FEM analýza nádoby pro ohřev vody pomocí slunečního záření

Tags: CAE | FEM | Simulace

Systémy pro ohřev užitkové vody pomocí solární energie zaznamenávají v posledních letech rostoucí oblibu. V průběhu této doby si postupně nacházejí cestu mezi stále větší počet uživatelů. Už dávno neplatí, že jejich uplatnění je spojeno s velkými investičními a provozními náklady. Základní princip jednotlivých zařízení je založen na dopadu slunečního záření na absorbér, který ho transformuje na teplo. Teplo je následně prostřednictvím teplonosné kapaliny nebo přímého transferu předáváno ohřívané kapalině, která se nachází v nerezovém výměníku různého objemu a tvaru. Jednotlivá používaná konstrukční řešení se navzájem liší celou řadou faktorů.

Podle konstrukčního řešení rozeznáváme ploché a trubicové absorbéry. Příklad solárního systému s trubicovým a plochým absorbérem je na obr. 1.

Obr. 1 Ukázka různých typů solárních systémů na ohřev vody [1, 2]

Z grafického zobrazení můžeme pozorovat, že solární systém s plochým tvarem absorbéru je tvořen pláštěm kolektoru (1), který v sobě obsahuje tepelnou izolační vrstvu např. z minerální vlny (2). V ní je následně umístěno sběrné potrubí teplonosné kapaliny, které zajišťuje distribuci získané tepelné energie až k výměníku s ohřívanou užitkovou vodou. Na vrcholu celé konstrukce se nachází absorbér (4), který může být vyroben z různých materiálů a je doplněn průhledným krytem, který snižuje ztráty tepla a zároveň umožňuje prostup slunečního záření (5). Tento kryt může být vyroben ze skla, polykarbonátu nebo jiného vhodného materiálu se zvýšenou odolností proti působení UV záření.

Solární systémy s trubicovými absorbéry pracují na podobném principu. V trubkovém obalu (1) je umístěno znovu sběrné potrubí (2), které je obklopeno absorbérem (3) tepelné energie. Získaná energie je vedena do výměníku tepla (4) pomocí sběrné trubky (5). Nakonec je celý výměník obalen tepelněizolační vrstvou (6).

Mezi solární systémy na ohřev vody s trubicovými absorbéry patří i zařízení, jejichž konstrukci tvoří nádoba na ohřev vody umístěná nejčastěji v plastové vaně s kovovým rámem. Její dno je vystláno tepelněizolační vrstvou. Nádoba na ohřev vody má tvar tří na černo natřených kovových válců, vyrobených z tenkého plechu z nerezové oceli, a plní tak funkci nejen nádoby, ale i absorbéru. Celá konstrukce je ještě překryta polykarbonátovým krytem.

Provozování solárního systému

Provozování takového systému ohřevu vody je velmi jednoduché a nenáročné, pokud se při jeho montáži dodrží všechny nezbytné podmínky. Jde především o zajištění předepsaného tlaku vody, která do zařízení vstupuje a vystupuje. V případě nedodržení těchto podmínek může časem dojít k jeho vážnému poškození.

Jedno takovéto zařízení bylo namontováno na rodinném domě, kde v průběhu dvou sezón plnilo ke spokojenosti uživatelů svou funkci. Zařízení bylo provozováno především během jara, léta a podzimu. Před zimní sezónou z něj byla vždy vypuštěna voda, aby zařízení v zimě nezamrzlo, a na jaře bylo znovu napuštěno vodou a uvedeno do provozu.

Na konci druhé sezóny bylo u zařízení pozorováno protékání vody v jeho dolní části (obr. 2). Zhotovitel zařízení tuto skutečnost zdůvodňoval jako důsledek srážení vlhkosti, jemuž netřeba věnovat pozornost. Protože však voda tekla stále, bylo třeba hledat příčinu tohoto procesu jinde.

Obr. 2 Pohled na solární zařízení a detail protékání vody v jeho spodní části

Z tohoto důvodu se následně přikročilo k otevření celého zařízení a odebrání horního polykarbonátového krytu (obr. 3).

Obr. 3 Pohled na vnitřek solárního zařízení po sejmutí vnějšího krytu

Poškození nádoby na ohřev vody

Už na první pohled bylo zřejmé, proč ze zařízení vytékala voda. Cela nádoba na ohřev vody byla značně zdeformována a na několika místech obsahovala drobné perforace, přes které byla pod tlakem vytlačována kapalina (obr. 4).

Obr. 4 Pohled na zdeformovanou nádobu na ohřev vody

Na základě další prohlídky byly identifikovány další perforace pláště nádoby a zároveň byly jasně viditelné stopy po dlouhodobém protékání vody. Pro potřeby analýzy celého procesu poškození tohoto zařízení byla realizována mimo jiné i analýza pomocí FEM.

Výpočtový model

Pro tvorbu výpočtového modelu a následnou analýzu byl použit softwarový nástroj SolidWorks Simulation. Geometrie výpočtového modelu je znázorněna na obr. 5.

Obr. 5 Geometrie výpočtového modelu

Tvoří ji tři duté válce na obou koncích uzavřené kruhovými víky. Jednotlivé válce jsou mezi sebou propojeny propojovacími trubkami.

Konce jednotlivých válců jsou propojeny L-profilem, jehož délka je 1000 mm. Okrajové podmínky byly definovány tak, aby simulovaly uchycení nádoby v rámu zařízení na ohřev vody (obr. 6). Kruhová víka byla k vnitřní straně válců připojena pomocí vazby, která reprezentovala svarový spoj. Pomocí stejné vazby byly k vnější ploše válců připojeny dvě propojovací trubky, vstupní a výstupní trubka pro přívod a odvod kapaliny.

Obr. 6 Okrajové podmínky a simulované zatížení

Síť konečných prvků byla generována z prvků typu Shell. Simulované zatížení bylo v průběhu výpočtu řízené křivkou. Kontakt mezi jednotlivými kontaktními dvojicemi byl definován pomocí volby „Global Contact“.

Prostřednictvím prezentovaného geometrického modelu bylo realizováno několik výpočtů, jejichž cílem bylo zjistit, jak je nádoba na ohřev vody během svého řádného provozu namáhána, dále bylo zkoumáno namáhání během napouštění.

Výsledky výpočtů

Jednotlivé výpočty byly dělány na základě prvotní hypotézy o příčinách vzniku poškození nádoby na ohřev vody. Hypotéza vycházela z poznatku, že při montáži byl jako bezpečnostní prvek pro solární zařízení namontován přetlakový ventil, který měl chránit zařízení při zvýšeném tlaku v nádobě. Tento tlakový ventil byl umístěn v nejnižším bodě zařízení pro solární ohřev vody, konkrétně v místě, kde bylo zařízení napojeno na přívod vody.

Při montáži však nebyl namontován podtlakový ventil. Jeho úkol je také velmi důležitý, protože při poklesu tlaku vody ve vodovodním potrubí a s tím spojeným následným vznikem podtlaku vyrovnává tlak v nádobě. Zároveň tento ventil hraje důležitou roli v době, kdy dochází k vypouštění vody a kdy je velikost vznikajícího podtlaku nejvyšší.

Na základě uvedených hypotéz byly navrženy scénáře FEM analýzy s cílem zjistit, jak ovlivňuje skutečnost, že nebyl v rámci provozu zařízení používán podtlakový ventil, namáhání celé vnitřní konstrukce solárního zařízení na ohřev užitkové vody. V rámci analýzy jsme neuvažovali s teplotou kapaliny, kterou jsme v tlakové nádobě simulovali.

Na obr. 7 je znázorněn výsledek rozložení napětí von Mises nádoby při jejím normálním provozu. Z výsledků vyplývá rovnoměrné rozdělení po obvodu válců a jeho zvýšená koncentrace v místě svarů. Celkově však lze konstatovat, že není možné pozorovat žádné závažné anomálie.

Obr. 7 Výsledek rozložení napětí von Mises nádoby na ohřev vody

Další výpočet byl realizován tak, aby simuloval vypouštění vody z tlakové nádoby a s tím související vznik podtlaku. Na obr. 8 je možné pozorovat vznik deformací na válcových plochách nádoby. Získané výsledky výpočtů korespondují s tvarem nádoby, který byl zjištěn při prvním otevření celého zařízení.

Obr. 8 Výsledná velikost deformace nádoby na ohřev vody

Na obr. 9 je znázorněno rozložení jednotlivých parciálních napětí von Mises při naplňování nádoby vodou. Znovu nelze pozorovat výrazné změny a napětí je rozloženo rovnoměrně, bez výrazných extrémů.

Obr. 9 Výsledná velikost rozložení napětí v nádobě na ohřev vody

Závěr

Výsledky FEM analýzy jednoznačně potvrzují prvotní hypotézu, která byla stanovena, o vzniku a příčinách poškození solárního zařízení na ohřev vody v důsledku chybějícího podtlakového ventilu. Nádoba na ohřev užitkové vody byla během poklesu tlaku ve vodovodním potrubí a hlavně při jeho vypouštění vystavena namáhání v důsledku vzniku podtlaku.

Vzniklý podtlak způsoboval deformaci stěn jednotlivých válců, čímž postupně docházelo ke změně kruhového průřezu na elipsovitý. V důsledku toho začaly vznikat na plášti válců ohybové hrany, kde v kvůli opakovanému cyklickému namáhání docházelo ke vzniku perforací a trhlin, přes které začala postupně unikat voda. Tento nepříznivý jev podtrhují i viditelné stopy po tekoucích pramíncích vody, které jsou viditelné po celém vnitřku zařízení.

Obr. 10 Pohled na stopy po unikající vodě

Článek je součástí řešení grantových projektů VEGA 1/0922/12, VEGA 1/0036/12, APVV SK-CZ-2013-0169 a KEGA 006STU-4/2015.

Literatura

1. https://www.siea.sk/materials/files/materials-files-poradenstvo-publikacie-brozury-ako_vybrat_kolektor-plochy_kolektor.jpg
2. https://www.siea.sk/materials/files/materials-files-poradenstvo-publikacie-brozury-ako_vybrat_kolektor-trubicovy_kolektor.jpg
3. Fabian, M. – Spišák, E.: Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií. 1. vyd. Brno: CCB, 2009. 398 p. ISBN 978-80-85825-65-7.
4. Novotný, L. (2010), „Finite element method employement to obtain material properties for elasto-plastic simulations“, Metalurgija, vol. 49, No. 2, pp. 409–411.