dr inż. Maciej Mijakowski Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa http://www.is.pw.edu.pl Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji - inwentaryzacja Analiza efektywności systemu Inspekcja systemów klimatyzacji 1
Typowe procesy realizowane w centrali (odzysk ciepła) zima lato Typowe procesy realizowane w centrali (recyrkulacja) zima lato 2
Odzysk ciepła temp. =? wilg. =? temp. = 20 C wilg. = 40% temp. = 5 C wilg. = 50% Odzysk ciepła praca bez wykroplenia wilgoci temp. 25 = 16 C wilg. 20 = 25% Temperatura powietrza [degc] 30 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% temp. = 5 C wilg. = 50% temp. = 20 C wilg. = 40% 100% -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Sprawność temperaturowa: - η T = 50% - 90% - η T = (t t) / (t t) t = η T (t t) + t 3
Odzysk ciepła praca na mokro temp. = 20 C wilg. = 40% temp. =? wilg. =? temp. = -20 C wilg. = 100% Odzysk ciepła praca z wykropleniem wilgoci temp. 25 = 12 C wilg. 20 = 10% Temperatura powietrza [degc] 30 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% temp. = -20 C wilg. = 100% temp. = 20 C wilg. = 40% 100% -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Sprawność temperaturowa: - η T = 50% - 90% - η T = (t t) / (t t) t = η T (t t) + t 4
Odzysk ciepła temp. = -20 C wilg. = 100% 30 m 3 /h OC temp. = 20 C wilg. = 40% 30 m 3 /h temp. = 12 C wilg. = 10% temperatura pow. = 0,8 x (20-(-20)) + (-20) = = 12 C moc cieplna = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x 1kJ/(kg K) x (12-(-20))K = 1152 kj/h = 0.32 kw strumień skroplin = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x 3.0g/kg = = 108 g/h = 1,3 kg/12h Odzysk ciepła i wilgoci temp. = 20 C wilg. = 40% temp. =? wilg. =? temp. = -20 C wilg. = 100% 5
Odzysk ciepła i wilgoci Temperatura powietrza [degc] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10%!? 25% 50% temp. = -20 C wilg. = 100% temp. = 20 C wilg. = 40% Sprawność temperaturowa: 100% -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] - η T = 50% - 90% - η T = (t t) / (t t) t = η T (t t) + t Sprawność wilgotnościowa: - η H = 0,9 η T - η H = (x x) / (x x) x = η H (x x) + x Odzysk ciepła i wilgoci temp. = -10 C wilg. = 50% 30 m 3 /h OC temp. = 20 C wilg. = 40% 30 m 3 /h temp. = 14 C wilg. = 45% temperatura pow. = 0,8 x (20-(-10)) + (-10) = = 14 C wilgotność pow. = 0,72 x (6,0-(0,8)) + (0,8) = = 4,5 g/kg moc cieplna = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x (26-(-8)) kj/kg = 1224 kj/h = 0.34 kw 6
Odzysk ciepła i wilgoci θs 1 θs 2 xs 1 xs 2 θs θ = θs + θ 2 1 HE sup HE sup = Eff HE ( θe θs ) 1 1 θe 2 θe 1 xe 2 xe 1 θs 1 temperatura powietrza nawiewanego przed wymiennikiem, C θs 2 temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem, C θe 1 temperatura powietrza wywiewanego przed wymiennikiem, C θe 2 temperatura powietrza wywiewanego za wymiennikiem, C Eff HE jest sprawnością temperaturową wymiennika do odzysku ciepła dla danych parametrów θe 1 i θs 1 oraz równych lub bardzo zbliżonych strumieni objętości powietrza nawiewanego i wywiewnego θ HEsup różnica pomiędzy temperaturą powietrza nawiewanego za i przed wymiennikiem, K Odzysk ciepła i wilgoci - zabezpieczenie przed oszronieniem 30 25 20 Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10-15 10% 25% 50% 100% Φ θ defrost = 0,34 qv ( θsetdefrost θs1) = e + ( e e1) / setdefrost θ 1 θ 2min θ Eff HE -20-25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] 7
Odzysk ciepła i wilgoci - zabezpieczenie przed oszronieniem 30 25 20 Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10 10% 25% 50% 100% θs = θs + θ 2 1 HE sup ( ) θ HE sup = Eff HE θe1 θs1 ( θ HE sup ) a = max(0; θe2 min θe2 ) -15-20 -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Odzysk ciepła i wilgoci - zabezpieczenie przez przegrzewaniem 30 25 20 Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10-15 10% 25% 50% 100% θs = θs + θ 2 1 HE sup ( θe θs ) θ HE sup = Eff HE 1 1 ( θ HE sup ) b = min(0; max( θs2 max θs2; θs1 θs2 )) -20-25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] 8
Urządzenia do odzysku ciepła Urządzenia do odzysku ciepła fot. Menega fot. Kapmann 9
Urządzenia do odzysku ciepła 25 20 Temperatura powietrza [degc] 7 6 1 5 2 30 15 10% 10 25% 50% 100% 5 0-5 -10-15 -20-25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Urządzenia do odzysku ciepła Rodzaj układu do odzyskiwania ciepła Względny koszt instalacji wymiennik obrotowy wymiennik płytowy krzyżowy wymiennik płytowy przeciwprądowy wymiennik z rurek cieplnych komorowy rekuperator ciepła układ z czynnikiem pośredniczącym pompa ciepła 1,0 1,05 1,05 1,25 1,15 1,45 2,0-3,0 Sprawność Sprawność temperaturowa średniosezonowa netto % % 70-80 50-70 50-70 45-60 80-90 60-75 55-65 50-55 75-90 70-85 50-65 45-55 60-80 35-60 10
Odzysk ciepła 800 m3/h 25 db(a) 280 W 80-90% Odzysk ciepła 11
12
13
14
Przykłady pomiarowe Odzysk ciepła (wymiennik przeciwprądowy) 15
Przykłady pomiarowe Odzysk ciepła (wymiennik obrotowy) Przykłady pomiarowe Odzysk ciepła (wymiennik krzyżowy) 16
Odzysk ciepła Ogrzewanie powietrza - zapotrzebowanie na moc wymagana moc = 30m3/h x 1.2kg/m3 x 30 x 1kJ/(kg K) x (20-(-20))K = m3/h temp. = -20 C wilg. = 100% = 1440 kj/h = 0.4 kw temp. = 20 C wilg. < 10% Φ preheat = 0,34 qvph (θ 2 θ1 ) qvph strumień objętości powietrza przepływający przez nagrzewnicę, m3/h θ1 temperatura powietrza przed nagrzewnicą, C θ2 temperatura powietrza za nagrzewnicą, C 17
Wymienniki ciepła - dygresja 1. Q = Mpow x cp x tpow --> Q fw, fp, fo, 2. Q = Mw x cw x tw --> Mw l. dróg wody, 3. Q = F x U x tlog --> F l. rzędów, układ Wymienniki ciepła - dygresja 3. Q = F x U x tlog --> F tlog = ( t1 - t2 ) / ln( t1 / t2 ) t1 = tw_wlot - tp_wylot, t2 = tw_wylot - tp_wlot 18
Wymienniki ciepła - dygresja 3. Q = F x U x t log --> F U = f(v w, v p, t wśr, t pśr, konstrukcja), v w = 0.3-2.0 m/s np.: U = C1 x m C2 x p mw C3 [W/m 2 K] m p = M p / f p, m w = M w / (p x f w ) [kg/(s m 2 )] 120% Zmiana współczynnika U 100% 80% 60% 40% U = f(mw ) U = f(mp ) 20% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 160% Zmiana strumienia powietrza/wody v w = 0.3-2.0 m/s v p = 1.2-5.5 m/s Wymienniki ciepła - dygresja 3. Q = F x U x t log --> F U = f(v w, v p, t wśr, t pśr, konstrukcja) t log = ( t 1 - t 2 ) / ln( t 1 / t 2 ) m w = var t log = var 19
Wymienniki ciepła - dygresja Wymienniki ciepła - dygresja 20
Wymienniki ciepła - dygresja tz + t p tt min = + (1 2) = 2 o przy 6/12 C o = 10 11 C Chłodzenie powietrza - zapotrzebowanie na moc 30 m 3 /h temp. = 30 C wilg. = 50% Φ precool = q vpc temp. = 15 C wilg. = 90% ( 0,83 ( x2 x1 ) + 0,34 ( θ2 θ1)) wymagana moc (chłodnicza) = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x (64.5-40.0)kJ/kg = = 882 kj/h = 0.245 kw wymagana moc (chłodnicza) jest większa od zysków ciepła!!! - ciepło utajone - realizacja procesu chłodzenia q vpc strumień objętości powietrza przepływający przez chłodnicę, m 3 /h θ 1 temperatura powietrza przed chłodnicą, C θ 2 temperatura powietrza za chłodnicą, C x 1 zawartość wilgoci w powietrzu przed chłodnicą, g/kg x 2 zawartość wilgoci w powietrzu za chłodnicą, g/kg 21
Chłodzenie powietrza - wykraplanie pary wodnej 30 m 3 /h temp. = 30 C wilg. = 50% temp. = 15 C wilg. = 90% strumień skroplin = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x 3.5g/kg = = 126 g/h = 1.5 kg/12h 400ft/min = 2.03m/s 800ft/min = 4.06m/s tz + t p tt min = + (1 2) = 2 o przy 6/12 C o = 10 11 C Chłodzenie powietrza Temperatura powietrza [degc] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 10% 25% 50% θ 2 100% x 2 θ 1 x 1 θ = θ1 max( 0; θ1 θ 2 setpc ) ( 0; ( x x ) (1 BF )) x = x1 + min coil 1 x exp 18,8161 4110,34/( θ + 235) 2 avfactor coil = coil BF avfactor ( ) ( 1; ( θ θ ) /( θ θ )) = min coil 1 2 coil -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] 22
Chłodzenie powietrza funkcja osuszania 30 m 3 /h temp. = 30 C wilg. = 50% temp. = 25 C wilg. = 45% moc chłodnicza = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x (64.5-40.0)kJ/kg = = 882 kj/h = 0.245 kw strumień skroplin = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x 3.5g/kg = 126 g/h = 1.5 kg/12h moc cieplna = 30m 3 /h x 1.2kg/m 3 x x 1.0 kj/kgk x (25-15) = = 360 kj/h = 0.1 kw Osuszanie powietrza 30 25 20 θ 2 x2 θ 1 x 1 Temperatura powietrza [degc] 15 10 5 0-5 -10-15 10% 25% 50% 100% x = 2-20 = 4110,34 / 18,8161 ln( coil ) -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 x coil Zawartość wilgoci [g/kg] x setdehum θ = BF θ θ ) + θ 2 coil ( 1 coil coil = ( xsetdehum x1 BFcoil ) /(1 BFcoil ) ( ) 235 θ coil x 23
Chłodzenie powietrza funkcja osuszania Nawilżanie powietrza q vhum Φ humid = 0,83 q vhum ( x 2 x1) q vhum strumień objętości powietrza przepływający przez nawilżacz, m 3 /h x 2 zawartość wilgoci w powietrzu za nawilżaczem, g/kg x 1 zawartość wilgoci w powietrzu przed nawilżaczem, g/kg x 1 x 2 θ 1 θ 2 24
Nawilżanie powietrza 30 25 x 1 x 2 20 Temperatura powietrza [degc] 15 θ 10 1 θ 10% 25% 50% 100% 2 5 0-5 -10-15 -20 θ 2 = θ 1 x = max( x 1 ; x 2 sethum ) -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] Nawilżanie powietrza Temperatura powietrza [degc] 30 25 x 1 x 2 20 θ 1 θ 2 15 10 10% 25% 5 0-5 -10-15 -20 50% 100% i = const θ 2 = θ 1 x = max( x 1 ; x 2 sethum ) -25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zawartość wilgoci [g/kg] 25
Nawilżanie powietrza q vhum Φ humid = 0,83 q vhum ( x 2 x1) q vhum strumień objętości powietrza przepływający przez nawilżacz, m 3 /h x 2 zawartość wilgoci w powietrzu za nawilżaczem, g/kg x 1 zawartość wilgoci w powietrzu przed nawilżaczem, g/kg x 1 x 2 θ 1 θ 2 Problemy z analizą w cyklu rocznym 26
Termodynamika powietrza wilgotnego Schemat procesu projektowania systemu klimatyzacji/chłodzenia/wentylacji - inwentaryzacja Analiza efektywności systemu Inspekcja systemów klimatyzacji 27