e-gépész szaklap

Alacsony hőmérsékletű radiátorok hőleadásának növelése a hőátadási tényező módosításával

Frissítve: 2017. március 06.

Szerző: Erdős Csaba Róbert

Hasznos volt Eddig 147 látogatónak tetszett

A PTE-Műszaki és Informatikai Karon 2016. november 30-án megrendezésre került Tudományos Diákköri Konferencián mutattam be a radiátorok hőleadásának növelése érdekében tett kísérletem mérési eredményeit. Konzulensem Baumann Mihály tanszékvezető, adjunktus. A TDK-dolgozat mérési eredményeit, lényegi összefoglalóját ismertetem a cikkben.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2017=1-2. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

Bevezetés
Napjainkban egyre szigorodnak az építési előírások, erre példa az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról szóló 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet. A korszerű építési anyagok és technológiák alkalmazása révén épületeink hővesztesége csökken, ezáltal a hőtermelők szükséges teljesítménye is. Cél a minél kisebb energiafelhasználás, illetve a megújuló energiaforrások alkalmazása, egyaránt legyen szó újépítésű illetve felújítandó létesítményekről. 
Az alacsony hőmérsékletű radiátorok esetében is a magas hőteljesítmény elérése a cél, kielégítve a magas komfortkövetelményeket, mindezt alacsony energiaráfordítás mellett. Épületenergetikai felújítását követően általában csökken az épület hővesztesége, mivel jobb nyílászárókat építenek be és hőszigeteléssel is ellátják az épületet. Az energetikai korszerűsítés során a fűtési rendszert is hozzá kell igazítani az épület megváltozott paramétereihez, hogy gazdaságosan, hatékonyan és a komfortigényeket kielégítve tudjon üzemelni. 
Mindez magában foglalhatja a hőtermelő és a hőleadói oldal korszerűsítését. Ha a meglévő fűtőtesteket megtartják, akkor a lecsökkent teljesítményhez legegyszerűbb alacsonyabb vízhőmérséklettel üzemelő rendszert illeszteni. A kisebb teljesítmény azonban a rendszer rugalmasságát is rontja, egy csökkentett fűtési időszak után hosszabb ideig tartó felfűtést eredményez. 
Ötletként felmerült, hogy a teljesítményt adott hőmérséklet mellett a hőátbocsátási tényező időszakos növelésével lehetne növelni. A hőátadási tényező javítását ventilátorok alkalmazásával kívánom elérni, amelyeket a radiátor aljához rögzítve, adott légsebességgel áramoltatják át a levegőt a konvektorlemezek között. Ennek a megoldásnak köszönhetően nagyobb teljesítmény áll rendelkezésre, ami rövidebb felfűtési időt eredményez. További előny származhat a ventilátorok fordulatszámának a változtatásából, amelynek köszönhetően lehetőség nyílik helyi szabályozhatóságra az adott helyiség használatától és napszaktól függően, a kívánt hőmérséklet megfelelő szinten tartása érdekében.

A radiátorok működése
A radiátor lényegében egy hőcserélő, amelyről elmondható, hogy a belső oldalán a közvetítőközeget jelentő víz kényszerített módon áramlik, míg külső oldalán a levegőnél szabadáramlást figyelhetünk meg. A belső oldali hőátadási tényező értéke megközelítőleg 500 – 2000 W/m2K, a külső oldali 5 – 20 W/m2K. A lapradiátoroknál alkalmazott lemez vastagsága 1,0 – 1,5 mm, hővezetési tényezője 50 – 200 W/m•K. Hőátbocsátási tényező szempontjából legjelentősebb szerepe így a külső oldali hőátadási tényezőnek van. 
Ez belátható a hőátbocsátási tényező összefüggésének a felírásával [1]:

A nevező értéke gyakorlatilag az utolsó tag értékétől függ, hiszen a másik két tag értéke annak töredéke. E megállapítás alapján belátható, hogy a külső oldali hőátadási tényezővel érdemes foglalkozni, mivel ennek van a legjelentősebb befolyása.

A külső oldali hőátadási tényező meghatározása
A hőátadási tényező igen sok anyagi, áramlástani és termodinamikai tényezőtől, illetve ezek kölcsönhatásától függ: 
• a közeg fajtája (gőz, gáz, folyadék),
• az áramlás jellege,
• a geometriai méretek,
• a fal alakja és minősége,
• a közeg anyagi jellemzői.

A sok változó és azok egymástól való függése miatt a hőátadási tényező értékét többnyire kísérleti úton határozták meg. A sok paramétertől való bonyolult függése miatt nem lehet egy általános számítási egyenlettel leírni, amely minden esetre érvényes.
A hőátadási tényező meghatározása különböző esetekre különböző módon történik. Megkülönböztetünk szabad, illetve kényszerített konvekciót, attól függően, hogy az áramlás külső kényszerítő erő hatására jön létre, vagy pedig a hőmérsékletkülönbségből adódó sűrűségkülönbség indukálja az áramlást. 
A Nusselt-szám a hőátadás hasonlósági száma, amely az áramló közeg és a fal határán végbemenő hőátadásra jellemző. Segítségével meghatározható a hőátadási tényező [2]:

Az irodalomban a Nusselt-szám meghatározásához különböző függvények állnak rendelkezésünkre, amelyeket más-más esetekben alkalmazunk:
• szabadkonvekciónál,
• kényszerkonvekciónál,
• lamináris, átmeneti, illetve turbulens áramlás esetén,
• hengereknél, csöveknél, síklapoknál,
illetve attól függően, hogy függőleges vagy vízszintes elrendezésű a vizsgált berendezés.

Határolatlan térben való szabadáramlás
Itt a Nusselt-szám meghatározása a Prandtl- és a Grashof-szám szorzatának nagyságától és a geometriai paraméterek figyelembevételétől függ.
Függőleges tartályoknál, hengereknél és függőleges sík fal mentén [2]:

ahol a Grashof-szám a felhajtóerő és a súrlódóerő viszonyát fejezi ki:

Behelyettesítve és tovább rendezve a fenti összefüggéseket az alábbi alakot kapjuk:

Összességében elmondható, hogy a külső oldali hőátadási tényező a levegő különböző fizikai jellemzői mellett alapvetően a hőmérsékletkülönbség 1/3-ik hatványától függ. A hőátbocsátási tényező elsősorban a külső hőátadási tényezőtől függ, így az alábbi összefüggés írható fel [1]:

 

Az összefüggésben a 0 index az adott, ismert hőmérséklet viszonyokhoz tartozó érték. Ezt a névleges állapotot a radiátoroknál korábban a 90/70/20 °C állapothoz, napjainkban inkább a 75/65/20 °C hőmérsékletekhez adják meg. Az egyes hőmérsékletek sorrendben a fűtővíz előremenő hőmérséklete, a visszatérő hőmérséklete és a helyiséghőmérséklet.

A radiátorteljesítmény meghatározása
A radiátor, mint egy hőcserélő teljesítményének az összefüggése felírható az alábbi módon [1]:

Ugyanezen összefüggést felírva a névleges hőmérsékletviszonyok mellett [1]:

A két egyenletet elosztva egymással és a hőátbocsátási tényező függvényét behelyettesítve az alábbi egyenletet kapjuk:

Ezzel az egyszerűsített képlettel a névleges hőmérsékletviszonyokhoz tartozó teljesítmény ( ) és a hőmérséklet kitevő (n) ismeretében bármilyen méretezési hőmérsékletviszonyok mellett számítható a radiátor tényleges teljesítménye.

A beépítési módok – faltól, padlótól való távolság – is jelentősen befolyásolják a radiátor teljesítményét. Elmondható, hogy minden olyan megoldás, ami hatással van a légsebességre, markáns módon befolyásolja a külső oldali hőátadási tényezőre. A hőleadást csőkkentő megoldások közé tartozik például a radiátor fölé nyúló párkány, vagy a radiátor letakarása.

A hőátadási tényező számítása
Hőátadás sík fal mentén való áramlás esetén
Ha Re < 4•104, akkor lamináris áramlás alakul ki és az alábbi összefüggés alkalmazható [2]:

Ha Re > 4•104, akkor turbulens áramlás alakul ki és az alábbi összefüggés alkalmazható [2]:

ahol:
f – a határoló térre vonatkozó fizikai jellemzők függvényében számított érték,
w – sík falra vonatkozó fizikai jellemzők függvényében számított érték.

A sík fal menti szabad és kényszeráramlásra kapott számítási eredményeket az 1. táblázat tartalmazza. A hőátadási tényező változását a légsebesség függvényében a következő oldalon látható 1. ábra mutatja.

1. táblázat. A hőátadási tényező számított értékei különböző hőfoklépcsők esetén

1. ábra. A hőátadási tényező változása a légsebesség függvényében

Ezen összehasonlítás alapján elmondható, hogy a radiátoroknál vizsgált hőátadási tényező kényszerített légáramlás esetén jelentős mértékben növekszik. Ez azzal magyarázható, hogy a hőátadási tényezőt már nem a hőmérsékletkülönbség befolyásolja, hanem a turbulens légáramlás. Ezek alapján az az ötlet merült fel, hogy a turbulens áramlást könnyedén biztosítani lehet ventilátorok alkalmazásával.

A mérés ismertetése
Ahhoz, hogy megtudjam, milyen mértékben befolyásolja a hőátadási tényező változtatása a radiátor teljesítményét, laboratóriumi mérés elvégzésére volt szükség, amelyre a PTE-MIK Hőtechnikai laborjában került sor. A mérési sorozatot egy referencia méréssel kezdtem, amelyhez hasonlítottam a ventilátorokkal felszerelt radiátor teljesítményét. 
A mérést alacsony hőmérsékletszinten és kis hőmérsékletkülönbség mellett, 45 és 30 °C-os előremenő hőmérséklet mellett végeztem el, mert ez illeszkedik leginkább a későbbi üzemviszonyokhoz. 
Komfort szempontokat figyelembe véve a ventilátorokat a radiátor alján helyeztem el. A mérést egy Dunaferr LUX-uNi (DK) 22-600-1000 típusú radiátoron végeztem el, amelyre összesen 6 db 80 x 80 mm-es számítógép ventilátort rögzítettem, 10 cm-es köztávolsággal. Mivel ezeknek a ventilátoroknak a fordulatszáma igen nagy, ezért fordulatszám-szabályozásra volt szükség, amit tápegység alkalmazásával oldottam meg. 
A radiátor teljesítményének meghatározásához szükséges mérnünk a rajta átáramló víz térfogatáramot, előremenő és visszatérő közeghőmérsékletet és a helyiség hőmérsékletet.

Az alkalmazott mérőeszközök:
• KIMO AQ 200 légsebességmérő,
• NI Hi-Speed USB Carrier & Thermocouple Input mérésadatgyűjtő,
• Sontex Wärmezähler Klasse 2 EN1434 hőmennyiségmérő.

A mérést egy mérőkamrában levő lapradiátoron végeztem el. A mérőkamrában állandósult 20 °C-os helyiséghőmérséklet tartása volt a cél. A radiátor által leadott hőmennyiséget az oldalfalak és a mennyezet felülethűtése segítségével vontam el, így tartva állandósult helyiséghőmérsékletet. A felületi hőmérsékleteket és a radiátor előremenő hőmérsékletét a mérőkamrához kiépített felügyeleti rendszer segítségével állítottam be és ellenőriztem a kívánt paramétereket.

A radiátor teljesítménynövekedésének a meghatározása
Első lépésben a mérési eredmények átlagértékeit vettem, amelyek a számítások alapját képezik (2. táblázat), illetve felvettem a radiátor névleges teljesítményéhez tartozó gyártói adatokat (3. táblázat). 
A B jelű méréseket 45 °C, a C jelű méréseket pedig 35 °C előremenő vízhőmérséklet mellett végeztem. Az 1-es mérés kikapcsolt, a 2-es bekapcsolt ventilátort jelent.

2. táblázat. A négy mérési pontban mért eredmények átlagértékei

3. táblázat. A mérésre szolgáló radiátor adatai

A mérési eredmények összegzése
A mérési eredményekből számított radiátor hőleadásokat és növekményt a 4. táblázat és a következő oldalon látható 2. ábra mutatja.

4. táblázat. Az egyes mérési pontok eredményeiből számított teljesítmény és növekmény értékei

2. ábra. A mérési eredményekből számított teljesítmények összehasonlítása ventilátoros és ventilátor nélküli üzem esetén

A bemutatott eredmények tükrében kijelenthető, hogy nagymértékű teljesítmény-növekedés érhető el a külső oldali hőátadási tényező növelésével. Jól látható, hogy 45 °C-os előremenő közeghőmérsékletnél mindegy 217 W teljesítménynövekmény tapasztalható, ezáltal közel 38%-os teljesítménynövekedést sikerült elérni. 
A várakozásnak megfelelően 30 °C–os előremenő esetén a teljesítménynövekedés jelentősebb, több mint 55%. 
Ez azzal magyarázható, hogy ilyen alacsony hőmérsékletnél a felületi és a léghőmérséklet között alacsonyabb a különbség, mint magasabb előremenő hőmérsékletnél, így még inkább érvényesül a ventilátorok hatása. A hőátadási tényezőt már nem a Dt, hanem a ventilátorok által keltett turbulens légáramlás befolyásolja döntő mértékben. A logaritmikus középhőmérséklet értéke rendre alacsonyabb a ventilátoros üzem esetében, az intenzívebb hőelvonás végett.
A radiátorkitevő értéke is megváltozott a két üzemviszony között. Míg ventilátor nélküli üzemben 1,31-es értéket vesz fel, addig a ventilátorok alkalmazása esetén 0,9 – 1,01-re csökken az értéke. 
A 0,9 érték adódhat mérési pontatlanságból is, inkább azt lehet valószínűsíteni, hogy a hőátbocsátási tényező már állandó, köszönhetően a ventilátor miatt létrejött kényszeráramnak. A radiátor konvektív hőleadása megnövekedett.

