Analiza stratyfikacji temperaturyw zbiorniku akumulacyjnym

• Autorzy: Wilk J. , Smusz R.

Warianty tytułu

EN

Analysis of the stratification in the thermal storage tank

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zużycie ciepłej wody stanowi znaczny udział w bilansie energii budynku. W warunkach polskich jest to około 15%. Obecnie znaczna liczba instalacji c.w. jest wyposażona w zasobniki akumulacyjne. Dlatego wzrost efektywności magazynowania ciepła ma istotne znaczenie. Jednym ze sposobów jej poprawy jest zapewnienie jak najwyższego pionowego uwarstwienia temperatury wody w zasobniku akumulacyjnym polegającym na ograniczeniu do minimum procesu wyrównywania się temperatury. Może to przyczynić się do wzrostu efektywności nawet od 6 do 20% w stosunku do zbiornika z pełnym zmieszaniem. Jest to związane z jakością termodynamiczną czynnika, tzn. im wyższa temperatura, tym wyższa jakość termodynamiczna czynnika. Na pionowe uwarstwienie temperatury wody ma wpływ wiele czynników, takich jak: rozmiary zbiornika, jego kształt, lokalizacja wężownic, króćców zasilających, straty ciepła do otoczenia, konwekcja swobodna, przewodzenie ciepła pomiędzy chłodnymi i ciepłymi warstwami cieczy itp. Zapewnienie jak najlepszego uwarstwienia wymaga odpowiedniego ukształtowania zbiornika, rozmieszczenia elementów znajdujących się w jego wnętrzu tak, aby ograniczyć mieszanie zimnej i ciepłej wody. W pracy przedstawiono wyniki eksperymentalnych pomiarów stratyfikacji temperatury wody w zbiorniku akumulacyjnym przeznaczonym do przygotowania c.w. wyposażonym w trzy wężownicowe wymienniki ciepła rozmieszczone na różnych wysokościach zbiornika oraz układ stratyfikacji temperatury. Głównym celem pracy była analiza procesu stratyfikacji temperatury w zbiorniku akumulacyjnym oraz wpływ parametrów geometrycznych i cieplno – przepływowych na rozkład temperatury wody w zbiorniku. Badania eksperymentalne przeprowadzono dla trzech przypadków: nagrzewania wody w zasobniku przy wykorzystaniu wężownicowego wymiennika ciepła układu odzysku ciepła oraz wężownicowych wymienników zlokalizowanych w dolnej i górnej części zasobnika. Zastosowanie stratyfikatora znacznie poprawia uwarstwienie temperatury w zbiorniku w początkowej fazie pracy wężownicy układu odzysku ciepła jednak w dłuższej perspektywie czasu stosunkowo duża energia kinetyczna transportowanej wody przyczynia się do degradacji uwarstwienia temperatury. Zaobserwowano również, że górna wężownica powoduje zakłócenia procesu stratyfikacji w przypadku pracującej dolnej wężownicy. W związku z powyższym wymagana jest optymalizacja kształtu układu stratyfikacji oraz rozmieszczenia wężownic wewnątrz zbiornika.

EN

Consumption of the domestic hot water (DHW) represents a significant part in the energy balance of the building. In the Poland, it is about 15%. Currently a significant number of installations DHW is equipped with storage tanks. Therefore, the increase in energy storage efficiency is important. One way to improve it is to ensure the highest vertical stratification of the temperature in the storage tank by minimizing the mixing of the hot and cold water. This can contribute to an efficiency increase up to (6 ÷20)%. The vertical water temperature stratification is influenced by many factors such as the size and shape of the tank, location of the heat exchanger coils, heat loss to the environment, free convection, heat conduction between the cold and hot water layers, etc. The paper presents the results of experimental measurements of water temperature stratification in the storage tank equipped with stratification device and three coil heat exchangers located at different levels of the tank. Experimental investigations were carried out for three cases: water heating in a storage tank using a coil heat exchanger for heat recovery and heat exchangers located in the lower and upper part of the tank. The main objective of the study was to analyze the process of temperature stratification in the storage tank and the influence of geometric and thermal-flow parameters on the water temperature distribution. The use of a stratification device greatly improves the temperature stratification, but in the long period of the time the relatively high kinetic energy of transported water contributes to the degradation of temperature stratification. It has also been observed that the upper coil causes interference with the stratification of the water temperature. The shape of the stratification device and the arrangement of the coils within the tank should be optimized to improve temperature stratification level in the storage tank.

