SE470194B - Förfarande för balansering av två fluidumflöden som genomströmmar en värmeväxlare samt anordning härför - Google Patents

Description

Jß \_'] ...A “(3 Å* 10 15 20 25 30 35 2 kommande flödet kommer undertryck att uppstå i lokalerna innebärande att ouppvärmd luft kommer att strömma in genom otätheter i konstruktionen, till exempel kring fönster och dörrar, och lokalerna kan komma att upplevas obehagligt dragiga. Om å andra sidan det inkommande flödet är större än det utgående uppstår övertryck i lokalerna och uppvärmd rumsluft kommer att strömma ut genom otätheter i konstruk- tionen utan möjlighet att avge en del av sin värmeenergi till den inkommande luften. Det finns därvid även en risk att den utströmmande luftens fuktighet kondenserar i konstruktionen, till exempel i ett vindsbjälklag, vilket på sikt kan ge fuktskador och mögelbildning.

Uppfinningens syften Föreliggande uppfinning syftar till ett förfarande för att på ett enkelt sätt möjliggöra balansering av fluidumflödena genom värmeväxlare i allmänhet och genom i ventilationssystem ingående luftvärmeväxlare i synnerhet.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att skapa en anordning som är enkel och billig att tillverka, samt enkel att installera även i befintliga värmeväxlar- system.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att skapa en anordning som är självadapterande, det vill säga som ej kräver något inställningsarbete vid installation.

Kort redogörelse för uppfinningstanken Ovanstående och ytterligare syften ernås genom ett förfarande vilket närmast kännetecknas av stegen att kontinuerligt eller intermittent förändra flödesmängden hos åtminstone ett av fluidumflödena, att mäta temperatu- ren i åtminstone ett av fluidumflödena nedströms om värme- växlaren, att genom att jämföra åtminstone två med tidsav- stånd från varandra registrerade temperaturvärden avkänna endera; en flödesmängd eller ett flödesmängdsförhållande där temperaturen i ett av flödena övergår från att för- ändras mycket vid en given ändring av flödesmängden till att förändras lite vid en motsvarande ändring av flödes- mängden och vice versa eller; en flödesmängd eller ett 10 15 20 25 30 35 'Û 394- .få Mg] 3 flödesmängdsförhållande där skillnaden mellan temperatu- rerna i de två flödena har ett minimum; samt låta åtmins- tone ett flöde variera kontinuerligt eller intermittent kring den avkända flödesmängden eller flödesmängdsför- hållandet.

Den uppfinningsenliga anordningen kännetecknas närmast av att densamma innefattar åtminstone en tempera- turgivare vilken är avpassad att införas i ett av fludium- flödena nedströms om värmeväxlaren, en elektrisk regler- krets med åtminstone ett minne för lagring av en eller flera av temperaturgivaren registrerade temperaturvärden och en jämförare för jämförelse av två eller flera med tidsavstånd efter varandra registrerade temperaturvärden, samt en flödesmängdsregulator för kontinuerlig eller intermittent reglering av åtminstone det ena fluidumflö- det, varvid reglerkretsen via flödesmängdsregulatorn och med ledning av resultatet från jämföraren är avpassad att ombesörja ökning eller minskning av åtminstone det ena fluidumflödet genom värmeväxlaren.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På de tillhörande ritningarna visas i fig l-6 schema- tiska diagram av flödestemperaturens variation som en funktion av flödesmängden och där: FIG l visar temperaturen i tilluften vid reglering av tilluftflödet, FIG 2 visar temperaturen i tilluften vid reglering av frånluftflödet, FIG 3 visar temperaturen i avluften vid reglering av tilluftflödet, FIG 4 visar temperaturen i avluften vid reglering av frånluftflödet, FIG 5 är ett sammansatt diagram som visar temperaturen i tilluften och avluften vid reglering av tilluft- flödet, FIG 6 är ett sammansatt diagram som visar tempereturen i tilluften och avluften vid reglering av frånluft- flödet, och iii _. .x \9 _25. 10 15 20 25 30 35 4 FIG 7-9 visar kopplingsscheman över tre olika föredragna utföranden av en reglerkrets enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning_av uppfinningen Föreliggande uppfinning kan utnyttjas i alla typer av värmeöverföringssystem där värmeväxlare ingår och sålunda även vid kylning. I efterföljande beskrivning kommer dock uppfinningen att beskrivas med hänvisning till ett venti- lationssystem med en luftvärmeväxlare för värmeåtervin- ning.

