K L Í M A T I Z Á L Á S Klímaberendezés feladata: a szellőztetés mellett a helyiség hőmérséklet és páratartalom bizonyos határok között tartása az egész év folyamán. Klímatizálás célja: a klímatizált térben a levegő hőmérsékletét, nedvességtartalmát, összetételét és nyomását állandó értéken tartani, vagy meghatározott program szerint változtatni (meghatározott tűréssel). A klímaközpontban megvalósítható levegőkezelési folyamatok: hűtés, fűtés, nedvesítés, szárítás, (szűrés, légcsere stb.) K özponti klím atechnikai rendszerek Levegı rendszerek Levegı + víz rendszerek Levegı + freon rendszerek hagyom ányos nagysebességő szabadáram ú kényszeráram ú SPLIT MULTISPLIT VRU rendszer zónás zóna nélküli egycsatornás kétcsatornás klím akonvektor hőtıgerenda ventilátoros indukciós A klímatechnikai rendszer részei: 1. klímaközpont 2. levegő elosztó hálózat 3. klímatizált tér Klímaberendezés (klímaközpont) általános elvi felépítése HİVISSZANYERİ SZŐRİEGYSÉG KEVERİ KAMRA HANGCSILLAPÍTÓ SZŐRİEGYSÉG LÉGHŐTİ VENTILLÁTOR HELYISÉG HİVISSZANYERİ LÉGFŐTİ LÉGNEDVESÍTİ HANGCSILLAPÍTÓ KEVERİ KAMRA FOLYADÉKHŐTİGÉP Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 1
A klímatizálás során a levegő állapota és összetétel megváltozik, ennek megfelelően beszélhetünk az alábbi fogalmakról: - külső vagy friss levegő: külső térből beszívott levegő, - szellőző levegő: a szellőztetett térbe belépő levegő, - távozó levegő: a klímatizált térből kilépő levegő, - visszakevert levegő: a távozó levegő egy része a külső levegővel keverve a klímatizált térbe visszajut, - kidobott levegő: a távozó levegőnek az a hányada, amelyet nem keverünk vissza. A magyar előírások alapján előírt légállapot a tartózkodási zónában a rendeltetéstől függően az alábbi paraméterekkel jellemezhető: - levegő hőmérséklet általában télen 20-22 o C, nyáron 24-26 o C, - levegő páratartalom télen 30-60% (40-55%), nyáron 40-70% (50-60%), - levegősebesség 0, 25 m/s, - frisslevegő 30-50 m 3 /óra A külföldi (Nyugat-Európa) méretezés során lényegesen több paramétert vesznek figyelembe, például ruházat, tevékenység, fajlagos alapterület, turbulencia fok, aszimmetrikus sugárzás, belső levegő minőségi követelmények stb. Az igényesebb tér (A) esetén a megengedett tűrések kisebbek, a feladat drágább klímatechnikai rendszerrel oldható meg. KLÍMATECHNIKAI ALAPFOGALMAK 1. A levegő fizikai tulajdonságai 1.1. A száraz levegő fizikai jellemzői Hőfok Sűrűség Entalpia Fajhő állandó nyomáson Fajhő térfogatra vonatkoztatva Fajhő állandó térfogaton t [ o C] ρ [kg/m 3 ] i [kj/kg] Cp [kj/kgk] C p [kj/m 3 K] Cv [kj/kgk] - 15 1, 322-15, 102 1, 004 1, 377 0, 715 0 1, 248 0, 000 1, 009 1, 306 0, 720 +15 1, 178 15, 168 1, 013 1, 239 0, 726 +30 1, 109 30, 404 1, 013 1, 181 0, 726 A levegő kritikus hőmérséklete ~ -141 o C és kritikus nyomása ~38 bar A tengerszinten átlagosan mérhető légköri nyomás 1, 013 bar ~ 10 5 Pa ~ 10 mvo 1.2. A tiszta, száraz levegő összetétele % Nitrogén Oxigén Argon Szén-dioxid Térfogatarány 78, 03 20, 99 0, 93 0, 034 Tömegarány 75, 47 23, 20 1, 28 0, 046 Hidrogén, Neon, Hélium, Kripton, Xenon Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 2
