Fenor i kollektorn ger bättre värmeöverföring

Kim Johansson är vd på Muovitech Sverige.
FOTO: FREDRIK MALMLUND

Kollektorslangen Turbocollector, med fenor på insidan, ger tre till sex gånger bättre värmeöverföring inom ett visst flödesintervall. Det visar en ny vetenskaplig studie som har publicerats i den vetenskapliga tidskriften International Journal of Heat and Mass Transfer.

Kollektorslangen Turbocollector från Muovitech har funnits på marknaden i många år nu. Men det har varit omdiskuterat om dess fenor på insidan verkligen ger de påstådda effekterna med högre värmeöverföring. Flera studier har tidigare gjorts med olika resultat som följd. Nu visar en ny vetenskaplig studie som har publicerats i den vetenskapliga tidskriften International Journal of Heat and Mass Transfer att fenorna fungerar som avsett.

– Det här är en viktig bekräftelse på vad vi har kunnat konstatera i interna tester och från erfarenheter i fält med Turbocollector. Nu har vi blivit faktagranskade och godkända av flera olika forskare. Det ger en kvalitetsstämpel som är nödvändig för att vi ska vara trovärdiga, säger Kim Johansson, vd på Muovitech Sverige, som också är medförfattare till studien.

Gemensamt för de tidigare studierna är att de har byggt på fältstudier i borrhål. Vid dessa värms vätskan i kollektorslangen och temperaturen mäts när den kommer tillbaka från borrhålet. Flera andra faktorer utöver kollektorslangens utformning påverkar utfallet, till exempel typ av berg, sprickbildningar, hur rören ligger i berget och dess kontakt med berget. Det gör det svårt att mäta effekten av just fenorna i kollektorslangen, enligt Kim Johansson.

Den aktuella studien bygger istället på simuleringar där kollektorslangens utformning har kunnat isoleras från andra källor till påverkan. Metoden kallas DNS, direct numerical simulation.

– Den här metoden är väldigt detaljerad och simulerar vad värmeväxlingen blir. Nackdelen är att det kräver mycket datorkraft, vilket gör metoden dyr och långsam. Men du får exakta simuleringar, säger Kim Johansson.

Simuleringarna utfördes av Niklas Hidman, forskare på Chalmers tekniska högskola.

– Vi ville få bort allt brus, eller osäkerhetsfaktorer, som är förknippade med tidigare tester. Med fältmätningar är det svårt att veta vad som bidrar med vad, förklarar Kim Johansson.

Studien började med att simulera olika flöden i ett slätt rör med fyra olika typer av kollektorvätska. Därefter började man lägga till olika typer av fenor på insidan av kollektorn för att hitta en optimal utformning.

– Vi tittade på olika former, höjder, vinklar och antal räfflor och om de vrider åt ett eller flera olika håll.

Med hjälp av fenorna fick man turbulenta flöden tidigare och kunde flytta tillbaka gränsen för när vätskan blir turbulent. Hastigheten på ett flöde mäts i Reynoldstal.

– Normalt påbörjas övergångsfasen från ett rakt, så kallat laminärt flöde, till ett turbulent flöde vid Reynoldstalet 2 300. Nu fick vi turbulens redan vid 1 700-1 800, utan att friktionsfaktorn påverkades av fenorna utanför spannet 1 800-2 300. Med fenorna får vi alltså fördelarna, det vill säga bättre värmeöverföring utan att öka tryckfallet utanför spannet 1 800-2 300, något som annars kostar pumpenergi, berättar Kim Johansson.

Den utformning som gav bäst resultat var den där fenorna roterade först åt ett håll och sedan åt det andra, det vill säga så som Turbocollector är utformad. Den gav turbulens vid flöden ned mot Reynoldstalet 1 700.

– Raka fenor gav däremot ingen fördel alls, där beter sig flödet likadant som i ett slätt rör. Det är genom att byta vinkeln på fenorna som vätskan börjar tumla, säger Kim Johansson.

Simuleringarna visar att värmeöverföringen blir bättre inom intervallet Reynoldstal 1 800-2 300. Kim Johansson pekar på två stora fördelar med att ha den här typen av fenor i kollektorn.

– Turbulenta flöden uppstår i regel vid spetslast, det vill säga när pumpen går för fullt. Men alla moderna värmepumpar är varvtalsreglerade och varierar sitt flöde under säsongen. Med en vanlig kollektor kan du då få laminärt flöde med sämre värmeöverföring när pumpen går ner i varv. Med fenor förlänger du fönstret med bra värmeöverföring.

– En annan stor fördel med studien är att resultaten kan användas i simuleringsprogram, till exempel GHE Tool, som kan visa hur mycket värmeöverföring man får. Det kan leda till att man behöver borra mindre eller får ut högre temperatur till värmepumpen, vilket ger en bättre värmefaktor.

Studien är framtagen av Niklas Hidman, doktor i fluid dynamics på Chalmers tekniska högskola, Kim Johansson, vd Muovitech Sverige, Daniel Almgren, produktutvecklare Muovitech Sverige och Eskil Nilsson, Ernströmgruppen, ägare av Muovitech.

TEXT: LARS WIRTÉN