PAROWANIE WODY ZE SWOBODNEGO ZWIERCIADŁA PRZY RÓŻNEJ ORGANIZACJI WYMIANY POWIETRZA W HALI BASENOWEJ

Transkrypt

1 Zespół Naukowo-Dydaktyczny Wentylacja i Klimatyzacja INSTRUKCJA LABORATORYJNA PAROWANIE WODY ZE SWOBODNEGO ZWIERCIADŁA PRZY RÓŻNEJ ORGANIZACJI WYMIANY POWIETRZA W HALI BASENOWEJ Opracowała: mgr inż. Ilona Cyba Opracowanie tylko do użytku wewnętrznego Wrocław 2016

2 Zawartość instrukcji 1 WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW PRZEJMOWANIA CIEPŁA I MASY STANOWISKO POMIAROWE WYTYCZNE DO ĆWICZENIA Cel ćwiczenia Zakres pomiarów Określenie strumienia odparowującej wody OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ LITERATURA

3 1 WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW PRZEJMOWANIA CIEPŁA I MASY Pojęcie podobieństwa zjawisk zostało zapożyczone z geometrii, ponieważ wymaga ona pewnych warunków, by istniało podobieństwo figur. Pojęcie podobieństwa można więc przenieść na zjawiska fizyczne. Okazuje się, że koniecznym warunkiem podobieństwa zjawisk jest równość bezwymiarowych grup parametrów, liczb kryterialnych. Przy kontakcie powietrza z wodą w najogólniejszym przypadku zachodzą zjawiska wymiany ciepła i masy (pary wodnej). Kierunek przepływu ciepła i pary wodnej zależy od parametrów termodynamicznych powietrza i wody. Gęstość strumienia określa się wtedy ze wzoru: q = α (t p t pw ), W/m 2 (1) gdzie: α współczynnik przejmowania ciepła, W/m 2 K, t p temperatura powietrza suchego,, t pw temperatura powierzchni lustra wody,. Natomiast gęstość strumienia masy można określić wzorem: w = β (p 1 p 2 ) 1013 p b, kg/(m 2 s) (2) gdzie: β współczynnik przejmowania masy, kg/(m 2 s), p 1 ciśnienie nasycenia pary wodnej w warstwie granicznej, hpa, p 2 ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, hpa, p b ciśnienie barometryczne, hpa. Odpowiednio emisję ciepła oraz masy otrzymamy poprzez przemnożenie odpowiednich strumieni przez powierzchnię lustra wody. Współczynniki przejmowania ciepła α i masy β oblicza się z liczb kryterialnych odpowiednio Nussleta Nu i Sherwooda Sh. - przy konwekcji swobodnej Nu = f 1 (Ar Pr) (3) Sh = f 2 (Ar Sc) - przy konwekcji wymuszonej Nu = f 3 (Re Pr Gu θ) (4) Sh = f 4 (Re Sc Gu θ) Poniżej podano funkcje f 1, f 2, f 3, f 4 z doświadczenia wyznaczonymi wartościami współczynników. 3

4 - konwekcja swobodna Nu = 5 (Ar Pr) 0,104 dla Ar Pr = (5) Sh = 0,66 (Ar Sc) 0,26 dla Ar Pr = konwekcja wymuszona Nu = A Re n Pr 0,33 Gu 0,175 θ 2 (6) Sh = B Re m Sc 0,33 Gu 0,135 θ 2 Re A n B m ,51 0,61 0,49 0, ,027 0,90 0,0248 0,90 Poniżej omówiono liczby kryterialne, za pomocą których oblicza się współczynniki przejmowania ciepła i masy przy bezpośrednim kontakcie powietrza z wodą. Liczba Archimedesa Ar: Ar = L3 g (ρ 1 ρ 2 ) (7) γ 2 ρ 1 L wymiar liniowy, L = F, m, F pole powierzchni przenoszenia ciepła i masy, m 2, g przyspieszenia ziemskie, m/s 2, γ kinematyczny współczynnik lepkości powietrza, m 2 /s, ρ 1, ρ 2 gęstość powietrza wilgotnego w warstwie przyściennej i w osi strumienia powietrza, kg/m 3. Liczba Guchmana Gu: Gu = T S T M T S TS średnia, bezwzględna temperatura powietrza, K, TM średnia, bezwzględna temperatura powietrza wg termometru mokrego, K. (8) Liczba Nusselta Nu: Nu = α L (9) λ α współczynnik przejmowania ciepła, W/(m 2 K), λ współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK), L wymiar liniowy (długość powierzchni wymiany ciepła i masy mierzona w kierunku przepływa powietrza), m. Liczba Prandtla Pr: Pr = γ a a współczynnik przewodzenia temperatury, m 2 /s, (10) 4

