Naczynie wzbiorcze - ocieplenie

[PeZet]

Chcę zaizolować naczynie wzbiorcze układu otwartego.
Naczynie będzie leżało na nieogrzewanym stryszku, pod kalenicą.

Jakiej grubości izolacją powinienem ogacić naczynie, żeby nie zamarzło?

Naczynie ma pojemność 30l.
Planuję postawić coś w rodzaju skrzynki, w której naczynie zostanie owinięte 10cm wełny i zasypane zmielonym styropianem - kolejne 10cm.

Jak obliczyć potrzebną grubość izolacji, żeby woda w naczyniu nie zamarzła
znając:
- grubość izolacji
- i jej współczynnik przenikalności cieplnej,
- temperaturę w naczyniu
- pojemność naczynia
- oraz temperaturę zewnętrzną?



Lub zapytam inaczej:

Jak obliczyć po jakim czasie woda w naczyniu zamarznie, gdy przyjmę określoną grubość izolacji?

[bajbaga]

Upraszczając:

Jeden z podstawowych wzorów termodynamiki to:
Q = m * cw * (Tk - T0)

Q - ciepło pobrane
m - masa wody (1l = 1kg)
cw - ciepło właściwe (1,16Wh)
T0 - temp początkowa
Tk - temp końcowa ( licz -2)

cw to 1,16 Wh/kg

U dla takiej przegrody, to 0,22W(m2k)

Wyliczasz z U przegrody "straty" dla danych warunków + prosta arytmetyka - i finito.


Ps. Ale woda w naczyniu nie ma stałej temperatury (zwłaszcza jak dobrze hajcujesz).
Większym problemem mogą być rury doprawadzające i odpływ .

[PeZet]

Potykam się o ten wzór ilekroć przechodzę obok tematu grzania lub izolowania i - ściana.
Stąd moja prośba o pomoc.
Naczynie ma poj 30l.
Nagrzane do 50stC i wystudzone do 0stC odda 1,75kWh ciepła.

Współczynnik przewodzenia ciepła - lambda
Dla styropianu to 0,045 W/m*K

Współczynnik izolacyjności przegrody - U
U=Lambda/d [W/m2*K]
d - grubość izolacji w metrach

U przegrody grubości 20cm:
U=0,045/0,2 = 0,22 W/m2*K

Tu doszedłem do tego, co Ty, Bajbago, policzyłeś.

[bajbaga]

Teraz arytmetyka.

Wyliczyć trzeba zewnętrzną powierzchnie tej skrzynki (obudowy naczynia), pomnożyć przez U.

No ale różnica temperatur nie będzie stała, bo przy założeniu że ma zamarzać, to zmienia się delta t i "szybkość" oddawania ciepła.
Dlatego proponuję liczyć co 10 stopni wychłodzenie wody w naczyniu.

[PeZet]

Dalej...
Powierzchnia wymiany ciepła, czyli suma powierzchni przegród.
Klocek:
a: 0,8m
b: 1,2m
h: 0,8m

Pow wymiany: 4,96 m2
Straty wyniosą 4,96 m2 * 0,22W/m2*K = 1,116W/K

Dla różnicy temperatur 50stC do 0stC moc "grzewcza" wyniesie: = 55,8W

W bańce jest 1,75 kWh energii,
co w dżulach daje: 1,75 * 1000 * 3600 = 6287400 J

J = W*s

Wychodzi na to, że czas wystudzenia do 0stC naczynia o temp 50stC
zaizolowanego 20cm styropianu
wyniesie:

6287400 J / 55,8W = 112677,42 sekund
czyli 31,3 godziny.

Czy ktoś mógłby sprawdzić czy to się zgadza?

Cytat

No ale różnica temperatur nie będzie stała, bo przy założeniu że ma zamarzać, to zmienia się delta t i "szybkość" oddawania ciepła.
Dlatego proponuję liczyć co 10 stopni wychłodzenie wody w naczyniu.

Wybacz, nie rozumiem. :(
Co 10stopni?
W sensie - symulacja różnych temperatur w naczyniu?
Może przyjąć najniższą możliwą czyli temperaturę pomieszczenia = 20stC?

Chodzi mi o to, by oszacować ryzyko zamarznięcia naczynia w sytuacji, gdy opuszczam dom na dłuższy czas.

Coś mi nie gra.
Zmieniam temp wewnątrz bańki na 20stC i na 90stC
i wychodzi że zawsze do zera będzie stygnąć 32 godziny

...bo gdzieś tu trzeba uwzględnić temperaturę zewnętrzną czyli np -14stC...
Masakra.

