Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Luku 14 KAASU HÖYRY SEOKSET JA ILMASTOINTI Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Tavoitteet Kuivan ilman ja kostean ilman eroavuudet. Määritellään ja lasketaan ilman ominais- ja suhteellinen kosteus. Lasketaan ilman kastepistelämpötila. Johdetaan yhtälö kostean ilman adiabaattisen kyllästyslämpötilan ja märkälämpötilan välille. Käytetään psykrometristä käyrästöä kostean ilman ominaisuuksien määrittämiseen. Sovelletaan massan ja energian säilymisen periaatteita erilaisiin ilmastointiprosesseihin. 2 1
KUIVA JA KOSTEA ILMA (ULKOILMA) Kostea ilma: Ilma, joka sisältää vesihöyryä (tai kosteutta). Kuiva ilma: Ilma, joka ei sisällä vesihöyryä. Vesihöyryllä on suuri merkitys oleskelu mukavuudelle. Siksi, se on tärkeä osa ilmastoinnin suunnittelua. Vesihöyry ilman seassa käyttäytyy aivan kuin se esiintyisi yksin ja noudattaa ideaalikaasun yhtälöä Pv = RT. Tällöin kostea ilmaa voidaan käsitellä ideaalikaasujen seoksena : Ilman c p voidaan olettaa olevan vakio 1.005 kj/kg C lämpötila-alueella 10-50 C, virheen ollessa alle 0.2%. P a Kuivan ilman osapaine P v Vesihöyryn osapaine (höyryn paine) 3 Vedelle h g = 2500.9 kj/kg kun 0 C c p,avg = 1.82 kj/kg C välillä 10 to 50 C h =h(t ), koska vesihöyry on ideaalikaasu Lämpötila-alueella 10-50 C, veden h g voidaan laskea tästä yhtälöstä virheen ollessa mitätön. Alle 50 C, h = vakio käyrät yhtyvät T = vakio käyriin vesihöyryn tulistetulla alueella. 4 2
ILMAN OMINAIS- JA SUHTEELLINEN KOSTEUS Absoluuttinen tai ominaiskosteus (kosteussuhde): Veden massaosuus kuivan ilman massaa kohden. Kylläinen ilma: Kosteudella kyllästetty ilma. Suhteellinen kosteus: Ilman sisältämän kosteuden määrän suhde (m v ) maksimi kosteuden määrään jonka ilma voi sisältää samassa lämpötilassa (m g ). Kylläiselle ilmalle, höyrynpaine on yhtäsuuri kuin veden kyllästyspaine tässä lämpötilassa. Ominais- ja suhteellisen kosteuden välinen ero. 5 Useimmissa käytännön soveiluksissa, kuivan ilman määrä ilma-vesihöyry seoksessa pysyy vakiona, mutta vesihöyryn määrä muuttuu. Siksi kostean ilman entalpia ilmasitaan kuivan ilman massayksikköä kohden. Mikä on kuivan ilman ja kylläisen ilman suhteellinen kosteus? Kuiva lämpötila: Ilman normaalilämpötila. Kostean (ulkoilman) entalpia ilmaistaan kuivan ilman massayksikköä kohden, ei kostean ilman massayksikköä kohden. 6 3
KASTEPISTE- LÄMPÖTILA KastepistelämpötilaT dp : Lämpötila, jossa höyryn kondensoituminen alkaa kun ilmaa jäähdytetään vakiopaineessa (eli, k.o. höyrynpainetta vastaava veden kyllästyslämpötila ) Kostean ilman jäähdytys vakio paineessa ja kastepistelämpötila veden T-s kaaviossa. Kun kylmän juoman lämpötila on ympäröivän ilman kastepistelämpötilan alapuolella, tölkki hikoilee. 7 ADIABAATINEN KYLLÄSTYS- JA MÄRKÄLÄMPÖTILA Ilman ominaiskosteus (ja suhteellinen kosteus) voidaan määrittää näistä yhtälöistä mittaamalla ilman paine ja lämpötila adiabaattisen kyllästimen sisäänja ulostulossa. Adiabaattinen kyllästysprosessi ja sen kulku veden T-s -kaaviossa. 8 4
