ire36213-energiteknikk-og-bygningsinstallasjoner-12122013

EKSAMENSOPPGAVE

Emne: IRE36213/Energiteknikk og bygningsinstallasjoner

Lærer/telefon: Ole Kristian Førrisdah1/97497378 og Bjørn Halvor Sture/46683781 Grupper: E3E, E3E-y Dato: 12.12.2013 Tid: 09.00 - 13.00 Antall oppgavesider: 7 Antall vedleggsider: 12

Sensurfrist til studentene: 14.1.2014 Hjelpemidler: Kalkulator.

forskrifter for elektriske lavspenningsinstallasjoner (FEL), NEK 400:2010,

•

^- Formelsamling i Energiteknikk inkludert appendix i Cengel and Turner- utleveres på eksamen,

1 personlig A4 ark (to/begge sider) som utleveres på eksamen.

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

Dersom du savner opplysninger som er nødvendige for at du skal kunne løse oppgavene, bruker du symboler eller rimelige verdier med begrunnelse.

Oppgi alle svar i SI enheter hvis annet ikke er spesifisert.

Oppgave 1. (30 %)

Bygg Consult AS har gjennom vernerunder avdekket en del forhold på bygget som ledelsen nå ønsker å gjennomføre forbedringstiltak på. I kontorene har de ansatte problemer med temperaturen inne både sommer og vinter, og det er inngått avtale med firmaet Energien AS om levering av en varmepumpe som skal løse disse problemene. Varmepumpen Toshiba Digital inverter 803 består av en innedel og en utedel.

Utedelen monteres på ytterveggen under terrassen. Varmepumpemontøren fra Energien AS utfører koplingen mellom ute - og innedelen. østneset Elektro AS skal levere og kople til tilførselskabelen fra en TN-S underfordeling (+Vc) til utedelen via et uttak. Dimensjonerende belastningsstrøm er 16 A og cos = 0,9. Merkespenningen (Un) til varmepumpen er 230 V og enfas. Avstanden (kabellengden) fra fordelingsskapet til utedelen er 25 m. Som overstrømsvern for denne kursen skal det benyttes en automatsikring med C-karakteristikk og med Icn= 10 kA. Det skal legges kabel i rør i termisk isolert vegg og åpent på trevegg frem til uttaket for utedelen. Maksimalt spenningsfall for denne kursen settes til 3 %. Omgivelsestemperatur for denne kursen settes til maksimalt 35

°C på vegg og maksimalt 30 °C i rør i termisk isolert vegg. På vegg vil kabelen bli klamret sammen med 2 andre strømførende kabler.

Resistiviteten for kobber er: 1 S2nun2 57 ¹¹¹

I underfordelingen (+Vc) har vi oppgitt følgende verdier:

ik3pmaks= 3,8 kA og cos = 0,85 lklmin(pen)= 1,0 kA og cos p = 0,95 lklpmax(pen)= 2,1 kA og cos = 0,93 Ik2prnin= 2,9 kA og cos (I) = 0,9

(25 %)

Dimensjoner og dokumenter tilførselen til varmepumpen ved bruk av minste tillatte kabeltversnitt i henhold til NEK 400:2010.

(5 %)

Sett opp noen punkter som er viktige å få verifisert ved sluttkontroll av ovennevnte arbeide.

2

flogskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag

Oppgave 2. (20 %)

Et rom i et eldre bygg som er restaurert skal oppvarmes med elektriske

varmeovner. Rommets dimensjoner er: Lengde 15 m. Bredde 6 m. Høyde 2,5

^m.

Rommets ene langvegg er en yttervegg, mens øvrige vegger, gulv og tak grenser mot rom som har tilnærmet samme temperatur som det aktuelle rommet. Ytterveggen er bygget opp som vist på figur 2.

2 em Tre

15 cm Steinull

2 cm Tre

Figur 2 Skisse av yttervegg

Dimensjonerende utetemperatur på stedet er -15 C. ønsket innetemperatur på dagtid er satt til 20 C. Det er installert et ventilasjonsanlegg som gir 1,5 luftskift pr. time. Anlegget har varmegjenvinner med virkningsgrad lik 0,7. I tillegg kan det regnes med et infiltrasjonstap som gir 0,1 luftskift pr. time.

Det tas ikke hensyn til andre interne varmetilskudd.

Varmekapasitet for luft: 0,35 Wh/(m3K).

Varmeledningsevne for tre: 0,12 W/(mK).

Varmeledningsevne for steinull: 0,04 W/(mK).

(6 %)

Forklar hva som menes med transmisjonstap, ventilasjonstap og infiltrasjonstap.