För att göra beskrivningen enklare och i möjligaste mån undvika missförstånd skall först definieras några begrepp som används. Med friskluft menas i beskrivningen obehandlad utomhusluft. Tilluft betecknar utomhusluft som behandlats på något sätt, till exempel passerat en värme- växlare. Frånluft avser obehandlad luft som lämnar en byggnad eller motsvarande och slutligen, med avluft menas frånluft som behandlats på något sätt, till exempel passe- rat en värmeväxlare.

Nu hänvisas till fig l vari visas ett schematiskt diagram av temperaturens variation i tilluften, det vill säga efter passage av värmeväxlaren, som en funktion av tilluftsflödets storlek. Såsom framgår har kurvan ett väsentligen linjärt första parti l, som är horisontellt eller lutar något uppåt i figuren, ett brant stupande väsentligen linjärt andra parti 2 samt ett markerat "knä" 3 mellan de båda linjära partierna. Orsakerna till att kurvan har det visade utseendet är att när tilluftflödet är litet kommer tilluften att anta en temperatur någon eller några grader under frånluftens temperatur. När sedan tilluftflödet ökas så stiger temperaturen något beroende på att värmeöverföringen gynnas av högre lufthastighet.

Vid en viss punkt 3 räcker inte energin i frânluften till för att värma tilluften till samma nivå varför temperatu- ren snabbt minskar. Det går att visa att just vid knäet 3 råder balans mellan tilluftflöde och frànluftflöde, det vill säga flödena är lika stora. 10 15 20 25 30 35 470 194 5 I fig 2 visas ett schematiskt diagram över tilluftens temperaturvariation vid reglering av frànluftflödet. På liknande sätt som ovan har kurvan ett linjärt och väsent- ligen horisontellt parti 1, ett brant lutande linjärt parti 2 samt ett mellanliggande knä 3. Kurvans utseende beror av att när fránluftflödet är litet kommer tilluftens temperatur att ligga obetydligt över friskluftens tempera- tur. När sedan frånluftflödet ökas stiger temperaturen relativt snabbt beroende på att värmeöverföringen gynnas av högre lufthastighet och att större energimängd till- förs. Vid knäet 3 avtar ökningen av tillufttemperaturen och stiger sedan endast långsamt till en nivå någon grad under frånluftens temperatur.

I fig 3 visas avluftens temperaturvariation vid olika tilluftflöden. Även här har kurvan ett uttalat knä 3 men detta är här riktat nedåt. Kurvans utseende beror av att när tilluftflödet är litet kommer avluften att anta en temperatur någon eller några grader under frànluftens temperatur. När sedan tilluftflödet ökas sjunker avluftens temperatur relativt snabbt beroende på att kylningen ökar.

Vid balanspunkten 3 planar kurvan ut och när tilluftflödet ökas ytterligare kommer avlufttemperaturen att sjunka asymptotiskt mot friskluftens temperatur beroende på att värmeöverföringen gynnas av högre lufthastighet och att energiinnehållet fördelas över en allt större luftmängd.

Kurvan i fig 4 visar avluftens temperatur vid olika frånluftflöden. När frånluftflödet är litet kommer avluf- tens temperatur att ligga relativt långt över friskluftens temperatur på grund av att värmeöverföringen är dålig vid låga lufthastigheter. När sedan frånluftflödet ökas stiger avlufttemperaturen långsamt till balanspunkten 3. Efter att balanspunkten har passerats stiger temperaturen rela- tivt snabbt beroende på att värmeöverföringen gynnas av högre lufthastighet och att större energimängder tillförs.

I fig 5 och 6 visas kombinationer av temperaturkur- vorna enligt fig 1 t.o.m 4, närmare bestämt är fig 5 en kombination av kurvorna i fig l och 3, det vill säga 10 15 20 25 30 35 6 temperaturvariationen i både tilluft och avluft vid olika tilluftflöden. På liknande sätt är fig 6 en kombination av kurvorna i fig 2 och 4, det vill säga temperaturvariatio- nerna i både tilluft och avluft vid olika frånluftflöden.

Såsom framgår är temperaturdifferensen mellan avluften och tilluften minst i balanspunkten 3 men den ökar vid såväl minskande som ökande flöde.

Föreliggande uppfinning bygger på idén att utnyttja de ovan beskrivna fysikaliska sambanden mellan temperatur och flödesmängd för att balansera de två flödena genom en värmeväxlare och därmed optimera värmeöverföringen. Detta kan åstadkommas pà i huvudsak två sätt. Dels kan knäet 3 på någon av kurvorna enligt fig l t.o.m. 4 avkännas, dels kan avkännas den punkt enligt fig 5 eller 6 där tempera- turdifferensen mellan tilluft respektive avluft är minst.

I båda fallen är det möjligt att leta upp balanspunkten med hjälp av en enkel elektronisk regleranordning och låta denna automatiskt via en flödesregulator ställa in rätt flöde i varje enskilt fall.

Nu hänvisas till fig 7 t.o.m. 9 vari visas kopplings- scheman för tre olika utföranden av regleranordningar enligt föreliggande uppfinning. Alla tre har såsom tempe- raturgivare ett med 4 betecknat NTC-motstånd, det vill säga ett motstånd med negativ temperaturkoefficient. NTC- motståndet är avsett att föras in i kanalen för tilluft eller avluft och ingår såsom en del i en bryggkoppling.

Vid förändring av temperaturen kring motståndet ändras NTC-motståndets resistans och därmed utsignalen från bryggkopplingen vilken förstärks och anpassas till den övriga reglerkretsen. Med 5 och 6 betecknas första respek- tive andra analoga minnen i form av kondensatorer. Det första minnet har kort tidskonstant och motsvarar, något fördröjt, aktuell temperatur. Det andra minnet har olika tidskonstanter för laddning och urladdning, närmare be- stämt kort laddningstid och lång urladdningstid. Om flödestemperaturen sjunker följer nivån i minnet 2 efter genom urladdningen och höjs igen när temperaturen stiger.

I 10 15 20 25 30 35 470 194 7 Så långt uppvisar de tre kopplingsschemana stora likheter.

Den i fig 7 visade regleranordningen har den enklaste uppbyggnaden och är bäst lämpad för att avkänna knäet 3 på den kurva som visas i fig 1. Balanspunkten i denna kurva är mest markant och kurvan har här ett maximum från vilken densamma lutar nedåt åt båda håll. Med 7 betecknas en emitterföljare via vilken signalen passerar till en jäm- förare 8 i vilken signalerna från de första och andra minnena jämförs. Regleranordningen är avsedd att reglera ett ej visat motordrivet spjäll vilket ansluts via uttagen 9. En så kallad hexschmittriggerinverter 10 ser till att motorspjället alltid drivs, stegvis eller kontinuerligt, och åt rätt håll i beroende av resultatet från jämföraren 8. Eftersom ett motorspjäll ändrar flödet mycket snabbt är det i regel nödvändigt att detsamma drivs intermittent för att anpassa flödesvariationen till ventilationssystemets tröghet. Av den anledningen är anordnade två timerkretsar 11, 12 varmed längden av den intermittenta drivningens pauser respektive pulser kan inställas.

Utförandena enligt fig 8 och 9 är snarlika sånär som på att regleranordningen enligt fig 8 är avsedd att styra ett motorspjäll medan regleranordningen enligt fig 9 är avsedd att styra en varvtalsreglerad fläkt. På samma sätt som tidigare beskrivits ingår här ett NTC-motstånd 4 samt två analoga minnen 5, 6. Kretsarna är dock bättre avpassa- de att avkänna balanspunkter vid även mycket flacka kurvor utan något maximum. Båda kretsarna innehåller tre opera- tionsförstärkare 13, 14, 15, en bilateral switch 16 samt en hexschmittriggerinverter 17. Kretsen enligt fig 8 inne- håller dessutom ytterligare två operationsförstärkare 18, 19, en bilateral switch 20, en hexschmittriggerinverter 21 samt två timerkretsar 22, 23 för styrning av pulserna till motorspjället. Det sistnämnda är avsett att anslutas till uttagen 24. Utförandet enligt fig 9 har däremot en phace- control 25 för styrning av en till uttagen 26 ansluten varvtalsreglerad fläkt. Vid 27 ansluts reglerkretsen till nätspänning. \_'] 10 15 20 25 30 35 8 Samtliga ovan beskrivna regleranordningar är avpassa- de för temperaturmätning i tilluftflödet genom att NTC- motståndet är anslutet på bryggkopplingens minussida. Om NTC-motståndet istället ansluts på bryggkopplingens plus- sida kan alla de visade regleranordningarna användas för reglering av luftflödet genom temperaturmätning i av- luften.

I samtliga här beskrivna installationsalternativ där styrning av luftflödet sker genom avkänning av knäet på någon av kurvorna enligt fig 1 t.o.m. 4, kommer kurvan över funktionen av temperatur och flöde att ha minst en del där kurvan lutar brant. Eftersom regleringen har större förutsättning att fungera klanderfritt om den arbe- tar med den brant lutande delen av kurvan bör detta ut- nyttjas. Till exempel kan en timerstyrd spjällöppnare vid alternativet enligt fig 1 tillse att spjället öppnas så mycket som möjligt från start, såsom efter ett strömav- brott eller liknande. Därvid startar regleranordningen från maximalt flöde och kommer att följa den linjära delen 2 genom successiv svängning av spjället tills knäet 3 har uppnåtts.

Det eller de luftflöden som regleras måste hela tiden varieras, endera stegvis eller kontinuerligt, för att eventuell förskjutning av balanspunkten skall kunna av- kännas. Denna ständiga flödesförändring medför också att nuvärdet av temperaturen ständigt förändras och någon fix balanspunkt uppnås aldrig. Dock kan svängningarna i prak- tiken vara mycket små för att undvika eventuella olägen- heter. Nuvärdet kommer vid "balans" att svänga fram och tillbaka kring ett visst värde. Vid förändrade flödesför- hållanden eller temperaturer kommer nuvärdet av tempera- turen att börja svänga kring ett nytt medelvärde.

Uppfinningen bygger på att kurvans lutning förändras snabbt just vid knäet och att temperaturen i till- eller avluften eller bådadera används för styrningen. Om tempe- raturdifferensen mellan inomhus- och utomhusluften för- ändras betyder detta i huvudsak att nivåerna förändras 10 15 20 25 30 35 478 194 9 medan kurvans form påverkas mycket lite. De största form- förändringarna inträffar när inomhus- och utomhustempera- turerna närmar sig varandra, varvid kurvan blir uträtad och knäet försvinner men detta innebär inget problem eftersom värmeväxlarens funktion ändå upphör.

I en modifierad form av uppfinningen kan, genom tem- peraturmätning i såväl tilluft- som avluftkanalen, för- hållandena enligt fig 5 och 6 utnyttjas för att medelst en ej visad regleranordning avkänna den punkt där skillnaden mellan avluft och tilluft är minst. I denna punkt råder även balans mellan flödena. Ej heller här kan något fixt balansläge intas utan flödet måste tillåtas variera fram och tillbaka kring balanspunkten för att ha möjlighet att avkänna en eventuell förflyttning av balanspunkten.

Det är givet att föreliggande uppfinning kan modifie- ras på mångahanda sätt inom ramen för efterföljande patentkrav. Sålunda kan reglerkretsen för avkänning av knäet eller temperaturdifferensens minimum utföras på ett i det närmaste oändligt antal olika sätt. Exempelvis be- höver minnena ej vara analoga utan kan även vara digitala och även antalet kan vara större. Temperaturgivaren behöver ej heller vara just ett NTC-motstånd. Vidare är uppfinningen ej begränsad till ett utförande där endast ett av flödena förändras. Det kan sålunda även tänkas att både från- och tilluftflödena regleras, det vill säga då ett flöde minskar så ökar det andra. En nackdel vid en dylik reglering är dock att det är svårt att förutsäga vid vilket flöde balans kommer att uppnås.

