Akademia Górniczo – Hutnicza w Krakowie
Technika chłodnicza
Wydział: GiG	Rok akademicki: 2010 / 2011	Rok studiów: III
Temat: Badanie centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła
Data wykonania:	26.11.2001	Ocena:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie sprawności spiralnego, przeciwprądowo- krzyżowego wymiennika ciepła typu powietrze-powietrze. Wymiennik ten jest głównym elementem centrali wentylacyjnej, umożliwiającym oddanie ciepła przez powietrze zużyte, wywiewane z pomieszczania, powietrzu nawiewanemu, o mniejszej temperaturze.

1. Wstęp teoretyczny

Wentylacja, w sensie technicznym, jest to wymiana powietrza w pomieszczeniu w celu usunięcia zbędnego ciepła i/lub zanieczyszczeń w celu utrzymania w pomieszczeniu założonego stanu powietrza. W wielu przypadkach wentylacja może tylko nie dopuścić do nadmiernego pogorszenia się stanu. Utrzymaniu założonych parametrów mikroklimatu służy klimatyzacja.

Do spowodowania wymiany powietrza w pomieszczeniach służą urządzenia wentylacyjne. W zależności od potrzeb mogą być one bardziej lub mniej rozbudowane. Najprostszym sposobem jest otwierania okien, służące do okresowego przewietrzania pomieszczeń takich jak, np. klasy szkolne, czy wentylacja grawitacyjna, stosowana powszechnie w węzłach sanitarnych i kuchniach w domach mieszkalnych¹

Wentylatory są to maszyny, które służą do wywoływania przepływu powietrza pod wpływem spiętrzeń (depresji) nie przekraczających wielkości 0,1 MPa.

Głównym zadaniem wentylacji z odzyskiem ciepła jest polepszenie parametrów powietrza znajdującego się w pomieszczeniu, z jednoczesną dbałością o minimalizowanie strat ciepła spowodowanych jego uzdatnianiem.

Podstawową zaletą wentylacji z odzyskiem ciepła jest oszczędność wynikająca z zarówno jej instalacji jak i eksploatacji. Wentylacja ta wykorzystuje ciepło odpadowe, dzięki czemu znacznie spadają koszty ogrzewania pomieszczenia, sama instalacja zaś jest pociąga za sobą mniejsze koszty budowy, jak w przypadku innych instalacji grzewczych

1. Schemat stanowiska pomiarowego

Rys. 1 Schemat centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła

1- wlot powietrza świeżego ( powietrze nawiewne), 4 - wylot powietrza świeżego, 3 - wlot powietrza zużytego (powietrze wywiewne), 2 - wylot powietrza zużytego, 5 - filtr powietrza , 6 - wentylator, 7 - wymiennik ciepła, 8 - odwodnienie, 9 - moduł sterujący

1. Zestawienie wyników i pomiarów

Parametry powietrza na stanowisku pomiarowym.

Temperatura na stanowisku pomiarowym	Ciśnienie powietrza	Gęstość powietrza	Wilgotność właściwa
Sucha	Wilgotna	P	ρp
ts	tw
[C°]	[C°]	[Pa]	$$\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack$$
23,2	15	100800	1,18

Lp.	t1	t2	t3	t4	Vn	Vw	Mw	Φpow naw	Φpow wyw
	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[m/s]	[m/s]	[W]	[%]	[%]
1	18,3	21,7	21,9	21,6	1,8	2,7	105
2	19,5	21,7	21,5	20,5	1,82	2,7
3	12,7	21,6	21,3	19,6	1,96	2,82
4	11,7	21,5	21,2	18,7	1,96	2,82
5	11,1	21,3	21,1	17,7	1,85	2,82
6	11,0	21,3	21,2	17,5	1,93	2,95
7	10.9	21,3	21,3	17,1	1,95	3,00
8	10,9	21,3	21,3	16,8	2,01	3,00
9	10,9	21,3	21,3	16,8	1,96	3,04
Średnia dla 3 ostatnich pomiarów	10,9	21,3	21,3	16,9	1,97	3,01	105

Lp.	t1	t2	t3	t4	Vn	Vw	Mw	Φpow naw	Φpow wyw
	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[^0C]	[m/s]	[m/s]	[W]	[%]	[%]
1	10,7	21,4	22,1	16,5	5,98	5,87	115
2	10,7	21,7	22,8	15,0	5,4	5,8
3	10,8	21,8	23,0	14,5	5,1	5,3
4	10,9	21,9	23,1	14,4	4,95	5,1
5	10,9	22,0	23,3	14,1	4,9	5,2
6	11,0	22,0	23,3	14,2	4,92	5,14
7	11,0	22,0	23,3	14,2	4,8	5,25
8	11,2	22,1	23,5	14,4	5,05	5,35
9	11,2	22,1	23,5	14,4	5,0	5,3
10	11,2	22,1	23,5	14,4	4,9	5,2
Średnia dla 3 ostatnich pomiarów	11,2	22,1	23,5	14,4	4,98	5,28	115

t₁ -temperatura powietrza nawiewanego przed wymiennikiem [^o C]

t₂ -temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem [^o C]

t₃ -temperatura powietrza wywiewanego przed wymiennikiem [^o C]

t₄ -temperatura powietrza wywiewanego za wymiennikiem [^o C]

V_n – prędkość powietrza nawiewanego $\lbrack\frac{m}{s}\rbrack$

V_w – prędkość powietrze wywiewanego $\lbrack\frac{m}{s}\rbrack$

M_w – moc silników wentylatorów [W]

1. Obliczenia

Dla pierwszego ustawienia wentylatora

• Obliczenie wilgotności właściwej i gęstości powietrza , stosując odpowiednie wzory:

prężność pary wodnej nasyconej :

$$p_{\text{wn}} = 604 \bullet 10^{\frac{7,447 \bullet (T_{w} - 273)}{T_{w} - 38,33}}$$

$$p_{\text{wn}} = 604 \bullet 10^{\frac{7,447 \bullet (288 - 273)}{288 - 38,33}} = 1692,18\ \lbrack Pa\rbrack$$

prężność pary wodnej w powietrzu:

p_w = p_wn −  6, 77 • 10⁻⁴ • (t_s − t_w)•p

p_w = 1692, 18 −  6, 77 • 10⁻⁴ • (23,2−15) • 100800 = 1132, 60 [Pa]

gęstość powietrza:

$$\rho = \frac{0,003484}{T_{s}} \bullet (p - 0,378 \bullet p_{w})$$

$$\rho = \frac{0,003484}{296,2} \bullet \left( 100800 - 0,378 \bullet 1132,6 \right) = 1,18\ \lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$

wilgotność właściwa:

$$x = 0,622*\frac{p_{w}}{p - p_{w}}\ \lbrack\frac{\text{kg}}{\text{kg}}\rbrack$$

$$x = 0,622*\frac{1132,6}{100800 - 1132,6} = 0,007\ \lbrack\frac{\text{kg}}{\text{kg}}\rbrack$$

• Obliczenie entalpii powietrza nawiewanego przed wymiennikiem:

$$i = 1,005t + x\left( 1,926t + 2500 \right)\ \lbrack\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\rbrack$$

$$i_{1} = 1,005*10,9 + 0,007*\left( 1,926*10,9 + 2500 \right) = 28,6\ \lbrack\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\rbrack$$

• Obliczanie sprawności całkowitej

$$n_{c} = \frac{i_{2} - i_{1}}{i_{3} - i_{1}}*100\%$$

Gdzie: i₁ – entalpia powietrza nawiewanego przed wymiennikiem $\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$

i₂ – entalpia powietrza nawiewanego za wymiennikiem $\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$

i₃ – entalpia powietrza wywiewanego przed wymiennikiem $\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$

$$n_{c} = \frac{39,19 - 28,6}{39,19 - 28,6}*100\% = 100\%$$

• Obliczanie sprawności temperaturowej

$$n_{t} = \frac{t_{2} - t_{1}}{t_{3} - t_{1}}*100\%$$

$$n_{t} = \frac{21,3 - 10,9}{21,3 - 10,9}*100\% = 100\%$$

• Obliczanie sprawności wewnętrznej

$$n_{w} = \frac{t_{2} - t_{1}}{t_{3} - t_{4}}*100\%$$

$$n_{w} = \frac{21,3 - 10,9}{21,3 - 16,9}*100\% = 236,26\%$$

• Obliczanie strumienia ciepła

Strumień masowy obliczamy ze wzoru :

m = A * v * ρ

Gdzie : A – pole przekroju , przy promieniu = 0,075 m [m² ]

v – prędkość przepływu powietrza [m/s]

ρ - gęstość powietrza = 1,18 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$ ]

$$m_{1} = \pi*{0,075}^{2}*1,18*1,97 = 0,04\ \lbrack\frac{\text{kg}}{s}\rbrack$$

$$m_{2} = \pi*{0,075}^{2}*1,18*3,01 = 0,06\ \lbrack\frac{\text{kg}}{s}\rbrack$$

Strumień ciepła:

Q = m₁ * C_p * (t₂−t₁) = m₂ * C_p * (t₃ − t₄)

Gdzie: m₁ – strumień powietrza nawiewanego $\lbrack\frac{\text{kg}}{s}\rbrack$

m₂ - strumień powietrza wywiewanego $\lbrack\frac{\text{kg}}{s}\rbrack$

C_p – ciepło właściwe powietrza $\lbrack\frac{J}{\text{kgK}}\rbrack$

$$Q_{1} = 0,04*1005*\left( 21,3 - 10,9 \right) = 418,08\ \lbrack\frac{W}{m^{2}}\rbrack$$

$$Q_{2} = 0,06*1005*\left( 21,3 - 16,9 \right) = 265,32\ \lbrack\frac{W}{m^{2}}\rbrack$$

$$Q_{sred} = 341,7\ \lbrack\frac{W}{m^{2}}\rbrack$$

• Obliczanie mocy nagrzewnicy powietrza

M_N = Q − M_w  [W]

M_N = 341, 7 − 105 = 236, 7  [W]

1. Wyniki obliczeń

Entalpia powietrza [kJ/kg]
Ustawienie wentylatora
a
b

Ust. went	ηc	ηt	ηw	$$\dot{\mathbf{m}_{\mathbf{1}}}$$	$$\dot{\mathbf{m}_{\mathbf{2}}}$$	Q1	Q2	Qsr	Mn
	[%]	[%]	[%]	[kg/s]	[kg/s]	[W/m^2]	[W/m^2]	[W]	[W]
a	100	100	236,36	0,04	0,06	418,08	265,32	341,7	236,7
b	88,58	88,58	119,78	0,1	0,11	1095,45	1006,01	1050,73	935,73

1. Wnioski

Po wykonaniu obliczeń otrzymaliśmy następujące wyniki.

Dla pierwszego ustawienia wentylatora:

• Sprawność całkowita oraz temperaturowa - 100%

• Sprawność wewnętrzna wyniosła - 236,36 %

• Całkowity strumień cieplny wynosi - 341,7 W

• Moc nagrzewnicy - 236,7 W

Dla drugiego ustawienia wentylatora:

• Sprawność całkowita oraz temperaturowa - 88,58%

• Sprawność wewnętrzna wyniosła – 119,78 %

• Całkowity strumień cieplny wynosi – 1050,73 W

• Moc nagrzewnicy – 935,73 W

Jak widać w obu przypadkach sprawność wewnętrzna wentylatorów wyniosła ponad 100%. Taki wynik dla centrali wentylacyjnej teoretycznie jest niemożliwy. Być może jest to spowodowane zyskami ciepła generowanymi przez ludzi i urządzenia działające w pomieszczeniu.

Przy zakupie centrali wentylacyjnej w cenie 5000zł i przyjęciu 0,24 zł/kWh za cenę jednostkowej energii elektrycznej można określić iż czas zwrotu nakładów inwestycyjnych poniesionych na zakup centrali. Palujemy, że centrala będzie pracować po 16 godzin na dobę. Średnia moc elektryczna nagrzewnicy powietrza wynosi 0,4 kWh.

0, 4 [kWh]•0, 24[zl/kWh]=0, 096 zl - tyle oszczędzamy w jednej godzinie

0, 096 zl  • 16h = 1, 536 zl - tyle oszczędzamy w ciągu 16 godzin

5000 ÷ 1, 536zl = 3255, 21

3255, 21 ÷ 365 = 8, 92

Inwestycja zwróci się po około 9 latach od zakupu.

---

1. Wentylacja i klimatyzacja podstawy, A. Pełech, Oficyna Wydawcza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009↩