciśnienia przy przepływie przez wymiennik p w funkcji całkowitego strumienia przepływu V c, k = f(re) bezwymiarowa charakterystyka przepływowa: współczynnik całkowitej straty ciśnienia k w funkcji liczby Reynoldsa na wlocie do kolektora zasilającego wymiennika Udział przepływu w danej gałęzi V i w całkowitym strumieniu przepływającego powietrza V c obliczano jako: V 100 (3.1) V Współczynnik całkowitej straty ciśnienia zdefiniowano jako: p k = 2 ρw 2 ρ gęstość powietrza na wlocie do kolektora zasilającego, kg/m 3, w średnia prędkość powietrza w kolektorze zasilającym, m/s. (3.2) Jako kryterium oceny, pozwalające na ilościową analizę porównawczą różnych układów, wprowadzono współczynnik równomierności rozdziału zdefiniowany wzorem (3.3). Ω=1 1 V ś V V ś n(n 1) (3.3) V ś V n średni strumień powietrza w pojedynczej gałęzi, V ś = strumień powietrza w i-tej gałęzi, [m 3 /h] liczba gałęzi wymiennika, [szt.] [m 3 /h] Równomierność rozdziału powietrza określona ilościowo przez współczynnik równomierności Ω obliczana jest przez analogię do odchylenia standardowego średniej arytmetycznej. Współczynnik Ω uzyskuje wartość równą 1 dla idealnie równomiernego rozpływu (V i = V śr ) i wartość tym bliższą 0, im rozdział powietrza jest mniej równomierny. Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 11 -
Wpływ parametrów konstrukcyjno-operacyjnych operacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła 3.2. Przykładowe wyniki badania doświadczalne Na rys. 3.1 i 3.2 pokazano wpływ kąta k łączenia czenia i wpływ sposobu zasilania wymiennika (układ U lub Z) na równomierność równomierno rozdziału powietrza pomiędzy dzy gałęzie gałę wymiennika. 1; 6,1 2; 5,8 3; 4,4 4; 3,9 7; 48,0 3; 4,4 4; 3,6 7; 48,8 5; 4,4 6; 27,4 2; 5,0 1; 5,5 5; 7,1 6; 25,6 ką łączenia: 450 kąt kąt łączenia: czenia: 900 Rys. 3.1. Procentowy udział strumienia przepływu w poszczególnych gałęziach gał wymiennika w przepływie całkowitym, wymiennik zbudowany z 7 gałęzi, gał dkol=d, L=76d, układ typu Z 1; 4,8 1; 12,5 2; 4,2 5; 30,7 3; 10,4 5; 51,2 4; 29,4 2; 13,3 4; 25,5 3; 18,0 Układ Z Układ U Rys. 3.2. Procentowy udział strumienia przepływu w poszczególnych gałęziach gał wymiennika 0 w przepływie całkowitym, wymiennik zbudowany z 5 gałęzi 90, dkol=d, L=76d, układ typu Z i U Na rys. 3.3 pokazano wpływ długości długo gałęzi zi wymiennika na równomierność równomierno rozdziału powietrza pomiędzy dzy gałęzie gałę wymiennika zbudowanego z 5 gałęzi. 3 gałęzie 900, L=3,5m 3; 53,0 1; 15,0 2; 32,0 3 gałęzie 900, L=16,5m 3; 40,8 1; 25,5 5 gałęzi 900, L=3,5m 2; 33,7 1; 4,8 2; 4,2 3; 10,4 5; 51,2 4; 29,4 5 gałęzi 900, L=12,5m 5; 37,4 1; 7,1 4; 27,0 2; 10,9 3; 17,6 Rys. 3.3. Procentowy udział strumienia powietrza w pojedynczej gałęzi gał Vi w przepływie całkowitym Vc dla wymienników w układzie typu Z o różnych ró długościach ściach gałęzi gał Na rys. 3.4 pokazano wpływ kąta k odejścia oraz średnicy rednicy kolektora na straty ciśnienia, ci a na rys. 3.5 wpływ sposobu zasilania wymiennika (układ Z lub U) oraz średnicy kolektora na straty ciśnienia nienia dla wymienników zbudowanych z 7 gałęzi. gał zi. Na rys. 3.6 przedstawiono zbiorcze ze zestawienie wyników dla wymienników zbudowanych z 5 gałęzi. gał Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ II PP 2015 - str. 12 -
