On-site måling af varmekonduktivitet

Transkript

1 Projekt nr Titel: On-site måling af varmekonduktivitet i præisolerede fjernvarmerør i drift Udført af: Teknologisk Institut On-site måling af varmekonduktivitet On-sitemålingafvarmekonduktivitetipræ isolerede fjernvarmerøridrift Juli 2018

2 On-sitemålingafvarmekonduktivitetipræisoleredefjernvarm e- røridrift Dansk Fjernvarmes F&U-konto nr Udførtaf: Teknologisk Institut, Energi og Klima, Installation og Kalibrering, Aarhus Ilustrationerog fotos:dennis Dam Sørensen og Niels W inther,teknologisk Institut 1

3 Forord Deteprojektharundersøgtmulighedenforatforetage on-site-m ålingerafisoleringensvarm ekonduktivitetpåpræisoleredefjernvarmerøridrift,og påden baggrund hardansk Fjernvarmes F&Ufondstøtetdeteprojektsgennemførelse. Teknologisk Institut Aarhus, den 2. juli 2018 DennisDam Sørensen NielsWinther Ph.d. Civilingeniør 2

4 Indholdsfortegnelse Forord Sammendrag Baggrund M ålingafvarmekonduktivitet Projektetsgennemførelse Resultater Konklusion og fremtidsperspektiver

5 1. Sammendrag Projektetharhaftsom formålatudvikleogvalidereenmetodetilon-site-målingafisoleringensvarmekonduktivitetipræisoleredefjernvarmerøridrift. Metodenbyggerpåatmålemedierørs-ogkapperørstemperaturen sammen med den varmeflux, der strømmergennem kapperøret. Deindledendelaboratoriemålinger,derskulevalideremetodeniforholdtilmålingpåetrørmed kendt varmekonduktivitet, gav ikke umiddelbart valide resultater, og der er derforikkeudførtmålinger on-site, da det ikke ville give mening at udføredem sålængemetodenikkeertrimmetindi laboratoriet til at give det resultat, som forventes. 4

6 2. Baggrund Varmetabet fra distributionsledningerneudgørformangeværkeriomegnenaf15-25%,ogsærligt ældrerørledningermedco2-skum har et relativt stort varmetab grundetisoleringensrelativhøjevarmekonduktivitet. Gennem åreneharderfrafleresiderværetytretønskeom atkunnem åleisoleringensvarm ekonduktivitet on-site, dvs. uden at skulle udsaveetrørstykketillaboratoriemålingmedafspæ ringafforsyningenm.m.tilfølge. Ofteerældreledningerlagtsom isoleringsklase1,og nårisoleringensvarm ekonduktivitetgennem åreneerstegetgrundetcelegasernesdifusion,fårledningen etøgetvarmetab.m ed etværktøjtil on-sitefastlæggelseafvarmekonduktivitetenogdermedvarm etabetvildetforværkerneværem uligt efterfølgendeatlaveøkonomiskeberegninger, der viser rentabilitetenafenledningsrenoveringtilrør med isolering af lav varmekonduktivitetoghøjisoleringskla se. Et lavere varmetab fra ledningsnettet giver bedredriftsforhold og økonomiforbådeværkerneog forbrugerne,ogerheltitrådmeddengrønneprofil,som fjernvarm esektorenstårfor. PådenbaggrundharDanskFjernvarmesF&U-fondstøtetdeteprojektsgennemførelse. 3.M ålingafvarmekonduktivitet Alle stoffer og dermed materialer har unikke egenskaber for fx densitet og varmeledningsevne, og deternormalt,atdisemålesmed standardiserede og dermed repetérbaremetoderunderkontrolerede forhold i laboratoriet. Skalvarmeledningsevnenafisoleringenietpræisoleretfjernvarmerørfastlægges,skerdetnormalt påmindrerørstykkerpåfx3m ilaboratoriet,hvordertilføresenkendtenergimængdetilmedierøret, som giver en kendt varmeflux radialt, dvs. ud modkapperøret,ogsamtidigmålesmedie-ogkapperørstemperaturen. Normaltgennemføresenvarmekonduktivitetsmålingmedtreforskeligemedierørstemperaturer,der resulterer i tre forskellige varmekonduktiviteter for isoleringen, da de er tem peraturafhængige,ogved lineærregre sioninterpoleresvarmekonduktivitetensåved en m iddelisoleringstem peraturpå50 C. Påbiledetses,hvorledesdetesker. Figur1:Fastlæggelseafisoleringensvarmekonduktivitetvedenmiddelisoleringstemperaturpå 50 C foretagesvedinterpolationmelem tremålepunkter.eksempelframålingpåuforsegletældetreferencerørmedco 2-skum 5

