thermosifonwerking

verwarming, isolatie, huiselijk energieverbruik

Moderator: Moderators

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 04 sep 2006, 01:10

Hierboven heeft ??n van mijn dochters, Miriam een foto van de besproken proefopstelling geplaatst.

Twee zoons simuleren de proef: met twee electrische verfafbranders van elk 2000 Watt werd destijds de volledige buis, waarrond zij staan, voortdurend opgewarmd. Alle buizen zijn de klassieke plastic waterafvoerbuis met een diameter van 40 mm. Bijna alle warmte werd door het systeem probleemloos verpompt. Ik schrijf: "bijna alle warmte", omdat in de getoonde opstelling, de buis die verhit wordt, ook warmte verliest aan de omgeving waardoor niet alle geproduceerde warmte in het water geraakt. (In de praktijk hoort die hele buis in de kachel te zitten). Ik denk aan te mogen nemen dat het getoonde systeem toch ongeveer 2000 Watt aan warmte absorbeerde en afgaf. Het systeem lijkt zelfs nog reserve te hebben om m??r warmte te verwerken: de verschiltemperatuur van het systeem met buiten bedroeg ongeveer 30 graden. De hogere buis aan de rechterkant is bovenaan open en kan afgesloten worden. Langs daar wordt het systeem bijna volledig met water gevuld. Er blijft wel voldoende open ruimte, zodat expansie van het opwarmende water mogelijk is.

Dirk

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 04 sep 2006, 02:35

mickenhans schreef:Wat warmtewisselaars betreft: Dirk schreef eens "hoe lager de stroming door een warmtewisselaar, hoe meer warmte-uitwisseling door de langere verblijftijd". Kan ik wel begrijpen, maar in de fabriek staan enkele warmtewisselaars van 10 Mw bij delta T van 20 graden, de uitwisseling was niet optimaal. De stroomsnelheid werd steeds lager gezet, met weinig resultaat. Ik heb, om iets te proberen, de stroomsnelheid verhoogd, met de gewenste warmte- overdracht. Volgens mij ontstaat er turbulente stroming, bij lagere snelheid blijft de stroming laminair. Verklaren kan ik het niet.


Hallo Hans,

Wat ik toen schreef, had te maken met een specifieke situatie: de finoven. Dat geldt niet voor warmtewisselaars in het algemeen.

Ik zal ??n en ander proberen uitleggen:

Een warmtewisselaar wordt effectiever bij hogere snelheden: dat is de algemene en juiste regel. Wanneer we, bijvoorbeeld, het water in een autoradiator sneller doen stromen, dan krijgt die radiator een iets groter koelvermogen. Hetzelfde gebeurt wanneer we de lucht sneller langs een radiator doen stromen. Wanneer de lucht trager langs de radiator stroomt, vermindert het koelvermogen.

In een finoven gebeurt echter iets, waar een warmtewisselaar uiteindelijk m??r baat bij heeft dan bij een verhoging van snelheid. Dat is een verhoging van temperatuur. Verhoging van temperatuur ontstaat door de natuurlijke neiging tot herschikking van de rookgassen volgens hun soortelijk gewicht (afhankelijk van hun temperatuur), toe te laten. Rookgasmoleculen die hun energie nog niet kwijtraakten, willen nog niet naar beneden, maar wel graag naar boven. Net zoals in een watertank het heetste water zich steeds een weg zoekt naar de bovenste regionen van de tank. Vooral door dit fenomeen verlaten de rookgassen een finoven zo koel. Wanneer de snelheid van de rookgassen in een finoven verhoogd wordt, worden de rookgassen heter. Hieruit blijkt dat de warmtewisseling in de finoven minder goed wordt bij hoge rookgassnelheden. Dat lijkt tegenstrijdig met de algemene gedachte, maar het vreemde resultaat is de uitkomst van een natuurkundig rekensommetje: het voordeel van de hogere temperatuur is groter dan het nadeel van de lagere snelheid. Slechts op die manier kan een warmtewisselaar in een finoven beter presteren met een lagere snelheid.

Dirk

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 04 sep 2006, 21:13

De foto maakt een heleboel duidelijk. Er is sprake van ??n stijgbuis en meerdere buizen voor de afkoeling en de retourstroom.

Het verbaast niet dat de warme stroom zich netjes verdeelt over de buizen. Het verwarmde water zoekt het hoogste punt op, het wordt door het koude water omhoog gedrukt omdat de warme kolom minder weegt.

Ik denk trouwens dat je best lang bezig bent tot zich een stationaire toestand instelt.

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 04 sep 2006, 21:44

mickenhans schreef:Kan ik wel begrijpen, maar in de fabriek staan enkele warmtewisselaars van 10 Mw bij delta T van 20 graden, de uitwisseling was niet optimaal. De stroomsnelheid werd steeds lager gezet, met weinig resultaat. Ik heb, om iets te proberen, de stroomsnelheid verhoogd, met de gewenste warmte- overdracht. Volgens mij ontstaat er turbulente stroming, bij lagere snelheid blijft de stroming laminair. Verklaren kan ik het niet.


Volgens mij heb je juist een uitstekende verklaring aangegeven. De overdracht van een tegenstroomwarmtewisselaar (stationaire toestand) wordt gegeven door:

P=U.A.Delta_T_ln met:

P het vermogen in W
U de warmte overdrachtsco?ffici?nt in W/m^2.K
A het oppervlak in m^2
Delta_T_ln het zogenaamde logaritmisch temperatuurverschil, in K

Vaak wordt gerekend met een constante voor U, maar deze warmteoverdrachtsco?ffici?nt is helemaal niet constant. Hij is sterk afhankelijk van de snelheid van het water langs de wand van de wisselaar. Hoe hoger de snelheid, hoe hoger ook U: de overdracht wordt steeds beter. En dat heeft inderdaad te maken met zaken als turbulentie. Door een speciaal profiel voor de platen van een warmtewisselaar te kiezen, wordt de snelheid locaal flink verhoogd en de uitwisseling van warmte verbeterd.
John

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 05 sep 2006, 00:54

John Doh schreef:De foto maakt een heleboel duidelijk. Er is sprake van ??n stijgbuis en meerdere buizen voor de afkoeling en de retourstroom.

Het verbaast niet dat de warme stroom zich netjes verdeelt over de buizen. Het verwarmde water zoekt het hoogste punt op, het wordt door het koude water omhoog gedrukt omdat de warme kolom minder weegt.


In zo'n raamwerk kan iedere willekeurige buis (of buizen) dienen als stijgbuis. Dat vind ik een interessante mogelijkheid. Onverwarmde buizen worden automatisch warmteafgevers. Dit is slechts een proefopstelling die ik gemaakt had, nadat anderen niet wilden geloven dat het systeem zou werken. In realiteit moet het raamwerk veel groter worden en een hele woning van warmte voorzien.

John Doh schreef:Ik denk trouwens dat je best lang bezig bent tot zich een stationaire toestand instelt.


Ik had de indruk dat de warmte onmiddelijk gedistribueerd werd. Er moet natuurlijk een relatief grote hoeveelheid water op temperatuur komen. Er konden wel een paar emmers water in het systeem. Die proeven gebeurden bijna 2 jaar geleden. Ik zou ze moeten overdoen om wat meer te kunnen meten. De verfafbranders waren wel onhandig als warmtebron. Ik denk dat ik beter eerst een electrische weerstand inbouw.

Dirk

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 05 sep 2006, 01:04

mark schreef:Fetze Tigchelaar heeft in frankrijk een finoven gebouwd in combinatie met een bestaande thermosifon cv installatie. Deze installatie was niet krachtig genoeg voor de winter en met de fin oven erbij wel. Maar de reden waarom de mensen deze cv installatie hadden was vanwege de stroom storingen. Want zonder pomp en stroom hadden ze toch wel wat warmte. Het gebouw was een oud klooster. In het dta forum staat hier geloof ik nog wel wat. Teminste als deze al niet is weg gegooid.


Het staat er nog:
http://www.de12ambachten.nl/cgi-bin/de1 ... l?read=934

Dirk

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 05 sep 2006, 01:39

John Doh schreef: De vraag is dan natuurlijk: hoe klein? Snel rekenen levert het volgende. Dichtheidsverschil tussen 20 en 90?C is ongeveer 33 kg/m3. Bij een opstelling van twee meter hoge kolommen (de ??n 90 en de andere 20?C) en een versnelling van 10 m/s2 kom ik op 660 kg x m / s2 / m2. Volgens mij zou dat 660 N/m2 of 660 Pa zijn?

0,66 kPa is niet veel: minder dan ??ntiende meter waterkolom of ??nhonderdste bar, als ik mij niet vergis. Als we de hydraulische weerstand van de buizen zouden kennen, konden we het debiet uitrekenen.


Formules en ingewikkelde berekeningen zijn (helaas) geen hobby van me, maar ik kom ook uit op 660 Pa.
Na wat zoeken op het internet vond ik een paar formules en door die toe te passen kom ik uit op ongeveer 1 meter per seconde voor de stroomsnelheid (in de stijgbuis). Daarmee kwam ik uit op een debiet van ruim 1 liter per seconde. Dat is een naar beneden afgerond resultaat, om wat rekening te houden met de wrijvingsweerstand. Ik denk die resultaten kunnen kloppen. Het komt ongeveer overeen met wat Hans met zijn debietmeter mat.

1 liter water per seconde (per actief opgewarmde buis) vind ik eigenlijk zeer behoorlijk. Met een dergelijk debiet zou men (per stijgbuis) ruim 4 kW aan vermogen kunnen vervoeren. Kan dat kloppen?

Dirk

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 05 sep 2006, 09:06

Dirk Bauwens schreef:Na wat zoeken op het internet vond ik een paar formules en door die toe te passen kom ik uit op ongeveer 1 meter per seconde voor de stroomsnelheid (in de stijgbuis). Daarmee kwam ik uit op een debiet van ruim 1 liter per seconde. Dat is een naar beneden afgerond resultaat, om wat rekening te houden met de wrijvingsweerstand. Ik denk die resultaten kunnen kloppen. Het komt ongeveer overeen met wat Hans met zijn debietmeter mat.

1 liter water per seconde (per actief opgewarmde buis) vind ik eigenlijk zeer behoorlijk. Met een dergelijk debiet zou men (per stijgbuis) ruim 4 kW aan vermogen kunnen vervoeren. Kan dat kloppen?


Ik vind 1 m/s erg veel. Dat is namelijk ongeveer de ontwerpsnelheid die in distributienetten wordt toegepast, als geluidsoverdracht een probleem kan zijn. Ik sluit niet uit dat je aardige snelheden kunt halen omdat het net heel kort is - de belangrijkste weerstand is de stijgbuis en die is een meter of vier. De andere buizen staan parallel, waardoor de weerstand veel kleiner is.

De formule voor het vermogen is: P = 4.18 kJ/kg.K . 1 kg/s . Delta_T
Vier kW haal je bij die massastroom dus op je sloffen, dat lukt al bij een Delta_T van 1?C. Doet mij opnieuw vermoeden dat die 1 m/s aan de hoge kant is.

De weerstandsberekening heb ik niet paraat, daarvoor moet ik in de oude computerbestanden duiken. Als ik tijd heb, kom ik daarop terug.
John

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 06 sep 2006, 16:32

John Doh schreef:Ik vind 1 m/s erg veel...


John,

Ik heb maar weinig ervaring met cv-systemen, maar bij het toepassen van een andere, en ik denk meer toepasbare formule: de wet van Hagen-Poiseuille, kom ik op een nog verschillende malen hogere stromingssnelheid uit!

In zekere zin redelijk logisch: het thermosifonsysteem is in wezen een soort warmte-kracht-koppeling. Een kracht, veroorzaakt door een temperatuursverschil, geeft aan een hoeveelheid massa, een welbepaalde versnelling, die pas ophoudt wanneer de weerstand gelijk is aan het opgewekte vermogen.

Ik moet toegeven dat het thermosifonsysteem me steeds meer gaat fascineren.

Dirk

pdkl
Berichten: 107
Lid geworden op: 22 feb 2006, 16:17

Bericht door pdkl » 06 sep 2006, 21:07

Nooit geweten dat het deze interessante discussie zou opleveren!!

Patrick

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 06 sep 2006, 22:23

Dirk Bauwens schreef:John,

Ik heb maar weinig ervaring met cv-systemen, maar bij het toepassen van een andere, en ik denk meer toepasbare formule: de wet van Hagen-Poiseuille, kom ik op een nog verschillende malen hogere stromingssnelheid uit!

In zekere zin redelijk logisch: het thermosifonsysteem is in wezen een soort warmte-kracht-koppeling. Een kracht, veroorzaakt door een temperatuursverschil, geeft aan een hoeveelheid massa, een welbepaalde versnelling, die pas ophoudt wanneer de weerstand gelijk is aan het opgewekte vermogen.

Ik moet toegeven dat het thermosifonsysteem me steeds meer gaat fascineren.


Op internet kun je diverse calculatoren vinden waarmee de weerstand van leidingen kan worden berekend. Ik heb nu deze gebruikt. Voor de grap heb ik jouw oorspronkelijke gok van 1 l/s ingevuld. Het blijkt dat de drukval over 4 meter PVC pijp van 40 mm volgens deze calculator 0,07 mWk is, ofwel 700 Pa. Die gok was dus zo gek nog niet. Ik vond het gevoelsmatig wat veel omdat 660 Pa maar erg weinig drukverschil is, maar het gaat hier dan ook over een heel kort netwerk.

De 8 m/s die met de wet van Hagen-Poiseuille wordt uitgerekend lijkt dus echt wel teveel van het goede, waarschijnlijk ben je deze wet buiten het geldigheidsgebied aan het toepassen. Men geeft dan bijvoorbeeld aan: geldig voor Re < 1000 of zo (getal van Reynolds). Ik heb dat wel ergens in de boeken staan, maar kan daar nu slecht bij. De heren Colebrook en White hebben een andere formule opgesteld die over een breder gebied bruikbaar is. De calculatoren op internet zijn waarschijnlijk op zo'n soort formule gebaseerd.
John

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 15 sep 2006, 15:25

John Doh schreef: Op internet kun je diverse calculatoren vinden waarmee de weerstand van leidingen kan worden berekend. Ik heb nu deze gebruikt. Voor de grap heb ik jouw oorspronkelijke gok van 1 l/s ingevuld. Het blijkt dat de drukval over 4 meter PVC pijp van 40 mm volgens deze calculator 0,07 mWk is, ofwel 700 Pa. Die gok was dus zo gek nog niet. Ik vond het gevoelsmatig wat veel omdat 660 Pa maar erg weinig drukverschil is, maar het gaat hier dan ook over een heel kort netwerk.

De 8 m/s die met de wet van Hagen-Poiseuille wordt uitgerekend lijkt dus echt wel teveel van het goede, waarschijnlijk ben je deze wet buiten het geldigheidsgebied aan het toepassen. Men geeft dan bijvoorbeeld aan: geldig voor Re < 1000 of zo (getal van Reynolds). Ik heb dat wel ergens in de boeken staan, maar kan daar nu slecht bij. De heren Colebrook en White hebben een andere formule opgesteld die over een breder gebied bruikbaar is. De calculatoren op internet zijn waarschijnlijk op zo'n soort formule gebaseerd.


John, bedankt. Ik ging er van uit dat dikkere buizen een steeds meer laminaire stroming zouden vertonen, voor een gelijk debiet. Maar dat is duidelijk niet zo.

Aan de andere kant denk ik niet dat men voor de thermosifonsystemen, waarin bijna alle buizen ook actieve warmtewisselaars zijn, de normaal gebruikte wetten kan aanhouden. De normale wetten gaan uit van eerder passieve buizen, die alleen maar weerstand bieden tegen stroming. De meeste wetten gaan uit van het feit dat de stromingssnelheid tegen de wand nul is. In een thermosifonsysteem, waar de buizen actief dienst doen als warmtewisselaar, is dit, denk ik, niet zo omdat juist tegen de wand energie wordt uitgewisseld. Mijn ervaring met mijn beperkt experimenteel systeem (dat uiteindelijk zeer beperkte warmtegeleidende eigenschappen had) doet vermoeden dat veel hogere vermogens dan 2000 Watt zouden kunnen uitgewisseld worden. Dat dacht je echter ook al.

Dirk

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 16 sep 2006, 10:47

Dirk Bauwens schreef:Aan de andere kant denk ik niet dat men voor de thermosifonsystemen, waarin bijna alle buizen ook actieve warmtewisselaars zijn, de normaal gebruikte wetten kan aanhouden. De normale wetten gaan uit van eerder passieve buizen, die alleen maar weerstand bieden tegen stroming. De meeste wetten gaan uit van het feit dat de stromingssnelheid tegen de wand nul is. In een thermosifonsysteem, waar de buizen actief dienst doen als warmtewisselaar, is dit, denk ik, niet zo omdat juist tegen de wand energie wordt uitgewisseld. Mijn ervaring met mijn beperkt experimenteel systeem (dat uiteindelijk zeer beperkte warmtegeleidende eigenschappen had) doet vermoeden dat veel hogere vermogens dan 2000 Watt zouden kunnen uitgewisseld worden. Dat dacht je echter ook al.


Interessant, je spreekt hier het vermoeden uit dat de uitwisseling van warmte effect zou kunnen hebben op het stromingsprofiel, met name dan dat de snelheid bij de wand niet nul is. Best mogelijk dat je daar gelijk in hebt, als je in detail gaat kijken. In wezen is hier sprake van vrije convectie in een cylinder, met de warmtestroom naar binnen daar waar de wand warmer is dan het water (ter plaatse van de verfbranders) en naar buiten waar het water warmer is dan de wand. (In de vertikale buizen werkt dat anders dan in de horizontale). Hoe dat precies uitwerkt zou je moeten meten.

Dat is dan ook de manier waarop de meeste stromingswetten tot stand zijn gekomen, het is vooral een empirische wetenschap. Ik denk echter wel dat we de zaak mogen vereenvoudigen (dichtheidsverschil als drijvende kracht, hydraulische weerstand van de buizen) om een idee te krijgen van de grootte van de 'transportcapaciteit'. Dat zal nog meer gelden voor een 'echte' CV-installatie op basis van thermosifon, omdat daar de functies van transport (de buizen) en warmteoverdracht (ketel en radiatoren) wat meer gescheiden zijn.
John

Dirk Bauwens
Berichten: 1301
Lid geworden op: 28 jan 2006, 23:52
Locatie: Sint-Niklaas, België

Bericht door Dirk Bauwens » 16 sep 2006, 19:30

John Doh schreef:...In wezen is hier sprake van vrije convectie in een cylinder, met de warmtestroom naar binnen daar waar de wand warmer is dan het water (ter plaatse van de verfbranders) en naar buiten waar het water warmer is dan de wand...

...Ik denk echter wel dat we de zaak mogen vereenvoudigen (dichtheidsverschil als drijvende kracht, hydraulische weerstand van de buizen) om een idee te krijgen van de grootte van de 'transportcapaciteit'. Dat zal nog meer gelden voor een 'echte' CV-installatie op basis van thermosifon, omdat daar de functies van transport (de buizen) en warmteoverdracht (ketel en radiatoren) wat meer gescheiden zijn.


Mijn 'echte' cv-installatie zou in hoofdzaak bestaan uit parallelle vertikale buizen, allemaal 'actief' over de volle lengte.
Wat de hydraulische weerstand van de buizen betreft: mag in dit geval niet geredeneerd worden met een 'negatieve' weerstand?

Dirk

John Doh
Berichten: 465
Lid geworden op: 30 jul 2006, 15:26

Bericht door John Doh » 17 sep 2006, 11:45

Dirk Bauwens schreef:Wat de hydraulische weerstand van de buizen betreft: mag in dit geval niet geredeneerd worden met een 'negatieve' weerstand?


Voor de gedeelten waar de boel opwarmt en afkoelt wellicht wel, maar of dat model ons veel vooruit helpt is de vraag. Ook in een sectie die drukverschil genereert, zal als gevolg van de flow die ontstaat ook weer weerstand optreden, die groter wordt als de flow toeneemt. Vandaar ook dat de flow niet blijft versnellen, maar dat zich een evenwicht instelt. Het verband tussen flow en weerstand is zelfs ongeveer kwadratisch.

Dat gebeurt ook in een pomp. Hoe meer flow de pomp genereert, hoe meer hydraulische weerstand er door de pomp zelf wordt opgeroepen. Deze weerstandscurve verloopt ongeveer kwadratisch, vandaar ook dat een pompkarakteristiek lijkt op een omgekeerde parabool. Het is de optelsom van een 'negatieve' weerstand (de drijvende kracht, als gevolg van de waaier die water naar buiten slingert) en de hydraulische weerstand van de pomp zelf. Op zeker moment wordt die weerstand z? groot, dat er netto geen opvoerhoogte meer overblijft. Kortsluiting.
John

Plaats reactie