Bezstykowy pomiar temperatury przy użyciu pirometru na podczerwień. Ciepłe żeberka

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa

Zapewne w każdym budynku znajdują się różnego rodzaju elementy grzejne – składowe instalacji c.o. Ich najważniejszym zadaniem jest przekazywanie ciepła do otoczenia. Coraz częściej pełnią również funkcję dekoracyjną, design wkroczył już na stałe do branży ogrzewnictwa, co potwierdzają interesujące wzory grzejników oferowanych przez wielu producentów.

Wymiana ciepła polega głównie na dwóch zjawiskach: promieniowaniu (wyróżnić można: taśmy promieniujące, elementy grzejne płaszczyznowe – podłogowe, sufitowe i ścienne) i konwekcji (grzejniki: członowe, płytowe i rurowe) [1]. Wykonywane są one z różnych materiałów, dawniej królowało żeliwo i stal, jednakże od pewnego czasu aluminium wyszło na prowadzenie z racji bardzo dobrych parametrów mechaniczno-fizycznych. Metal ten bierze również czynny udział przy wykonywaniu wielowarstwowych rur służących np. do tworzenia ogrzewania podłogowego lub sieci instalacji c.o.

Istotnym czynnikiem umożliwiającym odpowiednią pracę grzejnika jest jego podłączenie. Niewłaściwe podejście do tego tematu (np. odwrotne przyłączenie zasilania i powrotu) może spowodować utratę mocy w porównaniu z nominalnymi wartościami. Najczęstsze sposoby zamontowania grzejników do instalacji centralnego ogrzewania to połączenia: boczne, krzyżowe i dolne.

W wielu przypadkach konstrukcja grzejnika (umiejscowienie przyłączy) decyduje o możliwościach jego podłączenia, dlatego przed zakupem, a także przed rozpoczęciem prac związanych z instalacją c.o., warto zastanowić się, jaki rodzaj elementu grzejnego będzie najkorzystniejszy w konkretnym miejscu.

Według [1] grzejniki posiadające długość, która przekracza 2000 mm, lub te, których stosunek długości do wysokości jest większy niż 4, powinny być połączone krzyżowo. Takie rozwiązanie pozwoli na dużo korzystniejsze nagrzewanie poszczególnych stref grzejnych.

W celu określenia różnic rozchodzenia się ciepła na powierzchni elementów grzejnych dokonano analizy temperatur czterech grzejników, które pogrupowano w pary i porównano ze sobą.

Wszystkie z nich są produktami jednego producenta (należą także do tego samego typu), mają taki sam kształt, a różnią się tylko ilością żeberek (szerokością) i wysokością.

Grzejniki znajdowały się w pomieszczeniach o takiej samej kubaturze. Podczas przeprowadzania pomiarów wewnątrz panowała temperatura 22°C, a na zewnątrz -3°C. Pomiędzy ścianą, a elementami grzejnymi były przyklejone maty styropianowe pokryte folią aluminiową, zastosowane w celu ograniczenia strat ciepła.

Pomiarów dokonano w sposób bezdotykowy za pomocą pirometru na podczerwień. Urządzenie te pozwala określić temperaturę danego ciała dzięki promieniowaniu temperaturowym. Zakres długości fal podczas tego typu badań waha się w przedziale od ok. 0,4 do 20 μm, zatem znajdują się one w zakresie promieniowania widzialnego i podczerwonego [2].

Każde żeberko było mierzone w dwóch miejscach. Pierwsze z nich znajdowało się na przedniej ścianie u góry (linia zasilania – to tam uzyskano najwyższą temperaturę), drugie natomiast wyznaczono w osi przewodu powrotnego – tzw. oś powrotu (czyli 35 mm od spodu, patrząc od frontu).

Aby maksymalnie ograniczyć możliwość popełnienia błędów pomiarowych, wykonano kilka czynności przygotowujących, m.in.:

* wniesiono pirometr do pomieszczenia, żeby posiadał temperaturę otoczenia,

* naklejono w poszczególnych miejscach badania czarną taśmę izolacyjną (grzejniki są pomalowane na biało z wysokim połyskiem) – zalecenie producenta przy tego typu powierzchniach,

* nastawiono właściwy poziom emisyjności – dokonano tego, używając dodatkowo czujnika drutowego temperatury (typ K), umożliwiającego analizę temperatury metodą stykową; równoczesny pomiar (stykowy i bezstykowy) pozwala na wyznaczenie właściwej wartości emisyjności, którą należy wprowadzić do parametrów urządzenia.

Nie bez znaczenia była również temperatura czynnika roboczego, znajdującego się w instalacji centralnego ogrzewania. Jej zmiany podczas dokonywania pomiarów mogłyby zniekształcić ogólny obraz mapy (siatki pomiarowej), a tym samym wprowadzić w błąd.

Początek badań

Na początku zmierzono i zanotowano ciepłotę grzejnika. Pomiar rozpoczęto od zasilania do końca (pierwsza linia), później pomierzono zejście na powrót (druga linia pomiarowa). Należy jednak wspomnieć, iż po każdej serii pomiarów sprawdzono, czy nie zmieniły się wartości temperatur na zasilaniu (dopuszczono odchyłkę do 0,2°C, większe spowodowały anulowanie wykonanej próby). Jeśli przekroczyła wspomnianą liczbę, konieczne było przerwanie badań do czasu ustabilizowania się warunków pracy i powtarzanie ich aż do skutku. W celu uzyskania wiarygodnych wartości dokonano trzech serii pomiarów każdego grzejnika w odstępach 5-minutowych, po czym wyciągnięto średnie.