7 Nårfastlæggelseafisoleringensvarmekonduktivitetskeron-sitepårøridrift, er der ikke mulighed foratopnåtre forskeligemedierørstemperaturermedenrimeligspredning,ogenløsningkanda væreatmålepåfrem-ogreturløbsrørenesamtidig,hvilketvilgivetomålepunkter,idetdetforudsættes,atrørenesisolering erens.to m ålepunktergiverdog altandetligeenstøreusikkerhedendtre målepunkter,menerdenenestefarbarevejvedon-sitem ålingpårøridrift. Nårvarmeledningsevnenskalmåleson-site,erdenindefratilførteenergimængdeikkekendtogveldefineret,hvorforderpåkapperøretsydersideistedet for anbringes en varmefluxmåler,dereret term oelem entm edenudgang spændingproportionalmed temperaturdifferencen mellem dens overog underside. Detilprojektetindkøbtetovarmefluxmålerehardimensionerne mm med en fra producenten kalibreretudgangspændingpå66 V/(W/m²).Tilvalideringafmetoden blev der i laboratoriet anvendtetrørmedkendtvarmekonduktivitet,og m ed fx 70 C im edierøret gav det et output fra varmefluxmålerenpåca.2mv,sådetersåledesganskesmåspændinger,derskalmålespå. Bilede1:En mm varmefluxmåler.detyndekobberlamelergør,atmålerenkanbøjessvarendetilkrumningenpåetkapperør,hvordenfastgøresheldækkendemedtape,derharsammeemissivitetsom kapperøret Sammenmedvarmefluxenmålesmedierøretstemperaturmedensensoranbragtpåydersidengennem etlilehulikapperøretogisoleringen,som efterfølgendelukkes,samtpåkapperøret,beggeiumiddelbarnærhedafvarmefluxmåleren. Til validering af kapperørstemperaturen,samtikkemindstforat undgåatmåleovenpåenafstandsholder(spacer)inde i isoleringen, valideres temperaturen med et infrarødt(ir)kam era(flire95). 6

8 Bilede2:EksempelpåIR-detektionafen afstandsholder(spacer)indeiisoleringen Bilede3:IRanvendtpådenmonterede varmefluxmåler TC IR [ C] 28,6 28,4 28,6 28,5 28,8 28,9 28,8 28,8 28,9 29,0 29,1 29,3 Tabel1:Samhørendetemperaturermåltmed thermocoupler (TC)svarende tilden grønne cirkelhhv.infrarødtkamera(ir) Bilede4:TC(grøncirkel)undertape Etafgørendepunktfornøjagtige,absolutetemperaturmålingermedinfrarødtudstyrer,atdenanvendteemisionskoeficientforoverfladendermålespåerkorekt.Dervaringen kendte emissionskoeficienterfordesortepekapperør,hvorfordetvarnødvendigtatfådem målt.toprøverblev sendt til det danske referencelaboratorium indenforberøringsløstemperaturmålingveddtu,hvor emisionskoeficientblevmålttilatværeretkonstantibølgelængdeområdetrelevantformangeinfrarødesensorer(7-14µm).forenoverfladetemperaturpåhhv.38 C og55 C blevemisionskoefficienten bestemt til hhv. ca. 0,96 og ca. 0,95. Figur2:EmisionskoeficienterforsortPE kapperør 7

9 4.Projektetsgennemførelse Detvarsåledespåforhåndkendt,røretharen varm ekonduktivitetforisoleringenpå38,6w /(m K), og resultatet med den nye on-site-metode skulle derfor naturligvis give det samme. Tilenmålingforatfastlæggeetrørsisolerings varmekonduktivitet kræveskendskabtil: Røretsgeometri,dvs.relevantemålfordiametreogrørlængden(DS1, DS2, DC3 og DC4) Temperaturenpåindersidenafmedierøret(T1) Temperaturenpåydersidenafkapperøret(T4) Varmefluxenfrakapperøret( ) Sammenhængenmelem ovenståendesespåfølgendeform el,hvordem åltetem peraturerog varm e- fluxenerangivetmedblåt: Røretsgeometrimålesletmedskydelære,cirkummeterogmålebånd.TemperaturenT1 påindersiden afmedierøretkanvedenikke-destruktiv metode af gode grunde ikke m åles,m endetkantilgengæld temperaturen T2 påydersidenafm edierøret,idetdergennem kapperøretboresetlilehul,ogmeden svejsetråd dannesen lilekrum kanaligennem skummet, hvorigennem der injiceres varmeledende pasta og en thermocoupler. Temperaturen T1 påindersidenafm edierøretkanefterfølgendeberegnes ud fra T2. Bilede6:Enthermocoupleranbringespåover- sidenafmedierøret.undertapensestilhøjre entilsvarendeanbragtpåoversidenafkapperøret Bilede5:Gennem enkanyleinjiceresvarmeledendepastanedtiloverfladen afmedierøret. Detharforprojektetværetesentieltatkunneforetage validerende målingerpå etrørmed kendt varmekonduktivitet for isoleringen. Nårderskalafprøvesmednyemålem etoder,erdetabsolutafgørendeatvide,om det,manmåler,ogsåstemmer,ogdaerteknologiskinstitutsfuldtældedereferencerørdn50/140,oprindeligproduceretmedco2-skum,særdelesvelegnet. 8

