Ämne: Värmeöverföring i kollektorslangar

[PerJ]

Värmeöverföring i kollektorslang.

Följande flöden krävs för att överstiga Reynholstalet 2400 för att vara någorlunda säker på att få turbulent strömning i kollektorslangar med etanol som fluid.

Etanol 30-viktsprocent -19°C fryspunkt

Temperatur   Flöde l/s    Tryckfall 300 meter DN40 ON6 slang kPa
-5°C                 0,62              46,5
-4°C                 0,59              41,4
-3°C                 0,55             36,9
-2°C                 0,52             33,0
-1°C                 0,50             29,5
0°C                  0,47              26,4
1°C                  0,45              23,7
2°C                  0,42              21,3
3°C                  0,40              19,2
4°C                  0,38              17,3
5°C                  0,36              15,6
6°C                  0,34              14,1

Etanol 25-viktsprocent -15°C fryspunkt

Temperatur   Flöde l/s    Tryckfall 300 meter DN40 ON6 slang kPa
-5°C                 0,56              37,6
-4°C                 0,53             33,6
-3°C                 0,50             30,0
-2°C                 0,47             26,9
-1°C                 0,45             24,1
0°C                 0,42             21,7
1°C                 0,40             19,5
2°C                 0,38             17,5
3°C                 0,36             15,8   
4°C                 0,34             14,3
5°C                 0,33             12,9
6°C                 0,31             11,7

Vad händer då man får laminär strömning i kollektorslangen?
Man får sämre värmeöverföring, med andra ord sjunker returtemperaturen från berget. När returtemperturen sjunker från berget blir det ändå lägre temperatur ut från VP och det blir ändå sämre värmeöverföring. Dessutom tappar VP rejält med effekt

Räknar man på vad som händer med returtemperaturen om man kör laminärt respektive turbulent flöde med övriga parametrar oförändrade får man följande resultat:

Turbulent flöde i kollektorslang ger 144 meter aktivt borrhål.
Laminärt flöde i kollektorslang ger 185 meter aktivt borrhål.

Hade man -1° retur från 144 meters borran med turbulent flöde får man under -4°C om man har laminärt flöde i slangen!

Vad får detta för konsekvenser?
Längre hål är endast nyttigt om cirkulationspumpen som man har orkar driva flödet med turbulens i slangen, RE>2300, annars vinner man inget.

Två parallellkopplade hål är ineffektivt eftersom de flesta cirkulationspumpar inte orkar dra runt tillräckligt med vätska för att få turbulens. Tappar 25% av aktiva längden pga laminär strömning i slangarna.

Använd helst lägre inblandning än 30%-vikt etanol, 25% är oftast tillräkligt.

Se till att ha snurr på spriten så funkar borran bättre!

PerJ

[Thomas_]

Detta leder till några spontana tankar.

1. Om man har laminärt flöde skulle man kunna ha flera minusgrader på brinen utan att man överför särskilt mycket kyla till borrhålsvattnet, dvs kall brine behöver inte spegla risken för frysning i borrhålet.

2. Om man pga effektbehov måste ha två (eller flera) hål, krävs det då en pump i "Schwarzenegger"-klass, finns det? Har alla med två eller flera hål bara ett 75 %-igt utnyttjande av borrhålskapaciteten?

3. Har brine (vatten/etanol) mycket sämre värmeledningsförmåga än bara vatten? Någon stor skillnad kan det inte vara. I konsekvensens namn borde man optimalt också skapa turbulens i borrhålsvattnet (jag vet, inte praktiskt möjligt, men när man nu funderar fritt ).

4. Enligt punkt 3 borde det vara fördelaktigt med ett smalare borrhål jämfört med ett vidare, om det stillastående vattnet utgör ett hinder för värmeöverföringen.

5. Brineslangar med räfflade väggar för att skapa turbulens, det kan kanske vara ett nytt marknadssegment, hmm...

[Rdx]

Vad glad jag blir när jag läse ditt inlägg...  Jag som har seriekopplat mina två borror bara för att det var så otroligt mycket enklare (och billigare då borraren var bussig och gjorde det på köpet) och jag slapp dra i fler slangar i garaget...  Seriekopplade borrorna mot alla rekommendationer i forumet.

Så får jag nu läsa att det helt plötsligt är den bästa lösningen... klart jag håller på dig!
 studs studs studs

[Carl N]

Turbulent flöde i kollektorslang ger 144 meter aktivt borrhål.
Laminärt flöde i kollektorslang ger 185 meter aktivt borrhål.

Nu är det inte så enkelt att det är värmeöverföringen mellan brine och insidan av slangen som begränsar värmeöverföringen. Om man studerar borrhålet ordentligt så ser man att bergets värmeledningsförmåga som ger största motståndet mot värmeöverföring. Så fortsätt parallellkoppla hålen och bry er inte så mycket om Reynolds tal.

[Thomas_]

Turbulent flöde i kollektorslang ger 144 meter aktivt borrhål.
Laminärt flöde i kollektorslang ger 185 meter aktivt borrhål.

Nu är det inte så enkelt att det är värmeöverföringen mellan brine och insidan av slangen som begränsar värmeöverföringen. Om man studerar borrhålet ordentligt så ser man att bergets värmeledningsförmåga som ger största motståndet mot värmeöverföring. Så fortsätt parallellkoppla hålen och bry er inte så mycket om Reynolds tal.

Det var väl ungefär det jag tänkte men inte vågade säga, nybörjare som man är. Men det verkar logiskt.

[PerJ]

Thomas_

1. Effekten är konstant i mina beräkningar, alltså är det samma energimängd som bortförs från hålet i båda fallen. Dock kan man tänka sig att risken öka för lokala frysningar i hålet. Även om jag tror att de flesta borror som jobbar med KB-temp under noll grader helt eller delvis fryser under de kallaste månaderna under vintern.

2. Så länge man har turbulent flöde i slangen så har man 100% utnyttjande, antigen har man en tillräkligt stor pump eller så kan man tänka sig lösningen att öka flödet i borrorna med en extern bosterpump som antingen är serie eller parrallelkopplad med förångaren i VP. Sen är det ju så att man klarar sig med lägre flöde om man håller upp brinetemperaturen utan att få laminär strömning, dvs mycket borrhål ger lite lägre hastighetskrav i slangen för att få turbulent strömning.

3. Vatten är en ypperlig vätska när det gäller tekniska installationer, oftast blir det de värmeöverföringstekniska parametrarna betydligt sämre när man späder med nåt annat. Hade man inte haft problemet att vattnet fryser vid 0 ºC så hade man aldrig blandat i nåt annat än vatten i köldbäraren.
När det gäller vattnet i borrhålet är det ett problem ur värmeöverföringssynpunkt, vattnet värmeledningstal är 0,6 W/m,K, is har 2,2 W/m,K och berg har runt 3,5 W/m,K. Is leder värme nästan 3 gånger bättre än vatten och ber nästan sex gånger bättre. (30% sprit har 0,4 W/m,K) Ur värmeupptagningsförmåga så är isbildning i hålet possitivt, det skiljer flera grader i returtemperatur från borran om man räknar med isens värmeledningstal istället för vattnets.

4. Riktigt, mindre borrdiameter minskar den sträcka som värmen måste transporteras genom vattnet innan det når slangen. Dessutom minskar risken för skador på slangen när borran fryser om man har mycket slang och lite vatten i hålet.

5. Räfflade väggar kan vara bra, problemet är att värmeöverföringen är urkass på slangen utsida också, så länge man har turbulent flöde på insidan så är det OK. Men räfflorna kanske skulle kunna göra så att man bibehåller turbulent strömning vid lägre flöden.

Ridax
Tja vad vet jag, har inte funderat något längre påt. När det gäller nå turbulent flöde på insidan så gäller det att pumpen orkar ge tillräckligt flöde för den långa slanglängden som skapar tryckfall. Gör den det så är det OK på spritsidan. Vad som sedan händer i de båda borrorna kan man ju fundera på. Den första i flödesriktningen kommer att kylas ut kraftigare och troligen frysa, vilket normalt inte är något problem, värmeledningen är ju bättre i is än vatten, Problemet man kan få är att slangarna trycks ihop.