5 Liczba Reynoldsa Re: Re = w L (11) γ w prędkość powietrza, m/s, L - wymiar liniowy (długość powierzchni wymiany ciepła i masy mierzona w kierunku przepływa powietrza), m. Liczba Schmidta Sc: Sc = γ D D współczynnik dyfuzji pary wodnej w powietrzu wilgotnym, m 2 /s. Liczba Sherwooda Sh: Sh = β L D D współczynnik dyfuzji odniesiony do gradientu ciśnienia, m 2 /s, β współczynnik przejmowania masy, kg/(m 2 s). Parametr temperatury: Θ = T 2 T pw T pw - bezwzględna temperatura powierzchni wody, K, T 2 - bezwzględna temperatura powietrza, K. (12) (13) (14) Współczynnik dyfuzji D zależy od temperatury i ciśnienia wg wzoru: D = D 0 ( T p 273 )1, (15) p b W przypadku dyfuzji pary wodnej w powietrzu wilgotnym współczynnik dyfuzji wynosi D 0 = 0,0754. Współczynnik dyfuzji D odniesiony do gradientu ciśnienia oblicza się z zależności: D = D R p T p Rp stała gazowa pary wodnej, Rp = 461,52 J/(kgK), Tp bezwzględna temperatura powietrza wilgotnego, K. Wartości współczynników λ, γ, D i a występujące w liczbach kryterialnych należy przyjąć dla średniej temperatury powierzchni cieczy i otaczającego ją powietrza: t śr = t pw+t p, (17) 2 (16) 5

6 2 STANOWISKO POMIAROWE Stanowisko laboratoryjne poświęcone badaniom wyznaczania emisji wilgoci wody ze swobodnego i wzburzonego lustra wody zlokalizowane jest w pomieszczeniu 332 w budynku C-6 Politechniki Wrocławskiej. W laboratorium znajduje się model krytego basenu pływackiego o wymiarach 25 x 12,5 m (powierzchni lustra wody) wykonany w skali 1:15. Schemat technologiczny stanowiska przedstawiono na rysunku 1. Część wodna modelu składa się z dwóch niecek basenowych zbiornika górnego (280,5 dm 3 ) o wymiarach 1,65 x 0,85 x 0,2 m, czyli właściwej niecki kąpielowej oraz zbiornika dolnego przelewowego (210 dm 3 ) o wymiarach 1,2 x 0,9 x 0,2 m. Niecki basenowe wykonano z blachy stalowej nierdzewnej, łączonej za pomocą spawania i ustawiono je na konstrukcji wsporczej. Hala basenowa wykonana została ze szkła organicznego (plexiglasu o przeźroczystości powyżej 95% i odporności na długotrwały wpływ temperatury do 50 ). Charakterystyczne wymiary modelu podane zostały w tabeli 3. Rys. 1. Schemat technologiczny stanowiska badawczego Do modelu doprowadzona jest woda wodociągowa za pomocą przewodu PP32 mm zarówno do górnej jak i dolnej niecki. Na dopływie wody zamontowano zawory odcinające w celu odcięcia przepływu. Woda basenowa w modelu cyrkuluje w układzie zamkniętym pomiędzy dolną i górną niecką, zapewniając jednakową w całym modelu temperaturę wody basenowej. Uzdatnianie wody basenowej sprowadza się do jej podgrzewu za pomocą 2 grzałek elektrycznych, każda o mocy 2,0 kw umieszczonych w zbiorniku przelewowym. Woda do zbiornika górnego jest wtłaczana za pomocą 2 pomp, regulowanych ręcznie za pomocą pokrętła na obudowie poprzez 4 przewody denne silikonowe 12/16 mm. Stabilizowanie poziomu lustra wody zrealizowane jest w górnym i dolnym zbiorniku 6

