POLITECHNIKA KRAKOWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

ZAKŁAD WENTYLACJI

KLIMATYZACJI I CHŁODNICTWA

ROK AKADEMICKI 2013

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z PRZEDMIOTU

„AUTOMATYKA I STEROWANIE EKSPLOATACJĄ URZĄDZEŃ TECHNICZNYCH”

PROJEKT INSTALACJI ZASILANIA WYMIENNIKOW CIEPŁA Z AGREGATU ZIĘBNICZEGO

GR 6 UCZ

1. Cel projektu

Celem projektu jest zaprojektowanie układu hydraulicznego wody grzewczej zasilającego nagrzewnice w centralach. Układ hydrauliczny ogrzewczy składa się
z pompy ciepła, centrali wentylacyjnej nawiewnej oraz centralki podwieszanej.

1. Zakres projektu

• Zaprojektowano układ hydrauliczny wody grzewczej zasilający nagrzewnice
  w centralach, dobrano średnice rurociągów oraz na podstawie obliczeń hydraulicznych wybrano najbardziej niekorzystny obwód hydrauliczny,

• Dobrano zawory regulacyjne trójdrogowe metodą VDI

• Dobrano pompę firmy WILO o stałych obrotach zapewniającą poprawną pracę instalacji.

• Dobrano siłowniki do zaworów przystosowane do regulacji ciągłej.

1. Dane projektowe

• Wydajność nagrzewnicy dla centrali nawiewnej Ф_CN = 60,0 [kW]

• Obliczeniowe opory przepływu wody dla centrali nawiewnej D_PCN = 10,0 [kPa]

• Wydajność nagrzewnicy dla centralki podwieszanej Ф_CP = 5,0 [kW]

• Obliczeniowe opory przepływu wody dla centralki podwieszanej D_CP = 20,0 [kPa]

• Długość działki przyłączającej pompę ciepła L_Z = 25,0 [m]

• Długość działki przyłączającej centralę nawiewną L_CN = 10,0 [m]

• Długość działki przyłączającej centralkę podwieszaną L_CP = 22,5 [m]

1. Założenia projektowe

• Straty miejscowe na każdej z działek wynoszą 30% liniowych strat na długości

• Obliczeniowy przyrost temperatury wody w nagrzewnicach T_W1 /T_W2 = 55/45 [°C]

• Obliczeniowe opory przepływu na wymienniku w agregacie wynoszą D_pPC=30 [kPa]

• Obliczeniowa temperatura powietrza w pomieszczeniu T_P = 20 [°C]

• Obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego T_Z = -22 [°C]

1. Schemat układu hydraulicznego

1. Obliczenia hydrauliczne

W tabeli 1 zestawiono obliczenia hydrauliczne. Na podstawie strumienia przepływającej wody, różnicy temperatur wody w nagrzewnicach (ΔT=10 K)
oraz założonej prędkości (w=1 m/s) dobrano średnice rurociągów. Dobrano rury miedziane dla których odczytano ze strony internetowej http://kalkulatorprojektanta.pl jednostkowe spadki ciśnienia oraz obliczono całkowite straty ciśnienia na poszczególnych działkach.

Tabela 1. Obliczenia hydrauliczne

Działka	Φ	ΣV	ΣV	w zał	d obl	d z	d w	w rz	R	L	R*L	Δpm	Δpurz	ΣΔp
	[kW]	[m^3/s]	[m^3/h]	[m/s]	[mm]	[mm]	[mm]	[m/s]	[kPa/m]	[m]	[kPa]	[kPa]	[kPa]	[kPa]
1	Lz	60	0,00146	5,238	1	53,65	60,3	54,5	0,62	0,07	25	1,75	0,525	30
2	LCN	55	0,00133	4,802	1	41,22	60,3	54,5	0,72	0,09	10	0,9	0,27	10

Działka	Φ	ΣV	ΣV	w zał	d obl	d z	d w	w rz	R	L	R*L	Δpm	Δpurz	ΣΔp
	[kW]	[m^3/s]	[m^3/h]	[m/s]	[mm]	[mm]	[mm]	[m/s]	[kPa/m]	[m]	[kPa]	[kPa]	[kPa]	[kPa]
1	Lz	60	0,00146	5,238	1	53,65	60,3	54,5	0,62	0,07	25	1,75	0,525	30
3	LCP	5	0,00012	0,437	1	12,43	22	19,6	0,40	0,11	22,5	2,475	0,743	20

Całkowite straty ciśnienia:

• Działka 1+2: ΣΔp = Δp_Lz + Δp_LCN = 32,275 + 11,17 = 43,45 [kPa]

• Działka 1+3: ΣΔp = Δp_Lz + Δp_LCP = 32,275 + 23,2175 = 55,49 [kPa]

Największe opory przepływu występują na drodze od pompy ciepła do centralki podwieszanej – obieg najbardziej niekorzystny.

1. Dobór zaworu regulacyjnego metodą VDI dla centrali nawiewnej

Nominalne warunki pracy centrali nawiewnej:

• Przepływ: V=4,802 [m³/h]

• Temperatura wlotu/wylotu T_W1 /T_W2 = 55/45 [°C]

• Temperatura powietrza wylotowego z wymiennika T_WY = 20 [°C]

Obliczono wartość parametru wykładniczego „a” dla centralki podwieszanej nawiewnej ze wzoru:

$$a_{\text{CP}} = \left| \frac{T_{Z} - T_{P}}{T_{Z} - T_{\text{const}}} \right| = \left| \frac{55 - 45}{55 - 20} \right| = 0,29$$

Na podstawie nomogramu odczytano wartość autorytetu zaworu P_V dla parametru a = 0,29 i wynosi P_{V CP} = 0,42.

Rysunek 1. Zależność pomiędzy autorytetem P_v a parametrem wykładniczym a wymiennika ciepła.

Wymagany spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym w warunkach nominalnych wynosi:

$$p_{v,100\%}^{\text{CP}} = \frac{p_{v}}{1 - p_{v}} \bullet p_{u} = \frac{0,42}{1 - 0,42} \bullet 1,17 = 0,847\ \left\lbrack \text{kPa} \right\rbrack = 0,00847\ \left\lbrack \text{bar} \right\rbrack$$

Wymagana wartość parametru k_vs dla zaworu całkowicie otwartego wynosi:

$$k_{\text{vs}}^{\text{CP}} = V_{v,100\%} \sqrt{\frac{\rho}{\text{Δp}_{v,100\%}}} = 4,802 \sqrt{\frac{0,9881}{0,00847}} = 51,86\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack\ $$

Dobrano zawór produkcji Siemens typu VXF21.65-63 o średnicy DN 63
dla którego k_vs wynosi 65 m³/h.

Dla tak dobranego zaworu obliczono rzeczywisty spadek ciśnienia
na dobranym zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym w warunkach nominalnych:

$${p}_{v,rz,100\%}^{\text{CP}} = \left( \frac{V_{v,100\%}}{k_{\text{vs}}} \right)^{2} \rho = \left( \frac{4,802}{65} \right)^{2} 0,9881 = 0,0054\ \left\lbrack \text{bar} \right\rbrack = 0,54\ \left\lbrack \text{kPa} \right\rbrack$$

Całkowity spadek ciśnienia w obiegu:

p_c^CP = 32, 275 + 0, 54 = 32, 815 [kPa] = 3, 35 [mH₂O]

1. Dobór zaworu regulacyjnego metodą VDI dla klimakonwektora

Nominalne warunki pracy klimakonwektora:

• Przepływ: V= 0,437 [m³/h]

• Temperatura wlotu/wylotu T_W1 /T_W2 = 55/45 [°C]

• Temperatura w pomieszczeniu T_WY = 20 [°C]

• Spadek ciśnienia Δp_urz =30 kPa

Obliczono wartość parametru wykładniczego „a” dla nagrzewnicy w klimakonwektorze ze wzoru:

$$a_{\text{CP}} = 0,6 \left| \frac{T_{Z} - T_{P}}{T_{Z} - T_{\text{const}}} \right| = 0,6 \left| \frac{55 - 45}{55 - 20} \right| = 0,17$$

Na podstawie nomogramu odczytano wartość autorytetu zaworu P_V dla parametru a = 0,17 i wynosi P_{V CP} = 0,68.

Rysunek 2. Zależność pomiędzy autorytetem P_v a parametrem wykładniczym a wymiennika ciepła.

Wymagany spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym w warunkach nominalnych wynosi:

$$p_{v,100\%}^{\text{CP}} = \frac{p_{v}}{1 - p_{v}} \bullet p_{u} = \frac{0,68}{1 - 0,68} \bullet 30 = 63,756\ \left\lbrack \text{kPa} \right\rbrack = 0,64\ \left\lbrack \text{bar} \right\rbrack$$

Wymagana wartość parametru k_vs dla zaworu całkowicie otwartego wynosi:

$$k_{\text{vs}}^{\text{CP}} = V_{v,100\%} \sqrt{\frac{\rho}{\text{Δp}_{v,100\%}}} = 0,437 \sqrt{\frac{0,9881}{0,64}} = 0,54\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack\ $$

Dobrano zawór produkcji Siemens typu MXG461.15-0,6 o średnicy DN 15
dla którego k_vs wynosi 0,6 m³/h.

Dla tak dobranego zaworu obliczono rzeczywisty spadek ciśnienia
na dobranym zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym w warunkach nominalnych:

$${p}_{v,rz,100\%}^{\text{CP}} = \left( \frac{V_{v,100\%}}{k_{\text{vs}}} \right)^{2} \rho = \left( \frac{0,437}{0,6} \right)^{2} 0,9881 = 0,524\left\lbrack \text{bar} \right\rbrack = 52,4\ \left\lbrack \text{kPa} \right\rbrack$$

Całkowity spadek ciśnienia w obiegu:

p_c^CP = 55, 49 + 52, 4 = 107, 89 [kPa] = 11, 00 [mH₂O]

1. Dobór pompy

Dobrano pompę o stałych obrotach wykorzystując program doborowy pomp firmy WILO dla następujących parametrów:

• Przepływ V=5,238 [m³/h]

• Wysokość podnoszenia ΔH_p=11, 00[mH₂O]

• Temperatura płynu T=50 [C]

• Gęstość ρ(50C) = 988,11 [kg/m³]

Dobrano pompę WILO typu BAC 40-125-0,75/2-R

1. Dobór pompy dla centrali wentylacyjnej

Dobrano pompę o stałych obrotach wykorzystując program doborowy pomp firmy WILO dla następujących parametrów:

• Przepływ V=4,802 [m³/h]

• Wysokość podnoszenia ΔH_p=1, 4 [mH₂O]

• Temperatura płynu T=50 [C]

• Gęstość ρ(50C) = 988,11 [kg/m³]

Dobrano pompę WILO typu BAC 40-125-0,75/2-R

1. Dobór zaworu równoważącego

p_{zaw_row} = p_c^CP − p_c^CN = 107, 89 − 32, 815 = 75, 075 [kPa] = 0, 7508 [bar]

$$k_{\text{vs}}^{\text{CP}} = V_{v,100\%} \sqrt{\frac{\rho}{\text{Δp}_{v,100\%}}} = 4,802 \sqrt{\frac{0,9881}{0,7508}} = 5,51\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack\ $$

Dobrano automatyczny zawór równoważący firmy Danfoss ASV-I którego k_vs wynosi 6,3 m³/h o numerze katalogowym 003L7652 DN 50.

1. Dobór siłowników

Celem zapewnienia ciągłej regulacji dobrano siłowniki współpracujące
z dobranymi zaworami trójdrogowymi. Dobrano siłowniki również firmy Danfoss AMV 23 z funkcją powrotu sterowaną sprężynowo.