1
Ćwiczenie 2
Badanie wydajności cieplnej nagrzewnicy centrali klimatyzacyjnej CTA-4.
Wykaz oznaczeń:
1
p
t
- temperatura wg termometru suchego powietrza dopływającego do
nagrzewnicy (zewnętrznego) [
o
C,K],
2
p
t
- temperatura wg termometru suchego powietrza za nagrzewnicą [
o
C,K],
1
w
t
- temperatura wody zasilającej nagrzewnicę [
o
C,K],
2
w
t
- temperatura wody powrotnej (za nagrzewnicą) do sieci cieplnej [
o
C,K],
w
V
- objętościowe natężenie przepływu wody grzejnej [l/h],
w
M
- masowe natężenie przepływu wody grzejnej [kg/s],
p
V
- objętościowe natężenie przepływu powietrza [m
3
/s],
p
M
- masowe natężenie przepływu powietrza [kg/s],
p
F
- powierzchnia wymiany ciepła od strony powietrza (ożebrowana) [m
2
],
Q
- moc cieplna nagrzewnicy [W],
U
- współczynnik przenikania ciepła [W/m
2
K].
2.1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest przedstawienie metod określania wydajności cieplnej
przeponowej nagrzewnicy wstępnej centrali klimatyzacyjnej CTA-4. Nagrzewnica jest
jednym z bloków kompleksowej centrali do uzdatniania powietrza do klimatyzacji
pomieszczeń. Zadanie takie dotyczyć może badań laboratoryjnych, jak i sprawdzających na
przemysłowym obiekcie w czasie pomiarów odbiorczych instalacji klimatyzacyjnych.
2.2. Opis budowy stanowiska.
Obiekt badań jest przeponowa nagrzewnica powietrza zasilana wodą sieciową. Blok
nagrzewnicy posiada wymiary gabarytowe; 1,02 x 0,6 x 0,75 m. Zbudowano ją z rur
ożebrowanych umieszczonych w ramce o wymiarach wewnętrznych 0,782 x 0,375 m.
Podstawowe parametry geometryczne nagrzewnicy podano w ćwiczeniu 1. Powierzchnia
2
wymiany ciepła od strony powietrza (ożebrowana) wynosi
p
F
= 1,304
2
m
. Widok
nagrzewnicy wstępnej od strony dopływu powietrza przedstawia rysunek 2.1.
3,5
35,5
18,5
780
425
600
1020
Rys. 2.1. Nagrzewnica wstępna (wymiary w mm).
Schemat budowy stanowiska do badań nagrzewnicy przedstawiono na rysunku 2.2.
Blok nagrzewnicy N-I jest integralną częścią centrali klimatyzacyjnej. Do badań nagrzewnicę
i całą centralę wyposażono w układy pomiarowe. Od strony powietrza zabudowano
przepustnicę powietrza PR-2, PR-3 i PR-4, które pozwalają nastawić dowolny strumień
powietrza ogrzewanego. Na przewodach wentylacyjnych wyznaczono płaszczyzny PP-I oraz
PP-III pozwalające na określenie ilości powietrza przepływającego przez nagrzewnicę.
Dodatkowo na przewodzie powietrza zewnętrznego i w centrali, za blokiem nagrzewnicy
zamontowano psychrometryczne układy pomiarowe pozwalające na pomiar temperatury
powietrza według termometru suchego i mokrego; przed nagrzewnicą – czujnik CP-1 i za
nagrzewnicą – czujnik CP-2. Budowę i zasadę działania tych czujników opisano w [1]
ćwiczenie nr 4.
3
CP-1
Z
CZ-2
PP-I
PR-3
do rozdzielacza
Ctw
2
e
L
e
e
ZR
e
W
e
Ctw1
z rozdzielacza
e
PR-2
KR
e
e
BF
e
e
Z
CH-I
N-I
K
CP-2
BW
OD
KZ
PP-III
PR-4
WY
e
e
e
e
Wy-1
Tab
Rys. 2.2. Schemat stanowiska do badania nagrzewnicy powietrza.
Objaśnienia oznaczeń na rys. 2.2.
KR – komora rozdziału powietrza centrali,
BF – blok filtracji,
N-I – badana nagrzewnica powietrza,
BW – blok wentylatorowy,
PR-2, PR-3 i PR-4 – przepustnice regulacyjne,
CZ-2 – czerpnia powietrza zewnętrznego,
PP-I, PP-III – płaszczyzny sondowania wydatku powietrza,
CP-1, CP-2 – czujniki psychrometryczne do pomiarów temperatury
1
p
t
oraz
2
p
t
powietrza,
1
w
Ct
,
2
w
Ct
– czujniki temperatury wody zasilającej i powrotnej nagrzewnicy,
ZR – zawór regulacyjny na przewodzie powrotnym wody grzejnej,
W – wodomierz z nadajnikiem sygnału natężenia przepływu,
L – licznik (czytnik) parametrów wody grzewczej,
Z – zawory odcinające,
Wy-1 – wyłącznik elektryczny.
Od strony wody grzejnej, na przewodzie powrotnym zabudowano „licznik ciepła” L, typu
RPT – firmy Danfoss, który pozwala na odczyt następujących m.in. parametrów:
1
w
t
– temperaturę wody zasilającej nagrzewnicę [
o
C],
2
w
t
– temperaturę wody powrotnej z nagrzewnicy [
o
C],
4
w
V
– natężenie przepływu wody grzejnej [l/h].
Przed licznikiem ciepła wbudowano w przewód powrotny, zawór regulacyjny ZR, którym
można nastawić dowolną wartość natężenia przepływu wody grzejnej.
Zawory Z służą do odłączenia badanej nagrzewnicy od sieci cieplnej.
Przepływ powietrza przez badaną nagrzewnicę wywołuje blok wentylatorowy, którego
wentylator załączony jest na czas badań wyłącznikiem Wy-1 umieszczonym na tablicy
zasilającej.
2.3. Metodyka pomiarów i przyrządy pomiarowe.
Wydajność cieplną nagrzewnicy określić można na dwa sposoby: z bilansu cieplnego
nagrzewnicy od strony wody grzejnej lub z bilansu cieplnego od strony powietrza
ogrzewanego.
2.3.1. Bilans cieplny nagrzewnicy od strony wody grzejnej.
Moc cieplną nagrzewnicy można określić ze wzoru (2.1):
)
t
t
(
C
M
=
Q
2
w
1
w
w
w
w
(2.1)
gdzie: Q – moc cieplna nagrzewnicy obliczona od strony wody grzejnej [kW],
w
M
- masowe natężenie przepływu wody grzejnej przez nagrzewnicę
[kg/s],
w
C
- ciepło właściwe wody [kJ/kgK],
1
w
t
- temperatura wody sieciowej, zasilającej nagrzewnicę [
o
C],
2
w
t
- temperatura wody powrotnej z nagrzewnicy [
o
C].
Wszystkie wielkości niezbędne do określenia
w
Q
we wzorze (2.1) odczytujemy z licznika
ciepła L i zapisujemy w tabeli pomiarowej tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Tabela pomiarowa.
Nr
pomiaru
Natężenie
przepływu
wody
1
w
t
2
w
t
Natężenie
przepływu
powietrza
Temperatura powietrza
w
V
w
M
p
V
p
M
1
p
t
1
m
t
2
p
t
2
m
t
l/h
kg/s
o
C
o
C
m
3
/s
kg/s
o
C
o
C
o
C
o
C
1
5
2
3
2.3.2. Bilans cieplny nagrzewnicy od strony powietrza.
Moc cieplną nagrzewnicy od strony powietrza określić można ze wzoru (2.2):
)
t
t
(
C
M
=
Q
1
p
2
p
p
p
p
(2.2)
gdzie:
p
Q
- moc cieplna nagrzewnicy obliczona od strony powietrza
ogrzewanego [kW],
p
M
- masowe natężenie przepływu powietrza przez nagrzewnicę [kg/s],
p
C
- ciepło właściwe powietrza wilgotnego [kJ/kgK],
1
p
t
- temperatura powietrza przed nagrzewnicą [
o
C],
2
p
t
- temperatura powietrza za nagrzewnicą [
o
C].
Masowe natężenie przepływu powietrza
p
M
przez nagrzewnicę określić należy przez
sondowanie przekroju pomiarowego PP-III sondą Prandlta. Pomiar taki opisano m.in. w
ćwiczeniu 1 tego skryptu. Wartości temperatur
1
p
t
,
2
p
t
(oraz
1
m
t
i
2
m
t
) odczytujemy ze
wskazań czujników psychometrycznych CP-1 oraz CP-2, których działanie opisano w [1] ćw.
Nr 4. Określone wartości poszczególnych parametrów zapisać należy w tabeli pomiarowej
2.1. Wyniki pomiarów parametrów powietrza i wody z rozdziałów 2.3.1 oraz 2.3.2 zapisywać
należy jednocześnie pod tym samym numerem pomiaru w tabeli 2.1.
2.4. Sposób wykonania ćwiczenia.
Badania nagrzewnicy powietrza zaleca się przeprowadzić przy działaniu centrali
klimatyzacyjnej tylko na powietrzu zewnętrznym. W tym celu należy:
Dla obiegu powietrznego:
- otworzyć przepustnicę PR-3,
- zamknąć przepustnicę PR-2,
- nastawić, zadany przez prowadzącego ćwiczenie kąt otwarcia przepustnicy PR-4,
- uruchomić wyłącznikiem Wy-1 blok wentylatorowy centrali.
Dla obiegu wodnego:
- otworzyć w węźle cieplnym zawory odcinające Z-Z,
- zaworem regulacyjnym ZR nastawić wymagane natężenie przepływu
6
wody grzejnej obserwując wskazania
w
V
[l/h] na liczniku ciepła L i temperaturę
powietrza
2
p
t
[
o
C].
Uwaga: Temperatura powietrza
2
p
t
za nagrzewnicą nie może spaść w czasie badań poniżej
+5
o
C, czyli
5
+
≥
t
2
p
o
C.
Po ustaleniu się warunków cieplnych układu pomiarowego należy wykonać:
- Sondowanie przekroju pomiarowego PP-III sondą Prandtla. Określić średnią wartość
ciśnienia dynamicznego przekroju Pd
śr
[Pa]. Obliczyć strumień objętości przepływającego
powietrza
p
V
[m
3
/s] przez ten przekrój. Wynik sondowania zapisać w tabeli 2.1.
Jednocześnie należy dokonać odczytów pozostałych parametrów wody i powietrza;
w
V
[l/h],
1
w
t
[
o
C],
2
w
t
[
o
C] z licznika ciepła L
- t
p1
[
o
C], t
m1
[
o
C], t
p2
[
o
C], t
m2
[
o
C] ze wskazań czujników psychrometrycznych CP-1 i CP-2.
Wszystkie odczytane wielkości należy zanotować w tabeli 2.1.
Powtórzyć wyżej opisane czynności dla innych nastaw
w
V
[l/h] lub innych położeń
przepustnicy dławiącej przepływ powietrza PR-4.
2.5. Opracowanie wyników pomiarów.
W oparciu o wyniki pomiarów zawartych w tabeli 2.1 należy wykonać obliczenia wydajności
cieplnej nagrzewnicy powietrza;
- od strony wody grzejnej ze wzoru (2.1)
- od strony powietrza ze wzoru (2..2).
Wyniki obliczeń
w
Q
i
p
Q
porównać i skomentować. Wykorzystując ww. wyniki pomiarów
obliczyć wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/m
2
K] ze wzorów: (2.4) i (2.3).
Odnieść się do otrzymanej wielkości U.
2.6. Objaśnienia teoretyczne.
Badana nagrzewnica jest wymiennikiem typu woda-powietrze. Przepływ czynników
grzewczego i ogrzewanego traktuje się w przybliżeniu jak w wymiennikach
przeciwprądowych. Rozkład temperatury wzdłuż wymiennika przedstawia schemat na rys.
2.3.
7
tp
1
tw
t[K]
2
L[m]
1
tp
2
tw
Rys. 2.3. Rozkład temperatury w wymienniku przeciwprądowym.
Jeżeli założyć, że:
Δt1 = tw2 – tp1
oraz
Δt2 = tw1 – tp2
to średnia logarytmiczna różnica temperatury pomiędzy wymieniającymi ciepło mediami
określona jest wzorem (2.3):
2
1
2
1
śr
t
Δ
t
Δ
ln
t
Δ
t
Δ
=
t
Δ
(2.3)
Uwzględniając wartość
śr
t
Δ
, moc cieplną nagrzewnicy zapisać można w postaci (2.4):
[W]
t
Δ
Fp
U
=
Q
śr
(2.4)
Posiadając wyniki pomiarów
w
Q
lub
p
Q
,
śr
t
Δ
oraz znając rzeczywista wartość
p
F
, ze
wzoru (2.4) określić można wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/m
2
K] dla danego
wymiennika.
2.7. Literatura.
[1]
H.G. Sabiniak: Ćwiczenia laboratoryjne z instalacji budowlanych. Część I.
Politechnika Łódzka. Łódź 2002 r.