Rovnice (128) popisuje zachování hmotnostních toků. Hmotnostní tok vlhkého vzduchu na vstupu do výměníku se určí dle (129) jako součin hustoty vlhkého vzduchu (podkapitola 2.2.20) a objemového průtoku ventilátorem (průřez z obrázku 14 a rychlost z podkapitoly 3.3.3). Tímto dojde k zanedbání ztrát ve vstupním kanálu, které jsou vzhledem k malé rychlosti proudění vzduchu velmi malé a nebude docházet k ucpání.
108
𝑚1̇ = 𝑚̇ + 𝑚2 ̇4 (128)
𝑚̇ = 𝜌1 ℎ𝑎𝑉𝑣𝑒𝑛𝑡̇ (129)
Rovnice (130) popisuje zachování tepelné energie ve výměníku. Měrná tepelná kapacita vlhkého vzduchu (cp1 a cp2) se určí z podkapitoly 2.2.37. Teplota před výměníkem nebyla v experimentu měřena a bude se uvažovat, že odpovídá teplotě okolí v době realizace experimentu. Hmotnostní tok chladící vody byl určen výkonem použitého čerpadla a měřením byla zjištěna hodnota 4,83 l.min-1, která je konzervativní, jelikož nedocházelo k úniku ani akumulaci této chladící vody při proudění výměníkem, tedy platí ṁ31= ṁ32. Měrná tepelná kapacita vody (cp3 a cp4) je určena z [85]. Teploty chladící vody na vstupu do výměníku i na jeho výstupu byly měřeny na vnějším průměru měděných trubek, čímž může dojít k nepřesnostem i vzhledem k metodě měření. Proto je pro výpočty důležitější rozdíl těchto teplot (T31 a T32). Neznámou hodnotou z experimentu je ovšem hmotnostní tok vlhkého vzduchu po jeho protečení výměníkem (ṁ2). Známa je akorát jeho teplota zaznamenaná dataloggerem (T2), ovšem pouze v jednom bodě, a nikoliv střední hodnota v celém průřezu kanálu. Hmotnostní tok kondenzátu (ṁ4) a jeho teplota (T4) jsou uvedeny v Tabulce 6. Zanedbává se ohřev vzduchu ve ventilátoru.
𝑚̇ 𝑐1 𝑝1𝑇1+ 𝑚31̇ 𝑐𝑝3𝑇31= 𝑚̇ 𝑐2 𝑝2𝑇2+ 𝑚32̇ 𝑐𝑝3𝑇32+ 𝑚̇ 𝑐4 𝑝4𝑇4+ 𝑚̇ 𝑙4 (130) Podobným způsoben lze udělat tepelnou bilanci pomocí software ANSYS CFX, který umí velice přesně určit jednotlivé veličiny, ale jejich finální součet už je nutné udělat ručně. Výsledky jsou prezentovány v Tabulce 12.
3.5 Porovnání výsledků z experimentu a numerického modelu
Tato podkapitola se věnuje porovnání výsledků z experimentu a numerického modelu, jelikož obě metody měla stejná vstupní data.
Obecně platí, že přesnost naměřených hodnot během experimentu je klíčová jednak pro správné určení tepelné bilance a také pro validaci numerického modelu. Po provedení analýz výsledků lze konstatovat, že experiment byl koncepčně navržen správně včetně měření potřebných parametrů. Ovšem došlo k nevhodné volbě konkrétních měřících zařízení, která nejsou tak přesná, jak by bylo potřeba. Názorným příkladem je měření rychlosti vzduchu na konci tunelu vrtulkovým anemometrem, který systematicky ukazoval vyšší hodnoty, než predikoval ANSYS CFX a také analytické výpočty. Tato nepřesnost se projevila v energetické bilanci, kde je také zmíněna. Experiment byl
109 vytvářen s cílem získání množství kondenzátu v závislosti na úhlu natočení výměníku a tato závislost byla stanovena. Tento výsledek popisuje Graf 3. Nevýhodou experimentu je nemožnost získat detailnější přehled o proudění v prostoru mezi žebry výměníku, jelikož by instalace relativně velkých čidel do relativně malého prostoru mohla značně ovlivnit charakter proudění a tím i vytváření kondenzátu.
Výhodou numerického modelu je možnost zadat velké množství okrajových a počátečních podmínek včetně přizpůsobení výpočtů na míru konkrétní aplikaci. To je velká výhoda při tvorbě nových součástí, ale nevýhoda při potřebě validace modelu s experimentem, jelikož se musí vybalancovat velké množství proměnných. Nespornou výhodou je možnost nahlédnout a detailně analyzovat libovolnou část výpočetní domény, čehož bylo v tomto případě užito pro zobrazení proudění v prostoru mezi žebry výměníku.
Graf 10 souhrnně udává výsledky tvorby kondenzátu z experimentu a numerického modelu v závislosti na úhlu natočení výměníku vůči směru proudění. Z něho je patrné, že ANSYS CFX predikoval v průměru 2,28-krát více vznikajícího kondenzátu za všech podmínek a kopíruje trend tvorby kondenzátu z experimentu.
Graf 10: Porovnání tvorby kondenzátu
Fakt, že ANSYS CFX nadhodnocuje množství vytvořeného kondenzátu byl vysloven i v [87], [90] a [79]. Jelikož rozdíl v množství kondenzátu pomocí CFX a experimentu je
110 velký, tak byla provedena citlivostní studie parametrů s cílem zjistit, které proměnné mají na predikci tvorby kondenzátu největší vliv. Jako první se začaly upravovat okrajové podmínky proudění, zejména definice výstupní plochy z kanálu. Toto úsilí vedlo pouze k malé změně charakteru proudění a zanedbatelné změně v predikci množství kondenzátu. Následovala revize definice rozhraní mezi pevnou stěnou a proudící tekutinou. Jak již bylo zmíněno dříve, tak ANSYS CFX obsahuje model pouze filmové kondenzace a neumí počítat s kapičkovou kondenzací, která byla pozorována v experimentu. Oba režimy kondenzace jsou značně odlišné a při stejných podmínkách proudění poskytují jiné výsledky, zejména hodnotu součinitele přestupu tepla. Další úsilí bylo věnováno revizi definice vzniku kondenzátu, jakožto nově zavedeného materiálu.
Možnosti nastavení byly představeny v podkapitole 3.3.3. Bylo vypozorováno, že tyto parametry značně ovlivňují množství kondenzátu. Zejména hodnota saturačního tlaku.
Pokud byla zadána hodnota saturačního tlaku menší, než je operační tlak v okolí experimentu, tak ANSYS CFX predikoval menší množství kondenzátu. Jedná se o logické vysvětlení, jelikož v okolí stěny dochází k lokálnímu poklesu tlaku, který je diskutován či kvantifikován v [91], [92] i v [93] a je spojován především s filmovou kondenzací. Tento poznatek otevírá další možnosti hlubšího studia kondenzace, které ale v této práci vzhledem k jejímu rozsahu nebudou dále rozvíjeny. Tato práce poukazuje na parametry, které mají přímou a hlavní souvislost s kondenzací.
3.6 Možnosti optimalizace proudění v kanálu s výměníkem
Analýzou výsledků proudění z ANSYS CFX z podkapitoly 3.3 bylo vypozorováno, že existuje část vzduchu proudícího v kanálu, který neproteče tepelným výměníkem, a tudíž se nepodílí na celkovém ochlazení proudícího vzduchu, nýbrž na zvyšování jeho průměrné teploty. Tento jev je nechtěný a značí nehospodárnost a neefektivnost celého procesu. Jednou z možností, jak tento problém odstranit by bylo zmenšit průřez kanálu na hodnotu, která by odpovídala průmětu výměníku ve směru proudění. V představeném experimentu by takové snížení průřezu mohlo vyřešit snížení stropu tzv. stropnicí. Příklad použití stropnice o výšce 12 mm (zelený kvádr) zobrazuje obrázek 24, kde lze vypozorovat, že pro určité úhly natočení výměníku (pro α zhruba 30o až 150o, obrázky v levém sloupci) by stropnice nebyla potřeba, ale pro odlišné úhly (pro α zhruba -210o až 30o, obrázky v pravém sloupci) by mohla optimalizovat proudění v kanálu jeho usměrněním mezi žebra výměníku a nikoliv do okolí výměníku. Při použití stropnice o
111 výšce 12 mm by se Reynoldsovo číslo podle (127) změnilo na 14 574, což nemá vliv na použitý model turbulence.