(14 %)

Bestem rommets effektbehov, når du ser bort fra stråling.

3

•

Oppgave 3. (12 %)

I faget er det høsten 2013 gitt to (2) tekniske rapporter, hvor det skulle skrives en kort rapport i henhold til utlevert oppgavetekst:

Teknisk rapport nr. 1 Solenergi og fornybar energi

Teknisk rapport nr. 2 Kjerneenergi, batterier, hydrogen og motorer, varmekraftprosesser, kjøleanlegg, varmepumper og varmeoverføring

Antall like besvarelser som godkjennes av hver teknisk rapport er gitt i oppgaveteksten til hver av de tekniske rapportene. Rapportene må leveres i Fronter innen 20.12.2013 kl. 12.00.

(6 %)

Teknisk rapport nr. 1 levert i Fronter blir evaluert.

(6 %)

Teknisk rapport nr. 2 levert i Fronter blir evaluert

ø

Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag

Oppgave 4. (11 %)

p 1, T1, )(1,v1,z,

1

---

:,/

—1>

Innløp: damphastighet v1 = 50 m/s stedshøyde z1 = 9 m trykk pi = 3.0 MPa temperatur T1= 763 K dampkvalitet X1 = 1.0 Utløp: damphastighet v2= 110 m/s

stedshøyde z2= 4 m trykk p2= 0.1 MPa temperatur _{T2 = ?} dampkvalitet X2 = ?

4v

^{p2, T2, X2, 1/2, Z2}

•

Vanndamp tilføres en turbin ved 30 bar og 763 K. Trykket ut av turbinen er 1 bar. Turbinen opererer adiabatisk og stasjonært (steady-state).

Kjente tilstander ved innløp og utløp er gitt på figuren over. Forandringer i den kinetiske og potensielle energien kan i denne oppgaven neglisjeres.

a) (2 %)

Bruk en damptabell eller Mollier-diagrammet (vedlegg 7) for å finne spesifikk entalpi og antall grader overheting av dampen ved innløpet til turbinen.

b) (3 %)

Estimer det spesifikke arbeidet turbinen kan utføre hvis turbinen opererer isentropisk.

c) (2 %)

li

^k Den isentropiske virkningsgraden er på 85 %. Beregn det spesifikke arbeidet turbinen kan utføre med denne virkningsgraden og finn temperaturen ut av turbinen.

d) (2 % )

Hva er dampkvaliteten ved utløpet av turbin for den isentropiske prosessen?

for den virkelige prosessen?

e) (2 %)

Turbinen er koblet sammen med en generator som produserer elektrisitet. Generatoren har en virkningsgrad på 97 %.

Hvor mye damp trenger turbinen per sekund hvis generatoren skal yte en effekt på 17.5 MW?

Oppgave 5. (17 %)

Du har fått i oppdrag å prosjektere et kjøleanlegg som skal yte 100 kW.

Kuldemediet skal være R-134a. Alle trykktap i kjøleanlegget kan i første omgang neglisjeres. Fordampertemperaturen skal ligge på —20°C og kondensasjonstemperaturen på 20 °C. Kondensatoren avkjøles med vann som ved innløpet holder en temperatur på 10 °C. Kuldemediet

kondenserer til mettet væske i kondensatoren. Kompressoren suger in lavtrykksdamp som er 10 °C overhetet. Den isentropiske virkningsgraden på kompressoren er gitt i figuren under der

trykkforhold = ,nkondensator/Pfordamper.

74 72 70 Isentropisk verknads- 68 grad % 66

64 62 60 58

2 4 6 8 10

Trykkforhold

(2 %) Beregn den reversible Carnot kjølefaktoren (COPR,rev)for systemet.

(2 %) Finn trykkforholdet og den isentropiske virkningsgraden til kompressoren.

(3 %) Tegn in prosessen i et pH-diagram (vedlegg 8).

(2 %) Beregn den spesifikke entalpidifferansen i fordamper.

(2 %) Vis at massestrømmen til kuldemediet er omtrent 0.6 kg/s.

(2 %) Vis effektforbruket til kompressoren er omtrent 27 kW.

(2 %) Beregn effektfaktoren (COPR)til kjøleanlegget.

(2 %) Beregn effekttapet i kondensatoren.

6

Flogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag

Oppgave 6. (10 %)

Et solvarmeanlegg er 1.0 m brett og 5.0 m langt. Det er en konstant avstand på 3.0 cm mellom glasset og den absorberende flaten (collector plate).

Luften som strømmer imellom glasset og den

\

absorberende flaten i

solfangeren har en ₍

gjennomsnittlig ^Insulation temperatur på 47 °C.