Slutligen skall påpekas att de kurvor som visas i fig 1-6 är idealiserade och i själva verket kan tänkas att de räta partierna l respektive 2 ej är absolut räta. Det är ändå alltid möjligt att avkänna knäet 3 om reglerkretsen har en härför avpassad känslighet. Vidare indikerar balanspunkten eller knäet 3 den punkt där det råder balans mellan de båda flödenas energiinnehåll och ej den absoluta balanspunkten för flödesmängderna vilken kan ha ett något avvikande läge beroende på t ex skillnader i tryck, tempe- ß »a c: ...a \Q $> 10 ratur och fuktighet mellan flödena. Avvikelsen är dock ej så stor att den har någon praktisk betydelse. lO 15 20 25 30 35 lä

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 ll PATENTKRAV

1. Förfarande för balansering av två fluidumflöden som genomströmmar en värmeväxlare av det slag vid vilken ett första fluidumflöde med förhållandevis hög temperatur avger värmeenergi till ett andra fluidumflöde med lägre temperatur, k ä n n e t e c k n a t av stegen, att kontinuerligt eller intermittent förändra flödesmängden hos åtminstone ett av fluidumflödena, att mäta tempera- turen i åtminstone ett av fluidumflödena nedströms värme- växlaren, att genom att jämföra åtminstone två med tids- avstånd från varandra registrerade temperaturvärden av- känna endera; a. en flödesmängd eller ett flödesmängdsförhållande där temperaturen i ett av flödena övergår från att föränd- ras mycket vid en given ändring av flödesmängden till att förändras lite vid en motsvarande ändring av flödesmängden och vice versa eller; b. en flödesmängd eller ett flödesmängdsförhållande där skillnaden mellan temperaturerna i de två flödena har ett minimum; samt att låta åtminstone ett flöde variera kontinuer- ligt eller intermittent kring den avkända flödesmängden eller flödesmängdsförhållandet.

2. Anordning för balansering av två fludiumflöden som genomströmmar en värmeväxlare av det slag vid vilken ett första fluidumflöde med förhållandevis hög temperatur av- ger värmeenergi till ett andra fluidumflöde med lägre tem- peratur, varvid densamma innefattar åtminstone en tempera- turgivare (4) vilken är avpassad att införas i ett av fluidumflödena nedströms om värmeväxlaren, en elektrisk reglerkrets med åtminstone ett minne (5, 6) för lagring av en eller flera av temperaturgivaren registrerade tempe- raturvärden och en jämförare (8, 15) för jämföring av två eller flera med tidsavstånd efter varandra registrerade temperaturvärden, k ä n n e t e c k n a d därav, att »n ca 194 10 15 20 25 30 35 12 densamma även innefattar en flödesmängdsregulator för kontinuerlig eller intermittent reglering av åtminstone det ena fludiumflödet, varvid reglerkretsen via flödes- mängdsregulatorn och med ledning av resultatet från jäm- föraren är avpassad att ombesörja ökning eller minskning av åtminstone det ena fluidumflödet genom värmeväxlaren.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att temperaturgivaren (4) utgörs av ett NTC-mot- stånd.

4. Anordning enligt krav 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d därav, att minnet (5, 6) är analogt.

5. Anordning enligt något av kraven 2-4, k ä n n e - t e c k n a d därav, att flödesmängdsregulatorn utgörs av ett motordrivet spjäll.

6. Anordning enligt något av kraven 2-4, k ä n n e - t e c k n a d därav, att flödesmängdsregulatorn utgörs av en varvtalsreglerad fläkt.

7. Anordning enligt något av kraven 2-6, k ä n n e - t e c k n a d därav, att densamma innefattar en timer- styrd flödesställare som ställer flödet i åtminstone ett av fluidumflödena på maximum eller minimum vid start av regleranordningen.

8. Anordning enligt något av kraven 2-7, k ä n n e - t e c k n a d därav, att densamma är självadaptiv. '75