Hladilna karakteristika je bila prva karakteristika, za katero so bile izvedene meritve.
Konvektor je deloval v hladilnem režimu opisanem v poglavju 3.2.2, kar pomeni, da je sobo hladil, medtem ko smo temperaturo sobe poskušali nadzorovati z gretjem radiatorskih sten.
Pred začetkom meritev si pripravimo kalkulator, v katerem zajamemo enačbo iz standarda, opisanega v poglavju 3.1. V njem zajamemo volumski pretok 𝑄, vstopno in izstopno temperaturo vode 𝑇𝑖𝑛 in 𝑇𝑜𝑢𝑡 ter entalpiji vode, ki ju dobimo iz tabel o lastnostih vode. V našem primeru smo uporabili aplikacijo, ki jo najdemo na internetnem naslovu:
http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_dampf.php7 . V njej uporabimo tlak 3 bar, ki je tlak vode v sistemu ter temperaturi, ki smo jih pomerili na vstopni in izstopni strani.
Slika 4.1: Primer uporabe internetne aplikacije tabel o lastnostih vode [33]
Prav tako v kalkulatorju dodamo gostoto vode; ta je odvisna od temperature vode, ki jo uporabimo za izračun masnega pretoka vode po enačbi:
𝒒𝒎𝑳= 𝑸 ⋅ 𝝆 (4.1)
Slika 4.2: Primer uporabe kalkulatorja, izdelanega v programskem okolju MS Excel®
Prav tako si nastavimo graf pod ustreznim zavihkom na centralni nadzorni enoti, opisani v poglavju 3.3.1. Pri tem imamo na 𝑥-osi nastavljen čas, na prvi 𝑦-osi volumski pretok, na drugi 𝑦-osi temperature vhodne in izhodne vode ter sobnega termostata, na tretji 𝑦-osi pa smo imeli nastavljeno razliko tlaka na vhodni in izhodni strani konvektorja.
Nato smo lahko začeli z meritvami ‒ pritisnili smo gumb za zajemanje podatkov. Najprej je bilo treba počakati, da so se vsi parametri stabilizirali. Za začetno stabilizacijo smo potrebovali od ene do dveh ur. Po stabilizaciji smo počakali približno 10 do 15 minut za vsako točko grafa, da smo se prepričali, ali je res prišlo do stabilizacije. Nato smo vzeli podatke posamezne točke, jih vpisali v kalkulator in poračunali moč konvektorja v tisti točki.
Nato smo spremenili volumski pretok ali hitrost ventilatorja – določili naslednjo točko obratovanja ter spet počakali, da se je zadeva stabilizirala. Tokrat je bila stabilizacija nekoliko krajša, od 5 do 20 minut, nato pa smo ponovili že omenjeni postopek.
Rezultate izračunov smo sproti vpisovali v preglednico, za morebitno kasnejšo obdelavo ali pregled pa jih je možno najti tudi v skupnem dokumentu posamezne meritve. V dokument se vsako sekundo izvajanja meritve zapisujejo vsi merjeni podatki – razlike tlakov, volumski pretok, zajete temperature, podatki, zajeti od merilnikov energij ter nastavitve hitrosti ventilatorja in odprtosti ventila.
Slika 4.3: Primer datoteke zajetih najpomembnejših podatkov
Tabela 4.1 prikazuje rezultate meritve za hladilno karakteristiko. V njej so prikazane hladilne moči konvektorja pri različnih hitrostih ventilatorja in prostorninskem pretoku vode, ki teče skozi konvektor.
Tabela 4.1: Rezultati meritev – hladilna moč konvektorja v [W]
3,3 5 6,6 7,5 10
485 1151,5 1519,3 1725,5 1959,23 2125,68
358 988,4 1436,04 1549,68 1793,68 1969,86
225 862,4 1208,69 1324,17 1453,88 1539,06
124 679,93 921,54 969,27 1023,97 1086,21
59 462 591,97 653,92 729,63 750,28
0 0 0 0 0 0
Podatkom moramo odšteti tudi še električno moč ventilatorjev, saj se del te moči pretvori v toploto, ki tudi segreva prostor. Za tri tovarniške hitrosti ventilatorja so podane moči v tehnični dokumentaciji konvektorja. Pri tem ne smemo pozabiti upoštevati dveh ventilatorjev, ki se nahajata v konvektorju.
Tabela 4.2: Električne moči ventilatorja konvektorja
× 2 ventilatorja 𝐻 − 90 % 𝑀 − 70 % 𝐿 − 52 %
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 [W] 13 → 26 7 → 14 5 → 10
V našem primeru nimamo standardnih hitrosti ventilatorja, zato lahko predpišemo funkcijo, ki približno popiše električno moč ventilatorja za vse hitrosti:
𝑄 [L/h] 𝑣 [V]
Diagram 4.1: Funkcija električne moči ventilatorja konvektorja
Po enačbi v grafu zdaj določimo moči ventilatorja za posamezne hitrosti. Ker enačba ne izračuna pravilne moči pri hitrosti 3,3 V, bomo tudi za to hitrosti predpostavili moč 10 W, saj je videti, kakor da se funkcija tam približuje tej vrednosti.
Tabela 4.3: Izračun električnih moči ventilatorja po funkciji
3,3 V 5 V 6,6 V 7,5 V 10 V
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 [W] 10 10 12,6 16,3 35
Tabela 4.4: Popravljene hladilne moči konvektorja v [W]
3,3 5 6,6 7,5 10
Če podatke v zgornji tabeli prikažemo v grafu, dobimo hladilno karakteristiko izbranega konvektorja pri zagotavljanju temperature prostora 22 °C. Na grafu lahko vidimo, da se hladilna moč konvektorja povečuje s prostorninskim pretokom in hitrostjo ventilatorja, Δ𝑇 pa se veča z volumskim padanjem pretoka ter s povečevanjem hitrosti ventilatorja.
y = 0,9942x2- 9,9064x + 34,632
Diagram 4.2: Hladilna karakteristika izbranega konvektorja
4.1.1 Analiza hladilne karakteristike
Pridobljena karakteristika, prikazana na Diagram 4.2, se precej razlikuje od teoretične karakteristike izbranega konvektorja, ki je prikazana na Diagram 3.2. Po drugi strani pa karakteristika sledi poglavju Teoretične osnove in pregled literature, kjer je teoretična splošna karakteristika prikazana na Diagram 2.1.
Proizvajalci konvektorjev le redko prikažejo karakteristiko v takšnem smislu, kakor jo merimo v našem primeru, največkrat podajo samo tabele vrednosti moči pri določenih obratovalnih točkah. V sami literaturi se karakteristike tovrstnih naprav ne pojavljajo pogosto, saj gre namreč za temo, ki se je začela pojavljati šele ne dolgo nazaj. Predvsem gre za težnje podjetij, ki proizvajajo sisteme regulacij in posamezne komponente, s katerimi želijo ponuditi trgu novejšo opremo na področju regulacije temperature v prostoru ter s tem pripomoči k zmanjšanju stroškov pri uporabi naprav.
Zelo podobno raziskavo so izvedli P. W. Sunu et al. [34], kjer so prav tako izvedli hladno karakteristiko ventilatorskega konvektorja, pri čemer pa so uporabili splošno metodo izračuna prenosa toplote preko enačbe
𝑷 = 𝒎̇ ⋅ 𝒄𝒑⋅ 𝚫𝑻 (4.2)
in srednje logaritmične temperaturne razlike (LMTD) (2.6). V enačbi (4.2) se za izračun hladilne moči pojavlja 𝑚̇ kot masni pretok, 𝑐𝑝 specifična toplotna kapaciteta in Δ𝑇 sprememba temperature vode med vhodno in izhodno stranjo konvektorja. Kot rezultat so podali karakteristiko zgolj pri eni hitrosti konvektorja, pri čemer je 𝑄 hladilna moč v kJ/s oz. kW, 𝐹𝑙𝑜𝑤𝑟𝑎𝑡𝑒 pa volumski pretok 𝑄 v l/min:
Diagram 4.3: Hladilna karakteristika konvektorja iz literature [34]
Če primerjamo še vrednosti poleg trenda krivulj, je razvidno, da je teoretična hladilna moč pri 90 % hitrosti ventilatorja večja za približno 1 kW od izmerjene moči konvektorja pri najvišji, 100-% hitrosti ventilatorja. Teoretično gledano do tega ne bi smelo priti.
Teoretične vrednosti so največkrat določene na podlagi predpostavk o idealnih stanjih, ki so izotermni pogoji, popolna tesnost eksperimentalnih komor, doseganje predpisanih tlačnih razmer ipd. V primeru naših meritev se tem pogojem lahko le do neke mere približamo, saj komora ni bila zasnovana za izvajanje takšnih poskusov oz. vsaj ne v vseh teh sodobnih časih. Standard prEN 1397 [19] med drugimi zahteva testiranje znotraj omejenih velikosti komor, ki so po navadi kar znotraj večjih prezračevalnih kanalov in manjše izotermne okoliške komore.
Slika 4.4: Shematski prikaz pravilne izvedbe testne komore [19]
kjer je:
• 1 – testirana naprava (fan-coil),
• 2 – merilnik volumskega pretoka zraka,
• 3 – zunanji statični tlak,
• 4 – prezračevalni kanali,
• 5 – prilagodljiva loputa za pretok zraka – dušilka,
• 6 – tesna komora z aparati za merjenje volumskega pretoka zraka,
• 7 – ventilator.
Prav tako v našem primeru komora ni popolnoma tesna, zato so lahko na temperaturo prostora vplivali tudi zunanji dejavniki – odpiranje vrat komore, gibanje ljudi po komori, prepih znotraj prostorov laboratorija ipd.
Na drugačen rezultat ima lahko izreden vpliv tudi priprava hladne vode. Čiler s svojim delovanjem še vedno povzroča oscilacije temperature vode, ki so sicer nizke, vendar če le-te primerjamo s le-teoretičnimi vrednostmi, ki so po vsej vrednosti izračunane po idealnih stanjih, ima lahko to izredno velik vpliv. Praktično vsaka oprema, ki povzroča takšne ali drugačne oscilacije temperatur, volumskega pretoka ali tlaka ima vpliv na samo moč konvektorja.
Še eden od razlogov, ki bi pojasnili razliko v moči in karakteristiki izbranega konvektorja, je neenakost pogojev za posamično meritev. Če bi temperaturo prostora zagotovili na
natanko 22 °C natančno z manj kot 0,5 K razlike, bi lahko zagotovili tudi večjo primerljivost meritev, rezultatov in teoretičnih osnov.
Navsezadnje pa proglašamo meritev hladilne karakteristike izbranega konvektorja za uspešno izvedeno, saj se takšni pogoji pojavljajo tudi v praksi pri montaži in sami regulaciji takšnih naprav.