Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 05 okladka

 5/2019

wydanie dwujezyczne (pol-ang)

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

gpd2019 480x100  

 LiSEC SS Konfig 480x120

PlotComplex baner

 

 

Poszukiwania prawdy o wydajności konwekcji w nieprzebytej dżungli terminów
Data dodania: 21.03.19

Pełna konwekcja, konwekcja wymuszona, konwekcja skoncentrowana, konwekcja recyrkulacyjna – lista terminów jest długa. Zajmuję się na pełny etat rozwiązaniami w dziedzinie ulepszania cieplnego, a nawet ja mam trudności w rozumieniu wszystkich terminów, używanych w przemyśle.

 

Mogę sobie jedynie wyobrażać, jak trudne musi być dla pracowników przemysłu szklarskiego borykanie się z terminologiczną dżunglą, gdy różni producenci wynajdują swoje własne terminy. A nawet niektóre ze źródeł naukowych używają różnych terminów, zależnie od źródła. 

 

Przemysł hartowania szkła jest stosunkowo niewielki. Stanowi to jedną z przyczyn, dla których terminologia nie jest znormalizowana i często powoduje nieporozumienia, zwłaszcza w odniesieniu do układów konwekcji. 

 

Niniejszy artykuł ma na celu wyjaśnienie różnic przez podanie faktów naukowych, wspartych aktualnymi fotografiami.

 

 

2019 03 48 1

 

 

Pełna konwekcja jest przypuszczalnie najbardziej mylącym terminem w całym przemyśle. Ogólnie rzecz biorąc, ludzie używają tego terminu dla opisania układu konwekcji, w którym konwekcyjny ruch powietrza jest generowany przy pomocy jakiegoś typu dmuchawy, która następnie powoduje recyrkulację powietrza w części grzewczej.

 

Niestety, może to być jedno z najbardziej błędnych założeń w całym przemyśle. Nawet nie możecie sobie wyobrazić, jak wielu ludzi wprowadziło w błąd. Istnieje w tym terminie nawet pewna logika, ale – niestety – ta logika jest kierowana przez komunikaty marketingowe od producentów linii hartowania szkła, a nie przez rzeczywiste prawa fizyki.

 

Ogólnie rzecz biorąc, ludzie używają określenia „pełna konwekcja” dla opisania układu konwekcji, w którym konwekcyjny ruch powietrza jest generowany przy pomocy jakiegoś typu dmuchawy, która następnie powoduje recyrkulację powietrza w części grzewczej.

 

Datuje się to od czasów, kiedy powłoki niskoemisyjne po raz pierwszy trafiły na rynek a producenci linii hartowania szkła zaczęli wprowadzać nowe technologie, by móc przetwarzać nowe powłoki. Tradycyjne linie do hartowania szkła nie sprawdzały się w przypadku nowych powłok, ponieważ prawie całkowicie polegały na ogrzewaniu radiacyjnym z użyciem grzejników.

 

Innowacją wprowadzoną w tym czasie było dodanie układu konwekcji dla bardziej efektywnego ogrzewania powlekanego szkła, ponieważ głównym celem stosowania powlekanego szkła jest odbijanie radiacyjnego ciepła.

 

Terminologia

TERMIN 1
Konwekcja jest procesem przekazywania ciepła, w którym ciepło jest przenoszone, z jednego miejsca na drugie, przepływ materii w gazie lub cieczy. W piecach do hartowania szkła tą materią jest powietrze.

 

Ten proces przenoszenia ciepła w płynie oznacza dodanie w linii hartowania szkła środków, które stwarzają ruch powietrza, co nazywa się systemem konwekcji wymuszonej. Różni się on od naturalnej konwekcji, w której płyn przemieszcza się w sposób naturalny wskutek różnicy temperatur, która wpływa na gęstość powietrza.

 


TERMIN 2
Konwekcja wymuszona jest tworzona przy pomocy pewnego rodzaju zewnętrznego źródła. We współczesnych linach hartowania szkła konwekcję wywołują sprężarki i różnego rodzaju wentylatory.