700 600 500 7 gałęzi DN50, Z, L=76d, L=6d p [Pa] 400 300 200 100 0 50 V c [m 3 /h] 100 150 200 250 300 350 DN50, 45st. DN75, 45st. DN110, 45st. DN50, 90st. DN75, 90st. DN110, 90st. Rys. 3.4. Wymiarowe charakterystyki przepływowe: p = f(v c ) modeli wymienników: 7 gałęzi DN50 odchodzących pod kątem 45 i 90 0 w układzie typu Z, kolektory: DN50, DN75 i DN110 700 600 500 7 gałęzi DN50, 90 0, L=76d, L=6d p [Pa] 400 300 200 100 0 50 V c [m 3 /h] 100 150 200 250 300 350 DN50, Z DN75, Z DN110, Z DN50, U DN75, U DN110, U Rys. 3.5. Wymiarowe charakterystyki przepływowe: p = f(v c ) modeli wymienników: 7 gałęzi DN50 odchodzących pod kątem 90 0 w układzie typu Z i U, kolektory: DN50, DN75 i DN110 700 600 500 5 gałęzi DN50, L=76d, L=6d p [Pa] 400 300 200 100 0 V c [m 3 /h] 0 50 100 150 200 250 300 DN50,90st.,Z DN50,45st.,U DN50,2x45st.,U DN75,90st.,Z DN75,45st.,U DN75,2x45st.,U DN110,90st.,Z DN110,45st.,Z Rys. 3.6. Wymiarowe charakterystyki przepływowe: p = f(v c ) dla modeli wymienników: 5 gałęzi odchodzących pod kątem 45 0 i 90 0, typ U i Z, kolektory: DN50, DN75 i DN110 Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 13 -
3.3. Przykładowe wyniki symulacje numeryczne CFD Na rys. 3.7 przedstawiono wyniki symulacji numerycznych, pokazujące nierównomierność rozdziału powietrza pomiędzy gałęzie wymiennika. Rys. 3.7. Rozkład prędkości w płaszczyźnie osi w układzie typu U (od strony wlotu), d kol /d = 1, d = 0,0461 m, ANSYS CFD-Post: wizualizacja wektorów prędkości w postaci bąbelkowej Rys. 3.8 pokazuje rozkład ciśnienia statycznego płaszczyźnie osi wymiennika w układzie typu Z, obrazując jednocześnie przyczynę, dla której przepływ w ostatniej rurze patrząc w kierunku przepływu jest największy (największa różnica ciśnień statycznych). największa różnica ciśnień Rys. 3.8. Rozkład ciśnienia statycznego w płaszczyźnie osi wymiennika w układzie typu Z, d kol /d = 2, d = 0,0461 m, L = 76 d, ANSYS CFD-Post Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 14 -
Na rys. 3.9 pokazano wektory prędkości w kolektorze i gałęziach wymiennika w układzie typu Z widoczna jest strefa recyrkulacji oraz rozwijający się profil prędkości w rurze za zaburzeniem w postaci trójnika / rozdziału strumienia. Rys. 3.9. Wektory prędkości w kolektorze i gałęziach wymiennika w układzie typu Z, kolektor wlotowy d kol /d = 1, d = 0,0461 m, L = 76 d, CFD-Post ANSYS Na rys. 3.10 przedstawiono wpływ długości gałęzi na równomierność rozdziału powietrza w wymienniku zbudowanym z 5 gałęzi odchodzących pod kątem 90 0 w układach U i Z. Z uwagi na duże rozmiary wymienników, badania doświadczalne nie pozwoliły na przeprowadzenie analizy w tak szerokim zakresie jak symulacje numeryczne. 1,0 0,9 Ω[-] 0,8 0,7 0,6 5 gałęzi 0,5 0 500 1000 1500 2000 Układ Z (exp) Układ U (exp) L/d [-] Układ Z (num) Układ U (num) Rys. 3.10. Wyniki eksperymentalne oraz symulacji numerycznych, przedstawiające wpływ długości gałęzi wymiennika na równomierność rozdziału powietrza, wymiennik zbudowany z 5 gałęzi 90 0, d kol = d, d = 0,0461m, V = 120 m 3 /h, Re kol = 60 000 Na rys. 3.11 i 3.12 pokazano wpływ średnicy kolektorów w stosunku do średnicy gałęzi na straty ciśnienia oraz równomierność rozdziału powietrza w wymienniku 7 rurowym. Na rysunkach zaznaczono stosunki średnic, którym odpowiadają straty ciśnienia o 10 i 20 większe niż minimalne możliwe (jak dla nieskończenie dużych kolektorów). Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 15 -
500 400 p [Pa] 300 200 =20 =10 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 układ Z, w1 = 1m/s układ Z, w1 = 3m/s (d kol /d i ) 2 [-] Rys. 3.11. Całkowite straty ciśnienia przy przepływie przez wymiennik w funkcji kwadratu stosunku średnic wewnętrznych kolektorów i gałęzi, 7 gałęzi, L = 76d, d = 0,186 m, układ Z 1,0 0,9 Ω[-] 0,8 0,7 0,6 =20 =10 0,5 0,4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 układ Z, w1 = 1m/s układ Z, w1 = 3m/s (d kol /d i ) 2 [-] Rys. 3.12. Współczynnik równomierności rozdziału powietrza w funkcji kwadratu stosunku średnic wewnętrznych kolektorów i gałęzi, 7 gałęzi, L = 76d, d = 0,186 m, układ Z Wzór 3.4 jest przykładem uogólnienia wyników symulacji numerycznych i pozwala na obliczenie wartości względnej średnicy kolektorów (d kol /d), dla której straty ciśnienia przy przepływie powietrza przez wymiennik będą o ok. 20 wyższe niż najniższe możliwe, a strumienie powietrza w poszczególnych gałęziach niemal identyczne., =,,, (3.4) Zakres stosowalności: typu wymiennika U i Z, α = 90 0, w 1 = 1 3 m/s L = (76 300)d Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 16 -
