Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

TUDOMÁNYOS HÉT 2014. A cél általános érvényű modell felállítása, melyek egy lakótér leggyakoribb „üzemállapotainál” (a fűtési rendszerben történt technológiai,

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "TUDOMÁNYOS HÉT 2014. A cél általános érvényű modell felállítása, melyek egy lakótér leggyakoribb „üzemállapotainál” (a fűtési rendszerben történt technológiai,"— Előadás másolata:

1 TUDOMÁNYOS HÉT 2014

2 A cél általános érvényű modell felállítása, melyek egy lakótér leggyakoribb „üzemállapotainál” (a fűtési rendszerben történt technológiai, ill. üzemviteli módosítások, a hőenergia-szolgáltatás zavarai, s a környezeti hőmérséklet ingadozó jellege esetén) a zavarok céljellemzőre (léghőmérsékletre) gyakorolt hatását, s ezeket egymástól függetlenítve is képes jellemezni. Irányítási rendszert megtervezni az instacionárius működés ismeretében lehetséges, követelmény a tranzienseket, az állandósult állapotok közötti időszakot leíró modellek létrehozása, a folyamatdinamika ismerete. A következőkben az a priori modellezési technikát követve, megmaradási törvényeket felállítva - élve a munkaponti linearizálással - határozhatjuk meg az egyes üzemviteli alternatíváknál az operátor-tartománybeli átviteli függvényeket. Utóbbiak inverz Laplace-transzformálásával a tranziensek lefutása szemléltethető. Az egyes átviteli függvények az adott üzemállapotnál egyértelműen jellemzik a folyamatdinamikát, melyhez kiválasztható a megfelelő irányítási rendszer, megtervezhető az irányítási stratégia. Az előadás egy kiválasztott modellstruktúra esetén a szimuláció eredményeit, a modellparaméterek meghatározásának menetét kívánja bemutatni kísérleti identifikációt alkalmazva, publikációs adatokat hasznosítva.

3 1. ábra. A hőtranszport összetevői. homogén hőmérséklet-eloszlás lapradiátorok csőradiátor q vl ρ l c pl ϧ lk háromútú szabályozó- szelep αA( ( ϑ fk - ϑ lk ) q vf ρ f c pf ϧ fk q vf ρ f c pf ϧ fb αtAt ( ϑ lk - ϑ t ) αk2 A k2 ( ϑ lk - ϑ k ) αk3 A k3 ( ϑ lk - ϑ k ) q vl ρ l c pl ϧ lb légtér-belső falazat közötti hőátvitel konvekció sugárzás radiátorok hőátbocsátása hőátbocsátás környezet felé hőátbocsátás környezet felé előremenő fűtővíz visszatérő fűtővíz friss levegő αsαs αcαc αk1 A k1 ( ϑ lk - ϑ k )

4 Jelölések: ( - fűtőközeg térfogatsebesség; - fűtőközeg sűrűség; - fűtőközeg fajhő;, - a fűtőközeg belépési, kilépési hőmérséklete; - légtér hőmérséklet;, A - a radiátorok hőátadási tényezője, hőátadásra hasznosítható felülete; - folyadéktérfogat;, A k - hőátadási tényező, hőátadó felület környezet felé; - környezeti hőmérséklet; - levegő sűrűség, állandó nyomáson mért fajhő; - légtér térfogat; - a belső válaszfalak hőátbocsátási tényezője; - a beltéri falak hőmérséklete;,,, - a válaszfalak felülete, térfogata, sűrűsége, fajhője; t - időkoordináta).

5 A modell-struktúra rögzítése A fűtőközegre (belépési és kilépési csőszelvényénél értelmezhető konvekció, a fűtött légtér felé a radiátorok közvetett hőátadása, s a fűtőközeg hőáramának időbeli változása) az energia- megmaradási egyenlet:. Hőmérleg a lakótér légterére (szellőztetés esetén a belépő és távozó légáramra vonatkozó konvektív hőáram különbözet; a nyílászárókon, falazaton át a környezet felé irányuló, továbbá a légtér és a belső válaszfalak közötti átadásos áram, s a lokális változás):. A belső falazat és a légtér közötti hőátszármaztatásra:. A nemlineáris differenciál-egyenletek a munkaponti linearizálással átalakítva (időfüggő változók: munkaponti értékük, s ettől való eltérésük összege).

6 A fűtőközegre (belépési és kilépési csőszelvényénél értelmezhető konvekció, a fűtött légtér felé a radiátorok közvetett hőátadása, s a fűtőközeg hőáramának időbeli változása) az energia- megmaradási egyenlet:, a légtérre: a légtér és a falazat közötti hőátszármaztatásra:.

7 Az állandósult állapotra hőmérleg a fűtőközeg:, a légtér: s a beltéri falazat esetén: Képezve a kéttagú kifejezések szorzatát, eltekintve a másodrendűen kicsiny mennyiségektől, s levonva előbbiekből az állandósult állapotokra vonatkozó egyenleteket (lineáris differenciál- egyenleteket nyertünk), alkalmazható a Laplace-transzformáció. A transzformált algebrai egyenletek a fűtőközegre:,

8 a légtérre :, a belső falazatra:. Bevezetésre kerültek a Stanton-számként értelmezhető konstansok, s az áramló fűtővíz és a friss- levegő átlagos tartózkodási idejét jelentő időállandók:,,,,,,. A fűtőközeg kilépési hőmérsékletére ( ) rendezett formák alapján (bevezetve: ):

9 . Kiemelve a légtér-hőmérséklet Laplace-transzformáltját, s elkülönítetten szerepeltetve az irányítandó objektum (lakótér) bemeneti-, valamint állapot-jellemzőit (az alapjel-követésre vonatkozó és az egyes zavar-átviteli függvények leszármaztatására alkalmas formát nyertünk), tehát.

10 Az előbbi kifejezésből leszármaztatjuk az alapjel-követésre vonatkozó és az egyes zavar- átviteli függvényeket. A Stanton-számok bevezetésével, s a munkaponti értékek figyelembevételével az állandósult állapotra vonatkozó hőmérleg a fűtőközeg:, a légtér:, s a beltéri falazat esetén:. A munkaponti egyenletek értelmezése alapján :,,,.

11 Az eredő átviteli függvénybe behelyettesítve a konstansként tekintett modell-paramétereket meghatározhatók a zavarátviteli, illetve az alapjel-követésre vonatkozó átviteli függvények. A légtér hőmérsékletére kifejtett hatása a belépő levegő hőmérséklet-változásának:, a fűtővíz belépési (előremenő) hőmérséklet-változásának:, a környezet hőmérséklet-ingadozásának:,, a friss-levegő áram bevezetés, a szellőztetés igénybevételének:,

12 A fűtővíz árama - mint módosított jellemző – változtatásának a céljellemzőre gyakorolt hatása (alapjel-követésre vonatkozó átviteli függvény):.. Az átviteli függvényeknek 3 részlettörtre bontott, gyöktényezős alakja:,.

13 Időállandós formák:,.

14 Az előbbi átviteli függvények az operátor-tartományban három, konstansokkal szorzott PT 1 jelátviteli tag összegeként tekinthetők, melyek általános alakban megadva:,, (ahol - az elsőrendű tagok időállandói). Digitális (mintavételes) irányítási rendszer megtervezéséhez, intelligens rendszerek szimulálásához, létrehozásához, működtetéséhez – a folyamatos elemet, esetünkben az átviteli függvényével jellemzett lakótéri objektumot – szükséges kiegészíteni tartó-, s mintavételező szervvel, majd meghatározni az így nyert tagcsoport impulzus-átviteli függvényét. Ez teszi lehetővé az irányítási algoritmussal működtetett objektum vizsgálatát, modellezését, számítógépes szimulációját, az optimális üzemeltetés meghatározását.

15 Az előbbi, az irányítandó objektumra (lakótér), mint szakaszra jellemző impulzus-átviteli függvényeket a közös nevezőre-hozás során polinom alakban felírva, a nyert impulzus-átviteli függvények alakja az alábbi:

16 ( ahol - az elsőrendű tagok időállandói ; - mintavételi idő; ). Az előbbiekben vázolt, a lakóteret jellemző „szakasz-dinamikák” alapján jellemeztük a végbemenő hőtechnikai változásokat, továbbá ezekhez illesztettük az irányítási rendszer algoritmusát, azok egyes alternatíváit.

17 A modell-paraméterek meghatározása A folyamatdinamikai modellek egyes modell-paramétereinek (üzemviteli-, konstrukciós-, ill. anyagjellemzők), az állapotjellemzők munkaponti értékeinek meghatározására kísérleti identifikációra került sor. Az előbbiek a fűtési időszakban egy hőszigeteléssel ellátott, gázkazánnal, időjárásfüggő szabályozóval felszerelt társasházi, ~ 75 m 2 –es lakótér esetén valósultak meg. A méréssel meghatározott jellemzők az alábbiak: környezeti-, helyiség-, melegvíz-, előremenő, ill. visszatérő fűtővíz-hőmérséklet; az áramoltatott fűtővíz térfogat-sebessége, 3-útú motoros szelep nyitása; a gázfogyasztás pillanatnyi, ill. integrált értéke; a szellőztetést biztosító frisslevegő térfogatsebessége; a légtér, a külső és a beltéri falazat, a fűtőrendszer folyadékterének geometriai jellemzői.

18 A modellépítésnél felhasznált - működtetéssel, konstrukcióval, hőtraszporttal kapcsolatos - főbb jellemzők fűtőközeg sűrűség : 989,82 kg/m 3 ; fűtőközeg fajhő : 4176 J/kg K; hőátbocsátási tényező (a fűtővíz-légtér között) : 10,5 W/m 2 K; hőleadók hasznosítható felülete : 16,741 m 2 ; fűtőközeg folyadéktérfogat : 0, m 3 ; hőátbocsátási tényező (lakótér-környezet) : 0,586 W/m 2 K; hőátadó felület környezet felé : 116,58 m 2 ; levegő-sűrűség : 1,293 kg/m 3 ; levegő állandó nyomáson mért fajhő : 1012 J/kg K; légtér térfogat: 174,1m 3 ; hőátadási tényező (a légtér és a belső falazat között) : 2,72 W/m 2 K; a beltéri válaszfalak térfogata : 5,48 m 3 ; válaszfalak felülete : 45,63 m 2 ; a tégla fajhője : 880 J/kg K, ill. sűrűsége : 2500 kg/m 3 ; a szellőztetés légáramának, ill. a fűtővíz térfogatáramának munkaponti értéke: 0,171 m 3 /s, ill. 0, m 3 /s.

19 Radiátorok hőátbocsátása ( hőátvitel a fűtővíz, ill. légtér között) Az a 1 Stanton-szám meghatározásának menete, (90/70/20 - névl. hőfoklépcső), számítása (konvekciós hőátadási tényező) Hatványszorzatok dimenziójának egyezőségét feltételezve:, alapmennyiségek kitevőit összevetve, s rendezve nyerjük a hőáramlás Nusselt-típusú függvényeit (hasonlóságelmélet alapján bevezetett dimenziómentes mennyiségek kapcsolatát): (konst.)Re a Pr b Gr c,,. ( konst.)(GrPr) m =(konst.), 10 9 ≤ Gr Pr ≥ esetén: Nu = 0,13 (Gr Pr) 0,33,.

20 számítása (sugárzásos, radiációs hőátadási tényező). (abszolút fekete test sugárzási együtthatója), (, feketeségi fok) radiátorok felületének feketeségi foka hőmérséklet-tartományban:, így. «, ezért. A sugárzásos, levegő-oldali hőátadási tényező:. Összegezve a teljes (levegő)-oldali hőátadási tényező:..

21 számítása (belső-oldali, fűtővíz-oldali hőátadási tényező) Nusselt függvények alakjai csőbeni (esetünkben a lapradiátorok függőleges vízcsatornáiban megvalósuló) folyadékáramlás esetére:. Összegezve a lapradiátorok eredő hőátbocsátási (hőátviteli) tényezőjére:.

22 Radiátorok hőátbocsátása ( hőátvitel a fűtővíz, ill. légtér között) Az a 1 Stanton-szám meghatározása Az 5 darab, különböző osztás-számú, azonos (0,6 m) magasságú, két konvektor-lemezzel szerelt, DUNAFERR-LUX-uNI-DK 22 típusú acél lapradiátoroknak összesített hőtel- jesítménye (katalógusból, 90/70/20 hőfoklépcső esetén, névleges adat): 10,116 kW. Az identifikációs mérések során átlagosan a fűtővíz előremenő hőmérsékletére visszatérő hőmérsékletére ( átlagként a hőátadó felületek közepes hőmérséklete :. A légtérben mért hőmérséklet 21 átlagértékkel rögzítve (hősugárzással kapcsolatos számításoknál ez a térhatároló felületek eredő közepes hőmérséklete is). A radiátorok tényleges hőleadása: (ahol - a tényleges hőteljesítmény; - a névleges hőteljesítmény (katalógus-adat); n - a radiátor típusától, magasságától függő állandó, kettős konvektorlemezzel ellátott (DK- típusú) lapradiátor esetén javasolt érték : 1,33).

23 A tényleges közepes hőmérséklet-különbség:, behelyettesítéssel a tényleges hőteljesítmény:. A nevezett radiátor-típusnál a 90/70/20 hőfoklépcső esetén katalógusból vett, hosszegységre vonatkozó névleges hőteljesítmény :, ez a tényleges üzemállapotra átszámítva:. Az indokolt radiátor-hossz (melyből a tagszám, osztás-szám helyiségenként meghatározható):.

24 s ez jó egyezőséget mutatott az alkalmazott 5 db. radiátor teljes, tényleges hosszával. Vizsgált rendszerünkben a hőátvitel három alapvető fajtája (hővezetés, konvekció, hősugárzás) egyidejüleg jelen van. Radiátoros fűtésnél a hő a fémfal mellett turbulens áramlásban lévő folyadékból a radiátorlemezen át jut a légtérbe (az áramló fűtőközeg és a fal érintkezési felületénél létrejövő, lamináris jellegű filmrétegben alakul ki a belső folyadéktömeg és falfelület közötti hőmérsékletesés döntő hányada, a radiátorlemez külső felülete és az ezzel érintkező levegőréteg határánál ugyancsak vékony filmréteg). A légtérbe történő hőátvitel hőmérséklet- különbségből eredő sűrűségkülönbséget, ez a légnemű közeg elmozdulásával járó természetes konvekciót (szabadáramlást) eredményez. A turbulens, ill. lamináris fluidumok filmvastagsága, a filmek határfelületén a hőmérséklet, ill. a falhőmérsékletek nem, ill. nehezen mérhetők, ezért a határrétegekben megvalósuló hőátvitel számszerű jellemzésére kísérletileg meghatározott külső-, ill. belső-oldali hőátadási tényezőt (ez számszerűsíti a turbulens, ill. lamináris mozgással jellemezhető fluidum-tömeg, előbbi és a film közötti átmeneti réteg, s a film termikus sajátosságait), a csőfalon történő hővezetést meghatározó hővezetési tényezőt, ill. a falvastagságot figyelembevevő k hőátbocsátási (hőátviteli) tényezőt alkalmaznak az alábbiak szerint:

25 . (a radiátor acéllemez falának vastagsága 1,25 mm, a konvektor-lemezek vastagsága 0,4 mm; a DK - jelű radiátorok szélessége 97 mm, a függőleges vízcsatornák osztása 50 mm, így =4,55 m összes hosszúság esetén ez 2×91 db függőleges vízcsatornát jelent). Radiátorok hőátbocsátási tényezőben a domináló a külső-oldali hőátadási tényezőt tartalmazó tag. A hőleadók hőteljesítményének meghatározására: (ahol - hőteljesítmény; - hatásos hőátadó felület). A radiátorok hőleadása konvekcióval és sugárzással valósul meg. A külső-oldali hőátadási tényező megadható konvekciós és sugárzásos összetevők összegeként: (ahol,, - külső-(levegő)-oldali eredő, konvekciós, sugárzásos hőátadási tényező).

26 A konvekciós hőátadás mértékét számos jellemző (v – sebesség, - fajhő, g - köbös hőtágulási tényező * gravitációs gyorsulás), l – hossz, - hőmérséklet-különbség, - viszkozitás, - sűrűség, - hővezetési tényező) aktuális értéke befolyásolja. A dimenzióanalízis alkalmazásával felderíthetők a változók közötti összefüggések, s minimalizálható a változók száma. A hőáramsűrűség (alapmennyiségek: Q – hőmennyiség; L – hosszúság; - idő), s az előbbi független változók behelyettesítésével nyert hatványszorzatok dimenziójának egyezőségét feltételezve:, az egyenlet két oldalán szereplő alapmennyiségek kitevőit összevetve, s rendezve nyerjük a hőáramlás Nusselt-típusú függvényeit:. Az előbbi függvénykapcsolatot kissé átrendezve, s a hasonlóságelmélet alapján bevezetett dimenziómentes mennyiségek szokásos jelölését alkalmazva: (konst.)Re a Pr b Gr c.

27 (ahol Nu – az átadásos és a vezetéses hőáram hányadosaként értelmezett Nusselt-szám; Re – a tehetetlenségi erő és a belső súrlódási erő hányadosaként ismert Reynolds-szám; Pr – a Peclet-szám (a konvektív és vezetéses hőáram viszonya) és a Reynolds-szám arányaként adódó Prandtl-szám; Gr – a térfogategységre eső felhajtóerő és a belső surlódási erő viszonyaként megadható Grashof-szám). Az előbbi összefüggésben szereplő hatványkitevők és a konstans értékei függenek az áramlási viszonyoktól, a szerkezeti kialakítástól, az anyagjellemzőktől, az üzemviteli paraméterektől, tehát a hőátvitel körülményeitől. Lapradiátorok esetén a levegő-oldali konvekciós hőátadási tényező meghatározására – függőleges, sík falak mentén kialakuló, szabadkonvekciós, határtalan térben kialakuló hőátadást feltételezve – az előbbi összefüggésnek megfelelő Nusselt-típusú egyenlet alábbi változata: (konst.)(GrPr) m =(konst.) került alkalmazásra, s 10 9 Gr Pr esetén: Nu = 0,13 (Gr Pr) 0,33.

28 Gázjellemzőket behelyettesítve a dimenziómentes számok kifejezésébe: Gr Pr=. a Nusselt-számra adódó érték:. A konvekciós hőátadási tényező (összetevője a teljes külső-oldali hőátadási tényezőnek):. Tekintsük a sugárzásos (radiációs) hőátadás alaptörvénye (Stefan-Boltzmann törvény) alapján a testek által kibocsátott, ill. elnyelt hőenergia számítására vonatkozó összefüggést (az ún. abszolút fekete, tökéletesen sugárzó test feltételezéssel): (ahol - hőenergia ; A – a sugárzásnál értelmezhető felület ; - Stefan-Boltzmann állandó : ; - hőmérséklet ).

29 A valóságban létező „szürke” testek - feketeségi fokuknak megfelelően - az előbbi hőenergia- értéknek csak bizonyos hányadát emittálják: (ahol - az feketeségi fokú ( ) test sugárzási együtthatója; - az abszolút fekete test sugárzási együtthatója: ). Két különböző hőmérsékletű felület közötti hőcsere az alábbi: ( ahol - az emittáló (1) és az elnyelő (2) felületre vonatkozó, kölcsönös sugárzási együttható; - a hőt sugárzó felület abszolút hőmérséklete; - a hőt elnyelő felület abszolút hőmérséklete). A kölcsönös sugárzási együttható számítására: (ahol, ill. - a hőt sugárzó, ill. elnyelő felület sugárzási együtthatója,, ill. - a hőt sugárzó, ill. elnyelő felület).

30 A radiátorok felületének feketeségi foka hőmérséklet-tartományban:, s így a sugárzási együttható:. Esetünkben «, ugyanis a hőt sugárzó radiátorfelület elhanyagolható a hőt felvevő környező légtérben értelmezhető térhatároló felületekhez képest, ezért. A térhatároló felületek hőmérsékletét azonosnak tekintve a légtér hőmérsékletével ( ), a sugárzással leadott hőáram: (ahol - a radiátor hatásos felülete;, ill. - a hőleadó felület közepes abszolút hőmérséklete, ill. a légtér átlagos abszolút hőmérséklete; - hőteljesítmény). Az előbbiek alapján az sugárzásos, levegő-oldali hőátadási tényező meghatározására:.

31 Elvégezve a behelyettesítést:. Összegezéssel a teljes (levegő)-oldali hőátadási tényezőre:. Szakirodalmi adatok alapján a konvekciós és a sugárzásos hőleadás aránya a teljes hőleadásban:, mely konvekciónál n =1,25…1,33, ill. sugárzásos hőleadásnál m =1,2…1.26 kitevő tartományban a kitevők változtatása esetén elemzi a névleges hőteljesítményből számított tényleges teljesítményadatok közötti eltéréseket.

32 A továbbiakban elemezzük a belső-oldali (fűtővíz-oldali) hőátadási tényező meghatározását, melyet befolyásol a kényszerített konvekciót eredményező, változtatható fordulatszámú keringtető szivattyú aktuális üzemállapota. Ebben az esetben a Nusselt-típusú függvényeket alkalmazva elsősorban a Reynolds- és a Prandtl-szám a domináló (a Grashof-szám figyelembevétele csak kis áramlási sebességeknél) Az előbbi Nusselt függvények egyik alkalmazható alakja csőbeni (esetünkben a lapradiátorok függőleges vízcsatornáiban megvalósuló) folyadékáramlás esetére: ( ahol - belső-oldali hőátadási tényező; - a függőleges vízcsatorna-keresztmetszet egyenértékű átmérője; - fűtővíz hővezetési tényező;, ill. - fűtővíz viszkozitása átlaghőmérsékleten, ill. falhőmérsékleten; - tömegáram-sűrűség egy függőleges vízcsatornában; - fűtővíz fajhő; - zavartalan úthossz; egy vízcsatorna magassága).

33 A továbbiakban elemezzük a belső-oldali (fűtővíz-oldali) hőátadási tényező meghatározását, melyet befolyásol a kényszerített konvekciót eredményező, változtatható fordulatszámú keringtető szivattyú aktuális üzemállapota. Ebben az esetben a Nusselt-típusú függvényeket alkalmazva elsősorban a Reynolds- és a Prandtl-szám a domináló (a Grashof-szám figyelembevétele csak kis áramlási sebességeknél) Az előbbi Nusselt függvények egyik alkalmazható alakja csőbeni (esetünkben a lapradiátorok függőleges vízcsatornáiban megvalósuló) folyadékáramlás esetére: ( ahol - belső-oldali hőátadási tényező; - a függőleges vízcsatorna-keresztmetszet egyenértékű átmérője; - fűtővíz hővezetési tényező;,ill. - fűtővíz viszkozitása átlaghőmérsékleten, ill. falhőmérsékleten; - tömegáram-sűrűség egy függőleges vízcsatornában; - fűtővíz fajhő; - zavartalan úthossz; egy vízcsatorna magassága).

34 Az egy vízcsatornára számított tömegáram-sűrűség és keresztmetszet alapján bevezethető a tömegáram (például a fűtővíz szabályozószelep 20%-os átlagos nyitása az identifikációs mérések idején - munkaponti értékként - 0,0027m 3 /min összes térfogatáramot jelentett, melynek egy vízcsatornára eső hányadát a víz sűrűségével beszorozva nyerhető a 0, kg/s érték). Az előbbi összefüggést átalakítva dimenziós alakra:. Behelyettesítve az anyag- és üzemviteli jellemzőket, a folyadék-oldali hőátadási tényezőre:. A korábbi összefüggésbe behelyettesítve a dimenziómentes számok (komplexek) alkalmazásával nyert hőátviteli jellemzőket, az eredő hőátbocsátási (hőátviteli) tényezőre:

35 . Tehát sor került a konvekciós és a sugárzásos hőhasznosítás elkülönítésére, számszerűsítésére. A sugárzásos hőátadásnál kitevőt rögzítve meghatározásra került a konvekcióra jellemző hatványkitevő. Az 5 darab lapradiátorokon túlmenően számolnunk kellett egy fürdőszobai csőradiátor és a csatlakozó csővezetékek hőleadásával is. A lapradiátorok hosszegységre vonatkoztatott névleges hőteljesítménye ( ) és a 4,55 m tényleges hossz alapján:, s így a lapradiátorok tényleges hőteljesítménye a korábbi összefüggés alkalmazásával (n = 1,3 esetén):

36 Az előbbi teljesítmény-érték részeként a sugárzásos hőteljesítményt a korábbi összefüggés alapján számítva, s ismerve a lapradiátorok hősugárzásnál hasznosuló, felületét: A különbözetként számított konvekciós hőteljesítmény: A „dupla konvektoros” radiátorok vizsgálataink idején 69,13 % - ban konvektív, 30,87 % - ban sugárzásos hőátadással üzemeltek, ami jó egyezőséget mutat a DK 22 típusú Dunaferr radiátorokra publikált adatokkal. Az előbbi arányokat elfogadva, s a korábbi összefüggést alkalmazva meghatározhatók a konvekciós és a sugárzásos hőleadást leíró tagokban szereplő kitevők értékei, s az így érvényes egyenlet az alábbi:. A fürdőszobai csőradiátor, valamint a fűtővízhálózat esetén ugyancsak számoltunk a természetes konvekcióval, valamint a hősugárzással. A következőkben meghatározásra került a lapradiátorok és a csőradiátor, csővezetékek alkotta fűtőrendszer teljes, együttes, légtér felé történő hőátbocsátása. Alkalmazva a lapradiátorokra és az egyéb hőforrásokra az alábbiakat:

37 , ill.. A hőátadásra szolgáló összes felület 16,741 m 2, melyből a lapradiátorok felülete (A lr ) 66,572 % -ot, az egyéb hőforrásoké (A cs ) 33,428 % -ot jelent. Az eredő hőátbocsátási tényezőt a lapradiátorok és az egyéb hőátadók felületarányokkal súlyozott tényezőiből számítva:. Az üzemviteli jellemzők behelyettesítésével nyert Stanton-szám, mely kapcsolatos a fűtőközeg és a légtér közötti hőátvitellel:.

38 Az a 2 Stanton-szám meghatározása Az alábbi képletbe történő behelyettesítés szolgáltatja az újabb dimenziómentes számot:. A szellőztetéssel (a filtráció figyelembevételével) belépő hideglevegő-áram munkaponti (az identifikációs mérések idején rögzített) értékének meghatározása hőmérsékletméréssel, ugrásszerű zavarással (nyílászárók nyitása -os hideglevegő beáramoltatásával), s a következő közelítő hőmérleg alkalmazásával: valósult meg. Ugyanis a 174,1 m 3 -es lakótérben mért 21 légtérhőmérséklet 5 - kal csökkent 5 min elteltével, tehát az előbbi, a légtérre felírt, konvektív tagokat és a lokális változást tartalmazó hőmérleg egyszerűsített alakjába való behelyettesítés: alapján.

39 A légtér és a környezet, valamint a légtér és a falazat közötti hőátvitel Az Stanton-szám meghatározása Az hőátbocsátási tényező egyik összetevőjeként : (ahol - a légtéri, ill. a kültéri levegőre vonatkozó belső-, ill. külső-oldali hőátadási tényező;, - hővezetési tényező, ill. rétegvastagság a belső vakolat, a téglafalazat, a hőszigetelés és a külső műanyag-vakolat esetén). Publikációs adatok szerint B30-as falazótéglából készült falazat hőátbocsátási tényezője hőszigetelés nélkül 1,5 W/m2K, s ez 5 cm-es hőszigeteléssel 0,52 W/m2K-re, 16 cm-es szigeteléssel 0,22 W/m2K –re csökkenthető. Előbbiek esetünkben egybeesést mutatnak a 10 cm–es hőszigeteléssel ellátott külső falazatra elvégzett számításokkal.

40 Homlokzati, üvegezett, PVC keretszerkezettel készült nyílászárók esetén a 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet szerinti követelményérték: 1,6 W/m2K, ezt tekinthetjük az eredő hőátbocsátási tényező másik, jelű összetevőjeként. Fűtetlen helyiségek feletti alsó zárófödém esetén pedig a harmadik összetevője az eredő hőátbocsátási tényezőnek - publikációs adatok alapján - az 0,5 W/m2K érték. A felállított folyamatdinamikai modellekben - a környezet felé történő, s a veszteségként tekinthető hőátvitelt jelentő átadásos tagban szereplő - eredő hőátbocsátási tényező a három eltérő értékű összetevő felületarányok szerinti súlyozásával került meghatározásra:. Ugyanis a vizsgált lakótér teljes külső síkfelülete 116,58 m2, melynek összetevői a hőszigetelt falazat, az üvegezett nyílászárók és a lakótér alatti szigeteletlen alsó zárófödém felülete teszi ki. A szükséges kalorikus, üzemviteli és anyag-jellemzők behelyettesítésével nyertük a dimenziómentes számot, mely kapcsolatos a külső környezet felé irányuló hőátvitellel:

41 Az Stanton-szám meghatározása Az hőátbocsátási tényezőt 12 cm-es, kisméretű téglára publikált, 2,72 W/m2K értékként rögzítettük. A beltéri válaszfalak felülete : At = 45,63 m2, térfogata : Vt = 5,48 m3 értékben került meghatározásra. Az ismert paraméterek behelyettesítésével nyert újabb Stanton szám: Az konstans, illetve az átlagos tartózkodási idők meghatározása A beltéri falazat geometriai és anyagjellemzőinek ismeretében :,

42 melynek reciproka 27 óra. Az 5 perces időtartamot jelentő szellőztetésnél értelmezhető ( ), illetve a fűtővízre meghatározható ( ) átlagos tartózkodási idő az alábbi törtekbe történő behelyettesítéssel nyerhető:, ill..

43 A hőtechnikai folyamatok számítógépes szimulációja Az eredeti, nemlineáris differenciál-egyenletek (nemlineáris modell), illetve a munkaponti linearizálással linearizált egyenletek (lineáris modell) adott feltételekre történő megoldása; a különböző üzemállapotok, beavatkozások, zavarások szemléltetése; a modell-megoldások összevetése; a tranziens lefutások közös koordináta-rendszerben történő ábrázolása. Lineáris modell nem számol az időfüggő változók szorzatával (ezeket „másodrendűen kicsiny” mennyiségként tekinti), de a lakótér fűtési időszakára definiált paraméter-beállítások, dinamikák, kisfrekvenciás időbeli változások esetén, s ezek szimulációja során nem mutatott számottevő eltérést a nemlineáris modelltől, az állapotteres leírással nyert megoldásoktól. A mellékelt futtatásokon megfigyelhető a zavarok hatása külön-külön és együttesen is, valamint az irányítandó objektum önálló, ill. különböző szabályozó algoritmussal történő működtetése.

44 A vizsgált objektumra a kétféle (nemlineáris, lineáris) modell-leírás és a - tranziensek lefutásaként szemléltethető - megoldásuk közötti csekély különbözőség indokolja, hogy a további épület-energetikai vizsgálatoknál, a több, egymástól részleges függetlenséggel működtetett lakótéri egységből felépülő épületek folyamatdinamikai modellezésénél kövessük e modellezési technikát, a tárgyalt munkaponti linearizálást. A 2. ábrán a lakótéri klímát befolyásoló bemeneti jellemzők (időbeli ingadozásuk következtében zavarást jelentő, ill. az előbbiek kompenzálására beavatkozási lehetőséget biztosító, időfüggő változók) ugrásszerű vizsgáló-jelként való megváltoztatására adott, a légtéri hőmérséklet alakulásában jelentkező válasz-függvények – átmeneti függvényekként – egymástól elkülönített dinamikákat szemléltetnek. A 3. ábrán a bemenetek időbeli jellege, alakulása a működtetett rendszerben tapasztalható tényleges változtatásokhoz igazodik (egyedi és együttes hatásuk követhető). A környezeti hőmérséklet napi, periodikus jelleggel történő ingadozása amplitúdójú szinusz- függvénnyel közelítve, a véges időtartamig tartó szellőztetés, valamint a lakás egyéb melegvíz- fogyasztásának belépésével jelentkező fűtővíz-hőmérséklet csökkenés ( ) jellegét négyszöglökésként definiálva. Az előbbiekre adott, a légtéri hőmérsékletben jelentkező válaszok a 3. ábra egyes diagramjain.

45 2. ábra. Zavarás-ugrás ill. módosított jellemző-ugrás bemenetre adott válasz-függvények: v 1 (t), v 2 (t), v 3 (t), v 4 (t), ill. v 5 (t).

46 3. ábra. A különböző zavarások tipikus jelszerű változtásának hatása a légtér hőmérsékletére a lakótér szabályozás-nélküli üzemeltetése során (a környezeti hőmérséklet napi periodikus változása szinusz-függvénnyel közelítve).

47 A 4. ábrán zavarás-mentes állapotban (bemeneti jellemzők munkaponti értékükön rögzítve), a különböző szabályozó algoritmussal (P-, PI- PID-) működtetett lakótéri objektum alapjel- követésre (a beállítandó lakótér-hőmérséklet -os ugrásszerű növelésére) vonatkozó válasz- függvényei szerepelnek a tényleges lakótéri hőmérséklet és a szabályozó-szelep nyitását követő módosított jellemző (fűtővízáram térfogatsebessége) tranziens lefutásának szemléltetésével. A szabályozó algoritmus beállított paraméterei (A R – a P-szabályozó arányossági átviteli tényezője; A I – az integráló szabályozó integrálási átviteli tényezője; A D, T * – a valóságos differenciáló elem (DT 1 jelátviteli tag) differenciálási tényezője, időállandója) nem az optimális beállítást (pl. minimális túllendülés, ill. beállási idő) jelentették, hogy jobban láthatók legyenek a lineáris, ill. a nemlineáris modell-megoldások között mutatkozó esetleges eltérések. Az 5. ábrán az előzőekben közölt szabályozó-paraméter beállítással és szabályozó algoritmussal (P-, PI- PID-) működtetett lakótéri objektum - ugyancsak a korábbiakban értelmezett alapjel-ugrásra és zavarójel-bemenetre vonatkozó - együttes válasz-függvényei szerepelnek a tényleges lakótéri hőmérséklet és a módosított jellemző tranzienseinek bemutatásával ( szabályozó paraméterek: A R =2* m 3 /sK; A I =5,4*10 -8 s -1 ; A D =0,117 s; T * =0,3145 s).

48 4. ábra. Alapjel-ugrás követése szabályozott lakótérben különböző szabályozó algoritmusok alkalmazása esetén (szabályozó paraméterek: A R =2* m 3 /sK; A I =5,4*10 -8 s -1 ; A D =0,117 s; T * =0,3145 s)

49 5. ábra. Az alapjel-követés (légtér-hőmérséklet alapértékének ugrásszerű megváltoztatására adott válasz) és az egymástól függetlenül fellépő zavarok kompenzálása különböző szabályozó algoritmusokkal (a környezeti hőmérséklet napi periodikus változása szinusz- függvénnyel közelítve; szabályozó paraméterek: A R =2* m 3 /sK; A I =5,4*10 -8 s -1 ; A D =0,117 s; T * =0,3145 s)

50 6. ábra. Szimulációs blokkséma.

51 Konklúzió A modellparaméterek ismeretében a működési egyenletekből munkaponti linearizálással nyert transzformált algebrai egyenletek, s az ezekből racionális törtként adódó átviteli függvények igen előnyösen, egymástól elkülöníthető módon, külön-külön jellemezhetik az energiaellátásban jelentkező zavarok hatását az üzemvitelre. A szimulációs futtatások igazolták a lineáris és a nemlineáris modell-megoldások közötti hasonlóságot. Így a lakótér egyes működési módjainak, üzemállapotainak a - bemutatott és alkalmazott munkaponti linearizálás eredményeként - nyert matematikai modellekkel történő leképezése, ezek segítségével az irányítási stratégiák felállítása, s az irányított rendszer szimulációja viszonylag egyszerű matematikai módszerekkel és számítógépes apparátussal volt elvégezhető. Célunk továbbra is olyan, intelligens épületirányítási rendszer megtervezése, mely a lakótéri egyedi, sajátos dinamikák alapján építi fel a többlakásos, többszintes lakóépület topológiáját, könnyen módosítható, s képes alkalmazkodni a helyi, lakótéri (lakásonkénti) igényekhez.

52 Irodalomjegyzék 1.R. Mohilla - B. Ferencz: Chemical process dynamics, Akadémiai Kiadó, Budapest, L. Szakonyi: Energetic model of an elementary pipe-segment of a steam-water network, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences. HU ISSN Akadémiai Kiadó, Budapest Vol. 2, No. 1. pp L. Szakonyi - I. A. Jancskar - Z. Sari: Energetic model for an elementary unit of a steamnetwork, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences. HU ISSN Akadémiai Kiadó, Budapest Vol. 1, No. 3. pp Szakonyi L.: Infokommunikációs technológia kidolgozása és regionális hasznosítása az energiaelosztás területén, Informatika a felsőoktatásban Konferencia, Debrecen, Konferenciakiadvány, pp (ISBN ) 5.Szakonyi L: Városi vízgőzhálózat modellezése és identifikációja. Doktori (PhD) értekezés. Pannon Egyetem, Veszprém, 155 p Szakonyi L.: Jelek és rendszerek, PTE PMMK jegyzet, Pécs Szakonyi L. – Jancskárné A. I.: Szabályozások, PTE PMMK jegyzet, Pécs, Szakonyi L-Jancskárné A. I.-Sári Z.: Regionális anyagáram-hálózat modellezése és identifikálása infokommunikációs rendszer kiépítésével, INFORMATIKA KORSZERŰ TECHNIKÁI KONFERENCIA, Dunaújváros, pp (ISBN: ) Csoknyai I.:Fűtéstechnika I.példatár, BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tsz, Budapest, Perry J. H.: Vegyészmérnökök kézikönyve, Műszaki Könyvkiadó, Bp Hodúr C. – Sárosi H.: Hőtani Műveletek, Jegyzet, Szegedi Tudományegyetem, Szeged, Garbai L. - Nagy L.: A hőleadók elméleti hőtechnikai kérdései, Magyar Épületgépészet, 2009/9. sz., p ) 13.Garbai L. - Radnai N.: A szekunder fűtési rendszerekben alkalmazott hőleadók hőtechnikai számításai, 2. rész, Magyar Épületgépészet, 2011/12. sz., p /12. sz., p Szakonyi L. - Jancskárné A. I.: Folyamatirányítás (Mintavételes szabályozási rendszerek), PTE PMMK jegyzet, Pécs, A. V. Oppenheim, A. S. Willsky: Signals and systems, Prentice-Hall, 1982.

53 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

54 7. ábra. Lakóterek kölcsönhatása.

55 8. ábra. Nyugati lakás hőtranszport-modellje.

56 9. ábra. Középső lakás hőtranszport-modellje.

57 10. ábra. Keleti lakás hőtranszport-modellje.

58

59

60


Letölteni ppt "TUDOMÁNYOS HÉT 2014. A cél általános érvényű modell felállítása, melyek egy lakótér leggyakoribb „üzemállapotainál” (a fűtési rendszerben történt technológiai,"

Hasonló előadás


Google Hirdetések