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

Den mest synliga delen av ett varmvattensystem är vattentanken. Standardtankar som är lämpliga för varmvattenuppvärmningssystem finns i olika storlekar, kapaciteter och väggtjocklekar. Underjordiska tankar har tjockare väggar än den ovanjordiska varianten, vilket gör dem mycket bättre lämpade för svetsning. Om man har ett val är det bättre att använda en kort tank med stor diameter än en lång och tunn, eftersom en kortare tank har mindre yta, vilket minskar värmeförlusten och kostnaden för isolering. I tabell 3 anges dimensioner och kapacitet för ett stort antal standardtankar för lagring av olja.

.

Och även om det är bäst att använda en ny tank har många framgångsrika system byggts med begagnade tankar. Begagnade oljelagringstankar kan ofta erhållas helt enkelt för att man frågar. Om du bestämmer dig för att prova en begagnad tank ska du inspektera den noggrant för att hitta hål eller tunna fläckar. Fråga också vilken vätska som har lagrats i tanken. Försiktighet: Svetsa eller skär aldrig på en tank som du misstänker har innehållit något brännbart material om den inte är noggrant rengjord och ventilerad. En metod för att avlägsna olje- eller bensinrester från en stor tank är att blanda cirka 2 pund rengöringsmedel per tusen gallon kapacitet med tillräckligt mycket vatten för att lösa upp det och hälla denna lösning i tanken. Fyll sedan tanken helt med vatten och låt den stå i flera dagar innan du tömmer den och börjar arbeta med den.

Värmelagringskapacitet

Som nämndes i ett tidigare avsnitt är ett mått på ett systems kapacitet dess värmelagringskapacitet. Vatten är ett av de billigaste och lättaste ämnena som är lättast att flytta och kontrollera. Det är också ett av de bästa kända värmelagringsmedlen. Vatten kan lagra fyra eller fem gånger så mycket värme som sten, upp till tio gånger så mycket som de flesta metaller och ungefär fyra gånger så mycket som luft per viktenhet. Dess enda nackdel är att det inte kan lagra värme vid temperaturer över 212°F om det inte är under tryck. Detta begränsar dess användbarhet för tillämpningar med höga temperaturer. För rumsuppvärmning i växthus och andra tillämpningar inom jordbruk, handel och bostäder är denna begränsning dock vanligtvis inget problem.

En British Thermal Unit (BTU) är definitionsmässigt den värmemängd som krävs för att höja temperaturen på 1 pund vatten med 1°F. En gallon vatten väger ungefär 8,3 pund, så den värmeenergi som krävs för att höja temperaturen på en gallon till 100°F är:

8,3 pund x 100°F = 830 BTU

En jämförelse: För att höja temperaturen på 8,3 pund grus till 100°F krävs endast cirka 166 BTU.

Som tidigare nämnts kan vatten inte värmas upp till över 212°F vid atmosfäriskt tryck. Denna temperatur bestämmer den övre gränsen för hur mycket värme som trycklöst vatten kan lagra. Den nedre gränsen fastställs av den önskade belastningstemperaturen. Om t.ex. ett växthus ska hållas vid 65°F är den temperaturen den nedre gränsen. Skillnaden mellan den övre och den nedre gränsen,

212°F – 65°F = 147°F

anger hur mycket användbar värme en given vattenvolym kan lagra.

Det är faktiskt inte praktiskt möjligt att dra ner lagringstemperaturen till den nedre gränsen. Värmeöverföringshastigheten till lasten (t.ex. från radiatorer till luften i ett växthus) minskar kraftigt när temperaturen på det uppvärmda inkommande vattnet närmar sig lasten lufttemperatur. Av den anledningen är det önskvärt att hålla den nedre vattenlagringstemperaturen minst 35°F över den önskade belastningstemperaturen. I det föregående exemplet skulle därför den nedre gränstemperaturen vara 100°F och temperaturskillnaden skulle inte vara 147°F, utan

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Därmed är vattnets lagringstemperaturområde begränsat till 112°F. Med denna information som vägledning kan vi nu bestämma hur mycket lagringskapacitet som behövs.

Om den önskade värmebelastningen bestäms till 200 000 BTU per timme och man vill ha 6 timmars uppvärmning tillgänglig efter att elden har slocknat, måste vattenmängden räcka till för att lagra:

200 000 BTU/hr x 6 hr = 1 200 000 BTU

För att höja ett pund vatten med 1°F krävs 1 BTU. Varje pund vatten kan endast lagra 112 BTU. Därför är mängden vatten som krävs:

1 200 000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10 714 lb

Då vatten väger 8,3 pund per gallon är 10 714 pund vatten lika med 1 291 gallon.

