Enhanced Heat Transfer Effectiveness of Hot Water Tank

Abstract

This research aims to study heat transfer over cylindrical hot water tank that has a hot water pipe wrap around the tank. The various locations of wrapped pipe that gives maximum heat transfer rate will be find out. This study is divided into two steps: simulation and the actual test with the hot water tank.

The computer program is employed to simulate heat transfer. The location of heat straps is varied such as bottom of tank, lower wall, middle wall and upper wall. The strap arrangement is varied from 2, 3 and 4 time respectively. As the simulation, the results show that heat strap at lower wall gives heat transfer rate more than others. Moreover, the heat transfer will increase as heat strap pitch increases. The simulation results will be used to the experiment design of that.

In the second part, the research aims to study in heat transfer of hot water tank is a cylinder type and has a hot water pipe around the tank. It is used for finding a position and a pattern of distribution of the hot water pipe around the tank in the highest heat transfer condition. The study uses the cylinder of hot water tank filled 45 liters of 25oC water. An experiment separates in 3 positions of pipe wrapping which are the bottom, the center and the top of the tank. Then, 80oC of hot water run thought the hot water pipe which is wrapped around the tank for 120 minutes. The result of the experiment shows that tubing position that causes the highest heat transfer is at the bottom of tank. Pipe wrapping at the bottom of the tank has the heat transfer higher than the top of the tank at 30%. Furthermore, this experiment studies in spacing of hot water pipe. There are 3 types for testing which are spacing hot water pipe as one time, two times and three times of diameter of pipe. The result illustrates that spacing the hot water pipe can significantly increase the heat transfer. The heat transfers of spacing the hot water pipe in three times of diameter of pipe is higher 5.8 % than spacing in one times. In addition, this research is to study in the effect of turbulent flow on the heat transfer by installing agitator in order to stir water in the tank. The result is that water stirring in the tank for increasing the heat transfer is not effective for investment because the energy using for stirring is higher than the enhanced heat transfer.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการถ่ายเทความร้อนในถังแลกเปลี่ยนความร้อนแบบทรงกระบอกที่มีท่อน้ำร้อนพันอยู่โดยรอบถัง เพื่อหาตำแหน่งและรูปแบบการกระจายตัวของท่อน้ำร้อนที่พันอยู่รอบถังที่ทำให้มีการถ่ายเทความร้อนสูงที่สุด โดยการศึกษานี้ได้แบ่งออกเป็นสองขั้นตอนคือ การจำลองด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และการทดสอบจริงกับถังน้ำร้อน

ในส่วนของการจำลองจะจำลองด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ โดยการจัดวางตำแหน่งของแถบความร้อนมี 4 แบบด้วยกันคือ แบบติดตั้งที่ด้านใต้ของถัง แบบติดตั้งที่ชิดผนังด้านล่าง แบบติดตั้งกึ่งกลางผนัง และแบบติดตั้งชิดผนังด้านบนของถัง รูปแบบการกระจายตัวของแถบความร้อนมี 3 แบบคือ แบบที่มีระยะห่างต่อความกว้างของแถบความร้อนเท่ากับ 2, 3 และ 4 ตามลำดับ ซึ่งจากการจำลองพบว่า ตำแหน่งที่ให้การถ่ายเทความร้อนสูงที่สุดคือตำแหน่งชิดผนังด้านล่าง และเมื่อมีการกระจายตัวของแถบความร้อนออกไปก็จะทำให้การถ่ายเทความร้อนมีค่าสูงขึ้นตามไปด้วย ซึ่งจากผลการจำลองดังกล่าวได้ถูกนำไปออกแบบการทดสอบกับถังน้ำร้อนจริง

ในส่วนของการศึกษาการถ่ายเทความร้อนในถังน้ำร้อนที่มีลักษณะเป็นแบบทรงกระบอกและมีท่อน้ำร้อนพันอยู่โดยรอบถัง เพื่อหาตำแหน่งและรูปแบบการกระจายตัวของท่อน้ำร้อนที่พันอยู่รอบถังที่ทำให้มีการถ่ายเทความร้อนสูงที่สุด การศึกษาจะใช้ถังน้ำร้อนแบบทรงกระบอกที่บรรจุน้ำที่มีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส จำนวน 45 ลิตร โดยการทดสอบจะแยกตามตำแหน่งการพันท่อรอบถัง 3 ตำแหน่ง คือ ตำแหน่งล่าง ตำแหน่งตรงกลาง และตำแหน่งด้านบนของถัง โดยนำน้ำร้อนอุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส ไหลผ่านท่อน้ำร้อนที่พันรอบถัง ในระยะเวลา 120 นาที จากผลการทดสอบพบว่า ตำแหน่งการพันท่อที่ทำให้การถ่ายเทความร้อนสูงที่สุด คือ ตำแหน่งที่พันท่อด้านล่างของถัง โดยที่การพันท่อในตำแหน่งล่างของถังจะมีค่าสูงกว่าตำแหน่งบนถึงร้อยละ 30 จากนั้นทำการทดสอบด้วยการเว้นระยะห่างของท่อน้ำร้อน 3 แบบ คือ แบบที่มีระยะห่างเท่ากับหนึ่งเท่า สองเท่า และสามเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ จากทดสอบพบว่า การเว้นระยะห่างของท่อน้ำร้อนออกไปจะทำให้การถ่ายเทความร้อนมีค่าสูงขึ้น โดยที่การเว้นระยะห่างของท่อที่สามเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ จะมีค่าการถ่ายเทความร้อนสูงกว่าแบบที่ไม่เว้นระยะห่างเท่ากับร้อยละ 5.8 นอกจากนี้ยังได้ศึกษาผลของการไหลแบบปั่นป่วนต่อการถ่ายเทความร้อน ด้วยการติดตั้งมอเตอร์ใบกวนเพื่อกวนน้ำในถังแลกเปลี่ยนความร้อน จากผลทดสอบพบว่า การกวนน้ำในถังแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนมีค่าสูงขึ้นของการทดสอบนี้นั้น ไม่คุ้มค่าต่อการลงทุนเพราะพลังงานที่ใช้สำหรับใบกวนมีค่าสูงกว่าค่าการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้น