Lamellilämmönvaihtimilla varustetun lämmöntalteenottolaitoksen mitoitus
Yleistä... 2 Lämpötilahyötysuhde... 3 Ilman ja nesteen lämpötilat patterilla... 3 Poistopatterin ilman lämpötila... 4 Raitisilmapatterin ilman lämpötilat... 4 Jälkilämmityspatterin mitoitus... 4 Vesi / glykoliseoksen lämpötilat... 5 Patterin syvyyksien valinta... 6 Ilmapuolen virtausvastus... 6 Nesteen virtausmäärä (40% glykolilla)... 7 Nestepuolen virtausvastus... 7 Lämmöntalteenottopattereiden lämmönluovutus... 11 Yleistä Lämmöntalteenoton yleistyttyä ilmastointilaitosten yhteydessä on lämmöntalteenottojärjestelmä, jossa suljetussa putkijärjestelmässä kiertävä neste (yleisimmin vesi/glykoliseos) siirtää lämpöä poistoilmavirrassa olevasta patterista tuloilmavirrassa olevaan patteriin, osoittautunut erittäin käyttökelpoiseksi. Yleisin patterirakenne on ns. Cu/Al-patteri, jossa on kupariputket ja alumiinilamelli. Lamellilämmönvaihtimen etuja muihin lämmöntalteenottomenetelmiin verrattuna: Erittäin käyttövarma järjestelmä (patterit, pumppu ja venttiilit testattuja ja yksinkertaisia ratkaisuja). Voidaan liittää helposti jo käytössä oleviin ilmastointilaitoksiin. Tulo- ja poistoilmakanavia ei tarvitse sijoittaa vierekkäin. Tulo- ja poistoilmakanavien lukumäärä voidaan valita vapaati. Ei paloteknillisiä rajoituksia. Ei vuotovaaraa tulo- ja poistoilmakanavien välillä. Ei bakteerivaaraa. Ei hajuhaittoja. Ei haittaa vesiliukoisista aineista. Patterit on helppo kiinnittää kanavaan ilman ylimääräisiä kanavaosia. Edullinen hankintahinta. Täysin kotimainen järjestelmä. Järjestelmän haittoja: Poistoilmakanavassa olevan patterin jäätymisvaara rajoittaa hyötysuhdetta alhaisilla ulkolämpötiloilla, siis silloin kun lämmitystehon tarve on huipussaan. Laitoksen suunnitteluvaiheessa tapahtuva mitoitus edellyttää tietoja järjestelmässä käytettävien pattereiden lämmönsiirto-ominaisuuksista sekä ilma- ja nestepuolen vastuksista. Nämä tiedot ovat olleet patterivalmistajien tarkoin varjelemia ammattisalaisuuksia joita ilmastointisuunnittelijan on ollut vaikea saada käyttöönsä. 2
Tämän dokumentin tarkoitus onkin antaa suunnittelijoille ja muille lämmöntalteenotosta kiinnostuneille tietoja, joiden perusteella voidaan jo laitoksen suunnitteluvaiheessa määrätä pattereiden oikeat mitoituslämpötilat ja painevastukset. Lämpötilahyötysuhde Lämmöntalteenottolaitoksen suorituskykyä arvioitaessa on yleistynyt käsite lämpötilahyötysuhde. Lämpötilahyötysuhde % = Lämpötilannousu raitisilmapuolella C x 100 Poistoilma C Ulkoilma C Koska ilman ja vesi/glykoliseoksen lämpötilojen keskinäinen asettelu tuottaa usein vaikeuksia niille, jotka eivät ole perehtyneet lämmitys- ja jäähdytyspattereiden mitoitukseen, olisi helpointa laitoksen suunnitteluvaiheessa ilmoittaa ainoastaan laitokselta vaadittava lämpötilahyötysuhde. Tämä on erittäin käyttökelpoinen tapa ainakin silloin kun ilmamäärät poisto- ja raitisilmapuolella ovat suunnilleen yhtä suuret. Tämän jälkeen jää vielä vaikeudeksi nesteen virtausmäärän ja pattereiden virtausvastuksen määrittäminen. Jos