I praktiken överstiger den maximala vattentemperaturen sällan 200°F; därför behövs en lagringskapacitet som är något större än 1 291 gallon.

Dessa beräkningar förutsätter att ingen värme går förlorad från tanken eller från rören som leder vattnet till och från lasten. Dessa förluster kan vara betydande, beroende på hur väl rören är isolerade, avståndet från tanken till lasten och utomhustemperaturen.

Det är en mycket god idé att installera en termometer i tankens utloppsledning. Den kommer att ge en exakt indikation på vattentemperaturen i tanken. En sänkning av vattentemperaturen med mer än 20°F per timme är en bra indikation på att vattentanken är för liten, eftersom syftet med ett varmvattensystem är att tillhandahålla en konstant värmekälla utan att man behöver elda hela tiden.

Det är också en bra idé att installera en termometer i ledningarna på båda sidor om belastningen – t.ex. på inlopps- och utloppsledningarna till radiatorn eller radiatorbanken. Detta gör det möjligt att avgöra inte bara hur mycket energi som går förlorad mellan tanken och lasten utan också hur effektivt radiatorerna utvinner värme ur vattnet.

För optimal systemdesign måste lagringskapaciteten baseras på den maximala nominella brännarutgången, den önskade värmelasten och den maximala tid som önskas mellan bränsleladdningarna. Följande diskussion illustrerar hur dessa tre faktorer samverkar.

Antag, som i exemplet ovan, att den önskade genomsnittliga värmelasten är 200 000 BTU per timme. Detta innebär att det under en typisk drifttimme krävs 200 000 BTU värme. Det är troligt att mitt under en mycket kall natt skulle den nödvändiga värmemängden överstiga denna mängd. Men för att ha tillräckligt med värme tillgänglig måste brännarens kapacitet minst motsvara den genomsnittliga belastningen plus förlusterna. Ur praktisk synvinkel är det lämpligt att brännaren är dimensionerad för en och en halv till två gånger den genomsnittliga värmebelastningen. En större brännare kan producera värme för lagring samt för omedelbar användning vid tillfällen då belastningen är genomsnittlig.

Bortsett från den energi som lagras i varmvattnet (lagring i tanken) är det också möjligt att lagra värmeenergi i systemet i form av oförbränd ved. Detta kallas för lagring i eldstaden. I väntan på en mycket kall natt kan en växthusoperatör elda systemet under hela dagen för att gradvis höja vattentemperaturen nära 212°F. Även om vattnet redan håller sig nära sin maximala värmemängd kan verksamhetsutövaren fylla eldstaden igen strax innan han eller hon lämnar huset för natten. Detta extra bränsle tillför energi till systemet. Det brinnande bränslet kan ersätta den utgående värmen och därmed upprätthålla den höga vattentemperaturen. Om det extra bränslet tillför för mycket värme för snabbt kommer dock vattnet i tanken att koka och energi går till spillo i form av ånga.

Det är osannolikt att ett varmvattensystem under verklig drift skulle utsättas för mycket stora svängningar i belastningen. Med andra ord skulle det inte behöva producera maximal effekt ena timmen och ingen nästa. Snarare sker det normalt gradvisa ökningar och minskningar under dagen när utomhustemperaturen och många andra faktorer förändras. Å andra sidan är den värme som tillförs systemet från elden normalt ganska sporadisk, beroende på hur mycket och hur ofta bränsle tillförs. Värdet av ett varmvattensystem baseras delvis på dess förmåga att lagra värmeenergi snabbt men avge den långsamt i en kontrollerad takt.

Om brännaren producerar mer värme än vad som används av systemet kommer den extra värmen att lagras, förutsatt att lagringskapaciteten inte har överskridits. Om lagringskapaciteten överskrids får vattnet att koka. När detta sker passerar den producerade överskottsvärmen ut ur systemet i form av ånga. Den energi som krävs för att koka vattnet går helt enkelt förlorad. Ofta förekommande kokning i ett varmvattensystem tyder på att brännaren är för stor eller eldas för ofta eller att systemets värmelagringskapacitet är för liten.

Om värmelagringskapaciteten är otillräcklig är en lösning att lägga till ytterligare en tank. En tandemtank placeras normalt så nära huvudtanken som möjligt och ansluts med ett in- och utloppsrör och en pump (figur 3). På detta sätt kan lagringskapaciteten ganska enkelt ökas utan att resten av systemet störs. Vatten måste alltid pumpas kontinuerligt mellan de två tankarna för att fördela värmen jämnt. Detta kan göras genom att lägga till en extra pump eller genom att använda en del av flödet från en befintlig pump om den har överskottskapacitet.

Varmvattensystem är inte ångsystem, det vill säga det finns aldrig något annat tryck i systemet än det som produceras av pumparna. Varmvattentanken måste ventileras för att förhindra att tryck byggs upp när vattnet värms upp och expanderar eller förvandlas till ånga. En oventilerad ackumulatortank är extremt farlig. Det krävs minst två ventiler på toppen av tanken. Ännu bättre är det om manhålet som vanligtvis skärs in i tankens ovansida under konstruktionen kan lämnas öppet men täckas med en plåtbit.

Isolering

Det är nödvändigt att isolera tanken och alla rör för att förhindra att värme släpps ut. För utomhustankar lämpar sig påsprutad polyuretanisolering, särskilt om den är målad och skyddad från direkt exponering för eld och solljus. En beläggning med en tjocklek på 1 tum, som ger en isoleringsgrad på R-7, kostar cirka 1 dollar per kvadratfot. Till exempel, för en 2 000 gallon tank med en diameter på 64 tum och en längd på 12 fot kostar isoleringen cirka 250 dollar. I tabell 4 anges det uppskattade isoleringsvärdet för olika tjocklekar av polyuretan på tankar.

Denna tabell visar att kostnaden för att applicera en minimimängd isolering lätt kan rättfärdigas av besparingarna i energikostnader. Den extra kostnaden för isolering som är tjockare än 1⁄2 tum är dock svår att motivera.

Ett alternativ är att placera systemet under ett skjuttak där det kan isoleras med relativt billiga glasfiberbitar. Glasfibern, som kan ha aluminiumfolie som baksida, kan hållas på plats med grovmaskig kycklingtråd. Kostnaden för skjul, isolering, folie, tråd och arbete kan vara högre än för påsprutad polyuretanisolering, men denna typ av isolering kommer förmodligen att hålla mycket längre och ge ett bättre R-värde.

Rostskydd

Det är tillrådligt att använda någon typ av rostskyddande åtgärder för att skydda tankens och rörens insida från korrosion. Det finns ett antal kommersiella kemikalier som är avsedda att användas främst i högtemperaturpannor. Vissa av dessa skulle vara ganska dyra att köpa in i den mängd som krävs för att skydda ett måttligt stort varmvattensystem.

En metod som har visat sig vara lämplig i varmvattensystem är att tillsätta vissa relativt billiga kemikalier för att höja vattnets pH-värde. Bland dessa finns kaliumkarbonat, natriumkarbonat (tvättnatrium) och natriumhexa-metafosfat (Calgon). Dessa kemikalier förhindrar korrosion genom att de belägger metallväggarna i systemen. Av de kemikalier som nämns ovan fungerar Calgon bäst. Det kan köpas i de flesta livsmedelsbutiker. Använd 5 pund för varje 1 000 gallon vatten. Under normala förhållanden kommer ingen av dessa kemikalier att brytas ned och kommer följaktligen att förbli aktiva i systemet under lång tid.

Fyrrör

Och även om en del värme passerar till vattnet genom väggarna i eldstaden, går den huvudsakliga vägen för värme från elden till vattnet genom eldröret. De flesta system är konstruerade så att de heta gaser som avges av elden passerar genom en serie eldrör som löper från den ena änden av lagringstanken till den andra. I många system passerar gaserna genom tanken mer än en gång.

Det är mycket viktigt att antalet och storleken på eldröret är tillräckligt stort för att större delen av värmen ska överföras från de heta gaserna till vattnet innan gaserna släpps ut. Som en tumregel krävs ungefär 1 kvadratfot värmeväxlingsyta för varje 2 000 BTU nominell effekt. Om ett system till exempel är dimensionerat för att producera 200 000 BTU per timme behövs cirka 100 kvadratmeter värmeväxlingsyta. Denna yta kan inkludera den vattenkylda ytan på eldstaden samt själva eldröret. Båda dessa ytor kallas ofta för eldningsytan.

Den yttre diametern på eldningsrören används för att beräkna ytan. I tabell 5 anges flera vanligt förekommande storlekar på standardrör tillsammans med deras faktiska ytterdiameter och det antal löpande fot som krävs för att ge 1 kvadratfot yta.

