Тема 2.5 Кондиционирование воздуха

Назначение и принцип работы систем кондиционирования воздуха (СКВ)

Система кондиционирования воздуха (СКВ) - это техническая установка, предназначенная для создания и поддержания в помещении или отдельной зоне заданных параметров микроклимата и чистоты воздуха. При этом заданные параметры поддерживаются в течение всех периодов года. Системы кондиционирования воздуха обычно работают в автоматическом режиме, обеспечиваемом специальной системой автоматического регулирования. В некоторых случаях при кондиционировании воздуха требуется обеспечить также высокую чистоту притока, т.е. полное отсутствие пыли.

Система кондиционирования конструктивно состоит из воздухоприготовительного устройства (кондиционера), сети воздуховодов, сетевого оборудования (доводчиков, воздухораспределителей, средств автоматического регулирования и шумоглушителей).

На рис. 9.1 приведена схема форсуночного кондиционера, предназначенного для полной обработки воздуха, с I и I I регулируемыми рециркуляциями.

Наружный воздух поступает в кондиционер через жалюзийную решетку 1 и очищается от пыли в фильтре 2. Пройдя клапан 3, часть воздуха поступает в калориферы первого подогрева 4. Установленные на подаче горячей воды в калориферы 4 специальные клапаны 15 регулируют степень нагрева воздуха в калориферах. Воздух может проходить, минуя калориферы, т.е. оставаясь без подогрева. Затем свежий подогретый воздух смешивается с некоторым объемом рециркуляционного воздуха, возвращаемого из обслуживаемого кондиционером помещения через заслонки 5.

Смесь наружного и руциркуляционного воздуха проходит оросительную камеру 12, калорифер второго подогрева 7, клапан 8, попадает в вентиляционный агрегат 10 и по воздуховоду 9 поступает в помещение. Температура теплоносителя в калорифере 7 регулируется автоматически специальным клапаном 11, уровень воды в оросительной камере поддерживается поплавковым устройством 14. Насос с регулятором оросительной системы 13 обеспечивает поступление холодной воды к форсункам в требуемом количестве. В помещениях метеорологические условия при кондиционировании следует обеспечивать в пределах оптимальных норм, кроме случаев, когда метеорологические условия установлены другими нормативными документами.

Температуру приточного воздуха, подаваемого системами кондиционирования воздуха, tn ºС, определяют по формулам:

- при необработанном наружном воздухе

tn = tн + 0,001 р,

где tн - температура наружного воздуха, ºС; р – полное давление воздуха после вентилятора, Па;

- при наружном воздухе, охлажденном на ∆t1 . ºС. циркулирующей по адиабатному циклу (адиабатный процесс – термодинамический процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает ее)

tn = tн - ∆t1 + 0,001 р;

- при необработанном наружном воздухе и местном доувлажнении воздуха в помещении, снижающем его температуру на ∆t2 , ºС,

tn = tн - ∆t2 + 0,001 р;

- при наружном воздухе, охлажденном циркулирующей водой, и местном доувлажнении

tn = tн - ∆t1 - ∆t2 + 0,001 р;

- при наружном воздухе, нагретом в воздухонагревателе на ∆t3 , ºС,

tn = tн + ∆t3 + 0,001 р;

В летний период тепло- и влагосодержание наружного воздуха часто превышает заданные параметры приточного воздуха, необходимые для поддержания метеорологических условий в помещениях. В таких случаях приточный воздух подвергается соответствующему охлаждению и осушению. В ряде случаев в производственных цехах с преобладанием выделяющейся явной теплоты и мимнимальным выделением влаги в летний период можно не прибегать к осушению приточного воздуха, а ограничиться только снижением его температуры за счет адиабатического процесса. При этом часть явной теплоты, содержащейся в воздухе помещения, переходит в скрытую теплоту, что сопровождается снижением температуры обрабатываемого воздуха, увеличением влагосодержания и , соответственно, относительной влажности при неизменном теплосодержании.

Классификация систем кондиционирования воздуха.