LÉGTECHNIKA, SZELLŐZÉS A száraz levegőt légtechnikai szempontból egykomponensű anyagként, a nedves levegőt, pedig mint száraz levegőből és vízgőzből álló közeg-párként értelmezzük. 1.3. A nedves levegő fizikai jellemzői 1, 013 bar nyomáson Hőfok Sűrűség Abszolút nedvesség Fajhő állandó nyomáson t [ o C] ρ [kg/m 3 ] Xt [kg/kg] Cp [kj/kgk] - 15 1, 322 0, 001 1, 004 0 1, 248 0, 004 1, 004 +15 1, 178 0, 011 1, 005 +30 1, 109 0, 028 1, 005 Abszolút nedvességtartalom: az egységnyi tömegű (m L = 1kg) száraz levegőben lévő H 2 O tömeget jelenti. x = nedvesség/száraz levegő [kg/kg] vagy [g/kg]. A nedves levegő két azonos nyomású és hőmérsékletű, de különböző mennyiségű és minőségű gáz keveréke. A komponensre felírva 1 : p= p L +p g a mérhető (abszolút) légnyomás a száraz levegő résznyomásának 2 és a benne lévő vízgőz résznyomásának összege. A nedves levegőben a vízgőz résznyomása nem lehet nagyobb, mint a víz gőznyomása az adott hőmérsékleten. Például 20 o C-on 1 bar nyomású levegőben a vízgőz résznyomása 23,4 mbar lehet. Ekkor a levegő vízgőzzel telített, már nem képes több gőzállapotú vizet magában tartani, a felesleg köd, vízcsepp esetleg dér 3 formájában kicsapódik és túltelíti a levegőt. Amíg a vízgőz résznyomása a telítettségnél kisebb, addig a levegő vízgőzben telítetlen. Relatív páratartalom: a vízgőz résznyomás és telítési gőznyomás viszonya. (ϕ) Harmatpont: az a hőmérséklet, amelyre a telítetlen levegőt (gázt) lehűtve a benne lévő vízgőz telítetté válik. A levegő a valóságban mindig tartalmaz valamennyi vízgőzt, amely a levegővel tökéletesen diffundál, azzal keveréket alkot, ezt nevezik nedves levegőnek. Bármely tetszőleges hőmérsékletű levegő, különböző mennyiségben tartalmazhat nedvességet. A levegő telített, ha a benne lévő vízgőz résznyomása egyenlő a keverék hőmérsékletévek azonos hőmérsékletű telített vízgőz nyomásával. A telített levegő gőz alakban már nem tud több nedvességet felvenni, és ha tovább nő a nedvesség, akkor azon része kondenzálódik. Innentől túltelített levegőről beszélhetünk. A termodinamikai számításokban az1 kg tömegű száraz levegőt, mint állandót, míg az x kg tömegű vízgőzt (nedves részt) mint változót vesznek figyelembe. m vg = X [kg víz/kg levegő] m lev 1 p 1 = m 1 R 1 T/V és p 2 = m 2 R 2 T/V illetve a p össz =p 1 +p 2 alapján p= p L +p g 2 Résznyomás idegen szóval parciális nyomás. (Porció = rész!) 3 0 o C alatt Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 3
3 Szellőző- és klímaberendezések A gyakorlatban a relatív nedvesség fogalmát használjuk. A levegő relatív nedvessége az adott t hőmérsékleten mért rész gőznyomás a t hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomás hányadosa. (A relatív nedvesség közel azonos a relatív telítettséggel.) φ = p vg p vgtel = ρ vg ρ vgtel Tapasztalat, hogy nedves hőmérőn annál alacsonyabb hőmérséklet mutatkozik (olvasható le), minél kisebb a levegő légnedvessége, s így a vízgőz résznyomása a levegőben. (A legjobb, ha teljesen belemerül a folyadékba a mérőközeg rész). Úgynevezett Mollier féle légállapot diagram (h-x): 20000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 55 50 1,08 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 115 45 40 1,1 sőrőség ρ ( kg/m ) 1,12 0,3 0,4 Relatív nedvességtartalom ϕ 0,5 110 105 4000 0,6 35 30 1,14 1,16 0,7 0,8 0,9 1,0 90 100 95 3500 25 20 1,18 1,2 70 80 Entalpia h (kj/kg) kcal kj 80 3400 3300 3200 15 10 1,22 1,24 40 50 60 15 70 60 3100 3000 2900 2800 Léghımérséklet ( C) 5 0 1,26 1,28 20 30 10 50 40 2700 2600 2500 2400-5 1,3 10 30 2300-10 -15 1,32 1,34 1,36-2 0 0 +2 Moliere-féle h-x diagram össznyomás 1000 mbar 5 20 10 2200 2100 2000 1900-20 0 1 0 1,38 2-10 2 3 4 5 4 6 8 h/ x ( kj/kg ) 6 7 10 12 8 9 10 11 12 13 14 16 18 20 nedvesség x (g/kg) 0 0 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Parciális vízgıznyomás p (mbar) 1800 1700 1600 1500-8000 -4000-2000 -1000-500 -250 0 250 500 750 1000 1100 1200 1300 1400 * A diagramm logaritmikus léptékű, így bármennyire is furcsa, de kevésbé torzított. Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 4
24 o C 0 o C h Telítetlen nedves levegő Jeges köd Nedves köd 8 g/kg h=45kj/kg Instabil ϕ = 0, 4 ϕ = 1 Telítési görbe Ködmező túltelített állapot x [g/kg] Az entalpia (h) vonalak ferde egyenesek [kj/kg]. A hőmérsékleti (t) [ o C] vonalak csak közel vízszintesek, nem párhuzamosak (széttartanak) a ϕ = 1 telítési görbéig, itt megtörnek és ködös levegő vagy jeges köd szerint haladnak a ködmezőben. A relatív nedvességtartalom görbéi ϕ vel jelöltek, és az adott x [g/kg] nedvességtartalom leolvasható. (Pontos 1 bar légköri nyomáson!) Levegő keverése levegővel 2 1 k h t2 tk 2 k = 10 0 % Az 1 állapotú levegőt keverve a 2 állapotú levegővel kapjuk a keverés utáni légállapotot (K) A keverés utáni légállapotot a h-x diagramban mindig a két állapotot összekötő egyenesen, a tömegáram aránnyal fordítottan kapjuk. h K = m 1 *h 1 + m 2 *h 2 m 1 +m 2 t1 1 h2 h1 hk x K = m 1 *x 1 + m 2 *x 2 m 1 +m 2 x1 xk x2 x Levegő melegítés kaloriferrel A folyamat során a levegő nedvességtartalma változatlan, csak hőmérséklete és entalpiája növekszik. A levegő melegítéséhez szükséges hőteljesítmény: Q F = m 1 * (h 2 h 1 ) [kw] Ahol m 1 [kg/s] a levegő tömegárama Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 5
h t1 t2 1-2 1 2 h érezhetı = 10 0 % Levegő hűtése felületi hűtővel A levegőkezelés keverési folyamatként is értelmezhető, ahol a belépő levegő (1) keveredik a felületi hűtőn kialakuló telített határréteggel, melynek hőmérséklete megegyezik a felületi hűtő átlagos hőmérsékletével. A szokásos 6/12 o C hűtőközeg hőmérséklet esetén a hűtő szerkezeti kialakításától függően: t fk = 13~14 o C A hűtéshez szükséges hűtőteljesítmény: tfk x2 h rejtett x1 h2 h1 x Q H = m 1 * (h 1 h 2 ) [kw] Felbontható érezhető és rejtett (latens) részre: Q HÉ = m 1 * c pt (t 1 t 2 ) [kw] Q HR = m 1 * r o (x 2 x 1 ) [kw] Levegő nedvesítése nedvesítő kamrában Alapvetően a beporlasztott víz hőmérsékletétől függően eltérő levegő végállapotokat lehet elérni. 1. t, h, x növekszik: nedvesítés és melegítés 2. x, h növekszik, t csökken: nedvesítés és látszólagos hűtés 3. t csökken, x növekszik, h állandó: adiabatikus nedvesítés (látszólagos hűtés) 4. t, h csökken, x növekszik: hűtés és nedvesítés 5. t, h csökken, x állandó: hűtés 6. t, h, x csökken: hűtés és szárítás A nedvesítő kamra alkalmazásának speciális esete az úgynevezett adiabatikus nedvesítés. Ekkor a nedvesítő kamra alján kialakított víztankból porlasztjuk a vizet az áramló levegőbe. A nem bepárolgó többlet beporlasztott víz ugyanide jut vissza, míg hálózatról történik a vízpótlás. Az üzem során függetlenül a kezdeti vízhőmérséklettől, beáll az egyensúlyi állapot. t víz = t 1 Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 6
Gőzbeporlasztás Az állapotváltozás iránya a beporlasztott gőz entalpiájával azonos. Ez annyit jelent, hogy a gőz hőmérsékletétől függően a levegő hőmérséklete kismértékben növekszik. A beporlasztott gőz tömegárama: m g = m 1 * (x 2 x 1 ) [kg/s] A gőzbeporlasztás hőteljesítmény igénye: Q g = m g * h g [kw] ahol h g = r o + c pg * t [kj/kg] Klímatizálási megoldások csoportosítása 1. A klímaberendezés elhelyezése alapján: - Helyi klímatizálás - Központi klímatizálás 2. A kiszolgált tér jellege alapján: - Komfort klímaberendezés - Technológiai klímaberendezés 3. A távozó levegő visszakeverése alapján: - Frisslevegős rendszer - Elő- vagy utókeverése rendszer 4. A klímatizált helyiségbe bejuttatott hőhordozó fajtája alapján: - Levegős rendszer - Levegő és vizes rendszer 5. A szellőző levegő térfogatárama alapján: - Állandó térfogatáramú rendszer - Változó térfogatáramú rendszer 6. A rendszerben alkalmazott levegő sebessége (nyomása) alapján: - Hagyományos rendszer - Nagynyomású (nagysebességű) rendszer Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 7
Visszakeveréses klímaközpont elő- vagy utókeveréssel működik. Példa előkeverésre: Jelmagyarázat: EZS esővédő fix zsalu SZ1 első szűrő fokozat EF előfűtő H felületi hűtő UF utófűtő V1 ventillátor SZ2 második szűrő fokozat G gőzbeporlasztás V2 ventillátor Téli méretezési állapot Nyári méretezési állapot Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 8
Levegőkezelő (klíma-) központ elemei Kalorifer (felületi hűtő) Gőzbeporlasztó és légcsatornába szerelhető perdületes vízbeporlasztó (nedvesítő) Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 9
Légszűrő Hővisszanyerők Táskás-lemezes hővisszanyerő, gazdaságossága 50-70% megvalósulási fokkal jellemezhető. A szaggatott vonal a kondenzáció mellett létrejövő állapotot szemlélteti. (Fagyveszély lehet!) forgódob Forgódobos hővisszanyerő Beépítése speciális légcsatorna-vezetést igényel, mert a berendezésnél találkozni kell a két légcsatornának. Az elérhető megvalósulási fok 65-90%, hő- és nedvesség-visszanyerésre is van lehetőség a távozó levegőből. (A dob 5-15 fordulatot tesz meg percenként.) Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 10
Hőcső A hőátvitelhez vákuumozott bordás csöveket használnak. A csöveket olyan közeggel töltik, melynek forráspontja az üzemi hőmérséklethez tartozik. A távozó levegő hőjétől gőzzé alakul a töltet és a cső felső végéhez áramlik, ahol a külső hidegebb levegő miatt kondenzálódik. A megvalósulási fok 50-70%. Összefoglalva: a hővisszanyerők alkalmazásával a klímaközpont energiafelhasználását csökkenthetjük, üzemüket gazdaságosabbá tehetjük. Télen a távozó levegő hőmérséklete magasabb a külső levegőnél, így előmelegítésre használható. (Nyáron is alkalmazhatók, amennyiben a távozó levegő kisebb a külső levegőnél.) Jellemző szerkezeti megoldásuk: Rekuperatív: a hőátadó közegeket fal választja el. (lemezes hőcserélő, hőcső, hőszivattyú stb.) Regeneratív: jellemzője egy forgódobban kialakított hőtároló tömeg (nedvességátvitel is lehet) Klímarendszerek hűtőenergia ellátásának gazdaságossága A klímatechnikai rendszerek hűtőenergia ellátását gépi úton (dugattyús-, vagy csavarkompresszorok) kompakt hűtőgépekkel állítják elő. A hűtőteljesítmény kiválasztása többnyire a maximális teljesítmény alapján történt, de ez a teljesítmény a napnak csak kis időszakában vált szükségessé. Megoldás a hűtőenergia tárolása, így kisebb géppel ellátható a változó hűtési hőszükséglet, kedvezőbb energia ár vehető igénybe (éjszakai áram) s biztonsági tartalék üzemzavar estén. A hűtőtárolók a termokémiai hőtárolástól eltekintve szenzibilis vagy latens módon tárolják az energiát. A szenzibilis tárolás hűtőközeg halmazállapot-váltása (fázisváltás nélkül) történik, míg a latens a fázisváltáskor lekötött (töltés) majd felszabaduló (kisütés) energia, ez utóbbi jelentősebb. A leggyakoribb közeg a víz, fázisváltásakor (jég víz) elérhető tárolási sűrűség megközelítheti a 100 kw/m 3 értéket. A tárolóban elhelyezett fázisváltó közeg hőcserélőn keresztül érintkezik az általában fagyállóval kevert hűtővízzel. Másik megoldás az üreges műanyaggömbökben lévő eutektikus összetételű adott kristályosodási hőmérsékletű folyadékkeverék, melyeket vizes tartályban helyeznek el. Esetenként szivattyúzható víz-jégkristály keveréket is alkalmaznak hűtőenergia tárolására. Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6. 11