Den rätta storleken på det rör som ska användas beror på ett antal faktorer. I exempelsystemet med en kapacitet på 200 000 BTU per timme krävs 100 kvadratfot värmeväxlingsyta. Enligt tabell 1 är den rekommenderade volymen för eldstaden 9 kubikfot. En lämplig eldstad med denna volym skulle vara en eldstad som är 11⁄2 fot lång, 2 fot bred och 3 fot hög. Ytan på denna eldstad är 27 kvadratfot (inklusive den vattenkylda dörren). Därför skulle eldstaden ge 27 kvadratmeter av de nödvändiga 100 kvadratmeterna. Eldningsrören måste ge de övriga 73 kvadratfoten.

För att hitta den rörlängd med en given diameter som behövs för att ge den önskade ytan, multiplicera siffrorna i den tredje kolumnen i tabell 5. Om du till exempel väljer 11⁄2-tums rör multiplicerar du 73 linjära fot med 2,01:

73 fot x 2,01 fot/kvm fot = 146,72 fot

Omkring 147 linjära fot 11⁄2-tums rör krävs för att få 73 kvadratfot värmeväxlingsyta. Om du däremot använder 3-tumsrör behöver du bara cirka 80 fot:

73 fot x 1,09 fot/kvadratfot = 79,73 fot

Vilken storlek är bäst? Sett enbart ur kostnadssynpunkt är det inte någon större skillnad mellan 147 fot 11⁄2-tums rör och 80 fot 3-tums rör. Det är dock mycket lättare att svetsa det större röret. Dessutom kommer det att bli nödvändigt att rengöra rörets insida från tid till annan för att avlägsna aska, sot och andra avlagringar. Det är lättare att rengöra en kortare längd av ett större rör. Ett större antal mindre rör skulle dock vara något effektivare när det gäller värmeöverföring. Erfarenheten har visat att 2- till 3-tumsrör fungerar bäst överlag.

Avlagringar av aska i eldningsrören minskar kraftigt värmeöverföringen. Det är bra att ha något sätt att avgöra hur väl de fungerar. En av de bästa och billigaste metoderna är att placera en högtemperaturtermometer vid den punkt där gaserna lämnar eldningsrören och börjar stiga upp i skorstenen. Ju närmare vattentemperaturen är, desto effektivare överför eldröret värme. En gastemperatur på 300-350°F tyder på effektiv värmeöverföring. En gastemperatur på mer än 450°F tyder på att värmeöverföringsområdet är för litet eller att eldningsrören har blivit belagda.

Stratifiering

Ett märkligt tillstånd uppstår ibland i medelstora till stora system. Även om eldstaden ständigt eldas upp och vattnet kan ses koka från toppen av tanken, är temperaturen på det vatten som tas från tanken för distribution endast 170-180°F. Denna situation uppstår i system där inloppet och utloppet ligger nära botten av tanken och där det inte finns någon extra cirkulationspump för att hålla vattnet i rörelse. Tillståndet kallas skiktning och uppstår när vatten med olika temperaturer separeras i olika skikt, med det varmaste vattnet kvar i toppen. Stratifiering kan förekomma i alla system men är vanligtvis mer uttalad i stora system.

Vattens densitet vid 100°F är cirka 3,5 procent större än vid 200°F. Precis som luft stiger varmt vatten upp och kallt vatten sjunker. För att förhindra skiktning måste vattnet hållas i rörelse. En metod är att ansluta returledningarna högst upp i tanken ovanför eldstaden (den varmaste delen av systemet) och ta vatten från den nedre delen av tanken i andra änden. Problemet med detta tillvägagångssätt är att distributionspumparna kanske inte är igång hela tiden och att skiktning kan uppstå när pumparna är avstängda.

En bättre lösning är att installera en kontinuerligt igångsatt hjälpcirkulationspump för att flytta vatten från den kallaste till den varmaste delen av tanken. Den ständiga blandningen av vattnet kommer att förhindra skiktning. Cirkulationspumpen behöver inte vara stor, eftersom det är mycket liten fallhöjd att övervinna. Den bör kunna pumpa 0,2-0,5 gånger systemets kapacitet per timme. Till exempel bör ett system på 2 000 gallon ha en pump som kan pumpa 400 till 1 000 gallon per timme. En elektrisk pump med 1⁄6 till 1⁄2 hästkrafter är vanligtvis tillräcklig.

Figur 3. En ytterligare tank ökar lagringskapaciteten.

×

Figur 3. En ytterligare tank ökar lagringskapaciteten.