Modifikacija radialnega ventilatorja za uporabo v sušilnem stroju

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Modifikacija radialnega ventilatorja za uporabo v sušilnem stroju

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Emir Mujagić

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Modifikacija radialnega ventilatorja za uporabo v sušilnem stroju

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Emir Mujagić

Mentor: prof. dr. Marko Hočevar, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Na tem mestu bi se rad iskreno zahvali mentorju prof. dr. Marku Hočevarju za pomoč pri nastajanju diplomske naloge. Prav tako bi se zahvalil vsem zaposlenim v Laboratoriju za vodne in turbinske stroje na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani, še posebej Alešu Malneršiču za usmerjanje in pomoč pri izvedbi eksperimentov.

Iskrena hvala tudi vsem, ki so me v času študija kakorkoli podpirali in mi stali ob strani, še posebej družini in prijateljem.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 621.631:648.336(043.2) Tek. štev.: VS I/946

Modifikacija radialnega ventilatorja za uporabo v sušilnem stroju

Emir Mujagić

Ključne besede: sušilni stroj

radialni ventilator z naprej zakrivljenimi lopaticami podobnostna števila

delovna karakteristika ventilatorja uporovna karakteristika sistema delovna točka

Delovanje sušilnih strojev temelji na principu vpihovanja segretega zraka v boben, kjer poteka proces izparevanja vode iz oblačil. Za vpihovanje oziroma pogon zraka po sistemu skrbi radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami, za katerega je značilna položna karakteristika z izrazitim nestabilnim delom. Z meritvijo aerodinamskih lastnosti sta bila določena delovna karakteristika obravnavanega ventilatorja in obratovanje v nestabilnem področju karakteristike. Na podlagi tega smo z namenom delovanja v stabilnem področju računsko analizirali vpliv vrtilne frekvence, premera in višine ventilatorja na delovno karakteristiko. Izbrana je bila najugodnejša kombinacija zgoraj navedenih parametrov, ki je temeljila na geometrijski prilagoditvi ventilatorja. Sledili sta izdelava in vgradnja prilagojenega ventilatorja v sušilni stroj, na katerem smo opravili meritve aerodinamskih lastnosti. S temi smo potrdili uspešnost računskega dela prilagoditve ventilatorja. Pri izbrani masi polnitve perila smo opravili funkcionalne teste, pri katerih se je izkazalo, da smo s prilagoditvijo ventilatorja dosegli za 8 % krajši čas cikla sušenja ob 2-odstotnem znižanju porabljene električne energije. Prav tako so bile izmerjene nižje vrednosti fluktuacij tlaka in pretoka.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 621.631:648.336(043.2) No.: VS I/946

Modification of a radial fan for use in a tumble dryer

Emir Mujagić

Key words: tumble dryer

radial fan with forward curved blades similarity numbers

fan operation characteristics system resistance characteristic operating point

Tumble dryer works on principle of drawing in air through vents which is then heated and distributed throughout the drum to draw moisture from clothing. The air is blown and recirculated throughout the system by a forward curved radial fan which has a flat characteristic curve with distinct volatile area which has a negative impact on drying process.

Measurements of aerodynamic properties defined the operation characteristic of the named fan and the operation characteristics in the volatile area. With intentions of running the equipment at the stable part of the curve we mathematically analyzed the effect of spinning frequency, diameter and fan height on operating characteristics. The most suitable combination from the previously listed parameters was chosen, which was based on geometrical adjustment of the fan. After that followed the manufacturing and installation of the adjusted fan on which we made aerodynamic characteristics measurement. Results of the mathematical analysis confirmed successful calculation of the adjusted fan. With the adjusted fan and the chosen mass of laundry we executed functionality tests of which the results showed 8 percent shorter drying cycles, power consumption dropped by 2 percent and lower values of pressure fluctuation were noticed.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xvii

Kazalo preglednic ... xix

Seznam uporabljenih simbolov... xxi

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxiii

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Sušilni stroji... 3

2.1.1 Sušilni stroj s toplotno črpalko ... 3

2.2 Ventilator ... 5

2.2.1 Vrste ventilatorjev... 5

2.2.2 Brezdimenzijska števila ... 6

2.2.3 Afinitetni zakoni ... 6

2.2.4 Karakteristika ventilatorja... 7

2.2.4.1 Teoretična karakteristika ventilatorja ... 8

2.2.4.2 Realna delovna karakteristika ventilatorja ... 8

2.2.5 Cordierov diagram ... 9

2.3 Radialni ventilatorji ... 11

2.3.1 Radialni ventilatorji z naprej zavitimi lopaticami... 12

3 Metodologija raziskave ... 15

3.1 Opis eksperimentalne postaje ... 15

3.1.1 Izbira merilne opreme ... 16

3.2 Tesnjenje ohišja toplotne črpalke ... 19

3.2.1 Eksperimentalna postaja ... 19

3.2.2 Izvedba tlačnega odjema in priključka za dovod zraka ... 20

3.2.3 Postopek izvedbe eksperimenta ... 20

3.3 Meritev delovne karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke ... 21

(18)

xiv

3.3.2 Izvedba tlačnih odjemov na toplotni črpalki in ventilatorju ... 23

3.3.4 Preračun pretoka skozi zaslonko ... 25

3.4 Meritve pretočnih karakteristik pri različnih polnitvah suhega perila ... 26

3.5 Preračun vpliva prilagoditve vrtilne frekvence, premera in višine na delovno karakteristiko ventilatorja ... 28

3.5.1 Vpliv vrtilne frekvence na delovno karakteristiko ventilatorja ... 28

3.5.1.1 Izpeljava pretoka ... 28

3.5.1.2 Izpeljava tlaka ... 29

3.5.2 Vpliv premera na delovno karakteristiko ventilatorja ... 29

3.5.3 Vpliv razmerja širine in premera na delovno karakteristiko ventilatorja ... 31

3.6 Postopek izdelave prototipnega ventilatorja ... 32

3.7 Meritev delovne karakteristike prototipnega ventilatorja ... 36

3.8 Funkcionalni testi ... 36

3.8.3 Preračun vrednosti funkcionalnih testov ... 39

3.8.3.1 Korigiran čas sušenja ... 39

3.8.3.2 Specifičen čas sušenja ... 39

3.8.3.3 Korigiran raba električne energije ... 39

3.8.3.4 Specifična raba električne energije ... 39

3.8.3.5 Kondenzacijska učinkovitost ... 40

3.9 Merilna negotovost ... 40

4 Rezultati in diskusija ... 41

4.1 Rezultati tesnjenja ohišja toplotne črpalke ... 41

4.2 Rezultati meritve delovne karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke ... 42

4.3 Rezultat meritev pretočnih karakteristik pri različnih polnitvah suhega perila ... 43

4.4 Rezultati računske analize prilagoditve ventilatorjev ... 45

4.4.1 Rezultati vpliva spremembe vrtilne frekvence na delovno karakteristiko ventilatorja ... 45 4.4.2 Rezultati vpliva spremembe premera na delovno karakteristiko ventilatorja 47

(19)

xv 4.4.3 Rezultati vpliva prilagoditve razmerja širine in premera ventilatorja na

delovno karakteristiko ventilatorja ... 48

4.5 Rezultati meritev delovne karakteristike prototipnega ventilatorja ... 49

4.5.1 Primerjava računsko in eksperimentalno določene delovne karakteristike prototipnega ventilatorja ... 50

4.5.2 Primerjava eksperimentalno določenih delovnih karakteristik prototipnega in serijskega ventilatorja... 50

4.6 Rezultati funkcionalnih testov ... 51

4.6.1.1 Čas sušenja ... 51

4.6.1.2 Raba električne energije ... 52

4.6.1.3 Kondenzacijska učinkovitost ... 52

4.6.1.4 Sprememba tlaka na toplotni črpali in ventilatorju ter volumski pretok ... 53

4.6.1.5 Vstopne in izstopne relativne vlažnosti ... 56

4.6.1.6 Temperature ... 57

5 Zaključki ... 59

Literatura ... 61

(20)

xvi

(21)

xvii

Kazalo slik

Slika 2.1: Sestava sušilnega stroja [2] ... 4

Slika 2.2: Shematski prikaz sušilnega stroja ... 4

Slika 2.3: Vrste ventilatorjev (a) radialni ventilator, (b) polaksialni ventilator, (c) aksialni ventilator [5] ... 5

Slika 2.4: (a) Teoretična delovna karakteristika idealnega radialnega gonilnika v odvisnosti od izstopnega kota 𝛽2 in (b) razmerja 𝑏𝑑𝑧 [6] ... 8

Slika 2.5: Vpliv energijskih izgub na teoretično delovno karakteristiko radialnega ventilatorja. (a) Ventilator z nazaj zavitimi lopaticami, (b) ventilator z naprej zavitimi lopaticami. A: izgube zaradi končnega števila lopatic, B: izgube zaradi trenja, C: udarne izgube, D: porast tlaka zaradi navideznega zmanjšanja preseka medlopatičnega kanala pri radialnih ventilatorjih z naprej zavitimi lopaticami [7], [8] ... 9

Slika 2.6: Cordierjev diagram [9] ... 10

Slika 2.7: Prikaz tržno dostopnih ventilatorjev v Cordierovem diagramu in Cordierova krivulja [7] ... 10

Slika 2.8: Radialni ventilator in tokovnice medija [13] ... 11

Slika 2.9: Realna karakteristika radialnih ventilatorjev z različno zakrivljenimi lopaticami [14] .... 12

Slika 2.10: Dve tipični karakteristični krivulji ventilatorja in dve karakteristični krivulji sistema rezultirajo v štiri delovne točke [16] ... 13

Slika 3.1: (a) Merilna postaja za analizo sušilnih strojev, (b) omarica z opremo za zajem signalov in napajanje sušilnega stroja ter merilne opreme ... 16

Slika 3.2: Diferencialna tlačna pretvornika ... 17

Slika 3.3: Diferencialni tlačni pretvornik ... 17

Slika 3.4: Rotameter ... 17

Slika 3.5: Zaznavala temperature in vlažnosti ... 18

Slika 3.6: Merilnik mase ... 18

Slika 3.7: Merilnik električnih spremenljivk ... 18

Slika 3.8: (a) Priklop za dovod zraka v toplotno črpalko na pokrovu filtra pred toplotno črpalko. (b) Diferencialni tlačni pretvornik za merjenje porasta tlaka na ohišju toplotne črpalke ... 20

Slika 3.9: (a) Tesnjenje ohišja toplotne črpalke, (b) tesnjenje odprtine, namenjene cevem kompresorja ... 20

Slika 3.10: Radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami ... 21

Slika 3.11: Eksperimentalna postaja za merjenje karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke: (a) povezava sušilnega stroja, pregibne cevi in cevi iz nerjavečega jekla, (b) zunanji pomožni ventilator z dušilnim elementom ... 22

Slika 3.12: Shematski prikaz eksperimentalne postaje za merjenje karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke z mesti tlačnih odjemov ... 23

Slika 3.13: (a) Aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na pokrovu filtra pred toplotno črpalko, (b) aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na izstopu iz toplotne črpalke ... 24

Slika 3.14: (a) Tlačni odjem na pokrovu zadnje stene, (b) izdelane luknje za izenačevanje tlaka med prekati, (c) aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na vstopu v ventilator ... 24

Slika 3.15: Shematski prikaz eksperimentalne postaje za določitev sprememb tlakov na toplotni črpalki in ventilatorju s prikazom mest postavitve diferencialnih tlačnih pretvornikov ... 26

(22)

xviii

Slika 3.16: Posnetek zaslona računalnika uporabe programa LabView ... 27 Slika 3.17: Primerjava mer serijskega ventilatorja (a) in prototipnega ventilatorja (b) ... 32 Slika 3.18: (a) in (b) Ventilator v izdelavi na 3D tiskalnik Creality Ender 3 V2, (c) izdelan

ventilator zgornja stran, (d) izdelan ventilator ... 33 Slika 3.19: (a) Prototipni ventilator, z rdečo pokotirana zračnost, (b) serijski ventilator, (c)

prototipni ventilator z dodatkom pokrova ... 34 Slika 3.20: (a) Model dodatka pokrova zadnje stene iz zgornje strani, (b) spodnja stran, kjer so tudi

vidne navojne izvrtine za pričvrstitev. ... 35 Slika 3.21: Postopek obdelave dodatka pokrova. Oznaka (a), (b), (c) predstavljajo stanja obdelave v časovnem sosledju ... 35 Slika 3.22: Shematski prikaz eksperimentalne postaje s prikazom postavitve merilnikov ... 37 Slika 4.1: Primerjava obstoječega in zatesnjenega ohišja toplotne črpalke ... 41 Slika 4.2: Delovna karakteristika ventilatorja in uporovna karakteristika toplotne črpalke ... 42 Slika 4.3: Aerodinamska karakteristika obtočnega sistema pri različnih polnitvah perila (0, 4, 6, 8

kg) z delovno karakteristiko ventilatorja in uporovno karakteristiko toplotne črpalke... 44 Slika 4.4: Aerodinamska karakteristika obtočnega sistema pri različnih polnitvah perila (0, 4, 6, 8

kg) z delovno karakteristiko ventilatorja pri različnih vrtilnih frekvencah ventilatorja in

uporovno karakteristiko toplotne črpalke ... 46 Slika 4.5: Aerodinamska karakteristika obtočnega sistema pri različnih polnitvah perila (0, 4, 6, 8

kg) z delovno karakteristiko ventilatorja pri različnih premerih ventilatorja in uporovno

karakteristiko toplotne črpalke ... 47 Slika 4.6: Aerodinamska karakteristika obtočnega sistema pri različnih polnitvah perila (0, 4, 6, 8

kg) z delovno karakteristiko serijskega ventilatorja in dodatno preračunano (drugačen premer in višina) karakteristiko ventilatorja ter uporovno karakteristiko toplotne črpalke ... 48 Slika 4.7: Aerodinamska karakteristika obtočnega sistema pri različnih polnitvah perila (0, 4, 6, 8

kg) z delovno karakteristiko serijskega ventilatorja in dodatno preračunano ter izmerjeno karakteristiko ventilatorja (drugačen premer in višina) ter uporovno karakteristiko toplotne črpalke ... 49 Slika 4.8: Primerjava rabe električne energije ... 52 Slika 4.9: Primerjava volumskih pretokov ... 53 Slika 4.10: Primerjava tlačnih padcev na toplotni črpalki ... 54 Slika 4.11: Primerjava porasta tlaka na ventilatorju ... 54 Slika 4.12: Primerjava relativnih vlažnosti na vstopu in izstopu bobna ... 56 Slika 4.13: Primerjava temperatur na vstopu in izstopu bobna ... 57 Slika 4.14: Primerjava spremembe temperature med vstopno in izstopno temperaturo bobna ... 58

(23)

xix

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Pregled brezdimenzijskih števil [4], [6], [7] ... 6 Preglednica 3.1: Merilna zaznavala za merjenje želenih veličin ... 17 Preglednica 3.2: Oprema za obdelavo in posnemanje podatkov ter računalniška programska oprema

... 19 Preglednica 3.3: Število kosov perila pri posamezni polnitvi perila [21] ... 27 Preglednica 4.1: Rezultati meritve pretočnih karakteristik in rezultat preračuna pretoka pri različnih masah polnitvah suhega perila ... 43 Preglednica 4.2: Preglednica primerjave funkcionalnih testov sušilnega stroja z vgrajenim SV in

stroja z vgrajenim PV ... 51 Preglednica 4.3: Povprečne vrednosti spremembe tlaka na toplotni črpalki, ventilatorju in pretoki z

vrednostmi standardnega odklona ... 55

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

b m višina ventilatorja

C % kondenzacijska učinkovitost

c kg nazivna masa polnitve perila

d m premer ventilatorja

E Wh raba električne energije

I A električni tok

k / koeficient merilne zaslonke

m Kg masa

n s^-1 vrtilna frekvenca

P W električna moč

p Pa tlak

∆p Pa razlika tlakov

R JK^-1mol^-1 specifična plinska konstanta

RH % relativna vlažnost

T K temperatura

t S čas

U V električna napetost

u ms^-1 obodna hitrost

𝑉̇ m³h^-1 prostorninski tok

β Rad izstopni kot lopatice ventilatorja

𝛿 / specifični premer

μ / stopnja vlažnosti

𝜌 kgm^-3 gostota

𝜎 / hitrostno število

𝑌 Jkg^-1 specifična energija

𝜑 / relativna vlažnost

𝜙 / pretočno število

𝛹 / tlačno število

Indeksi

atm atmosferski

d suhi zrak

k končna

n notranji

p perilo

sat nasičen zrak

sp specifičen

th računski

v vodna para

z začetni

z zunanji

(26)

xxii

z zrak

z1

z2 zrak vstop

zrak izstop

(27)

xxiii

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

LVTS Laboratorij za vodne in turbinske stroje

PV prototipni ventilator

RH relativna vlažnost

SV serijski ventilator

TČ toplotna črpalka

T temperatura

(28)

xxiv

(29)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Danes si marsikatero gospodinjstvo zaradi hitrejšega ritma življenja in pomanjkanja prostora, namenjenega sušenju perila, ne zna predstavljati življenja brez sušilnega stroja.

Sušilni stroj spada med velike gospodinjske aparate, ki delujejo na principu odstranjevanja vode iz perila. Želja potrošnikov po hitrejšem, učinkovitejšem in energetsko manj potratnemu sušenju perila je glavni gonilnik razvoja sušilnih strojev. Z namenom izboljšati napravo je potrebna študija, razvoj in logična umestitev vsake komponente posebej v sistem.

V tem delu se bomo osredotočili na modifikacijo radialnega ventilatorja z naprej zakrivljenimi lopaticami za uporabo v sušilnem stroju, čigar naloga je poganjati procesni zrak skozi obtočni trakt. Za take ventilatorje je značilna položna karakteristika z izrazitim nestabilnim delom, ki s sistemsko uporovno karakteristiko tvori delovne točke. Delovanju oziroma legi delovnih točk v nestabilnem delu delovne karakteristike ventilatorja se izogibamo, saj to neugodno vpliva na delovanje ventilatorja in posledično na proces sušenja perila.

1.2 Cilji

Cilj diplomskega dela je prilagoditi serijski ventilator za čim ugodnejše delovanje v sistemu sušilnega stroja znamke Gorenje, modela SP15 155, 8 kg.

V ta namen bomo v teoretičnem delu opisali osnovno delovanje sušilnega stroja, čemur bo sledila splošna predstavitev in klasifikacija ventilatorjev ter obravnava le teh na podlagi brezdimenzijskih števil. Podrobneje bomo obravnavali, v sušilni stroj vgrajen radialni ventilator z naprej zakrivljenimi lopaticami. Poudarek bo na delovni karakteristiki in njeni slabosti nestabilnega dela, ki je značilna za ta tip ventilatorja.

V eksperimentalnem delu bomo predstavili merilno opremo in eksperimentalno postajo, ki jo bo treba tekom različnih eksperimentov nekoliko prilagajati. Prilagoditve bodo opisane v poglavjih, kjer bodo predstavljeni postopki izvedbe posameznih eksperimentov.

(30)

Uvod

2

Z namenom povišati kondenzacijsko učinkovitost bo tekom naloge vzporedno potekala raziskava razvijanja ohišja toplotne črpalke v smeri njegove tesnitve. V ta namen bomo izvedli meritve tesnosti serijskega in dodatno zatesnjenega ohišja toplotne črpalke. Rezultat bo služil za popis razlike stanja sušilnega stroja, ki posledično vpliva na nekatere rezultate meritev.

Sledilo bo merjenje aerodinamskih lastnosti, kjer bomo v prvem delu določevali delovno karakteristiko ventilatorja in uporovno karakteristiko toplotne črpalke. Za določitev karakteristik bomo pri širokem razponu pretokov merili porast tlaka na ventilatorju, tlačni padec na toplotni črpalki in volumski pretok procesnega zraka v obtočnem sistemu. Pretok bomo ustvarjali in uravnavali z zunanjim ventilatorjem ter dušilnim elementom. Volumski pretok bomo določili na podlagi meritve tlačnega padca na ostrorobi zaslonki. Za izbran način ustvarjanja in določitev volumskega pretoka bo treba razkleniti obtočni sistem sušilnega stroja. Rezultat oziroma krivuljo uporovne karakteristike toplotne črpalke bomo interpolirali in zapisali enačbo funkcijske odvisnosti med volumskim pretokom v obtočnem sistemu in spremembo tlaka na toplotni črpali. Ta bo v nadaljevanju omogočala oceno volumskega toka v zaprtem obtočnem sistemu. Drugi del bo predstavljal določitev delovnih točk, kjer bomo na običajnem tokokrogu oziroma obtočnem sistemu pri različnih polnitvah perila merili spremembe tlaka na toplotni črpalki in ventilatorju. Na podlagi rezultatov in prej določene funkcijske odvisnosti bomo določili delovne točke.

V primeru nahajanja delovnih točk v nestabilnem delu delovne karakteristike ventilatorja bomo slednjo poskušali prilagoditi s ciljem obratovanja v stabilnem delu. To bomo storili z računsko analizo, s katero bomo obravnavali vpliv vrtilne frekvence, premera in višine ventilatorja na delovno karakteristiko. Na podlagi najugodnejše kombinacije zgoraj navedenih parametrov bomo izdelali in v sušilni stroj vgradili ventilator in po potrebi prilagodili vrtilno frekvenco elektromotorja oziroma ventilatorja. Na prilagojenem sistemu oziroma sistemu z novo izdelanim ventilatorjem bomo opravili meritve aerodinamskih lastnosti sušilnega stroja z namenom potrditi oziroma ovreči uspešnost računskega dela.

V primeru uspešnosti računskega dela bomo pri izbrani polnitvi perila opravili funkcionalne teste, kjer bomo zajemali in popisali vse ključne veličine za popis učinkovitosti sušilnega stroja. Meritev bomo izvedli v skladu s standardom in navodili proizvajalca sušilnih strojev.

Rezultati bodo služili za oceno vpliva prilagoditve ventilatorja oziroma njegove delovne karakteristike na učinkovitost sušenja perila. Ocenjena bo tudi merilna negotovost končnih rezultatov.

(31)

3

2 Teoretične osnove in pregled literature

V tem poglavju bomo v začetku predstavili sušilni stroj in njegovo delovanje, saj je poznavanje sistema, v katerem ventilator obratuje, ključnega pomena pri njegovem razvijanju. Na splošno bomo predstavili ventilatorje, v sklopu katerih bomo obdelali teorijo brezdimenzijskih števil, ki nam bo služila za obravnavo njihovega delovanja. Na koncu bomo nekaj več besed posvetili vrsti ventilatorja, ki je vgrajen v obravnavan sušilni stroj, in sicer gre za radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami.

2.1 Sušilni stroji

Danes je na trgu ogromno različnih sušilnih strojev. Z vidika delovanja jih razdelimo predvsem v tri skupine. Prvi, ki velja z vidika tehnologije delovanja za najpreprostejšega in energijsko najpotratnejšega je odzračevalni sušilni stroj. Deluje pa načelu odvzemanja zraka iz okolice, ki ga nato z električnim grelcem segrejemo. Segret zrak potuje skozi boben, kjer posuši perilo in kot nasičen zrak zapušča sistem neposredno v okolico. Ta sistem se imenuje odprt pretočni sistem. Sledijo kondenzacijski sušilni stroji, ki so nekoliko manj potratni, ker sušilni zrak kroži v zaprtem pretočnem sistemu. Poleg grelnika pa dodatno uporabljajo še zračno hlajeni prenosnik toplote, čigar naloga je ohladiti in osušiti zrak v sistemu. Za najsodobnejše in najučinkovitejše na trgu veljajo sušilni stroji s parno-kompresijsko toplotno črpalko, ki dosegajo tudi do 50 % večjo energijsko učinkovitost od predhodno navedenih sistemov z grelnikom [1], [2]. Sušilni stroj, na katerem so se izvajale meritve, je sušilni stroj s toplotno črpalko znamke Gorenje, modela SP15 155 8 kg.

