a) Lag skisse og beskriv virkemåten til en enkeltmantlet forrådsbereder. El. kolbe

Transkript

1 607 VVS-TEKNIKK EKSAMEN 0. MAI 996 LØSNINGSFORSLAG OPPGAVE (5%) a) Lag skisse og beskriv virkemåten til en enkeltmantlet forrådsbereder. VV El. kolbe Evt. tilknyttet vannbårent anlegg for oppvarming av det varme forbruksvannet KV Vannvarmeren består av en isolert mantlet tank, vanligvis av rustfritt stål. Kaldt vann (KV) føres inn i bunnen av tanken og varmt vann (VV) tappes av på toppen. Oppvarmingen skjer direkte v.h.a. et termostatstyrt el-element eller en varmecoil. I noen tilfeller kan både el-element og varmecoil benyttes, alt etter hva som er mest gunstig m.h.p. energibærer. b) Dersom tappepunktene for varmtvann ligger langt fra berederen kan det, etter stillstandsperioder, ta lang tid før varmtvannet når tappepunktet. Forklar hvorfor dette problemet oppstår og hvordan det kan løses. Ved stillstand avkjøles det stillestående vannet i rørene. Dette må tappes ut før varmtvannet kommer. Ved å montere selvregulerende varmekabel på VV-røret eller ved å montere sirkulasjonsledning, elimineres dette problemet. c) Tegn vanlig og kumulativ forbrukskurve for ett døgn. Konstruerer forbrukskurve og kumulativ kurve slik som vist i figuren på neste side. d) Bestem nødvendig minimum beredervolum. Avrund til standard berederstørrelse (modul på 00 liter). Oppladet bereder: Topp/bunn = 80/70 C, dvs. tm C Utladet bereder: Topp/bunn = 50/0 C, dvs. tm C

2 Midlere temperatursenkning blir: m = = o C Figur til spm c): kw 0 Forbrukskurve Klokkeslett kwh 50 Akkumulert forbrukskurve Ladekurve A Ladekurve B 8 00 E a V P h a V P= 0 kw 50 0 P=0 kw h P h E 0 0 P=5 kw h Klokkeslett Akkumuleringsfaktor: a = = kwh / liter 600 Ladekurve A: Denne gir minimum beredervolum dersom en velger at berederen skal være fullt oppladet kl (valgt ut fra figuren). Andre ladekurver kan også være aktuelle. Ut fra figurbetraktning og geometrisk beregning fås største pil-avstand (a V) kl E = P h + a V V E P h = a 0 0 = = 905. liter D.v.s: V = 00 liter

3 Ladekurve B: Følger vi denne kurven, klarer vi akkurat å lade opp berederen til kl da forbruket starter. E = P h + a V V E = P h a 8 5 ( 4) = = 74 liter D.v.s: V = 800 liter Forskjellen mellom ladekurve A og B, dvs. 00 liter henholdsvis 800 liter beredervolum, er at ved bruk av 00 liter beredervolum må 0 kw effekt være lengre på enn ved bruk av 800 liter bereder. Dette kan ha betydning ved maksimal effektmåling. Ved bedømmelse av denne oppgaven legges det hovedsakelig vekt på følgende forståelse: Konstruksjon av forbrukskurve og kumulativ forbrukskurve Magasineringskapasitet pr. liter vann. Konstruksjon av ladekurve, og sammenhengen mellom denne og forbrukskurven. Sammenhengen mellom magasineringleddet og effektleddet OPPGAVE (5%) a) Tegn koblingsskisse for fyrsentralen etter installasjon av varmepumpe. Ute R A B C Kjel VP Stiplet linje markerer kobling som installeres i forbindelse med varmepumpe (VP)