Cytat

Dla różnicy temperatur 50stC do 0stC moc "grzewcza" wyniesie: = 55,8W

W bańce jest 1,75 kWh energii,
co w dżulach daje: 1,75 * 1000 * 3600 = 6287400 J

J = W*s

Wychodzi na to, że czas wystudzenia do 0stC naczynia o temp 50stC
zaizolowanego 20cm styropianu
wyniesie:

6287400 J / 55,8W = 112677,42 sekund
czyli 31,3 godziny.

Tu jest błąd!
Moc grzewczą ustalamy względem temperatury zewnętrznej!


Podsumowując:
Temp w naczyniu: 50stC
Temp graniczna w naczyniu: 0stC
Temp zewnętrzna: -20stC

moc "grzewcza" izolacji: 78,12W
czas stygnięcia: 22,36 godzin

Nadal coś jest nie tak, ponieważ wychodzi mi że przy temp zewnętrznej +10stC
baniak i tak ostygnie do zera!!!

edit: skreśliłem, że poddaję się. Edytowano 24 stycznia 2014 przez PeZet (zobacz historię edycji)

[bajbaga]

Prościej
1750Wh dzielone przez 55,8W = 31,36h

To dla temperatury zewnętrznej 0 stopni C.

Cytat

Nadal coś jest nie tak, ponieważ wychodzi mi że przy temp zewnętrznej +10stC
baniak i tak ostygnie do zera!!!

Bo deltę w baniaku liczysz do zera a powinieneś do temperatury zewnetrznej Edytowano 24 stycznia 2014 przez bajbaga (zobacz historię edycji)

[Budujemy Dom - budownictwo i instalacje]

Woda w naczyniu wzbiorczym nawet (bez izolacji) nigdy nie zamarznie jeśli c.o. pracuje - najwyżej będą straty ciepła.

Przy wyłączonym ogrzewaniu - żadna izolacja nie pomoże, gdy dostatecznie długo zbiornik będzie wychładzany - izolacja nie grzeje a jedynie spowalnia przepływ ciepła.

[bajbaga]

Cytat

Przy wyłączonym ogrzewaniu - żadna izolacja nie pomoże, gdy dostatecznie długo zbiornik będzie wychładzany - izolacja nie grzeje a jedynie spowalnia przepływ ciepła.

Tak dla "przypomnienia" i porządku:

Cytat

Jak obliczyć po jakim czasie woda w naczyniu zamarznie, gdy przyjmę określoną grubość izolacji?

Cytat

Chodzi mi o to, by oszacować ryzyko zamarznięcia naczynia w sytuacji, gdy opuszczam dom na dłuższy czas.

[PeZet]

Kolejny raz, i nie ostatni, napiszę:
Bajbadze - pomnik!

(nadal wychodzi mi, że przy +10 naczynie wystygnie do zera.)

Chodzi mi o to, by oszacować ryzyko zamarznięcia naczynia w sytuacji, gdy opuszczam dom na dłuższy czas.

Dokładnie o to.
Wyjeżdża człowiek zimą na tydzień na narty!
Wyjeżdża człowiek na trzy dni na zimowy zlot forumowy.
I co?

Pójdźmy dalej:
Ciepłociąg, czyli transport rurami do naczynia wzbiorczego.
Bajbaga o tym napomknął.

Na rury nikt nie założy 20cm ocieplenia.

[bajbaga]

Cytat

(nadal wychodzi mi, że przy +10 naczynie wystygnie do zera.)

I bardzo dobrze, tyle, że to 0 ma +10 stopni C.


Ps. Bo to 0 to delta t, a nie temperatura.


Ps.2 To tylko dowód na to, że powinno się liczyć w stopniach Kelwina - w obliczeniach stopnie Celcjusza potrafią dobrze namieszać.

[el-instalator]

Cytat

Prościej
1750Wh dzielone przez 55,8W = 31,36h

To dla temperatury zewnętrznej 0 stopni C.

Bo deltę w baniaku liczysz do zera a powinieneś do temperatury zewnetrznej

Moim zdaniem najlepiej obwinąć naczynie elektrycznym przewodem grzejnym, ew. umieścić niewielką grzałkę z termostatem w naczyniu, a całość oczywiście zaizolować. Przy nadmiernym spadku temp. wody w naczyniu zostanie ona podgrzana do bezpiecznej temperatury i po problemie.

Powiem szczerze Panowie, że policzyć to sobie możemy raczej dla sportu, bo błąd względem rzeczywitej sytuacji będzie duży. Trzebaby uwzględnić sporo dodatkowych czynników.

1. Bajbaga bardzo słusznie napisał, że większym problemem niż naczynie są rury w nieogrzewanej przestrzeni. Mają duża powierzchnię wymiany ciepła względem objetości wody.
2. Intensywność wymiany ciepła zmienia się wraz ze zmianą różnicy temperatury. Przy stale -20°C w otoczeniu naczynia wymiana będzie znacznie mniej intensywna gdy w naczyniu będzie +10°C niż +50°C. Pewnie dlatego Bajbaga zaproponował podział na przedziały temperatury co 10 K. Taka namiastka całkowania
3. Przy średnicy rury łączącej kocioł z naczyniem wynoszącej min. 25 mm w praktyce dochodzi do niewielkiej cyrkulacji wody pomiędzy naczzyniem a resztą instalacji, gdzie woda ma wyższą temperaturę.
4. Gdy woda zacznie zamarzać dochodzi uwzględnienie ciepła krzepnięcia - zmiana stanu skupienia wody to oddane sporej ilości ciepła do otoczenia.
5. Naczynie musi mieć przelew, łączący je z otoczeniem, a to źródło strat ciepła.
6. jaką kubaturę i jak izolowanego strychu dogrzewa naczynie?

ad. 3 cyrkulację można wzmóc łącząc naczynie i rurę wznośną (poniżej strychu) dodatkową rurką. Zaleta jest taka, że czas zamarzania naczynia bardzo wzrośnie, wada zaś jest stopniowe wychładzanie wody w całej instalacji.

[Gość gawel]

Piotrze nie wiem czy pamiętasz, ale u mojej siostry naczynie było zabudowane za kominem w sypialni. nie dość że łatwy dostęp to i nie zamarznie. Może nie rób go pod tą kalenicą

[bajbaga]

Cytat

5. Naczynie musi mieć przelew, łączący je z otoczeniem, a to źródło strat ciepła.

Dodam tylko, że również potencjalne źródło (początek?) ewentualnego zamrożenia.

[PeZet]

Gaweł, wysokość zamontowania naczynia zależy od miejsca montażu pompy co.
W moim przypadku pompa jest na powrocie do kominka, co znacząco zwiększa wymaganą wysokość montażu naczynia wzbiorczego. Do do tego instalacja jest również na poddaszu.
W efekcie naczynie musi wylądować tuż nad sufitem poddasza.

Jak napisał El-instalator, chyba najrozsądniej będzie zastosować drut kanthalowy - owinąć rury i zbiornik - załączane termostatem, gdy temperatura wody zbliży się do zera.



Do tego solidna izolacja bańki plus największa możliwa izolacja rur.

[Gość gawel]

Ewentualnie mieć naczynie z tworzywa nawet jak troche zamarznie to i tak nic sie nie stanie bo wróci do normy nie?

[PeZet]

Niestety, Piter, nie chodzi o naczynie, ale o płaszcz wodny, kominek, i wielkie bum.

[el-instalator]

Cytat

Ewentualnie mieć naczynie z tworzywa nawet jak troche zamarznie to i tak nic sie nie stanie bo wróci do normy nie?

Plastikowego nie polecam, bo woda może mieć potencjalnie nawet ponad 100°C. Do tego tworzywa sztuczne są dośc przepuszczalne dla powietrza, szczeególnie w wysokiej temperaturze. A w instalacji z naczyniem otwartym do wody trafia wbrew pozorom b. mało tlenu.

[Gość gawel]

Tak myśle że skupiłeś się na naczyniu a co z podłogówka? jeżeli nie zamarznie ona to i naczynie nie prawda poza tym mam lepszy pomysł policz ile litrów masz tego co i zalej glikolem.

Cytat

Plastikowego nie polecam, bo woda może mieć potencjalnie nawet ponad 100°C. Do tego tworzywa sztuczne są dośc przepuszczalne dla powietrza, szczeególnie w wysokiej temperaturze. A w instalacji z naczyniem otwartym do wody trafia wbrew pozorom b. mało tlenu.

pewno ale moim zdaniem lepiej wybrać glikol

[el-instalator]

Cytat

Niestety, Piter, nie chodzi o naczynie, ale o płaszcz wodny, kominek, i wielkie bum.

Przecież to miałobyć zamarzanie w czasie długiej nieobecności w domu. Po niej i tak zawsze lepiej sprawdzić przed rozpaleniem czy woda nie zamarzła.

[PeZet]

Podłogówkę dogrzewa podczas mojej nieobecności baniak akumulacyjny. Podłogówka wystygnie po 1000 godzin, nie licząc akumulacji w samym betonie. I nie biorąc pod uwagę faktu, że woda krążąc cały czas w instalacji tak łatwo nie zamarznie. Tu problemu nie ma.

