Przeliczenie ilości energii elektrycznej potrzebnej do podgrzania CWU. Propozycje i wnioski, projekt podgrzewacza bez sterowania cyfrowego - z czułym włącznikiem ciśnieniowym.
I Wersja pesymistyczna.
Tp 8st C
Tk. 46 st. C
Delta Temp. 38K
klasa przepływu między B a S: 0,35l/s
Potrzebna ilość energii cieplnej
Q=m x Cw x Delta Temp. = 0,35 x 4190 x 38 = 55727J
Cw = 4190J/kgK (ciepło właściwe wody)
m=0,35kg (gęstość wody 1kg/l) masa wody
t=1s czas przepływu, czas na podgrzanie.
1W = 1J/s jednostka mocy w stosunku do energii
P=Q/t = 55kW.
Wnioski: Przepływ należy liczyć nie przez baterię, ale przez podgrzewacz, im dłużej dana objętość wody znajduje się w rurkach podgrzewacza, tym wyższa jego sprawność. Czyli nie można oszczędzać na miedzi. Jeśli stworzymy rurki miedziane, przez które nasze 0,35L przepływa przez 4s, zużyta energia spadnie prawie 4 krotnie. A więc do 14kW.
Ponadto, chłodną wodę, która płynie spod ziemi dobrze jest wstępnie ogrzać w hydroforze – a więc podgrzewać hydrofor lub co najmniej umieścić go w podgrzewanym pomieszczeniu. Wtedy temperatura wstępna zebranej wody podskoczy do np.18st.C co zmniejszy deltę. Więc logiczne jest, że hydrofor powinien stać w słońcu, a nie w ciemnej piwnicy. I pomieszczenie to powinno być ogrzewane. Zmniejszenie delty o zupełnie realne 10st.C powoduje, że zużywana energia spadnie do 8kW.
Przegrzewanie hydrofora różnymi tanimi metodami jest bardzo ciekawym wstępem do tego, aby zimna woda nie raziła w ręce, a przy podgrzaniu miała wstępnie wyższą temperaturę, co odciąży nam znacznie koszt zużywanej energii elektrycznej. Ciekawe? Ciekawe. Można zastosować ten trik w niejednym miejscu. Gdybyśmy mieli piwnicę z piecem grzanym na drewno/węgiel itp. spalinowym, to stawiając obok niego hydrofor (który do tej pory zużywaliśmy do zwiększania ciśnienia, aby pompa nie musiała pracować w trybie ciągłym, a załączała się tylko czasami), to mielibyśmy znaczne oszczędności, a hydrofor, który jest zbiornikiem metalowym, robiłby także za wstępny podgrzewacz wody. Woda byłaby jednak w nim na tyle chłodna – powiedzmy do tych 25-28st.C, że nie rozwijałyby się tam niekorzystne bakterie, jak to ma nieraz miejsce przy dużych bojlerach elektrycznych.
Dalsze ciekawostki: Element wykonawczy podgrzewacza przepływowego można także wstępnie przegrzać ciepłem z kaloryferów, ciepłem promieniowania słonecznego z okna itp. Zwiększa to reakcję podgrzewacza na załączenie i powoduje, że wymaga mniej czasu na start. Rurka doprowadzająca wodę w ścianie pomiędzy podgrzewaczem a elementem wyjściowym – baterią umywalkową czy prysznicową winna być izolowana, chyba, że z jakichś powodów mur podlega podgrzaniu. Wtedy zadziała to niekorzystnie.
Najbardziej wydajne zawsze będzie WIELOSTOPNIOWE PODGRZEWANIE CZYNNIKA – tu wody. Ponieważ osiąganie temperatury to nie to samo co przepływ ciepła. (Ciepło rozchodzi się w różne kierunki, najczęściej dyssypując). Można przepompować bardzo dużo ciepła, ale tylko odpowiednia jego kumulacja na małej objętości powoduje wysoką temperaturę. To tak jak z malutką zapałką, która gwałtownie się spala, i może poparzyć rękę a żarzącym się godzinami popiołem, w który jeśli włożymy rękę, niewiele się stanie.
Wielostopniowe podgrzewanie powoduje to, że potrzeba odpowiednio mniej energii. W tę filozofię wpisuje się podgrzewanie hydrofora. Podłączenie rurki miedzianej ciepłowodem do kaloryfera lub obiegu wodnego głównego komputera domu inteligentnego.