mahdollista, nämä voitaisiin jättää ilmastointiurakoitsijan ja sitä kautta patterivalmistajan määriteltäviksi. Ilman ja nesteen lämpötilat patterilla Esimerkki 1. Tiedetään: Poistoilman lämpötila = 22 C Ulkoilman alin lämpötila = -30 C Poistoilmamäärä = 1,66m 3 /s = (6000m 3 /h) Raitisilmamäärä = 1,66m 3 /s = (6000m 3 /h) Vaadittava lämpötilahyötysuhde 50% Pattereilla pyritään 2m/s otsapintanopeuteen Patterikoon valinta: Ekocoilin pattereissa valinta tapahtuu Optimizer-ohjelmistolla. Huomioon on otettava mm. Tarvittava kapasiteetti Sisään tulevan ilman lämpötila Ulos lähtevän ilman lämpötila Käytettävän välittäjäaineen max lämpötila ja paine Mahdolliset tilarajoitukset 3
Ekocoilin pattereilla otsapintapituus voidaan valita portaattomasti. Putkiväli korkeussuunnassa on 60mm, joten korkeusmitta on oltava jaollinen 60:llä. Valitaan esimerkiksi: Patterin otsapintamitat 1100 x 720mm Patterin ulkomitat 1200 x 800mm Ilman otsapintanopeus = 1,66m3/s 1,1m x 0,72m = 2,08 m/s Poistopatterin ilman lämpötila Jos poistoilman suhteellinen kosteus on niin suuri, että patteripinnalla tapahtuu veden kondensoitumista, ei poistoilman lämpötilaa voida patteripinnan jäätymisvaaran vuosi laskea alle 0 C. Suositeltava poistopatterilta lähtevän ilman lämpötila on +2 +4 C. Valitaan tässä tapauksessa mitoitusarvoksi +2 C. Poistopatterin ilman lämpötilat ovat siis: Patterilta tuleva ilma +22 C Patterilta lähtevä ilma +2 C Δ t 20 C Esimerkissä ei ole otettu huomioon mahdollista kosteuden tiivistymisestä saatavaa lisätehoa. Jos kondensoitumista tapahtuu, nostaa se järjestelmän lämpötilahyötysuhdetta. Raitisilmapatterin ilman lämpötilat Jos poistoilmamäärä ja raitisilmamäärä (eli massavirrat) ovat yhtä suuret ja halutaan 50%:n lämpötilahyötysuhde, niin poistopatterilta lähtevän ilman lämpötila = raitisilmapatterilta lähtevän ilman lämpötila. 50%:n lämpötilahyötysuhde voidaan tässä esimerkissä saavuttaa silloin kun ulkoilman lämpötila on +2 C 20 C = -18 C tai korkeampi. Raitisilmapatterin ilman lämpötilat ovat siis: Patterilta tuleva ilma -18 C Patterilta lähtevä ilma +2 C Jälkilämmityspatterin mitoitus Talteenottolaitos joudutaan yleensä varustamaan putkiverkkoon sijoitetulla kolmitieventtiilillä, jota ohjataan siten, että poistopatterilta lähtevän ilman lämpötilan laskiessa alle 2 C, venttiili alkaa avautua ja osa nesteestä kiertää tämän jälkeen vain poistopatterin kautta. Samalla myös laitoksen lämpötilahyötysuhde laskee. Kun ulkoilman lämpötila on alimmillaan, siis -30 C on sekä poisto- että raitisilmapuolen ilman Δ t edelleen 20 C ja laitoksen toimintalämpötilat ovat: 4
Poistoilmapuoli +22 / +2 C Raitisilmapuoli -30 / -10 C Jälkilämmityspatterin mitoitusarvon on siis oltava -10 C tai alhaisempi. Huom! Jos työselostuksessa on mainittu vain seuraavat lämpötila-arvot poistopuoli 22/2 C raitisilmapuoli -30/-10 C edellyttää tämä lämpötilahyötysuhdetta: -10 C (-30 C) x 100% 22 C (- 30 C) 38,5% Nyt on todennäköistä, että pattereiden valmistaja valitsee laitokseen patteriparin, jolla ei korkeammallakaan ulkoilman lämpötilalla päästä kuin n. 38,5%:n lämpötilahyötysuhteeseen. Jos ulkoilman lämpötila = -18 C, ovat laitoksen toimintalämpötilat 38,5%:n lämpötilahyötysuhteen mukaan: poistopuoli 22/6,5 C raitisilmapuoli -18/-2,5 C Todellisuudessa laitoksen lämpötilahyötysuhde paranee jonkin verran ulkoilman lämpötilan noustessa, koska nesteen lämpötila alkaa tällöin nousta ja samalla sen lämmönsiirtoominaisuudet paranevat. Vesi / glykoliseoksen lämpötilat Patterin toiminnan kannalta ihanteellisin nesteen Δ t = ilma Δ t, siis tässä tapauksessa 20 C. Tällöin kuitenkin tarpeellisen nesteen Δ t:n saavuttamiseksi joudutaan nestereitit tekemään melko pitkiksi ja näin patterin nestepuolen painehäviö voi muodostua tarpeettoman suureksi. Ihanteelliset nesteen lämpötilat saadaan parhaiten kaavoista. t n1 = t ip1 + t ir2 = 22 + 2 2 2 = 12 C t n2 = t ip2 + t ir1 = 2 + (-18) 2 2 = -8 C t ip1 = poistopatterille tuleva ilma C t ip 2 = poistopatterilta lähtevä ilma C t ir1 = raitisilmapatterille tuleva ilma C t ir2 = raitisilmapatterilta lähtevä ilma C 5
Koska vaadittava lämpötilahyötysuhde on vain 50% voidaan virtausvastuksen alentamiseksi nesteen Δ t:tä pienentää. Valitaan Δ t = 15 C. Tällöin vähennetään kummastakin nesteen lämpötilan ääriarvosta 2,5 C, jolloin nesteen lämpötiloiksi saadaan +9,5 C ja -5,5 C. Pattereiden mitoituslämpötilat ovat siis: -poisto: ilma +22/+2 C, neste -5,5/+9,5 C -esilämmitys: ilma -18/+2 C, neste +9,5 C/-5,5 C Jos tavoiteltaisiin esim. 60%:n lämpötilahyötysuhdetta, kävisi entistä tärkeämmäksi se, että nesteen Δ t = ilman Δ t. +22 +4 +2-2 C Poistoilma Neste Raitisilma +16 +12 +10 C -8 C Yllä oleva piirros esittää 60%:n lämpötilahyötysuhteella toimivan patteriparin lämpötiloja Δ t:n ollessa 18 C. Katkoviiva kuvaa tilannetta, jossa Δ t = 10 C. Tällöin toisessa reunassa kumpaakin patteria ilman ja nesteen lämpötilaero on vain 2 C. Jos nesteen Δ t = ilman Δ t = 18 C, niin lagaritminen keskilämpötilaero (Δ tm) nesteen ja ilman välillä = 6 C. Jos nesteen Δ t = 10 C, niin Δ tm = 4,97 C 5 C. Saman lämpötilahyötysuhteen saavuttamiseksi on patterien syvyyksien suhde kääntäen verrannollinen Δ tm:n. Patterien syvyydet voivat siis olla esim. Z = 10 ja Z = 12. Patterin syvyyksien valinta Tunnetaan: Lämpötilan nousu raitisilmassa = 20 C Poistoilma C ulkoilma C = 40 C Ilman otsapintanopeus = 2,08m/s Käyrästöstä numero 1 saadaan: z = 10, jos nesteen nopeus on 1m/s. Ilmapuolen virtausvastus Käyrästöstä numero 2 saadaan: 6
Raitisilmapatteri = 100 Pa Poistopatteri = 1,3 x 100 Pa = 130 Pa Nesteen virtausmäärä (40% glykolilla) Vn = c P x tn = 1,2 kg/m 3 x 1kj/kg x 20 C x 1,66m 3 /s 3,4kj/1 C x 15 C = 0,78 l/s Vn = nesteen tilavuusvirta l/s P = patterin teho kw Δ tn = patterille tuleva neste C patterilta lähtevä neste C = 15 C c = 40%:n vesi/glykoliseoksen ominaislämpö kj/l C = 3,4kj/ C Nestepuolen virtausvastus Patteripuolen putkien lukumäärä: (N) N = Z x otsapintakorkeus mm 60mm = 10 x 720mm 60mm = 120 putkea Z = 10 = patteriputkien lukumäärä syvyyssuunnassa otsapintakorkeus = 720mm Nestereittien lukumäärä (S), kun nesteen nopeus on 1m/s S = Vn A = 0,78 x 10-3m 3 /s 4,72 reittiä Vn = nesteen tilavuusvirta m3/s = 0,78 x 10-3 m3/s A = patteriputken poikkipinta-ala = 0,165 x 10-3m 2 Valitaan: S = 5 reittiä Yhden reitin putkiluku: (n) n = N S = 120 5 = 24 N = patteriputkien lukumäärä = 120 S = nestereittien lukumäärä = 5 Kokeellisesti on osoitettu, että yhden putkikäyrän virtausvastaus vastaa 0,5m suoraa putkea. Kiertoa kohden tuleva laskennallinen putkipituus (L): L = n x 1 + 0,5 x (n-1) = 24 x 1,1 m + 0,5m (24-1) = 37,9m 7
n = yhden reitin putkiluku = 24 l = patterin otsapintapituus = 1,1m Tarkka nesteen nopeus patterissa (vn): vn = Vn S x A = 0,78 x 10-3m3/s 5 x 0,165 x 10 3m2 = 0,95 m/s Käyrästöstä numero 3 saadaan: -painehäviö 40% glykolilla nopeudella 0,95m/s = 1,2 kpa/m Koko patterin virtausvastus = L x 1,2 kpa/m = 37,9m x 1,2kPa/m 46kPa Esimerkki 2 Tunnetaan : -poistoilmamäärä = 1,4m 3 /s -raitisilmamäärä = 2,0m 3 /s -poistoilman lämpötila = +22 C -ulkoilman alin lämpötila = -30 C Ilman lämpötilat Valitaan taas poistopatterilta lähtevän ilman lämpötilaksi +2 C. Tällöin Δ tp = 22 C 2 C = 20 C. Tämä riittää lämmittämään raitisilmaa: 1,4m 3 /s 2,0m 3 /s x 22 C = 15,4 C Jos pidetään jälleen ohjeena, että poistoilmapatterilta lähtevän ilman lämpötila = raitisilmapatterilta lähtevän ilman lämpötila, niin raitisilmapatterille tulevan ilman mitoituslämpötila = 2 C 15,4 C = -13,4 C Lämpötilahyötysuhteeksi saadaan: 2 C - (-13,4 C) x 100% 22 C - (-13,4 C) = 43,5% 8
Nesteen lämpötilat +22 C +2-5,7 C Poistoilma Neste Raitisilma +11 C +2-15,4 C Nesteen lämpötiloiksi saadaan sivulla 6 olevien kaavojen mukaan t n1 = 22 C + 2 C 2 = 12 C t n2 = 2 C + (-15,4 C) = -6,7 C 2 Jos on vaarana, että nesteen virtausvastus on liian suuri, voidaan nesteen Δ t:ä pienentää vähentämällä kummastakin lämpötilasta esim. 1 C, jolloin lämpötilat ovat 11 C / -5,7 C. Patterin mitoituslämpötiloiksi saatiin: -poisto: ilma 22 / 2 C, neste -5,7 / +11 C -raitisilma: ilma -13,4 / 2 C, neste +11 / -5,7 C Kun ulkolämpötila = -30 C, on raitisilmapuolen jälkilämmityspatterin mitoituslämpötila: -30 C (-15,4 C) = -14,6 C Ohjeellisia lämpötilasuhteiden arvoja erilaisilla raitisilma- ja poistoilmamäärien suhteilla kun: Ilman otsapintanopeus patterilla = 2-2,5m/s Vesi/glykoliseoksen pitoisuus = 60/40% Patterin nestepuolen virtausvastus = 35-50kPa Poistoilman lämpötila = 22 C ja suhteellinen kosteus = 30% Ulkoilman lämpötila = -15 C 9
Poistoilmamäärä Raitisilmamäärä Lämpötilahyötysuhde raitisilmapuolelta laskettuna % 0,5 30 36 0,6 34 40 0,7 36 44 0,8 40 48 0,9 45 51 1,0 48 55 1,1 50 57 1,2 52 59 1,3 53 61 1,4 54 63 1,5 55 64 1,7 57 66 2,0 60 70 10
Lämmöntalteenottopattereiden lämmönluovutus Vesi/glykoli: 60/40% Lamellijako: 2,0mm Nesteen nopeus: 1m/s Tuloilmanmäärä poistoilmanmäärä 11
Alla olevat luvut tarkoittavat veden glykolipitoisuutta %:na ja nesteen nopeutta patteriputkessa m/s. 12-rivisellä lamellipatterilla saavutettavia lämpötilahyötysuhteita, kun poistoilman lämpötila on +25 C ja ulkoilman lämpötila 0 C. 12