docMartin Klika - Odbor termomechaniky a techniky prostředí
download 
Stížnost Transkript
Martin Klika - Odbor termomechaniky a techniky prostředí
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE VZDUCHOTECHNICKÉ ZAŘÍZENÍ PRO ZKUŠEBNÍ BOX SPALOVACÍCH MOTORŮ Vypracoval: Martin Klika Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Štětina Číslo diplomové práce: VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Celkový počet stran: 78 BRNO 2001 Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně bez cizí pomoci. Vycházel jsem přitom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporučené literatury, uvedené v seznamu. V Brně dne 17. května 2001 .......................................................... podpis PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych chtěl poděkovat Ing. Josefu Štětinovi, vedoucímu mé diplomové práce, za odborné vedení, cenné rady a připomínky při vedení mé diplomové práce. V Brně dne 17. května 2001 ................................................. VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obsah Obsah____________________________________________________________________5 Seznam použitých veličin____________________________________________________8 1. ÚVOD: ______________________________________________________________ 14 1.1 Popis problému: ____________________________________________________ 14 1.2 Analýza současné situace _____________________________________________ 15 2. ZÁKLADNÍ INFORMACE: ____________________________________________ 15 2.1 Informace o objektu: ________________________________________________ 15 2.2 Požadované podmínky ve zkušebně: ___________________________________ 16 2.3 Parametry zkoušeného motoru ________________________________________ 16 2.4 Situační nákres _____________________________________________________ 16 3. Průběh zkoušky ______________________________________________________ 17 3.1 Parametry a naměřené hodnoty _______________________________________ 17 3.2 Obrazová dokumentace současného stavu _______________________________ 18 4. Spotřeba vzduchu a produkce spalin při zkoušce: __________________________ 21 4.1 Schéma soustavy ____________________________________________________ 21 4.2 Množství vzduchu nutné pro chod motoru ______________________________ 4.2.1 Vlhký vzduch ___________________________________________________ 4.2.2 Směs paliva se vzduchem __________________________________________ 4.2.3 Množství vzduchu nasávaného motorem ______________________________ 21 21 23 24 4.3 Odsávání výfukových plynů __________________________________________ 25 4.3.1 Množství vyprodukovaných výfukových plynů _________________________ 25 4.3.2 Míšení spalin s přisávaným vzduchem________________________________ 26 4.4 Spotřeba vzduchu ve zkušebně ________________________________________ 28 5. Tepelná bilance _______________________________________________________ 29 5.1 Energie dodávaná do motoru palivem __________________________________ 29 5.2 Přeměna energie v motoru____________________________________________ 30 5.2.1 Výkony, nepodílející se na ohřevu vzduchu v místnosti __________________ 31 5.2.2 Výkony, podílející se na ohřevu vzduchu ve zkušebně ___________________ 31 5.3 Tepelná zátěž zkušebny ______________________________________________ 32 5.4 Tepelná zátěž větracího vzduchu ______________________________________ 34 5.4.1 Radiační složky přestupu tepla ze zdrojů ______________________________ 34 5.4.2 Akumulace tepla do podlahy, stěn, stropu _____________________________ 37 5.4.3 Tepelná zátěž větracího vzduchu_____________________________________38 5 VUT v BRNĚ, FS – EÚ 6. VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Množství přiváděného větracího vzduchu _________________________________ 38 6.1 Množství vzduchu z tepelné bilance ____________________________________ 38 6.1.1 Potřebné množství větracího vzduchu v zimním období __________________ 39 6.1.2 Potřebné množství větracího vzduchu v letním období ___________________ 40 6.2 Varianty řešení pokrytí tepelné zátěže __________________________________ 41 7. Zmenšení tepelné zátěže________________________________________________ 43 7.1 Tepelná zátěž zkušebny ______________________________________________ 43 7.2 Tepelná zátěž větracího vzduchu ______________________________________ 44 7.3 Množství přiváděného větracího vzduchu _______________________________ 7.3.1 Potřebné množství větracího vzduchu v zimním období __________________ 7.3.2 Potřebné množství větracího vzduchu v letním období ___________________ ____________________________________________________________________ 8. 44 44 44 44 Větrací jednotka pro přívod vzduchu_____________________________________ 45 8.1 Směšování _________________________________________________________ 46 8.2 Potřebný výkon zvlhčovače ___________________________________________ 47 8.3 Potřebný výkon ohřívače _____________________________________________ 48 8.4 Jednotka s využitím cirkulačního vzduchu ______________________________ 8.4.1 Směšování______________________________________________________ 8.4.2 Předehřev ______________________________________________________ 8.4.3 Vlhčení ________________________________________________________ 8.4.4 Ohřev _________________________________________________________ 9. 50 50 51 53 53 Návrh zařízení pro využití odpadního tepla _______________________________ 55 9.1 Funkce navrženého zařízení pro využití odpadního tepla __________________ 55 9.2 Další alternativy využití odpadního tepla________________________________ 56 10. Odvod vzduchu ze zkušebny ____________________________________________ 58 10.1 Odsávání výfukových plynů ________________________________________ 58 10.2 Odvod ohřátého větracího vzduchu __________________________________ 61 11. Výběr firem, které vyrábějí, nebo dodávají potřebná zařízení _______________ 62 11.1 Jednotka pro přívod vzduchu _______________________________________ 11.1.1 Ventilátorová komora _____________________________________________ 11.1.2 Zvlhčovací komora _______________________________________________ 11.1.3 Ohřívací komora vodní____________________________________________ 11.1.4 Směšovací komora _______________________________________________ 11.1.5 Ohřívací komora elektrická ________________________________________ 11.1.6 Filtrační komora _________________________________________________ 11.1.7 Volná komora ___________________________________________________ 6 62 63 63 64 64 65 65 66 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 11.2 Jednotka pro odsávání ohřátého větracího vzduchu ____________________ 11.2.1 Ventilátorová komora _____________________________________________ 11.2.2 Vodní registr ____________________________________________________ 11.2.3 Klapková komora ________________________________________________ 11.2.4 Filtrační komora _________________________________________________ 66 66 67 67 67 11.3 Odsávání výfukových plynů ________________________________________ 68 11.3.1 Spalinový ventilátor ______________________________________________ 68 11.3.2 Flexibilní kovová hadice __________________________________________ 69 12. Návrh rozměrů vzduchovodů větracího vzduchu ___________________________ 70 12.1 Vzduchovody_____________________________________________________ 70 12.2 Výustky _________________________________________________________ 71 13. Návrh regulace vzduchotechniky ________________________________________ 72 13.1 Regulace teploty vzduchu ve zkušebně________________________________ 72 13.2 Regulace tlaku vzduchu ve zkušebně _________________________________ 73 13.3 Regulace relativní vlhkosti vzduchu ve zkušebně _______________________ 73 13.4 Hlídání stálého podtlaku v odsávacím nástavci výfukových plynů _________ 74 13.5 Tlaková ztráta filtrů vzduchu _______________________________________ 74 13.6 Protimrazová ochrana _____________________________________________ 74 13.7 Ochrana elektrického předehřevu ___________________________________ 74 14. Závěr _______________________________________________________________ 75 14.1 Ekonomické zhodnocení ___________________________________________ 75 14.2 Zhodnocení průběhu diplomové práce ______________________________________ 76 Seznam dokumentace______________________________________________________77 Seznam použité literatury___________________________________________________77 Ostatní zdroje_____________________________________________________________78 Informace v síti INTERNET_________________________________________________78 Seznam použitých veličin Označení Jednotka Význam MH2O kg/kmol Molekulová hmotnost vody Q kW Tepelný tok 7 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Qac kW Celkový akumulovaný tepelný tok Qapod kW Tepelný tok akumulovaný podlahou Qasten kW Tepelný tok akumulovaný stěnami Qastrop kW Tepelný tok akumulovaný stropem Qcel kW Příkon motoru v palivu Q ism kJ/kg Výhřevnost směsi vzduchu a benzínu při směšovacím poměru 14,7:1 Qrismv kJ/m3 Teoretická výhřevnost směsi směšovacím poměru 14,7:1 QKmot kW Ochlazování motoru konvekcí Qoh kW Tepelný výkon ohřívače Qpred kW Tepelný výkon elektrického předehřevu Qr kW Radiační tepelný tok Qrc kW Celkový radiační tepelný tok Qrchl kW Radiační tepelný tok z chladiče Qrmot kW Radiační tepelný tok z motoru Qrvyf kW Radiační tepelný tok z výfukové soustavy QTch kW Topný výkon chlazení motoru QTop kW Topný výkon potrubí odsávání výfukových plynů QTvs kW Topný výkon výfukové soustavy QZ kW Tepelná zátěž zkušebny QZ1 kW Tepelná zátěž zkušebny bez složky tepelného výkonu chladiče motoru QZvv kW Tepelná zátěž větracího vzduchu QZvv1 kW Tepelná zátěž větracího vzduchu bez složky tepelného výkonu chladiče motoru R J/kmolK Universální plynová konstanta r 2 Plocha S m Schl m2 Vnější plocha chladiče Smist m2 Plocha zkušebny Smot m2 Vnější plocha motoru Spod m 2 Plocha podlahy Sspv m 2 Průřez spalinového potrubí Ssten m2 Plocha stěn Sstrop m2 Plocha stropu 8 vzduchu a benzínu při VUT v BRNĚ, FS – EÚ Svmin m2 2 VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Minimální průřez vzduchovodů Svyf m T K Absolutní teplota T1 K Absolutní teplota povrchu 1 T2 K Absolutní teplota povrchu 2 Tchl K Střední absolutní teplota povrchu chladiče Tmm K Absolutní střední teplota povrchů ve zkušebně Tmot K Absolutní střední teplota povrchu motoru TpL K Absolutní teplota přiváděného větracího vzduchu do zkušebny v letním období Tpz K Absolutní teplota přiváděného větracího vzduchu do zkušebny v zimním období Tsm K Absolutní teplota směsi paliva a vzduchu Tsp K Absolutní teplota výfukových plynů na výstupu z výfuku Tspv K Absolutní teplota směsi výfukových plynů a vzduchu Tvv K Absolutní teplota vzduchu ve zkušebně Tvv1 K Absolutní teplota přisávaného vzduchu k výfukovým plynům Tvyf K Absolutní střední teplota povrchu výfukové soustavy Vm dm3 (l) 3 Vnější plocha výfuku Zdvihový objem motoru Vodsz m /s Objemový tok jednotkou VpvL m3/s Objemový tok vzduchu přiváděného do zkušebny v letním období VpvL1 m3/s Objemový tok vzduchu přiváděného do zkušebny v letním období bez složky tepelného výkonu chladiče motoru Vpvz m3/s Objemový tok vzduchu přiváděného do zkušebny v zimním období Vpvz1 m3/s Objemový tok vzduchu přiváděného do zkušebny v zimním období bez složky tepelného výkonu chladiče