Glikol - jakoś również przyczynia się do rozwiązania sprawy.
20dm3 - 140zł. (do -30stC)
Do instalacji o pojemności 600l potrzeba go z 60dm3. Obecnie jest wlane 20l.
Granice zawartości glikolu również zakreśla pompa c.o.

[bajbaga]

Cytat

Tak myśle że skupiłeś się na naczyniu a co z podłogówka?

Widząc (znając) jak i z czego budował, to nawet przy -20 (nieustannej) na zewnątrz, kilka dni (a może nawet kilkanaście) przetrzyma bez problemu (bez pracy pomp obiegowych i grzania).


dopisałem: to co w nawiasach Edytowano 24 stycznia 2014 przez bajbaga (zobacz historię edycji)

[Gość gawel]

Aha no własnie czyli masz już troche dolane i ok dowal tak ile trzeba i tyle spoko nie zamarznie na pewno chyba że będzie jak w tym filmie one day after tomorrow

[PeZet]

Cytat

Przecież to miałobyć zamarzanie w czasie długiej nieobecności w domu. Po niej i tak zawsze lepiej sprawdzić przed rozpaleniem czy woda nie zamarzła.

Właśnie.
Postawiony problem to czas na jaki można zostawić chatę iżby nie zamarzło naczynie wzbiorcze.
I co zrobić, żeby zostawić chatę na dłużej niż dobę.

a. Zaizolować naczynie i rury.
b. Dołożyć podgrzewanie elektryczne rur i naczynia.
c. Wlać glikol.

Rozwiązania a, b, c można zastosować zamiennie lub łącznie, w zależności od stopnia jednostkowego zaawansowania paranoi.

Cytat

Widząc (znając) jak i z czego budował, to nawet przy -20 (nieustannej) na zewnątrz, kilka dni (a może nawet kilkanaście) przetrzyma bez problemu (bez pracy pomp obiegowych i grzania).

Well, poddasze jest jeszcze odłączone od c.o.
Dach jest nieocieplony i tak pozostanie do czasu kolejnego przypływu większych mocy nabywczych.
Glikolu w części poddaszowej jest 10dm3 na 25dm3 podłogówki.
Więc warunki montażu naczynia są jak na razie dosyć ekstremalne.

edit - składnia Edytowano 24 stycznia 2014 przez PeZet (zobacz historię edycji)

[bajbaga]

Teoretycznie problem może wystąpić niezależnie od nas.
Brak energii elektrycznej - mając na uwadze zarówno awarie "aurowe" jak i ewentualne i przyszłe "technologiczne".

Cytat

Well, poddasze jest jeszcze odłączone od c.o.
Więc warunki montażu naczynia są jak na razie dosyć ekstremalne.

Raczej miałem na uwadze "ochronę" zalanych rurek (podłogówki) w części "mieszkalnej" (zamieszkałej)

[PeZet]

A co sądzicie o pomyśle "upuszczania" wody z naczynia wzbiorczego na czas dłuższej nieobecności?
Żeby nie marnować odkamienionej wody upuszczanie odbywałoby się do osobnego naczynia znajdującego się w części odpornej na dłuższą nieobecność domownika.
Po powrocie woda zostałaby wpompowana z powrotem - za pomocą jakiejś małej pompki akwaryjnej, albo czegokolwiek.

[Jani_63]

Cytat

edit: skreśliłem, że poddaję się.

I bardzo dobrze
Tyle że w obliczeniach nigdzie nie zostało uwzględnione ciepło utajone wody w baniaku.
A sam proces zamarzania potrwa zdecydowanie dłużej niż spadek temperatury z temperatury zadanej do zera stopni C (273K).
Tak więc w obliczeniach musi pojawić się i ta wartość jeśli brać pod uwagę całkowite zamarznięcie naczynia zbiorczego.
Na pewno znasz tą wartość, ale na wszelki wypadek przypomnę.
Jest to 334 000 J/kg.

[PeZet]

Cytat

Na pewno znasz tą wartość, ale na wszelki wypadek przypomnę.
Jest to 334 000 J/kg.

Bardzo dziękuję, Jani_63 - za takt. Ciepło utajone przemiany fazowej - fakt. Powstaje pytanie, z której strony bani, od dołu czy z góry, oczekiwać skorupy lodowej. Bo z dołu - zatka rury.

Sam odpowiem: od góry. Ha, ha!

[Jani_63]

Dla samego naczynia zawsze od góry i ewentualnie od strony ścianek.
Warunek.... sama rura nie zacznie wcześniej zamarzać bo wtedy zrobi się korek lodowy mimo że woda w naczyniu będzie dalej płynna.
(głupio to trochę teraz zabrzmiało, ale kręcimy się około punktu przemiany fazowej)