Fyzikální vlastnosti nemrznoucích směsí a navrhování soustav
Fyzikální vlastnosti teplonosné látky ovlivňují návrh všech prvků otopných soustav, které se v praxi většinou dimenzují na průtok vody a pak se jen vymění náplň za jinou kapalinu, pro kterou projektanti nemají k dispozici potřebné údaje.
Důsledkem je v lepším případě odlišné chování soustavy, v horším případě pak třeba i destrukce expanzní nádoby. Fyzikální vlastnosti teplonosné látky mají přitom zásadní vliv jak na návrh zabezpečovacího zařízení, tak i na návrh potrubí, čerpadel, armatur a dalšího zařízení. Rozhodujícími vlastnostmi teplonosné látky jsou měrná hmotnost ρ (kg.m-3), měrná tepelná kapacita C (J.kg-1.K-1), tepelná vodivost λ (W.m-1.K-1), kinematická viskozita ν (m2.s-1) a součinitel teplotní roztažnosti β (K-1).
Fyzikální vlastnosti teplonosné látky potřebují mít projektanti k dispozici ve formě ucelených podkladů, protože ve všech případech různých koncentrací nemrznoucích směsí jde vlastně o jinou teplonosnou látku.
V TAB.1, TAB.2 a TAB.3 jsou pro porovnání uvedeny základní fyzikální vlastnosti vody a v různé koncentraci i směsí voda + propylenglykol (vypočteno dle podkladů M.Conde Engineering Zurich Switzerland) a Tyfocor L "G" s inhibitory (údaje Bosch).
Výpočet hodnot v TAB.2 byl proveden podle vztahů (1) a (2) a kořenů A1 až A5 M. Conde Engineering Zurich Switzerland
Vztah (1) pro ρ (kg.m-3), C (J.kg-1.K-1) a λt (W.m-1.K-1)
Vztah (2) pro dynamickou viskozitu, z níž byl následně proveden výpočet kinematické viskozity ν (m2.s-1)
Údaje v TAB.3 jsou převzaté hodnoty Bosch.
Údaje v obou tabulkách byly doplněny o vypočtené hodnoty tepelné roztažnosti β (K-1) podle vztahu (3), kde to = 10°C.
1. Vliv fyzikálních vlastností na velikost expanzní nádoby
Pro porovnání slouží příklad výpočtu objemu EN za stejných podmínek. t = 90°C, objem kapaliny v soustavě Vo = 300 dm3, Ph,dov,A = 250 kPa, hydrostat.výška h = 7,5 m, požadovaný rozdíl mezi absolutními tlaky za tepla a za studena p2a - p1a = 100 kPa
Výstupy:
Voda + 50% PPG - ρ = 981,87324 kg.m-3, β = 0,063885993 při Δt = 80 K, η = 0,361232151, ΔV = 19,1658
Voda - ρ = 965,41975 kg.m-3, β = 0,03556 při Δt = 80 K, η = 0,365592193, ΔV = 10,6668
Pozn.:
U solárních kolektorů s eventuelní záměrnou volbou vyššího pracovního tlaku pro snížení vývinu par, se rozdíl velikosti expanzní nádoby snižuje.
2. Vliv na průtok
Přenášený tepelný výkon P = 10 000 W tp = 90°C, tz = 70°C, tv = 20°C, ts = 79,44026824°C
Výstupy:
Voda + 50% PPG - Cts = 3763,2695 J.kg-1.K-1
Voda - Cts = 4196,48379 J.kg-1.K-1
Tyfocor L "G" 50% - Cts = 3775 J.kg-1.K-1
3. Vliv na tlakové ztráty v potrubí
Použité výpočtové vztahy:
Měrná tlaková ztráta v přímém potrubí R (Pa.m-1)
Rychlost proudění teplonosné látky w (m.s-1)
Objemový průtok Qo (m3.s-1)
Reynoldsovo číslo Re (-)
Součinitel tření λ (-) v laminární oblasti proudění
Součinitel tření λ (-) v přechodové oblasti proudění
Součinitel tření λ (-) v turbulentní oblasti proudění
Tlaková ztráta vřazeným odporem Z (Pa) a součinitel ξ pro známou tlakovou ztrátu Z a rychlost w (m.s-1)
Celková tlaková ztráta (Pa)
4. Orientační shrnutí a porovnání výsledků
Nezjednodušené výpočty poskytují přesnější obraz o vlivu nemrznoucích směsí na dimenzování potrubí a na parametry oběhového čerpadla, než publikované vztahy zjednodušené. Obecně lze říci, že při pracovní teplotě kolem 80°C nejsou rozdíly proti průtoku vody tak významné, jak někdy vyplývá ze zjednodušených výpočtů.
Při střední teplotě 80°C a při teplotním spádu 20K, je k přenesení stejného výkonu u směsi voda+50%PPG potřebný průtok cca 111,5% průtoku vody a tlaková ztráta potrubí DN 20 přitom činí cca 142,9% tlakové ztráty vody.
Při nižších pracovních teplotách se u nemrznoucí směsi výrazněji mění kinematická viskozita než u vody, významně klesá měrná tepelná kapacita a narůstá měrná hmotnost.
4. Závěr
Údaje v TAB.2 a TAB.3 lze použít jako vstupní data při aplikaci běžného SW pro dimenzionálních výpočty okruhů soustav s nemrznoucí směsí.
Podklady
Ing. Jiří Matějček, CSc. Zkušenosti s aplikacemi nemrznoucích směsí v otopných soustavách
M.Conde Engineering Vztah (1), vztah (2)
Bosch Údaje v TAB.3
Výpočty a grafy
ORIGINAL=CRA=SOFTWARE
Autor své znalosti využívá i v praxi a v oblasti panelových domů provádí:
- Vyhodnocení úspor zateplením a funkcí stávající regulační techniky v zateplených i nezateplených budovách.
- Projekty termohydraulického seřízení a termického vyvážení soustav pro dosažení maximálních úspor tepla v zateplených i nezateplených panelových domech.
- Projekty pro nápravu funkce vytápění.
- Poradenství v oblasti vytápění panelových domů.
e-mail: centrotherm@seznam.cz, T 286 591 550, M 607 660 843
RECENZE
Ing. Jiří Matějček, CSc.
Odborně zpracovaný článek přináší do projektové praxe obtížně dostupné podklady pro projektování solárních systémů a otopných soustav s teplonosnými látkami v různé koncentraci nemrznoucích směsí. Na příkladech objasňuje vliv fyzikálních vlastností teplonosné látky na dimenzionální výpočty teplosměnných ploch výměníků tepla, potrubí, čerpadel a návrh zabezpečovacího zařízení.
The physical properties of heat transfer fluids affect the design of all the components of heating systems, which in practice are in most cases dimensioned for water flow, which is later replaced by another liquid for which designers do not have the necessary data.