10 Densidsteparameteratmåleervarmefluxen,ogdet sker med en varmefluxmåleranbragtpåydersidenafkapperøret.hererdetvigtigt,atdenneerdelsm onterettættilkapperøret,delsatden haren overfladeemisionsåtætpåkapperøretssom muligt. DakapperøreterfremstiletafsortPE,blevvarmefluxmålerenmonteretmedsortPE-tape. Bilede7:VarmefluxmålerenmonteretpåkapperøretmedsortPE-tape Foratsikre,atmålingerneikkeblotblevudførtsom øjebliksværdier, blev temperaturerne og varmefluxen registreret via en datalogger,såalem ålingerefterfølgendekunne midles over et vist tidsrum, isærfordidethurtigtkunnekonstateres, at udgangssignalet fra varmefluxmålernevarstærktfluktuerende. 9

11 5. Resultater MålingerneilaboratorietblevudførtpåetuforsegletældetDN50/140referencerør,hvorisoleringens varmekonduktivitetvarkendtpåforhånd.røretsisolering har en relativ højvarmekonduktivitet,da deteretældrerørmedco2-skum,som harværetældet,og derforerheltstabiltudentermiskeændringer. Det kunne hurtigt konstateres, at udgang signaletfravarmefluxmålerne var meget fluktuerende, hvorforendirekteaflæsningpådettilsluttede voltmeter ikke var optimal, og der blev koblet en datalogger på,såresultaternekunnemidlesoveretgivettidsrum efterfølgende.pånedenståendegrafsesfluxmålernes udgangssignal som funktion af tiden, og der blev logget hvert sekund.denenefluxmålerblev placeretpåundersidenafrøretvendendemoddetkøligeregulv,ogdenandenpåoversidenafrøret vendende mod det varmere loft, hvilket er den primæreårsagtildetoforskellige udgangssignaler, men de fluktuerer tydeligvis begge meget uanset placeringen. Figur3:Udgangsignaletfravarmefluxmålernevarmegetfluktuerende.Bemærkdetreniveauer,der skilerved~20.000og~40.000logningersvarendetiltreforskeligemedierørstemperaturer Sammenmeddenmåltemedie-ogkapperørstemperatur skulle det nu i princippetværemuligtat beregneisoleringensvarmekonduktivitetpåsammem ådesom prøvningerilaboratoriet generelt. Normaltgivermålingernetrepunkterpåenretlinje,hvilket trods adskillige forsøgsletikkelodsig gøreiprojektmålingerne,ogendvidereramteingen af interpolationerne den kendte varmekonduktivitetpå38,6w /(m K). Idetlaboratoriemålingerneikkegav detforventede resultat,blev detbeslutet,atmålingeron-site, dvs.pårøridrift,ikkesom sådanvileværeformålstjenlig,nårmetodenikkekangivedetrigtige resultat i laboratoriet. 10

12 Figur4:Målingerneresulteredeikkeitrepunkterpåenretlinje,ogramtehelerikke 50på 38,6W/(m K) Tilatsikreenrepræsentativvarmefluxmålingburdedendækkendetapehaveoverfladeegenskaber sammenligneligmeddetsortepe kapperør.dentilprojektetanvendtetapevarsåtætpåsom muligt, men det kan ikke udelukkes, at den kan have haft en betydning for den manglende korrelation mellem resultaterne. 6. Konklusion og fremtidsperspektiver Iprojektforløbeterdergjortmange erfaringeriforhold tilatanvende IR og varmefluxmålere til bestemmelseafetpræisoleretfjernvarmerørsisolerings varmekonduktivitet, og der er stadig udfordringer, bl.a. i forhold til at give varm efluxm åleren enem isionsvarendetiletsortkapperørafpe. Metodenersom sådanegnet,menvil stille store krav til, hvordan målingernereeltskaludføresonsite,hvorklimatiskepåvirkningersom isærvindogsolvilnødvendiggøreenform foroverdækning afmålestedetiudgravningen.m ålingerikoldtvejrvilgivedenstørstevarmeflux,mensenvarm sommerdag med sol vil reducere udgangssignalet fravarmefluxmålerenvæsentligtogdermedøge usikkerheden. I projektet F&U blev on-site-m åling afisoleringens varmekonduktivitetprøvetmed en sonde,der,nårdenvarplaceretiisoleringengennem etlilehulikapperøret,udsendteenvarmepuls, og derefter registrerede den tid, som temperaturrelaksationen varede, og pådenbaggrundkunnevarmekonduktiviteten beregnes. Uheldigvis var metoden ikke egnet, da den store varmeflux fra medierøretforsty redemålingernetotalt,ogmetodenvilederforkrævemålingpårør,dermidlertidigvar tagetudafdriftogkøletnedtilom givelsestem peratur,hvilketsjældenterm uligt. Selvom denideteprojektanvendtemetodebyggerpået ganske andet princip,erresultaterneså usikre, at vi dels ikke har fundet metoden egnet til atmåleon-site,delsatmetodenkrævermegetmere grundforskningudoverdegivneøkonomiskeprojektrammerforatkunneanvendestilvalidemålinger. 11