motoru Vsm m3/s Objemový tok motorem nasávané směsi Vsp 3 m /s Objemový tok motorem vyprodukovaných spalin Vspv 3 Objemový tok směsi vzduchu a výfukových plynů 3 Maximální objemový průtok vzduchu vzduchovody Vvmax m /s m /s 9 vzduchu odsávaného odváděcí VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Vvv m3/s Vvv1 3 m /s Objemový tok plynům Vvvc m3/s Množství vzduchu spotřebované při zkoušce Objemový tok motorem nasávaného vzduchu přisávaného vzduchu k výfukovým c0 W/m2K4 Součinitel sálání dokonale černého povrchu cpsm J/kgK Měrná tepelná kapacita směsi vzduchu a benzínu cpsp J/kgK Měrná tepelná kapacita výfukových plynů cpspm J/kgK Měrná tepelná kapacita výfukových plynů při jejich střední teplotě cpspv J/kgK Měrná tepelná kapacita směsi výfukových plynů a vzduchu cpvv1 J/kgK Měrná tepelná kapacita směsi vzduchu přisávaného do spalin d,spv mm Teoretický průměr potrubí odsávání výfukových plynů dspv mm Průměr potrubí odsávání výfukových plynů dspvh mm Vnitřní průměr kovové flexibilní hadice iC kJ/kg Měrná entalpie cirkulačního vzduchu iD kJ/kg Měrná entalpie za elektrickým ohřívačem iE kJ/kg Měrná entalpie venkovního vzduchu iH kJ/kg Měrná entalpie vzduchu v hale iK kJ/kg Měrná entalpie vzduchu za vodním ohřívačem iP kJ/kg Měrná entalpie vzduchu přiváděného do zkušebny iS kJ/kg Měrná entalpie vzduchu po smíšení j 1 Hmotnostní zlomek jH2O 1 Podíl vody ve vzduchu jvv 1 Podíl vzduchu ve směsi paliva a vzduchu m kg Hmotnost mC kg/s Hmotnostní tok cirkulačního vzduchu mE kg/s Hmotnostní tok vzduchu z venkovního prostředí mH kg/s Hmotnostní tok vzduchu z haly modsz kg/s Hmotnostní tok vzduchu odsávaného odváděcí jednotkou mpal kg/s Hmotnostní tok motorem nasávaného paliva 10 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 mpv kg/s Hmotnostní tok vzduchu přiváděného větrací jednotkou mpvL kg/s Hmotnostní tok v letním období mpvL1 kg/s Hmotnostní tok vzduchu přiváděného do zkušebny v letním období bez složky tepelného výkonu chladiče motoru mpvz kg/s Hmotnostní tok v zimním období mpvz1 kg/s Hmotnostní tok vzduchu přiváděného do zkušebny v zimním období bez složky tepelného výkonu chladiče motoru msm kg/s Hmotnostní tok motorem nasávané směsi msp kg/s Hmotnostní tok motorem vyprodukovaných spalin mspv kg/s Hmotnostní tok směsi vzduchu a výfukových plynů mvv kg/s Hmotnostní tok motorem nasávaného vzduchu mvv1 kg/s Hmotnostní tok plynům mw kg/s Hmotnostní tok vody ve zvlhčovači n ot/min Otáčky zkoušeného motoru psm Pa Tlak směsi vzduchu a paliva psp Pa Tlak spalin na konci výfukové soustavy pspv Pa Tlak směsi výfukových plynů a vzduchu pvv Pa Tlak vzduchu ve zkušebně pvv1 Pa Tlak vzduchu přisávaného ke spalinám r J/kgK Plynová konstanta rsm J/kgK Plynová konstanta směsi paliva a vzduchu rsp J/kgK Plynová konstanta výfukových plynů rspv J/kgK Plynová konstanta směsi výfukových plynů a vzduchu rsv J/kgK Plynová konstanta suchého vzduchu rvv J/kgK Plynová konstanta vlhkého vzduchu rvv1 J/kgK Plynová konstanta plynům t °C Teplota tC °C Teplota cirkulačního vzduch tD °C Teplota vzduchu za elektrickým předehřevem 11 vzduchu přiváděného do zkušebny vzduchu přiváděného do zkušebny přisávaného vzduchu k výfukovým přisávaného vzduchu k výfukovým VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 tE °C Teplota venkovního vzduchu tel °C Výpočtová venkovní teplota v letním období tez °C Výpočtová venkovní teplota pro zimní období tH °C Teplota vzduchu v hale tchl °C Střední teplota povrchu chladiče tK °C Teplota vzduchu za vodním ohřívačem tmm °C Střední teplota povrchů ve zkušebně tmot °C Střední teplota povrchu motoru tmsp °C Střední teplota spalin ve výfukové soustavě tP °C Teplota přiváděného větracího vzduchu do zkušebny tpL °C Teplota přiváděného větracího vzduchu do zkušebny v letním období tpod °C Teplota povrchu podlahy tpz °C Teplota přiváděného větracího vzduchu do zkušebny v zimním období tr °C Teplota rosného bodu tS °C Teplota vzduchu po směšování tsm °C Teplota směsi paliva a vzduchu tsp °C Teplota výfukových plynů na výstupu z výfuku tsp0 °C Teplota výfukových plynů na začátku výfukové soustavy tspv °C Teplota směsi výfukových plynů a vzduchu tsten °C Teplota povrchu stěn tstrop °C Teplota povrchu stropu tvv °C Teplota vzduchu ve zkušebně tvv1 °C Teplota přisávaného vzduchu k výfukovým plynům tvvL °C Maximální přípustná teplota vzduchu ve zkušebně v letním období tvyf °C Střední teplota povrchu výfukové soustavy wspv m/s Rychlost proudění směsi vzduchu a výfukových plynů ve spalinovém vzduchovodu wvmax m/s Maximální rychlost vzduchu ve vzduchovodech x g/kg Měrná vlhkost vzduchu xC g/kg Měrná vlhkost cirkulačního vzduchu 12 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 xD g/kg Měrná vlhkost vzduchu za elektrickým předehřevem xE g/kg Měrná vlhkost venkovního vzduchu xH g/kg Měrná vlhkost vzduchu v hale xK g/kg Měrná vlhkost vzduchu za vodním ohřívákem xP g/kg Měrná vlhkost vzduchu přiváděného do zkušebny xS g/kg Měrná vlhkost vzduchu po směšování xvv g/kg Měrná vlhkost vzduchu ve zkušebně ∆ pEL Pa Tlaková ztráta komory elektrického předehřevu ∆ pFO Pa Tlaková ztráta filtru v odváděcí jednotce ∆ pFP Pa Tlaková ztráta filtru v přívodní jednotce ∆ pspv Pa Tlaková diference: odsávací nástavec - zkušebna ∆ pvv Pa Tlaková diference: zkušebna - venkovní prostor ∆T K Teplotní rozdíl α W/m2K Součinitel přestupu tepla ε 1 Součinitel tepelné sálavosti povrchu motoru εchl 1 Součinitel tepelné sálavosti povrchu chladiče εmot 1 Součinitel tepelné sálavosti povrchu motoru εvyf 1 Součinitel tepelné sálavosti povrchu výfukové soustavy ϕ 1 Relativní vlhkost vzduchu ϕC 1 Relativní vlhkost cirkulačního vzduchu ϕD 1 Relativní vlhkost vzduchu za elektrickým předehřevem ϕE 1 Relativní vlhkost venkovního vzduchu ϕH 1 Relativní vlhkost vzduchu v hale ϕK 1 Relativní vlhkost vzduchu za vodním ohřívákem ϕP 1 Relativní vlhkost vzduchu přiváděného do zkušebny ϕS 1 Relativní vlhkost vzduchu po směšování ϕvv 1 Relativní vlhkost vzduchu ve zkušebně ρC kg/m3 ρD 3 kg/m Hustota cirkulačního vzduchu Hustota vzduchu za elektrickým předehřevem 13 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 ρE kg/m3 ρH kg/m 3 Hustota vzduchu v hale kg/m 3 Hustota vzduchu za vodním ohřívákem kg/m 3 Hustota vzduchu přiváděného do zkušebny ρS kg/m 3 Hustota vzduchu po směšování ρsm kg/m3 ρK ρP Hustota venkovního vzduchu Hustota směsi vzduchu a benzínu při směšovacím poměru 14,7:1 1. ÚVOD: 1.1 Popis problému: Tato diplomová práce řeší návrh vzduchotechnického zařízení pro přívod a odvod vzduchu a odsávání výfukových plynů ze zkušebny motorů, která je určena pro dlouhodobé zkoušky tj. 400 a více hodin a nachází v areálu VUT Brno , Fakulty strojního inženýrství. Je to také první práce tohoto druhu. Doposud prováděné návrhy pro zkušebny motorů byly nedostatečně spočítané a proto většinou poddimenzované. Vzduchotechnika v této místnosti by tedy měla zajistit přívod vzduchu potřebného pro chod motoru, odvod spalin vyprodukovaných motorem a takovou intenzitu výměny vzduchu ve zkušebně, která by pokryla tepelnou zátěž tohoto prostoru. Z ekonomických důvodů nebude toto zařízení obsahovat chlazení vzduchu. Je tedy zřejmé, že ve dnech, kdy teplota venkovního vzduchu bude vyšší, než požadovaná vnitřní teplota, nebude možné této teploty dosáhnout. Je tedy třeba v těchto dnech alespoň udržet při zkoušce vnitřní teplotu jen o málo vyšší, než teplota venkovní. V zimním období je zase naopak nutné čerstvý vzduch ohřívat, aby nedocházelo na větracím zařízení ke kondenzaci vodní páry. 14 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 1.2 Analýza současné situace Stávající zařízení v této zkušebně je nejen zastaralé a částečně nefunkční, ale má i nedostatečnou výkonnost. Navíc postrádá samostatnou regulaci a měření provozně důležitých veličin. Ústav Dopravních techniky zde provádí pro různé firmy zkoušky motorů, které jsou součástí vývojových programů nových vozidel. Proto je nutné, aby v těchto prostorách byly udržovány klimatické podmínky, co možná nejblíže podmínkám pro zkoušení motorů definovaných v normě INTERNATIONAL STANDARD ISO 1585 for Road vehicles – Engine test code – Net power (pro silniční vozidla, testování motorů, čistý výkon). Tato norma připouští zkoušení motorů i za jiných klimatických podmínek, ale pak je nutno provádět korekci naměřených hodnot, která je závislá na hodnotách tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu. Další problém se týká chlazení zkoušeného motoru. Do této doby byl na místo chladiče nainstalován směšovací výměník tepla „voda-voda“, který byl schopen efektivně chladit motor i při vysokých otáčkách a maximálním zatížení. Je také zřejmé, že tepelná energie chladící vody byla odváděna mimo zkušebnu a tak se nemohla podílet na tepelné zátěži zkušebny. Nyní je požadavek, aby byl při zkoušení k motoru připojen originální chladič, který vozidlo používá při běžném provozu ( kapalina – vzduch), ve kterém bude kolovat nemrznoucí kapalina taktéž používaná při běžném provozu. Je tedy zřejmé, že tepelná zátěž zkušebny při provozu bude vyšší o teplo dodané tímto chladičem. Také bude nutno zvážit, zda tento chladič bude schopen dostatečně chladit motor při extrémním zatížení, protože při zkoušení není k dispozici náporový vzduch, který při běžném provozu podstatně zvyšuje chladící účinnost chladiče. Regulace výše uvedeného vzduchotechnického zařízení by měla pracovat automaticky. To znamená, že bude propojena s PC, na kterém obsluha nastaví požadované hodnoty teplot, tlaků a objemových toků vzduchu a regulační systém bude následně sám ovládat toto zařízení. V současné době také není využívána vznikající odpadní tepelné energie, kterou při zkoušení produkují motor a dynamometr. Tato energie by mohla především sloužit k ohřevu TUV. Také se naskýtá příležitost instalovat zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT). Bylo by tedy vhodné provést porovnání investičních nákladů na tyto zařízení se vzniklými úsporami energie. 2. ZÁKLADNÍ INFORMACE: 2.1 Informace o objektu: • Poloha objektu : Brno, areál VUT Fakulta strojního inženýrství, budova C3, přízemí. • Rozměry místnosti : 9 m x 4,5 m x 4 m 15 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 • Zdivo : Cihly 45 cm (příčky 30 cm) • Stěny : Obloženy zvuk pohlcujícím materiálem • Podlaha : Beton – 1,5 m • Otopná soustava : Dvoutrubková s teplotním spádem 90/70 °C • Rozvod vzduchu : Obdelníkové plechové vzduchovody • Nadmořská výška : cca 230 mnm • Výpočtová venkovní teplota vzduchu pro zimní období : tez = -12°C • Nejvyšší venkovní teplota vzduchu pro letní období : tel = 30°C 2.2 Požadované podmínky ve zkušebně: (Dané normou ISO 1585) • Teplota vzduchu : tvv = 25 °C • Tlak vzduchu : pvv = 101,3 kPa • Relativní vlhkost vzduchu : ϕvv = 60% Tyto hodnoty nejsou závazné, ale měli bychom se k nim co nejvíce přiblížit. Pokud nepoužijeme v sestavě vzduchotechniky chladící zařízení, je zřejmé, že v nejteplejších dnech se bude teplota tvv výrazně lišit. 