7 przez rury przelewowe, a do spuszczania wody z modelu służą rury spustowe z zaworami odcinającymi. Powietrze zewnętrzne pobierane jest poprzez czerpnię ścienną zlokalizowaną na elewacji budynku C-6 w pomieszczeniu 332 bądź opcjonalnie z pomieszczenia (w celu wykonywania prób dymowych). W celu odwzorowania warunków rzeczywistych zaprojektowano podmieszanie powietrza usuwanego. Mieszanina powietrza kierowana jest do centrali wentylacyjnej. Centrala wentylacyjna Liggolo eco ECE prod. Enervent o wydajności 40 m 3 /h wyposażona została w filtry powietrza, wymiennik obrotowy, nagrzewnicę elektryczną, wentylatory. Za centralą wentylacyjną zastosowano dodatkową nagrzewnicę elektryczną kanałową prod. Termex o mocy 800 W. Tabela 3. Charakterystyczne wymiary modelu Parametry Wymiary obiektu rzeczywistego CZĘŚĆ WODNA Wymiary modelu (skala 1:15) Szerokość niecki 12,5 m 0,833 m 0,85 m Długość niecki 25,0 m 1,667 m 1,65 m Głębokość niecki 2,0 m 0,133 m 0,15 m Przyjęto: 0,20 m Powierzchnia lustra wody 312,5 m 2 1,4025 m 2 = 140,25 dm 2 CZĘŚĆ POWIETRZNA Szerokość hali 17,8 m 1,25 m Długość hali 32,5 m 2,05 m Wysokość hali 9,0 m 0,60 m Powietrze nawiewane może być do hali basenowej za pomocą 3 systemów. System 1 zakłada organizację wymiany powietrza typu dół-góra, 2 system zakłada organizację wymiany powietrza w pomieszczeniu typu góra-góra, a w 3-cim systemie powietrze jest nawiewane dołem oraz górą równocześnie i usuwane górą. Różne sposoby organizacji wymiany powietrza w pomieszczeniu umożliwiają badania wpływu organizacji wymiany powietrza na odparowanie wody z modelu. Przepustnice Z1 oraz Z2 służą do przełączania systemów. W hali basenowej jako elementy nawiewne zastosowano szyny szczelinowe. Powietrze wywiewane jest za pomocą 40 otworów φ10 mm z przestrzeni międzysufitowej i następnie kierowane jest do centrali wentylacyjnej, później częściowo powietrze jest kierowane na podmieszanie, a pozostały strumień usuwany za pomocą wyrzutni ściennej, zlokalizowanej na elewacji budynku. Kanały wentylacyjne w obrębie modelu wykonane zostały z przewodów okrągłych PVC o wymiarach φ75, φ50 oraz φ32, a pozostałe z kanałów okrągłych φ100 typu spiro wykonanych z blachy stalowej ocynkowanej. Wszystkie kanały zaizolowano kauczukiem o grubości 20 mm. 7

8 W celu pomiaru strumienia powietrza wentylującego zastosowano kryzy pomiarowe na przewodzie powietrza nawiewanego Kn i wywiewanego Kw. Pomiaru spadku ciśnienia dokonuje się za pomocą mikromanometru bateryjnego, charakterystykę kryzy pomiarowej przedstawiono na rysunku 4. Pomiaru oraz regulacji strumienia powietrza zewnętrznego, recyrkulacyjnego oraz usuwanego można dokonać za pomocą przepustnic regulacyjno-pomiarowych PRA100 prod. Halton. Dodatkowo w celu wyłączenia recyrkulacji zastosowano przepustnicę odcinającą jednopłaszczyznową szczelną P2. W czasie normalnej pracy stanowiska przepustnice odcinające P1 oraz P3 są otwarte (w zależności od potrzeb przepustnica P2), w czasie próby dymowej otwarte są tylko przepustnice P1 oraz P3. Pomiar temperatury i wilgotności względnej powietrza nawiewanego i wywiewanego mierzony jest czujnikami C1 (Ctp4, Cfi4) i C2 (Ctp6,Cfip6) o dokładności 0,1 oraz 3% RH. Pomiar temperatury oraz wilgotności względnej powietrza w modelu odbywa się za pomocą czujnika C3 (Ctp3, Cfip5) o dokładności 0,3 oraz 3% RH. Pomiar temperatury powietrza w warstwie granicznej mierzony jest za pomocą czujnika C4 (Ctp0) o dokładności 0,1. Do pomiaru temperatury wody w modelu zastosowano czujnik temperatury C5 (Ctw) o dokładności 0,1. *RH relative humidity 3 WYTYCZNE DO ĆWICZENIA 3.1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest: - wyznaczenie emisji ciepła oraz masy na podstawie współczynników przejmowania ciepła α i masy β, - określenie emisji wilgoci ze swobodnego lustra wody w warunkach konwekcji wymuszonej przy różnej organizacji wymiany powietrza w hali basenowej, - porównanie wyników pomiarów z wyznaczoną emisją masy. 3.2 Zakres pomiarów Określenie emisji wilgoci ze swobodnego i wzburzonego zwierciadła wody należy przeprowadzić dla temperatur wody t w = i odpowiadającym im temperatur powietrza t p = (zachowując stałą różnicę temperatur w zakresie t = 2 3 ). 8