 

Wszystkie te linie są układami konwekcji wymuszonej. W miarę rozwoju w dziedzinie powłok potrzebna była kontynuacja wprowadzania innowacji w układach konwekcyjnych i grzejnych. Naukowe podejście do tego problemu jest jasne: Powłoka niskoemisyjna jest projektowana w celu odbijania promieniowania.

 

Im większa jest wartość całkowitego strumienia ciepła podczas ogrzewania konwekcyjnego szkła, tym mniejszą rolę w ogrzewaniu odgrywa emisyjność powłoki.

 

Teoretycznie: jeżeli 100% ogrzewania będzie zapewnione przez konwekcję, to zasadniczo nie ma znaczenia, jakie szkło zostanie włożone do pieca, czyste czy powlekane. Prędkość ogrzewania będzie identyczna.

 


TERMIN 3
Całkowity strumień ciepła podczas ogrzewania oznacza wszystkie źródła ciepła, zsumowane razem. Istnieją trzy metody przekazywania ciepła w liniach hartowania szkła: przewodnictwo cieplne, promieniowanie i konwekcja.

 

Procentowy udział konwekcji w strumieniu ciepła wskazuje na wielkość grzania konwekcyjnego w stosunku do przewodnictwa cieplnego, poprzez rolki i promieniowanie z elementów grzejnych i wszystkich struktur wewnątrz części grzejnej linii.

 

W tym czasie głównymi źródłami konwekcji wymuszonej były zewnętrzna sprężarka i wentylator wewnątrz sytemu grzejnego – i tak jest do dzisiaj.

 

Producenci linii hartowania szkła odkryli, że dla osiągnięcia wyższego procentowego udziału ciepła konwekcyjnego w całkowitym strumieniu ciepła kierowanym na szkło bardziej praktycznym rozwiązaniem jest układ, gdzie wentylator albo dmuchawa powodują recyrkulację powietrza wewnątrz części grzejnej instalacji.

 


TERMIN 4
Konwekcja recyrkulacyjna oznacza system konwekcji wymuszonej, gdzie gorące powietrze konwekcyjne znajduje się w obiegu wewnątrz części grzejnej i nie opuszcza jej.

 

To jest punkt, który stał się wielkim nieporozumieniem. Odkrycie to można było uogólnić przy pewnych założeniach. Nie oznacza ono, że wszystkie recyrkulacyjne układy konwekcyjne automatycznie okażą się wspaniałe.

 

W tych dawnych czasach założeniem było – co nadal jeszcze pokutuje – że recyrkulacyjne układy konwekcji są automatycznie szybsze i bardziej wydajne niż układy konwekcji z zewnętrznym sprężaniem powietrza.

 

Jeżeli umieszczę wewnątrz pieca bardzo mały wentylator, który przemieszcza pewną ilość powietrza po jednej stronie komory grzewczej w celu uzyskania ogrzewania przez konwekcję recyrkulacyjną, czy uzyskam doskonałą komorę grzewczą?

 

Oczywiście nie! Będzie to konwekcja recyrkulacyjna – ale nie będzie miała nic wspólnego z wydajnym układem konwekcji. Głównym problemem jest teraz, jak to ogrzewające powietrze oddziałuje na powierzchnię szkła.

 

Jednak fizyka nie zmieniła się w tym czasie, chociaż z niektórych dyskusji może się wydawać, że miało to miejsce. Główna zasada pozostaje nadal taka sama: wyższy procentowy udział konwekcyjnego ogrzewania w całkowitym strumieniu ciepła jest ogólnie rzecz biorąc lepszy. Strumień ciepła w 100% konwekcyjny oznaczałby pełną konwekcję.

 


TERMIN 5
Pełna konwekcja jest fantazją w świecie pieców do hartowania: czymś, o czym można marzyć, ale czego nie można spotykać w realnym świecie.

