Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

MECwoning

Hallo wetenschappers,

Ik ben op zoek naar de berekening van de warmte overdracht van een spiraal warmtewisselaar.

Een grote bak (200x100x80cm) wordt aan de voor/bovenzijde gevuld met water van 18°C. Op het moment van warmtevraag is de volumestroom 1,3 M3/h.
Dit water loopt er weer aan de achter/bovenzijde van de bak eruit. In de bak (in het water) wil ik een koperen spiraal plaatsen waardoor (tegenstrooms) een ander circuit loopt met een volumestroom van 1,1 M3/h. Aanvoer water in de spiraal is 5°C en dient opgewarmd te worden tot 15°C.
De spiraal heeft een diameter van rond 28mm en een wanddikte van 1,5mm.
Mijn vraag: hoeveel m1 koperen buis van 28mm (in de vorm van een spiraal) heb ik nodig om dit te bereiken?

Ik zou het geweldig vinden als iemand mij hierbij kan helpen.
Alvast hartelijk dank voor uw moeite.

Vriendelijke groet,

Herman.

Pinokkio

een volumestroom van 1,1 M3/h. Aanvoer water in de spiraal is 5°C en dient opgewarmd te worden tot 15°C.

Om 1,1 m³/h (0,305 kg/s) water op te warmen van 5 naar 15 ^oC vergt een vermogen van
0,305 * 4,19 * (15 - 5) = 12,8 kW.
Dat zijn flink wat straalkacheltjes.

wordt aan de voor/bovenzijde gevuld met water van 18°C. Op het moment van warmtevraag is de volumestroom 1,3 M3/h.
Dit water loopt er weer aan de achter/bovenzijde van de bak eruit.

Als die 12,8 kW daadwerkelijk onttrokken zou worden aan 1,3 m³/h water van 18 ^oC dan zou die waterstroom in z'n geheel af moeten koelen naar 9,5 ^oC.
Dus als die bak met spiraal werkelijk zou doen wat jij ervan verwacht zou het water met een temperatuur van 9,5 ^oC aan de achter/bovenzijde van de bak eruit stromen.

De watersnelheid in de bak met breedte en hoogte van 100 en 80 cm zal echter slechts ongeveer 0,00045 m/s zijn, als het water gelijkmatig door de bak zou stromen. Dat is een verschrikkelijk lage snelheid langs de spiraal, en geeft dus een slechte warmteoverdrachtscoefficient.
Maar bovendien zou het meeste water wat door de bak stroomt niet eens merken dat er een spiraal in de bak zit, en er dus ook geen warmte aan overdragen.
Ach ja, en bovendien zijn de invoer en afvoer beiden aan de bovenzijde van de bak, dus dat maakt het nog erger: waarschijnlijk stroomt het warme water gewoon over de bovenzijde van de bak van inlaat naar uitlaat en zal nauwelijks warmte overdragen naar de spiraal.
Deze opzet gaat het koude water in de spiraal dus niet voldoende opwarmen, want het lukt zo nooit om al het warme water tot 9,5 ^oC af te koelen, ongeacht hoe lang je de spiraal maakt.

Ik begrijp uit je PB dat dit een betonnen bak in de grond is. Is er een goede reden dat dit zo gepland is?

MECwoning

Bedankt voor uw reactie Pinokkio,

U heeft mij een aantal puzzelstukjes toegereikt om mijn vraag te completeren. Dat is me nog niet gelukt maar het gaat de goede kant op.
Inderdaad warm water is lichter dan koud water. Het spiraal (koper of iets anders) dient dus bovenin geplaatst te worden. Ik bedacht wanneer ik de spiraal van kunststof maak met ribbels aan de binnenzijde dan wervelt het water door de slang en neemt meer warmte af van de buitenwand die bovenin in het water van de bak ligt. Het afgekoelde water in de bak zakt en wordt onderin afgezogen. Ik ga op zoek naar een slang die als spiraal kan functioneren.
De betonbak wil ik in de grond plaatsen. Dit neemt in een woning geen ruimte in beslag. "s Winters zal het water in de bak iets afkoelen door de omliggende grond. Daarom misschien isolatie eromheen.
Mocht u nog een puzzelstukje voor me hebben dan zie ik dat graag d.m.v. uw reactie tegemoet.
P.s. mijn genoemde temperaturen en debieten zijn nog theoretisch.

Pinokkio

Het spiraal (koper of iets anders) dient dus bovenin geplaatst te worden.

Dat helpt nauwelijks. Zoals ik al eerder probeerde duidelijk te maken: de stroomsnelheid in die bak is zo verschrikkelijk laag dat de warmteoverdrachtscoefficient ook erg laag zal zijn. Het water in de bak staat immers bijna stil.
Om het gewenste vermogen van 12,8 kW over te dragen moet de stroming in de bak afkoelen van 18 naar 9,5 ^oC, terwijl het water in de spriraal in tegenovergestelde richting opwarmt van 5 naar 15 ^oC. Het temperatuursverschil (drijvende kracht) tussen warm en koud water is dan slechts ongeveer 4 graden over de gehele lengte. Maar omdat het water in de bak bijna stil staat loop je het risico dat door terugmenging (backmixing) het temperatuursprofiel in de bak niet lineair van 19 ^oC inlaat naar 9,5 ^oC uitlaat loopt, en er dus niets terecht komt van dat gewenste temperatuursverschil van 4 graden.

Ik bedacht wanneer ik de spiraal van kunststof maak met ribbels aan de binnenzijde dan wervelt het water door de slang en neemt meer warmte af van de buitenwand die bovenin in het water van de bak ligt.

Ribbels aan de binnenzijde helpen niets, want het probleem is de lage warmteoverdracht (hoge warmteweerstand) aan de buitenzijde. Overigens geleidt kunststof de warmte slechter dan metaal, dus dat geeft nog eens extra warmteweerstand en draagt nog eens extra bij aan de lage U-waarde.

Vergeet die grote betonnen bak. Om met een spiraal te werken moet je die spiraal tussen twee concentrische buizen plaatsen waarbij het koude water (laagste debiet) door de spiraal stroomt en het warme water (grootste debiet) in de ringvormige opening tussen de twee buizen om de spiraal heen stroomt. Alleen zo kun je voldoende watersnelheid langs de buitenzijde van de spiraal creëren om een redelijke U-waarde te verkrijgen en backmixing voorkomen.
Maar ook dan zul je een forse lengte van 28 mm koperleiding nodig hebben voor 12,8 kW, ik schat in de orde van 150 - 200 meter,
met een gewicht in de orde van 200 - 250 kg.
Met een kleinere diameter koperen leiding zul je wat meer lengte, maar minder gewicht nodig hebben.
Met een kunstofleiding heb je nog veel meer lengte nodig, maar wel veel minder gewicht.

Overigens heeft dit soort ontwerp een drukval over beide zijden (warm en koud), dus je hebt drijvende kracht in een of andere vorm nodig.

MECwoning

Bedankt voor uw snelle en duidelijke reactie,

Fijn dat u een kenner bent. Zoals u bemerkte ben ik soms wat eigenwijs maar ik ben nu wel overtuigd dat de betonnen bak er niet komt.
U heeft me uit de bak geholpen. Gezien uw inschatting voor benodigd koper is de platen warmte wisselaar toch een betere oplossing, en goedkoper.
Maar het was de moeite waard om het uit te zoeken.
Tot mails?

Herman.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

Re: Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

Re: Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

Re: Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?

Re: Berekenen van een spiraal warmtewisselaar?