Zespół Naukowo-Dydaktyczny Wentylacja i Klimatyzacja INSTRUKCJA LABORATORYJNA WYZNACZANIE EMISJI WILGOCI ZE SWOBODNEGO I WZBURZONEGO LUSTRA WODY Opracowała: mgr inż. Ilona Cyba Opracowanie tylko do użytku wewnętrznego Wrocław 2016
Zawartość instrukcji 1 METODY OBLICZENIOWE EMISJI WILGOCI... 3 2 STANOWISKO POMIAROWE... 6 3 WYTYCZNE DO ĆWICZENIA... 8 3.1 Cel ćwiczenia... 8 3.2 Zakres pomiarów... 8 3.3 Określenie strumienia odparowującej wody... 8 4 OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ... 11 5 LITERATURA... 11 2
1 METODY OBLICZENIOWE EMISJI WILGOCI Emisję wilgoci zarówno ze spokojnego jak i wzburzonego lustra wody można obliczać na podstawie zależności empirycznych. W literaturze pojawiają się różne wzory do obliczania emisji wilgoci, gdzie strumienie parującej wody mogą być określane na podstawie różnicy ciśnień cząstkowych [1], [2], [4], [5] bądź zawartości wilgoci [3], [6] w warstwie granicznej unoszącej się nad lustrem wody a powietrzem, do którego zachodzi odparowanie. Emisję wilgoci ze wzorów empirycznych wyznacza się na podstawie średnich parametrów powietrza oraz wody, które panują w hali basenowej. Pierwsza zależność pochodzi z publikacji [1]: W = (a + 0,0174 w) (p w p w ) A 760/p b, kg/h (1) A powierzchnia lustra wody, m 2, a - współczynnik uwzględniający ruch grawitacyjny otaczającego powietrza w zależności od temperatury powierzchni cieczy i temperatury powietrza w pomieszczeniu (wzór odpowiada temperaturze powietrza w granicach 15 30), odczytywać z tabeli 1 [1], Tabela 1. Współczynnik a uwzględniający ruch grawitacyjny otaczającego powietrza w zależności od temperatury powierzchni cieczy i temperatury powietrza w pomieszczeniu t pw, do 30 40 50 60 70 80 90 100 a 0,022 0,028 0,033 0,037 0,041 0,046 0,051 0,06 Tabela 2. Wartości temperatury powierzchni cieczy w zależności od temperatury wody t w, 20 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90 100 t pw, t w 2 37 41 45 48 51 54 63 69 82 56 97 w prędkość powietrza nad lustrem wody, m/s, p w ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej powietrza (przy temperaturze powierzchni wody), mmhg, p w ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, do którego zachodzi odparowanie, mmhg, p b ciśnienia atmosferyczne, mmhg. Zgodnie z literaturą [2] emisję wilgoci można obliczyć ze wzoru: W = A c f (p w p w )/1000 760/p b, kg/h (2) 3
p w ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej powietrza (przy temperaturze wody), mmhg, p w ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, do którego zachodzi odparowanie, mmhg, p b ciśnienia atmosferyczne, mmhg, c f - współczynnik odparowania, g/(m 2 h mmhg), który jest informacją jaka ilość wody (g) odparowuje z powierzchni 1 m 2, w ciągu 1 godziny przy różnicy ciśnień cząstkowych 1 mmhg. Współczynnik cf określa się z zależności: c f = 22,9 + 17,4 w, g/(m 2 h mmhg) (2a) w - prędkość ruchu powietrza nad powierzchnią wody, m/s, założono w = 0,10 m/s. W kolejnej pozycji [3] autor proponuje stosowanie wzoru Sprengera: W = (25 + 19 w) (x x) A, kg/h (3) x zawartość wilgoci w powietrzu nasyconym (w warstwie granicznej) przy temperaturze powierzchni wody, kg/kg, x zawartość wilgoci w powietrzu, do którego zachodzi odparowanie, kg/kg. Temperaturę powierzchni cieczy należy obliczyć ze wzoru: t pw = t w 0,125 (t w t m ), (3a) t w temperatura wody, C, t m temperatura termometru mokrego, C. W niemieckiej normie VDI [4] znajdziemy wzór: W = ε (p w p w ) A/1000, kg/h (4) p w - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej przy stanie nasycenia i temperaturze wody, hpa, p w - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, do którego zachodzi odparowanie, hpa, ε - współczynnik odparowania, g/(m 2 h hpa), który należy przyjmować: ε = 0,5 - przy zakryciu lustra wody przesłoną, ε = 5 - przy spokojnej powierzchni lustra wody, 4
ε = 15 - dla małych basenów i dla niewielkiej liczby kąpiących się jednocześnie osób, ε = 20 - dla kąpielisk publicznych i przy normalnej aktywności osób kąpiących się osób, ε = 28 - dla basenów rekreacyjnych i wypoczynkowych, ε = 35 - dla basenów treningowych ze sztuczną falą. Wg [5] autorzy podają inną zależność: W = β u/b /(R D T) (p w " p w ) A, kg/h (5) p w - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej przy stanie nasycenia i temperaturze wody, Pa, p w - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu w pomieszczeniu, Pa, R D stała gazowa dla pary wodnej, R D = 461,52 J/(kg.K), T średnia arytmetyczna temperatury wody i powietrza, K, β u/b - współczynnik przejmowania pary wodnej dla nieużytkowanych (β u ) względnie użytkowanych (β b ) basenów, m/h, a mianowicie: β u = 0,7 baseny nieużytkowane, z przykrytą powierzchnią (parowanie tylko z rynny przelewowej), β u = 7 baseny nieużytkowane, β b = 21 baseny w budynku mieszkalnym (baseny prywatne), β b = 28 baseny w halach (głębokość wody > 1,35 m), β b = 40 - baseny w halach (głębokość wody < 1,35 m), β b = 50 baseny z falą oraz zjeżdżalnie i wejścia do zjeżdżalni. Kolejna zależność podana przez autora w publikacji [6] ma postać: W = K p (25 + 19 w) (x x) A, kg/h (6) K p - współczynnik korygujący uwzględniający warunki basenowe, który należy przyjmować: K p = 1,1 1,15-dla basenów ogólnego przeznaczenia, K p = 1,2 - dla basenów szkolnych, x - zawartość wilgoci w powietrzu, do którego zachodzi odparowanie, kg/kg, x - zawartość wilgoci w powietrzu warstwy granicznej w stanie nasycenia przy danej temperaturze wody, kg/kg. 5
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
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
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: - określenie strumienia wody odparowującej z powierzchni basenu pływackiego przy spokojnym i wzburzonym zwierciadle wody w warunkach konwekcji wymuszonej, - porównanie wyników pomiarów z obliczonymi ze wzorów empirycznych strumieniami odparowującej wody. 3.2 Zakres pomiarów Określenie emisji wilgoci ze swobodnego i wzburzonego zwierciadła wody należy przeprowadzić dla temperatur wody t w = 26 29 i odpowiadającym im temperatur powietrza t p = 29 32 (zachowując stałą różnicę temperatur w zakresie t = 2 3 ). 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. 8
Spadek cisnienia na kryzie, Pa Spadek ciśnienia na mikromanometrze obliczamy: p kr = ρ g l n, Pa (7) 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. 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Strumień powietrza, m 3 /h Rys. 2. Charakterystyka kryzy pomiarowej D/d = 0,072/0,035 m Strumień powietrza przepływającego przez przepustnicę regulacyjno-pomiarową PRA100 prod. Halton można określić za pomocą zależności: q v = k p p, l/s (8) k współczynnik korekcyjny k zależny od ustawionego położenia przepustnicy, należy przyjmować wg tabeli 2, p p strata ciśnienia przy przepływie przez przepustnicę, Pa 9
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 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 (9) 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. 10
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 (9) 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 wilgoci na podstawie zależności empirycznych 1. Na podstawie zależności (1), (2), (3), (4), (5), (6) należy obliczyć emisję wilgoci w modelu dla każdej serii pomiarowej. 2. Sporządzić wykres kolumnowy dla każdej serii pomiarowej porównania emisji wilgoci wyznaczonej za pomocą 6 wzorów empirycznych wraz z emisją wilgoci rzeczywistą wyznaczoną z badań. Sprawdzić, która zależność empiryczna najbardziej odpowiada wartości rzeczywistej. 5 LITERATURA [1] Malicki M.: Wentylacja i klimatyzacja, Ogrzewanie i wentylacja - poradnik, Arkady, Warszawa, 1966. [2] Ferencowicz J.: Wentylacja i klimatyzacja, Arkady, Warszawa, 1964. [3] Jaskólski M., Micewicz Z.: Wentylacja i klimatyzacja hal krytych pływalni, IPPU MASTA, Gdańsk, 2000. [4] VDI 2089. Blatt 1. Warme-, Raumlufttechnik, Wasserver-und- entsorgung in Hallenund Freibddern. Hallenbader. - Berlin:Verlag Beuth GmbH, 1994. [5] Reckangel, Sprenger, Schramek: Kompendium Ogrzewnictwa i Klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008. [6] Kappler H.P.: Baseny kąpielowe, Arkady, Warszawa, 1977. 11