+
Přidat firmu
Vyhledávání
Menu

Modelování stokového výměníku tepla – zdroje pro tepelné čerpadlo

17.08.2012 Spoluautoři: Ing. Petr Horák, Ph.D., Ing. Tomáš Koňařík Časopis: 5/2012,

Splaškové odpadní vody obsahují značné množství tepelné energie na poměrně nízké teplotě. Pomocí tepelného čerpadla můžeme snadno transformovat tepelnou energii, obsaženou ve splaškových vodách, na vyšší teplotní hladinu, použitelnou například pro přípravu teplé vody.

Autoři článku se zabývají numerickou simulací výkonů výměníků tepla použitelných ve stokách. Výsledky numerické simulace výkonů mohou být výchozím podkladem pro zavedení výroby efektivních stokových výměníků.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Tepelná čerpadla dnes běžně využívají energii země, vody a slunce. Trochu neprávem je opomíjena coby zdroj energie odpadní voda [1]. Odpadní voda je přitom významným zdrojem energie, literatura uvádí, že obsahuje až 9x více energie než je potřeba na její vyčištění [2]. Tato energie je v odpadní vodě významnou měrou zastoupena ve formě tepla. Splaškové odpadní vody mají v průběhu roku teplotu v rozsahu 10 až 15 °C. Tuto tepelnou energii lze využít pro tepelné čerpadlo [3]. Schéma takového zapojení tepelného čerpadla se stokovým výměníkem je na obrázku 1. Pro přenos tepla ze stoky do tepelného čerpadla je nutné použít speciální stokový výměník tepla. Tento článek popisuje modelování a numerickou simulaci stokového výměníku tepla.

Image 1Obr. 1 • Schéma zapojení TČ se stokovým výměníkem

Konstrukce stokových výměníků

Chceme-li použít stokový výměník pro odběr tepla ze stoky, musíme respektovat specifické podmínky stoky. Výměník musí mít vhodnou geometrii, tak aby co nejméně zmenšoval průtočný profil stoky. Tvar a konstrukce by měla být navržena rovněž tak, aby byl zajištěn co nejlepší přestup tepla.

V rámci experimentu byly nasimulovány a posléze vyrobeny dva stokové výměníky. Oba výměníky jsou vyrobeny z nerezové oceli tl. 2 mm. Kvůli vysokým hodnotám pH odpadní vody není vhodné použít měď, byť by to bylo vhodnější z pohledu přenosu tepla. První výměník je do kruhového potrubí a má čtyři komory. Celková délka výměníku činí 1 m a jeho vnější poloměr je uzpůsoben parametrům stokové kanalizace o DN 300 mm. Má jeden vstup a jeden výstup s dimenzí DN 25. Druhý výměník je pro umístění do čtvercové šachty, čemuž odpovídá jeho tvar. Skládá se taktéž ze 4 komor. Rozměr výměníku je 750 x 750 mm, i zde je jeden vstup a jeden výstup s dimenzí DN 25. Výměníky jsou vykresleny na obrázku 2.

Image 2Obr. 2 • Prototypy stokových výměníků [4]

Numerická simulace výkonů výměníků

Výkon navrženého výměníku byl zjištěn pomocí CFD simulace. Cílem výpočtu bylo určit teplotu na výstupu z výměníku, a tím definovat jeho výkon.

Výpočetní model tvořila mnohostěnná síť (polyhedral mesh) o 567 216 buňkách pro výměník kruhový a 1 117 820 buňkách pro výměník čtvercový. Výpočet byl uvažován jako třídimenzionální ve stacionárním ustáleném stavu (statio­nary and steady). Řešič byl zvolen oddělený (segregated flow) a proudění uvažováno turbulentní. Velikost chyby výpočtu byla menší než 1E-4. Při simulaci byla definována povrchová teplota výměníku, která se rovnala teplotě splaškových vod, což bylo 15,8 °C (zjištěno měřením). V modelu nebyla zohledněna velikost průtoku splaškových vod. Tento přístup je jistým zjednodušením, ale na druhou stranu je třeba si uvědomit, že i průtok ve stoce není konstantní. Výměník je ponořen celý a průtok splaškových vod obsahuje množství tepelné energie, které mnohonásobně převažuje hodnotu energie, kterou může výměník odebrat. Nedochází k výraznému ochlazení splaškových vod. Proto byla zvolena okrajová podmínka povrchové teploty. V případě malých průtoků splaškových vod, by bylo vhodnější naopak ve výpočtu tento průtok zohlednit.

Na obrázcích 3 a 4 jsou výsledky simulací. Patrné je pozvolné ohřívání výměníků v jednotlivých komorách. Dále můžeme vidět průběhy vektorů rychlosti. Je patrná zvýšená rychlost v místech přechodu mezi komorami a na vstupu a výstupu z výměníku.

Image 3Obr. 3 • Rozložení teplot a vektory rychlosti u kruhového výměníku

Image 4Obr. 4 • Rozložení teplot a vektory rychlosti u čtvercového výměníku

Validace simulace

Na základě výsledků simulace byly vyrobeny prototypy výměníků (obrázek 5) a bylo provedeno experimentální ověření jejich výkonů.

Image 5Obr. 5 • Prototypy výměníků při měření

Obrázek 6 znázorňuje schéma měřicího okruhu. Měření proběhlo v září 2011 na ČOV pro cca 2000 obyvatel.

Image 6Obr. 6 • Schéma měřicího okruhu

V tabulce 1 je uvedeno porovnání parametrů výměníků v rámci simulace a experimentálního měření.

Image 7Tab. 1 • Validace parametrů výměníků

Závěr

Experiment potvrdil správnost simulace s dobrou přesností v případě výměníku do stoky DN 300. Výměník do jímky vykazuje 10% nepřesnost mezi simulací a experimentem. Při zapojení a napuštění výměníku vodou došlo k nafouknutí výměníku vlivem tlaku vody. Domníváme se, že toto nafouknutí zapříčinilo zvětšení přestupní plochy a následně vyšší výkon výměníku při experimentu oproti simulaci. Měření výměníků trvalo jeden den a bylo několikrát zopakováno. Z hlediska výkonu by bylo zajímavé provést dlouhodobé měření, při kterém by se projevil např. vliv tvorby biologického filmu na povrchu výměníku a vliv kolísání teploty.

Poděkování

Příspěvek byl zpracován ve Spolupráci s firmou Asio spol. s r.o. za pomoci Ministerstva průmyslu a obchodu z operačního programu Podnikání a inovace – pilotní projekt „Inovativní akce“ – podpora transferu znalostí.

Literatura

[1] Merkblatt DWA-M 114 – Energiegewinnung aus Abwasseranlagen. Německo, červen 2009, ISBN 978-3-941089-65-5.
[2] SHIZAS I., BAGRY D. M.: Experimental Determination of Energy Content of Un­known Organics in Municipal Wastewater Streams, J. Energy Eng., 130, 2, pp. 45-53, 2004.
[3] HORÁK, P., KOŇAŘÍK, M.: Uplatnění tepelných čerpadel v aktivních budovách, Konference SHK 2011, ISBN 978-80-02-02310-4, Brno 2011.

[4] KOŇAŘÍK, M.: Energetický potenciál kanalizačních stok a jejich využití, Konference Juniorstav 2012, ISBN 978-80-214-4393-8, Brno 2012.


Modelling the sewage heat exchanger – heat source for heat pump

Waste water represents an interesting source of low-potential heat. This heat can be used with a heat pump. The authors deal with heat exchanger computer simulation. The heat exchanger is applicable in the sewers.

Keywords: heat exchanger, sewage heat source

Související časopisy