 

Fizyczne fakty mogą być nadużywane przez producentów linii termicznego ulepszania, kiedy reklamują swoje linie termicznego ulepszania jako system pełnej konwekcji. Stwarza to ogromne nieporozumienia.

 

Dzisiaj możemy zobaczyć wynik: ludzie stosują określenie „pełna konwekcja” jako ogólny termin, umieszczający wszystkie linie hartowania szkła, z każdym rodzajem recyrkulacyjnego układu konwekcji, w tej samej porównywalnej kategorii.

 

To oczywiście nie służy nikomu, z wyjątkiem pewnych producentów linii hartowania szkła, którzy trafiają do tej kategorii bez żadnego uzasadnienia.

 

 

2019 03 48 2

Fot. 1. Górna konstrukcja recyrkulacyjnego układu konwekcji widziana z tego miejsca, gdzie powinno być szkło, od dołu

 


Co dalej?

Zamiast mówić o technologii wykorzystywanej do tworzenia konwekcji wymuszonej, proponuję przedyskutować rzeczywiste funkcjonowanie różnych układów konwekcyjnych.


Oto najważniejsze problemy:
- Jaki jest całkowity konwekcyjny strumień ciepła w przypadku szkła niskoemisyjnego?
-  Jaka jest dokładność grzania w układzie konwekcji?
-  Jaka jest równomierność w całym układzie konwekcji recyrkulacyjnej?

 


Poziomy sprawności układów konwekcji

Kiedy patrzę na przemysł, to widzę trzy kategorie sprawności układów konwekcji pod względem wydajności konwekcyjnej:
1. konwekcja ograniczona,
2. konwekcja wspomagająca,
3. konwekcja jako główna metoda ogrzewania.

 


Ograniczona konwekcja oznacza systemy, gdzie konwekcja w całkowitym strumieniu ciepła podczas produkcji szkła niskoemisyjnego stanowi mniej niż 20%. Ogólnie rzecz biorąc, te systemy nie wypadają blado w przypadku szkła niskoemisyjnego.

 

Przykładem mógłby być układ konwekcji cechujący się małą ilością sprężonego powietrza, niedostateczną kontrolą lub obydwoma tymi wadami.

 

Drugim przykładem mógłby być układ konwekcji cyrkulacyjnej o małych możliwościach ruchu powietrza, co może być spowodowane niewielką mocą silnika lub zbyt małymi rurami, obok niedostatecznej równomierności konwekcji w części grzewczej.

 

W kategorii konwekcja wspomagająca, ogrzewanie radiacyjne jest silnie wspomagane przez konwekcję. Całkowity konwekcyjny strumień ciepła wynosi 20-50%. Końcowa sprawność układu grzania konwekcyjnego jest połączeniem wydajności wymiany cieplnej oraz równomierności i dokładności wymiany cieplnej.

 

Całkowity strumień ciepła może być zbliżony do 50%, ale jeżeli konwekcja nie jest równomierna, to wyniki również nie będą jednakowe.

 

Układ konwekcji przedstawiony na poniższej fotografii należy do kategorii konwekcja wspomagająca. Jest to recyrkulacyjny układ konwekcji, w którym powietrze jest najpierw kierowane do bloków dystrybucji powietrza, a z nich do rur perforowanych.

 

Jest to doskonały przykład, gdzie recyrkulacja jako taka nie oznacza, że konwekcyjny strumień ciepła koniecznie musi mieć wysoką wartość. Jest to także doskonały przykład systemu, który ma zagwarantowane problemy z całkowitą równomiernością.

 

Można zapytać, skąd mogę mieć pewność, że konwekcyjny strumień ciepła nie jest dobry? To akurat jest łatwe do wykrycia. Głównym źródłem ciepła w piecach elektrycznych są grzejniki.