2.3 Parametry zkoušeného motoru (Maximální parametry) • Typ : Čtyřdobý, zážehový • Zdvihový objem : Vm = 2,0 l • Otáčky : n = 6000 ot/min • Směšovací poměr : 14,7 : 1 2.4 Situační nákres 16 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 2.1 : Umístění pracoviště 3. Průběh zkoušky 3.1 Parametry a naměřené hodnoty Pro následující výpočet budeme potřebovat hodnoty, které nezískáme jinak, než jejich přímým změřením v průběhu zkoušky. Vzduchotechnické zařízení navrhujeme pro maximální zatížení zkušebny (motor 2l, při 6000ot/min, 100% zatížení …..). Motor tohoto typu se však momentálně nezkouší. V těchto dnech probíhají zkoušky motoru : řadový tříválec o objemu 1,2 l s max. výkonem 40kW při 100% zatížení. • Motor běží na 5500 ot/min 48minut a na 4400 ot/min 60 minut, pouze s přestávkami způsobenými poruchou a její následnou opravou. • Celková doba testu je 400 hodin. • Chlazení motoru je realizováno originálním chladičem, který bude použit v běžném provozu s orig. chladící kapalinou. • Náporový vzduch na chladič není k dispozici. • Je zde nainstalován chladič oleje – lamelový výměník voda-olej. Ohřátá voda je odváděna mimo zkušebnu. 17 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 • Dynamometr je chlazen vodou. Ohřátá voda je odváděna mimo zkušebnu. • Je přiváděn neupravený venkovní vzduch. Následující hodnoty byly změřeny 6.3. 2001 ve 14:30. Použité měřící zařízení: • Optický teploměr OMEGA 08523-2 • K-termočlánek OMEGA • Odporový teploměr Pt 100 Byly naměřeny tři hodnoty teplot na každém prvku. V tabulce jsou tedy uvedeny průměrné hodnoty. TEPLOTA t (°C) TEPLOTA t (°C) Stěn 22 Výfukových plynů 365 Stropu 18 Povrchu výfuku u motoru 823 Podlahy 17 Povrchu výfuku na konci 360 Vnitřního vzduchu 23 Povrchu motoru 80 Venkovního vzduchu 1 Chladící kapaliny 81 Povrchu vzduchotechniky 14 Oleje 115 Povrchu dynamometru 58 Chl. vody dynam. a oleje 60 Pro náš případ budeme uvažovat teploty zdrojů tepla o něco vyšší, protože, jak již bylo řečeno, navrhujeme vzduchotechniku, pro maximální zatížení zkušebny. 3.2 Obrazová dokumentace současného stavu 18 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 3.1 : Vzduchovody pro přívod a odsávání vzduchu Obr. 3.2 : Chladič oleje 19 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 3.3 : Výfuková soustava Obr. 3.4 : Odsávání výfukových plynů 20 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 4. Spotřeba vzduchu a produkce spalin při zkoušce: 4.1 Schéma soustavy Vzduch Palivo p Přisávaný vzduch vv1 vv sm Sm ěs sp spv Spaliny Směs spalin a vzduchu Obr. 4.1 : Znázornění toků v soustavě 4.2 Množství vzduchu nutné pro chod motoru 4.2.1 Vlhký vzduch Do zkušebny není přiváděn suchý vzduch. Proto je nutné určit vlastnosti přiváděného vlhkého vzduchu. Množství vodní páry ve venkovním vzduchu se však neustále mění.Také, vnitřní teplotu, jak již bylo řečeno, nebude možno v určitém období udržet na požadované hodnotě. Proto budeme uvažovat stav vzduchu daný normou ISO 1585. ϕvv = 60% , tvv = 25°C , pvv = 101,3 kPa Pro zjišťování stavu vlhkého vzduchu využíváme program hx diag vytvořený v EXCELU firmou C.I.C. Jan Hřebec, který je volně dostupný na serveru odboru termomechaniky a techniky prostředí. 21 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Nyní je nutné zjistit množství vlhkosti vzduchu při těchto podmínkách. To znamená určit hodnotu měrné vlhkosti x.. Tu zjistíme pomocí i-x diagramu vlhkého vzduchu. t ϕ=0,6 tvv = 25°C ϕ=1 xvv x Obr. 4.2 : Postup zjištění měrné vlhkosti vzduchu v i-x diagramu Dle i-x diagramu je měrná vlhkost vzduchu výše uvedených parametrů xvv = 12,1 g/kgsv = 0,0121 kg/kgsv Podíl vody ve vzduchu je tedy 1,21% pak tedy hmotnostní zlomek jH2O = 0,0121. Plynová konstanta vlhkého vzduchu rvv rH O = 2 R 8314,3 = = 461,5 J / kgK MH O 16 + 2,01 2 Plynová konstanta vodní páry: Universální plynová konstanta ... R = 8314,3 J/kmolK Molekulová hmotnost vody ... MH2O (kg/kmol) Plynová konstanta suchého vzduchu: rsv = 287,04 J/kgK 22 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Pak tedy: rvv = ∑ mi ⋅ ri = m ∑ ji ⋅ ri = 0,0121⋅ 461,5 + 0,9879 ⋅ 287,04 = 289,15 J/kgK 4.2.2 Směs paliva se vzduchem Vzduch je míšen (karburátor nebo vstřikování) s palivem při maximálním zatížení motoru v poměru 14,7 : 1. Plynová konstanta směsi rsm = 281,7 J/kgK. Tlak po smíchání vzduchu a paliva můžeme pro zjednodušení uvažovat psm = 101,3 kPa. Pokud je palivo v nádrži umístěné ve zkušebně, můžeme taktéž teplotu směsi považovat stejnou s teplotou okolního vzduchu. Tzn. tsm = 25°C. Hodnoty plynových konstant směsi a spalin rsm , rsp a jejich měrné tepelné kapacity cpsm , cpsp určíme pomocí programu RRRR, který byl vytvořen v Pascalu a využívá interpolačních polynomů jednotlivých složek směsi a spalin, vytvořených v NASA. V tomto programu zadáváme: směšovací poměr, poměr N/O vzduchu, poměr H/C paliva, měrnou vlhkost vzduchu, molární poměr obsahu residui v čerstvé směsi, teplotu výfukových plynů. Po té získáme výše uvedené veličiny. Objemový tok motorem nasávané směsi Při hodnotách: Čtyřdobý zážehový motor o objemu 2 l s otáčkami 6000ot/min. . V sm = Vm ⋅ n ⋅ 0,03 = 2 ⋅ 6000 ⋅ 0,03 = 360 m 3 /hod = 0,1 m 3 /s Hmotnostní tok motorem nasávané směsi Ze stavové rovnice: . . p sm ⋅ V sm = rsm ⋅ m sm ⋅ Tsm Pak tedy: . . m sm p ⋅ V sm 101,3 ⋅ 10 3 ⋅ 0,1 = sm = = 0,1206 kg/s rsm ⋅ Tsm 281,7 ⋅ 298,16 23 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 4.2.3 Množství vzduchu nasávaného motorem Hmotnostní podíl vzduchu ve směsi Zákon o zachování hmoty: . . . m sm = m vv + m pal Při směšovacím poměru (hmotnostním) 14,7 : 1 to tedy znamená, že 15,7 kg směsi obsahuje 14,7 kg vzduchu, což je 93,63 % z celkové hmotnosti. Podíl paliva je 6,37 %. Pak tedy: j vv = 0,9363 a Hmotnostní tok motorem nasávaného vzduchu je . . m vv = jvv ⋅ m sm = 0,9363 ⋅ 0,1206 = 0,1129 kg/s Ze stavové rovnice nyní určíme Objemové množství vzduchu spotřebovávané motorem . . V vv m vv ⋅ rvv ⋅ Tvv 0,1129 ⋅ 289,15 ⋅ 298,16 = = = 0,0961 m 3 /s 3 p vv 101,3 ⋅ 10 . V vv = 346 m 3 /hod Toto je tedy množství vzduchu nutné pro chod motoru při výše uvedených podmínkách. Ve zkušebně se však na spotřebě vzduchu podílí ještě systém odsávání spalin motoru. Potrubí pro odsávání spalin, nesmí být připojeno přímo na koncovku výfuku. Odsávací nástavec, kterým je toto potrubí ukončeno, musí umožňovat přisávání okolního vzduchu (viz. Obr. 4.1), aby nebyly změněny podmínky (tlakové poměry), při kterých motor pracuje ve skutečném provozu. Množství vzduchu odsávané tímto potrubím se určí z množství vyprodukovaných výfukových plynů. 24 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 4.3 Odsávání výfukových plynů 4.3.1 Množství vyprodukovaných výfukových plynů Potřebujeme znát stav výfukových plynů na výstupu z poslední části výfuku (koncovka). Je tedy nutné změřit teplotu vystupujících spalin při daném zatížení motoru. Ta není u všech motorů stejná. Záleží na účinnosti motoru, typu a materiálu výfuku,...... . V tomto případě jsme měřili teplotu výfukových plynů při zkoušce, která probíhala v této zkušebně 6.3. 2001. Při této zkoušce byl testován motor o objemu 1,2 l a max. výkonu 40kW. Otáčky motoru byly udržovány na hodnotě 5500 ot/min při 100% zatížení (viz. kapitola 3). Teplotu jsme měřili odporovým teploměrem PT100. Byly zaznamenány 3 hodnoty po časovém intervalu 10min. Při těchto podmínkách jsme naměřily tyto teploty výfukových plynů: 363°C, 367°C, 366°C. Pro naše zadání budeme tedy uvažovat teplotu výfukových plynů tsp = 400°C. Na výstupu z výfuku, musí být stále udržován mírný podtlak, aby nedocházelo k úniku spalin do prostoru zkušebny. Pokud tedy uvažujeme tlak ve zkušebně pvv=101,3kPa, pak tlak na výstupu z výfuku může být cca psp = 99 kPa. Plynová konstanta těchto výfukových plynů je rsp = 289,07 J/kgK. Ze zákona o zachování hmoty vyplývá: msm = msp Pak tedy: . . V sp = m sp ⋅ rsp ⋅ Tsp p sp = 0,1206 ⋅ 289,07 ⋅ 673,16 = 0,2371 m 3 /s = 853,4 m 3 /hod 99000 25 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 4.3.2 Míšení spalin s přisávaným vzduchem Přisávaný vzduch t = 25 °C p = 99 kPa r = 289,2 J/kgK vv1 sp Spaliny t = 400 °C p = 99 kPa r = 289,07 J/kgK spv t=? Směs spalin a vzduchu pr == ?99 kPa Obr. 4.3 : Stavy míšených plynů . . . m spv = m sp + m vv1 Je také zřejmé, že : Norma pro odsávání výfukových plynů uvádí objemový tok vzduchu přisávaného do odsávacího potrubí jako 0,5 násobek objemového toku výfukových plynů. Pak tedy: . . V vv1 = 0,5 ⋅ V sp = 0,5 ⋅ 0,2371 = 0,1185 m 3 /s Hmotnostní tok přisávaného vzduchu určíme opět ze stavové rovnice: . . m vv1 p ⋅ V vv1 99000 ⋅ 0,1185 = vv1 = = 0,1361 kg/s Tvv1 ⋅ rvv1 298,16 ⋅ 289,15 26 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Stav směsi výfukových plynů s přisávaným vzduchem Plynová konstanta . rspv = . m sp ⋅ rsp + m vv1 ⋅ rvv1 . m spv = 0,1206 ⋅ 289,07 + 0,1361⋅ 289,15 = 289,11 J/kgK 0,1206 + 0,1361 Teplota Teplotu směsi určíme pomocí 1. zákona termomechaniky. Porovnáním entalpií (práce je v tomto případě nulová) jednotlivých složek a směsi získáme následující rovnici: m spv ⋅ c pspv ⋅ (t spv − 0) = m vv1 ⋅ c pvv1 ⋅ (t vv1 − 0) + m sp ⋅ c psp ⋅ (t sp − 0) . . . (Za vztažnou teplotu bereme 0°C) Hodnota měrné tepelné kapacity vlhkého vzduchu cpvv = cpvv1 je mimo jiné také funkcí teploty. Protože tuto veličinu budeme ve výpočtu používat poměrně často a to pro různé teploty vzduchu, tak ji pro zjednodušení určíme z tabulek pro suchý vzduch (takto se to provádí i v praxi). Nyní určíme měrnou tepelnou kapacitu směsi. . . c pspv = m vv1 ⋅ c pvv1 + m sp ⋅ c psp . m spv = 0,1361 ⋅ 1010,3 + 0,1206 ⋅ 1185,3 = 1092,5 J/kgK 0,2567 Pak tedy: . t spv = . m vv1 ⋅ c pvv1 ⋅ t vv1 + m sp ⋅ c psp ⋅ t sp . m spv ⋅ c pspv = 0,1360 ⋅ 1010,3 ⋅ 25 + 0,1206 ⋅ 1185,3 ⋅ 400 = 0,2567 ⋅ 1092,7 t spv = 216 °C 27 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Výkonnost spalinového ventilátoru: Objemový tok směsi výfukových plynů s přisávaným vzduchem spočítáme pomocí stavové rovnice: . . V spv = m spv ⋅ rspv ⋅ Tspv p spv = 0,2567 ⋅ 289,11 ⋅ 489 = 0,3668 m 3 /s 99000 . V spv = 1320,6 m 3 /hod Nyní tedy víme, že výkonnost spalinového ventilátoru musí být minimálně těchto 1320,6 m3/hod. Vybereme tedy z nabídky výrobce ventilátor s nejbližší vyšší výkonností. 4.4 Spotřeba vzduchu ve zkušebně Množství vzduchu spotřebovaného při zkoušce je tedy, jak již bylo řečeno, množství vzduchu nasávaného motorem + množství vzduchu odsávaného společně s výfukovými plyny spalinovým ventilátorem. Tedy : . . . V vvc = V vv + V vv1 = 0,0961 + 0,1185 = 0,2146 m 3 /s = 772,7 m 3 /hod To znamená, že do zkušebny, ve které probíhá zkouška motoru výše uvedených parametrů, musí být přiváděno minimálně 773 m3/hod vzduchu . 28 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 5. Tepelná bilance Nyní tedy víme, jaké množství vzduchu musíme přivádět do zkušebny, pro bezproblémový chod motoru a spolehlivé odsávání výfukových plynů. Při provozu spalovacího motoru však vzniká i velké množství tepla. Motoru je dodávána energie obsažená v palivu (chemická energie) a ta se mění na jiné formy energie. Jsou to např.: mechanická energie, tepelná energie, deformační energie ..... . Nejvýznamnější je přeměna v energii mechanickou a tepelnou. V tomto případě nás především zajímá energie tepelná. Neméně důležité, je vědět jakými způsoby, je tato tepelná energie z motoru odváděna. Ve zkušebně jsou zkoušeny především vodou chlazené motory, u kterých je v běžném provozu odvod tepla zajištěn cirkulací chladící kapaliny. Tato kapalina předá teplo okolnímu vzduchu pomocí chladiče. Také motor sám se ochlazuje prouděním vzduchu kolem jeho ohřátých částí a radiací těchto částí. Část tepelné energie je odvedena i výfukovými plyny. Nyní nás zajímá, jaké množství vzduchu při různých teplotách, je nutné přivádět do zkušebny, aby byla tato tepelná zátěž spolehlivě likvidována. To znamená, aby byly při provozu motoru podmínky ve zkušebně (teplota vzduchu, tlak a relativní vlhkost) co možná nejpodobnější podmínkám daných normou ISO 1585. Jak již bylo řečeno, nebude použit chladič přiváděného vzduchu. Ostatní tepelné zisky (sluneční záření, svítidla......) nebudeme uvažovat, protože je zřejmé, že jsou mnohonásobně nižší, než tepelný výkon zkoušeného motoru. Při konečném návrhu zařízení pouze zvolíme jeho výkon o něco vyšší, než bude vyžadovat vypočítaná tepelná zátěž. 5.1 Energie dodávaná do motoru palivem Teoretická výhřevnost směsi benzínu a vzduchu při směšovacím poměru 14,7 : 1 je : Qri sm v = 820 kcal/m3 = 3433,176 kJ/m3 Viz. Košťál, Suk : PÍSTOVÉ A SPALOVACÍ MOTORY. SNTL Praha 1963 Hustota směsi: . ρ sm = m sm . V sm = 0,1206 = 1,206 kg/m 3 0,1 29 VUT v BRNĚ, FS – EÚ Pak tedy: r Q ism VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Q ir sm v 3433,176 = = = 2846,746 kJ/kg ρ sm 1,206 Příkon motoru v palivu: . . r ⋅ m sm = 2846,746 ⋅ 0,1206 = 343,32 kW Q cel = Q ism 5.2 Přeměna energie v motoru Viz. Košťál, Suk : PÍSTOVÉ A SPALOVACÍ MOTORY. SNTL Praha 1963 20 až 32% Energie využitá =>výkon motoru 28 až 40% Energie odvedená výfukem 25 až 40% Energie odvedená chlazením 4 až 10% Energie spotřebovaná třením 100% Energie přivedená v palivu Obr.5.1 : Přeměna energie v motoru Zvolím nejnepříznivější variantu. To je : Maximální produkce tepla ve zkušebně při provozu motoru. Viz Tab. 5.1 . 30 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 VÝKONY % kW Využitý 20 68,7 Výfuk 36 123,6 Chlazení 40 137,3 Tření 4 13,7 Tab. 5.1 : Přeměna energie v motoru 5.2.1 Výkony, nepodílející se na ohřevu vzduchu v místnosti 1) Tření Tření vznikající v motoru, se projeví jako tepelná energie která ohřívá především motorový olej. Pokud je použit olejový chladič, který je chlazen vodou a ta je odváděna mimo zkušebnu můžeme tento tepelný výkon zanedbat. 2) Využitý výkon Je to vlastně výkon motoru na klikovém hřídeli. Pokud je dynamometr chlazen vodou, která je odváděna mimo zkušebnu, nebude se mech. výkon motoru přeměněný v dynamometru na teplo vážně podílet na ohřevu vzduchu ve zkušebně. 3) Část tepelného výkonu odváděného výfukovými plyny Jak je uvedeno v tabulce 5.1, tepelný výkon odváděný výfukovými plyny je cca 36% celkového příkonu. Výfukové plyny ohřívají výfukovou soustavu a odsávací potrubí výfukových plynů. Avšak část energie výfukových plynů je s nimi odváděna mimo zkušebnu. 5.2.2 Výkony, podílející se na ohřevu vzduchu ve zkušebně Jedná se v podstatě o přestup tepla konvekcí. Od těchto výkonů tedy odečteme přestup tepla radiací z těchto prvků, a akumulaci (přestup) tepla do stěn, podlahy, stropu,… . Z experimentu totiž vyplívá, že teploty okolních stěn, podlahy a stropu jsou i po ustálení vždy nižší než je teplota vzduchu a povrchové teploty zdrojů tepla. 31 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 1) Chlazení Množství energie odváděné chlazením se rozdělí mezi dvě složky. Větší část energie se odvádí chladičem a druhá je odváděna, ochlazováním bloku motoru a jeho částí. Tato energie je spotřebována ohřevem přiváděného vzduchu (kromě radiační složky přestupu tepla). Pokud je použit klasický chladič (kapalina-vzduch), tak veškerý výkon přivedený do chladiče chladící kapalinou se projeví jako ohřátí vzduchu ve zkušebně. 2) Výfuk Jak již bylo uvedeno, část výkonu odváděného výfukem se také podílí na ohřevu přiváděného vzduchu do zkušebny. Je to především přestup tepla konvekcí z výfukové soustavy, ale také přestup tepla konvekcí z odsávacího potrubí. 5.3 Tepelná zátěž zkušebny Jak již bylo řečeno, na tepelné zátěži se podílí tepelný výkon chlazení motoru a část tepelného výkonu výfukových plynů. Nyní určíme tepelný výkon výfukových plynů, který se podílí na tepelné zátěži zkušebny. Víme že : • Teplota povrchu výfuku na začátku soustavy (u bloku motoru) je 823°C. Teplotu výfukových plynů na začátku soustavy pak volím: tsp0 = 850°C. • Teplota výfukových plynů na výstupu z výfuku je tsp = 400°C. (Viz. výše) • Teplota směsi spalin a vzduchu je tspv = 216°C. (Viz. výše) Měrná tepelná kapacita výfukových plynů, je funkcí teploty. Pro zjednodušení lze uvažovat měrnou tepelnou kapacitu při střední teplotě tmsp. 32 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Střední teplota spalin ve výfukové soustavě: t msp = t sp 0 + t sp Tsp0 = 850 °C 2 = 850 + 400 = 625 °C 2 Tsp = 400 °C Venkovní prostředí Tspv = 216 °C Zkušebna Obr. 5.2 : Změna teploty výfukových plynů Pak tedy měrná tepelná kapacita spalin při 625°C je cpspm = 1283 J/kgK Nyní můžeme určit: Topný výkon výfukové soustavy . . Q Tvs = m sp ⋅ c pspm ⋅ ( t sp 0 − t sp ) = 0,1206 ⋅ 1283 ⋅ (850 − 400) = 69628W ≅ 70 kW Topný výkon odsávacího potrubí Odsávací potrubí výfukových plynů bude z větší části uloženo v podlahovém kanálu, podobně jako je tomu nyní (viz. obr. 3.4). Kanál je zakrytován plechem o síle 4 mm. Z toho lze usuzovat, že topný výkon tohoto potrubí bude z převážné většiny akumulován do masivní betonové podlahy. Nyní ještě není zřejmé, jaké budou rozměry a tvary tohoto potrubí. Proto tuto tepelnou zátěž nebudeme počítat, ale odhadneme ji. 33 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 . Volíme tedy: Q Top ≅ 10 kW Topný výkon chlazení motoru Viz. Tab. 5.1 . Q Tch ≅ 138 kW Pak tedy: CELKOVÁ TEPELNÁ ZÁTĚŽ ZKUŠEBNY je . . . . Q Z = Q Tvs + Q Top + Q Tch = 70 + 10 + 138 = 218 kW . Q Z = 218 kW 5.4 Tepelná zátěž větracího vzduchu Norma ISO 1585 požaduje udržování teploty vzduchu na hodnotě 25°C. Zajímá nás tedy především ohřívání vzduchu ve zkušebně ≈ tepelná zátěž větracího vzduchu. Jak již bylo řečeno, ohřev vzduchu je realizován přestupem tepla konvekcí. Radiační složky přenosu tepla ze zdrojů a akumulaci tepla do stěn, stropu, podlahy..... nebudeme tedy považovat za tepelnou zátěž větracího vzduchu. 5.4.1 Radiační složky přestupu tepla ze zdrojů Použijeme postup výpočtu radiace, pro případ: Plocha zdroje záření je o mnoho menší, než plocha na kterou září. Nyní stanovíme Střední teplotu povrchu místnosti (plocha místnosti ≈ plocha stěn, podlahy a stropu). Je vhodné ji stanovit tzv. Váženým průměrem, protože teploty stěn, podlahy a stropu nejsou stejné. t mm = Spod ⋅ t pod + Ssten ⋅ t sten + Sstrop ⋅ t strop S mist 34 VUT v BRNĚ, FS – EÚ t mm = VUT-EU-ODDI-3302-08-01 (9 ⋅ 4,5) ⋅ 17 + [2 ⋅ (4,5 ⋅ 4 ) + 2 ⋅ (4 ⋅ 9 )] ⋅ 22 + (4,5 ⋅ 9) ⋅ 18 = 20,07 ≅ 20 °C (9 ⋅ 4,5) + [2 ⋅ (4,5 ⋅ 4 ) + 2 ⋅ (4 ⋅ 9 )] + (4,5 ⋅ 9) Plochu motoru aproximujeme jako kvádr o rozměrech 1m a 0,8m a 0,6m a z důvodu členitosti tohoto povrchu násobíme tuto plochu koeficientem 1,5. pak tedy S mot = [2(1 ⋅ 0,8) + 2 ⋅ (1 ⋅ 0,6 ) + 2 ⋅ (0,6 ⋅ 0,8)] ⋅ 1,5 = 5,7m 2 Plochu chladiče aproximujeme jako kvádr o rozměrech 0,8m a 0,6m a 0,05m . Okraje chladiče jsou chráněny plastovými kryty, proto je do plochy nezahrnujeme.) S chl = 2 ⋅ (0,8 ⋅ 0,6 ) = 0,96m 2 Plochu výfuku aproximujeme jako 4m dlouhou trubku o průměru 0,1m. S vyf = π ⋅ 0,1 ⋅ 4 = 1,3m 2 Součinitele poměrné tepelné sálavosti ε (viz . Tepelné tabulky a diagramy) Zde jsou uvedené hodnoty při určitých teplotách. Teploty povrchů, pro které ε určujeme jsou však jiné. Je tedy vhodné tyto hodnoty mírně pozměnit v závislosti na skutečné teplotě. Hodnoty ε závisí na stavu povrchu (koroze, leštěný....) na barvě, na materiálu.... . Proto se mohou pro různé motory značně lišit. Uvažujeme: motor – hliníkový nátěr, chladič - hliník, výfuk – černý matný lak ε mot ≅ 0,4 ε výf ≅ 0,9 ε chl ≅ 0,06 Střední teploty povrchů zdrojů záření se také mohou pro různé motory lišit. Uvažujeme: t mot = t chl = 80°C t výf = 850 + 400 = 625°C 2 35 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Radiaci určíme ze vztahu: T1 4 T2 4 Q r = ε ⋅ c 0 ⋅ S ⋅ − 100 100 . kde c0 je součinitel sálání dokonale černého povrchu : c0 = 5,7 W/m2K4 Pak tedy MOTOR . Q rmot Tmot 4 Tmm 4 353 4 293 4 = ε mot ⋅ c 0 ⋅ S mot ⋅ − = 0,4 ⋅ 5,7 ⋅ 5,7 ⋅ − = 100 100 100 100 . Q rmot = 1060 W CHLADIČ . Q rchl Tchl 4 Tmm 4 353 4 293 4 = ε chl ⋅ c 0 ⋅ Schl ⋅ − = 0,06 ⋅ 5,7 ⋅ 0,96 ⋅ − = 100 100 100 100 . Q rchl = 27 W VÝFUK . Q rvyf = ε vyf ⋅ c 0 ⋅ S vyf Tvyf 4 T 4 898 4 293 4 mm − ⋅ = 0,9 ⋅ 5,7 ⋅ 1,3 ⋅ = − 100 100 100 100 . Q rvyf = 42876 W CELKOVÝ TEPELNÝ TOK ZÁŘENÍM . . . . Q rc = Q rmot + Q rchl + Q rvýf = 1060 + 27 + 42876 = 43963 W ≅ 44 kW 36 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 5.4.2 Akumulace tepla do podlahy, stěn, stropu Součinitel přestupu tepla α volím α = 10 W/m2K Teplota vzduchu v místnosti tvv = 25°C Teplota podlahy tpod = 17°C Teplota stěn tsten = 22°C Teplota stropu tstrop = 18°C Akumulaci určíme z Newtonova vztahu pro přenos tepla konvekcí: . Q = α ⋅ S ⋅ ∆T PODLAHA Q apod = α ⋅ S pod ⋅ (t vv − t pod ) = 10 ⋅ (4,5 ⋅ 9) ⋅ (25 − 17 ) = 3240 W . STĚNY . Q asten = α ⋅ Ssten ⋅ (t vv − t sten ) = 10 ⋅ [2 ⋅ (4 ⋅ 4,5) + 2 ⋅ (4 ⋅ 9)] ⋅ (25 − 22) = 3240 W STROP Q astrop = α ⋅ Sstrop ⋅ (t vv − t strop ) = 10 ⋅ (4,5 ⋅ 9 ) ⋅ (25 − 18) = 2835 W . CELKOVÝ AKUMULOVANÝ TEPELNÝ TOK . . . . Q ac = Q apod + Q asten + Q astrop = 3240 + 3240 + 2835 = 9315 W ≅ 9,3 kW 37 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 5 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 5.4.3 Tepelná zátěž větracího vzduchu Od tepelné zátěže zkušebny odečteme tepelné toky radiace a akumulace do stěn, podlahy a stropu. . . . . Q Zvv = Q Z − Q rc − Q ac = 218 − 44 − 9,3 = 164,7 kW . Q Zvv ≅ 165 kW 6. Množství přiváděného větracího vzduchu Do zkušebny je nutno přivádět ( a následně odvést) takové množství vzduchu, aby při dané tepelné zátěži byla při zkoušení motoru teplota vzduchu v místnosti 25°C. Jak již bylo řečeno, nebude použito chlazení vzduchu a z toho důvodu, nebude možné při určitých (venkovních) podmínkách této teploty dosáhnout. Tzn.: pokud bude venku teplota vyšší jak 25°C. Norma ISO 1585 předepisuje relativní vlhkost ve zkušebně 60%. Tento požadavek zajistíme instalací zvlhčovacího zařízení. 6.1 Množství vzduchu z tepelné bilance TEPELNÁ BILANCE Tepelná zátěž (citelným teplem)je pokryta : . množstvím přiváděného větracího vzduchu m pv . . . Q Zvv = m pv ⋅ c pvv ⋅ (t vv − t P ) Je zřejmé, že potřebné množství vzduchu bude záležet na teplotě přiváděného vzduchu tP. Při použití větracího zařízení bez chladiče vzduchu se tato teplota bude měnit v závislosti na venkovní teplotě. Provedeme tedy výpočet Pro letní a zimní období. 38 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 6.1.1 Potřebné množství větracího vzduchu v zimním období Potřebné množství vzduchu se bude zmenšovat s klesající teplotou přiváděného vzduchu. Pro minimální náklady je nutno navrhovat zařízení na minimální potřebné množství větracího vzduchu. Z důvodů zamrznutí vody v instalovaném ohřívači vzduchu a tvoření námrazy v potrubí není možné přivádět vzduch s teplotou menší jak 0°C. Nyní je tedy otázka, jaká může být minimální teplota přiváděného vzduchu. Tato teplota by měla být vyšší, než teplota rosného bodu. Pro tento údaj je nejpodstatnější požadovaná hodnota relativní vlhkosti (uvažuji, že ve zkušebně se měrná vlhkost nemění – tep. zátěž pouze citelným teplem) při požadované teplotě. V našem případě se tedy jedná o relativní vlhkost ϕvv = 60% při tvv = 25°C. Měrnou vlhkost při těchto podmínkách lze zjistit z i-x diagramu. Viz. obr. 6.1. t ϕ=0,6 tvv = 25°C ϕ=1 tr xvv x Obr. 6.1 : Zjištění teploty rosného bodu tr Z mollierova i-x diagramu vlhkého vzduchu jsme zjistily, že teplota rosného bodu je tr=17°C. Minimální teplota přiváděného vzduchu tpz může být tedy při těchto podmínkách asi 18°C. Potřebné množství větracího vzduchu pro zimní období zjistíme z následující rovnice: Q Zvv = m pvz ⋅ c pvv ⋅ (t vv − t pz ) . . 39 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Pak tedy . . m pvz Q Zvv 165000 = = = 23,33 kg / s c pvv ⋅ (t vv − t pz ) 1010,3 ⋅ (25 − 18) Při teplotě 18°C to je . . V pvz = m pvz ⋅ rvv ⋅ Tpz p vv = 23,33 ⋅ 289,15 ⋅ 291 = 19,38 m 3 /s ≅ 69763 m 3 /hod 101300 Tato hodnota je příliš vysoká. Je zřejmé, že takovéto množství vzduchu by vyžadovalo vzduchotechniku o tak velkých rozměrech a výkonech, kterou by nebylo reálné instalovat v této zkušebně (9 m x 4,5 m x 4 m.). Je také jasné, že v letním období se tato hodnota podstatně zvýší. Pro orientaci si ji ale vypočítáme. 6.1.2 Potřebné množství větracího vzduchu v letním období Výpočtová teplota venkovního vzduchu v letním období pro danou oblast je udávána 30°C. Pokud nepoužijeme chladící zařízení, tak teplota přiváděného vzduchu tpL bude stejná. Ve zkušebně budeme tedy uvažovat teplotu vyšší. Maximálně však o 5°C. To znamená, že tvvL = 35°C. Pak tedy . . m pvL Q Zvv 165000 = = = 32,66 kg / s c pvv ⋅ (t vvL − t pL ) 1010,3 ⋅ (35 − 30) cpvv mohu uvažovat stejné jako v zimním období (pro 25°C a 35°C je v tabulkách uvedena stejná hodnota) 40 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Při teplotě 30°C to je . . V pvL = m pvL⋅ rvv ⋅ TpL p vv = 32,66 ⋅ 289,15 ⋅ 303 = 28,25 m 3 / s ≅ 101700 m 3 /hod 101300 Je tedy více než jasné, že danou tepelnou zátěž v této zkušebně nelze reálně pokrýt vzduchotechnickým zařízením vhodných rozměrů a výkonů. Nyní se tedy musíme rozhodnout, jakým způsobem vytvoříme ve zkušebně alespoň přijatelné (podobné žádaným) podmínky provozu. 6.2 Varianty řešení pokrytí tepelné zátěže Z bodu 6.1.1 vyplývá, že instalace chladiče vzduchu nezmenší požadované množství vzduchu na přijatelnou hodnotu, protože i v zimním období je potřebný průtok vzduchu tak velký, že vyžaduje větrací zařízení příliš velkých rozměrů. 1) UMÍSTĚNÍ VĚTRACÍ JEDNOTKY MIMO ZKUŠEBNU Výhody: • Možnost použít jednotku maximálních rozměrů a výkonů. • Společná jednotka pro přívod i odvod vzduchu (možnost použití ZZT). Nevýhody: • Mnohem vyšší investiční náklady. • Nutnost řešení protihlukových opatření. 2) OMEZENÍ PODMÍNEK PROVOZU VE ZKUŠEBNĚ To znamená: omezení doby provozu motoru, zkoušení menších motorů, povolení vyšší teploty vzduchu ve zkušebně ........ . 41 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Výhody: • Nižší investiční náklady. • Nižší provozní náklady. Nevýhody: • Větší odchýlení od požadovaných hodnot. • Již uvedené omezené možnosti zkoušení. 3) JINÉ METODY ODVODU TEPLA = ZMENŠENÍ TEPELNÉ ZÁTĚŽE Jedná se především o odvod tepla nebo jeho části vydaného chladičem, popřípadě i výfukovou soustavou mimo zkušebnu. Použití klasického trubkového tepelného výměníku voda – voda, kde bude veškerý tepelný tok z chladiče odveden mimo zkušebnu. Vložení originálního chladiče do uzavřené nádoby s vodou, která předané teplo odvádí mimo zkušebnu. Zavedení místního přívodu a odsávání od chladiče. Zakrytování výfukové soustavy a následný místní přívod i odvod vzduchu. Kombinace předchozích řešení. Výhody: • Podstatně menší nároky na větrací zařízení (celkové větrání). • Relativně snadné využití odpadního tepla. • Menší provozní náklady. • Vytvoření podobných podmínek při provozu motoru jako ve skutečnosti (simulace náporového vzduchu) . Nevýhody: • Investiční náklady na výše uvedená řešení. • Při určitých řešeních nastává omezování podmínek zkoušky (např.: požadavek na použití originálního chladiče). • Při určitých řešeních nastává omezení prostoru ve zkušebně. 42 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Jako nejlepší řešení se jeví 3. varianta. Samozřejmě, při absenci chladiče vzduchu nastane kombinace 3. a 2. varianty, protože při venkovních teplotách nad 25°C respektive nad 18°C (pokud bereme 18°C jako teplotu přiváděného vzduchu) bude teplota uvnitř zkušebny vyšší, tzn.: omezení podmínek provozu..... . 7. Zmenšení tepelné zátěže Nejméně náročné bude řešení instalace chladiče voda-voda. Bude se jednat především o klasický trubkový výměník za kterým bude ještě připojen originální chladič motoru i s elektrickými ventilátory (je to požadováno), neboť ponoření originálního chladiče do uzavřené nádoby s průtokem vody neumožní připojení originálních elektrických ventilátorů. U obou řešení nastává odvod tepelné energie chladiče mimo zkušebnu => zmenšení tepelné zátěže, a také podstatné zvýšení koeficientu přestupu tepla α (potažmo koeficient prostupu tepla k) => simulace náporového vzduchu. Hodnoty tepelných toků jsou vypočteny v kapitole 5. 7.1 Tepelná zátěž zkušebny Celková tepelná zátěž činila 218 kW. Chlazení motoru se na této zátěži podílelo 138 kW. Nyní tedy uvažujeme, že veškerý tepelný výkon chladiče je odveden pomocí kapaliny mimo zkušebnu. Musíme si však uvědomit, že chlazení motoru zahrnuje i jeho konvekční a radiační ochlazování. A právě tyto složky zůstávají tep. zátěží. Radiační složka se ale nebude podílet na tepelné zátěži vzduchu => nemusíme ji počítat (uvedena výše). Ochlazování motoru konvekcí: . Q kmot = α ⋅ S mot ⋅ (t mot − t vv ) = 10 ⋅ 5,7 ⋅ (80 − 25) = 3135W ≅ 3,2 kW Pak tedy Celková tepelná zátěž zkušebny bez výkonu chladiče je: . . . . Q Z1 = Q Z − Q Tch + Q kmot = 218 − 138 + 3,2 = 76,8 kW 43 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 7.2 Tepelná zátěž větracího vzduchu Jak již bylo uvedeno, od celkové tepelné zátěže odečteme radiační složky přestupu tepla a akumulaci do stěn. . . . . . . . Q Zvv1 = Q Z1 − Q rmot − Q rvyf − Q apod − Q asten − Q astrop . Q Zvv1 = 76800 − 1060 − 42876 − 3240 − 3240 − 2835 = 23549W ≅ 23,6 kW 7.3 Množství přiváděného větracího vzduchu Jak již bylo uvedeno, toto množství se bude měnit s venkovní teplotou. Provedeme tedy výpočet pro zimní a letní období. 7.3.1 Potřebné množství větracího vzduchu v zimním období . . m pvz1 Q Zvv1 23600 = = = 3,34 kg / s c pvv ⋅ (t vv − t pz ) 1010,3 ⋅ (25 − 18) Při teplotě 18°C to je . . V pvz1 = m pvz1 ⋅ rvv ⋅ Tpz p vv = 3,34 ⋅ 289,15 ⋅ 291 = 2,77m 3 / s ≅ 9987 m 3 /hod 101300 7.3.2 Potřebné množství větracího vzduchu v letním období . . m pvL1 Q Zvv1 23600 = = = 4,67 kg / s c pvv ⋅ (t vvL − t pL ) 1010,3 ⋅ (35 − 30) 44 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Při teplotě 30°C to je . . V pvL1 = m pvL1 ⋅ rvv ⋅ TpL p vv = 4,67 ⋅ 289,15 ⋅ 303 = 4,04m 3 / s ≅ 14546 m 3 /hod 101300 Takovéto množství vzduchu již můžeme přivádět vzduchotechnickým zařízením, které má pro tuto zkušebnu přijatelné rozměry i výkony. 8. Větrací jednotka pro přívod vzduchu H Ohřívač Ventilátor Zvlhčovač P E S K Směšovací komora P Filtr Obr. 8.1 : Schéma větrací jednotky pro přívod vzduchu do zkušebny 45 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Jak vyplývá z výše uvedených poznatků, větrací jednotka pro přívod vzduchu do této zkušebny bude obsahovat: • Směšovací komoru • Filtr vzduchu • Ohřívač vzduchu (vodní) • Zvlhčovač vzduchu (vodní) • Ventilátor 8.1 Směšování Při provozu v zimě, je možné nasávat teplejší vzduch z přilehlé haly. Tato hala má rozměry cca 30m x 11m x 8m. Tedy obsahuje dostatečné množství vzduchu. V zimním období, se v této hale udržuje teplota tH asi 13°C. Relativní vlhkost ϕH se pohybuje okolo 50%. Potřebné množství větracího vzduchu přiváděného do zkušebny je však poměrně velké. Pokud by se tedy veškerý větrací vzduch přiváděl do zkušebny z haly, ovlivnilo by to příliš nejen teplotu vzduchu v hale, ale i tlakové poměry v hale. Bude tedy nejvýhodnější umístit do haly teplotní a tlakové čidlo a podle naměřených údajů těmito senzory regulovat míšení venkovního vzduchu se vzduchem z haly. Pro výpočet budeme uvažovat směšovací poměr vzduchu z haly ku vzduchu venkovnímu 1/3. Výpočtová teplota venkovního vzduchu te je pro tuto oblast –12°C. Relativní vlhkost venkovního vzduchu uvažujme 50%. Množství vzduchu z haly mH a z venkovního prostředí mE . . . m pvz1 = m E + m H . 1 . 1 m H = ⋅ m pvz1 = ⋅ 3,34 = 1,11 kg/s 3 3 . . . m E = m pvz1 − m H = 3,34 − 1,11 = 2,23 kg/s Pomocí i-x diagramu vlhkého vzduchu určím stav vzduchu v hale H a stav venkovního vzduchu E tH = 13°C, ϕH = 50% xH = 4,7 g/kgsv, iH = 25 kJ/kgsv, ρH = 1,21 kg/m3 46 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 tE = -12°C, ϕE =50% xE = 0,7g/kgsv , iE = -10,4 kJ/kgsv , ρE = 1,33 kg/m3 Stav vzduchu po smíšení S určíme také pomocí i-x diag. v. v. . . xS = . mE ⋅ xE + mH ⋅ x H . m pvz1 = 2,23 ⋅ 0,7 + 1,11 ⋅ 4,7 = 2,1 g / kg sv 3,34 xS = 2,1 g/kgsv tS = -3,1°C, ϕS = 71%, iS = 2,1 kJ/kgsv, ρS = 1,29 kg/m3 8.2 Potřebný výkon zvlhčovače V zimním období (při nízkých teplotách) je měrná vlhkost venkovního vzduchu o mnoho menší, než v období letním, bude tedy nutný větší výkon zvlhčovače. Proto pro určení potřebného výkonu zvlhčovače vyjdeme z hodnot vypočtených pro zimní období. Víme, že: • Teplota přiváděného vzduchu do zkušebny tpz je 18°C . • Měrná vlhkost přiváděného vzduchu je stejná, jako měr. vlhkost ve zkušebně xvv, protože tepelnou zátěž považujeme za zátěž citelným teplem. => xP=xvv=12,1 g/kgsv. • Vzduch o stavu S vstupuje i vystupuje z ohřívače se stejnou měrnou vlhkostí xS=xK=2,1 g/kgsv. • Použijeme vodní zvlhčovač (není k dispozici pára). To znamená, že vlhčení bude probíhat izoentalpicky (iK = iP). Z i-x diagramu vlhkého vzduchu určíme stav vzduchu před a za zvlhčovačem. Za zvlhčovačem: tP = 18°C, xP=xvv=12,1 g/kgsv ϕP =92% , iP = 48,8 kJ/kgsv , ρP = 1,19 kg/m3 47 VUT v BRNĚ, FS – EÚ Před zvlhčovačem: VUT-EU-ODDI-3302-08-01 iK = 48,8 kJ/kgsv, xK= 2,1 g/kgsv tK = 43°C, ϕK =4% , ρK = 1,1 kg/m3 Jak vidíme, teplota před ohřívačem je 43°C. Nabízí se tedy využití cirkulačního vzduchu. Nejdříve však dokončíme výpočet pro přívod vzduchu z haly. Pak tedy množství vlhkosti , které je potřebné dodat vzduchu: m w = m pvz1 ⋅ (x vp − x k ) = 3,34 ⋅ (12,1 − 2,1) = 33,4 g/s . . 8.3 Potřebný výkon ohřívače Výkon tohoto ohřívače stanovíme pro vypočítané potřebné množství větracího vzduchu v zimním období mpvz1 a teplotu vzduchu o stavu S , která je –3,1°C. Relativní vlhkost vzduchu o stavu S je 71%. Pak tedy potřebný tepelný výkon ohřívače je: . . Q oh = m pvz1 ⋅ (i K − i S ) = 3,34 ⋅ (48,8 − 2,1) = 156 kW Tato hodnota je poměrně dost velká. Bylo by tedy nejspíš vhodné použít ZAŘÍZENÍ PRO ZPĚTNÉ ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA. 48 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 8.2 : Zimní provoz zařízení v i-x diagramu 49 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Jak již bylo řečeno, nabízí se možnost využití cirkulačního vzduchu o teplotě 25°C. Tento vzduch by se tedy přiváděl před ohřívač. Množství vzduchu odsávaného odsávacím ventilátorem však není stejné, jako množství přiváděného větracího vzduchu, protože část přiváděného vzduchu je spotřebována motorem a odvedena spalinovým ventilátorem. Musíme tedy přimíchávat venkovní vzduch. 8.4 Jednotka s využitím cirkulačního vzduchu Tato jednotka bude v podstatě stejná, ale směšovat se bude venkovní a cirkulační (odváděný) vzduch. To znamená, že místo stavu vzduchu H, přivedeme vzduch o stavu C. Vzduch o stavu C tedy odpovídá hodnotám uvnitř zkušebny: tC = 25°C, xC = 12,1 g/kgsv, ϕC = 60%, iC = 56,1 kJ/kgsv, ρC = 1,16 kg/m3 Nyní určíme: SMĚŠOVACÍ POMĚR Množství odsávaného vzduchu je množství přiváděného vzduchu snížené o spotřebu vzduchu ve zkušebně (viz. odstavec 4.4) . . . V odsz = V pvz1 − V vvc = 9987 − 773 = 9214 m 3 / hod . m odsz = 2,97 kg / s což je Aby nenastaly problémy při regulaci tlakových poměrů ve zkušebně, zvolíme . množství cirkulačního vzduchu m C = 2,5 kg/s . 8.4.1 Směšování . m C = 2,5 kg/s . . . m E = m pvz1 − m C = 3,34 − 2,5 = 0,84 kg/s 50 VUT v BRNĚ, FS – EÚ . . xS = VUT-EU-ODDI-3302-08-01 mE ⋅ x E + mC ⋅ x C . m pvz1 = 0,84 ⋅ 0,7 + 2,5 ⋅ 12,1 = 9,2 g / kg sv 3,34 Z i-x digramu v.v. xS = 9,5 g/kgsv tS = 16,7°C, ϕS = 79%, iS = 41 kJ/kgsv, ρS = 1,19 kg/m3 Z i-x diagramu vidíme, že míšení těchto dvou stavů vzduchu není možné, protože je překročena ϕ = 1. Je tedy nutné venkovní vzduch předehřát. t C ϕ=1 E x Obr. 8.3 : Zjištění teploty rosného bodu tr 8.4.2 Předehřev Použijeme tedy ještě jeden ohřívák vzduchu, který bude umístěn za vstup venkovního vzduchu. Abychom se vyhnuly problémům se zamrzáním, volíme elektrický ohřívák. Z ekonomických důvodu bude vhodné volit co nejmenší výkon předehříváku. Teplotu předehřátí tD volíme –5°C. Filtry vzduchu budou v tomto případě dva. Jeden před odsávacím ventilátorem a druhý před vstupem venkovního vzduchu. 51 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 C Předehřívač Ohřívač Ventilátor Zvlhčovač P E D Filtr S K P Směšovací komora Obr. 8.4: Schéma větrací jednotky pro přívod vzduchu do zkušebny s elektrickým předehřevem Výkon předehříváku Pokud používáme elektrický ohřívák, můžeme potřebný tepelný výkon považovat za elektrický, protože účinnost elektrických ohříváků se pohybuje okolo 99%. Z i-x diagramu zjistím stav vzduchu D tD = -5°C, xD = 0,7 g/kgsv, ϕD = 27%, iD = -3,4 kJ/kgsv, ρD = 1,3 kg/m3 Pak tedy: . . Q pred = m E ⋅ (i D − i E ) = 0,84 ⋅ (− 3,4 + 10,4 ) = 5,88 kW ≅ 6 kW 52 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 8.4.3 Vlhčení Za zvlhčovačem: tP = 18°C, xvP = xvv = 12,1 g/kgsv ϕp =92% , ip = 48,8 kJ/kgsv , ρP = 1,19 kg/m3 Před zvlhčovačem: iK = 48,8 kJ/kgsv, xK = xS = 9,5 g/kgsv tK = 24,4°C, ϕK = 49 % , ρK = 1,16 kg/m3 Pak tedy množství vlhkosti , které je potřebné dodat vzduchu: . . m w = m pvz1 ⋅ (x P − x k ) = 3,34 ⋅ (12,1 − 9,5) = 8,68 g/s 8.4.4 Ohřev Potřebný výkon ohřívače . . Q oh = m pvz1 ⋅ (i K − i S ) = 3,34 ⋅ (48,8 − 41) = 26 kW Takovíto výkon již lze zajistit reálným ohřívákem pro danou větrací jednotku. Použijeme tedy 2. variantu (obr 8.4). Tzn.: Větrací jednotka pro přívod vzduchu do zkušebny s elektrickým předehřevem 53 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 8.5 : Zimní provoz v i-x diagramu s využitím cirkulačního vzduchu 54 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 9. Návrh zařízení pro využití odpadního tepla Jak jsme zjistili, zkoušený motor produkuje velké množství odpadního tepla, které není v současné době nijak využito. Bude tedy rozhodně vhodné navrhnout takové vzduchotechnické zařízení, které bude toto odpadní teplo využívat maximálně možným způsobem. Jedná se především o odpadní teplo z chladiče zkoušeného motoru a z dynamometru a o využití cirkulačního vzduchu. Podstatné bude zajistit využívání odpadního tepla v zimním období především pro ohřev přiváděného vzduchu na požadovanou hodnotu. V letním období má venkovní vzduch většinou dostatečně velkou teplotu (i vlhkost) a je tedy zřejmé, že odpadní teplo bude potřeba spíše akumulovat (TUV). 9.1 Funkce navrženého zařízení pro využití odpadního tepla Schéma tohoto zařízení je zobrazeno na výkrese DP–08-01-1, který je přiložen k této diplomové práci. Je tedy počítáno se třemi možnostmi využívání odpadního tepla, které mají následující prioritu : 1. Ohřev přiváděného větracího vzduchu na požadovanou teplotu 2. Ohřev teplé užitkové vody 3. Ohřev odváděného vzduchu (V zimním období ohřev cirkulačního vzduchu.) PŘEDPOKLÁDANÉ TEPLOTY: Teplota chladící kapaliny: - výstup z motoru .... 95°C - vstup do motoru .... 80°C Teplota chladící vody dynamometru: - výstup z dynamometru .... 50°C - vstup do dynamometru .... 20°C Celé zařízení bude ovládat automatický řídící systém (Volně programovatelný průmyslový počítač např. od švýcarské firmy SAUTER, který se licenčně vyrábí ve 55 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Vyškově u Brna), který zabezpečí, aby teplota chladící kapaliny motoru byla udržována na požadované hodnotě. To znamená, že využívání odpadního tepla nebude ovlivňovat právě probíhající zkoušku motoru. Musíme tedy zajistit několik způsobů využívání této energie, které zaručí, že ji bude možno motoru při zkoušce stále odebírat. Podmínka chodu zkoušeného motoru je chod vzduchotechnického zařízení. Při studeném startu běží čerpadlo Č2 chladícího okruhu dynamometru a čtyřcestný ventil 4VE je v poloze, kdy originální chladící kapalina proudí pouze originálním chladičem. Po zahřátí chladící kapaliny na požadovanou teplotu se zapne čerpadlo Č1 a ventil 4VE se přestaví do polohy, kdy tato kapalina nejdříve proudí do výměníku tepla VV, což je velká uzavřená nádoba cca na 2m3 upravené topné vody a pak teprve do originálního chladiče. Do doby, než se ve výměníku VV ohřeje topná voda na dostatečnou teplotu je ohřev přiváděného vzduchu v ohříváku O zajišťován topnou vodou přivedenou z otopné soustavy (od kotle). To znamená, že běží čerpadlo Č4 a tepelný výkon ohříváku je regulován směšováním pomocí třícestného ventilu SM1 dle teploty přiváděného vzduchu. Po zahřátí topné vody ve výměníku VV na požadovanou hodnotu se spustí čerpadlo Č3 a ventil SM1 začne omezovat přívod vody z kotelny. Topná voda začne proudit do rozdělovače RS (trubka dostatečného průřezu ke snížení dynamického tlaku média). Čerpadlo Č4 stále běží a odpadní teplo je využíváno k ohřevu přiváděného vzduchu. Tepelný výkon ohříváku O nyní reguluje třícestný ventil SM2. Pokud je přebytek odpadního tepla takový, že by začala nadměrně stoupat teplota ve výměníku VV, spustí se čerpadlo Č5 a třícestný ventil SM3 reguluje dodávku přebytečné energie pro ohřev teplé užitkové vody ve výměníku TUV. Pokud je stále přebytek energie (zejména v letním období), spustí se čerpadlo Č6 a třícestný ventil SM4 reguluje dodávku přebytečné energie do výměníku VR. Ten se sekundárně chová podobně jako zařízení pro zpětné získávání tepla, protože ohřívá odsávaný vzduch, který je v zimním období míchán s venkovním vzduchem ve směšovací komoře S . Je tedy možné dát v zimním období přednost tomuto odběru před TUV, protože se tím sníží požadovaný výkon ohříváku O. 9.2 Další alternativy využití odpadního tepla Při využívání tepelného výkonu chladiče máme k dispozici cca 130 kW. Dále využíváme teplo odváděné dynamometru, což je v podstatě přeměněná mechanická energie motoru. Můžeme tedy počítat s dalšími cca 50kW. Další odpadní tepelný tok je v odváděném vzduchu a v odváděných výfukových plynech. Vidíme tedy, že máme k dispozici poměrně velké množství reálně využitelného odpadního tepla (např. pro vytápění menšího rodinného domku se používá cca 15 kW kotel). Můžeme se tedy domnívat, že navrhnuté možnosti využívání odpadního tepla spotřebují i při nejnepříznivějších klimatických podmínkách jen malou část této energie. 56 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Uveďme tedy několik dalších alternativ využití odpadního tepla: Omezení spočívá především v tom, že využívání odpadního tepla, by nemělo ovlivňovat podmínky požadované pro zkoušku (klimatické, uspořádání .....). 1) Využití odváděného vzduchu pro vytápění přilehlé haly Tohoto řešení by se dalo využívat především při venkovních teplotách nad 0°C, protože odváděný vzduch směšujeme s venkovním. To znamená, že bychom museli přivádět větší množství venkovního vzduchu, a při jeho nižších teplotách by nepostačoval výkon předehříváku. Na druhou stranu by toto řešení nebylo příliš finančně náročné, protože se v podstatě jedná pouze o instalaci jednoho přímého vzduchovodu a jedné klapky. 2) Využití odpadního tepla výfukových plynů Tato alternativa již vyžaduje použití velice odolného materiálu výměníků, ať již se jedná o deskové nebo lamelové, protože výfukové plyny obsahují agresivní látky a mají poměrně vysokou teplotu. Také by bylo nutné použít výkonnější spalinový ventilátor, protože výměník způsobí další tlakovou ztrátu. Výfukové plyny jsou však poměrně velký zdroj energie. 3) Použití zařízení ZZT V případě využívání cirkulačního vzduchu je tato alternativa zbytečná. Použití ZZT by bylo výhodné, v případě využívání odváděného vzduchu pro vytápění haly. Při použití cirkulačního vzduchu však využíváme i jeho větší vlhkost => menší nároky na zvlhčovač. Pro instalaci výše uvedených návrhů využití odpadního tepla je rozhodující velikost investičních nákladů srovnaných s výpočtem ušetřené energie. To však již není problém, kterým by se měla tato diplomová práce zabývat. 57 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 10. Odvod vzduchu ze zkušebny Ze zkušebny se vzduch odvádí dvěma způsoby. Jednak je to vzduch spotřebovaný motorem (a přisávaný na konci výfuku), který je odveden spalinovým ventilátorem = ODSÁVÁNÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ a dále větrací vzduch odváděný odsávacím ventilátorem = ODVOD OHŘÁTÉHO VĚTRACÍHO VZDUCHU. 10.1 Odsávání výfukových plynů V kapitole 4.3 , jsme vypočítali potřebnou výkonnost ventilátoru (1320,6 m3). Nyní se tedy budeme zabývat ostatními prvky tohoto zařízení. Předpokládáme tedy, že větší část odsávacího potrubí bude vedena kanálem v podlaze viz obr. 3.4. Část potrubí vyčnívající z kanálu (u konce výfuku) by měla být pohyblivá, zakončená odsávacím nástavcem. K tomuto účelu se používají vinuté kovové hadice z ušlechtilé oceli. Tyto odolávají vysokým teplotám a jsou imunní i vůči agresivním látkám ve výfukových plynech. Jejich konstrukci vidíme na obrázku 10.1. Směr proudu Obr. 10.1 : Vinutá kovová hadice 58 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Návrh rozměrů potrubí: Základním parametrem pro návrh průřezu potrubí bude rychlost výfukových plynů v potrubí. Víme, že maximální objemový průtok výfukových plynů je Vspv = 0,3668 m3/s. Maximální rychlost výfukových plynů volíme wspv = 5 m/s Dále volíme kruhový průřez odsávacího potrubí Pak tedy průřez odsávacího potrubí je: . Sspv V spv 0,3668 = = = 0,06113 m 2 w spv 5 a průměr odsávacího kruhového potrubí d ,spv = 4 ⋅ Sspv π = 4 ⋅ 0,06113 = 0,279 m π Odsávací potrubí výfukových plynů bude kruhový vzduchovod z nerezového plechu o vnitřním průměru dspv = 300 mm. Je zbytečné volit stejný průměr koncové hadice (viz. obr. 10.1), protože bude poměrně krátká a znesnadnila by se její manipulovatelnost. Tyto hadice jsou také velice drahé. Průměr koncové hadice volíme dspvh = 150 mm. Odstraňování kondenzátu z výfukových plynů Jak již bylo řečeno, výfukové plyny obsahují agresivní látky, které by mohly po určité době odsávací zařízení poškodit. Pro prodloužení životnosti zařízení se na odsávací potrubí instaluje jímka (obr. 10.2), ve které se bude shromažďovat kondenzát z výfukových plynů. Tato jímka musí být dobře utěsněna, ale zároveň umožňovat pravidelnou kontrolu množství kondenzátu. V případě potřeby ji obsluha vyprázdní. Rozměry a tvar jímky zvolíme takové, aby se nemusela vyprazdňovat příliš často, protože ve zkušebně probíhají dlouhodobé zkoušky (400 a více hodin) a kontrola a vyprázdnění jímky se nesmí provádět při provozu motoru. 59 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Obr. 10.2 : Jímka kondenzátu výfukových plynů Návrh odsávacího nástavce Otvor pro sondu Obr. 10.3 : Odsávací nástavec 60 Odsávací nástavec musí umožňovat přisávání okolního vzduchu (viz Obr. 4.3). Nástavec bude připevněn na konec nerezové hadice, proto musí být k tomuto účelu přizpůsoben. Také bude možno do nástavce vložit sondu analyzátoru výfukových plynů. Tvar tohoto nástavce může být jinak libovolný. Jednu z možností vidíme na obrázku 10.3 , kde je možno nástavec výškově nastavit. VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 10.2 Odvod ohřátého větracího vzduchu Jednotka pro odsávání ohřátého větracího vzduchu bude obsahovat tyto komponenty: 1. Filtr 2. Kompaktní výměník tepla (vodní registr) 3. Radiální ventilátor 4. Klapková komora (viz. výkres DP-08-01-2). Návrh výkonnosti odsávacího ventilátoru Tento ventilátor bude odsávat největší množství vzduchu v letním období. Proto pro návrh výkonnosti ventilátoru vyjdeme ze stejných hodnot. . Tzn. množství přiváděného vzduchu : V pvL1 = 4,04 m / s 3 . Spalinovým ventilátorem se odvede: V spv = 0,3668 m / s 3 Pak tedy maximální množství vzduchu odváděné odsávacím ventilátorem je . . . V ods = V pvL1 − V spv = 4,04 − 0,3668 = 3,6732 m 3 / s Protože je třeba pomocí obou ventilátorů (přívod, odvod) regulovat i tlakové poměry ve zkušebně, zvolíme požadovanou výkonnost odsávacího ventilátoru o něco vyšší. Volíme: . V ods = 3,8 m 3 /s = 13680 m 3 /hod 61 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Velikost vodního registru V našem případě slouží tento kompaktní výměník, jako záloha při přebytku odpadního tepla. Začne se tedy využívat v době, kdy je dostatečný výkon ohřívače vzduchu a TUV je ohřátá na požadovanou teplotu. Jeho výkon nebudeme proto počítat, ale navrhneme výměník dle rozměrů odsávací jednotky, které jsou dané především rozměry ventilátorové komory. 11. Výběr firem, které vyrábějí, nebo dodávají potřebná zařízení 11.1 Jednotka pro přívod vzduchu Navrhnuté zařízení pracuje s velkými objemovými toky vzduchu. Na našem trhu je poměrně málo firem, které jsou schopny dodat vzduchotechnické zařízení, které pracuje s většími objemovými toky vzduchu než 10000 m3/s. Jednou z nich je firma JANKA Radotín , která takovéto zařízení vyrábí i dodává. Dle katalogů této firmy jsme vybraly zařízení řady KLM 16 , které nejlépe vyhovuje našim požadavkům (průtok vzduchu, jednotlivé části zařízení). Jednotky pro objemové průtoky vzduchu větší jak 4000 m3/hod se vyrábějí pouze ve stojatém provedení (jednotka je umístěna na podlaze). Doposud jsme předpokládali, že větrací jednotka bude zavěšena pod stropem. Tato řada má čelní rozměry 1250 mm x 1250 mm. Šířka volné podlahy mezi boční stěnou zkušebny a kanálem v podlaze je pouhých 1200 mm. Proto přívodní i odsávací větrací jednotku umístíme nad strop zkušebny, kde je volná místnost stejných půdorysných rozměrů jako zkušebna (viz výkres DP-08-01-2). 62 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 11.1.1 Ventilátorová komora Ventilátor má největší účinnost při objemovém průtoku vzduchu 11000 m3/hod (67%) a největší přetlak při 1600 m3/hod (1050 Pa). • Označení: KLM 16 VNVT-SS • Objemový průtok: 4000 m3/hod až 17000 m3/hod • Celkový přetlak: 950 Pa - 1050 Pa • Otáčky ventilátoru: do 1100 ot/min • Tlaková ztráta: 15 Pa –150 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Hmotnost: 203 kg (bez elektromotoru) • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 1250 mm • Výstupní otvor: 630 mm x 630 mm • Hlučnost: 94 dB • Elektromotor: 11 kW, 400 V 11.1.2 Zvlhčovací komora Jedná se o plastovou VODNÍ (sprchovou) PRAČKU VZDUCHU pro vzduchový výkon do 16200 m3/hod. • Označení: KLM 16 ZV.V • Objemový průtok vzduchu: do 16200 m3/hod • Účinnost vlhčení: 90.5 % • Tlaková ztráta: 22 Pa –270 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Hmotnost: 248 kg (s vodou 489 kg) • Čelní připojovací rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Výška: 1650 mm • Šířka: 1250 mm • Délka: 1250 mm • Hlučnost: 90 dB 63 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 • Čerpadlo: průtok vody 3,8 l/s, tlak vody do 286 kPa • Elektromotor: 2,2 kW, 400 V Údržba: Pravidelné odstraňování nečistot (při provozu minimálně 1x týdně). Přístup vodotěsnými dveřmi s kontrolním oknem. Regulace: Škrcením přívodu vody, nebo změnou otáček čerpadla. 11.1.3 Ohřívací komora vodní Jedná se o velkoplošnou lamelu s Cu trubkami a Al žebry. Topné médium je teplá nebo horká voda (max. 170°C, 2 MPa). Ochrana proti zamrznutí: kapilára protimrazové ochrany na výstupní přírubě ohřívací komory. • Označení: KLM 16 O.V I • Objemový průtok vzduchu: do 15500 m3/hod • Tepelný výkon: až 50 kW • Teplotní spád vody: 90°C/70°C • Tlaková ztráta: 5 Pa – 50 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Průtok vody: max. 4 m3/hod • Tlaková ztráta na straně vody: 0,15 kPa až 2 kPa • Hmotnost: 60 kg • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 250 mm 11.1.4 Směšovací komora Součástí této komory je kazetový filtr s filtrací EU 4-5 (možno dodat i bez filtru) a dvě klapky (stranová a horní). Každá klapka má samostatný pohon (servomotor). • Označení: KLM 16 SM.KZ H/S • Tlaková ztráta: 7 Pa – 40 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) 64 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 • Hmotnost: 106 kg (Bez filtru) • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 600 mm • Stranová klapka: celoplošná 1176 mm x 1110 mm • Horní klapka: 986 mm x 410 mm 11.1.5 Ohřívací komora elektrická Nerezová spirála ve čtyřech sekcích. Je vybavena havarijním termostatem proti přehřátí. • Označení: KLM 16 O.E • Tepelný výkon: 6 až 18 kW • Elektrický příkon: max. 2 x 54 kW • Tlaková ztráta: 5 Pa – 50 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Hmotnost: 153 kg • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 400 mm 11.1.6 Filtrační komora Kapsový filtr látkový. Čištění vzduchu od příměsí nevláknitých prachů s koncentrací do 1 mg/m3. • Označení: KLM 16 F.DL • Filtrace: EU 5 • Tlaková ztráta: 30 Pa –150 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Délka kapes: 630 mm • Hmotnost: 83 kg • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 800 mm 65 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Údržba: Výměna filtračních vložek, vzroste-li tlaková ztráta filtru na dvojnásobek (měřeno manometrem na straně vyjímání filtru). Komora má dveře s kontrolním oknem. 11.1.7 Volná komora Tato komora je mezi směšovací komorou a komorou elektrického ohřevu, protože směšovací komora se vyrábí pouze s vně umístěnými klapkami. • Označení: KLM 16 VO.PR S • Hmotnost: 39 kg • Tlaková ztráta: Zanedbatelná • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 250 mm 11.2 Jednotka pro odsávání ohřátého větracího vzduchu Použijeme opět zařízení od firmy JANKA Radotín. Tato jednotka pracuje s přibližně stejným množstvím vzduchu, jako jednotka přívodní. Proto volíme stejnou výrobní řadu KLM 16. 11.2.1 Ventilátorová komora Ventilátor i elektromotor mají stejné parametry jako u přívodní jednotky (viz. 11.1.1). Rozměry komor jsou také stejné. Tato komora je však zapojena jako 66 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 „průběžná“. Proto za ní musí být připojena tzv. VOLNÁ KOMORA o délce 250 mm a hmotností 41 kg. • Označení: KLM 16 VNPR-SS 11.2.2 Vodní registr Vodním registrem bude OHŘÍVACÍ KOMORA se stejnými parametry jako v jednotce pro přívod vzduchu. • Označení: KLM 16 O.V I 11.2.3 Klapková komora Tato komora slouží k regulaci průtoku vzduch a k rozdělování proudů vzduchu. Obsahuje jednu klapku stranovou celoplošnou a horní otvor pro připojení vzduchovodu. • Označení: KLM 16 KL.KN H/S • Tlaková ztráta: 3 Pa – 25 Pa (Dle objemového průtoku vzduchu) • Hmotnost: 69 kg • Čelní rozměry: 1250 mm x 1250 mm • Délka: 600 mm 11.2.4 Filtrační komora Tato komora má stejné parametry jako u přívodní jednotky. • Označení: KLM 16 F.DL 67 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 11.3 Odsávání výfukových plynů Zde se jedná především o výběr ventilátoru a flexibilní kovové hadice. Sací nástavec a jímka kondenzátu vhodných rozměrů se vyrobí při montáži vzduchotechnického potrubí. (viz výkres DP-08-01-2). 11.3.1 Spalinový ventilátor Firma AB-Klimatizace se mimo jiné zabývá dodávkou a montáží zařízení pro odsávání výfukových plynů. K tomuto účelu používají ventilátory především od firmy NOVOVENT. Z firemního katalogu jsme vybrali radiální ventilátor výrobní řady FRAGUA . Pro naše účely (objemový průtok 1320 m3/hod) je nejvhodnější typ F-40. • Označení: FRAGUA F-40 • Objemový průtok: 400 až 1600 m3/hod • Přetlak: až 1600 Pa • Otáčky: max. 2800 ot/min • Maximální teplota média: 200°C • Elektromotor: 1100 W, 230 V • Hmotnost: 31 kg • Přípojné rozměry: vstup.... ∅ 160 mm, výstup.... ∅ 160 mm • Výška: 530 mm • Šířka: 428 mm • Délka: 298 mm • Hlučnost: 82 dB 68 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 11.3.2 Flexibilní kovová hadice Výrobcem těchto hadic je německá firma HYDRA , kterou zastupuje a jejich výrobky dodává VLKANOVÁ-WITZEMANN spol. s.r.o. . Z firemního katalogu jsme vybrali hadici TYP FA z ušlechtilé oceli, mnohoúhelníkového průřezu vytvořeného tzv. Agrafprofilem (viz. Obr. 10.1). • Označení: TYP FA 150 • Nejvyšší teplota média: 600°C • Vnitřní průměr: 150 mm • Vnější průměr: 157 mm • Nejmenší poloměr ohybu: 730 mm • Hmotnost: 5,9 kg/m 69 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 12. Návrh rozměrů vzduchovodů větracího vzduchu Jedná se především o vnitřní průřez vzduchovodů a rozměr výustek (volný průřez). Výchozím parametrem pro návrh průřezu vzduchovodů je rychlost vzduchu uvnitř vzduchovodu. Tato rychlost nesmí překročit 12 m/s, protože se jedná o nízkotlakou vzduchotechniku. 12.1 Vzduchovody Vyjdeme z maximálního objemového průtoku vzduchu Není nutné rozlišovat přívodní a odváděcí vzduchovody, protože objemové průtoky vzduchu přívodní a odsávací jednotkou jsou přibližně stejné. Navržené zařízení také pochází od jednoho výrobce (Janka Radotín), takže výpočet provedeme pouze jednou. Rozměry a tvar vzduchovodů musíme přizpůsobit tvaru a rozměrům zkušebny a jejího zařízení. Musíme také dodržet připojovací rozměry. Z toho plyne, že tento výpočet je pouze orientační. Maximální rychlost ve vzduchovodu volíme cca 6 m/s. Maximální objemový průtok vzduchu je omezen tou komorou větrací jednotky, která má povolen nejmenší objemový průtok vzduchu. To je OHŘÍVACÍ KOMORA VODNÍ. . V v max = 15500 m 3 / hod ≅ 4,3 m 3 /s . Pak tedy : Minimální vnitřní průřez vzduchovodů . S vmin V v max 4,3 = = = 0,717 m 2 w v max 6 Pokud to bude možné (omezení připojovacími rozměry a rozměry zkušebny), neklesne vnitřní průřez vzduchovodu pod cca 0,8 m2 . 70 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 12.2 Výustky Jedná se průmyslové větrání. Proto není rychlost proudu vzduchu z výustek příliš omezující hodnota. Měla by se volit především s ohledem na obrazy proudění vzduchu ve zkušebně. Toto však není téma této diplomové práce. Omezíme se proto pouze na jejich stručnou charakteristiku. Jejich přibližné rozměry jsou uvedeny na výkrese DP-08-01-2. Výustky přívodu vzduchu Jedná se o obdelníkovou výustku s nastavitelnými horizontálními listy. Budou použity 4 výustky. Výustky odsávání větracího vzduchu Jedná se o velkoplošnou podlahovou výustku, která je vytvořena z pěti obdelníkových perforovaných plechů. Ty tvoří horní část odsávacího potrubí v podlahovém kanálu. Dají se snadno vyjímat a umožnit čištění podlahového potrubí. Venkovní výustky Mohou být jednoduché konstrukce (mřížka), ale musí být opatřeny protidešťovými žaluziemi. 71 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 13. Návrh regulace vzduchotechniky Regulaci vzduchotechniky bude provádět tentýž volně programovatelný průmyslový počítač, který jsme navrhli pro regulaci zařízení zpětného získávání tepla. Schéma regulace vzduchotechniky je vyobrazeno na výkrese DP-08-01-3. Obsluha před zkouškou zadá řídící jednotce (průmyslový počítač) maximální množství přiváděného větracího vzduchu podle toho, jaká je velikost (zdvihový objem) zkoušeného motoru. Při chodu zkoušeného motoru dodává větrací jednotka tento nastavený maximální průtok vzduchu. Při odstavení motoru se pomocí frekvenčních měničů FM1-FM3 tento průtok zmenšuje. Regulované veličiny • Teplota vzduchu ve zkušebně • Tlak vzduchu ve zkušebně • Relativní vlhkost vzduchu ve zkušebně Kontrolované veličiny • Stálý mírný podtlak v odsávacím nástavci výfukových plynů vůči tlaku vzduchu ve zkušebně • Tlakové ztráty filtrů vzduchu • Protimrazová ochrana • Při chodu elektropředehřevu kontrolujme stálý průtok vzduchu přes tento registr 13.1 Regulace teploty vzduchu ve zkušebně Jsou dva způsoby, jak je možné měnit teplotu přiváděného vzduchu tP a tedy i teplotu vzduchu ve zkušebně tvv. : 1) Směšování venkovního a cirkulačního vzduchu 2) Regulace výkonu ohříváku (vodního) 72 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Teplota vzduchu ve zkušebně je snímána teploměrem (odstíněný proti záření) tvv. Podle tohoto teploměru je odvozena další regulace takto: Pokud je teplota tvv nižší než žádaná (nastavená obsluhou) musí se zvýšit teplota přiváděného vzduchu tP . Nejdříve reagují směšovací klapky poháněné servomotory SM1 –SM3. Nastaví se tak, že je přiváděno pouze minimální množství venkovního vzduchu. V případě, že je venkovní teplota tE tak nízká, že by docházelo při směšování ke kondenzaci vodní páry zapne se elektrický předehřev. Pokud je teplota tvv stále nižší než žádaná, začne do vodního ohříváku proudit topná voda (viz. odstavec 9.1). Správnou hodnotu teploty přiváděného vzduchu tP pro dosažení teploty tvv určuje řídící jednotka (průmyslový počítač) pomocí teplot naměřených teploměry tE, tD, tS, tK, tC. Při letním provozu, když je teplota vzduchu ve zkušebně tvv stále větší než požadovaná, tak servomotory SM1 a SM3 plně otevřou příslušné klapky a servomotor SM2 zavře svoji klapku. Přívodní větrací jednotka tak nasává pouze venkovní vzduch. 13.2 Regulace tlaku vzduchu ve zkušebně Není reálně možné s dostatečnou přesností regulovat absolutní tlak vzduchu, protože měřidla absolutního tlaku nejsou k tomuto účelu vhodná (přesnost). V praxi se toto nahrazuje měřením a udržováním tlakové diference. Měřidla tlakové diference se běžně využívají pro elektronickou regulaci. Za chodu přívodního ventilátoru se snímá přetlak (podtlak) ve zkušebně vůči venkovnímu prostředí snímačem ∆pvv (analogová hodnota) a podle této veličiny měníme výkonnost odtahového ventilátoru pomocí frekvenčního měniče FM2. V případě potřeby (zimní provoz) zabezpečují směšovací klapky návrat tepelné energie. 13.3 Regulace relativní vlhkosti vzduchu ve zkušebně Snímač vlhkosti v prostoru zkušebny fivv udává relativní vlhkost vzduchu ve zkušebně ϕvv. Podle této hodnoty reguluje řídící jednotka pomocí frekvenčního měniče FM4 průtok vody čerpadlem Č , rozprašované v pračce vzduchu. 73 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 13.4 Hlídání stálého podtlaku v odsávacím nástavci výfukových plynů Snímač tlakové diference ∆pspv hlídá při průběhu stálý podtlak vzduchu v odsávacím nástavci výfukových plynů vůči tlaku vzduchu ve zkušebně. V případě, že tento snímač indikuje menší, než zadanou tlakovou diferenci, tak řídící jednotka pomocí frekvenčního měniče FM3 zvýší výkonnost spalinového ventilátoru. Pokud je tlaková diference stále menší než zadaná, spustí varovnou signalizaci, nebo přeruší zkoušku (vypne zkoušený motor). 13.5 Tlaková ztráta filtrů vzduchu Pokud snímače tlakové diference ∆pFP a ∆pFO indikují větší tlakovou diferenci, než je dvojnásobek tlakové ztráty čistého filtru (zadá se při vložení čistých vložek), spustí řídící jednotka signalizaci zaneseného filtru. Obsluha vymění filtrační vložky. 13.6 Protimrazová ochrana Pokud teploměr tS naměří nižší teplotu jak 5°C zajistí pomocí třícestného ventilu TV (viz odstavec 9.1) stálý průtok topné vody vodním ohřívačem. 13.7 Ochrana elektrického předehřevu Při průchodu elektrického proudu topnou spirálou je nutné zajistit stálý průtok vzduchu. Obsluha nastaví minimální přípustnou tlakovou diferenci (tlakovou ztrátu) komory elektrického předehřevu a pokud snímač tlakové diference ∆pEL indikuje nižší hodnotu vypne řídící jednotka elektrický předehřev a spustí varovnou signalizaci. 74 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 14. Závěr 14.1 Ekonomické zhodnocení V této chvíli nelze přesně stanovit investiční náklady na celé zařízení, protože vybrané firmy používají komponenty i od zahraničních výrobců. Proto neuvádějí ceny přímo, ale stanovují je z aktuálních kurzů zahraničních měn vůči české koruně. Investiční náklady můžeme rozdělit zhruba do tří největších položek: • Jednotky pro přívod a odsávání vzduchu • Zařízení pro odsávání výfukových plynů • Vzduchovody a příslušenství Pro přibližnou představu investičních nákladů na toto zařízení vyjdeme z aktuálních cen přívodní a odváděcí jednotky (Janka KLM16), protože to jsou nejdražší části z navrženého vzduchotechnického zařízení. Pokud obsahují i frekvenční měniče, zvýší se jejich cena cca o 1/4. Jako další velká investiční položka se jeví zařízení pro odsávání výfukových plynů, protož zde musejí být použity velice odolné komponenty. Pokud bude instalován frekvenční měnič pro elektromotor spalinového ventilátoru, zvýší se cena ventilátoru na dvojnásobek. Cena montáže zařízení a vzduchovodů bude závislá na firmě, která ji bude provádět a na pracnosti výroby vzduchovodů a zařízení. Proto ji můžeme pouze přibližně odhadnout. Ceny: • Jednotky pro přívod a odsávání vzduchu: cca 770 000 Kč a 450 000 Kč • Zařízení pro odsávání výfukových plynů: cca 90 000 Kč • Vzduchovody a příslušenství: cca 300 000 Kč Celkové investiční náklady můžeme očekávat cca 1 700 000 Kč. 75 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Pro tak malý objekt je tato cena poměrně vysoká. Ovšem v porovnání s náklady na pořízení vlastní zkušebny tj. dynamometr s řídícím systémem (cena přesahující 3 mil. Kč) a na zde prováděné zkoušky spalovacích motoru (např. každý den zkoušky motor spotřebuje cca 300 l benzinu což v současné době odpovídá cca 9000 Kč) ji lze akceptovat. Z výše uvedených údajů je zřejmé, že je vhodné co nejvíce snížit provozní náklady tohoto vzduchotechnického zařízení. Tím jsme se zabývali v kapitole o využití odpadního tepla. Můžeme tedy předpokládat, návratnost nákladů na toto zařízení. 14.2 Zhodnocení průběhu diplomové práce Projektování středních a velkých klimatizačních zařízení se provádí v několika stupních: studie, úvodní projekt a souhrnné projektové řešení. Tato diplomová práce byla zaměřena pouze na studii a úvodní projekt. Při navrhování vzduchotechnických zařízení v praxi se vychází především z hodnot naměřených v daném objektu a ze zkušeností z podobných projektů. Počáteční (vstupní) hodnoty, které jsme naměřili ve zkušebně 6.3. 2001 , nebyly zcela vhodné pro náš výpočet, protože se v té době ve zkušebně zkoušel motor zhruba polovičního zdvihového objemu (1,2 l), než na který bylo vzduchotechnické navrhováno. Proto jsme některé naměřené hodnoty museli korigovat. Tato korekce byla však pouze naším odhadem. Některé vypočítané veličiny mohou být někdy značně zkresleny. Proto jsme zvolili zařízení větších výkonů. Pokud bude celé zařízení řídit automatický řídící systém (viz. kapitoly 9 a 13), je možné pomocí navrženého zařízení udržet podmínky ve zkušebně na přijatelných hodnotách (podobné požadovaným podmínkám). V současné době existuje na našem trhu velké množství firem zabývajících se výrobou, montáží nebo dodáváním vzduchotechnických zařízení. Protože jsou tyto zařízení většinou velice drahé, je nutné při výběru firmy brát ohled nejen na kvalitu jejich produktů, ale i na jejich dosavadní práci. Firmy, které jsme zvolili mají za sebou řadu zdařilých projektů (viz. síť INTERNET). 76 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Seznam dokumentace Výkresy: • Schéma zařízení pro využití odpadního tepla (A1) .... DP-08-01-1 • Vzduchotechnika ve zkušebně spalovacích motorů (A1) .... DP-08-01-2 • Schéma regulace vzduchotechniky (A2) .... DP-08-01-3 • JANKA KLM16 – Větrací jednotka pro přívod vzduchu (A2) .... DP-08-01-4 • JANKA KLM16 – Větrací jednotka pro odsávání vzduchu (A2) .... DP-08-01-5 Přílohy: • Kusovník k výkresu DP-08-01-2 • Psychrometrický diagram dle Molliera Seznam použité literatury [1] Pavelek,M.–Štětina,J.: Experimentální metody v technice prostředí. VUT,Brno,1997 [2] Košťál,J.-Suk,B.: Pístové spalovací motory. SNTL,Praha,1963 [3] Kožoušek,J.: Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I. SNTL,Praha,1983 [4] Gonžár,A.-Gonžár,K.:Automobily a spotřeba paliva. NADAS,Praha,1986 [5] Chyský,J.-Hemzal,K. a kol.: Větrání a klimatizace – technický průvodce. Praha,1993 [6] Ražnjevič,K.: Tepelné tabul´ky a diagramy. ALFA,Bratislava,1969 [7] Centnerová,L.-Papež,K.: Technická zařízení budov. ČVUT,Praha,2000 77 VUT v BRNĚ, FS – EÚ VUT-EU-ODDI-3302-08-01 Ostatní zdroje [1] Norma ISO 1585 Road vehicles – Engine test code – Net Power [2] Norma ČSN 730548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů [3] Norma ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění [4] Přednášky a cvičení z předmětů: Termomechanika, Technika prostředí, Větrání a klimatizace I,II , Přenos tepla a látky, Vybrané statě z termomechaniky. [5] Program RRRR vytvořený v Pascalu [6] Program hx diag vytvořený v excelu [7] Univer – nabídkový katalog 1997 Informace v síti INTERNET • JANKA Radotín a.s. http://www.janka.cz • AB-Klimatizace s.r.o. http://www.abklimatizace.cz • REMAK a.s. http://www.remak.cz 78
Podobné dokumenty
Rodina a práce - jak je sladit a nezbláznit se
Volvo Brochure Wheel Loader L60H L70H L90H Czech
technologiemi přispívajícími k ochraně životního prostředí.
Společnost Volvo nepřetržitě rozvíjí každou oblast své
obchodní činnosti tak, aby tato měla co nejmenší dopad na životní
prostředí – zejm...
KEE/ZVE Vybrané partie - Západočeská univerzita
zkratů shořely všechny generátory jinak nezasaženého bloku A. Zničené generátory byly opraveny a rekonstruovány na standardních 60 Hz. Po rekonstrukci
byl Blok A spolu s odstavenou původní Adams Po...
Maximální četnost ovládání
Model tepelného čerpadla s odvodem tepla na - MacSheep
každý stav individuálně, tak aby teplotní rozdíl byl přibližně 5 K. Jako
nemrznoucí kapalina byla použita směs glykolu a vody s teplotou tuhnutí
-15 °C (30 %).
Model dokázal predikovat v jednotlivý...