Carl N
Jag har använt programet EED Earth Energy Designer EED för alla beräkningar, dvs värmeledningen genom berg, vatten i borran, slangvägg, värmeöverföring i slang är medräknat. DVS komplett system.


PerJ

[Carl N]

Carl N
Jag har använt programet EED Earth Energy Designer EED för alla beräkningar, dvs värmeledningen genom berg, vatten i borran, slangvägg, värmeöverföring i slang är medräknat. DVS komplett system.


PerJ

Jag tycker det låter högst orimligt, kolla dina siffror en gång till. 

[PerJ]

Rent allmänt när det gäller värmeöverföring så blir det så att värmeövergångstalet mellan vägg och fluid kraftigt sjunker när man övergår från turbulent flöde till laminärt flöde.

Det som händer är att vid turbulent flöde i vätskan så transporteras värmen in i fluiden med hjälp av vätskans rörelse/omblandning. Har man laminärt flöde så måste värmetransporten ske genom ledning i vätskan in mot centrum av vätskan, som vi såg så leder både sprit och vatten värme dåligt.

Detta gäller inte bara kollektorslangar utan många andra typer av värmeöverföringsproblem.

Vad jag ville visa var att dåliga prestanda på borror KAN bero på dåligt flöde som ger dålig värmeöverföring i slangen.

PerJ

[Carl N]

Med cirkpump-KB i läge 1 blir flödet i min borra ca 0.3 l/s och läge 3 ca 0.8 l/s och jag har 30% etanol inblandat. Det skulle innebära fullt utvecklad turbulens vid läge 3 och delvis laminärt flöde med läge 1 mitt i vintern (1 ºC på KB in).

Borde jag då inte se att KB in blir någon grad högre med läge 3 på cirkpumpen om detta spelade någon roll?

Jag har testat olika hastigheter på cirkpumpen åtskilliga gånger och aldrig noterat någon sådan skillnad.

[Thomas_]

Med cirkpump-KB i läge 1 blir flödet i min borra ca 0.3 l/s och läge 3 ca 0.8 l/s och jag har 30% etanol inblandat. Det skulle innebära fullt utvecklad turbulens vid läge 3 och delvis laminärt flöde med läge 1 mitt i vintern (1 ºC på KB in).

Borde jag då inte se att KB in blir någon grad högre med läge 3 på cirkpumpen om detta spelade någon roll?

Jag har testat olika hastigheter på cirkpumpen åtskilliga gånger och aldrig noterat någon sådan skillnad.

Om man räknar med 1 l brinevätska per meter kollektorslang så har du 240 l i den aktiva delen av din borra, och vid flöde 0,3 l/s tar det 13 min 20 s för vätskan att gå runt den sträckan, dvs rimligtvis gott om tid för värmeöverföring.

Om man som jag som bor i norrland behöver dubbla borror à 170 m hinner brinen vara i resp slang knappt 19 min vid flöde 0,3 l/s per borra. Den teoretiskt försämrade värmeöverföringen vid långsamt = laminärt flöde kompenseras nog alldeles tillräckligt av den långa tiden.

[PerJ]

Hej igen,

Tittade lite på din Carl N:s borra, utan att veta vart du bor någonstans och vilken bergtyp samt bergtemperatur som du har så har du ganska mycket borra jämfört med din förbrukning och effekt på värmepumpen.

När jag räknade så hade jag en VP som gav mer än 30% mer effekt per slangmeter, och ca 20-25% större årligt energiuttag per meter slang. Samt att VP gick kontinuerligt i 72 timmar i sträck, dessutom så är det borrhålsdjupet som krävdes år 25 efter start av anläggningen med hänsyn till utkylningen av berget. Det ger någon grads lägre temperatur än vad man hade första vintern.

Räknar jag på samma sätt på de uppgifter som jag har på ditt fall så råkar det bli så att med laminär strömning får jag 118 meter borra, men räknar jag med turbulent flöde så räcker det med 89 meter.

