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.