По назначению системы кондиционирования подразделяют на :

1. Комфортное кондиционирование используют для создания микроклимата, оптимального для жизнедеятельности людей. При этом отклонение параметров воздуха от заданных составляет по температуре ±1,0ºС, по относительной влажности ± 7%, по подвижности воздуха ±0,1 м/с в течение года в среднем от 100 до 450ч.

2. Технологическое кондиционирование воздуха предназначено для обеспечения необходимых его параметров для оптимизации технологических процессов.

Системы кондиционирования, предназначенные для круглосуточного и круглогодичного обеспечения требуемых параметров воздуха в помещениях, следует предусматривать не менее чем с двумя кондиционерами.

По характеру связи с обслуживаемым помещением подразделяются на :

1. Местные

2. Центральные

По схеме обработки воздуха на :

1. Прямоточные

2. Рециркуляционные

По конструктивным признакам на :

1. Автономные

2. Неавтономные

В центральных системах кондиционирования источники теплоты и холода (ИТХ) централизованы. Распределение воздуха по отдельным помещениям обеспечивается распределительной сетью воздуховодов.

В местных неавтономных системах ИТХ централизованы, но обработка воздуха производится в местных кондиционерах, которые размещаются в обслуживаемом ими помещениях. При таких системах распределительные воздуховоды отсутствуют. Питание местных автономных кондиционеров теплоносителем и хладоносителем осуществляется по трубопроводам, соединяющим эти кондиционеры с центральным ИТХ.

Автономные системы кондиционирования представляют собой индивидуальные кондиционеры со встроенными холодильными машинами. Их устанавливают в отдельных помещениях и подключают к электросети.

Снижение температуры приточного воздуха в летний период с использованием адиабатического процесса испарения.

Для снижения температуры приточного воздуха в летний период года используют адиабатический процесс испарения. Сущность такого способа снижения температуры состоит в следующем.

Обрабатываемый в оросительной камере наружный воздух, вступая в контакт с капельками разбрызгиваемой воды, имеющей температуру мокрого термометра, приходит в состояние, близкое к состоянию насыщения (практически относительная влажность φ = 95%) за счет происходящего в этом случае испарения влаги. Очевидно, что испарение происходит только тогда, когда обрабатываемый воздух имеет относительную влажность ниже 100%. В процессе испарения жидкости источником теплоты в системе вода-воздух является воздух, а условием переноса теплоты – разность температур между воздухом и водой.

Приточный воздух, отдавая явную теплоту в результате теплообмена с водой, охлаждается. Теоретически при достижении полного насыщения конечная температура воздуха должна быть равна температуре мокрого термометра tм , но в реальных условиях оросительной камерыкондиционера достичь такого состояния воздуха не удается. Следовательно, при использовании для снижения температуры воздуха адиабатического процесса испарения жидкости в летний период года из всех основных узлов форсуночного кондиционера должна функционировать только камера орошения. Разбрызгиваемая в камере орошения вода при контакте с обрабатываемым воздухом принимает температуру мокрого термометра. Специальных охлаждающих устройств не требуется. Из общего количества разбрызгиваемой воды испаряется всего 3…5%, а остальная вода выпадает в поддон, откуда забирается насосом и подается к форсункам. Подпитка водой осуществляется автоматически с помощью шарового крана.

Так как количество добавляемой воды незначительно, то температуру разбрызгиваемой воды для расчетов можно принимать равной температуре мокрого термометра, а конечное состояние обрабатываемого воздуха определяется на I – d – диаграмме (см. рис. 6.1) точкой пересечения линии I = const, проведенной через точку заданного состояния наружного воздуха (в летний период) с кривой φ = 95%. Исходные параметры наружного воздуха обозначим tн и φн, а расчетные параметры внутреннего воздуха - через tв и φв. При этом φв может изменяться в допустимых пределах (см. табл. 3.2…3.4), т.е. φв = а…б, так как при данном способе обработки воздуха невозможно поддерживать постоянным заданное значение относительной влажности φв.

На рис. 9.2 изображена принципиальная схема системы кондиционирования воздуха в летнее время с использованием адиабатического процесса. Буквы Н, П и В на отдельных участках схемы связывают ее с I – d – диаграммой (рис. 9.3), на которой этими же буквами обозначено состояние воздуха на соответствующих участках схемы.

Наружный воздух в количестве G. кг/ч, поступает в кондиционер 2 (см. рис. 9.2), а после обработки – в помещение 1. Обработанный воздух удаляется из помещения с помощью вытяжной системы. Такую схему кондиционирования называют прямоточной. На рис. 9.2 кондиционер условно разделен на три части в соответствии с составляющими его элементами.

Построение процесса кондиционирования воздуха на I – d – диаграмме начинают с нанесения точки Н, характеризующей состояние наружного воздуха (см. рис. 9.3), так как в летний период оба калорифера отключены, то наружный воздух с параметрами tн, dн, φн поступает в дождевое пространство (оросительную камеру), где при контакте с капельками воды, имеющей температуру мокрого термометра, происходит процесс адиабатического испарения, которому на I – d – диаграмме соответствует адиабатический луч НП (угловой коэффициент εув = 0). Процессзавершается в точке П пересечения этого луча с кривой φ = 95%. При этом температура tп является предельно возможной при использовании адиабатического процесса.

Таким образом, при указанной обработке температура воздуха снижается на ∆t = tн – tп. Теплосодержание воздуха при этом сохраняется примерно постоянным.

Из рис. 9.3 видно, что чем больше φн, тем меньше ∆ t. поэтому использование адиабатического процесса для снижения температуры приточного воздуха целесообразно только при сравнительно низких значениях относительной влажности наружного воздуха.

В рассматриваемых условиях параметры точки П являются параметрами приточного воздуха. Если известны количества теплоты и влаги, выделяющиеся в помещении, а следовательно и угловой коэффициент луча процесса εп, то дальнейшее построение процесса производят так.

Через точку П проводят луч ПВ (соответствующей заданному значению внутренней температуры. Определив в результате такого построения положение точки В, т.е. ее параметры, можно используя формулу расчитать количество приточного вентиляционного воздуха.

3,6Q - cLр.з.(tр.з. -tн)

LQ = Lр.з. + ------------------------,

C(tу - tп)

Если относительная влажность, соответствующая точке В, удовлетворяет заданным пределам (φв = а…б), то построение процесса считаютзаконченным. Однако на практике часто складываются такие условия , при которых линия луча процесса изменения состояния воздуха в помещении проходит в зоне высоких значений относительной влажности, поэтому координаты (т.е. параметры) точки В выходят за допустимые пределы. В этих случаях при обработке наружного воздуха рекомендуется использовать схему кондиционирования, показанную на рис. 9.4. Эта схема предусматривает подачу только части наружного воздуха в дождевое пространство, а остальная часть необработанного воздуха смешивается с обработанным воздухом с помощью байпасного воздуховода.

Обрабатываемая часть наружного воздуха Gдп, кг/ч, имеет на входе в дождевое пространство параметры, соответствующие точке Н (рис. 9.5), а на выходе из оросительной камеры – параметры состояния, характеризуемые точкой О (как результат адиабатического процесса).

Другая часть воздуха в количестве Gб с состоянием Н, минуя оросительную камеру, смешивается с воздухом, выходящим в количестве Gдп из оросительной камеры. В результате термодинамического процесса образующаяся смесь в количестве Gо будет иметь параметры состояния приточного воздуха, соответствующие на I – d – диаграмме точке П. При поступлении приточного воздуха в помещение устанавливается заданное состояние внутреннего воздуха (точка В ). С этими параметрами воздух удаляется из помещения системой вытяжной вентиляции.

Рассмотрим построение данного процесса обработки наружного воздуха при кондиционировании на I – d – диаграмме (см. рис. 9.5). исходными данными являются расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха, а также угловой коэффициент луча процесса в помещении.

Постоение процесса на I – d – диаграмме начинают с нанесения точки Н, имеющей параметры наружного воздуха. Далее через точку Н проводят луч адиабатического процесса испарения (εув = 0) до его пересечения с кривой φ = 95%, получая точку О, параметры которой определяют состояние воздуха, покидающего в количестве Gдп дождевое пространство.

Затем на I – d – диаграмме по заданным параметрам внутреннего воздуха наносят точку В (в этом случае φв принимает вполне определенное значение). Через точку В проводят луч, соответствующий процессу в помещении, до пересечения его с лучом НО, соответствующим адиабатическому процессу в оросительной камере. Точка пересечения П определяет параметры приточного воздуха, получающегося при смешивании наружного воздуха из байпасного воздуховода и воздуха, обработанного в кондиционере.

Так как в результате выполненного построения определились параметры приточного воздуха, то его количество можно вычислить по формуле (на стр 104). Для того чтобы определить количество воздуха, пропускаемого через дождевое пространство Gдп и и байпасный воздуховод Gб, используем пропорцию Gб Gб , из которой следует, что ПО

----- = ----- Gб = Gо -------

НО ПО НО

Количество воздуха, проходящего через дождевое пространство,

Gдп = Gо – Gб

Количество влаги Wисп, кг/ч, подлежащей испарению для увлажнения воздуха в рассматриваемой схеме, можно определить по формуле:

Wисп = Gдп ( dо - dн ) 10 ³

Рассмотренный способ обработки воздуха нельзя использовать в случаях, когда заданные параметры (тепло- и влагосодержание) приточного воздуха ниже соответствующиз параметров наружного воздуха. В таких случаях рекомендуется применять схему обработки воздуха с его охлаждением и осушением.

Способы охлаждения, нагревания, осушения и увлажнения воздуха, используемые в практике кондиционирования.

Охлаждение воздуха при кондиционировании осуществляют с помощью специальных теплообменных аппаратов – воздухоохладителей, которые изготовляют двух типов: поверхностные “сухие” и “мокрые”. В поверхностных “сухих” охладителях воздух вступает в контакт с охлаждающей поверхностью ребристых или гладких труб, в которых циркулирует холодная вода, рассол или специальный холодильный агент. В воздухоохладителях “мокрого” типа воздух охлаждается в результате непосредственного его соприкосновения с капельками холодной воды в оросительной камере или со смоченной поверхностью, образованной металлическими или фарфоровыми кольцами, постоянно орошаемыми холодной водой или рассолом. Встречаются конструкции охладителей, в которых воздух охлаждается при прохождении через натуральный дробленый лед.

Охлаждаться воздух может только в том случае, если у охлаждающей поверхности температура ниже температуры охлаждаемого воздуха. В воздухоохладителях “сухого” типа при температуре охлаждающей поверхности ниже температуры охлаждаемого воздуха по сухому термометру, но выше точки росы процесс охлаждения происходит при постоянном влагосодержании – от воздуха отводится только явная теплота, в результате чего его температура понижается. В тех случаях, когда температура поверхности “сухого” воздухоохладителя ниже точки росы, процесс охдаждения сопровождается конденсацией водяных паров из воздуха. При этом воздух охлаждается и одновременно осушается.

В охладителях “мокрого” типа при температуре разбрызгиваемой воды, равной температуре мокрого термометра, воздух в процессе охлаждения отдает явную теплоту и его температура понижается. Температура воды, несмотря на теплообмен, не повышается, так как теплота, отдавемая ей воздухом, идет полностью на испарение.

Следовательно, в этом случае температура воздуха понижается, а влагосодержание несколько возрастает, т.е. воздух увлажняется.

Иногда для увлажнения воздуха используют водяной пар, но применяют этот способ редко, так как пар обладает резким специфическим запахом.

Охлаждение и увлажнение воздуха можно также производить с помощью перегретой воды, принцип охлаждения воздуха в данном случае основан на использовании эффекта испарения при вскипании распыляемой перегретой воды. Расход теплоты на парообразование при этом превышает теплосодержание разбрызгиваемой воды, а недостающее количество ее отбирается от воздуха, в результате чего температура воздуха понижается. Испаряющаяся вода поступает в воздущно-паровую смесь и повышает ее влагосодержание.

Для нагревания воздуха используют калориферы – нагревательные аппараты гладкотрубной или оребренной конструкции. Термодинамический процесс нагревания воздуха в калорифере протекает при постоянном влагосодержании, но с повышением температуры воздуха его относительная влажность падает.

В тех случаях, когда для осушения воздуха применяют жидкие или твердые влагопоглощающие вещества, процесс осушения сопровождается повышением температуры осушаемого воздуха в результате перехода скрытой теплоты (при конденсации водяных паров) в явную.

Для аппаратов кондиционирования с непосредственным контактом воздуха с водой отношение количества воды W, кг/ч, вступающей в контакт с охлаждаемым воздухом в количестве G, кг/ч, называют коэффициентом орошения

W

Ко= -----

G

Этот коэффициент существенно зависит от начального и конечного удельного теплосодержания обрабатываемого воздуха и от начальной и конечной температуры воды, вступающей с ним в контакт.

Конструктивные особенности центральных систем кондиционирования воздуха

Центральные неавтономные кондиционеры типа КТЦ (рис. 9.6) воздухопроизводительностью 7…250 м3/ч получили широкое распространение в нашей стране. Важным элементом конструкции камеры орошения (рис. 9.6) кондиционеров этого типа являются разбрызгивающие воду форсунки.

По конструктивным признакам форсунки подразделяются на прямоточные – с осевым входом воды (тип П) и угловые – стангенциальным входом воду (типУ). Форсунки обоих типов одностороннего распыления. Распыление бывает трех категорий: тонкое, среднее и грубое.

Производительность форсунки зависит от ее типа, диаметра выходного отверстия и давления воды перед форсункой

Форсунки устанавливают на трубные гребенки 12.

Для улавливания капелек воды, увлекаемых воздухом, применяют сепараторы 14,15 различных конструкций, изготовляемые из нержавеющей или оцинкованной листовой стали . вторые по ходу воздуха сепараторы при работе камер орошения на охлаждение и осушение воздуха дополнительно орошают с помощью специальных форсунок, чтобы устранить нежелательное увлажнение воздуха, которое происходит вследствие высокой температуры стенок сепаратора по сравнению с температурой основной массы воды. Расход воздуха на орошение сепаратора нужно принимать 1000…2000л/ч на 1м его ширины, но не менее 600 л/ч на 1 м2 поперечного сечения камеры.

Корпус 1 камеры орошения обычно имеет прямоугольное сечение по ходу воздуха. Камеры изготовляют вертикального и горизонтального вида. Они состоят из двух боковых вертикальных стенок, перекрытия и поддона 10. Поддон оборудуют щтуцерами (фланцами) 4 для подвода воды к форсункам, переливным устройством 18, поплавковым клапаном 17 для поддержания постоянного объема воды в системе и фланцем 6 отвода воды к насосу от сетчатого фильтра 16, установленного в поддоне.

Для предотвращения засорения форсунок циркулирующая в камере вода проходит через фильтр 16, который изготовляют из латунной сетки. При наличии в рециркулирующем воздухе волокнистой пыли применяют коксовые или гравийные фильтры.

Вода в системе форсуночных кондиционеров обычно перемещается под действием центробежных насосов, создающих давление 0,2…0,4 МПа. Существует две принципиальные схемы водяной сети кондиционера.. схему, показанную на рис. 9.8, а, применяют при установке испарителя открытого типа, а схему, показанную на рис. 9.8, б, - при установке испарителя закрытого типа.

Для очистки воздуха от пыли в конструкции кондиционера предусматривают специальные фильтры. В прямоточных схемах кондиционирования воздуха очистке подвергают только наружный воздух, поэтому фильтр устанавливают при входе воздуха в кондиционер, т.е. наружного и рециркуляционного.

Масляный самоочищающийся фильтр для очистки воздуха от пыли (рис. 9.9) состоит из двух последовательно установленных панелей, из которых каждая представляет собой непрерывную ленту из сетки 3, перемещаемой с помощью валиков 2, вращающихся от электродвигателя 1. На пути движения панель проходит через масляную ванну 4, на дне которой смонтирована ручная мешалка для взмучивания осадка перед его удалением. Отработавшее масло из ванны удаляют через нижний муфтовый кран 5 самотеком или с помощью насоса.

Конструктивные особенности местных систем кондиционирования воздуха и автономных кондиционеров.

Местные системы кондиционирования воздуха получили широкое распространение в России и за рубежом. Структурная схема такой системы показана на рис. 9.13.

Неавтономные кондиционеры 1 устанавливают в обслуживаемые помещения и обеспечивают из тепло- и хладоносителем, поступающими от централизованных источников теплоты 5 и холода 4 по трубопроводам 2 и 3. Конструктивно местный кондиционер состоит из теплообменного аппарата, вентилятора и электродвигателя. Он может иметь устройство для увлажнения воздуха. Производительность местных кондиционеров по воздуху обычно не превышает 10 тыс. м3/ч.

Подоконные местные кондиционеры типа КдМ работают на наружном и рециркуляционном воздухе. С помощью вентилятора смесь воздуха засасывается в нижнюю часть кондиционера, проходит фильтр и поступает в верхнюю часть кондиционера. Здесь воздух соприкасается с поверхностью ребристых змеевиков, в которые попадают тепло- и хладоноситель в зависимости от необходимости. Кондиционеры подоконного типа рекомендуется применять в многоэтажных зданиях с большим числом небольших помещений, жилых комнат, гостиничных номеров, административных помещений.

Кондиционеры типа Кд предназначены для охлаждения рециркуляционного воздуха в аппаратных залах, лабораториях и других помещениях, располагающих избытками теплоты.

Автономные кондиционеры в отличие от местных неавтономных имеют встроенную холодильную машину. Автономные кондиционеры подразделяют на летние и круглогодичные.

Рассмотрим в качестве примера конструкцию оконного кондиционера БК-2000Р (рис. 9.14), состоящего из двух отсеков, из которых теплый выходит на улицу, а холодный находится в охлаждаемом помещении. В теплом отсеке размещены компрессор 8 холодильной машины и обслуживающий его электродвигатель 9. В холодном отсеке находятся: испаритель 2 из ребристых трубок, фильтр 1 для очистки воздуха от пыли, вентилятор 4, термостат. Компрессор соединяют с конденсатором 6 и испарителем медными трубками без запорной и регулирующей арматуры. Поступление жидкого хладоагента в испаритель регулируют с помощью капилярной трубки. Автоматика в цепи движения хладоагента отсутствует. При повышении давления конденсации компрессор отключается с помощью защитного реле, срабатывающего при повышении нагрузки электродвигателя. В качестве хладагента в таких кондиционерах применяют хладон 22.

Рассмотренный выше оконный кондиционер относится к так называемым летним кондиционерам, работающим только в летний период, когда требуется охлаждение и осушение воздуха. Для подогрева воздуха в холодное время года кондиционеры подобного типа использовать невозможно.

Примером круглогодичного кондиционера является раздельный кондиционер БК- 2000РТ, предназначенный для охлаждения и нагревания воздуха в помещениях площадью до 25м2, а также для их вентиляции. Он состоит из двух блоков: один устанавливают в обслуживаемом помещении, а второй на балконе, лоджии или в каком-то нежилом помещении. Блоки соединяют между собой металлорукавом.

В настоящее время широкое распространение в нашей стране получили автономные кондиционеры японских фирм Panasonic, Chofu-Serend, Daikin, южно-корейской Hyundai и др.

Система кондиционирования Super Multi Plus (рис. 9.15) японской фирмы Daikin состоит из наружног блока 1 мощностью 14,5 кВт и семи внутренних блоков 3…7 мощностью 2,5…7,1 кВт. Система допускает использование пяти типов внутренних блоков 3…7 от настенных до канальных ( всего 17 типоразмеров). Максимальная суммарная протяженность труб такой системы – 115м, что дает свободу при выборе места установки внутренних блоков. Группы, состоящие из двух-трех внутренних блоков, подключают к внещнему устройству (наружному блоку) 1через промежуточные блоки 2. Это позволяет существенно сократить расход труб и уменьшить занимаемый ими объем. Микропроцессорное управление позволяет поддерживать заданную температуру с очень высокой точностью. Уровень шума наружного блока не превышает 50 дБ.