מושגי יסוד במערכות אנרגיה מרצה : יוסי ---- , דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

1. מושגי יסוד במערכות אנרגיהמרצה: יוסי ----, דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

2. מהי אנרגיה? ]1[- אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה.[במונח "עבודה" הכוונה לפן הפיזיקלי, המתבטא בהפעלת כוח לאורך דרך]- אנרגיה נמדדת בג'אולים (במערכת היחידות MKS).- קצב ייצור או צריכת האנרגיה נקרא הספק ונמדד ב-וואטים.- וואט = ג'אול לשניה.- 9.81 ג'אול היא האנרגיה הדרושה להרים 1 ק"ג לגובה 1 מ'.- 9.81 וואט הוא ההספק הדרוש כדי להרים 1 ק"ג ל-1 מ' בשניה.- אדם במשקל 80 ק"ג, העולה במדרגות 3 מ' ב-12 שניות מייצר כ- 196 וואט לצורך הטיפוס בלבד (הספק נוסף נצרך לתנועות פנימיות, חיכוך ושמירת החום).- קילוואט הוא הספק של 1000 וואט.- קילוואט שעה (קווט"ש) הוא יחידת אנרגיה. זו האנרגיה המופקת/נצרכת ע"י תהליך המפיק/צורך הספק של קילוואט אחד במשך שעה. - האנרגיה הנצרכת ע"י מנורה בת 16 וואט במשך 8 שעות היא 0.128 קווט"ש.16 [Watt] x 8 [Hour] = 128 [WattHour] = 0.128 [KWHour] דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

3. מהי אנרגיה? [2]- כוח סוס (כ"ס) גם היא יחידת הספק, וערכה 745.7 וואט או 0.7457 קוו"ט.- היסטורית, כוח סוס נקבע כהספק הדרוש להעלות משקל של 75 ק"ג לגובה של 1 מטר במשך שניה אחת.- ההספק הדרוש כדי להעלות תא מעלית עם 4 נוסעים, כשהמשקל הכולל שלהם (התא + הנוסעים) הוא 800 ק"ג, במהירות של 2 מטר בשניה הוא:800 [KG] x 2 [m/Sec] / 75 = 21.3 [HP]- וואט וקוו"ט אינן רק יחידות הספק חשמלי, למרות מה שכתוב בתשבצים.- מנוע בן 20 כ"ס הפועל 10 שעות ביום יצרוך20 x 0.7457 x 10 = 149.14 [KWH].- אנרגיה מופיעה בצורות שונות: מכנית, חום, חשמלית, קרינתית ועוד. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

4. אנרגיה חשמלית [1 - זרם ישר]- כאמור, אנרגיה והספק יכולות ללבוש צורה חשמלית.- ההספק (בזרם ישר) המסופק ע"י מקור במתח V וולט, המספק I אמפר הואP [Watt] = V [Volt] x I [Amp]- הספק של נורה חשמלית ברכב הצורכת 5 אמפר במתח 12ישר וולט הוא 60 וואט.- ההספק הממוצע שלמחשב נייד, שצורך 0.5 אמפר מסוללה של 15 וולט במתח ישר הוא כ-7.5 וואט.- הספקו של מנוע "סטארטר" של מכונית, המספק 150 אמפר במתח של 12 וולט, הוא כ-1800 וואט (1.8 קוו"ט). דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

5. אנרגיה חשמלית [2 – זרם חילופין]- במערכות זרם חילופין מוגדר הערך האפקטיבי של המתח והזרם.- במקרה שמקור המתח הוא סינוסואידלי טהור, המתח האפקטיבי (והזרם, אם גם הוא סינוסואידלי) הם 0.707 (1 חלקי שורש 2) מהאמפליטודה (השיא).- ברשת הישראלית, המתח האפקטיבי הפאזי הנומינלי הוא 230 וולט.- מכאן שערך השיא (האמפליטודה) של המתח הוא230 x 1.414=325 V (לא לבלבל עם המתח השלוב!).- צרכן אוהמי )התנגדותי) טהור מפתח הספק P הנקבע ע"י:P [Watt] = Veff [Volt] x Ieff [Amper]- הזרם האפקטיבי של נורה בת 100 וואט הוא100 W : 230 V = 0.434 A.- במערכת חשמל תלת פאזית, המתח השלוב (בין פאזה לפאזה) הוא פי שורש 3 גבוה מהמתח הפאזי (בין פאזה ל-אפס). כאשר המתח הפאזי הנומינלי הוא230V, המתח השלוב הוא 230 X 1.732 = 398VAC. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

6. גורם ההספק Cos(phi) [1]- כאשר הצרכן אינו אוהמי (התנגדותי) טהור, נוצרת זוית מופע בין גל המתח לגל הזרם.- בעומס השראותי ליניארי (לדוגמא מנועים חשמליים), מפגר הזרם אחרי המתח בזוית כלשהי.- בעומס קיבולי ליניארי מקדים הזרם את המתח בזוית כלשהי.- ההספק האקטיבי המתפתח על העומס ניתן ע"י הנוסחה:P = Veff x Ieff x Cos(phi)- בעומסים לא ליניאריים (כמו ווסתי מהירות, מיישרים, אינוורטרים וכד') אי אפשר להגדיר את הזוית בין גל המתח לגל הזרם, וגורם ההספק מוגדר לפי הנוסחה הנ"ל. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

7. גורם ההספק Cos(phi) [2]- גורם הספק ירוד דורש זרם גבוה יותר (באותו מתח) על מנת לייצר את אותו הספק אקטיבי, דבר הגורם להפסדי אנרגיה גדולים יותר (I2R).- גורם הספק ירוד (השראותי) ניתן לתקן ע"י תוספת קבלים. רצוי שהקבלים יחוברו קרוב ככל האפשר לצרכן.- הבקרה הנכונה על הכנסת הקבלים היא באמצעות שמירה על הזרם הריאקטיבי ולא באמצעות שמירה על גורם ההספק. שמירה על גורם הספק רצוי תביא לתנודות (הכנסה והוצאה תכופה של הקבל/ים) כאשר הצריכה הכוללת נמוכה (בלילה או בסופי שבוע למשל). דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

8. אנרגיה חומנית ]1[- כאמור, חום היא אחת מצורות האנרגיה. במערכת היחידות MKS מודדים חום בקלוריות: 1 קלוריה קטנה = האנרגיה (העבודה) הדרושה להעלות 1גרם מים ב-10C . 1 קלוריה גדולה (ק"ק) = האנרגיה הדרושה להעלות 1ק"ג מים ב- 10C. - 1 קלוריה קטנה = 4.1868 ג'אול (זה נקבע במדידה!) 1 קילוקלוריה (קלוריה גדולה) = 4186 ג'אול.- יחידת חום בריטית, BTU, גם היא יחידת אנרגיה, שווה לאנרגיה הדרושה להעלות 1 פאונד (453.6 גרם) מים ב- 10F (5/90C).1BTU = 453.6 x 5/9 = 252 cal.1BTU = 252 x 4.1868 = 1055.06 Joul דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

9. אנרגיה חומנית [2] - דוגמא 1: גוף חימום בן 1000 וואט מחמם קומקום מים ובו ליטר אחד מים.חשב: 1) את קצב החימום במעלות צלזיוס לדקה 2) תוך כמה זמן ירתחו המים אם הטמפרטורה ההתחלתית שלהם היתה 28 מעלות צלזיוס. הזנח את מסת הקומקום והנח כי אין הפסדי חום.פתרון: גוף החימום מוסר למים 1000ג'אול שהם 1000 / 4.187 = 238.8 קלוריות לשניה. 1000 גרם מים יחוממו בקצב של כ- 0.24 מעלות בשניה, או כ- 0.24 x 60 = 14.4 מעלות לדקה. למים יקח 72:0.24=300 שניות, או כ-5 דקות להגיע לרתיחה. - דוגמא 2: כמה זמן ייקח לגוף חימום בן 2 קוו"ט לחמם דוד מים בן 80 ליטר מ-25 ל-55 מעלות? (הזנח את חימום מעטפת הדוד ואת ההפסדים).פתרון: t=(55-25) x 80 / (2 / 4.187) = 5024 [Sec], שהם כשעה ו-24 דקות. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

10. אנרגיה חומנית – טון קירורטון קירור (TR): טון קירור היא יחידת הספק. טון קירור מוגדר כהספק השווה ל- 12000BTU/Hour(12000 בי טי יו לשעה).- היחס בין טון קירור ל-KW: הראינו ש: 1BTU=252cal.1cal=4.187Joul ולכן >>> 1BTU=1055.06 Joul. 12000 BTU לשעה הם 3.333 BTU לשניה, או 3.333 x 1055.06 = 3516.9 ג'אול לשניה, שהם כ- 3.517KW. לסיכום: 1TR=3.517 KW.-BTU/Hour=(252 x 4.187)/3600 = 0.293Watt1Watt=3.412BTU/Hour .היחס בין טון קירור לקילוקלוריות לשעה:12000 [BTU/Hour] x 0.252 [Kcal/BTU] = 3024 Kcal/Hour- שאלה: איך מזגן חלון בהספק 2.5KW מייצר 26000 בי טי יו לשעה? הרי 26000 בי טי יו לשעה זה 26000x0.293=7618W?- תשובה: תפוקת המזגן גדולה יותר מההספק המושקע (אפקט משאבת חום). היחס בין התפוקה להספק המושקע מוגדר כ- COP. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

11. COP – Coefficient of Performance- COP – Coefficient of Performance מוגדר כיחס בין סה"כ תפוקת החום של המזגן ב-BTU/Hour מחולקת להספק החשמלי בכניסה ב-watt כשהיא מוכפלת ב-3.412.דוגמא: מזגן בהספק 2.5KW מספק 26000 בי טי יו לשעה. מהו ה-COP שלו?COP=26000/(2500*3.412)=3.05ה-COP הוא מספר חסר מימדים, ומבטא את היחס בין האנרגיה החומנית המופקת לבין האנרגיה החשמלית (או המכנית) המושקעת. ככל שה-COP גדול יותר, המזגן יעיל יותר בתפקידו כממיר אנרגיה.בישראל חייב יצרן מזגנים לסמן את ה-COP בתווית האנרגיה. ה-COP נמדדבקלורימטר של מעבדה מוסמכת במכון התקנים. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

12. דוגמא נוספת [1]- מערכת מיזוג אויר מספקת מים קרים. אספקת המים נמדדה באמצעות מד ספיקה ונמצא שהיא 320gpm. טמפרטורת האספקה נמדדה והיא 6.60C, וטמפרטורת החזרה 11.20C. חשב את ההספק הנמסר לבניין ב- BTU/Hour וב-KW. הנח שהחום הסגולי=1.פתרון:1 גלון = 3.785 ליטר. 320Gpm הם 1211.2 ליטר לדקה או 20.19 ליטר לשניה.החום (הקור) המסופק בשניה הוא (11.2-6.6) x 20.19 = 92.87 Kcal/sec.  92.87Kcal/sec=388.77KW1Kcal/sec = 4.186KWההספק הנמסר בטון קירור: 388.77 [KW] / 3.517 [KW / TR] = 110.5 [TR]הערה: מד בי טי יו ((BTU meter מבצע בדיוק את המכפלה שלהספיקה מוכפלת בהפרש הטמפרטורות. דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

13. דוגמא נוספת ]2[- מפוח נחשון (Fan Coil) הוא בתפוקת קירור של 3 טון קירור. חשב את הצריכה החשמלית שהוא מעמיס את המתקן המרכזי, אם ידוע שה- COP של המתקן המרכזי הוא 2.8.פתרון:- טון קירור שקול ל-3.517 קוו"ט. לכן תפוקת הקירור בקוו"ט היא3 [TR] x 3.517 [KW/TR] = 10.55 [KW]ההעמסה על המתקן המרכזי היא 10.55/2.8=3.77 [KW]תפקיד הדוגמא הזאת להדגים שהחסכון באנרגיה הנובע מהפסקת מפוח נחשוןאינו רק מהספק המנוע החשמלי הקטן שלו, כי אם מההעמסה שלו על המתקן המרכזי, ויכולה להיות מאד משמעותית! דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

14. דוגמא נוספת [3]- מנוע רכב מפתח הספק של 100 כ"ס ב-4800 סל"ד. מה המומנט שהוא מפתח?פתרון: ההספק הוא המכפלה של המהירות הזויתית במומנט.P[Watt] = w[rad/sec] x M[Kg2m2/sec=Nm]w = 2pi x f = 6.28 x (RPM/60) = 6.28 x 80 = 502.4rad/secP[Watt] = P[HP] x 746 = 74600Watt M[Nm] = P / w = 74600 / 502.4 = 148.49 NmM[Kgm] = M[Nm]/9.81 = 15.14Kgm דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

15. הרצאות נוספות בסדרה:- מושגי יסוד במערכות אנרגיה (אתה נמצא כאן!)- מערכות בקרת מבנים – היבט החסכון באנרגיה- מערכות בקרת מבנים – היבט הניהול, התפעול והאחזקה- בקרת מיזוג אויר ותאורה באמצעות גלאי נוכחות- PERFORMANCE CONTRACTING- טכניקות למדידת החיסכון המושג באנרגיה- שימוש באנרגיה סולארית (תרמית ופוטו-וולטאית)- פרקים נבחרים בבקרה- מימוש חוגי בקרה באמצעות בקרים מתוכנתים- ניתוח כדאיות כלכלית בפרוייקטים לחיסכון באנרגיה- DDC – מה זה ולאן זה הולך? דנמר אלקטרוניקה ובקרה בע"מ

16. מושגי יסוד במערכות אנרגיה דנמר אלקטרוניקה ובקרה