4. Najważniejsze wnioski 1) Wpływ sposobu zasilania wymiennika, układ Z lub U w układach typu U zaobserwowano znacząco większą równomierność rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wymiennika niż w układach typu Z, układ typu U generuje w większości przypadków niższe straty ciśnienia niż układ typu Z w przypadku kątów łączenia 90 0 i 2x45 0 ; w przypadku układów o kącie łączenia 45 0 w większości rozpatrywanych przypadków układ U generuje większe straty ciśnienia, nierównomierność rozdziału powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wymiennika w obu układach słabo zależy od strumienia powietrza. 2) Wpływ długości gałęzi im dłuższe są gałęzie wymiennika, tym większa jest równomierność rozdziału powietrza. 3) Wpływ kąta łączenia gałęzi i kolektorów wymiennik o kącie łączenia 45 0 w układzie typu Z powoduje zawsze mniejsze straty ciśnienia niż o kącie 90 0, wybór kąta łączenia 2x45 0 nie wpływa znacząco na równomierność rozdziału powietrza, ale w ponad 95 rozpatrywanych przypadków wymienników typu U skutkuje najniższymi stratami ciśnienia. 4) Wpływ średnicy kolektora zasilającego i zbiorczego im większa jest średnica kolektorów, tym bardziej równomierny jest rozdział powietrza pomiędzy poszczególne gałęzie wymiennika oraz mniejsze całkowite straty ciśnienia, istnieje graniczna średnica kolektorów, której zwiększanie nie skutkuje obniżaniem całkowitych strat ciśnienia, stosunek średnic d kol /d, przy którym straty ciśnienia osiągają w przybliżeniu wartość graniczną (minimalną) silnie zależy od liczby i długości gałęzi oraz strumienia powietrza, słabiej od kąta łączenia gałęzi, a praktycznie wcale od sposobu zasilania wymiennika. Powyższe wnioski wskazują, że cele pracy zostały realizowane, a tezy potwierdzone. Rekomendacje i wytyczne doboru wielorurowych wymienników ciepła: w przypadku wymienników o małej średnicy kolektorów (d kol d) i krótkich gałęziach (L 76d) zaleca się stosowanie wymienników o kącie łączenia kolektorów i gałęzi 2x45 0 w układzie U, stosowanie wymienników o kącie łączenia 2x45 0 skutkuje małym zapotrzebowaniem na przestrzeń do posadowienia wymiennika (praktycznie jak dla układów 90 0 ) i umożliwia wygodną lokalizację wymiennika pomiędzy fundamentami budynku, w celu doboru średnicy kolektorów, skutkującej stratami ciśnienia zbliżonymi do minimalnych i jednocześnie wysoką równomiernością rozdziału powietrza zbliżoną do idealnej, zaleca się stosowanie wzoru (3.4). Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ PP 2015 - str. 17 -
Wpływ parametrów konstrukcyjno-operacyjnych operacyjnych na charakterystyki przepływowe powietrznych wielorurowych gruntowych wymienników ciepła Wyniki pracy pozwalają pozwalaj na poprawny dobór parametrów geometrycznych wymiennika ze względu du na jego charakterystykę charakterystyk przepływową, co sprzyja yja minimalizacji kosztów eksploatacyjnych i zwiększeniu efektywności efektywno ci energetycznej wymiennika, systemu wentylacji i całego budynku. Załącznik Rys. Z.1. Zdjęcia djęcia z wykonywanych badań doświadczalnych, wiadczalnych, IIŚ PP, 2009-2012 Łukasz Amanowicz autoreferat z rozprawy doktorskiej IIŚ II PP 2015 - str. 18 -