Så länge man har acceptabla temperaturer på brinen upp ur hålet är det ju OK, då behöver man ju inte bekymmra sig. Men börjar temperaturen under uppvärmningssäsong krypa ned under -2 ºC eller ändå värre ned mot -4 ºC så kan det ju vara en billig lösning att komplettera med en extra cirkpump istället för att borra ett extra hål eller plöja ned slang i trädgården.

Det här med laminär strömning i värmeväxlare har jag själv råkat ut för på en stor kylmedelkylare som skulle kyla bort ca 700 kW vid en viss temperaturdifferans mot omgivande temperatur. Pga felbeställning mellan grossist och tillverkare så blev rörkoppling 2-pass istället för 4-pass genom batteriet, dvs halva hastigheten i rören. Detta gjorde att effekten sjänk med 20-30%. Det slutade med att vi blev tvunga att byta båda kylarna för att få anläggningen att funka.

PerJ

[Roland]

Jag undrar om siffrorna för borrhålsdjup vid laminär och turbulent strömning kan vara riktiga. Totala värmeöverföringen räknat på rörets ytteryta för mitt borrhål är ungefär 40 W/K*m2  (uttag 30 W/m vid 6 graders temperaturskillnad ostört berg – köldbärare. 40 mm slang som har ytteryta av ungefär 0,13 m2/m). Värmeövergångstalet för etanol/vatten vid laminär strömning är större än 400 W/m2*K som är ett värde som jag har hittat för de betingelser som gäller för frysanläggningar där temperaturerna är lägre och etanolhalten högre. Det betyder att värmeöverföringsmotståndet på köldbärarsidan vid laminar strömning står för högst 10 % av totala motståndet för värmeöverföring. Det är alltså den maximala försämring som kan erhållas när strömningen slår om från turbulent till laminär.

Dubbla slingor bör som jag ser det parallellkopplas även om strömningen blir laminär. Anledningen är att köldbärarpumpen då drar så mycket mindre el att det uppväger en försämring av värmeöverförningstalet. Köldbärarpumpens elförbrukning är i storleksordningen 10 % av kompressorns.

[PerJ]

Har dykt djup ned i teorierna om värmeöverföring och konstaterat följande.

Längden på röret försämrar värmeövergångstalet, man har halvturbulent strömning i början på röret för att sedan bli mer laminärt ju längre röret är.

Ökande diameter på röret försämrar värmeövergångstalet.

Räknar man på etanol 30%vikt, en temperatur av -2 ºC och ett reynholdstal på 1200 på följande ett 5 meter långt rör med innerdiameter av 10 mm får man ett värmeövergångstal på 500 W/(m2*K).

Tar man sedan en bergvärmeslang som är 150 meter lång varje väg, samt har en diameter av 35,4 mm så får man ett värmeövergångstal på 70 W/(m2*K), också med RE-tal av 1200

Räknar jag tex på ett 15 mm rör som är 5 meter långt med 50%ig propylenglykol vid -30 grader så får jag ett värmeövergångstal på 600 W/(m2*K), också med RE-tal av 1200

Nu är jag trött på Prandtl och Nusselt-tal för i kväll...

Det är bra med mothugg när man sitter och funderar, det pressar en att gräva vidare!

PerJ

[Olle61]

Det kanske är dags för lite praktiska prov i stället för teori?
Någon skrev ju om loggning i borrhål:
http://www.varmepumpsforum.com/vpforum/index.php?topic=6085.0
Alltså: Om man mäter tempen i borran och jämför med brine så får man väl ett mått på hur bra överföringen fungerar. Det bör väl vara minsta möjliga skillnad i temp? Man kan ju testa med olika hastigheter på cirk-pumpen och jämföra.

[maha6305]

Intressant inlägg!!!

Det otroliga är att idag på morgonen när jag skakade en vällingflaska under kranen för att kyla den lite så funderade jag på kollektorslangar... turbulent strömning borde öka utbytet mot omgivningen i en kollektorslang tänkte jag då... och se, här var en tråd om det också!

Ytterligare ett bevis på att den samlade kunskapen här är MYCKET stor