Teoretycznie także odpowiednia grzałka wysokiej temperatury o mocy 10W może podgrzać silnie rurki miedziane podgrzewacza, aby startował on błyskawicznie i posiadał wyższą sprawność. W sumie te utracone 10W poprawiłyby komfort użytkowania i całkowita potrzebna moc byłaby niższa. Można to nawet zbadać, rozbierając pierwszy lepszy mały laptop z procesorem Atom 10W i uruchamiając go jako taką grzałkę. Osiągana temperatura wynosi ok. 60-70stC co przy rurce miedzianej używanej za radiator pozwoliłoby na jej wstępne podgrzanie razem z wodą, (która się w niej znajduje) do wartości ok. 45st. Ponieważ bardzo często umywalki używa się krótko do mycia rąk przez 5-15 sekund. Utracona chłodna woda i start z wyższą mocą grzałki właściwej przez pierwsze 4 sekundy może stwarzać większy koszt niż ciągłe działanie tej malutkiej grzałki.
Jaką długość powinna mieć rurka w podgrzewaczu?
Rurka powinna mieć przekrój 12mm i długość ok. 3m, jej objętość wynosi:
Wzór na objętość walca: spód x długość = pi x 5,9mm ^2 x 3m = pi x 0,0059m^2 x 3m = 0,00032m3 = 0,32l
Przy tej objętości dla odpowiednio dobranej baterii prysznicowej jest szansa, że woda będzie się tam znajdowała przez 1,5s. Moc grzałki, która ma zostać użyta powinna wynosić dla średnio optymistycznej wersji z podgrzanym hydroforem i wodą o temperaturze wstępnej 18st.
Którą potrzeba podgrzać do komfortowego mycia do 40st. Czyli Delta Temp. 22st.
Potrzeba
Przepływ: 0,32L/1,5s = 0,21L/s (stosowna bateria)
Delta Temp. 22 K
Potrzebne ciepło: Q = 0,21 x 4190 x 22 = 19,3kJ
Potrzebna moc elektryczna 19,3kW. Ale nie uwzględnia ona wewnętrznego bilansu cieplnego, jeśli:
Zespół rurek otoczony jest jedną grzałką i zaizolowany pianką jak na rysunku:
Method II – Overall Thermal Balance
Wykorzystanie strat do poprawionego bilansu cieplnego. Wydajna grzałka mojego patentu.
W takim podgrzewaczu zachodzi dodatkowy bilans między rurkami,
który podwyższa sprawność. W centrum znajduje się wstępna rurka,
która jest zetknięta z pozostałymi, podgrzewanymi bezpośrednio
ze spirali grzejnej.
Spirala jest gęściej nawinięta na dole, a rzadziej u góry ze względu na konwekcję.
Podgrzana rurka miedziana, nagrzewa się w sumie z obu stron, ale tylko z jednej strony płynie woda. Dzięki zbliżeniu rurek do siebie – a nawet zalutowaniu ich razem, bardzo dobrze wykorzystuje się to pasożytnicze zjawisko do podgrzewania rurek między sobą. Najwięcej zysku z tego pasożytniczego zjawiska trafia do pierwszego segmentu, gdzie woda jest podgrzewana wstępnie.
Długość tego typu podgrzewacza należy zbadać eksperymentalnie. Ze wzoru matematycznego wynika, że dla stałej szerokości okrągłych rurek, jeśli mają się ze sobą stykać, wokół jednej z nich, można przymocować sześć rurek dookoła. Ale to nie wszystko. Jeśli zastosujemy zamiast okrągłej rurki, rurkę o przekroju sześciokąta, prawie wszystkie ścianki się ze sobą stykają, dalej podnosząc sprawność urządzenia. Wystające luki pokrywamy cyną. Później owijamy spiralą według gradientu, czyli więcej zwojów na dole i między każdym kolejnym zwojem w górę odpowiednio większa odległość. W ten sposób skorzystamy z zasady konwekcji, gdyż ciepło z dołu unosi się do góry przeciwko grawitacji. Sprawność całości wzrasta wraz z upływem czasu (bilans nie zachodzi natychmiast).
