Porovnání ekologických teplonosných kapalin z hlediska provozních nákladů
Viskozita je fyzikální veličina udávající poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami při proudění skutečné kapaliny. Toto tečné napětí způsobuje, že rychlejší vrstva urychluje vrstvu pomalejší a naopak. Větší viskozita znamená větší brzdění pohybu kapaliny nebo těles v kapalině. Tak zní teorie. Co to však znamená v praxi?
U systémů nepřímého chlazení je důležitou ekonomickou položkou spotřeba elektrické energie oběhových čerpadel. Tato položka je někdy nevědomě a někdy zcela záměrně potlačována do pozadí. Dochází k tomu zejména u staveb na klíč, kde hlavním hodnotícím kriteriem jsou prvotní investiční náklady a nikoli náklady provozní. Spotřeba elektrické energie oběhových čerpadel je přímo úměrná hodnotám tlakových ztrát v potrubí. Její vysoké hodnoty mohou významně ovlivnit celkovou ekonomickou návratnost soustavy. V této studii se zaměříme na porovnání dvou ekologických produktů, a to kapaliny NGL-COOLSTAR 20 na bázi octanu a mravenčanu draselného, a propylenglykolu.
1. Základní rovnice přenosu daného chladícího výkonu
Hmotnostní průtok
Objemový průtok pro požadovaný chladící výkon:
Z uvedeného vyplývá, že v případě stejného chladícího výkonu a rozdílu teplot, součin měrné tepelné kapacity a hustoty látky (c . ρ) určuje požadovaný objemový průtok.
Při porovnání látek NGL-Coolstar a propylenglykolu je součin při teplotě -20°C následující:
Z toho vyplývá, že za stejných podmínek a při stejných chladících výkonech je při použití propylenglykolu potřebné zabezpečit o 5% větší objemový průtok. Při stejných průměrech potrubí je potřebná o 5% vyšší průtoková rychlost.
2. Tlaková ztráta v potrubí
Při proudění kapaliny v potrubí je pokles tlaku vyjádřen následující rovnicí:
Na základě pozorovaní je koeficient tření funkcí Reynoldsova čísla, které se vypočítá následovně:
V případě laminárního proudění (Re < 2320) se koeficient tření v potrubí vypočítá následovně:
Z uvedených hodnot můžeme určit poměr poklesu tlaku v potrubí pro NGL-Coolstar a propylenglykol.
Pomineme-li detailní výpočty, je tento poměr následující:
tzn., že za předpokladu laminárního proudění a stejných hraničních hodnot můžeme počítat se 7,5 krát větším poklesem tlaku při použití propylenglykolu než u kapaliny NGL-Coolstar. Tento velký rozdíl způsobuje vysoká hodnota viskozity propylenglykolu.
Tento výpočet je jen informativní, protože v praxi je proudění kapalin v potrubí turbulentní a Reynoldsovo číslo je větší než 2320. Zároveň koeficient tření v potrubí bude jiný, proto předcházející jednoduchý vzorec nemůžeme použít na jeho výpočet.
Koeficient tření v potrubí při turbulentním proudění se vypočítá následovně:
Tento komplikovaný výpočet při Re < 10.000 nemusíme brát do úvahy a můžeme použít Blasiusovu rovnici:
S těmito hodnotami provedeme porovnávací výpočet s následujícím výsledkem:
Při proudění v turbulentní oblasti lze konstatovat, že při použití NGL-Coolstaru bude pokles tlaku v potrubí o 40% nižší než v případě propylenglykolu.
Protože příkon oběhových čerpadel je přímo úměrný tlakové ztrátě, je možné na základě uvedených výpočtů prohlásit, že při použití kapaliny NGL-Coolstar lze použít čerpadlo, které má o 40% nižší spotřebu energie.
3. Přestup tepla v potrubí
Při turbulentním proudění s Re > 10.000 - podle Siedera a Tata použijeme následující rovnici pro stanovení přestupu tepla proudící kapaliny:
Souvislost rozptylu teploty a rychlosti přestupu tepla popisuje Nusseltovo číslo:
Souvislost mezi rozptylem rychlosti proudící kapaliny a teploty popisuje Prandtlovo číslo:
Při nepřímém chlazení je velmi důležité dosáhnout co nejpříznivější přestup tepla. Z uvedených hodnot porovnávacím přepočtem dostaneme následující:
Z uvedeného je zřejmé, že při použití NGL-Coolstaru dosahujeme podstatně příznivější přestup tepla než s propylenglykolem. Tato skutečnost příznivě zmenšuje velikost teplosměnné plochy a tudíž cenu a rozměry výměníku.
Závěr:
Použijeme-li do systému nízkoviskozní kapalinu NGL-COOLSTAR, získáme oproti propylenglykolu při zachování výkonových parametrů soustavy následující výhody:
1. Úspora čerpacích prací
Zde dochází k synergickému efektu všech tří faktorů:
- za jednotku času přepravujeme o 5% menší objem teplonosné kapaliny
- toto menší množství kapaliny má navíc o 40% menší energetické nároky na čerpání
- příznivé hodnoty přestupu tepla mají vliv na velikost výměníků. Menší výměníky mají menší tlakovou ztrátu.
2. Investiční úspory:
- menší oběhová čerpadla
- menší výměníky
Výše popsané výhody i další - zde nepopsané, stojí za úspěchem těchto kapalin, zejména v průmyslových aplikacích.
The viscosity is a physical value that determines the ratio between tangential tension and speed change depending on distance of neighboring layers at flow of real liquids. This tangential tension causes that the faster layer accelerates the slower layer and vice versa. Greater viscosity means greater deceleration of liquid’s movement or objects in the liquid. This is what theory says. What does it mean in practice?