2.1.1 Sušilni stroj s toplotno črpalko

Na sliki 2.1 je prikazan sestav sušilnega stroja s toplotno črpalko, na sliki 2.2 pa je shematski prikaz le tega. Na obeh slikah so bistvene komponente označene s številkami (1 – 10), ki so v nadaljnjem opisu pripisane v oglatem oklepaju, k vsaki omenjeni komponenti. Delovanje sušilnih strojev s toplotno črpalko temelji na kroženju zraka v zaprtem procesu in konvektivnem prenosu toplote. Kroženje procesnega zraka zagotavlja z elektromotorjem gnan radialni ventilator (1), prek katerega zrak potuje skozi zadnjo steno (3) v vrteči se boben

(32)

Teoretične osnove in pregled literature

4

(4), kjer suh in vroč zrak obteka vlažno perilo. Tu prihaja do prenosa toplote iz suhega in vročega zraka na perilo, hkrati pa se zrak nasiči zaradi prenosa snovi oziroma vlage iz perila na zrak. Nasičen topel zrak zapušča boben skozi filter v vratih (6), nadaljuje pot skozi vstopni kanal (7) in skozi dodatni filter (8) vstopa v toplotno črpalko (9). V toplotni črpalki (TČ) najprej potuje skozi uparjalnik, kjer pride do kondenzacije vode, ki jo nato črpalka izčrpa iz sistema. V kondenzator dospe suh in topel zrak, tu se še dodatno segreje in nadaljuje pot čez kanal na izstopu TČ (10) ponovno skozi ventilator [2].

Slika 2.1: Sestava sušilnega stroja [2]

Slika 2.2: Shematski prikaz sušilnega stroja

(33)

5

2.2 Ventilator

Ventilator ima v sušilnem stroju vlogo naprave, ki ustvarja pretok in tako poganja zrak po pretočnem kanalu. Definiran je kot rotacijski stroj z lopaticami, ki vzdržuje neprekinjen pretok zraka, oziroma plina. To pomeni, da zrak nenehno teče v ventilator, skozi in iz ventilatorja [3]. Prav ta značilnost zveznega pretoka ga uvršča med turbinske stroje in s tem ločuje od volumetričnih strojev, za katere je značilen utripajoč tok [4].

2.2.1 Vrste ventilatorjev

Ventilatorje v splošnem razvrščamo glede na smer toka medija skozi rotor. Razvrščeni so v tri skupine: radialni oziroma centrifugalni ventilator, aksialni ventilator in polaksialni oziroma ventilator z mešanim tokom [3].

V radialnih ventilatorjih medij vstopa vzporedno in izstopa pravokotno glede na os ventilatorja, kot to prikazuje slika 2.3 (a), medtem ko je pretok zraka pri aksialnih ventilatorjih tako na vstopu kot izstopu vzporeden z osjo ventilatorja, kot to prikazuje slika 2.3 (c). Pri polaksialnih ventilatorjih oziroma ventilatorjih z mešanim tokom so prisotni tako aksialni, kot radialni tokovi, kar prikazuje slika 2.3 (b) [3].

Slika 2.3: Vrste ventilatorjev (a) radialni ventilator, (b) polaksialni ventilator, (c) aksialni ventilator [5]

(34)

6

2.2.2 Brezdimenzijska števila

Za načrtovanje, primerjavo in kritično oceno vseh ventilatorjev se uporabljajo brezdimenzijska števila, s katerimi popišemo funkcionalne lastnosti stroja neodvisno od geometrijske oblike, vrtilne frekvence in obratovalne točke. Brezdimenzijska števila so rezultat obsežne študije, ki je danes v veliko pomoč proizvajalcem in uporabnikom ventilatorjev. Pri izbiri ventilatorja sta za uporabnika najpomembnejša tlačna višina oziroma tlak in pa volumski pretok [6].

Preglednica 2.1: Pregled brezdimenzijskih števil [4], [6], [7]

BREZDIMENZIJSKO ŠTEVILO MATEMATIČNI ZAPIS

Tlačno število

𝛹 = ∆𝑝

𝜌𝑢² (2.1)

Pretočno število

𝜙 = 𝑉̇

(𝜋 4) ∙ 𝑑⁄ _𝑧² 𝑢 (2.2) Hitrostno število

σ = 2 ∙ √𝜋 𝑛 𝑉̇¹² (2 ∙ ∆𝑝

𝜌 )

3 4

=𝜙¹²

𝜓³⁴ (2.3)

Specifičen premer

𝛿 =

𝑑_𝑧 √𝜋 (2 ∙ ∆𝑝 𝜌 )

1 4

2 ∙ 𝑉̇¹²

=𝜓¹⁴ 𝜙¹²

(2.4)

2.2.3 Afinitetni zakoni

Iz brezdimenzijskih števil definiramo afinitetne zakone, ki govorijo, kako so si stroji med seboj podobni [4]. Indeksa 1 in 2 predstavljata označbo ventilatorja, ki sta si med seboj podobna.

‐ Pretok je odvisen od premera na tretjo potenco in vrtilne frekvence ventilatorja:

𝑉̇₂ 𝑉̇1

= (𝑑_𝑧2 𝑑_𝑧1)

3𝑛₂

𝑛₁ (2.5)

(35)

7

‐ Tlak je odvisen od premera na drugo potenco in vrtilne frekvence ventilatorja na drugo potenco:

𝑝₂

𝑝₁= (𝑑_𝑧2 𝑑_𝑧1)

2

(𝑛₂ 𝑛₁)

2

(2.6)

‐ Moč je odvisna od premera na peto potenco in vrtilne frekvence na tretjo potenco:

𝑃₂

𝑃₁ = (𝑑_𝑧2 𝑑_𝑧1)

5

(𝑛₂ 𝑛₁)

3

(2.7)

2.2.4 Karakteristika ventilatorja

Energijska ali delovna karakteristika ventilatorja je krivulja, ki predstavlja odvisnost specifične energije (Y) od volumskega pretoka (𝑉^̇) delovne točke pri dani vrtilni frekvenci gonilnika [6], [8].

Specifična energija (Y) predstavlja prirastek tlačne ali kinetične energije, ki jo prejme 1 kg plina, zraka med pretakanjem skozi ventilator [4]. V praksi pri obravnavi karakteristike ventilatorjev običajno uporabimo zvezo (enačba (2.8)), kjer namesto specifičnega energije uporabimo porast tlaka (∆p), pri čemer vpliv gostote (𝜌) zaradi stisljivosti plina zanemarimo [6], [8].

𝑌 =𝑝2− 𝑝1

𝜌 (2.8)

Karakteristiko ventilatorja izražamo tudi v diagramih, kjer osi označujejo brezdimenzijska števila. Volumski pretok, nadomestimo s pretočnim številom (𝜙) in spremembo tlaka s tlačnim številom (𝛹) [6].

(36)

8

2.2.4.1 Teoretična karakteristika ventilatorja

Teoretično delovno karakteristiko ventilatorja predstavlja ravna premica, katere naklonski kot je odvisen od izstopnega kota lopatice 𝛽₂ in od razmerja širine in višine ventilatorja ^𝑏

𝑑₂, kot je prikazano na sliki 2.4. Pri teoretični karakteristiki upoštevamo idealni ventilator.

Ventilator brez izgub in z neskončnim številom lopatic [6].

Slika 2.4: (a) Teoretična delovna karakteristika idealnega radialnega gonilnika v odvisnosti od izstopnega kota 𝛽₂ in (b) razmerja ^𝑏

𝑑_𝑧 [6]

2.2.4.2 Realna delovna karakteristika ventilatorja

Da bi se približali realni obliki delovne karakteristike, je potrebno upoštevanje energijskih izgub.

V stvarnem primeru nastopa več tipov izgub, ki jih razdelimo po fizikalnem mehanizmu pojavnosti. Slika 2.5 prikazuje diagram vpliva energijskih izgub na teoretično delovno karakteristiko ventilatorja, tako za ventilator z nazaj zakrivljenimi lopaticami, kot ventilator z naprej zakrivljenimi lopaticami. Izgube zaradi končnega števila lopatic, ki predstavljajo linearni padec tlaka v odvisnosti od pretoka so na sliki označene z osenčeno površino s črko (A). Osenčena površina označena s črko (B) predstavlja izgube zaradi trenja v medlopatičnem kanalu, ki se povečujejo s kvadratom pretoka. Zaradi neidealne smeri toka na vstopu gonilnika nastajajo energijske izgube, zaradi udarca delovne tekočine ob lopatice.

Te so označene s črko (C). Izgube so ob računskem pretoku (𝑉̇_𝑡ℎ) najmanjše , z nižanjem ali višanjem pretoka pa se povečujejo, to je opisano s parabolično krivuljo. Pri ventilatorju z naprej zakrivljenimi lopaticami opazimo porast tlaka v področju nizkih pretokov, ki je posledica delno začepljenega toka v tem področju obratovanja, pojav na sliki je označen s črko (D) [6], [8].

(37)

9 Slika 2.5: Vpliv energijskih izgub na teoretično delovno karakteristiko radialnega ventilatorja. (a) Ventilator z nazaj zavitimi lopaticami, (b) ventilator z naprej zavitimi lopaticami. A: izgube zaradi

končnega števila lopatic, B: izgube zaradi trenja, C: udarne izgube, D: porast tlaka zaradi navideznega zmanjšanja preseka medlopatičnega kanala pri radialnih ventilatorjih z naprej zavitimi

lopaticami [7], [8]

2.2.5 Cordierov diagram

Cordijev diagram je nastal na podlagi eksperimentov leta 1953. Na diagramu (slika 2.6) so predstavljene značilne vrtilne frekvence turbinskih strojev kot funkcija tipičnih premerov za delovno točko BEP (angl. best efficiency point), točko najboljšega izkoristka. Diagram je zelo koristen pri načrtovanju in izbiri rotorja, kjer lahko na podlagi brezdimenzijskih števil določimo kakšna je priporočena geometrija rotorja za doseganje visokih izkoristkov ob prej znanih, oziroma pričakovanih pogojih obratovanja [4], [7].

Kot je razvidno iz slike 2.6, aksialni rotorji ležijo v področju manjših specifičnih premerov in višjih koeficientov hitrosti, medtem ko se radialni rotorji z večjimi značilnimi premeri vrtijo počasneje. Meja med popolnoma aksialnimi in popolnoma radialnimi rotorji ni določena, vmesno področje pripada diagonalnim oziroma polaksialnim ventilatorjem [4], [7], [9], [10]. V glavnem se odločamo med čisto radialnimi in čisto aksialnimi izvedbami, preostale vmesne izvedbe so možne, vendar so iz ekonomskega vidika smiselne šele pri večjih strojih ali strojih za masovno proizvodnjo [4].

(38)

10

Slika 2.6: Cordierjev diagram [9]

Izkaže se, da Cordijev diagram ne velja popolnoma za ventilatorje z naprej zakrivljenimi lopaticami. To je prikazano na sliki 2.7, kjer je bila na podlagi razpoložljivih kataloških podatkov za 580 ventilatorjev z nazaj in 260 ventilatorjev z naprej zavitimi lopaticami treh različnih proizvajalcev izvedena razvrstitev ventilatorjev v Cordiev diagram. Ventilatorji z naprej zakrivljenimi lopaticami se nahajajo v področju nižjih specifičnih premerov, medtem ko se ventilatorji z nazaj zavitimi lopaticami dobro ujemajo s Cordijevo krivuljo. Do tega odstopanja pride zaradi izstopnega kota lopatice 𝛽₂, ki je večji od 90 stopinj in velikega razmerja 𝑏/𝑑_𝑧, ki v primeru ventilatorjev z naprej zavitimi lopaticami znaša približno 0,4 in za ventilatorje z nazaj zavitimi lopaticami okoli 0,25 [7], [8].

Slika 2.7: Prikaz tržno dostopnih ventilatorjev v Cordierovem diagramu in Cordierova krivulja [7]

(39)

11

2.3 Radialni ventilatorji

Zrak v radialni ventilator vstopa v aksialni smeri in še pred srečanjem z lopaticami spremeni svojo smer za 90°, tako kot je to prikazano na sliki 2.8, kjer puščice predstavljajo tokovnice zraka [11].

Delovanje radialnih ventilatorjev temelji na povišanju hitrosti zračnega toka s pomočjo vrtečih se lopatic. Vrteče lopatice zaradi centrifugalne sile zrak usmerjajo radialno navzven.

Na koncu lopatice se smer zraka spremeni v smeri tangencialno na konico lopatice oziroma obodno smer, gledano na rotor, kot je to prikazano na sliki 2.8. Med potjo od pesta rotorja do konic lopatic zrak pridobi kinetično energijo, ki se nato pretvori v statični tlak in s tem poveča tlak zračnega toka. Zrak se zaradi tega pomika proti uporom v sistemu, ki ga povzročajo kanali, lopute in drugi sestavni deli [12].

Slika 2.8: Radialni ventilator in tokovnice medija [13]

Radialni ventilatorji so zmožni generirati relativno visoke tlake v primerjavi z aksialnimi ventilatorji. Uporabljajo se v aplikacijah, kjer je zahtevan nižji pretok in visok tlak, medtem ko se aksialni ventilatorji običajno uporabljajo v aplikacijah, kjer je zahtevan visok pretok in nizek tlak [14].

V splošnem imajo radialni ventilatorji tri različne izvedbe lopatic: naprej zakrivljene lopatice, nazaj zakrivljene lopatice in radialne lopatice. Ukrivljenost lopatic oziroma izstopni kot lopatice 𝛽₂ določa karakteristiko, kot je to že predstavljeno v poglavju 2.2.4.1 [14].

Realne karakteristike ventilatorjev z različnimi izvedbami lopatic so prikazane na sliki 2.9.

(40)

12

Slika 2.9: Realna karakteristika radialnih ventilatorjev z različno zakrivljenimi lopaticami [14]

2.3.1 Radialni ventilatorji z naprej zavitimi lopaticami

Radialni ventilatorji z naprej zakrivljenimi lopaticami proizvajajo višje pretoke pri enaki velikosti in vrtilni frekvenci ventilatorja, kot ventilatorji z radialnimi in nazaj zavitimi lopaticami [6].

Za radialne ventilatorje z naprej zakrivljenimi lopaticami je značilna položna karakteristika, kjer ekstrem karakteristične krivulje ločuje stabilno področje od nestabilnega področja delovanja. Ekstrem oziroma prevoj krivulje in s tem meja med stabilnim in nestabilnim področjem obratovanja je na sliki 2.10 označena z navpično črtkano črto. Za nestabilno območje delovanja je značilno nestacionarno obratovanje, kjer pride do povečanja hidravličnih izgub, zmanjša se izkoristek, fluktuacije tlaka in pretoka se povečajo, prav tako pa se poveča raven hrupa in vibracij [15].

Na sliki 2.10 sta prikazani dve delovni karakteristični krivulji podobnih ventilatorjev in dve uporovni karakteristiki sistema. Na podlagi enake oblike delovnih karakteristik ventilatorjev lahko rečemo, da sta si ventilatorja podobna, to pomeni, da so mere ventilatorjev v enakem razmerju oziroma enaka ventilatorja obratujeta z različno vrtilno frekvenco [16].

Uporovno karakteristiko sistema vedno predstavlja parabolična krivulja, to je krivulja, katere koordinata y se povečuje s kvadratno funkcijo koordinate x. Vsak sistem ima svojo uporovno karakteristično krivuljo, na kar vpliva upornost sistema. Več kot je ovir v pretočnem traktu, kot so filtri, zavoji oziroma kolena, zoženja itd., večja je upornost proti

(41)

13 pretakanju zraka skozi sistem, kar rezultira v strmejšo krivuljo sistema. Bolj je sistem odprt, manj ovir, ostrih zavojev kot vsebuje, položnejša je uporovna krivulja sistema [16].

Presek karakteristične krivulje sistema in delovne karakteristične krivulje ventilatorja predstavlja delovno točko.

Delovna točka pove kakšen pretok in statičen tlak lahko pričakujemo za uporabljen ventilator v določenem sistemu. Na sliki 2.10, kjer sta dve karakteristični krivulji sistema in dve karakteristični krivulji ventilatorja, dobimo tako 4 delovne točke (označene s številkami 1, 2, 3 in 4). V primeru ugodnega delovanja bi morala delovna točka ležati v območju desno od prevoja karakteristike ventilatorja, kar predstavlja stabilni del obratovanja. V primeru izbire ventilatorja, ki s sistemom tvori delovno točko levo od prevoja karakteristike ventilatorja oziroma v tako imenovanem nestabilnem področju, lahko pričakujemo neugodno delovanje ventilatorja. Kot je razvidno s slike 2.10, bi bila tako ventilator A kot ventilator B primerna za sistem 2, medtem ko v sistemu 1 ne bi dosegli ugodnega delovanja [16].

Slika 2.10: Dve tipični karakteristični krivulji ventilatorja in dve karakteristični krivulji sistema rezultirajo v štiri delovne točke [16]

(42)

14

(43)

15

3 Metodologija raziskave

V začetku poglavja bomo predstavili eksperimentalno postajo in merilno opremo, ki ju bomo med različnimi eksperimenti nekoliko prilagajali.

Naloga bo obsegala več različnih eksperimentov, preračunov in postopek izdelave novega ventilatorja. Vse to bomo razporedili v svoja poglavja, ki si bodo sledila v logičnem zaporedju. V vsakem podpoglavju oziroma eksperimentu bomo predstavili prilagoditev predstavljene eksperimentalne postaje in uporabljeno merilno opremo ter opisali postopek izvedbe eksperimenta. Na koncu poglavja bomo obravnavali merilno negotovost.

3.1 Opis eksperimentalne postaje

V laboratoriju LVTS je bila predhodno izdelana namenska eksperimentalna postaja za analizo in razvoj sušilnih strojev [17], ki je predstavljena na sliki 3.1 (a).

Sestavljena je iz merilne mize, na katero postavimo sušilni stroj, hkrati pa je na njej nameščena vsa potrebna merilna oprema. V levem spodnjem kotu na merilni mizi je v omarici nameščena oprema za zajem merilnih signalov in napajanje sušilnega stroja ter merilne opreme (slika 3.1 (b)). Postajo smo delno prilagajali glede na merjene veličine oziroma izvajan eksperiment, kar smo dodatno opisali v poglavjih vsakega eksperimenta.

(44)

Metodologija raziskave

16

Slika 3.1: (a) Merilna postaja za analizo sušilnih strojev, (b) omarica z opremo za zajem signalov in napajanje sušilnega stroja ter merilne opreme

3.1.1 Izbira merilne opreme

Merilno opremo smo razdelili na dva podsklopa glede na njeno funkcionalnost.

V prvi podsklop smo uvrstili merilna zaznavala (preglednica 3.1).

V drugi podsklop smo uvrstili opremo, ki se nahaja v omarici in je namenjena, posnemanju in obdelavi podatkov ter računalniško programsko opremo za obdelavo in prikaz podatkov (preglednica 3.2).

(45)

17 Preglednica 3.1: Merilna zaznavala za merjenje želenih veličin

MERILNA ZAZNAVALA

Zaznavala Opis specifikacij

Diferencialni tlačni pretvornik

Slika 3.2: Diferencialna tlačna pretvornika

Proizvajalec: Endress Hauser, tipa PMD235 Merilno območje: −10 … 10 mbar

Delovno temperaturno območje: -40 °C … 120 °C Natančnost ± 0,05 %

Diferencialni tlačni pretvornik

Slika 3.3: Diferencialni tlačni pretvornik

Proizvajalec: ABB, tipa 266DSH Merilno območje: 0,05 … 16000 kPa

Delovno temperaturno območje: -40 °C … +85 °C Natančnost: ± 0,06 %

Rotameter

Slika 3.4: Rotameter

Proizvajalec: HOSCO, tipa LPM AIR Merilno območje: 10 … 100 NI/min

Delovno temperaturno območje: −20 °C … +65 °C

se nadaljuje

(46)

18

nadaljevanje

MERILNA ZAZNAVALA

Zaznavala Opis specifikacij

Zaznavala temperature in vlažnosti

Slika 3.5: Zaznavala temperature in vlažnosti

Proizvajalec: DeltaOhm, tipa HD48T

Merilno območje (relativna vlažnost): 0 … 100 % RH Merilno območje (temperatura): −20 °C … +80 °C Natančnost merjenja (relativna vlažnost): ±1,5 % (0

… 90 % RH), ±2 % (90 … 100 % RH)

Natančnost merjenja (temperatura): ±0,3 °C (0 … 70

°C), ±0,4 °C (−20 °C … 0 °C, +70 °C …+80 °C)

Merilnik mase

Slika 3.6: Merilnik mase

Proizvajalec: Kern, tipa FKB 15KO.5A Merilno območje: 0 … 15000 g

Delovno temperaturno območje: 5 °C … +35 °C Ločljivost: 0,5 g

Merilnik električnih spremenljivk z modulom PP30

Slika 3.7: Merilnik električnih spremenljivk

Proizvajalec: Fluke, model NORMA4000

Delovno temperaturno območje: 5 °C … +35°C Modul: PP30

Natančnost merjenja (električna napetost U): ±0,15 % Natančnost merjenja (električni tok I): ±0,15 % Natančnost merjenja (električna moč P): ±0,20 %

(47)

19 Preglednica 3.2: Oprema za obdelavo in posnemanje podatkov ter računalniška programska oprema OPREMA ZA OBDELAVO IN POSNEMANJE PODATKOV TER RAČUNALNIŠKA

PROGRAMSKA OPREMA

Oprema Opis specifikacij

Modularna merilna kartica

CompactDAQ 9147 merilni sistem

Proizvajalec: National Instruments s štirimi moduli:

‐ NI cDaq 9212, z možnostjo priklopa osmih termočlenov

‐ NI cDaq 9219 univerzalni 24 bitni (100 kHz), 4-kanalni vhodni modul

‐ NI cDaq 9205 16 bitni (250 kHz), 32 kanalni analogni modul

‐ Ni cDaq 9476 digitalni izhodni modul Računalniška programska oprema:

- Microsoft Office, - Norma View, - NI Labview, - SolidWorks, - UltimateCura.

3.2 Tesnjenje ohišja toplotne črpalke

V raziskavi [18] je bilo ugotovljeno, da je karakteristična krivulja netesnosti ohišja toplotne črpalke TČ za velikostni razred višja od karakterističnih krivulj preostalih odsekov sušilnega stroja. Na podlagi te raziskave je vzporedno potekala raziskava razvijanja ohišja TČ v smeri tesnitve le tega, z namenom povišati kondenzacijsko učinkovitost.

Delovna karakteristika ventilatorja je neodvisna od sistema in tako tudi tesnitev TČ ne vpliva na to, vpliva pa na uporovno karakteristiko sistema. Bolje je sistem zatesnjen, strmejšo krivuljo uporovne karakteristike sistema lahko pričakujemo, prav tako pa lahko pričakujemo višjo intenzivnost nihanja tlakov in pretoka v sistemu. Treba se je zavedati tudi vpliva na rezultate funkcionalnih testov, kar se je izkazalo tudi v raziskavi [18], kjer se je kondenzacijska učinkovitost povišala za 8 %, prav tako pa se je skrajšal čas sušenja.

Ohišje TČ smo tesnili in izvedli meritve tesnosti tako serijskega kot dodatno zatesnjenega ohišja TČ. To smo storili z namenom popisati razliko stanja sušilnega stroja. Razlike se je treba zavedati, saj kot zgoraj navedeno vpliva na nekatere rezultate.

3.2.1 Eksperimentalna postaja

Eksperimentalno postajo je sestavljala eksperimentalna merilna miza s sušilnim strojem. Za merjenje zračnega volumskega pretoka, ustvarjenega s pomočjo kompresorja, smo uporabili rotameter proizvajalca HOSCO, tipa LPM AIR. Za merjenje porasta tlaka na ohišju TČ pa smo uporabili diferencialni tlačni pretvornik proizvajalca Endress Hauser, tipa PMD235.

(48)

20

3.2.2 Izvedba tlačnega odjema in priključka za dovod zraka

Na pokrovu filtra pred TČ, je bil izdelan priključek za dovod zraka in odjem za merjenje porasta tlaka na TČ, kot je to prikazano na sliki 3.8 (a).

Slika 3.8: (a) Priklop za dovod zraka v toplotno črpalko na pokrovu filtra pred toplotno črpalko. (b) Diferencialni tlačni pretvornik za merjenje porasta tlaka na ohišju toplotne črpalke

3.2.3 Postopek izvedbe eksperimenta

Sušilni stroj smo razstavili, tako da smo si omogočili prost dostop do ohišja toplotne črpalke.

Pokrov TČ deluje na principu labirintnega tesnjenja, ki smo ga poskušali izboljšati z raznimi dodatnimi tesnili in tesnilnimi trakovi (slika 3.9 (a)). Na enak način smo se lotili tesnjenja preostalih mest puščanja na ohišju. Na sliki 3.9 (b) je prikazano tesnjenje odprtine, namenjene cevem kompresorja, ki je predstavljala eno vidnejših izrazitih mest puščanja.

Slika 3.9: (a) Tesnjenje ohišja toplotne črpalke, (b) tesnjenje odprtine, namenjene cevem kompresorja

(49)

21 Meritev je potekala tako, da smo zračni tok ustvarjen s kompresorjem dovajali preko rotametra neposredno na pokrov filtra pred toplotno črpalko. Pretok smo poviševali za približno 0,6 m³⁄h in beležili porast tlaka na ohišju TČ. Meritev smo opravili tako za nezatesnjeno TČ kot zatesnjeno TČ.

Rezultati meritev so prikazani v poglavju 4.1.

3.3 Meritev delovne karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke

V sušilni stroj je vgrajen radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami zunanjega premera (𝑑_𝑧 = 156 mm), notranjega premera (𝑑_𝑛 = 125 mm) in višine (𝑏 = 60 mm). Ventilator šteje 40 lopatic, kjer je vstopni kot 𝛽₁ = 81,65° in izstopni kot 𝛽₂ = 162,75°. Za lažje razumevanje poimenovanih veličin, ki nastopajo v nadaljevanju, je na sliki 3.10 prikazan dejanski radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami z označenimi ključnimi veličinami.

Slika 3.10: Radialni ventilator z naprej zavitimi lopaticami

(50)

22

Za določitev delovne karakteristike ventilatorja in sistemske uporovne karakteristike toplotne črpalke smo merili tlačne padce na toplotni črpalki, porast tlaka na ventilatorju in volumski pretok pri širokem razponu pretokov. Za ustvarjanje pretoka v sistemu smo v začetku uporabili radialni ventilator sušilnega stroja, nato pa zunanji pomožni radialni ventilator, ki smo ga regulirali z dušilnim elementom in frekvenčnim pretvornikom. Na dotoku zraka iz pomožnega ventilatorja do sušilnega stroja je bila postavljena ostroroba merilna zaslonka, na kateri smo merili spremembo tlaka in na podlagi tega določili, oziroma izračunali pretok.

3.3.1 Eksperimentalna postaja

Za meritev volumskega pretoka je bilo treba razkleniti tokokrog procesnega zraka v sušilnem stroju. To smo storili tako, da smo vrata bobna zamenjali z namensko izdelano prirobnico ter nanjo pričvrstili pregibno cev, kot je to prikazano na sliki 3.11 (a). Drugo stran pregibne cevi smo pritrdili na tlačni cevovod iz nerjavnega jekla z ostrorobo merilno zaslonko premera 90 mm s koeficientom 20,9787 po standardu ISO 5167-2:2003 [19]. Na cevovodu so bili že predhodno pripravljeni tlačni odjemi za merjenje tlačnega padca na ostrorobi merilni zaslonki, ki smo ga merili z diferencialnim tlačnim pretvornikom proizvajalca Schiltknechkt, tipa ManoAir100. Drugo stran cevovoda smo privijačili na zunanji pomožni radialni ventilator 124 CVX 160/4 (Klima Celje), prikazan na sliki 3.11 (b), kjer smo pretok regulirali z dušilnim elementom in frekvenčnim pretvornikom iG5A (LS Industrial Systems). S tem ko smo zamenjali vrata s prirobnico, smo odstranili tudi filter (filter v vratih) in s tem nekoliko spremenili tokokrog, kar pa ne vpliva na merjeno karakteristiko ventilatorja ter karakteristiko toplotne črpalke. Spremembo tlaka na toplotni črpalki in ventilatorju smo merili s tlačnim pretvornikom Endress Hauser PMD235. Vse vrednosti smo vizualno odčitavali s tlačnih merilnih pretvornikov in jih zapisovali v programsko orodje Microsoft Office.

Slika 3.11: Eksperimentalna postaja za merjenje karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke: (a) povezava sušilnega stroja, pregibne cevi in cevi iz nerjavečega

jekla, (b) zunanji pomožni ventilator z dušilnim elementom

(51)

23 Na sliki 3.12 je shematski prikaz zgoraj opisanega razklenjenega obtočnega sistema s postavitvijo diferencialnih tlačnih pretvornikov, kjer zrak iz okolice v sušilni stroj vstopa skozi odprtino pod vrati bobna, nadaljuje pot skozi filter (filter pred toplotno črpalko), toplotno črpalko in sesalno stran obtočnega radialnega ventilatorja. Zrak ventilator zapušča na tlačni strani in svojo pot nadaljuje skozi vertikalni kanal, ki ga ustvarjata zadnja stena in pokrov zadnje stene. V zadnji steni in zadnji čelni strani bobna so namensko izdelane odprtine, skozi katere zrak vstopa v boben. Zrak iz bobna izstopa skozi odprtino, namenjeno vratom bobna, kjer je v tem primeru nameščena prirobnica. Pot nadaljuje preko cevovoda, mimo merilne ostrorobe zaslonke, na kateri merimo tlačni padec, in pomožnega ventilatorja v okolje.

Slika 3.12: Shematski prikaz eksperimentalne postaje za merjenje karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke z mesti tlačnih odjemov

3.3.2 Izvedba tlačnih odjemov na toplotni črpalki in ventilatorju

Za merjenje spremembe tlaka na toplotni črpalki smo uporabili tlačne odjeme na:

‐ pokrovu filtra na vstopu toplotne črpalke, kot je prikazano na sliki 3.13 (a), kjer sta dva tlačna odjema povezana na enak priključek na diferencialnem tlačnem pretvorniku. S takim odjemom smo dosegli aerodinamsko povprečenje tlaka tlačnih odjemov,

‐ izstopu iz toplotne črpalke, kot je prikazano na sliki 3.13 (b), kjer smo prav tako uporabili metodo aerodinamskega povprečenja tlaka.

(52)

24

Slika 3.13: (a) Aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na pokrovu filtra pred toplotno črpalko, (b) aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na izstopu iz toplotne črpalke

Za merjenje spremembe tlaka na ventilatorju smo uporabili tlačne odjeme na:

‐ pokrovu zadnje stene. Slika 3.14 (a) prikazuje tlačni odjem izdelan v drugem prekatu, kjer so na steni, ki meji s pretočnim traktom izdelane manjše luknje, kot je to prikazano na sliki 3.14 (b). Te so namenjene izenačevanja tlaka s pretočnim traktom, tako dosežemo pravilno zajemanje statičnega tlaka na steni pokrova,

‐ vstopnem kanalu ventilatorja, kjer smo prav tako uporabili metodo aerodinamskega povprečenja tlaka, kot je to razvidno iz slike 3.14 (c).

Slika 3.14: (a) Tlačni odjem na pokrovu zadnje stene, (b) izdelane luknje za izenačevanje tlaka med prekati, (c) aerodinamsko povprečenje tlačnih odjemov na vstopu v ventilator

(53)

25

3.3.3 Postopek izvedbe eksperimenta

Tlake smo merili pri 24 različnih pretokih. Pretok smo med meritvijo spremljali posredno kot tlačni padec na zaslonki, iz česar je bil v nadaljevanju (poglavje 3.3.4) ob upoštevanju še preostalih faktorjev, izračunan pretok v skladu s standardom ISO 5167-2:2003 [19]. Stroj smo nastavili na izbrani program (nem. Auffrischen), (v nadaljevanju uporabljen kot slovenski prevod Osvežitev), pri katerem sta boben in ventilator v teku, medtem ko kompresor toplotne črpalke ne obratuje. Tako smo pretok v začetni fazi ustvarjali samo z ventilatorjem sušilnega stroja in minimalno odprtim dušilnim elementom na zunanjem ventilatorju. Dušilni element smo postopoma odpirali, dokler nismo dosegli maksimalnega pretoka, ki ga je ventilator sušilnega stroja pri danih vrtljajih zmožen ustvariti. Od tu naprej smo pretok povečevali s pomožnim ventilatorjem, ki smo ga krmilili s frekvenčnim pretvornikom. Pri vsaki nastavljeni točki pretoka oziroma tlačnega padca na zaslonki smo beležili:

‐ porast tlaka na ventilatorju,

‐ padec tlaka na toplotni črpalki.

3.3.4 Preračun pretoka skozi zaslonko

Kot že omenjeno smo na podlagi izmerjenega tlačnega padca na ostrorobi zaslonki izrazili pretok. Definiran je z enačbo (3.1) in je poleg tlačnega padca ∆p_zasl odvisen še od koeficienta uporabljene ostrorobe zaslonke 𝑘_{𝑧𝑎𝑠𝑙} in gostote medija ρ, ki obteka ostrorobo zaslonko [19].

𝑉̇ = 𝑘_{𝑧𝑎𝑠𝑙}∙ √∆𝑝_{𝑧𝑎𝑠𝑙}

𝜌 (3.1)

Gostoto smo izrazili z enačbo (3.2), kjer je treba poznati specifično plinsko konstanto, tako suhega zraka 𝑅_𝑑 kot vodne pare 𝑅_𝑣, parcialni tlak nasičenega zraka 𝑝_𝑠𝑎𝑡 in realni atmosferski tlak 𝑝_𝑎𝑡𝑚, ki ga je treba preračunati za nadmorsko višino, kjer so bile meritve opravljane. V enačbo smo vstavili temperaturo 𝑇, relativno vlažnost 𝜑 in tlak 𝑝_𝑠𝑎𝑡 okolice, saj je bil kompresor toplotne črpalke ob opravljanju meritev izklopljen, kar pomeni, da so vrednosti temperature, vlažnosti in gostote procesnega zraka primerljive z vrednostmi okolice [20].

𝜌 =𝑝_𝑎𝑡𝑚− (𝜑 ∙ 𝑝_𝑠𝑎𝑡)

𝑅𝑑∙ 𝑇 +𝜑 ∙ 𝑝_𝑠𝑎𝑡 𝑅𝑣∙ 𝑇

(3.2)

Rezultati meritev in preračuna so prikazani v poglavju 4.2.

(54)

26

3.4 Meritve pretočnih karakteristik pri različnih polnitvah suhega perila

Delovno točko sušilnega stroja smo določevali pri treh različnih masah polnitve suhega perila pri običajnem obratovanju zaprtega tipa, kar pomeni, da procesni zrak kroži znotraj pretočnega trakta sušilnega stroja. Program sušenja je bil nastavljen na program Osvežitev, pri katerem sta boben in ventilator v teku, medtem ko kompresor toplotne črpalke ne deluje.

Poleg meritve s polnitvami suhega perila smo opravili še meritev brez polnitve, s čimer smo določili referenčno delovno točko.

3.4.1 Eksperimentalna postaja

Shema eksperimentalne postaje z mesti postavitve merilne opreme, je prikazana na sliki 3.15. Eksperimentalno postajo sta sestavljala dva tlačna pretvornika znamke Endress Hauser PMD235 za zajemanje padca tlaka na toplotni črpalki in porasta tlaka na ventilatorju, kjer so bili odjemi izvedeni enako kot v eksperimentu določanja karakteristike ventilatorja in uporovne karakteristike toplotne črpalke, kot je to opisano v poglavju 3.3.2. Za zajem podatkov smo uporabili modularno merilno kartico tipa cDAQ-9147 proizvajalca National Instruments. Vrednosti sprememb tlaka na toplotni črpalki in ventilatorju smo zajemali modulom NI9205. Zajem in prikaz zajemanja vseh veličin smo izvedli z namenskim programom izdelanim v programskem orodju NI Labview.

Slika 3.15: Shematski prikaz eksperimentalne postaje za določitev sprememb tlakov na toplotni črpalki in ventilatorju s prikazom mest postavitve diferencialnih tlačnih pretvornikov

(55)

27

3.4.2 Postopek izvedbe eksperimenta

Meritve smo opravljali pri polnitvi 4, 6, 8 kg in enkrat brez perila. Pri meritvah s perilom je bilo to pripravljeno po standardu BS EN 61121:2013 [21]. Standard določa standardno perilo standardne velikosti, ki je sestavljeno iz rjuh, prevlek za blazine in krp. Glede na maso polnitve je določeno število kosov posamezne vrste perila, kot je to prikazano v preglednici 3.3.

Preglednica 3.3: Število kosov perila pri posamezni polnitvi perila [21]

Masa

polnila Število rjuh Število prevlek za

blazine Število krp

4 kg 2 4

število, da dosežemo polnilno maso

6 kg 2 8

8 kg 3 14

Perilo smo v sušilni stroj zložili po navodilih podjetja Gorenje, ki določa način in zaporedje zlaganja perila ter zagnali program Osvežitev. Preden smo zagnali meritev, smo pustili stroj delovati 3 minute, toliko da se je perilo nekoliko prerazporedilo. Podatke smo zapisovali z namensko izdelanim programom v programskem orodju Ni Labview, kjer smo število zapisanih vzorcev nastavili na 6000 s frekvenco vzorčenja 10 𝐻𝑧, kar nanese 10 minut zajemanja. Program je poleg navedenega izračunal povprečje in standardno deviacijo spremembe tlaka. Vse omenjeno je mogoče razbrati iz slike 3.16, ki predstavlja posnetek zaslona računalnika ob uporabi programa.

Rezultati meritev so prikazani v poglavju 4.3.

Slika 3.16: Posnetek zaslona računalnika uporabe programa LabView

(56)

28

3.5 Preračun vpliva prilagoditve vrtilne frekvence, premera in višine na delovno karakteristiko ventilatorja

Glede na rezultate, kjer je bilo ugotovljeno, da se delovne točke nahajajo v nestabilnem področju delovne karakteristike ventilatorja (rezultati v poglavju 4.3), smo z namenom obratovanja v stabilnem območju ugotavljali, kako sprememba vrtilne frekvence, premera in višine ventilatorja vpliva na delovno karakteristiko ventilatorja in posledično lego delovnih točk.

Na podlagi podobnostnih števil oziroma afinitetnih zakonov smo izpeljali enačbe za pretok in tlak, na podlagi katerih smo s programskim orodjem Microsoft Excel izračunali točke za izris novih karakteristik ventilatorja ob spremembi vrtilne frekvence (𝑛) in enakem premeru (𝑑), pri različnem premeru in enaki vrtilni frekvenci in spreminjanju tako višine (𝑏), kot premera ventilatorja.

Rezultati so predstavljeni v poglavju 4.4.

3.5.1 Vpliv vrtilne frekvence na delovno karakteristiko ventilatorja

Za izpeljavo pretoka in tlaka za izris delovne karakteristike prototipnega ventilatorja smo uporabili afinitetne zakone (predstavljene v poglavju 2.2.3), ki so izpeljani iz podobnostnih števil (preglednica 2.1).

Z indeksom 1 so označene veličine originalno vgrajenega ventilatorja v sušilnem stroju poimenovan serijski ventilator SV. Indeks 2 pa označuje veličine ventilatorja, ki ga preračunavamo, poimenovan kot prototipni ventilator PV.

3.5.1.1 Izpeljava pretoka

Za izračun pretoka PV (𝑉̇₂) smo uporabili enačbo (2.5).

𝑉̇₂

𝑉̇₁= (𝑑_𝑧2 𝑑_𝑧1)

3 𝑛₂

𝑛₁ (2.5)

Enačbo (2.5) smo poenostavili na enačbo (3.3), saj velja, da je zunanji premer SV (𝑑_𝑧1) enak zunanjem premeru PV (𝑑_𝑧2).