4 Ved installasjon av VP monteres samtlige ventiler A, B og C. VP monteres inn på returledningen for å få lavest mulig temperaturløft fra fordamper til kondensator. Ved bruk av VP stenges ventil B, og ventil C åpnes. Turtemperaturen reguleres som funksjon av utetemperaturen v.h.a. shuntventil A. Dersom VP ikke klarer å opprettholde turtemperaturen, går noe av vannet over kjelen og blandes i A. Reguleringen og koblingen kan være noe annerledes enn vist i figuren. Det viktige er imidlertid at VP monteres på returledningen. b) Ved hvilken utetemperatur kan varmepumpen alene dekke oppvarmingseffekten? Φ = 05. Φ0 Φ oppv = Φtransm + Φinf = UA + L c ( ) ( i p ) ( UA) ( Li cp) ( ) = + = K Φoppv 40 K = = = kw C 40 /o (antatt 0 C romtemperatur) Φ o = = = 0 C = tr t K u Utetemperaturen blir: t = t = 0 0 = 0 o C u R c) Finn returtemperaturen og gjennomsrømmet vannmengde ved dimensjonerende forhold for varmepumpen. Φ = Φ tm 0 m0 n (oppgitt i formelsamling) Velger n=. (vanlig verdi for radiatorer) m = T T + T R T rom m0 = T + T T0 R0 T = rom = 50 o C m T = + T 60 + T T 0 = R + 0 T R T R rom = 4

5 05. Φ0 = Φ0 T R / Returtemperaturen blir: T = ( ) = 87. C Φ = m c p R. o Gjennomstrømmet vannmengde: Φ m 0 = = = 0. kg / s c t p ( ) I formelsamlingen er det også oppgitt en annen formel: Φ ( T = Φ T Trom) ( TR Trom) ( T T ) ( T T ) 0 T0 rom, 0 R0 rom, 0 ( 60 0) ( T ) Φ0 = Φ0 R ( 80 0) ( 60 0) Dette gir T R = 4. C, dvs. noe avvik fra det vi fikk ved bruk av den første formelen. Dette har noe med valg av eksponenten n å gjøre. Ved bedømmelse av denne oppgaven legges det hovedsakelig vekt på følgende: At VP bør kobles til retur for å få minst mulig temperaturløft. At endret oppvarmingsbehov gir endret effekt, temperatur og massestrøm for varmeflaten. OPPGAVE (5 %) a) Beskriv de ulike ventilasjonsprinsippene. Gi en kort beskrivelse av ulike karakteristiske forhold (fordeler/ulemper) ved hvert enkelt prinsipp. Hva forstår du med begrepet «ventilasjonens effektivitet»? (vær kort). Ventilasjonsprinsipper: hovedtyper, ) Omrøring ) Fortrengning Stempelstrøm og kortslutningventilasjon er spesialtilfeller av overnevnte prinipper. 5

6 ) Omrøring: Luft tilføres rommet med relativt stor impuls, ofte ved taknivå. Avtrekket er ofte plassert ved taknivå. Omrøringsprinsippet er velegnet til ventilasjon, oppvarming og kjøling. Homogene temperatur og forurensningsforhold oppnås (ideelt sett) i rommet. ) Fortrengning: Luft tilføres rommet med relativt lav impuls, ofte ved golvnivå. Avtrekket er ofte plassert ved taknivå. Varme og forurensninger føres med ventilasjonsluften opp mot avtrekket. Forurensningskonsentrasjonen i oppholdsonen er lav (dette er avhengig av ventilasjonseffektiviteten), selv ved stor forurensningsproduksjon. Fortregningsprinippet er velegnet til ventilasjon og kjøling, men uegnet til oppvarming. Ventilasjonens effektivitet: Fellesbetegnelse på et begrep som går ut på å tallfeste/klassifisere hvor effektivt ventilasjonen i et rom virker. De mest brukte måltallene er: Ventilasjonseffektivitet (rommidlet størrelse) Kvalitativ Betegner hvor effektivt forurensninger føres fra kilde til avtrekk. Lokal ventilasjonsindeks Kvalitativ Betegner hvor effektivt forurensninger føres fra et lokalt sted i rommet til avtrekk. Temperatureffektivitet (rommidlet størrelse) Kvalitativ Betegner hvor effektivt varme føres fra kilde til avtrekk. Lokal temperaturindeks Kvalitativ Betegner hvor effektivt varme føres fra et lokalt sted i rommet til avtrekk Luftvekslingseffektivitet (rommidlet størrelse) Kvantitativ Betegner hvor effektivt ventilasjonen kan fjerne «gammel» luft fra et rom. Lokal luftvekslingsindikator Kvantitativ Betegner hvor effektivt ventilasjonen kan fjerne «gammel» luft fra et lokalt sted i et rom. b) Finn tilluftmengden Q, uttrykt ved S, C max og C o, når kravet er at C i C max. Q o Co C s Q C i =C e ROM Q r =0.05*Q C e Forurensningskilde S Q C e 6

7 Ved fullstendig omrøring er ventilasjonseffektiviteten ε v =.0. Dermed blir konsentrasjonen i rommet lik avtrekkskonsentrasjonen: C i = C e. Dessuten er det oppgitt at 5% av tilluftsmengden er omluft, dvs. Q r = 005. Q. Forurensningsbalanse for rommet: Q Cs + S = Q Ce, Ce = Ci Q C + S = Q C () s i Forurensningsbalanse, tilluft: Q Cs = Qo Co + Qr Ce, Qr = Q Q C = Q C Q C () s o o i Luftbalanse, tilluft: Q = Qo + Qr = Qo Q Q Q () o = Setter () inn i (): Q Cs = Q Co Q Ci C = 095. C C (4) s o i Setter (4) inn i (): ( ) Q. C +. C + S = Q C (5) o i i Løser ut Q fra (5): Q = S C C i o 095. Kravet er at C i C max. Dermed fås: Q C S 0 95 max C o. (6) c) Forurensningskilden S tilsvarer CO -produksjonen fra 0 stk stillesittende personer. Beregn nødvendig tilluftsmengde. Stillesittende aktivitet: M. met CO -produksjon: S = ( 4 7) M n [l / h] der M = metabolismen i [met] n = antall personer 7

8 Velger: S = 5 M n [l / h] Dette gir: S = 5. 0= 65 [l / h] = [l / s] Nødvendig ventilert luftmengde: Følgende er gitt: C i C max = 000 ppm = 000*0-6 liter/liter C o = 400 ppm = 400*0-6 liter/liter Benytter ligning (6) til å beregne luftmengden: Q 6 6 = [l / s] = 895. [ m / h] d) Uteluftmengden er konstant. ) Hva skjer med konsentrasjonen i rommet ved stasjonære forhold hvis vi endrer omluftmengden? ) Hva skjer med konsentrasjonen i rommet ved stasjonære forhold hvis vi endrer rommets volum? ) Omluftsmengden har ingen betydning for stasjonærkonsentrasjonen i rommet Dette kan vises ved å kombinere ligningene () og (): Q Cs + S = Q Ci Q C Q C Q C Q o C o + Q r C i + S = ( Q o + Q r) C i s = o o + r i S Ci = Co + = konst Q ) Romvolumet har ingen betydning for stasjonærkonsentrasjonen i rommet o Romvolumet inngår kun i den transiente (dynamiske) gasskonsentrasjonsligningen, og faller bort ved stasjonære forhold: V R dc i = Q Cs + S Q Ce = 0 dt Ved bedømmelse av denne oppgaven legges det hovedsakelig vekt på følgende: Forståelse av de ulike ventilasjonsprinsippers virkemåte Oppsett av massebalanser Forståelse av ulike parametrers innvirkning på forholdene i rommet 8

9 OPPGAVE 4 (5%) a) Skissèr oppbygningen av aggregatet. - 4 LF M M M Rom + LF M M VB Komponentene kan være koblet i noe annen rekkefølge, men dette er en vanlig og god måte å koble på. Temperaturfølerne er ikke inntegnet, kun overvåknings- og sikkerhetsutstyr som viftevakter og filtervakter, samt overhetingstermostat og branntermostat på varmebatteriet (VB). b) Finn varmebatteriets totale effekt, trinnstørrelse, antall effekttrinn og gruppeinndeling når følgende opplysninger er kjent: I forbindelse med dimensjonering av varmebatteriet, antas det for varmegjenvinneren en temperaturvirkningsgrad på 0.6. h t (kj/kg) ( C) 0 5 ϕ = 0.8 ϕ =.0 0 ρ 5 =. kg / m x (kg/kg) cpl = 005. o = 0. 4 Wh / ( m C) 600 9

10 Det regnes ikke med noe oppvarming over viftene. Φ VB pl ( ) = L c t t t t η t = t t 4 ( ) ( ) t = η t t4 t + t = ( 0) + ( 0) = 4 C o Φ VB ( ) = = 7400 W Batteriets totale effekt: Φ VB = 74. kw Temperaturhevningen over VB er 5-4 = C. I forbindelse med komfortventilasjon velges vanligvis C temperaturhevning pr. effekttrinn, dvs. trinn i dette tilfellet. Gruppeinndeling: : : 4 : 8 ( dvs 5 trinn) Temperaturhevning pr. trinn: 5 = 0. 7 o C / trinn Effekt pr. trinn: 7. 4 =. 49 kw / trinn 5 Gruppe trinn =.49 =.49 kw Gruppe trinn =.49 = 4.98 kw Gruppe 4 trinn = 4.49 = 9.96 kw Gruppe 4 8 trinn = 8.49 = 9.9 kw Sum: 4 5 trinn = 7.4 kw c) Samme spørsmål som oppgave b), men med befuktning i dette tilfellet. Figuren på neste side viser forløpet med befuktning skjematisk i et hx-diagram. Fra hx-diagram avleses følgende (grov avlesning): h = 5 kj / kg h = 75. kj / kg h5 = 8 kj / kg t = 45. o C 0

11 Φ VB 0000 = L ρ L h h = 600 ( ). ( 75. 5) Varmebatteriets totale effekt blir: Φ VB = 756. kw Dette er en økning på 0% i forhold til ikke befuktning. Rom 5 LF + VB t [ C] φ =0.5 φ =.0 5 dh/dx=84 dh dx = = = hv kj / kg luft φ =0.8 h=konst (dh/dx=0) -0 h x [g vann/kg luft] Den totale temperaturhevningen for varmebatteriet er fra punkt til punkt 5, dvs. like stor temperaturhevning som fra punkt til punkt i spørsmål b). Dermed blir antall effekttrinn og antall effektgrupper det samme som i spørsmål b (5 trinn og 4 grupper). Effekt pr. trinn og pr. gruppe blir imidlertid forskjellig. Effekt pr. trinn: = 504. kw / trinn 5 Gruppe trinn = 5.04 = 5.04 kw Gruppe trinn = 5.04 = 0.08 kw Gruppe 4 trinn = = 0.6 kw Gruppe 4 8 trinn = = 40. kw Sum: 4 5 trinn = 75.6 kw

12 Ved bedømmelse av denne oppgaven legges det hovedsakelig vekt på følgende: Se sammenhengen i komponentoppbyggingen for aggregatet Kunne regne ut temperaturen etter gjenvinneren, for dermed å kunne bestemme varmebatteriets effekt. Kriterier for valg av trinnstørrelse Befuktningsforløp i hx-diagram og konsekvenser for varmebatteriets effektforbruk ved befuktning Dersom det ikke tas hensyn til varmegjenvinner ved dimensjonering, må dette begrunnes og eventuelle konsekvenser forklares. SIN, Bjørnulf Jensen / Bjørn R. Sørensen