Sprawność takiej grzałki może być nawet 30% wyższa od innej. Przy założeniu, że dzielimy całość na siedem segmentów i chcemy wykorzystać 3 lub 4 metry rurki, długość kompletu będzie wynosiła: między 0,43m a 0,57m, co jest dla rurki o przekroju 12mm do przyjęcia w warunkach domowych. Zwiększając długość rurki do 5 metrów (dostępne w handlu, w miarę łatwe w transporcie), w dalszym ciągu podnosimy sprawność zwiększając wymiary urządzenia zaledwie do 72cm, jednak opcja 3 i 4 metrowa wydaje się być rozsądniejsza. Mniejsza masa całkowita miedzi i użytej cyny podgrzeje się także szybciej i z mniejszym wkładem energetycznym. Należy przeprowadzić odpowiednie testy w stosunku do użytych moc spiral i wielkości zestawu dla przepływu wody – który to dla prysznica i umywalek powinien być odpowiednio mały np. 0,14-0,22L/s
Istotne jest, aby spirala była dobrze zaizolowana od zewnątrz, gdyż jak wiadomo podgrzany drut wolframowy grzeje we wszystkich kierunkach jednakowo. Użyta do tego powinna być aluminiowa blacha o proponowanej grubości do 1mm, która dodatkowo kumulowałaby ciepło, a na zewnątrz niej powinna być pianka o grubości ok 2cm. Może być to pianka podobna do izolacji poddaszy o niskiej przenikliwości termicznej, tak aby ciepło z blachy aluminiowej, spirali i rurek nie wydostawało się na zewnątrz. Spirala zasilona byłaby jednofazowo, lub wykorzystane byłyby trzy spirale w układzie trójfazowym, każda o mocy np. 1,5-4kW mogłaby być załączana niezależnym tradycyjnym mechanicznym włącznikiem, tak aby dobrać łatwo moc i oszczędzać energię. W takim układzie pierwsza spirala powinna być u dołu, druga na środku, a trzecia u góry. Można też wypróbować wersje nawiniętych trzech spiral obok siebie (chyba nawet lepiej, tylko trzeba dobrać minimalną równą odległość między nimi, proponuję 7mm).
Spirala powinna stykać się z rurkami przez możliwie cienki materiał o następujących cechach:
– wysoka izolacyjność dla prądu przy małej grubości.
– wysoka przewodność dla ciepła.Odporność na stopienie się w wysokiej temperaturze (w przypadku podłączenia urządzenia bez czynnika.)Trzeba wykorzystać jakiś materiał kompromisowo.
Dodatki: podgrzanie wstępne.Otwarcie kranu czy baterii, powoduje start pracy urządzenia. Faktycznie, aby podgrzać odpowiednio wodę, start ten powinien nastąpić ok. 2-3 sekundy przed otwarciem zaworu. Można to uzyskać przez wciśnięcie gdzieś odpowiedniego przycisku tuż przed otwarciem kranu. W przypadku wielu łazienek może być to tuż przed wejściem pod prysznic lub przed rozpoczęciem mycia rąk. Po wciśnięciu mikrostyku, nastąpiłoby uruchomienie jednej ze spiral na czas równy 5s, po czym wyłączenie jej przekaźnikiem. Nie jest to jednak zabieg konieczny.
Nie zalecam stosowania pojedynczej spirali o mocy maksymalnej powyżej 4kW, ponieważ większość instalacji stosuje przewody miedziane o przekroju 2,5mm2, które nie pozwalają na przesłanie większej mocy. Chodzi też o wyskakiwanie, szczególnie lekko zużytych, bezpieczników nadprądowych.
Proponowany kształt rurek – sześciokątny 10-12mm o grubości ścianki 1mm.
Dla prądu trójfazowego można się też pokusić o inne poprowadzenie spirali, mianowicie w sześciu zewnętrznych rowkach, z góry na dół, po dwie spirale na każdą fazę.
Zmniejsza to jednak, nawet drastycznie zwieraną powierzchnię i osobiście przypuszczam, że pierwsza propozycja czyli spirala wokół będzie miała odpowiednio wyższą sprawność.
Podgrzewacz z kształtki 4m miałby całkowitą masę zaledwie ok. 2kg i mógłby być bardzo wąski, nawet 120cm z uwzględnieniem włącznika ciśnieniowego, przyłączy do kabla i przełącznika faz. Prosta konstrukcja gwarantowałaby niezawodność, a regulacja mocy odbywałaby się ze 100% oszczędności – brak konieczności elektronicznego regulatora mocy (zawodnego i zużywającego prąd).
Wadą włączników ciśnieniowych w tego typu podgrzewaczach jest, że nie załączają się przy małych strumieniach, co powoduje, że Ci którzy chcieliby zaoszczędzić wodę na kąpanie, muszą zwiększać strumień. Regulator mocy najczęściej też nie widzi związku między zużywaną mocą a regulowanym na baterii przepływem. Im mniejszy przepływ tym powinna być mniejsza zużywana moc elektryczna, a mimo to, po wykryciu nawet małego przepływu włącznik ciśnieniowy powinien się uruchomić. Zastosowanie czujnika przepływu rozwiązałoby problem.
Należy też przewidzieć sterowanie zależne od temperatury. Najprawdopodobniej po odpowiednio długim użytkowaniu, gdy cały element wykonawczy – nasza grzałka, osiąga stosowną temperaturę dzięki bilansowi, może dochodzić do przegrzewania i aby oszczędzić prąd, grzałka powinna być wtedy załączana według wskazań czujnika temperatury. Przy zastosowaniu odpowiedniej histerezy np. 5st. C., można uzyskać konkretne oszczędności, a także chroni się instalację elektryczną przed przegrzaniem. Można taką histerezę też stosować przez cały czas w automatyce regulatora mocy, który to najprościej zrobić jako załączenie i wyłączenie fazy wytrzymałym przekaźnikiem zależnie od temperatury badanej na wyjściowej rurce.
Można też rozpatrzyć wstawienie spirali do wewnątrz naszego kwiatka. Mielibyśmy wtedy dwie spirale, jedną wewnętrzną, a drugą zewnętrzną o odpowiednio zróżnicowanych mocach. Wtedy to wykorzystywalibyśmy się nie tylko stykanie rurek, ale także to, że spirala grzeje we wszystkich kierunkach. Najprawdopodobniej to ta wersja, mimo że trochę trudniejsza w konstrukcji, byłaby najsprawniejsza. Korzystalibyśmy też z bilansu dwóch spiral położonych w różnym układzie. Podgrzewacz startowałby znacznie szybciej, gdyż wchodzący strumień natrafiałby od razu na wstępie na grzałkę. Trzeba byłoby jednak przemyśleć stosowny rowek do poprowadzenia tej wewnętrznej spirali, żeby rurki stykały się mimo niej ściśle. Można to uzyskać nawet przez lekkie sprasowanie tej pierwszej rurki ze wszystkich stron.
Można wtedy użyć jednej fazy wewnątrz (tryb I), i dwóch faz na zewnątrz (tryb II i III). Do czego można użyć trzech zwykłych przełączników kołyskowych 16A na każdej z faz.
Method III - SURFACE
Jest też wielce możliwe, że aby zwiększyć powierzchnię styku z wodą można zastosować wymyk podobny jak w superkondensatorze. Zwiększyć powierzchnię kontaktu. Zamiast Rurki o pustym przekroju można zastosować rurkę, która posiada wewnątrz polutowaną kratownicę o małej grubości, np. z drutu miedzianego 1mm2 co kilka cm. Wtedy nie tracąc na ciśnieniu zwiększylibyśmy styczność elementu grzejnego z wodą.
Teoretycznie taką kombinację można zastosować bez problemu także w czajnikach elektrycznych, podnosząc ich sprawność w typowych zastosowaniach o kilka procent. Szczególnie jednak ważne jest to, gdy nasza woda przepływa gwałtownie a styka się z elementem grzejnym, jedynie szorując po jego brzegach. Dzięki kratownicy wewnątrz, lutowanej specjalnym robotem, np. co 2-3cm lub uzyskiwanym jako odlew (cyna bezołowiowa musi być rzecz jasna, nawet z dużą ilością srebra), to wtedy wycisnęlibyśmy z takiej grzałki absolutne maksimum przy niewielkich stratach w ciśnieniu (co nie miałoby wpływu na typowe zastosowania).
Czajnik kolejnej generacji:
Proponowana szerokość skrzydełek 1.1-1.5mm
W przygotowaniu: wysokosprawny podgrzewacz bazujący na różnicy ciśnień z pompą obiegową. (przepływowy). Na bazie długiego czasu podgrzewania tej samej wody. (Method I - TIME)
Jeśli p IN = 3 x p OUT, to czynnik może trzy razy obiec grzałkę przed jej wylaniem – potrzebny mini zbiornik buforowy na wyjściu i elektrozawory.
dxer