 

Jeżeli szkło „widzi” grzejniki, to prawie zawsze oznacza to, że całkowity udział konwekcyjnego strumienia ciepła nie może być wyższy niż 50%, ponieważ promieniowanie automatycznie będzie odgrywało dużą rolę.

 

Następnie jak mogę stwierdzić, że ten system będzie miał kłopoty z równomiernością konwekcji? To nie jest już tak łatwe do wykrycia, ponieważ bazuje na zachowaniu się ruchu powietrza. Ten system ma jedno źródło ruchu powietrza – wentylator – przenoszący ogrzane powietrze do długiego kolektora.

 

Stąd powietrze jest rozdzielane do rur konwekcyjnych z otworami. Ponieważ średnica rury konwekcyjnej jest mała, a otwory są stosunkowo duże, oczywistym jest, że poziom ciśnienia powietrza na różnych końcach rury po prostu nie może być identyczny.

 

Oznacza to słabą równomierność konwekcji – co podczas hartowania prowadzi do problemów z jakością przy większych wsadach.

 

Warto wspomnieć, że w tej kategorii występuje bardzo duże zróżnicowanie poziomu wydajności. Nawet wówczas, gdy konwekcyjny strumień ciepła wynosił ~30–40%, często występowały znaczące różnice w rzeczywistej wydajności takich systemów grzejnych.

 

Dobrym przykładem jest konwekcja z wykorzystaniem sprężonego powietrza, przy szczególnie surowej kontroli dokładności. W sumie ten system rzeczywiście funkcjonuje z wysoką skutecznością w aspekcie jakości i wydajności, ponieważ jest bardziej dokładny niż wysokiej klasy układy z częściowym wykorzystaniem konwekcji.

 


Kategoria z konwekcją jako główną metodą grzania ma jedną wspólną cechę: szkło nie może zobaczyć elementów grzewczych. Nawet wówczas wszystkie element konstrukcyjne wewnątrz komory grzewczej są gorące i wobec tego emitują promieniowanie cieplne.

 

Jednakże promieniowanie emitowane przez elementy konstrukcji jest mniej efektywne, ponieważ ich temperatura jest niższa od temperatury samego elementu grzejnego.

 

W tej kategorii pomysł polega na ogrzaniu powietrza, a następnie powietrze ogrzewa szkło. Nawet ta kategoria nie jest pełną konwekcją. Obecnie jest to najbliższy wynik, jaki może osiągnąć przemysł hartowania szkła.

 

Ta kategoria jest zmienna także pod względem sprawności grzania. Jest to największy konwekcyjny strumień ciepła. Ale żeby był wydajny, potrzeba także równomierności oraz dokładności, wymaganych przy bardziej skomplikowanych kształtach szkła.

 

 

2019 03 48 3

Fot. 2. Recyrkulacyjny system grzejny z punktu widzenia szkła, fotografia zrobiona od dołu

 


Podsumowanie

Kiedy będziesz robić następną analizę układu grzejnego, to tutaj znajdziesz listę punktów, na które należy zwrócić uwagę:
- Jaka jest konwekcyjna równomierność w części grzewczej? Pamiętaj o potrzebie pomiarów.
- Jaka jest zdolność systemu do koncentracji ciepła w miejscu, gdzie jest ono potrzebne? Jaka jest dokładność?
- Jaka jest wielkość grzania konwekcyjnego w całkowitym strumieniu ciepła?

 

Znajdując odpowiedzi na te pytania bardzo dobrze zrozumiesz, jaki jest rzeczywisty poziom wydajności różnych systemów, które możesz wykorzystać do swojej produkcji.

 

Na koniec mam jedną prośbę do Czytelników tego tekstu. Nie używajcie lekkomyślnie terminu pełna konwekcja.

 

Ponieważ nie zajmujemy się produkcją pieców do pizzy, proszę nie traktować linii hartowania szkła w taki sposób. Nie wszystkie piece recyrkulacyjne są takie same.

 

 Miika Äppelqvist

 

 2019 03 48 4

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 3/2019

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik