Getting into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

Den mest synlige del af et varmtvandssystem er vandtanken. Standardtanke, der er egnede til varmtvandsopvarmningssystemer, fås i forskellige størrelser, kapaciteter og vægtykkelser. Underjordiske tanke har tykkere vægge end den overjordiske variant, hvilket gør dem meget bedre egnet til svejsning. Hvis man har valget, er det bedre at bruge en kort tank med stor diameter end en lang, tynd tank, fordi en kortere tank har mindre overfladeareal, hvilket reducerer varmetabet og omkostningerne til isolering. Tabel 3 viser dimensioner og kapaciteter for en lang række standardtanke til oplagring af olieprodukter.

Selv om det er bedst at bruge en ny tank, er mange vellykkede systemer blevet bygget med brugte tanke. Brugte olielagertanke kan ofte fås for en simpel pris. Hvis du beslutter dig for at prøve en brugt tank, skal du inspicere den grundigt for huller eller tynde pletter. Spørg også, hvilken væske der har været opbevaret i tanken. Forsigtig: Svejse eller skære aldrig på en tank, som du har mistanke om, at den har indeholdt brændbart materiale, medmindre den er grundigt rengjort og ventileret. En metode til at fjerne olie- eller benzinrester fra en stor tank er at blande ca. 2 pund rengøringsmiddel pr. 1.000 gallon kapacitet med nok vand til at opløse det og hælde denne opløsning i tanken. Fyld derefter tanken helt op med vand, og lad den stå i flere dage, før den tømmes og begynder at arbejde på den.

Varmeopbevaringskapacitet

Som nævnt i et tidligere afsnit er et mål for et systems kapacitet dets varmeopbevaringskapacitet. Vand er et af de billigste og lettest flyttede og kontrollerede stoffer. Det er også et af de bedste kendte varmelagringsmedier. Vand kan lagre fire eller fem gange så meget varme som sten, op til ti gange så meget som de fleste metaller og ca. fire gange så meget som luft pr. vægtenhed. Dets eneste ulempe er, at det ikke kan lagre varme ved temperaturer over 212°F, medmindre det er under tryk. Dette begrænser dets anvendelighed til anvendelser ved høje temperaturer. Til rumopvarmning i drivhuse og andre anvendelser inden for landbrug, handel og boliger er denne begrænsning dog normalt ikke et problem.

En British Thermal Unit (BTU) er pr. definition den mængde varme, der kræves for at hæve temperaturen på 1 pund vand med 1°F. En gallon vand vejer ca. 8,3 pund, så den varmeenergi, der kræves for at hæve temperaturen på en gallon til 100°F, er:

8,3 pund x 100°F = 830 BTU

Til sammenligning ville det kun kræve ca. 166 BTU at hæve temperaturen på 8,3 pund grus til 100°F.

Som tidligere nævnt kan vand ikke opvarmes til over 212°F ved atmosfærisk tryk. Denne temperatur bestemmer den øvre grænse for den varmemængde, som trykløst vand kan lagre. Den nedre grænse er fastsat af den ønskede belastningstemperatur. Hvis et drivhus f.eks. skal holdes ved 65°F, er denne temperatur den nedre grænse. Forskellen mellem den øvre og den nedre grænse,

212°F – 65°F = 147°F

angiver, hvor meget brugbar varme et givet vandvolumen kan rumme.

Det er faktisk ikke praktisk muligt at trække opbevaringstemperaturen ned til den nedre grænse. Varmeoverførselshastigheden til lasten (f.eks. fra radiatorer til luften i et drivhus) reduceres kraftigt, efterhånden som temperaturen på det opvarmede indgående vand nærmer sig lastenes lufttemperatur. Derfor er det ønskeligt at holde den nedre vandlagertemperatur mindst 35°F over den ønskede belastningstemperatur. I det foregående eksempel ville den nederste grænsetemperatur derfor være 100°F, og temperaturforskellen ville ikke være 147°F, men

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Dermed er vandets opbevaringstemperaturområde begrænset til 112°F. Med disse oplysninger som rettesnor kan vi nu bestemme, hvor meget lagerkapacitet der er behov for:

Hvis den ønskede varmebelastning bestemmes til 200.000 BTU pr. time, og det ønskes at have 6 timers varme til rådighed, efter at ilden er slukket, skal vandmængden være tilstrækkelig til at lagre:

200.000 BTU/time x 6 timer = 1.200.000 BTU

Hævning af et pund vand med 1°F kræver 1 BTU. Hvert pund vand kan kun lagre 112 BTU. Derfor er den nødvendige mængde vand:

1.200.000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10.714 lb

Da vand vejer 8,3 pund pr. gallon, er 10.714 pund vand lig med 1.291 gallon.

I praksis overstiger den maksimale vandtemperatur sjældent 200°F; derfor er der behov for en lagerkapacitet, der er lidt større end 1.291 gallon.

Disse beregninger forudsætter, at der ikke går varme tabt fra tanken eller fra de rør, der fører vandet til og fra lasten. Disse tab kan være betydelige, afhængigt af hvor godt rørene er isoleret, afstanden fra tanken til belastningen og udetemperaturen.

Det er en meget god idé at installere et termometer i tankens udløbsledning. Det vil give en nøjagtig indikation af vandtemperaturen inde i tanken. Et fald i vandtemperaturen på mere end 20°F i timen er en god indikation af, at vandtanken er for lille, da formålet med et varmtvandssystem er at tilvejebringe en konstant varmekilde, uden at det er nødvendigt at tænde for ilden konstant.

Det er også en god idé at installere et termometer i ledningerne på begge sider af belastningen – f.eks. på ind- og udløbsledningerne til radiatoren eller radiatorrækken. Dette gør det muligt at fastslå ikke blot, hvor meget energi der går tabt mellem tanken og belastningen, men også hvor effektivt radiatorerne trækker varme ud af vandet.

For at få et optimalt systemdesign skal lagerkapaciteten baseres på den maksimale nominelle brænderydelse, den ønskede varmebelastning og den maksimale tid, der ønskes mellem brændstofpåfyldninger. Den følgende diskussion illustrerer, hvordan disse tre faktorer spiller sammen.

Sæt, som i eksemplet ovenfor, at den krævede gennemsnitlige varmebelastning er 200.000 BTU i timen. Det betyder, at der i en typisk driftstime er behov for 200 000 BTU varme i løbet af en typisk driftstime. Det er sandsynligt, at den nødvendige varmemængde midt i en meget kold nat vil overstige dette beløb. Men for at have tilstrækkelig varme til rådighed skal brænderkapaciteten mindst svare til den gennemsnitlige belastning plus tabene. Ud fra et praktisk synspunkt er det tilrådeligt, at brænderen er dimensioneret til halvanden til to gange den gennemsnitlige varmebelastning. En større brænder kan producere varme til lagring såvel som til umiddelbar brug på tidspunkter, hvor belastningen er gennemsnitlig.

Ud over den energi, der er lagret i det varme vand (tanklagring), er det også muligt at lagre varmeenergi i systemet i form af uforbrændt træ. Dette kaldes brændekammerlagring. I forventning om en meget kold nat kan en drivhusoperatør fyre op i systemet i løbet af dagen for gradvist at hæve vandtemperaturen tæt på 212°F. Selv om vandet allerede holder tæt på sin maksimale varmemængde, fylder driftslederen måske igen brændkammeret, lige inden han går ud for natten. Dette ekstra brændsel tilføjer energi til systemet. Det brændende brændsel kan lige erstatte den udgående varme og dermed opretholde den høje vandtemperatur. Hvis det ekstra brændsel tilføjer for meget varme for hurtigt, vil vandet i tanken imidlertid koge, og energien vil blive spildt som damp.

Det er usandsynligt, at et varmtvandssystem under den faktiske drift vil blive udsat for meget store udsving i belastningen. Det vil med andre ord ikke være påkrævet at producere den maksimale effekt den ene time og ingen den næste. Snarere sker der normalt gradvise stigninger og fald i løbet af dagen, efterhånden som udetemperaturen og mange andre faktorer ændrer sig. På den anden side er den varme, der tilføres systemet fra ildstedet, normalt ret sporadisk, afhængigt af hvor meget og hvor ofte der tilføres brændsel. Værdien af et varmtvandssystem er delvis baseret på dets evne til at lagre varmeenergi hurtigt, men afgive den langsomt og med kontrolleret hastighed.

Hvis brænderen producerer mere varme, end systemet bruger, vil den ekstra varme blive lagret, forudsat at lagerkapaciteten ikke er overskredet. Overskridelse af lagerkapaciteten får vandet til at koge. Når det sker, passerer den overskydende producerede varme ud af systemet i form af damp. Den energi, der var nødvendig for at koge vandet, er simpelthen spildt. Hyppig kogning i et varmtvandssystem er tegn på, at brænderen er for stor, at der fyres for ofte, eller at systemets varmeopbevaringskapacitet er for lille.

Hvis varmeopbevaringskapaciteten er utilstrækkelig, er en løsning at tilføje endnu en beholder. En tandem-tank placeres normalt så tæt på hovedtanken som muligt og forbindes med et ind- og udgangsrør og en pumpe (figur 3). På denne måde kan lagerkapaciteten ganske let øges uden at forstyrre resten af systemet. Der skal altid løbende pumpes vand mellem de to tanke for at sikre en ensartet fordeling af varmen. Dette kan gøres ved at tilføje en ekstra pumpe eller ved at bruge en del af strømmen fra en eksisterende pumpe, hvis den har overskydende kapacitet.

Varmvandssystemer er ikke dampsystemer; det vil sige, at der aldrig er noget andet tryk i systemet end det, der produceres af pumperne. Varmtvandsbeholderen skal være udluftet for at forhindre, at der opbygges tryk, når vandet opvarmes og udvider sig eller bliver til damp. En uventileret lagertank er yderst farlig. Der kræves mindst to udluftningsventiler på toppen af tanken. Endnu bedre er det, at mandehullet, der normalt skæres ind i toppen af tanken under konstruktionen, kan stå åbent, men dækkes med et stykke metalplade.

Isolering

Det er nødvendigt at isolere tanken og alle rør for at forhindre, at varmen slipper ud. Til udendørs tanke er påsprøjtet polyurethanisolering egnet, især hvis den er malet og beskyttet mod direkte udsættelse for ild og sollys. En belægning med en tykkelse på 1 tomme, der giver en R-7-isolering, koster ca. 1 USD pr. kvadratfod. For eksempel vil isoleringen af en 2.000 gallon-tank med en diameter på 64 tommer og en længde på 12 fod koste ca. 250 dollars. Tabel 4 viser den anslåede isoleringsværdi af forskellige tykkelser af polyurethan på tanke.

Denne tabel viser, at omkostningerne ved at anvende et minimum af isolering nemt kan retfærdiggøres af besparelserne i energiomkostningerne. De ekstra omkostninger ved isolering med en tykkelse på mere end 1⁄2 tomme er imidlertid vanskelige at retfærdiggøre.

Et alternativ er at placere systemet under et shed-type tag, hvor det kan isoleres med relativt billige glasfiberbatts. Glasfiberen, som kan have en aluminiumsfolie som bagside, kan holdes på plads med et stortmasket hønsetråd. Udgifterne til skuret, isolering, folie, tråd og arbejdskraft kan være højere end ved påsprøjtet polyurethanisolering, men denne type isolering vil sandsynligvis holde meget længere og give en bedre R-værdi.

Rustforebyggelse

Det er tilrådeligt at anvende en eller anden form for rustforebyggende foranstaltninger for at beskytte tankens og rørenes indre mod korrosion. Der findes en række kommercielle kemikalier, der er beregnet til brug primært i kedler med høj temperatur. Nogle af disse vil være ret dyre at købe i den mængde, der er nødvendig for at beskytte et varmtvandssystem af moderat størrelse.

En metode, der har vist sig at være tilstrækkelig i varmtvandssystemer, er at tilsætte visse relativt billige kemikalier for at hæve vandets pH-værdi. Blandt disse er kaliumkarbonat, natriumkarbonat (vaskesodavand) og natriumhexa-metafosfat (Calgon). Disse kemikalier forhindrer korrosion ved at belægge metallvæggene i systemerne. Af de ovennævnte kemikalier virker Calgon bedst. Det kan købes i de fleste dagligvarebutikker. Brug 5 pund for hver 1.000 gallon vand. Under normale forhold vil ingen af disse kemikalier blive nedbrudt, og de vil derfor forblive aktive i systemet i lang tid.

Fyrrør

Og selv om en del varme passerer til vandet gennem brændkammerets vægge, går den vigtigste vej for varme fra ilden til vandet gennem fyrrørene. De fleste systemer er konstrueret således, at de varme gasser, der afgives af ilden, passerer gennem en række brandrør, der løber fra den ene ende af lagertanken til den anden. I mange systemer passerer gasserne gennem tanken mere end én gang.

Det er meget vigtigt, at antallet og størrelsen af brandrørene er tilstrækkeligt til, at det meste af varmen overføres fra de varme gasser til vandet, inden gasserne slipper ud. Som tommelfingerregel kræves der ca. 1 kvadratfod varmeudvekslingsareal for hver 2.000 BTU nominel ydelse. Hvis et system f.eks. er dimensioneret til at producere 200.000 BTU i timen, er der behov for ca. 100 kvadratfod varmevekslingsareal. Dette areal kan omfatte både den vandkølede overflade af brændkammeret og selve brandrørene. Begge disse arealer kaldes ofte for ildoverfladen.

Den udvendige diameter på ildrørene anvendes til at beregne arealet. Tabel 5 indeholder en liste over flere almindeligt anvendte størrelser af standardrør sammen med deres faktiske udvendige diameter og det antal løbende fødder, der kræves for at give 1 kvadratfod overfladeareal.

Den rigtige størrelse af det rør, der skal anvendes, afhænger af en række faktorer. I eksempelsystemet med en kapacitet på 200.000 BTU pr. time er der behov for 100 kvadratfod varmeudvekslingsområde. Ud fra tabel 1 er det anbefalede volumen af brændkammeret 9 kubikfod. En passende brændkammer med dette volumen ville være en brændkammer, der er 11⁄2 fod lang, 2 fod bred og 3 fod høj. Overfladearealet af denne brændkammer er 27 kvadratfod (inklusive den vandkølede dør). Derfor vil brændkammeret give 27 kvadratfod af de nødvendige 100 kvadratfod. Ildrørene skal levere de øvrige 73 kvadratfod.

For at finde den rørlængde med en given diameter, der er nødvendig for at give det ønskede overfladeareal, skal tallene i tredje kolonne i tabel 5 ganges med hinanden. Hvis du f.eks. vælger 11⁄2-tommers rør, skal du gange 73 løbende fod med 2,01:

73 ft x 2,01 ft/sq ft = 146,72 ft

Der kræves ca. 147 løbende fod 11⁄2-tommers rør for at få 73 kvadratfod varmeudvekslingsareal. Hvis du på den anden side bruger 3-tommers rør, har du kun brug for ca. 80 fod:

73 ft x 1,09 ft/kvadratfod = 79,73 ft

Hvilken størrelse er bedst? Rent omkostningsmæssigt er der ikke stor forskel på 147 fod 11⁄2-tommers rør og 80 fod 3-tommers rør. Det er dog meget nemmere at svejse det større rør. Det vil også være nødvendigt at rense rørets inderside fra tid til anden for at fjerne aske, sod og andre aflejringer. Det er lettere at rengøre en kortere længde af et større rør. Det større antal mindre rør vil dog være noget mere effektivt i varmeoverførslen. Erfaringen har vist, at 2- til 3-tommers rør fungerer bedst i det hele taget.

Aflejringer af aske i ildrørene vil i høj grad reducere varmeoverførselshastigheden. Det er godt at have en måde at afgøre, hvor godt de fungerer. En af de bedste og billigste metoder er at placere et termometer med høj temperatur på det sted, hvor gasserne forlader brandrørene og begynder at stige op ad skorstenen. Jo tættere vandets temperatur er, jo mere effektivt overfører brandrørene varmen. En gastemperatur på 300-350°F er tegn på effektiv varmeoverførsel. En gastemperatur på over 450°F angiver, at varmevekslingsområdet er for lille, eller at brandrørene er blevet belagt.

Stratificering

En mærkelig tilstand opstår undertiden i mellemstore til store systemer. Selv om ildkammeret konstant er optændt, og man kan se vandet koge fra toppen af tanken, er temperaturen på det vand, der trækkes fra tanken til distribution, kun 170 til 180°F. Denne situation opstår i systemer, hvor ind- og udløb er nær bunden af tanken, og hvor der ikke er nogen ekstra cirkulationspumpe til at holde vandet i bevægelse. Denne tilstand kaldes stratifikation og opstår, når vand med forskellige temperaturer deler sig i forskellige lag, hvor det varmeste vand forbliver øverst. Stratificering kan forekomme i alle systemer, men er normalt mere udtalt i store systemer.

Vandets massefylde ved 100°F er ca. 3,5 % større end ved 200°F. Ligesom luft stiger varmt vand op, og koldt vand synker. For at undgå lagdeling skal vandet holdes i bevægelse. En metode er at forbinde returrørene øverst i tanken over brændkammeret (den varmeste del af systemet) og trække vand fra den nederste del af tanken i den anden ende. Problemet med denne fremgangsmåde er, at distributionspumperne måske ikke kører hele tiden, og der kan opstå lagdeling, når pumperne er slukket.

En bedre løsning er at installere en kontinuerligt kørende hjælpecirkulationspumpe, der flytter vandet fra den koldeste til den varmeste del af tanken. Den konstante omblanding af vandet vil forhindre lagdeling. Cirkulationspumpen behøver ikke at være stor, da der er meget lille opstuvning at overvinde. Den bør kunne pumpe 0,2 til 0,5 gange systemets kapacitet i timen. F.eks. bør et system på 2.000 gallon have en pumpe, der kan pumpe 400 til 1.000 gallon i timen. En elektrisk pumpe på 1⁄6 til 1⁄2 hestekræfter er normalt tilstrækkelig.

Figur 3. En ekstra tank vil øge lagerkapaciteten.

×

Figur 3. En ekstra tank vil øge lagerkapaciteten.