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:

1 – в горах; 2 – в сельской местнос­ти; 3 – в городских поселках; 4 – в крупных городах

концентрация аэроионов соответствует полезной для человека норме, на курортах и в горной местности несколько выше, а в крупных промышленных центрах ниже нормы и может приближаться к нулю.

При перемещении воздуха по тракту кондиционера через фильтры, теплообменники, камеры орошения концентрация ионов изменяется и в общем случае может отличаться от требуемой нормы. Для обеспечения необходимой ионизации воздуха в СКВ используют различного типа промышленные ионизаторы. Их устанавливают непосредственно в кондиционеры либо в воздуховоды конкретных объектов.

В СКВ возможны процессы озонирования воздуха. Озон обладает большой окислительной способностью, в результате чего способен окислить газы органического происхождения и уничтожать микроорганизмы. Озон получают в озонаторах, где при разности потенциалов 6…30 кВ между электродами происходят тихие или коронные разряды. Проходящий по узкому каналу между электродами воздух озонируется. Концентрация озона на выходе из СКВ не должна превышать порога запаха – 18…20 мг/м³.

Неприятные запахи создаются различными газами, а также частицами пыли или пара мельчайших размеров (менее 0,01 мк). Радикальным средством уничтожения запахов является озон. Под влиянием озона происходит разложение или окисление не­приятно пахнущих веществ, в результате чего запах исчезает. Химическая активность озона объясняется, прежде всего, актив­ностью атомарного кислорода, являющегося продуктом разло­жения озона. Кроме уничтожения запахов, озон оказывает бактерицидное действие.

Для уничтожения запахов применяются различные фильтры, поглощающие неприятно пахнущие веще­ства. К их числу относятся фильтры из активированного угля. Активированный уголь обладает способностью поглощать неко­торые отравляющие вещества, благодаря чему он используется в противогазах. Весьма распространены для удаления запахов, так называе­мые купромитевые фильтры, в которых фильтрующим вещест­вом является купромит. Микроорганизмы, в том числе болезнетворные, могут зано­ситься в помещения людьми (вместе с различными предметами, пищей), животными и насекомыми, например грызунами, а так­же попадать вместе с наружным воздухом, подаваемым систе­мами вентиляции или проникающим через неплотности ограж­дений.

Микроорганизмы способны быстро размножаться, поэтому, проникнув в помещение даже в небольшом количестве, они мо­гут воздушную среду скоро превратить в опасную. Для очистки воздуха от микроорганизмов очень важен их размер. Известно, что некоторые из микроорганизмов (виру­сы) настолько малы, что не задерживаются фильтрами и даже могут проникать внутрь человека через его кожные покровы. Од­нако в воздушной среде в основной своей массе микроорганизмы существуют вместе с пылью или каплями жидкости (тумана). Некоторые микроорганизмы сами по себе имеют размер, соот­ветствующий размеру частиц дыма, тумана и даже пыли. В свя­зи с этим обычные средства по очистке воздуха от пыли в той или иной мере способны очищать его от микроорганизмов;

Хорошими бактерицидными свойствами обладает ультрафио­летовая радиация, в результате действия которой микробы по­гибают или приостанавливают свою жизнедеятельность. Обезза­раживание воздуха при помощи ультрафиолетовых лучей возможно в СКВ.