Процессы обработки воздуха в кондиционерах

8.2.1. Очистка воздуха

В атмосферном воздухе и в воздухе внутри объектов могут содержаться различные нежелательные примеси как естественного, так и искусственного происхождения. Это обуславливает необходимость осуществлять в системе кондиционирования очистку воздуха от пыли, неприятных запахов, болезнетворных микробов, от токсичных газов и паров, в том числе и от отравляющих веществ.

В связи с этим рассмотрим наиболее общие свойства систем, состоящих из газов, взвешенных твердых и жидких частиц. Такие системы, как известно, называют а э р о з о л я м и.

В соответствии с общепринятой классификацией аэрозоли делят на две группы:

– аэрозоли д и с п е р с и о н н ы е, образующиеся при диспергировании (измельчении, распылении) твердых веществ и при их переходе во взвешенное состояние под действием воздушных потоков;

– аэрозоли к о н д и ц и о н и р о в а н н ы е , образующиеся при объемной конденса­ция пересыщенных паров в результате газовых реакций, ведущих к образованию летучих продуктов.

Различие между этими двумя группами аэрозолей, помимо их проис­хождения, заключается в том, что дисперсионные аэрозоли в большинстве случаев грубее, чем конденсационные, обладают большим разнообразием частиц по размерам и форме. Например, игловая форма частиц асбеста сохраняется вплоть до размеров ниже разрешающей способности электронного микроскопа. Длина игл асбеста может превышать их диаметр в несколько сот раз. В конденсационных аэрозолях твердые частицы весьма часто представ­ляют собой рыхлые агрегаты очень большого числа первичных частиц, имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форму. Различают три основных вида аэрозолей: пыль, дым, туман.

Пыль представляет собой дисперсионную аэрозоль с твердыми частицами независимо от их размера. В инженерной практике пылью называют не только среду со взвешенными частицами, но и сами пылевые час­тицы, составляющие дисперсную фазу аэрозоли. Это упрощение сохранено в дальнейшем изложении.

Дымом называют конденсационную аэрозоль с твердыми частицами независимо от их размера.

Туманы - аэрозоли дисперсионные и конденсационные с жидкими частицами.

Наиболее существенными свойствами аэрозолей являются:

– усиление химической и физической активности вещества вследст­вие резкого увеличения суммарной внешней поверхности при его дисперги­ровании;

– преломление и рассеивание света;

– способность проникать через мельчайшие отверстия и неплотности.
Кроме того, отдельным видам аэрозолей присущи такие свойства, как токсичность, радиоактивность, наличие болезнетворных бактерий на твер­дых частицах и другие свойства, определяемые составом вещества частиц, составляющих дисперсную фазу аэрозоли.

Количество пыли в атмосферном воздухе может быть весьма раз­личным. В местности со сплошным зеленым массивом, над озерами и реками количество пыли в воздухе составляет менее 1 мг/м³, в промышленных горо­дах – 3…10 мг/м³, в городах с неблагоустроенными улицами – до 20 мг/м³. Размеры частиц колеблются от 0,02 до 100 н. Количество частиц размером 0,5 н и более в воздухе сельской местности достигает 30 • 10⁶ шт./м³, в крупных городах – 125 • 10⁶ шт./м³, в промышленных центрах – 250• 10⁶ шт./м³. Из всех пылинок, находящихся в атмосферном воздухе, частицы размером 0,5 н и меньше составляют более 22% общего числа частиц, а по массе – около 1%.

Санитарные нормы России ограничивают среднесуточную предельно допустимую концентрацию нетоксичной пыли в атмосферном воздухе объектов обитания величиной 0,15 мг/м³.

Форма и линейные размеры частиц, составляющих дисперс­ную фазу аэрозолей, различные. Так размер пыльцы растений равен 10 … 80 н, частиц цементной пыли – 6…80 н, атмосферного тумана – 10…50 н, угольной пыли – 10 … 35 н, сахарной пудры – 3…8 н, бактерий 0,3…10 н, черного дыма котельных установок 0,25…I н, табачного дыма – 0,01…0,1 н, ви­русов – 0,01… 0,1 н.

В зависимости от количества и размеров частиц, отделяемых от воздуха, различают три степени очистки: грубую, среднюю и тонкую.

Грубая очистка применяется при высокой (более 500 мг/м³) начальной запыленности воздуха, при этом конечная концентрация пыли не заедается. Грубая очистка является предварительной или первой ступенью пе­ред средней очисткой. При грубой очистке из воздуха в основном удаляются частицы крупнее 1 мк.

Средняя очистка позволяет задержать частицы крупнее 100 н, Остаточная концентрация обычно составляет 30 … 50 мг/м³.

Тонкая очистка применяется для улавливания самых мелких фракций пыли. Остаточная концентрация пыли – 1…2 мг/м³.

Существует большое количество аппаратов, позволяющих отделить твердые и жидкие частицы от воздуха. Различаются они, прежде всего, природой сил, используемых при удалении частиц, а именно: сил тяжести, инерции и электрического поля, кроме того, молекулярной и турбулентной диффузии.

При удаления крупнодисперсных аэрозолей предпочтение в применении отдают циклонам, сепараторам, лабиринтным пылеосадочным или магнитным камерам и т.п.; при средней и тонкой очистках используются ф и л ь т р ы.

Фильтр (от гр. filtrum – войлок) – устройство для разделения разнородных систем, содержащих газообразную, жидкую и твердую фазы.

В практике кондиционирования воздуха наиболее распространенными являются пористые фильтры. К пористым фильтрам относят:

– фильтры насыпные и набивные, в них фильтрующий слой обра­-
зуется из различных материалов (гравий, кокс, металлическая стружка, рези­
новая крошка, фарфоровые или металлические кольца, синтетические волокна, тонкая проволока и др.), засыпаемых или набиваемых в кассеты;

– сетчатые фильтры, в кассеты которых укладываются металлические перфорированные листы, стальные проволочные сетки и сетки из синтетических материалов, нередко смачиваемые водой или специальными сортами масел;

– волокнистые фильтры, к которым относит боль­шую группу фильтрующих элементов, снаряженных различными тканями, бумажными или во­локнистыми материалами природного либо синтетического происхождения. Волокна в фильтрующих слоях пропитаны связующими ве­ществами или связаны в прочный слой в процессе изготовления. Волокни­стые слои могут иметь различную структуру – от очень плотной, типа бумаги или картона до едва связанной структуры типа ваты или ватина. Эффективность волокнистых слоев также колеблется в очень широких пре­делах.

Пылезадерживающая способность большинства пористых фильтров основана на осаждении и удержании находящихся в воздухе твердых частиц при соприкосновении с поверхностями элементов, составляющих фильт­рующий слой. Процесс задержания твердых частиц в пористых фильтрах объясняется проявлением следующих основных эффектов:

– лабиринтного эффекта, который обнаруживается при поворотах за­пыленного воздушного потока в извилистых каналах фильтрующего слоя;

– ударного эффекта, проявляющегося при ударе твердых частиц о стенки каналов;

– ситового эффекта, проявляющегося в том, что частицы, имеющие
размеры больше входных отверстий канала, застревают;

– электростатического эффекта взаимодействия зарядов, образующих­ся на волокнах пористого фильтра, с аэрозолями. Заряженное волокно создает вокруг себя неоднородное электрическое поле. Частицы поля­ризуются этим полем и притягиваются к поверхности волокна. Электриче­ские заряды на волокнах в большинстве случаев нестабильны и быстро исчезают вследствие проводимости волокна и под влиянием влажности.

В конструктивном отношении волокнистые фильтры подразделяются на две труппы: ячейковые и рулонные.

Ячейковые волокнистые фильтры бывают плоские, карманные и складчатые. Плоские фильтры заполняются рыхлыми волокнистыми мате­риалами, в карманных фильтрах променяют материалы с повышенным со­противлением и, соответственно, с повышенной эффективностью. В склад­чатых фильтрах используют еще более плотные материалы, которые укладываются в фильтр так, что образуют развитую фильтрующую поверхность. Как прави­ло, фильтрующий материал после использования выбрасывают, однако име­ются материалы, которые можно использовать повторю после очистки их путем отряхивания, промывки или продувки.

Движение воздуха в процессе фильтрации через слой тонковолокни­стого фильтрующего материала ламинарное, поэтому при расходе возду­ха в количестве 36 м³/(м² • ч) со скоростью фильтрации 1 см/с сопротивление чистого слоя составляет 15… 20 Па. При расходе воздуха 150 м³(м² • ч) со­противление чистого слоя повышается до 150…460 Па. Сопротивление загрязненного фильтра принимают в два раза большим, чем сопротивление чистого фильтра, но не выше 400 … 600 Па. Пылеемкость тонковолокнистого материала не­велика и составляет около 10 г на 1 м² фильтрующего материала..

К существенным недостаткам пористых фильтров относится их срав­нительно небольшая пылеемкость, в связи с чем возникает необходимость заменять и регенерировать фильтрующей материал.

Характеристики некоторых фильтров приведены в Приложении, табл. 9.

8.2.2. Тепловлажностная обработка воздуха

Кондиционирование предусматривает нагрев или охлаждение воздуха, его увлажнение или осушку. Изменение состояния воздуха в этом случае осуществляется за счет подвода или отвода к нему теплоты и влаги.

Пусть, например, воздух с начальным состоянием, характеризующимся точкой А (см. фрагмент id – диаграммы, рис. 8.1) с параметрами d_A , i_A, t_A, , требуется довести до состояния, характеризующимся точкой Б с параметрами d_Б , i_Б, t_Б, .

Количество теплоты, необходимое для протекания процесса

= ( - , (8.1)

а количество влаги

= ), (8.2)

где – массовая секундная подача

воздуха на обработку.

Разделим уравнение 8.1 на урав-

нение 8.2, обозначим их отношение Рис. 8.1. Фрагмент id – диаграммы

через получим

(8.3)

Такой процесс обработки воздуха, когда одно­временно происходит прираще­ние или потеря тепла и влаги, называется т е п л о в л а ж -

н о с т н о й обработкой.

На рис. 8.1 этот процесс изображен лучом, соединяющим точки А и Б, ха­рактеризующие начальное и ко­нечное состояния воздуха. Наклон луча определяется отношением приращения орди­нат к приращению абсцисс . Величина в формуле (8.3) представляет собой угловой коэффициент луча (линии) в косоугольной системе коорди­нат.

Прямая, наклон которой определяется угловым коэффициентом , называется лучом тепловлажностного процесса.

Величина из­меряется в килоджоулях на килограмм влаги.

Рассмотрим некоторые случаи изменения состояния воздуха при разных угловых коэффициентах, рис. 8.2.

Первый случай. Воздух, характеризуемый точкой А, до­водится до состояния с параметрами в точке Б, При этом воздухом поглощается одновременно теплота и влага, причем i _Б > i _А и d_Б > d_А. В этом случае направление искомого луча про­цесса будет характеризоваться отношением

.

и соответствовать нагреванию и увлажнению воздуха.

Второй случай. Начальное состояние воздуха характе­ризуется той же точкой А и теми же параметрами, а конечное состояние – точкой В с параметрами i _В = i _А и d_В > d_А. Так как процесс увлажнения воздуха проходит при постоян­ной энтальпии, то направление луча процесса

и соответствует изоэнтальпно- му увлажнению воздуха.

Третий случай. Начальное состояние воздуха то же, а конечное состояние характеризуется точкой Г с параметрами i _Г i _А

Рис. 8.2. Тепловлажностные про-и d_Г = d_А т. е процесс проходит

цессы обработки воздуха при постоянном влагосодержании

с направлением вниз от точки А. Направление луча процесса в этом случае будет

Четвертый случай. Воздух (точка Д) отдает теплоту и влагу

(i _Д i _А и d_Д d_А ) т. е. проходит процесс охлаждения и осушения воздуха. Направление луча процесса

Так как приращения теплоты и влагосодержания имеют отри­цательные значения, то направление луча процесса будет от точ­ки А к точке Д.

П я т ы й с л у ч а й. Воздух (точка Е) отдает влагу (d_Е d_А ) при постоянной энтальпии (i _Е i _А ), т. е. протекает про­цесс осушки воздуха при помощи абсорбентов. Направление лу­ча процесса

Но так как приращение влагосодержания будет отрицатель­ным, то направление луча процесса будет от точки А к точке Е.

Ш е с т о й случай. Воздух (точка Ж) подвергается нагре­ванию в калориферах при постоянном влагосодержании (d_Ж = d_А ).

Так как i _Ж > i _А , то направление луча процесса

В этом случае приращение энтальпии положительное, отсюда, направле­ние луча процесса будет вверх от точки А.

Следовательно, направление луча наглядно характеризуют процесс тепловлажностной обработки воздуха в системе кондиционирования.

Расчет тепловлажностной обработки воздуха с использованием id – диаграммы упрощается, если на нее нанесен так называемый у г л о в о й

м а с ш т а б.

Угловой масштаб – это нанесенный на id – диаграмму расходящийся из точки со значениями i = 0 и d = 0 пучок линий с известными угловыми коэффициентами.

Чтобы не затенять id – диаграмму, линии углового масштаба выносят на поля диаграммы. На отрезке каждой линии указывается величина углового коэффициента

Пользуясь угловым масштабом id – диаграммы, можно определить требуемое соотношение между подводом или отводом теплоты и влаги

(т.е. ), которое должно обеспечить необходимую термовлажностную обработку воздуха. Для этого соединяют лучом точки с параметрами воздуха на входе и выходе из кондиционера. Линия углового масштаба параллельная лучу показывает значение Если же величина известна, то можно определить параметры воздуха в процессе обработки. В этом случае проводится параллельно линии углового масштаба луч процесса из точки с начальными параметрами воздуха до пересечения с линией, соответствующей = 100 %. Точки на этом луче характеризуют параметры воздуха, которые могут быть получены при заданном .

Рассмотрим один из вариантов обработки воздуха в кондиционере. Допустим, необходимо повысить температуру и относительную влажность воздуха, подаваемого в объект, иначе, перейти из состояния А в состояние Б. (см. фрагмент id–диаграммы, рис. 8.3). Здесь возможны три варианта:

1) воздух вначале нагревается при постоянном влагосодержании (процесс АВ), а затем увлажняется при неизменной энтальпии (процесс ВБ);

2) воздух увлажняется в процессе АГ, а затем нагревается в процессе ГБ.

Рис. 8.3. Процессы обработки воздуха

3) воздух нагревается и увлажняется одновременно, процесс АБ.

Различные варианты тепловлажностной обработки воздуха подробно рассмотрены в .

Температура воздуха при обработке изменяется как за счет теплопередачи в теплообменном аппарате, так и за счет теплоты фазового перехода при испарении или конденсации водяных паров.

В кондиционерах роль теплообменных аппаратов для нагрева воздуха выполняют калориферы (см. с. 51). Для охлаждения воздуха используются теплообменники с низкотемпературным теплоносителем, в основном это испарители паровых компрессорных холодильных машин. Кроме ПКХМ в кондиционерах возможно использование и других способов снижения температуры воздуха.

При обработке воздуха при кондиционировании наиболее сложными в технологическом плане являются процессы осушки и увлажнения.

Очистка воздуха от паров воды называется осушкой. При осушке уменьшается влагосодержание влажного воздуха. В самом общем случае для объектов приемлемы два способа осушки: первый – охлаждением воздуха до температуры ниже температуры точки росы, и второй – использованием веществ, поглощающих водяные пары.

Первый способ реализуется в аппаратах контактного типа или с использованием поверхностных воздухоохладителей. В кондиционерах к аппаратам контактного типа относят так называемые камеры орошения. Их функционирование определяется задачами обработки воздуха. Например, в одной из них навстречу движущемуся воздуху впрыскиваются капли воды с температурой ниже температуры точки росы воздуха. При контакте с такими каплями воздух будет осушаться. Но в данном случае ограничена глубина осушки, Так, чтобы снизить влагосодержание воздуха с 10…12 г/кг до

5…6 г/кг, температура воды должна быть около 0⁰С.

Если воздух омывает поверхность теплообменника с температурой как правило ниже 0⁰ С, то пары воды из воздуха конденсируются на поверхности и кристаллизуются, образуя иней (осуществляется процесс вымораживания).

Достоинством рассмотренного способа является универсальность его оборудования, обеспечивающего не только осушку, но и другие процессы обработки воздуха. К недостаткам относят необходимость последующего нагрева воздуха при подаче в объект.

Второй способ осушки воздуха может быть осуществлен с о р б е нт а м и.

Сорбентами называются вещества, способные при соприкосновении с воз-

духом поглощать из него в значительных количествах водяные пары.

Для осушки воздуха в сорбционных установках применяют четыре вида поглотителей:

1) жидкие поглотители (абсорбенты) – вещества, изменяющиеся физиче­ски или химически при осушке воздуха (растворы хлористого кальция, хло­ристого лития, бромистого лития, также диэтиленгликоль);

2) твердые поглотители (адсорбенты) – вещества, не изменяющиеся фи­зически в процессе осушки воздуха. К твердым сорбентам относятся различ­ные гели (силикагель, алюмогель, феррогель и т.д.), активированный уголь и др.;

3) твердожидкие поглотители – вещества, которые в процессе осушки воздуха и поглощения воды из него переходят из твердого состояния в жид­кое (хлористый кальций и хлористый литий). Процесс поглощения влаги у таких сорбентов протекает сначала, как у твердых, а затем, после изменения их агрегатного состояния, как у жидких сорбентов. В практике кондициони­рования и технологической осушки воздуха твердожидкие сорбенты применяются очень редко;

4) гигроскопические волокнистые материалы.

Процесс поглощения влаги твердыми сорбентами называют а д с о р б ц и­ е й, жидкими сорбентами – а б с о р б ц и е й.

Особыми требованиями, определяющими пригодность сорбентов для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, являются:

– химическая нейтральность к углекислому и другим газам, которые могут находиться в осушаемом воздухе;

– неагрессивность по отношению к металлам, исключающая возмож­ность их коррозии;

– нетоксичность, а также отсутствие резких и неприятных запахов сорбента н его паров;

– легкость регенерации для восстановления на­чальных свойств после насыщения влагой.

Кроме того, применение сорбен­тов экономически может быть оправдано лишь при их невысокой стоимости н незначительных эксплуатационных расходах, сравнительно с другими способа ми осушения.

Исходя из этих требований, в системах вентиляции и кондиционирования при осушке воздуха широко используется твердый сорбент – силикагеь.

Силикагель, высушенный гель поликремневой кислоты. По химическому составу силикагель – двуокись кремния S_i O₂ (кремнезем), по структуре – высокопористое тело, образованное мельчайшими сросшимися сферическими частицами. Получают силикагель следующим образом: действуют на раствор силиката натрия или калия (жидкое стекло) соляной или серной кислотой, а затем затвердевший продукт дробят на куски, промывают водой, сушат, измельчают, фракционируют и прокаливают для удаления влаги. Объемная масса силикагеля колеблется а пределах 640…750 кг/м³ Для осушения воздуха применяется силикагель с размером зерен 1… 3 мм.

Важным свойством, оп­ределяющим адсорбционную способность силикагеля, является его сильно развитая капиллярная структура. Объем капилляров в зерне составляет 40 – 50 % oт его общего объема, а поверхность капилляров в 100 раз больше наружной поверхности зерна. Степень осушки силикагелем высокая – может понизить влагосодержание воздуха до температуры точки росы – 50⁰ С, а 1 кг силикагеля может адсорбировать до 450 г водяных паров. Применять силикагель рекомендуется при температуре воз­духа не выше 35 °С, так как при более высоких температурах поглотительная способность силикагеля снижается. Температура регенерации силикагеля 100…120 ⁰С, срок эксплуатации – около 10 лет.

8.2.3. Ионизация и озонирование воздуха

Для улучшения микроклимата в обитаемых объектах желательно использовать иониза­цию и озонирование воздушной среды. Воздух, обогащенный легкими отрицательными ионами, благоприятно сказывается на жизнедеятельность человека, продуктивность животных и птицы,.

Сухой атмосферный воздух имеет весьма стабильный химический состав. Отрицательные а э р о и о н ы образуются в результате зах­вата электрона при взаимном столкновении нейтральных атомов или молекул газов, находящихся в воздухе. Из всех газов, присутствующих в воздухе, в значительной кон­центрации имеется кислород, который способствует в образовании аэроионов. Атомы и молекулы кислорода образуют отри­цательные ионы О^- и О₂^-. Наиболее вероятным являет­ся присоединение свободного электрона к молекуле О₂, менее вероятен этот процесс для О₃ и О. Молекула углекислого газа способ­на образовывать только положи­тельные ионы. Молекула воды не способна образовывать устойчивые отрицательные ионы после разры­ва связей НО—Н и О—Н, что под­тверждают экспериментальные данные. Доля остальных газов в атмосферном воздухе, и, следова­тельно, вероятность образования их ионов мала.

Концентрация в атмосфере легких аэроионов обеих полярностей зависит от местности, где расположен объект обитания. На рис. 8.2 пока­зана

Рис. 8.4. Зависимость концентрации аэроионов от расположения объекта: