Teknisk Handbok. Luftbehandlingsteknologi

Transkript

1 Teknisk Handbok Luftbehandlingsteknologi

2 Innehållsförteckning 1 INLEDNING Handbokens syfte och mål 9 Presentation av handboken 9 2 ALLMÄNT OM LUFTBEHANDLINGSSYSTEM Inledning 11 3 LUFTENS EGENSKAPER Inledning 13 Torra termometerns temperatur (t) 14 Våta termometerns temperatur (t) 14 Vatteninnehåll 14 Entalpi 14 Mättnad 14 Relativ fuktighet 14 Mollierdiagram 15 Värmningsprocessen 16 Kylningsprocessen 17 Befuktning med vatten eller ånga 18 Blandning av två luftflöden 19 Blandning av två luftflöden Dimma 20 Olika klimat i Mollierdiagarammet 21 Sammanfattning 22 4 STRÖMNINGSLÄRA Inledning 25 Laminär och turbulent strömning 25 Reynolds likformighetslag 25 Definition av tryck 26 Strömning i rör och kanaler 26 Tryckfallsdata 28 Sammanfattning 29 5 VÄRMEÖVERFÖRING Inledning 31 Värmeledning 31 Konvektion 32 Strålning 32 Klassificering 32 Sammanfattning 33 6 KYLPROCESSER Inledning 35 Kylprocessen 36 Kylkapacitet 37 Energikonsumtion 37 Köldfaktorn 37 Värmefaktor 33 Sammanfattning 38 Fläkt Woods 1

3 7 VÄRME- OCH KYLÅTERVINNING Inledning 41 Varaktighetsdiagram 42 Definitioner 43 Verkningsgrader 43 Sammanfattning 45 8 LCC OCH ENERGIBERÄKNING Inledning 47 Livscykelenergikostnaden,LCC E 47 Energikostnad och CO 2 -emission 47 Minimera energikostnaden 48 Parametrar för energi- och LCC E -beräkning 48 Temperaturberäkning 48 Utetemperaturkompensering 49 Driftstider 49 VAV-system 50 Sammanfattning 51 9 LJUD Inledning 53 Ljud 53 Frekvens 54 Standardfilter 55 Vad alstrar ljud i ett luftbehandlingsaggregat? 55 Relationen mellan ljudeffekt och ljudtryck 56 Utomhus 56 Inomhus 56 Ljudnivå i utnyttjade utrymmen 57 Hur man väljer ett tyst luftbehandlingsaggregat 57 Sammanfattning LUFTSPJÄLL Inledning 61 Reglering av luftflöde 61 Blandning av luftflöde 61 Blandningsegenskaper 62 Reglering av förbigångsluftflöde 63 Avstängning 63 Spjällblad 64 Luftläckage vid stängt luftspjäll 65 Luftläckage i luftspjällets hölje 65 Erforderligt vridmoment 65 Tryck 65 Sammanfattning LUFTFILTER Inledning 69 Luftens föroreningar 69 Hur fungerar ett partikelfilter? 70 Testning och klassificering av partikelfilter 72 2

4 Tryckfall över partikelfilter 73 Kolfilter (Sorptionsfilter) 74 Filter i luftbehandlingsaggregat 74 Förfilter 74 Finfilter 75 Högeffektiva HEPA filter 75 Kolfilter 76 Installation 76 Sammanfattning LJUDDÄMPARE Inledning 79 Ljuddämpning 79 Absorptionsljuddämpning 79 Reaktiv ljuddämpning 79 Bredd 80 Längd 80 Tryckfall 80 Ljudalstring 81 Placering 81 Mätmetod 81 Sammanfattning FLÄKTAR Inledning 85 Fläkttyper 85 Radialfläkt 86 Kammarlfläkt 87 Axialfläkt 87 Fläktdiagram 88 Fläktlager 89 Systemkurvor 90 Kompatibilitet mellan fläkt- och systemkurva 90 Effekter av förändrande systemkarakteristik 90 Parallell drift av fläktar 91 Systemeffekter 92 Böjar 92 Jalusispjäll 92 Fläktens verkningsgrad 92 Temperaturökning genom fläkten 92 Fläkthjulets balansering 93 Egenfrekvens 93 Vibrationsdämparnas egenfrekvens 93 Tillåten vibrationshastighet 93 Ljud 93 Vibrationsisolering 94 Fläktens kraftöverföringssystem 95 Direktdrift, Frekvensomriktare 95 Remdriftsystem 96 Remväxeldrift 96 Kilremsväxlar 96 Planremsväxlar 96 MICRO-V eller rippenbandremväxlar 96 Fläkt Woods 3

5 Fläktmotorer 97 Trefas-induktionsmotorer 97 Vridmoment 97 Motorns verkningsgrad 98 Direktstart av enhastighetsmotorer 98 Y/D-start av enhastighetsmotorer 98 Start och styrning av tvåhastighetsmotorer 98 Motorskydd (överlastskydd) 98 Utrustning för tungstart 98 Fasbrottsskydd 98 EC-motorer 99 Hög verkningsgrad 99 Varvtalsreglering 99 EC-motorns användaregenskaper 99 Högeffektiva elmotorer 100 Starttid - för motorer utan frekvensomriktare 100 Kontroll av motorns tillåtna starttid 101 Kontroll av överlastskyddets utlösningstid 101 Motorkopplingsschema 101 SFP-värde och VAS-klasser 102 SFPv-värde 102 El-effektiva fläktar 103 Regleranordning 103 Sammafattning LUFTVÄRMARE OCH LUFTKYLARE Inledning 107 Konstruktion 108 Olika kopplingar 108 Motströmskopplade vattenbatterier 109 Förångarbatterier 110 Normala hastigheter för batterier 110 Kylenhet 111 Förångaren 111 Kompressorn 111 Kondensorn 111 Expansionsventil 111 Högtryckspressostat 112 Högtryckspressostat (drift) 112 Lågtryckspressostat 112 Vätskefilter 112 Synglas 112 Passiv köldmediesamlingsbehållare 112 Vattenkyld kondensor 112 Val av kylenhet 112 Indirekt Evaporativ Kyla 113 Frånluftsfuktning eller uteluftsfuktning 114 Beräkning av kyleffekt 114 Nattkyla 114 Totalenergi 114 Säker 114 Elvärmare 115 Sammanfattning 115 4

6 15 VÄRMEVÄXLARE Inledning 117 Roterande värmeväxlare 118 Renblåsningssektor 119 Påfrostning 120 Avfrostning 120 Korrosionsskydd 120 Användning 120 Hygroskopisk och icke hygroskopisk rotor 121 System med dubbla rotorer 123 Plattvärmeväxlare 124 Konstruktion 124 På- och avfrostning 124 Läckage 124 Korrosionsskydd 124 Vätskekopplat system 125 Konstruktion 125 Systemet 125 Verkningsgrad 125 Reglering och frostkontroll 125 Frostskyddsmedel 125 ECONET -system 126 Systemets funktion 126 Temperaturverkningsgrad och tryckfall 127 Systemjämförelser 127 Sammanfattning LUFTFUKTARE Inledning 131 Befuktningsprinciper 131 Kontaktbefuktare 132 Funktion 132 Hygien 132 Reglering 132 Ångfuktare 133 Dysfuktare 133 Vattenkvalitet 133 Sammanfattning STYR OCH REGLER Inledning 137 Dynamiska egenskaper 138 Olika regulatorer/reglerprinciper 139 Tvålägesreglering (on/off-reglering) 139 Flerstegsreglering 139 Proportionell reglering (P-reglering) 140 Integrerad reglering (I-reglering) 140 PI-reglering 141 PID-reglering 141 Kaskadreglering 141 Reglercentral i luftbehandlingsaggregat 142 Fläkt Woods 5

7 Temperaturreglering 142 Tilluftsreglering 142 Frånluftsreglering 142 Rumsreglering 143 Flödes- och tryckreglering (fläktreglering) 143 Sekvensreglering 145 Exempel på reglering i olika funktioner 146 Roterande värmeväxlare 146 Plattvärmeväxlare 146 Vätskekopplad värmeväxlare 147 Värme- och kylbatterier 147 Vattenflödesreglering 147 Shuntreglering 148 Elvärmare 149 Tilläggsfunktioner 149 Utekompensering 149 Nattuppvärmning 150 Nattkyla (Frikyla) 150 CO 2 -kompensering 151 Drifthantering 151 Frysskydd 151 Larm 151 Kommunikation 152 Sammanfattning MÄTTEKNIK OCH STANDARDER Inledning 155 Mätnoggrannhet 155 Temperatur 156 Termoelement 156 Resistansgivare 156 Tryck & Flöde 156 Membranmanometrar 156 Vätskepelare, U-rör 157 Beräkning av luftflöden 157 Luftfuktighet 158 Standarder 158 Sammanfattning FORMLER Storheter och enheter 161 Omvandlingsfaktorer 162 Allmän fysikalisk data för vatten och luft 162 Formler 164 Källförteckning 170 6

8

9 Inledning

10 Handbokens syfte och mål Den här tekniska handboken skall ses som ett komplement till de produkttekniska kataloger som beskriver olika luftbehandlingsaggregat från Fläkt Woods. I denna handbok har vi samlat information som är viktig att känna till vid projektering, val och installation av luftbehandlingsaggregat och dess ingående komponenter. Vårt syfte med handboken är att ge dig en djupare kunskap om luftbehandlingsteknik och luftbehandlingsaggregat. Presentation av handboken Den här tekniska handboken är uppbyggd så att de första kapitlen är till för att ge en teoretisk förståelse av processerna som sker i och runt komponenterna i luftbehandlingsaggregatet. I de efterföljande kapitlen kan du följa luftbehandlingsaggregatets konstruktion, det börjar med luftspjällen och går sedan vidare i luftbehandlingsaggregatet till luftfilter osv. Boken avslutas med formler. Varje kapitel har på första sidan en ruta som beskriver vad kapitlet innehåller. I slutet av varje kapitel finns en sammanfattning. Kap. 16 Luftfuktare Kap. 13 Fläkt Kap. 15 Värmeväxlare Kap. 11 Luftfilter Kap. 10 Luftspjäll Kap. 10 Luftspjäll Kap. 14 Luftkylare Kap. 13 Fläkt Kap. 11 Luftfilter Kap. 14 Luftvärmare Kap. 17 Styr och regler Fläkt Woods 9

11 Allmänt om luftbehandlingssystem

12 Luftbehandlingsaggregat renar, konditionerar och transporterar luften som ska bidra till god komfort och bra inomhusklimat i byggnader. De kan också användas för att tillföra luft med en specifik sammansättning till industriella processer. Ofta ventilerar man ett rum för att föra bort förorenad luft. Föroreningen kan t.ex. bestå av smuts eller som i kontor, oftast av överskottsvärme. Värme kan betraktas som en typ av förorening man vill få bort. För att ersätta den bortförda luften krävs tilluft. Denna bör tillföras med rätt temperatur, dragfritt och utan störande ljud. Luftbehandlingsaggregatet är utrustat med luftfilter som renar luften innan den tillförs rummet. Olika typer av luftfilter har olika funktion. Deras uppgift är att antingen ta bort partiklar, ångor eller gaser från luften. Tilluftsfläkten suger luften genom luftbehandlingsaggregatet och blåser ut den genom kanalsystemet till rummen i byggnaden. Under tiden alstrar fläkten ljud som en biprodukt. För att dämpa ljudet i rummen kan ljuddämpare sättas in i luftbehandlingssystemet. Fläktar höjer lufttemperaturen eftersom de sätter luften i rörelse så att det bildas värme. Då luft tillförs ett rum är det i normala fall nödvändigt att utrusta det med ett från- och avluftssystem som för bort en ungefär lika stor mängd luft från rummet. Ofta används också en fläkt för att suga ut luften ur rummet. Frånluften är normalt varmare än utomhusluften, särskilt under vintern. För att minska byggnadens driftskostnader används ofta värmeåtervinnare som tar värme ur frånluften för att värma upp uteluften. I områden där förhållandet är det motsatta, frånluften är kallare än utomhusluften, kan kylåtervinning användas istället. Alla de ovannämnda processerna utförs av komponenter, inbyggda i luftbehandlingsaggregatet som har ett isolerat, lufttätt och stabilt hölje. Uteluftens temperatur och fuktighet förändras kontinuerligt och kan variera från extremt fuktig hetta till bitande torr kyla. I ett behagligt inomhusklimat ligger temperaturen mellan ca 19 C och ca 26 C. Luftbehandlingsaggregatet värmer antingen upp eller kyler ner utomhusluften till den önskade inomhustemperaturen. Detta görs med hjälp av värmebatterier eller kylbatterier. Luftens fuktighet kan också kontrolleras. När den är för låg kan fuktare användas för att tillföra vatten till luften. Då den är för hög kan t.ex. en kylaren användas för att kondensera ut fukten och reducera fuktigheten. Typiskt luftbehandlingsaggregat i ett luftbehandlingssystem Fläkt Woods 11

13 Luftens egenskaper

14 Kapitlet tar upp Luftens egenskaper Temperatur Vatteninnehåll Entalpi Relativ fuktighet Mollierdiagram Utomhusluft består av en blandning av många gaser (mest kväve och syre), ånga (mestadels vatten) och dammpartiklar. För att förstå de processer som sker i ett luftbehandlingsaggregat behöver vi endast tänka på luft som en blandning av torr luft och vattenånga. Vi kallar denna blandning fuktig luft. Det finns en gräns för hur mycket vattenånga som kan bäras av luft. Denna gräns kallas mättnad. Mättnadsgränsen beror på temperaturen och lufttrycket. När det gäller luftbehandling betraktar vi normalt luften som en gasblandning med standard atmosfäriskt tryck. När luft vid konstant tryck är mättad kan den inte längre ta upp någon mer fuktighet såvida den inte värms upp. Om den mättade luften kyls avger den kondensvatten. Detta är vad som händer när badrumsfönstret blir fuktigt på vintern. Många termer används för att beskriva egenskaperna och tillståndet på fuktig luft. För att definiera tillståndet på fuktig luft måste vi veta trycket och två andra oberoende egenskaper. Vid projektering av luftbehandlingssystem är det viktigt att den som projekterar känner till luftens egenskaper. Detta för att uppnå de krav som ställs på inomhusklimatet. Fläkt Woods 13

15 Terminologi Nedan följer olika termer som används för att beskriva egenskaperna och tillståndet på luft. Torra termometerns temperatur (t) Temperaturen som man mäter med en vanlig termometer, exempelvis den vi läser av innetemperaturen på hemma, kallas torr termometer. När man väljer luftvärmare, luftkylare och luftfuktare till luftbehandlingsaggregat använder vi den torra termometerns temperatur som en av de två termer som behövs. Våta termometerns temperatur (t v ) Om känselkroppen på en termometer lindas in i tyg indränkt i vatten kommer avdunstningen av vattnet från veken att kyla termometerns känselkropp, vilket kommer att medföra att termometern visar en lägre temperatur. Ju torrare luften är desto mer vatten kan avdunsta och desto mer sjunker temperaturen. På detta sätt kan våta termometerns temperatur användas som ett mått på fuktigheten i luften. Entalpi (h) Entalpi uttrycks i kj/kg och beskriver energimängden i luften jämfört med en nollgradig referenspunkt. I SI-systemet är nollpunkten för entalpi definierad som 0 C och allt vatten i form av vätska. När luften påverkas att förändra entalpi läggs antingen energi till eller tas bort. Mättnad Luftens mättnadsgrad mäts i procent och räknas fram genom att dividera det aktuella vatteninnehållet i luften med det vatteninnehåll luften har vid mättnad. Relativ fuktighet (ϕ) Luftens relativa fuktighet mäts i procent och är kvoten mellan vattenångans partiella tryck och vattenångans partiella tryck vid mättat tillstånd. Alltså andelen vattenånga i förhållande till den maximalt möjliga vattenångsmängden vid aktuell temperatur. Vatteninnehåll (x) Vatteninnehållet beskriver mängden vatten som finns i luften. Det uttrycks normalt som antal kilogram vatten per kilogram luft. Rumsluften innehåller omkring 5-10 gram vatten per kg luft. 14

16 Mollierdiagram Mollierdiagrammet används för att planera luftkonditioneringsprocesser och för att beräkna bl.a. temperatur och fuktighetsförändring eller det luftflöde som behövs för att värma eller kyla luft. I Fläkt Woods produktvalsprogram ACON kan ett Mollierdiagram genereras utifrån respektive aggregat och förutsättningarna för just detta aggregat. Beteckningar h = entalpi per kg torr luft, kj/kg, kcal/kg x = vatteninnehållet per kg torr luft, kg/kg ϕ = relativ fuktighet t = torra termometerns temperatur C t v = våta termometerns temperatur C ρ t = densitet kg torr luft/m 3 fuktig luft ρ = densitet kg fuktig luft/m 3 fuktig luft Diagrammet hänfört till barometertryck = 760 mm Hg = kpa t = torra termometerns temperatur C ϕ = relativ fuktighet x = vatteninnehållet per kg torr luft, kg/kg kj/kg h kj kg + 0,000 t C 55 0, , , , , kj/kg 0, , kj/kg 0,040 0,045 0,050 0,055 x kg kg =0, wet bulb 5 h= ice-coated bulb 0 0, ,0 0,20 8 0, ,5 kpa , , ,0 0, ,70 0, ,90 =1, kj/kg kcal/kg 3, ,5 4,0 kpa 2,5 SYMBOLS h = enthalpy pr kg of dry air, kj/kg, kcal/kg x = moisture content per kg dry air, kg/kg = relative humidity t = dry-bulb temperature, C t v = wet-bulb temperature, C ρ = kg dry air/m 3 moist air t ρ = kg moist air/m 3 moist air = ρ t (1+x) This chart refers tp a barometric pressure ρ t of 760 mm Hg = kpa. ρ tv= tv= , kj/kg ,00 1,10 1,20 1, ,60 0,20 1, = 1, , ρ , , ,5 kpa ,0 ρ t ,80 7,5 mmvp kp/m2 800 mm Hg kg/m3 0,80 40 = 1,00 0,60 0,40 0,20 0, , , , , , , kj/kg h = entalpi per kg torr luft, kj/kg, kcal/kg t v = våta termometerns temperatur C ρ = densitet kg fuktig luft/m 3 fuktig luft ρ t = densitet kg torr luft/m 3 fuktig luft Fläkt Woods 15

17 Värmningsprocessen I värmningsprocessen förändras inte vattenångeinnehållet och processen ritas som en rak och vertikal linje. Både entalpin och den torra termometerns temperatur ökar. För att beräkna den erforderliga värmeeffekten (P) kan följande formel användas: P=Δh. q v. ρ t = (h B h A ). q v. ρ t Där P = Värmeeffekt kw Δh = entalpiförändring per kg torr luft kj/kg q v = luftflöde m 3 fuktig luft/s ρ t = densitet kg torr luft/m 3 fuktig luft 0,000 h t kj kg; C = 0,10 0,005 0,010 0,015 kg x kg 35 0, ,30 0, ,50 0,60 0,70 0,80 0,90 = 1, kj/kg kcal/kg h B h ,5 våt termometer isbelagd termometer h=0 0-1 h A t v = ±0 1,0 kpa 5 1,5 2,0 h = entalpi per kg torr luft, kj/kg, kcal/kg x = vatteninnehåll per kg torr luft, kg/kg = relativ fuktighet t = torra termometerns temperatur, C -20 0,5 tv= våta termometerns temperatur, C Diagrammet hänfört till barometertryck = 760 mm Hg = 101,3 kpa

18 Kylningsprocessen I kylningsprocessen kyls vanligen luften ner till under daggpunkten och vatten kondenseras ut. Det totala kylningsbehovet kalkyleras lätt från entalpiförändringen medan den sensibla kylningen kan kalkyleras från den torra termometerns temperaturförändring. Utseendet på denna processlinje beror delvis på kylbatteriets konstruktion. 0,000 h t kjd kg; C ϕ = 0,10 0,005 0,010 0,015 kgd x kg 35 0, ,30 0,40 Sensibel kyla ,50 0,60 0,70 0,80 40 kj/kg 0,90 ϕ = 1, Total kyla kcal/kg ,5 våt termometer isbelagd termometer h = t v = ±0 5 2, ,0 kpa 1,5 h = entalpi per kg torr luft, kj/kg, kcal/kgd x = vatteninnehåll per kg torr luft, kg/kgd ϕ = relativ fuktighetd t = torra termometerns temperatur, CD -20 0,5 t v = våta termometerns temperatur, CD Diagrammet hänfört till D barometertryck = 760 mm Hg = 101,3 kpa Fläkt Woods 17

19 10 Befuktning med vatten eller ånga Befuktning är processen som ökar luftens vatteninnehåll. Detta kan göras till exempel genom tillförsel av ånga eller avdunstning av vatten. att påverkas av vattnets temperatur. Mycket kallt vatten tenderar att kyla luften mer medan varmt vatten ger mindre kylning. 1 Befuktning genom vattenavdunstning 1 Värmen som är nödvändig för vattenavdunstning dras ut från luften, vilken på så sätt kyls. Om vattnet cirkuleras kommer det snart att nå den adiabatiska mättnadstemperaturen. Detta betyder att processen följer den våta termometerns linjer. Om vattnet förs direkt till fuktaren kommer processen 0,000 h t kj kg; C 35 0,005 0,010 2 Fuktning med ånga 2 När man använder ånga, är riktningen på processlinjen nästan horisontell. Den torra termometerns lufttemperatur förändras inte särskilt mycket. Ångförbrukningen kalkyleras från skillnaden på vatteninnehåll multiplicerad med luftens flödesmängd. 0,015 kg x kg 0, ,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 40 kj/kg 0, kcal/kg ,5 våt termometer isbelagd termometer h = t v = ±0 5 2, , ,0 kpa -20 0,

20 Blandning av två luftflöden Om två torra luftmängder m 1 och m 2 vars fysiska egenskap motsvarar punkterna A 1 och A 2 blandas, kommer blandpunkten (B) att finnas på den raka linjen som sammanbinder de ursprungliga punkterna. Dess reella position kan bestämmas grafiskt genom att dela linjen A 1 A 2 i två längder så att L 1 /L 2 = m 2 /m 1. Samma resultat kan kalkyleras genom att använda absoluta fuktighetsgrader enligt följande: B = m 1. x 1 + m 2. x 2 m 1 + m 2 Där B = Blandpunkt kg/kg m, och m 2 = luftmängd i punkt 1 och 2 0,000 h t kj kg; C 0,005 0,010 0,015 kg x kg 35 0, L2 0,30 0,40 A1 0,50 0,60 0,70 0,80 0, L1 B kj/kg 9 kcal/kg A ,5 våt termometer isbelagd termometer h = t v = ±0 5 2, , ,0 kpa -20 0, Fläkt Woods 19

21 10 Blandning av två luftflöden - Dimma Blandas två omättade luftmassor kan detta ibland ge upphov till dimma. Detta skulle bli följden om två lika luftmassor med egenskaper motsvarande punkterna A3 och A4 blandas. Blandningspunkten B kan då falla nedanför mättnadslinjen varvid dimma bildas. 0,000 h t kj kg; C 0,005 0,010 0,015 kg x kg 35 0, ,30 0, ,50 0,60 0,70 A3 0,80 0, kj/kg kcal/kg B ,5 våt termometer isbelagd termometer -10 A4-5 h = t v = ±0 5 2, , ,0 kpa -20 0,

22 Olika klimat i Mollierdiagrammet Nedan visas var olika klimat finns i Mollierdiagrammet och i vilket område önskat inneklimat för kontor finns. Varm och torr luft Varm och fuktig luft kj/kg h kj kg + 0,000 t C 55 0, , , , , kj/kg 0, , kj/kg 0,040 0,045 0,050 0,055 x kg kg wet bulb 5 h = ice-coated bulb 0 0,5 4 =0,10 6 1,0 0,20 8 0, ,5 kpa 0, , ,0 0, ,70 0, ,90 =1, kj/kg 65 2,5 16 kcal/kg 3, , tv = tv = ,0 kpa , , , , ,5 kpa 38 7, ,5 180 mmvp kp/m2 800 mm Hg kj/kg kj/kg 2000 Kall och torr luft Kall och fuktig luft Önskat klimat, kontor 23-26, 40-70% luftfuktighet Fläkt Woods 21

23 Sammanfattning Utomhusluften består av en blandning av många gaser, ånga och dammpartiklar. För att förstå de processer som sker i ett luftbehandlingsaggregat behöver vi bara tänka på luft som en blandning av torr luft och vattenånga, detta kallar vi fuktig luft. Följande termer används för att beskriva egenskaperna och tillståndet på luft: Torra termometerns temperatur (t). Temperaturen som man mäter med en vanlig termometer. Anges i C. Våta termometerns temperatur (t v ). Används som ett mått på fuktigheten i luften. Anges i C. Vatteninnehåll (x). Beskriver mängden vatten som finns i luften. Anges i kg vatten/kg torr luft. Entalpi (h). Beskriver energimängden i luften jämfört med en nollgradig referenspunkt. Anges i kj/kg torr luft. Mättnad. Räknas fram genom att dividera det aktuella vatteninnehållet i luften med det vatteninnehåll luften har vid mättnad. Anges i %. Relativ fuktighet (ϕ). Räknas fram genom att dividera vattenångans tryck och vattenångans tryck i mättat tillstånd vid samma temperatur. Anges i %. Dessa olika termer för att beskriva luftens egenskaper finns med i ett Mollierdiagram. Mollierdiagrammet används för att beskriva luftkonditioneringsprocesser som till exempel värmning, kylning, befuktning och blandning av luft. Mollierdiagrammet används även för att beräkna temperatur, energiåtgång mm. Fläkt Woods 22

24

25 Strömningslära

26 Kapitlet tar upp Laminär strömning Turbulent strömning Gränsskikt Reynolds tal Statiskt, dynamiskt och totalt tryck Bernoulli s ekvation Vid turbulent strömning är friktion och värmeöverföring avsevärt större än vid laminär strömning. Detta beror på de virvelrörelser som finns i turbulentströmningen. Om strömningen är laminär eller turbulent kan kraftigt påverka värme- resp. kylöverföringen. Detta gäller både för luft och för vatten. Vid laminär strömning av vatten i ett rör minskar värmeöverföringen kraftigt och styrningen blir svår. Reynolds likformighetslag För att uppskatta om strömningen är laminär eller turbulent används Reynolds likformighetslag. Strömningsteknik är grundläggande för många delar av luftbehandlingstekniken. Man kan nämna luftströmningen i fläktar, kanaler, luftfilter, batterier och vattenströmning i batterier och rör. Strömningsförhållandena är också av största betydelse för värmeöverföring samt för alstring av ljud. De krafter som verkar i en ström av vätska eller gas är tryckkrafter, masskrafter och friktionskrafter. Då alla krafterna är av samma storleksordning blir en teoretisk beräkning mycket svår. Om en eller två krafter dominerar blir beräkningarna enklare. Inom luftehandlingstekniken kan man i de flesta fall försumma masskrafterna ( ej i fläkthjulet ) och strömningen bestäms av tryck- och friktionskrafter. Laminär och turbulent strömning Två helt olika typer av strömning förekommer: Vid låga strömningshastigheter och under en startsträcka kan strömningen ske i parallella skikt och kallas laminär. Annars är strömningen normalt överlagrad av virvelrörelser av olika storlek och frekvens. Sådan strömning kallas turbulent. Reynolds tal (Re) Re = wl υ Där w = fluidens medelhastighet m/s L = en för kroppen karakteristisk längd (vid rörströmning är L = d = rörets diameter m) υ = fluidens kinematiska viskositet m 2 /s En konsekvens av Reynolds likformighetslag är att man kan avgöra om en viss strömning är laminär eller turbulent. Försök med olika geometrier har visat vid vilka ungefärliga Re- tal, Re krit, som strömningen slår om från laminär till turbulent. I ett rör sker detta vid 2300 < Re krit < Vid strömning mellan plana plattor ( flänsar) med avståndet mellan plattorna som karakteristisk längd gäller 500 < Re krit < Om den laminära strömningen störs blir Re krit lägre än vad som anges ovan. Omslaget är vidare inte abrupt utan övergången sker alltid över ett omslagsområde. Fläkt Woods 25

27 Definition av tryck I en fluid kan tre tryck definieras: statiskt, dynamiskt och totalt tryck. Det statiska trycket är det tryck som fluiden utövar vinkelrätt mot strömningsriktningen. I rör mäts den genom ett litet hål i rörväggen. Det totala trycket är det tryck som mediet utövar mot en liten yta vinkelrätt mot strömningsriktningen där mediet förlustfritt har bromsats upp till hastigheten noll. Det dynamiska trycket är skillnaden mellan totalt och statiskt tryck. Figuren visar schematiskt mätprincipen för kanaltryck, i detta fall är det statiska trycket i kanalen större än det atmosfäriska trycket. v Static Statiskt Tryck Pressure pt Dynamiskt Dynamic Tryck Pressure pt Totalt Tryck Pressure Strömning i rör och kanaler Bernoulli s förenklade ekvation Om vi antar att strömningen är inkompressibel och friktionsfri, och även bortser från skillnader i höjdled kommer vi fram till den enklaste versionen av Bernoulli s ekvation. Tryck i kanal och principskiss för mätning. Tryckförluster orsakad av friktion Tryckförluster kan orsakas av att det uppstår friktion mellan kanalväggarna och luften. Följande formel används för att beräkna tryckförlusten: p s + 1. v 2 = konstant ρ 2 Där ps = statiskt tryck Pa ρ = densitet kg/m 3 v = lufthastighet m/s Om formeln ovan multipliceras med densitet får vi följande ekvation. p s + ρ. v 2 = p s + p d = p t = konstant 2 Där p s = statiskt tryck Pa ρ = densitet kg/m 3 v = lufthastighet m/s p d = dynamiskt tryck Pa p t = totalt tryck Pa Bernoulli s ekvation beskriver matematiskt fenomenet att en ökning i hastighet ger en minskning av statiskt tryck och även tvärt om en minskning av hastigheten en ökning av statiskt tryck. Δp λ = λ. L. ρ. v 2 d 2 Där Δp λ = tryckförlust orsakad av friktion Pa d = kanaldiameter m L = kanallängd m v = lufthastighet m/s ρ = densiteten kg/m 3 λ = friktionsfaktorn beroende av Reynoldstal eller grovheten på ytan på kanalväggen För att beräkna friktionsfaktorn (λ) används följande formler: Vid laminär strömning (Re 2320): λ = 64 Re Vid turbulent strömning (Re 2320): 1 = 1,14 2log. k λ d Där k = ytans skrovlighet på kanalväggen mm d = kanaldiametern m 26

28 Tryckförluster orsakad av kanalförändringar Tryckförluster, engångsförluster, uppkommer vid t.ex. plötsliga areaförändringar av kanalen, i rörkrökar mm. Nedan ges engångsförlustkoefficienten, ζ, för några olika fall. A 1 A 2 Följande formel används för att beräkna tryckförlusten: 1,0 Δp f = ζ. ρ. v 2 2 v 1 Där Δp f = tryckförlust orsakad av kanalförändring Pa ζ = engångsförlustkoefficienten ρ = densiteten kg/m 3 v = lufthastighet m/s A 1 A 2 Bernoulli s utvidgade ekvation Om hänsyn tas till tryckförlusterna, som beskrivs i tidigare avsnitt, och även till höjdskillnader får vi Bernoulli s utvidgade ekvation. 0,4 A 1 A 2 p 1 + ρ. v ρgh 1 = p 2 + ρ. v ρgh 2 + Δp λ 2 2 Där p = statiska trycken i punkt 1 respektive 2 Pa ρ = densitet kg/m 3 v = lufthastighet m/s g = tyngdacceleration m/s 2 h = höjd m Δp λ = tryckförluster Pa v 1 A 1 A 2 ρ. v2 = dynamiska trycket Pa 2 ρgh = höjdtryck Pa ζ d 0,4 R h 2 v h 1 h 0 1 v R d Fläkt Woods 27

29 Tryckfallsdata för cirkulärt kanalsystem Tryckfallsdata för rektangulärt kanalsystem Fläkt Woods 28

30 Sammanfattning De krafter som verkar i en ström, i en vätska eller gas är tryckkrafter, masskrafter och friktionskrafter. Inom luftbehandlingstekniken kan man i de flesta fall försumma masskrafterna (ej i fläkthjulet) och strömningen bestäms av tryck- och friktionskrafter. Strömningsteknik är grundläggande för många delar av luftbehandlingstekniken. Man kan nämna luftströmningen i fläktar, kanaler, luftfilter, batterier och vattenströmning i batterier och rör. Det finns två typer av strömning: laminär och turbulent. Om strömningen är laminär eller turbulent kan kraftigt påverka värmeresp. kylöverföringen. Detta gäller både för luft och vatten. Vid laminär strömning av vatten i ett rör minskar värmeöverföringen kraftigt och styrningen blir svår. För att uppskatta om strömningen är laminär eller turbulent används Reynolds likformighetslag. I en ström kan tre olika typer av tryck definieras: statiskt, dynamiskt och totalt tryck. Dessa tryck kan beräknas ut ifrån Bernoulli s ekvation. Bernoulli s ekvation beskriver även att en ökning i hastighet ger en minskning av statiskt tryck och även tvärt om en minskning av hastigheten ger en ökning av statiskt tryck. Fläkt Woods 29

31 Värmeöverföring

32 Kapitlet tar upp Värmeledning Fouriers lag Konvektion Strålning Klassificering av luftbehandlingsaggregats termiska isolering För en plan vägg erhålls: q = λ. dt = λ. (t 2 t 1 ) = λ. (t 1 t 2 ) dy δ δ δ q [W/m 2 ] t 1 t 2 Värme är en form av energi som alltid överförs från den varma till den kalla delen av ett ämne, eller från en kropp med hög temperatur till en kropp med lägre temperatur. Inom luftbehandlingstekniken finns det ett antal områden där kunskap om värmeöverföring är viktig. Man kan nämna batterier, värmeåtervinningssystem, kylprocesser och värmetransport genom väggar. I batterier och återvinnare önskar man material med hög värmeledningsförmåga och en stor konvektion mellan kropp och vätska/gas. I andra tillämpningar önskar man en god termisk isolering och då skall värmeledning och konvektion minimeras. Värme kan överföras på tre olika sätt: genom ledning, konvektion och strålning. För ett cirkulärt rör: Q r 1 t 1 r 2 y Temperaturvariation t 2 Värmeledning Värmeledning är en process där energiutbytet sker genom elektronrörelser i metaller eller vid vätska/gas i vila genom molekylrörelser. Värmeflödet per ytenhet skrivs med hjälp av Fouriers lag. Q = -2π. r. λ. dt [W] dr Men, då Q är oberoende av r fås vid integration värmeflödet per längdenhet till q = -λ. dt dn [W/m 2 ] Q = -2π. λ. t 2 t 1 ln r 2 r1 [W] Där λ är materialets termiska konduktivitet dt är temperaturgradienten i ytnormalens riktning. dn Minustecknet motiveras av att värmen alltid går från ett område med högre temperatur till ett område med lägre temperatur. Fläkt Woods 31