Összefoglalás, következtetések levonása
Összeségében elmondható, hogy a ventilátorokkal felszerelt radiátoroknak lehet létjogosultsága, mivel jelentősen megnövelik a teljesítményt, ezáltal számos új lehetőséget, magas komfortot és jó szabályozhatóságot biztosítva, illetve új területeket nyitva radiátoros rendszer üzemeltetésének alacsony hőmérséklettel párosítva. Mindezek révén tovább szélesíti a megújuló energiaforrások alkalmazásának lehetőségét, a kondenzációs technológia alkalmazásával együtt. Mindez magasabb komfort és energiahatékonyság mellett valósítható meg, hiszen nem rontja a hőszivattyú COP értékét, vagy a kondenzációs gázkazán füstgázhőmérsékletét. További előnye, hogy könnyen párosítható felületfűtéssel, ugyanakkor élvezve a gyors reagálást az időjárás változására.

Irodalomjegyzék
1. Baumann Mihály: Fűtéstechnika I-II. Előadásjegyzet. Pécs, 2012.
2. M. A. Mihejev: A hőátadás gyakorlati számításának alapjai, Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. (7. kiadás)


Hasznos volt Eddig 147 látogatónak tetszett

Nyomtatható változat

Hozzászólások:

  • Németh Szabó László

    2017. március 08 - 14:52:51
  • A cikk megállapításait támasztja alá, hogy a Vogel&Noot néhány éve már forgalmaz ventilátoros radiátort (E2 néven)! Hazánkban ugyan nem elérhető, de pl. a szomszédos Ausztriában igen. Így lehetőségünk nyílt egy kápolnába betervezni és beszerelni a termékből 4 db-ot. A tapasztalatok nagyon jók! A felfűtési idő töredékére csökkent. Így időszakos használatú helyiségekben az egyik legjobb megoldás lehet.
  • Ezzel a hozzászólással 1 olvasó ért egyet.
    (Az egyetértéshez be kell jelentkezni)
  • Chiovini György

    2017. március 08 - 21:49:36
  • Az angol BOOSTER szó jutott eszembe. Az előző példa, illetve hozzászólás is erre utal. Egy rövidebb időre fokozni a teljesítményt. Egyébként elvész a radiátor egyszerűsége. Bizonyára megjelennek a reklámok a hallhatatlan ventilátorról. Ami persze kiiktatható, ha zavaró a neszezése.
  • Ezzel a hozzászólással 1 olvasó ért egyet.
    (Az egyetértéshez be kell jelentkezni)
  • Juhász István

    2017. március 09 - 09:52:26
  • Nagyon jó lenne egy ilyen terméket feltalálni, én például a fan-coil nevet adnám a termékemnek, amennyiben lehetnék névadója ennek a hiánypótló találmánynak.
  • Ezzel a hozzászólással 3 olvasó ért egyet.
    (Az egyetértéshez be kell jelentkezni)
  • Rév Zoltán

    2017. március 09 - 10:02:53
  • A magyar mérnök mindig is tudott barkácsolni, ez is jó példa erre - és nem feltétlenül pejoratív értelemben.
    A számítások és a mérések mögött persze komoly elméleti tudás van (respect!) de az egyszeri felhasználónak én ezt így magyaráznám el: "a ventilátor lefújja a radiátorról a meleget"...
  • Ezzel a hozzászólással 0 olvasó ért egyet.
    (Az egyetértéshez be kell jelentkezni)
  • Tóth István, Zehnder

    2017. március 10 - 08:52:50
  • 2013-ban mutatta be a Zehnder a ventilátorokkal segített Nova Neo radiátortípust, amely kifejezetten az alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerekhez lett kifejlesztve. Ezekkel a radiátorokkal ésszerű radiátor méretekkel is, 35C előremenővel is életszerű fűtőteljesítmények érhetők el.
    Juhász úr hzsz-hez:
    Hívhatnánk akár fan-coil -nak is, de ez egy acéllemezből készült termék, a megjelenése teljesen radiátor, bekötési módja is a megszokott radiátor bekötés.
    Teljesítmény, zaj és egyéb adatokat szívesen küldök.
  • Ezzel a hozzászólással 1 olvasó ért egyet.
    (Az egyetértéshez be kell jelentkezni)

Hozzászólok a cikkhez:

Új hozzáférés:

Regisztrálok

Meglévő hozzáférés: