Wentylacja i klimatyzacja
Transkrypt
Wentylacja i klimatyzacja
Wentylacja i klimatyzacja Mgr inż. Andrzej Jurkiewicz Definicje • Zadaniem wentylacji jest wymiana powietrza, w taki sposób i w takich ilościach, aby nie dopuścić do pogorszenia się warunków mikroklimatu, a zwłaszcza przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń powietrza (temperatura, wilgotność i zanieczyszczenia) • Klimatyzacja – to, w odróżnieniu od wentylacji, proces nadawania powietrzu w pomieszczeniu określonych właściwości pożądanych ze względów higienicznych dla uzyskania komfortu lub też parametrów wymaganych ze względów technologicznych (oczyszczanie, nawilżanie, osuszanie, podgrzewanie i schładzanie). • Klimatyzacja częściowa np. samochodowa • Przemysłowe instalacje klimatyzacyjne (technologia) • Bytowe instalacje klimatyzacyjne (człowiek) Klimatyzacja - komfort czy konieczność Mikroklimat w pomieszczeniu • • • • Temperatura powietrza Wilgotność względna powietrza Prędkość powietrza nawiewanego Średnia temperatura przegród budowlanych • Poziom oświetlenia i hałasu • Koncentracja zanieczyszczeń chemicznych i mikrobiologicznych Czynniki wpływające na mikroklimat • Klimat zewnętrzny (temperatura, wilgotność, wiatr, słońce) • Procesy technologiczne w pomieszczeniu (ciepło dodatkowe, zanieczyszczenia) • Obecność ludzi i zwierząt (wilgoć, zanieczyszczenia, zapach, ciepło) • Właściwości przegród budowlanych (oddzielenie od klimatu zewnętrznego: temperatura, wilgotność, nasłonecznienie) • Wentylacja (usuwanie zanieczyszczeń i dostarczanie świeżego powietrza,recyrkulacja) • Rodzaj (metoda) ogrzewania lub klimatyzacji • Oświetlenie (dzienne, sztuczne, mieszane) • Izolacja akustyczna od hałasów zewnętrznych i emisja hałasu przez urządzenia i instalacje wewnętrzne Rys historyczny • • • • • • • • • • • • • Pszczoły Termity w Afryce i Australii (N-S + kanały powietrzne) Ogrzewanie podłogowe w Cesarstwie Rzymskim 1770 – ogrzewanie parowe James Watt 1880 – grzejnik żeliwny 1859 – grzejnik elektryczny w USA 1904 – Drezno msc (muzea, teatry i zamek) 1902 – instalacja klimatyzacyjna W.H. Carrier drukarni w Brooklinie (nazwa „Air Conditioning” do dziś) 1914 – klima dla wcześniaków w szpitalu Pittsburg 1925 – klima dla widowni teatr Rivoli na Bruklinie 1930 – klima w wagonie restauracyjnym kolei żelaznej Baltimor – Ohio 1935 – klima na parowcu Normandie 200? – budynek 450 m w Kuala Lumpur Malezja o mocy 100 MW Wymagania ludzi • Temperatura powietrza i jej równomierny rozkład (zalecenie: Tkomf=Tpow - 5K) • Wilgotność powietrza (35-65%) • Ruch powietrza (0,2-0,5 m/s) • Temperatura przegród otoczenia (+/-3K) • Czystość powietrza (NDS) • Obciążenie hałasem (dB) Wymagania „przemysłowe” Subiektywne odczucie komfortu • • • • • • • Aktywność fizyczna Ubranie Wiek i płeć Stan zdrowia Wystrój pokoju Pora dnia i roku Temperatura, wilgotność, prędkość powietrza, temperatura powierzchni Budynki po termomdernizacji – 10.000 mieszkańców 40,1% za ciepło za chłodno 18,6% 27,9% za sucho 46,3% za wilgotno zaduch 56,8% 23,4% światło hałas 29,3% 0% 20% 40% 60% Człowiek – urządzenie klimatyzacyjne Strumień cieplny: 80, 120, 150, 190, >270 W Konwekcja, promieniowanie, parowanie (pocenie się > 35st.C) Szok temperaturowy – (samochód) Maks φ = 65%; x=11,5 g H20/kg Min φ = 35%) Nawiewnik: 40-70% Inne parametry - 0,2-0,5 m/s prędkość powietrza > 40 lat +1K Kobiety + 1K 3-6K poniżej temp. w pomieszczeniu Temperatura przegród (niskapromieniujemy; wysoka-pocimy się):+/- 3K Zanieczyszczenia • Czystość powietrza nawiewanego (recyrkulacja dopuszczalna) • Gazy i pary (CO, CO2, SO2, NOx, O3, radon, węglowodory i inne) • Zapachy (ludzie, zwierzęta, kapuśniak, ubikacja, materiały budowlane, meble) • Aerozole (pyły nieorganiczne) • Zarazki, grzyby, i zarodniki grzybów, alergeny Atmosfera Skład czystego suchego powietrza: • Azot (N2) – 75,5% • Tlen (O2) – 23,1% • Argon (Ar) – 1,29% • Dwutlenek węgla (CO2) – 0,04% • Pozostałe gazy (wodór, neon, hel, krypton i ksenon) w ilościach śladowych . Powietrze wilgotne: suche + para wodna (od 0,08 do 2,5% składu) Zanieczyszczenia cywilizacyjne (wulkany!!!): dwutlenek węgla dwutlenek siarki, siarkowodór, tlenki azotu, tlenek węgla, tlenki ołowiu, różnorodne pyły. Właściwości powietrza suchego Temperatura Θ Gęstość ρ Ciepło właściwe cp Współczynnik przewodzenia ciepła λ [C] [kg/m3] [kJ/(kg*K)] [W/m*K] - 30 - 10 0 + 10 + 20 + 50 +100 +140 1,453 1,342 1,293 1,247 1,205 1,093 0,946 0,854 1,013 1,009 1,005 1,005 1,005 1,005 1,009 1,013 0,0204 0,0228 0,0244 0,0251 0,0259 0,0283 0,0321 0,0349 Wzory i definicje Gaz doskonały: p*V/T = m*R p – ciśnienie bezwzględne powietrza wilgotnego V – j.w. lecz objętość R – idealna stała gazowa m – ilość gazu w kg T – temperatura absolutna powietrza Liczba Avogarda: przy tym samym p,V i T różne gazy zwierają taką samą liczbę cząsteczek 2,69 *10^19 na 1 cm3 Definicje c.d. • Ciśnienie powietrza wilgotnego p składa się ciśnienia cząsteczkowego powietrza suchego pp oraz ciśnienia cząsteczkowego pary wodnej pw: p = pp + pw • Powietrze wilgotne może być: - nienasycone, gdy para zawarta w powietrzu jest tzw. parą przegrzaną (para sucha nienasycona) - nasyconą, gdy para zawarta w powietrzu jest parą suchą nasyconą (ciśnienie nasycenia ps) - zamglone, gdy powietrze zawiera cząsteczki wody w postaci pary wilgotnej Definicje c.d. • Podczas przemian cieplno-wilgotnościowych masa powietrza suchego (mp) nie ulega zmianie, natomiast masa wilgoci (mw) może się zmieniać (nawilżanie lub osuszanie powietrza). Może także ulec zmianie stan skupienia wilgoci (parowanie lub kondensacja). • Podstawową wielkością charakteryzującą stan powietrza wilgotnego jest zawartość wilgoci w powietrzu, zwana wilgotnością właściwą (x): x = mw/mp gdzie: - mw – masa wody; - mp – masa powietrza suchego Inne wzory pw/pp=Rw/Rp = 0,662 Vp=Vw (w mieszaninie gazów wszystkie gazy mają jednakową objętość) X=0,622 pw/pp pp - ciśnienie cząsteczkowe powietrza suchego pw - ciśnienie cząsteczkowe pary wodnej φ=pw/ps - wilgotność względna (ps-ciśnienie nasycenia) φ=ρw/ρs – stosunek gęstości pow. wilgot. do nasyconego Termometr suchy – ciepło jawne (zmiana temperatury) Termometr mokry – ciepło utajone (inna rola termometru) Entalpia wody = ciepło jawne + ciepło utajone KRYSZTAŁ faza WODA faza PARA T [K] 127C=400K 400 100C=373K 2k 373 100C 4,1 9k J/k g*K 2256 kJ/kg *K g k J/ 0C=273K 273 73 -200C 273K *K 333kJ/kg g /k J 1k , 2 420 753 kJ/kg 1172 3428 Entalpia wody kJ/kg Q=2,1*200+333+4,19*100+2256+27*2 3582 Entalpia Pojemność cieplna (entalpia właściwa h) hps= 1,006 [kJ/kg*K]*∆Θ [Κ] - pow.suche hw = 1,86 [kJ/kg*K]*∆Θ [Κ] + 2501,6 [kJ/kg] – para wodna Cp = 2501,6 kJ/kg –ciepło parowania wody w temp. 0 st.C) Entalpia to przyrost energii liczony do 0 st.C hp=hps+x*hw – entalpia powietrza wilgotnego Zmiany stanu powietrza wilgotnego • • • • • Mieszanie Podgrzewanie Schładzanie Osuszanie Nawilżanie + (filtrowanie + wymuszanie przepływu) Opis stanu powietrza 1) 2) 3) 4) 5) 6) Ciśnienie stałe np.: p=1013 [hPa] x – zawartość wody w powietrzu [g/kg suchego] h – entalpia kJ/kg powietrza wilgotnego θ – temperatura powietrza suchego φ – wilgotność względna Punkt rosy (temp. Punktu rosy φ=100%) Masowy strumień powietrza (suchego i w przybliżeniu wilgotnego): mp=V*ρ/(1+x) (kg/h; kg/s) Blokowy schemat • Mieszanie, ogrzewanie, schładzanie, nawilżanie, ogrzewanie wtórne świeże ogrz.I wtórne sch nawilż ogrz.II Mieszanie • Idea mieszania została przedstawiona na rys.1. Punkty nr 1 i 2 są punktami stanu powietrza przed zmieszaniem. Zasada mieszania strumieni polega na znalezieniu na odcinku łączącym oba punkty, punktu M - punktu zmieszania poprzez podzielenie odcinka w proporcji odwrotnej do udziału strumieni składowych. Wspomnianą zależność można również przedstawić za pomocą zapisu matematycznego w postaci: Mieszanie - wykres Przykład 1) Strumień 2000 m3/h o temp. t1=4C φ=80%, ogrzać do temp. t2=15C. Jaka musi być moc nagrzewnicy Ogrzewanie Rozwiązanie ∆ h = h2-h1 = 25-14 = 11 kJ/kg Mp= Vp*ρ = 2000[m3/h]*1,26[kg/m3]/3600[s/h] = =0,7kg/s Qh = Mp*∆h = 0,7 kg/s*11kJ/kg = 7,7 kW Chłodzenie i osuszanie zadanie 4000 m3/h o parametrach ta=30C φ=40% doprowadzić do tz=18C i xz=7g/kg, gdy temp. parowania czynnika chłodniczego w chłodnicy klimatyzatora wynosi to=5C. Wyliczyć: 1) Moc chłodnicy (wydajność chłodnicza) 2) Moc nagrzewnicy wtórnej 3) Do jakiej temperatury t2 zostanie schłodzone powietrze w chłodnicy