Słowa kluczowe

PL

stratyfikacja temperatury; zbiornik akumulacyjny

EN

stratification; stratified thermal storage; hot water storage tank; stratified tank

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 11
• Strony: 46--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.,

Twórcy

autor

Wilk J.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Zakład Termodynamiki, Rzeszów

autor

Smusz R.

• Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Zakład Termodynamiki, Rzeszów

Bibliografia

• [1] Tkaczyk W., Kozieł A., Mikołajuk W.: Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012 r. Głowny Urząd Statystyczny, W-wa 2014, ISSN 2084-8137, www.stat.gov.pl and www.mg.gov.pl
• [2] van Blommestein K. C, Daim T. U. Residential energy efficient device adoption in South Africa. Sustainable Energy Technologies Assessents, Vol. 1, 2013, pp. 13-27.
• [3] Palmer J., Cooper I. Great Britain’s housing energy fact file. Dep. Of Energy &Climate Change; 2013. p. 26
• [4] Lavan Z., Thompson J. (1977) Experimental study of thermally stratified hot water storage tanks; Solar Energy, 19(5), pp. 519-524 [5] Hollands K.G.T. and Lightstone H.F. (1989) ‘A review of low-flow, stratified tank solar water heating systems’ Solar Energy, 43, pp. 97–106.
• [6] Cristofari C., Notton G., Poggi P., Louche A. (2003) ‘Influence of the flow rate and the tank stratification degree on the performances of a solar flat-plate collector’ International Journal of Thermal Sciences 42 (5), pp. 455-469
• [7] L. J. Shah, Investigation and modeling of thermal conditions in low flow SDHW systems, Ph.D. thesis, Department of Buildings and Energy, Technical University of Denmark, Report R-034, 1999
• [8] Mawire A. (2013) ‘Experimental and simulated thermal stratification evaluation of oil storage tank subjected to heat losses during charging’ Applied Energy, 108, pp. 459-456.
• [9] Ghaddar NK. (1994) ‘Stratified storage tank influence on performance of solar water heating system tested in Beirut’. Renewable Energy, 4, pp. 911–25.
• [10] Kusyi O., Dalibard A. (2007) “Different methods to model thermal stratification in storage tanks-Examples on uses of the methods”, SolNET PhD Course, 10-17 October, Technical University of Denmark (DTU)
• [11] Kenjo L., Inard C., Caccavelli D. (2007) ‘Experimental and numerical study of thermal stratification in a mantle tank of a solar domestic hot water system’ Applied Thermal Engineering, 27, pp. 1986-1995
• [12] Haller M. Y., Cruickshank C. A., Streicher W., Harrison S. J., Andersen E., Furbo S. (2009) “Methods to determine stratification efficiency of thermal energy storage processes – Review and theoretical comparison”, Solar Energy, 83, pp. 1847-1860.
• [13] Hariharan K., Badrinarayana K., Murthy S. S., Krishna Murthy M. V. (1991) ‘Temperature stratification in hot-water storage tanks’ Energy. 16, pp. 977-982.
• [14] Al-Kandari A., Moustafa S., Al-Marafie A., (2004) “Effect of geometry on static thermal stratification” The Second Arab Int. Solar Energy Conference, Bahrain; Code 9824.
• [15] Smusz R., Wilk J., “Industrial stand for investigation coil heat exchanger that use waste heat from air conditioning”, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy Conference, September 2016

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).