Adiabaattinen kyllästysprosessi ei ole kovin käytännöllinen. Absoluuttisen ja suhteellisen kosteuden määritykseen on käytännöllisempi keino: käyttämällä lämpömittaria, johon on kiedottu vedellä kyllästetty puuvillaliina ja puhaltamalla ilmaa sen ohi. Näin mitattu lämpötila on märkälämpötila T wb, jota käytetään yleisesti ilmastointi sovelluksissa. Yksinkertainen keino mitata märkälämpötila. Ilma vesihöyryseoksille ulkoilman paineessa, T wb lähes sama kuin kyllästyslämpötila. Pyörityspsykrometri 9 PSYKROMETRINEN PIIRROS Psykrometrinen piirros: Esittää kostean ilman ominaisuudet käytännöllisessä muodossa. Niitä käytetään laajasti ilmastointisovelluksissa. Psykrometristä käyrästöä käytetään ilmastointiprosessien havainnollistamiseen lämmityksessä, jäähdytyksessä ja kosteutuksessa. Psykrometrinen käyrästö. Kylläiselle ilmalle, kuivalämpötila, kostea lämpötila ja kastepistelämpötila ovat yhtäsuuria. 10 5
11 Nykyään, modernit ilmastointilaitteet voivat lämmittää, jäähdyttää, kostuttaa, kuivata, puhdistaa ja hajustaa toisin sanoen, kunnostaa ilma ihmisten toiveiden mukaisesti. Ihmiskehon lämmönkehitys riippuu aktiivisuuden tasosta. Keskimääräinen mieshenkilö tuotta lämpöä noin, 87 W nukkuessaan, 115 W levätessään tai tehdessään toimistotyötä ja 440 W tehdessään raskasta fyysistä työtä. Tehdessään kevyttä työtä tai kävellessään hitaasti noin puolet lämmöstä poistuu hengityksen kautta latenttina lämpönä samalla kun loput poistuu konvektion ja säteilyn avulla tuntuvana lämpönä. MUKAVUUS JA ILMASTOINTI Emme voi muutaa ilmastoa,mutta voimme muuttaa ilmaston suljetussa tilassa ilmastoinnilla. Keho kokee mukavana, jos se voi poistaa liian lämmön, eikä enempää. 12 6
Lämpötilassa 10 C tuulennopeuden ollessa 48 km/h tuntuu yhtä kylmältä kuin -7 C 3 km/h tuulella ilman liikkeen aikaansaaman jäähdytysvaikutuksen vuoksi. Miellyttävä ympäristö. Ihmiskehon mukavuustuntemus riippuu pääasiassa kolmesta tekijästä: (kuiva-) lämpötilasta, suhteellisesta kosteudesta ja ilman liikenopeudesta. Suhteellinen kosteus vaikuttaa siihen, kuinka paljon keho voi poistaa lämpöä haihduttamalla vettä. Useimmat ihmiset pitävät ilmankosteuden arvoista 40-60% välillä. Ilman liike siirtää kostean ilman, joka kertyy kehon ympärille ja korvaa sen tuoreella ilmalla. Ilman liikeen tulee olla riittävän voimakas lämmön ja kosteuden poistamiseksi kehon läheisyydestä, mutta riittävän pieni ollakseen huomaamaton. Tärkeä kehon mukavuuteen vaikuttava tekijä on lämmönsiirtyminen säteilyllä ympäristön pintojen, kuten seinien ja ikkunoiden välillä. Muita mukavuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat ilman puhtaus, tuoksut ja melu. 13 ILMASTOINTIPROSESSIT Asuinympäristön tai teollisuuskiinteistön pitäminen aiotussa lämpötilassa edellyttää ilmastointiprosessien käyttöä. Näihin prosesseihin kuuluu lämmitys (lämpötilan nostamiseksi), jäähdytys (lämpötilan laskemiseksi), kostutus (kosteuden lisäämiseksi) ja kuivaus (kosteuden poistamiseksi). Toisinaan kaksi tai useampia näistä prosesseista tarvitaan tuomaan ilma toivottuun lämpö- ja kosteustilaan. Ilmaa yleensä lämmitetään ja kostutetaan talvella ja jäähdytetään ja kuivataan kesällä. Eri ilmastointiprosessit. 14 7
Useimmat ilmastointiprosessit voidaan mallintaa vakiovirtaus prosesseina seuraavilla yleisillä massa- ja energiataseilla: Massatase Energiatase Työtermi muodostuu yleensä puhallintyöstä, joka on pieni verrattuna energiataseen muihin termeihin. 15 Peruslämmitys- ja jäähdytysprosessi ( = constant) Monet asuntojen lämmitysjärjestelmät sisältävät takan, lämpöpumpun tai sähkövastuslämmittimen. Näissä järjestelmissä ilma lämmitetään kierrättämällä ilma kanavien läpi, joissa on putkisto kuumille kaasuille tai sähkövastukset. Jäähdytys voidaan toteutta ohjaamalla ilma kylmäaineella tai kylmällä vedellä jäähdytettyjen pintojen ohi. Lämmitys ja jäähdytys ovat vaakaviivoja, koska kosteutta lisätään tai poistetaan ilmasta. Kuivan ilman massatase Veden massatase Energiatase Perusjäähdytyksen aikana, ominaiskosteus pysyy vakiona, mutta suhteellinen kosteus kasvaa. Peruslämmityksen aikana, ominaiskosteus pysyy vakiona, mutta suhteellinen kosteus laskee. 16 8
Lämmitys ja kostutus Lämmityksen aikaansaama alhainen ilman suhteellinen kosteus voidaan poistaa kostuttamalla lämmitettyä ilmaa. Tämä voidaan tehdä ohjaamalla ilma ensin lämmitysyksikön läpi ja sitten kostutusyksikön läpi. 17 Jäähdytys ja kosteuden poisto Jäähdytysprosessissa ilman ominaiskosteus pysyy vakiona, mutta sen suhteellinen kosteus kasvaa. Jos suhteellinen kosteus nousee liian korkeaksi, on tarpeen poistaa kosteutta ilmasta, eli kuivata ilmaa. Tämä edellyttää, että ilma jäähdytetään kastepistelämpötilan alapuolelle. 18 9
Haihdutusjäähdytys Erämaa (kuuma ja kuiva) ilmastossa, tavanomaisen jäähdytyksen kustannukset voidaan välttää käyttämällä haihduttavia Tämä prosessi on identtinen jäähdyttimiä, jotka tunnetaan myös nimellä adiabaattisen kyllästysprosesin kanssa. swamp jäähdytin. Kun vesi haihtuu veden höyrystymislämpö absorpoidaan vedestä ja ympäröivästä ilmasta. Lopputuloksena sekä vesi, että ilma jäähtyvät prosessissa. Vesi huokoisessa kannussa, jätettynä avoimeen tuuliseen ympäristöön, jäähtyy haihdutusjäähdytyksen seurauksena. 19 Ilmavirtojen adiabaattinen sekoitus Monet ilmastointi sovellukset vaativat kahden ilmavirran sekoittamista. Näin tapahtuu erityisesti isoissa rakennuksissa, useimmissa tuotanto- ja prosessilaitoksissa sekä sairaaloissa, jotka vaativat, että ilmaan sekoitetaan osa tuoretta ulkoilmaa enenkuin se palautetaan oleskelutiloihin. Kun kaksi ilmavirtaa tiloissa 1 ja 2 sekoitetaan adiabaattisesti, seoksen tila on näitä tiloja yhdistävällä suoralla. 20 10
Jäähdytystornit (Wet) Voimalaitokset, suuret ilmastointijärjestelmät ja jotkin teollisuuslaitokset kehittävät suuria määriä jätelämpöä, joka usein siirretään läheisten järvien tai jokien veteen. Joissakin tapauksissa, kuitenkin jäähdytysveden tarjonta on rajoitettua tai terminen saastutus on vakava ongelma. Näissä tapauksissa, jätelämpö täytyy siirtää ilmakehään kierrättämällä jäähdytysvettä lämmönsiirtoon lähteen ja nielun välillä (ulkoilman). Tämä voidaan toteuttaa jäähdytystornin avulla. Jäähdytystorni on itseasiassa puolittain suljettu haihdutusjäähdytin. Vastavirta jäähdytystorni, jossa on puhallin aikaansaamaan pakotettua konvektiota. 21 Luonnonvetoinen jäähdytystorni: Se näyttää suurelta savupiipulta ja toimiikin kuten tavallinen savupiippu. Tornin sisällä olevassa ilmassa on suuri vesihöyrypitoisuus ja siksi se on kevyempää kuin ilma ulkopuolella. Kevyt ilma tornissa nousee ylös ja raskaampi ulkoilma korvaa sen muodostaen ilmavirtauksen tornin alaosasta yläosaan. Suihkulampi: Lämmin vesi suihkutetaan ilmaan ja se jäähtyy ilmavirrassa pudotessaan lampeen, Jäähdytyslampi: Jätelämmön siirtäminen paikallaan olevaan lampeen, joka on itseasiassa keinotekoinen järvi avoimessa ympäristössä. Luonnonvetojäähdy tystorni. Suihkulampi. 22 11
Yhteenveto Kuiva- ja ulkoilma Ilman ominais- ja suhteellinen kosteus Kastepistelämpötila Adiabaattinen kyllästys- ja märkälämpötila Psykrometrinen kaavio Oleskelumukavuus ja ilmastointi Ilmastointiprosessi Lämmitys ja jäähdytys Lämmitys ja kostutus Jäähdytys ja kosteuden poisto Haihduttava jäähdytys Ilmavirtojen adiabaattinen sekoittaminen Jäähdytystornit 23 12