Badane elementy grzejne zbudowane są z aluminium i składają się z 20 żeberek o gabarytach: głębokość 95 mm, szerokość ok. 76 mm, wysokość 580 mm. Objętość jednego żeberka to ok. 0,5 l – całość 10 l.

Poszczególne dane umieszczono w tabelach przedstawiających ogólny zarys grzejników – różniących się sposobem podłączenia (rys. 1 i 2).

Rys. 1. Grzejnik  o długości 1600 mm podłączony krzyżowo; Z- zasilanie, P- powrót, R- różnica pomiędzy zasilaniem i powrotem. Wszystkie wartości podano w [°C]; różnica linii zasilania 1,9°C; różnica linii powrotu 3,7°C; średnia temp. zasilania 47,9°C; średnia temp. powrotu 27,0°C; różnica pomiędzy średnimi zasilania i powrotu 20,9°C.

Rys. 2. grzejnik o długości 1600 mm z podłączeniem bocznym: Z- zasilanie, P- powrót, R- różnica pomiędzy zasilaniem i powrotem. Wszystkie wartości podano w [°C]; różnica linii zasilania 2,9°C; różnica linii powrotu 2,1°C; średnia temp. zasilania 46,8°C; średnia temp. powrotu 27,5°C; różnica pomiędzy średnimi powrotu i zasilania 19,3°C.

Z wykresów tych można odczytać, iż umiejscowienie powrotu w grzejniku ma istotne znaczenie, jeśli chodzi o rozchodzenie się ciepła. Poszczególne wartości temperaturowe w przypadku rozwiązania bocznego ukazują odwrotną sytuację niż w podłączeniu krzyżowym. Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że czynnik grzewczy wpływający poprzez przyłącze zasilania w największej ilości dopływa do końca grzejnika (największy przekrój przewodu), po czym jest zmuszony spłynąć w dół na linię powrotu. Wydaje się, że można by uzyskać zbliżoną temperaturę na całej linii zasilania (lub powrotu), gdyby zastosowano system polegający na zmianie przekrojów otworów w poszczególnych żeberkach zarówno w kanałach osi poziomej, jak i pionowej. Jest to jednak tylko przypuszczenie, które wymagałoby dokładnych analiz i przeprowadzenia doświadczeń.

Porównując obydwa systemy, widać, że przy wspomnianych gabarytach otrzymane wyniki są porównywalne – przy minimalnej przewadze podłączenia bocznego (małe wychłodzenie). Różnica temperatur pomiędzy górną okolicą grzejnika a linią powrotu z przyłączem krzyżowym plasuje się pomiędzy 18,4 ÷ 24,0°C, w bocznym natomiast 16,7 ÷ 21,7°C.

Kolejnym krokiem było dokonanie pomiarów ciepłoty elementu grzejnego zbudowanego z pięciu aluminiowych żeberek, różniących się wysokością. Wyniki ukazano na rys. 3.

Rys. 3. Porównanie grzejników różniących się wysokością: a) 870 mm; różnica linii zasilania 0,7°C; różnica linii powrotu 0,4°C; średnia temp. zasilania 46,9°C; średnia temp. powrotu 27,6°C; różnica pomiędzy średnimi 19,3°C; b) 580 mm; różnica linii zasilania 0,3°C; różnica linii powrotu 0,8°C, średnia temp. zasilania 45,8°C; średnia temp. powrotu 27,2°C; różnica pomiędzy średnimi  18,6°C; Z- zasilanie, P- powrót, R- różnica pomiędzy zasilaniem i powrotem. Wszystkie wartości podano w [°C].

Analiza pomiaru temperatur wykazała, iż drastyczna zmiana wysokości grzejnika (w tym przypadku 190 mm, przy 5 żeberkach) nie ma wpływu na uzyskane wartości temperatury na linii powrotu, oraz wtedy, gdy chodzi o różnice pomiędzy zasilaniem a powrotem. Można jednak stwierdzić, że minimalną przewagę zyskuje element grzejny a), ponieważ pomimo zwiększonych rozmiarów (o ponad 30%) wykazuje porównywalne osiągi do grzejnika b); brak jest znacznego wychłodzenia czynnika roboczego w dolnej strefie.

Wnioski

Łącznie przeprowadzono pomiary 10 grzejników. Analizując poszczególne temperatury na powyższych rysunkach, można znaleźć miejsca, gdzie wartości nie zmieniały się prostoliniowo, tylko zachowywały się wbrew logice. W jednym przypadku (nieopisanym w artykule) różnice na poszczególnych żeberkach wahały się nawet o 0,9 ÷ 1,1°C; takie wyniki spowodowały całkowite wykluczenie tego elementu grzejnego z dalszych analiz. W badaniu pominięto kwestię związaną z procesem produkcyjnym grzejników, czyli z tym, że niektóre panele mogą się minimalnie różnić powłoką lakierniczą czy pod względem wymiarowym (także grubością ścianek). Czynniki te mogą zniekształcać obraz mapy pomiarowej.

Reasumując, sposób podłączenia grzejników do instalacji c.o. ma bardzo istotne znaczenie, jeśli chodzi o uzyskanie najkorzystniejszych temperatur (największej mocy znamionowej). Badanie uwidacznia, iż różnice wartości pomiędzy linią zasilającą a linią powrotu plasują się w okolicy 20°C niezależnie od wysokości elementu grzejnego. Przeprowadzone pomiary pozwoliły na przedstawienie stref rozchodzenia się ciepła, a tym samym ukazały zależności pomiędzy przyłączem zasilania i powrotu.

Paweł Wilk

Literatura:

[1] B. Babiarz, W. Szymański, „Ogrzewnictwo”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2010.

[2] L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski, „Termometria Przyrządy i pomiary”, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1998.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij