Osnove Tehnike Grejanja - AT1

Katedra za termotehniku Osnove tehnike grejanja

1-1

UVOD Grejanje je tehnika disciplina koja se bavi uslovima i ureajima za zagrevanje objekata

razliite namene u zimskim uslovima. To zagrevanje, u cilju obezbeivanja termikih uslova sredine, vri se uglavnom u skladu sa potrebama ljudi koji borave u zatvorenom prostoru. Ponekad, uglavnom u industrijskin objektima, tehnoloki proces koji se odvija, diktira termike uslove. Samo u tim sluajevima, ljudski faktor nije primaran.

Ventilacija predstavlja zamenu vazduha u prostoriji spoljnim, sveim vazduhom, a u cilju odravanja kvaliteta vazduha u prostoriji u zahtevanim granicama. Ventilacija moe biti:

prirodna (bez mehanikih ureaja) koja se ostvaruje prirodnim strujanjem vazduha kroz otvore na zgradi ili otvaranjem prozora. Ovaj vid ventilacije se jo naziva i provetravanje, i koristi se u objektima u kojima nema velikog izvora zagaenja;

prinudna (mehanika) koja se ostvaruje radom posebnog mehanikog sistema koji slui za dovoenje i odvoenje vazduha iz prostorije. Sistem za prinudnu ventilaciju uglavnom se sastoji od ventilatora za ubacivanje, ventilatora za izvlaenje vazduha i pripadajuih kanala za distribuciju vazduha.

Klimatizacija je najoptiji sistem za postizanje i odravanje termikih uslova ugodnosti u zatvorenim prostorima. Klimatizacija, pored grejanja i ventilacije ima i dodatne funkcije, kao to su:

regulacija relativne vlanosti vazduha u prostorijama, odravanje odreenog nivoa istoe vazduha i hlaenje prostorija u letnjem periodu. Predmet ovog kursa je tehnika grejanja, to podrazumeva upoznavanje sa osnovnim

principima same tehnike grejanja, ureajima i elementima sistema za grejanje, orjentisano na centralne sisteme grejanja. Cilj predmeta je sticanje znanja i vetina iz oblasti tehnike grejanja - o uticaju klimatskih parametara i uslovima ugodnosti, grejnim telima, prateoj armaturi i opremi, vrstama i nainima odavanja toplote; ovladavanje metodama za proraune gubitaka toplote prema razliitim standardima i korienje tih metoda prilikom izrade glavnog mainskog projekta sistema centralnog grejanja.

Postrojenja za centralno grejanje imaju niz prednosti u poreenju sa lokalnim ureajima. Centralno grejanje podrazumeva centralni izvor toplote, u kome se vri sagorevanje goriva na jednom mestu, odakle se toplota dalje distribuira do prostorija koje se greju. To omoguava bolju kontrolu procesa sagorevanja i vee iskorienje goriva. Istovremeno jeizbegnuto raznoenje goriva i skupljanje pepela na vie mesta i umanjuje se opasnost od pojave poara. Kod centralnih sistema je omogueno postavljanje grejnih tela uz spoljne zidove, to obezbeuje povoljnu raspodelu temperatura i bolje uslove ugodnosti, a grejna tela zauzimaju manje korisnog prostora. Ekonominost centralnih sistema naroiti dolazi do izraaja kod onih postrojenja kod kojih je ostvarena dobra regulacija. Meutim, sve dobre strane centralnog grejanja mogu doi u pitanje ako postrojenje nije projektovano i izvedeno na odgovarajui nain.

U istoriji oveanstva je bio dug put dok se dolo do dananjih sistema za grejanje i klimatizaciju. Pri tome su se nagovetaji modernih sistema javljali u davnim vremenima, ali je bilo potrebno da se stvore tehniki uslovi da bi grejanje dobilo dananji izgled preciznost i kvalitet.


1-2

1. TERMIKI PARAMETRI SREDINE I USLOVI UGODNOSTI 1.1 USLOVI UGODNOSTI I ODAVANJE TOPLOTE OVEKA Zbog ega se greju prostorije?

Prostorije u zgradama se greju da bi se stvorili povoljni uslovi za boravak ljudi u njima, ili kako se uobiajeno kae da bi se obezbedili termiki uslovi ugodnosti.

Laici obino misle da se prostorija greje da bi se ovek ogrejao, tj. primio toplotu od sistema za grejanje. Meutim, ovek uvek odaje toplotu okolini, a zagrevanje prostorija se vri da bi to odavanje toplote bilo u granicama ugodnosti za oveka. U oveijem organizmu se neprekidno odvijaju fiziko-hemijski procesi, koji se jednim imenom nazivaju metabolizam. Pri tim procesima se oslobaa toplota, koju ovek mora neprestalno da odaje da bi odrao stanje termike ravnotee, odnosno da bi odrao stalnu temperaturu tela. Koliina proizvedene i odate toplote zavisi od velikog broja faktora, od kojih je najvaniji fizika aktivnost, zatim slede starosna dob, pol, odevenost, itd.

Toplotu stvorenu metabolizmom ovek odaje okolini na vie naina to su tzv. mehanizmi odavanja toplote. Tako se razlikuje:

SUVA (osetljiva, osetna) toplota, koju ovek odaje preko povrine koe konvekcijom, zraenjem i kondukcijom i

LATENTNA (vlana) toplota, koju ovek odaje oslobaanjem vlage putem disanja i znojenja.

Srednja temperatura koe utie na odatu suvu toplotu sa tela na okolinu, ali i diktira koliinu isparavanja sa tela pod odreenim uslovima koji vladaju u okolini (kao to su: parcijalni pritisak vodene pare u okolnom vazduhu, temperatura okolnog vazduha, brzina strujanja vazduha oko tela). Temperatura koe na celoj povrini tela nije jednaka, a temperaturske razlike izmeu telesnog jezgra i povrine koe variraju. Ove varijacije na pojedinim delovima tela najizraenije su u uslovima hladne sredine, kada mogu da dostignu vrednosti do 10oC. Sa porastom temperature okoline, razliiti delovi tela i povrine koe se nejednako zagrevaju, tako da je telu na temperaturi okolnog vazduha od 32oC temperatura koe gotovo ujednaena. Opseg u kome varira temperatura koe kree se od 15oC do 42oC, to se moe deavati samo u kraem vremenskom periodu, jer inae dolazi do tetnih posledica po zdravlje oveka.

Unutranja telesna temperatura predstavlja reakciju tela na toplotno optereenje metabolikog porekla. Telesna temperatura je odreena nivoom toplotne metabolike produkcije i prenosom toplote sa oveka u okolinu. Normalna telesna temperatura u mirovanju i za ugodne uslove okoline je relativno konstantna vrednost, i kree se u uskim granicama od 36,1oC do 37,4oC. Ova temperatura, osim to zavisi od metabolizma i drugih navedenih uticaja, varira i tokom dana, pri emi je minimalna u ranim jutarnjim, a maksimaln u kasnim veernjim satima.

Znojenje je karakteristina termoregulaciona reakcija organizma za tople uslove okoline kao i uslove poveane fizike aktivnosti. Tada se znojenje javlja kao mehanizam rashlaivanja tela putem ispatavanja vlage. Isparavanje vlage se neprekidno odvija i u pluima, tokom disanja. Gubitak vode sa povrine koe je difuzuoni proces uzrokovan razlikom parcijalnog pritiska zasienja vodene pare na koi i parcijalnog pritiska vodene pare u okolnom vazduhu. S obzirom da se proces disanja i znojenja odvija stalno i pri normalnim uslovima, ovakav ukupni pasivni


1-3

gubitak toplote u vidu oslobaanja vlage naziva se latentno odavanje toplote. U mirovanju i ugodnim uslovima okoline ovek ovim procesom izgubi oko 40g/h vode. Aktivno znojenje poinje tek kada uobiajeno odavanje suve i latentne toplote padne ispod nivoa potrebnog za odravanje telesne temperature. To se obino javlja kao posledica boravka u toplim sredinama i vieg stepena fizike aktivnosti. Putem znojenja ovek uspeva da povea odavanje toplote ka okolini na taj nain to se toplota potrebna za isparavnje znoja (latentna toplota promene faze iz tene u gasovitu) oduzima od tela. U sluaju kada je intenzitet isparavanje vlage sa koe dovoljno visok, znoj isparava direktno iz pora u koi, povrina koe ostaje suva, pa se pojaano znojenje nee ni osetiti i nee se stvoriti neprijatan subjektivan oseaj. Intenzivno isparavanje vlage sa koe zavisi od parametara vazduha okoline.

Znoj osim vlage sadri i mineralne sastojke, pa prekomerno znojenje moe imati negativan uticaj na ovekovo zdravlje, s obzirom da se gube i velike koliine soli, to se mora nadoknaditi, kao i izgubljena voda.

Prijem toplotnih nadraaja se odvija preko koe, koja predstavlja jedinstven omota ovekove organske unutranjosti. U koi su smeteni termo-receptori, koji primaju toplotni nadraaj, transformiu ga u seriju nervnih impulsa koji se prenose nervnim sistemom do mozga. Primljena informacija se prosleuje do hipotalamusa, centra koji predstavlja osnovni regulator telesne temparature. Nakon obraene informacije, javlja se odgovor na nadraaj okoline u vidu odgovarajue reakcije. Meutim, pored fizioloke komponente F, reakcija oraganizma odreena je i psiholokom komponentom P, kao i povratnim dejstvom R.

Psiholoka komponenta formira se na osnovu mentalnog stanja osobe, prethodnog iskustva sa odreenim nadraajem, vrstom aktivnosti kojom se bavi, itd. Povratna komponenta moe se javiti kao posledica kratkotrajne ili dugotrajne adaptacije organizma na odreeni nadraaj. Na slici 1.1 je dat ematski prikaz reakcije organizma na toplotne nadraaje.

Slika 1.1 Reakcija organizma na toplotne nadraaje

Na odavanje toplote oveka utiu dve vrste parametara, a to su:

1. Uticaj sredine TERMIKI PARAMETRI SREDINE

temperatura vazduha (tv), temperatura okolnih povrina (tpov), realtivna vlanost vazduha () i brzina strujanja vazduha (w)

2. Lini (subjektivni) uticaji

stepen fizike aktivnosti, odevenost, zdravstveno stanje, uzrast (starosna dob), pol, telesna teina, itd.

NADRAAJ RECEPTORI MOZAK REAKCIJA ORGANIZMA

F, P

R


1-4

1.2 TERMIKI PARAMETRI SREDINE

Termiki parametri sredine koji utiu na uslove ugodnosti ljudi u zatvorenom prostoru su:

1.2.1 TEMPERATURA VAZDUHA utie na odavanje suve toplote konvekcijom, proporcionalno razlici temperatura tela i vazduha:

( )vclcclDukonv ttfAQ = (1.1) gde su

Qkonv toplota koju ovek odaje konvekcijom, ADu spoljna povrina telesnog omotaa (prema Dubois-u), fcl stepen odevenosti koji predstavlja odnos povrine odevenog tela prema

povrini nagog tela,

cl koeficijent prelaza toplote sa povrine odee na vazduh, tcl temperatura povrine odee i tv temperatura okolnog vazduha.

Za oveka prosene visine (h = 1,73m) i teine (m = 70 kg) vrednost spoljne povrine telesnog omotaa iznosi ADu = 1,8 m2.

Kada je koa prekrivena odeom, onda se javlja sloeni prenos toplote sa koe na spoljnu povrinu odee, koji obuhvata unutranje procese zraenja i kovekcije u sloju izeu koe i odee, kao i kondukciju kroz sloj odee. Zbog lakeg definisanja ovog naina prenosa toplote uvedena je bezdimenzionalna veliina Rcl, kao odnos ukupnog otpora prolazu toplote sa povrine koe do spoljne povrine odee prema toplotnom otporu odee od 0,155 m2K/W. Jedinica ovog bezdimenzionalnog otpora prolazu toplote kroz odeu je 1 clo = 0,155 m2K/W (jedan klo). U tablici 1.1 prikazane su neke vrednosti otpora prolazu toplote kroz odeu Rcl i stepena odevenosti fcl za pojedine komplete odee. Tabela 1.1 Vrednosti toplotnog otpora odee i stepena odevenosti

Vrsta odee Rcl (clo) fcl (-)

Naga osoba 0,0 1,00orts 0,1 1,00Veoma laka odea (orts, laka koulja kratak rukav, lake pamune arape i sandale) 0,3-0,4 1,05

Laka radna odea (laki pamuni donji ve, tanke pantalone, pamuna koulja, pamune ili vunene arape i lake cipele) 0,6 1,10

Tipino poslovno odelo (Pamuni donji ve, koulja, pantalone, sako, kravata, arape i cipele) 1,0 1,15

Tipino poslovno odelo sa lakim kaputom 1,5 1,15Teka vunena odea sa jaknom (polarna) 3,0-4,0 1,30-1,50

Jedan deo toplote koji se odaje disanjem, takoe predstavlja suvu toplotu, koja se javlja kao posledica razlike temperatura izmeu izdahnutog i udahnutog vazduha. Ova koliina toplote


1-5

jo zavisi od ventilacionog masenog protoka vazduha tokom disanja, i upravo je proprcionalna razlici temperatura i masenom protoku vazduha:

Qsd = f (md, tiz, tud) (1.2) Latentno odavanje toplote (vlage) oveka odvija se putem disanja i znojenja. Disanjem,

vodena para sa sluzokoe disajnih organa prenosi se na udahnut vazduh, koji se u pluima dodatno obogauje vodenom parom. Izdisanjem, vazduna masa struji kroz respiratorni trakt, gde se odreena koliina pare kondenzuje i vraa telu. I pored toga, izdahnut vazduh je topliji i vlaniji od udahnutog. Prema tome, odata latentna toplota disanjem proporcionalna je razlici sadraja vlage izdahnutog i udahnutog vazduha, kao i masenom protoku vazduha prilikom disanja:

Qld = f (md, xiz, xud) (1.3) Prilikom znojenja se takoe odaje lantentna toplota. Jedan deo te toplote se odaje usled

difuzije vodene pare kroz kou i proporcionalan je razlici pritiska zasienja vodene pare na temperaturi koe i parcijalnog pritiska vodene pare u vazduhu:

Qlz, dif = f (ps, pd) (1.4) Drugi deo latentne toplote koji se predaje vazduhu sa povrine koe usled znojenja jeste

toplota odata isparavnjem znoja. Ova veliina zavisi od stepena fizike aktivnosti, odnosno unutranje produkcije toplote, temperature i vlanosti okolnog vazduha.

Na slici 1.2 prikazan je dijagram odavanja suve i latentne toplote u funkciji temperature vazduha.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

temperatura vazduha (oC)

Q (W

)

Qu - teak rad

Qs - teak rad

Qu - srednje teak rad

Qs - srednje teak rad

Qu - mirovanje

Qs - mirovanje

Qlat

Slika 1.2 Uticaj tv na odavanje toplote oveka

Zona neutralnosti je ona oblast temperatura vazduha u kojoj je ukupno odavanje toplote oveka priblino ujednaeno, a odavanje latentne toplote manje unutar nje se nalazi ZONA UGODNOSTI. Zona ugodnosti se razlikuje u zavisnosti od fizike aktivnosti oveka.

1.2.2 TEMPERATURA OKOLNIH POVRINA utie na razmenu toplote zraenjem i proporcionalna je razlici etvrtih stepena temperature tela i temperature okolnih povrina:

( ) ( )[ ]44 otelaefR TTAQ = (1.5)


1-6

gde su:

Aef efektivna povrina zraenja (m2), Duclefef AffA = fef efektivni faktor zraenja povrine koji predstavlja odnos izmeu efektivne

povrine odee i ukupne spoljne povrine odee, zavisi od poloaja tela,

koeficijent emisije zraenja spoljne povrine odee, tefan-Bolcmanova konstanta, = 5,67 . 10-8 (W/m2K4), Ttela temperatura tela (K), To temperatura okolnih povrina (K). Zadovoljavajui oseaj ugodnosti kod ljudi se javlja kada je razmena toplote zraenjem

to ravnomernija. Pojam asimetrinog zraenja vezuje se za sluajeve kada ovek jednom svojom stranom odaje toplotu zraenjem prema hladnijoj povrini, a drugom stranom prima toplotu zraenjem od toplijeg tela. Na primer : pe u unutranjosti ovek prozor;

sunce na planini skija sneg.

Postoje pokuaji da se obe karakteristine temperature obuhvate jednom temperaturom koja bi bila merodavna za definisanje uslova ugodnosti; to je rezultujua temperatura:

ovrez tBtAt += . (1.6) Razliiti autori daju razliite vrednosti za konstante A i B, ali se najee usvajaju

vrednosti A = B = 0,5, odnosno uzima se aritmetika sredina ove dve vrednosti temperatura. GENERALNI STAV: Najbolje je da temperatura vazduha u prostoriji i temperatura

okolnih povrina budu ujednaene. Za isti oseaj ugodnosti to je nia to potrebna je via tv i obrnuto!

1.2.3 RELATIVNA VLANOST VAZDUHA utie, pre svega, na odavanje latentne toplote, proporcionalno razlici pritiska zasienja na povrini koe i parcijalnog pritiska vodene pare u vazduhu, o emu je ranije bilo rei.

Uticaj relativne vlanosti vazduha na uslove ugodnosti najbolje je posmatrati u sadejstvu sa temperaturom vazduha:

Visoka tv visoka vrednost - nepovoljno utie na uslove ugodnosti, jer se umanjuje latentno odavanje toplote oseaj sparine, tekog disanja niska vrednost - povoljno utie na uslove ugodnosti, jer pri visokim temperaturama vazduha omoguava bolje odavanje latentne toplote

Niska tv visoka vrednost - nepovoljno utie na uslove ugodnosti, jer izaziva vlaenje odee, pa samim tim i poveano odavanje toplote zbog smanjenog otpora kondukciji kroz odeu srednja vrednost - povoljno utie na uslove ugodnosti niska vrednost - nepovoljno utie na uslove ugodnosti, jer izaziva poveano odavanje latenetne toplote, suenje koe i sluzokoe.


1-7

Za zadovoljavajue uslove ugodnosti, granice relativne vlanosti vazduha treba da budu:

(30) 35 65 (70) %

1.2.4 BRZINA STRUJANJA VAZDUHA utie na:

odavanje toplote konvekcijom (vea brzina strujanja, vea vrednost ) i odavanje latentne toplote (vea brzina strujanja pospeuje intenzivnije isparavanje). Velike brzine strujanja vazduha izazivaju neugodan oseaj oseaj promaje, naroito pri

niskim temperaturama vazduha. Zbog toga se brzina strujanja vazduha ograniava u zoni boravka ljudi na vrednosti od 0,25 do 0,30 m/s.

Slika 1.3 Uticaj brzine strujanja vazduha i oblast termike ugodnosti

Kada se govori o termikoj ugodnosti, ne postoji nain da se to deterministiki odredi, ve se radi na osnovu oseaja veeg broja ljudi vre se laboratorijska ispitivanja na grupama ljudi koji se izloe odreenim termikim parametrima sredine, pa se belei njihova reakcija. Ovaj metod daje dobre rezultate kada se varira samo jedan od parametara. Meutim, na oseaj ugodnosti utie vie parametara koji se moraju posmatrati interaktivno.

Bilo je mnogo pokuaja da se uvede jedna veliina koja bi bila pokazatelj termikih uslova sredine, ali bez mnogo uspeha. Pri odreivanju uslova sredine treba teiti da svaki parametar bude u razumnim (prihvatljivim) granicama za datu namenu objekta (aktivnost ljudi, uobiajena odevenost). Pri tome se treba drati nekoloko osnovnih principa:

to je via tv treba da bude nia, to je nia tv w treba da bude nia i to je via to tv moe da bude nia. Zadatak tehnike grejanja je da, bez obzira na spoljne poremeaje, odrava zadate veliine

parametara u zatvorenom prostoru a to su parametri pri kojima se ovek osea ugodno.

ovek ima sopstveni sistem termoregulacije, kojim reaguje na promene termikih parametara okoline irenjem ili skupljanjem perifernih krvnih sudova, pojaanim znojenjem, jeenjem, drhtanjem, i dr., ali su te mogunosti samoregulacije ograniene! Tu u pomo stupa tehnika grejanja, hlaenja i klimatizacije, koja neutralie te poremeaje i smanjuje opseg neravnotea koje mora da savlada termoregulacija oveka.

16

18

20

22

24

26

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Brzina strujanja vazduha (m/s)

Tem

pera

tura

vaz

duha

(oC

)

Documents

Osnove Tehnike Grejanja - AT1