9 Spadek cisnienia na kryzie, Pa 3.3 Określenie strumienia odparowującej wody Strumień powietrza wentylującego nawiewanego oraz wywiewanego należy określić za pomocą kryzy pomiarowej Kn oraz Kw. Należy wyznaczyć spadek ciśnienia na kryzie posługując się mikromanometrem bateryjnym, a następnie z charakterystyki kryzy pomiarowej (rys. 2) odczytać strumień powietrza wentylującego. Spadek ciśnienia na mikromanometrze obliczamy: p kr = ρ g l n, Pa (18) gdzie: ρcm gęstość cieczy manometrycznej, kg/m 3, dla alkoholu etylowego ρcm = 809kg/m 3, g przyspieszenie ziemskie, g = 9,81 m/s 2, l wychylenie cieczy na mikromanometrze, m, n przełożenie mikromanometru Strumień powietrza, m 3 /h Rys. 2. Charakterystyka kryzy pomiarowej D/d = 0,072/0,035 m 9

10 Strumień powietrza przepływającego przez przepustnicę regulacyjno-pomiarową PRA100 prod. Halton można określić za pomocą zależności: q v = k p p, l/s (19) gdzie: k współczynnik korekcyjny k zależny od ustawionego położenia przepustnicy, należy przyjmować wg tabeli 2, p p strata ciśnienia przy przepływie przez przepustnicę, Pa Tabela 4. Wartość współczynnika korekcyjnego Stopień otwarcia przepustnicy a współczynnik korekcyjny k 1 1,8 2 2,4 3 3,1 4 4,1 5 5,5 6 7,8 Alternatywnie strumień powietrza przepływającego przez przepustnicę regulacyjno-pomiarową można odczytać również z poniższego nomogramu. Rys. 3. Nomogram przepustnicy regulacyjno-pomiarowej PRA100 prod. Halton 10

11 Aby wyznaczyć rzeczywistą emisję wilgoci w modelu, należy wyznaczyć strumień powietrza wentylującego oraz zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym oraz wywiewanym. W pom = V ρ (x w x n ), kg/h (20) gdzie: V strumień powietrza wentylującego, m 3 /h, ρ gęstość powietrza, kg/m 3, xn zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, kg/kg p.s., xw zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym, kg/kg p.s. 4 OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Określenie emisji wilgoci rzeczywistej na podstawie pomiarów 1. Obliczyć strumień powietrza wentylującego V(m 3 /h) na podstawie wskazań kryzy pomiarowej oraz opcjonalnie przepustnic regulacyjno-pomiarowych PRA100 prod. Halton. 2. Obliczyć przyrost zawartości wilgoci powietrza wentylującego dla każdej serii pomiarowej x = x w x n (kg/kg p.s.) Każda seria pomiarowa powinna zawierać od 3 do 5 odczytów parametrów powietrza nawiewanego oraz wywiewanego, parametrów powietrza w hali basenowej oraz temperatury wody. 3. Z zależności (20) należy wyznaczyć emisję wilgoci W (kg/h) dla każdej serii pomiarowej, uwzględniając strumień powietrza wyznaczony za pomocą kryzy pomiarowej. 4. Sporządzić wykres kolumnowy porównania emisji wilgoci wyznaczonej dla każdej serii pomiarowej. Określenie emisji ciepła i masy 1. Na podstawie zależności (9) oraz (13) należy wyznaczyć współczynniki przejmowania ciepła oraz masy. 2. Wyznaczyć z zależności (1) oraz (2) gęstość strumieni ciepła oraz masy. 3. Na podstawie gęstości strumieni ciepła oraz masy należy wyznaczyć emisję ciepła oraz masy. 4. Sporządzić wykres kolumnowy porównania emisji wilgoci rzeczywistej wyznaczonej z badań wraz z obliczoną emisją wilgoci za pomocą współczynnika przejmowania masy dla wybranej serii pomiarowej. 11

12 5 LITERATURA [1] O.Ja.Kokorin Ustanowkikonelicionirowanija wozducha Moskwa Maszinostrojenie [2] A.W.Nesterenko-osowy termodynamiczeskich rasczetow wentylacji i kondicionirowanija wozducha Moskwa Wysszaja Szkoła 1971 [3] Haussler W., Zastosowanie wykresu i-x w inżynierii sanitarnej, Warszawa 1970, Arkady [4] Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Wrocław 2008, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 12