Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Przedmiot: OGRZEWNICTWO
Temat: Badanie sprawności wymiennika
pojemnościowego podgrzewacza ciepłej wody
użytkowej
Opracowanie:
dr inż. Zenon Spik
mgr inż. Dariusz Ksionek
Materiał opracowany
ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa, 2009
1
1. Wstęp teoretyczny.
Istotnym problemem projektowym jest wybór sposobu przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Można ją przygotowywać z wykorzystaniem wymienników zasobnikowych albo w sposób
przepływowy. Pierwszy ze sposobów zapewnia większy komfort użytkowana natomiast drugi ze
sposobów przyjęło uważać się za bardziej oszczędną metodę przygotowania c.w.u. Metoda
przepływowa wymaga stosowania z
ródeł ciepła o większej mocy niż metoda z wykorzystaniem
wymiennika pojemnościowego. Jeżeli zastosujemy wymiennik pojemnościowy należy pamiętać o
o
cotygodniowym podgrzewaniu zasobnika do temperatury powyżej 70 C w celu zapobiegania
rozwojowi legionelli.
2. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie sprawności wymiennika pojemnościowego oraz
wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej wężownicy - ą2 .
3. Opis stanowiska pomiarowego.
Podstawą stanowiska pomiarowego jest gazowy kocioł skroplinowy firmy Robert Bosch
GmbH Geschäftsbereich JUNKERS o nazwie CERAPUR ZSBR/ZWBR 7-25.
Jest to kocioł:
" wiszÄ…cy,
" niskoemisyjny według RAL UZ 61 (Błękitny Anioł),
" palnik ze zmieszaniem wstępnym, z wentylatorem nadmuchowym o płynnej regulacji mocy
w zakresie 7-25kW,
" z zamkniętą komorą spalania,
" z automatycznym aparatem zapłonowym,
" przełącznik hydrauliczny (ZSBR),
" funkcja priorytetowego przygotowania c.w.u.,
" możliwość podłączenia obiegu ogrzewania podłogowego,
" możliwość podłączenia wymiennika c.w.u.,
2
" pełne zabezpieczenie poprzez urządzenie sterujące z kontrolą jonizacji i zaworami
elektromagnetycznymi,
" komin w postaci dwóch rur ułożonych koncentrycznie - tz. komin typu  turbo (środkową
rurÄ… transportowane sÄ… spaliny z komory spalania na zewnÄ…trz pomieszczenia, przestrzeniÄ…
pomiędzy rurą środkową a zewnętrzną transportowane jest powietrze potrzebne do
spalania),
" czujnik temperatury zasilania i regulator temperatury ogrzewania,
" dwustopniowa pompa obiegowa(na stanowisku pompa pracuje na I biegu),
" wyposażony w: zawór bezpieczeństwa, manometr, ręczne odpowietrzenie syfonu na
kondensat, automatyczny odpowietrznik, naczynie wzbiorcze przeponowe,
" przystosowany do spalania gazu GZ 50.
" minimalne obciążenie cieplne 7,2 kW
" nominalne obciążenie cieplne 24 kW
Do obiegu c.w.u. kotła podłączony jest zasobnik ciepłej wody użytkowej firmy Robert Bosch
GmbH Geschäftsbereich JUNKERS: ST 120 1E-S5300. Jest to zasobnik:
" o płaszczu zewnętrznym wykonanym z blachy stalowej,
" pokrywy zewnętrzne zasobnika wykonane są z tworzywa sztucznego,
" zabezpieczenie antykorozyjne zapewnia jednolita powłoka emaliowana, oraz anoda
magnezowa,
" izolacja termiczna wykonana z twardej pianki bezfreonowej,
" zasobnik posiada czujnik temperatury wody w zasobniku (NTC) podłączany do kotła, oraz
termometr kontrolny,
" pojemność zasobnika wynosi 120 litrów,
" maksymalne dopuszczalne ciśnienie 10 bar,
" pojemność wężownicy c.o. 3 litry,
" 7 zwojów wężownicy,
" maksymalna moc cieplna 25,1 kW
" długość wężownicy 9m
" dz/dw = 22/20mm
" promień krzywizny zwojów wężownicy R=0,35m
3
Na stanowisku pomiarowym w celu pomiaru objętości przepływającej wody w obiegu c.w.u.
zamontowany jest wodomierz skrzydełkowy. Do pomiaru temperatury zastosowano na stanowisku
pomiarowym 4 termometry rtęciowe. Pomiar strumienia objętości podgrzanej ciepłej wody
użytkowej należy wykonać za pomocą cylindra miarowego i stopera.
Rys. 1.
Schemat stanowiska pomiarowego.
Objaśnienia do rysunku:
1. Kocioł kondensacyjny
2. Zasobnik ciepłej wody użytkowej
3. Wodomierz
4. Zawór odcinający
5. Termometr rtęciowy pomiar temperatury zasilania obiegu kotła
6. Termometr rtęciowy pomiar temperatury powrotu obiegu kotła
7. Termometr rtęciowy pomiar temperatury wody wodociągowej
8. Termometr rtęciowy pomiar temperatury ciepłej wody użytkowej
4. Algorytm obliczeń i obliczenia.
Sprawność wymiennika pojemnoÅ›ciowego - ·w należy obliczyć z zależnoÅ›ci:
Q2
·w = Å"100%
Q1
4
gdzie:
"
' "
Q1 = V1Å" cp Å"Á Å"(t1 - t1)
"
V1
V1 =
Ä
V1- objętość wody [ m3 ] (różnica między wskazaniem końcowym, a początkowym wodomierza)
Ä - czas trwania pomiaru (np. 20 minut)
"
îÅ‚ Å‚Å‚
m3
V
1- strumień objętości wody w obiegu kotła ,
ïÅ‚ śł
s
ðÅ‚ ûÅ‚
' "
t1 + t1
cp - ciepło właściwe wody dla t1 = ,
m
2
"
Á - gÄ™stość wody dla t1
' o
t1 - temperatura wody na zasilaniu obiegu kotła [ C ]
" o
t1 - temperatura wody na powrocie obiegu kotła [ C ]
"
Q2 = V Å" cp Å" Á Å"(t" - t' )
2
2 2
i
n
V2
"
"
Äi
i=1
2
V =
2
n
i
V2 - objętość wody w cylindrze [ m3 ],
Äi - czas napeÅ‚nienia cylindra [s],
2
n  ilość pomiarów
"
îÅ‚ Å‚Å‚
m3
V - strumień objętości ciepłej wody użytkowej ,
2
ïÅ‚ śł
s
ðÅ‚ ûÅ‚
'
t + t"
2 2 2
cp - ciepło właściwe wody dla t = ,
m
2
Á - gÄ™stość wody dla t"
2
o
t' - temperatura wody wodociÄ…gowej [ C ]
2
o
t" - temperatura c.w.u. [ C ]
2
Wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej wężownicy -
ą2 należy rozpocząć od obliczenia liczby Re. Jeżeli spełniony będzie warunek Re e" 10000 należy
zastosować poniższy wzór kryterialny w celu obliczenia liczby Nusselta:
5
Nuf = 0,021Å"Re0,8 Å" Prf0,43 Å"µl Å"µT Å"µR
f
gdzie:
0,11
ëÅ‚ öÅ‚
Prf
ìÅ‚ ÷Å‚
µT = ,
ìÅ‚ ÷Å‚
Prw
íÅ‚ Å‚Å‚
' "
t1 + t1
Prf - liczba Prandtla dla wody i temperatury t1 =
m
2
Prw - liczba Prandtla dla ścianki i temperatury o 1K niższej niż t1 ,
m
dw
µR = 1+1,77 Å"
R
dw - średnica wewnętrzna przewodu [m],
R- promień krzywizny wężownicy [m],
l
ëÅ‚
µl = f ,ReöÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
d
íÅ‚ Å‚Å‚
Znając wartość liczny Nusselta należy z poniższej zależności wyznaczyć współczynnik
przejmowania ciepła od strony wody kotłowej- ą1 .
Nuf Å" f
Ä…1 =
dw
W
îÅ‚ Å‚Å‚
ą1 - współczynnik przejmowania ciepła od strony wody kotłowej
2
ïÅ‚m Å" K śł
ðÅ‚ ûÅ‚
W
îÅ‚ Å‚Å‚
f - współczynnik przewodzenia ciepła dla wody kotłowej (należy odczytać dla temp t1 )
m
ïÅ‚m Å" K śł
ðÅ‚ ûÅ‚
Następnie korzystając z poniższych zależności należy wyznaczyć współczynnik przejmowania
ciepła po stronie c.w.u. - ą2 :
Q1 = Ul Å"lÅ""tlog
Ul = f(Ä…1,Ä…2,Cu,dz,dw )
1
Ul =
1 1 dz 1
+ Å" ln +
Ä„ Å" dw Å" Ä…1 2Ä„ Å" Cu dw Ä„ Å" dz Å" Ä…2
W
Cu = 340
m Å" K
'
"t1 = t1 - t"
2
"
"t2 = t1 - t'
2
6
"t1 - "t2
"tlog =
"t1
ln
"t2
gdzie:
W
îÅ‚ Å‚Å‚
Ul -współczynnik przenikania ciepła dla wężownicy ,
ïÅ‚m Å" K śł
ðÅ‚ ûÅ‚
l-długość wężownicy [m],
"tlog - logarytmiczna różnica temperatury
dz - średnica zewnętrzna wężownicy [m],
W
Cu = 340 - współczynnik przewodzenia ciepła dla miedzi.
m Å" K
5. Zawartość sprawozdania.
- wypełniony protokół
- wstęp teoretyczny,
- schemat stanowiska pomiarowego,
- obliczenia,
- komentarz otrzymanych wyników z odniesieniem do literatury
- wnioski z wykonanego ćwiczenia
6. Materiały pomocnicze.
Tabela 1.
Parametry fizyczne wody.
Á  ½ ²
T p Á c  ½ ² Pr
Á  ½ ²
Á  ½ ²
ºC 105 N/m2 kg/m3 kJ/kgK 10-2 W/mK 10-6 m2/s 10-4 K-1 -
0 1,01 999,9 4,212 55,1 1,789 -0,63 13,67
10 1,01 999,7 4,191 57,5 1,306 0,7 9,52
20 1,01 998,2 4,183 60 1,006 1,82 7,02
30 1,01 995,7 4,174 61,8 0,805 3,21 5,42
40 1,01 992,2 4,174 63,4 0,659 3,87 4,31
50 1,01 988,1 4,174 64,8 0,556 4,49 3,54
60 1,01 983,2 4,179 65,9 0,478 5,11 2,98
70 1,01 977,8 4,187 66,8 0,415 5,7 2,55
80 1,01 971,8 4,195 67,5 0,365 6,32 2,21
7
90 1,01 965,3 4,208 68 0,326 6,95 1,95
100 1,01 958,4 4,22 68,3 0,295 7,52 1,75
110 1,43 951 4,233 68,5 0,272 8,08 1,6
120 1,99 943,1 4,25 68,6 0,252 8,64 1,47
130 2,7 934,8 4,267 68,6 0,233 9,19 1,36
140 3,62 926,1 4,287 68,5 0,217 9,72 1,26
150 4,76 917 4,313 68,4 0,203 10,3 1,17
160 6,18 907,4 4,346 68,3 0,191 10,7 1,1
170 7,92 897,3 4,38 67,9 0,181 11,3 1,05
180 10,03 886,9 4,417 67,5 0,173 11,9 1
190 12,55 876 4,459 67 0,165 12,6 0,96
200 15,55 863 4,505 66,3 0,158 13,3 0,93
210 19,08 852,8 4,555 65,5 0,153 14,1 0,91
220 23,2 840,3 4,614 64,5 0,148 14,8 0,89
230 27,98 827,3 4,681 63,7 0,145 15,9 0,88
240 33,48 813,6 4,756 62,8 0,141 16,8 0,87
250 39,78 799 4,844 61,8 0,137 18,1 0,86
260 46,94 784 4,949 60,5 0,135 19,7 0,87
270 55,05 767,9 5,07 59 0,133 21,6 0,88
280 64,19 750,7 5,23 57,5 0,131 23,7 0,9
290 74,45 732,3 5,485 55,8 0,129 26,2 0,93
300 85,92 712,5 5,736 54 0,128 29,2 0,97
310 98,69 691,1 6,071 52,3 0,128 32,9 1,03
320 112,89 667,1 6,574 50,6 0,128 38,2 1,11
330 128,64 640,2 7,244 48,4 0,127 43,3 1,22
340 146,08 610,1 8,165 45,7 0,127 53,4 1,39
350 165,37 574,4 9,504 43 0,126 66,8 1,6
360 186,74 528 13,98 39,5 0,126 109 2,35
370 210,53 450,5 40,32 33,7 0,126 264 6,79
7. Literatura.
1. Krystyna Krygier, Tomasz Klinke, Jerzy Sewerynik  Ogrzewnictwo Wentylacja
Klimatyzacja
2. Wiesław Gogół,  Wymiana Ciepła. Tablice /
3. Materiały do ćwiczeń z ogrzewnictwa.
8