Lufthastigheten er gjennomsnittlig 0.15 m3/s. Du kan neglisjere friksjonstap på grunn av ruhet, innløp, utløp og bendet som er vist på figuren.

(3 %)

Vis at strømningshastigheten i røret er omtrent 5 m/s.

(3 %)

Beregn Reynoldstallet til luftstrømmen for å avgjøre om luftstrømmen er laminær eller turbulent.

(4 %)

Friksjonstapet ved strømning i et rett rør kan beregnes ved Fannings ligning

f ^—L h

f D 2g ^, derf er en friksjonsfaktor. Bruk vedlegg 9 til å estimere friksjonsfaktoren, f, for vårt rørsystem.

Air Glass cover 0.15 m3/s 5 m

_

Collector plate

7

VEDLEGG

•

•

8

Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag

Ved legg 1

Bestemmelse av impedanser

Spenningsfaktoren"c"

Spenningsfaktoren "c " er en faktor som skal kompensere for lastpåvirkning, overgangsmotstand, spenningsfall og er forskjellig for beregning av henholdsvis maksimum og minimum kortslutningsstrøm og for ulike systemspenninger.

Faktoren er gitt i henhold til IEC909

Nominell spenning (kV) Maksimal strøm Minimal strøm

0,1 - 5 0,4 1,0 0,95

> 0,4 - 5 1 1,05 1,0

> 1 - 5 35 1,10 1,0

> 35 -5 230 1,10 1,0

Bestemmelse av ledermaterialets resistivitet

Materiale p (Omm2/m) a (K-1)

Aluminium 99,5% 0,0278 0,004

Kobber, glødet 0,0175 0,004

Kobber, hard 0,0178 0,0039

Bly 0,21 0,0038

Stål, magnetisert 0,21 —0,25 0,004

Stål, umagnetisert 0,74

Materialkonstanter for aktuelle ledermaterialer ved 20°C

9

Ved legg 2

Temperaturkompensering

Litt forenklet kan vi trekke følgende konklusjon for ledertemperaturer ved beregning av minste kortslutningsstrøm (se tabell under)

Hovedkurser

Alle typer vern

PVC- isolasjon70°C

EPR/PEX-90°C isolasjon

Forbrukerkurser

SmeltesikringerAutomatsikringer

og effektbrytere

PVC-115°C PVC- isolasjon 70°C

isolasjon

EPR/PEX-160°C EPR/PEX-90°C isolasjonisolasjon

Temperaturkorreksjonsfaktor for resistanser

(kr2)

ku _kt2

t2 0C (1+aåt) t2 °C (1+aåt)

25 1,02 100 1,32

30 1,04 105 1,34

35 1,06 110 1,36

40 1,08 115 1,38

45 1,10 120 1,40

50 1,12 125 1,42

55 1,14 130 1,44

60 1,16 135 1,46

65 1,18 140 1,48

70 1,20 145 1,50

75 1,22 150 1,52

80 1,24 155 1,54

85 1,26 160 1,56

90 1,28 165 1,58

95 1,30 170 1,60

10

Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag

Vedlegg 3

Kabeldata

Cu-kabel med sk'erm Fase/PE

(mm 2)

r - fase

(mL1/m)

Xfase

(ma/m)

rPE

(mil/m)

XPE

(mS//m)

1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,150

2,5/2,5 7,41 0,103 7,41 0,140

4/4 4,61 0,100 4,61 0,130

6/6 3,08 0,094 3,08 0,130

10/10 1,83 0,091 1,83 0,120

16/16 1,15 0,085 1,15 1,105

25/16 0,727 0,081 1,15 0,100

35/16 0,524 0,079 1,15 0,099

50/25 0,387 0,079 0,727 0,098

70/35 0,268 0,075 0,524 0,098

95/50 0,193 0,075 0,387 0,097

120/70 0,153 0,072 0,268 0,095

150/70 0,124 0,069 0,268 0,094

185/95 0,099 0,069 0,193 0,095

240/120 0,075 0,069 0,153 0,097

Cu-kabel uten skjerm 3 leder (2 leder + Pe leder) Fase/PE rfase

(ma/m)

Xfase

(mS1/m)

rpE (mn/m)

XPE

(mn/m)

1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,106

2,5/2,5 7,41 0,105 7,41 0,103

4/4 4,61 0,100 4,61 0,100

6/6 3,08 0,094 3,08 0,094

10/10 1,83 0,091 1,83 0,091

16/16 1,15 0,085 1,15 0,085

Cu-kabel uten sk'erm 4 leder (3 leder + Pe leder)

1,5/1,5 12,10 0,135 12,10 0,12

2,5/2,5 7,41 0,132 7,41 0,12

4/4 4,61 0,129 4,61 0,11

6/6 3,08 0,123 3,08 0,109

10/10 1,83 0,120 1,83 0,106

16/16 1,15 0,110 1,15 0,100

25/25 0,73 0,108 0,73 0,090

35/35 0,52 0,100 0,52 0,080

50/50 0,39 0,097 0,39 0,080

Al-kabel med sk'erm Fase/PE

(mm 2)

rfase

(Infl/m)

XfaserPE

(mWm) i(mWm)

Xpi.

(mfi/m)

16/10 1,910 0,085 1,83 0,105

25/10 1,200 0,082 1,83 0,100

50/16 0,641 0,079 1,15 0,098

95/35 0,320 0,075 0,524 0,097

150/50 0,206 0,072 0,387 0,094

240/70 0,125 0,072 0,268 0,097

Al-kabel uten skjerm

25/25 1,200 0,084 1,200 0,084

50/50 0,641 0,081 0,641 0,081

95/95 0,320 0,078 0,320 0,078

11

Vern Utløse- karakteristikk

A-automat B-automat C-automat D-automat

Merkestrøm (in)

6 -63 A 6 - 63 A 0,5-63A 0,5 - 63 A 0,5 - 63A 0,5 - 63 A

s 63 A

> 63 A

s 10 A 16 - 25 A

> 25 A

Verndata for automatsikringer

Termisk utløsning MinsteStørste prøvestrømprøvestrøm

(12) 1,13 x /n 1,45 x 1,13 X in 1,45 x lr

1,13 x 1,45 x

1,13 X In 1,45 I, 1,05 x 1n 1,2in 1,05 X in 1 ,2 X

1,35 XI„

1,25 XI, 1,2 XI.

Elektromagnetisk utløsning HolderLøserut

strømstotmomentant (14)(15)

2 x 1,3 x

3xI5 x ln

5 x 10 x

10 X /,, 20 x

8 X/fi 12 X

2 X 1„ 3 X In

Vedlegg 4

Produkt- norm

NEK EN 60898 NEK EN 60898 NEK EN 60898 NEK EN 60898 K-automat

Z-automat

Effektbryter

Motorvernbryter Termisk rele

Patronsikring

NH-sikring (høy- effektsikring)

NEK EN 60947-2 NEK EN 60947-2

NEK EN 60947-2

NEK EN 6094 NEK EN 60947-2

NEK EN 60269-1 1,05 Xin

1,5 x 1,4 x 1,3 XI„

1,2 x 1,9 xIr 1,75 XIn

1.6 X /,

1,6 x

•

Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag

Ved legg 5

Strøm —tid kurve for elementautomater med B og C - karakteristikk

•

7200

3600 2

1 1200

600 300 120 60 30 10 5

(1)(1,

2

0.5 0.2 0,1

4 0.05

Utlaserkarakteristikketter EN61DG9

Festgelegter Nichtausl6s.estrom Int = 1,13 t 1h

Fe.stgelegter Auslös.Gstrom 1,=1,451:t.z1h

(-3-) 2,55 In t - 1 - 60 s(I 32A) t = 1 - 120 s (I., > 32 A) Type B: 3 In : t > 0,1 s (5)

5I t < 0,1 s

Type C: 5 In > 0,15

,7J ^{< 0,15}

5 7

6

B C

•

^0,010.02

0.005 0.002 0.001 0.0005

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 30 40 50

jennomsluppet energi

12t [A 2

sec]

Vedlegg 6

Gjennomsluppet energi for elementautomater med C—karakteristikk

80000 70000 60000 50000 40000

30000

(j\iso.

C, 20000

15000

10000 GBc‘3

9000

8000 GB

7000 C4

6000 5000 4000 3000

2000 02

1500

1000 900 800 700 600 500 400 300

o o o o o o o o o o o o o

in o, ,ir) o_N o_t") o_'st o_(t) ocel rs.. co tn 00 o o o 0in

forventet kortslutningsstrøm [A]

14

Kandidat nummer: Vedlegg 7

-••••••••1,7. ^,,,b

4200

5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 9.5

4200

1100

740

4100 4100

740

740

4000

770

4000

700

3900

660

.0 3800

'02 670

3900

3800 '

3700

3600

.."1]

3500

3400

3100

3000

E'

4••

2900

2800

2700

2600

2500

1 2400

3' 2300

• 4,‘

2200

41

2100

2000

4.5 5.0 6.0 7.0 _

Entropy, ki/kg,•K

600

0110

540

340

510

2.

4.1

40

44 0

420

400

1.

.0

140

320

302

3700

3600

3500

3400

3300

CO

3200 n.

3100

1110 41'

2. 3000

740

220

200 I 124TERATURE .0 2900

1.0

160

2800

140

los 2700

80

ao

2600

110

2500

2400

2300

2200

2100

2000

8.0 9.0 9.5

3300

(a) Figure 2.4.1a

Enthalpy—entropy or Mollier diagram for steam. (Source: ASME Steam Tables in SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of Mechanical Engineers, New York, 1967. Used with permission.)

4:5 4200

1..11"1./py

5.06.0 9.09.5

4200

7.0 8.0

740

4100 4100

760

740

4000 4000

720

700

3900 6817 3900

660

3800 440 3800

670

3700 ⁶⁰⁰ 3700

54.0 UO

560

3600 3600

<4, 00

3500 3500

460

£

3400 1 , ⁴⁶⁰ 3400

I.4? ⁱ

,!.'.,

44 0

s ⁴¹⁰

3300

400 3300

50 1,

:=Q₃₂₀₀ s ^3.

'

760 3200

-4b— i-s ³¹⁰

3100 3100

-- 1--

3147 750

3000 3000

_ 7.

770

2900

760 F.415 ENA11.11. 2900

1NO

r—

2800 ¹⁶⁰ 2800

140

, 1.

2700 100 2700

60

2600 2600

.414

70

2500 2500

„

2400

9.? <s>t,

2400

2300 2300

2200 # I 2200

'

2100

, 2100

2000 2000

4.55.06.07.0

Entropy. ki-/kg•K (a) Figure 2.4.1a

Enthalpy—entropy or Mollier diagrarn for steam. (Source: ASME Steam Tables in SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of Mechanical Engineers, New York, 1967. Used with permission.)

8.09.09.5

Note:ThereferencepointusedforthechartisdifferentthanthatusedintheR-134atables.Therefore,problemsshouldbesolvedusingallpropertydataeitherfromthetablesorfromthechart,butnotfromboth.

FIGUREA-14

P-hdiagramforrefrigerant-134a.(ReprintedbypermissionofAmericanSocietyofHeating.Refrigerating,andAir-ConditioningEngineers,Ine.,Atlanta,GA.) 0010015(1

b.020

11200)

,10

0.4'0.4 4 n1(()-21)90,

7,0(4)

-5

40-2

650700750550600250300350400450500

Enthalpy,kJ/kg 250200

104 -ocu

62.4

.51.6

0.020.01100 0.2

150200 300

1 35040045050055060065070075020

Kandidat nummer:

0.20.10.040.02

0.01

10020 1502002503003504004.5050055060065070075020•

104

..L

1-2

0.40.2

0.1 1040.40.2

0.1 _42-.4

-4-1'4',-;'',.h-.8---0,04—._,...it'z_.____,I.,_,-'`-'..,,-0.6

0.02

r0.0110015025030035040045050000

Enthalpy,kJ/kg

Note:ThereferencepointusedforthechartisdifferentthanthatusedintheR-134atables.Therefore,problemsshouldbesolvedusingallpropertydataeitherfromthetablesorfromthechart,butnotfromboth.

F1GUREA-14

P-hdiagramforrefrigcrant-134a.(ReprintedbypermissionofAmericanSocietyofHeating.Refrigerating,andAir-ConditioningEngineers.Inc.,Atlanta,GA.) 0.04,!

0.02i

550600650 0.01700750

•

ReynoldsnumberReFIGUREA-27

TheMoodychartforthefrictionfactorforfullydevelopedflowincirculartuhes. 0.030.0250.02 >725' LarninarCriticalTransitionflowzonezone,

I 0.050.04

Materialft

Glass,plastk0ConereteWoodsuive0.0016Rubber,smoothed0.000033Copperorbrasstubing0.000005Castiron0.00085Galvaniudiron0.0005Wroughtiron0.00015Stainksssteel0.000007Commereialsteel0.00015 0.030.020.0150.010.0080.0060.0040.0020.0010.00080.00060.00040.00020.000I

0.00005

0.000012(107)34568108 Rouginess,e

min0,50.010.00150.260.1500460.0020.045 -t-

Srnoothpipes'.

ID=0.000001--

1032(103)345681042(104)345681052(105)345681062(10()34568107 0.015

0.010.009

0.008 IIe/D=0.000005 Relative roughness elD 0.10.090.080.070.06 Conpleteturbulence,roughpipes

0.05

0.04 ci)