ФОРСУНОЧНЫЕ КОНДИЦИОНЕРЫ

В § 1 гл. IV было показано, что для поддержания заданных параметров воздуха в помещении требуется соответствующая обработка приточного воздуха. В зимнее время тепловлажностная обработка обычно заключается в нагревании и увлажнении воздуха, а летом, когда тепло- и влагосодержание наружного воздуха выше заданного тепло- и влагосодержания воздуха в помещении, приточный воздух подвергается охлаждению и осушению.

Все перечисленные процессы обработки воздуха можно осуществлять с помощью форсуночных кондиционеров. Конструкции центральных форсуночных кондиционеров весьма разнообразны, что связано с особенностями обработки воздуха в каждом конкретном случае. По этим признакам аппараты для кондиционирования воздуха можно подразделить на три группы:

а) кондиционеры, работающие только на наружном воздухе (прямоточная схема кондиционирования воздуха);

б) кондиционеры, работающие только с первой рециркуляцией, при которой подмешивание рециркуляционного воздуха производится до камеры орошения;

в) кондиционеры, работающие с первой и второй рециркуляцией. В этих кондиционерах в отличие от группы «б» применяется второе подмешивание рециркуляционного воздуха после камеры орошения.

Кроме перечисленных групп, могут встречаться и другие устройства кондиционеров, о которых будет сказано ниже.

На рис. 49 изображена схема устройства форсуночного кондиционера с первой и второй рециркуляцией. Наружный воздух поступает через жалюзийную решётку 1, проходит через фильтр 2 и поступает в калорифер первого подогрева 3, снабжённый обходным клапаном 4 и клапаном 5, предназначенными для регулирования подачи теплоносителя в калориферы. После калориферов первого подогрева наружный воздух смешивается с воздухом первой рециркуляции, и затем смесь поступает в форсуночную камеру, где она орошается водой, разбрызгиваемой из форсунок. В зависимости от температуры разбрызгиваемой воды воздух, соприкасаясь с капельками воды, может только увлажнятся или увлажнятся и нагреваться, охлаждаться и осушатся одновременно.

Капельки разбрызгиваемой воды после контакта с воздухом выпадают в поддон камеры 14, откуда с помощью трубы 15 забираются насосом 16 и вновь нагнетаются в форсунки. В результате такой рециркуляции воды последняя принимает температуру мокрого термометра, вследствие чего процесс в камере протекает адиабатически. Если требуется охлаждение и осушение воздуха, то воду из поддона направляют в испаритель холодильной установки, в котором она охлаждается до заданной температуры, и затем вновь поступает в форсунки.

Температуру воды регулируют с помощью трёхходового смесительного крана 13, позволяющего производить смешивание холодной воды с водой, забираемой из поддона камеры по трубе 15. Форсунки, служащие для разбрызгивания воды, размещают в поперечном сечении. Вода подается к форсункам через трубные гребёнки 17, изготовляемые из газовых оцинкованных труб.

Число рядов (трубных гребёнок) форсунок и направление факелов зависят от предельной эффективности камеры: обычно делают от 2 до 4 рядов, чаще 2-3. Перед входом и на выходе из камеры орошения устанавливают сепараторы 18, предназначенные для улавливания капель воды, прорывающихся за пределы камеры. Кроме того, первый сепаратор по ходу воздуха способствует выравниванию скорости потока воздуха, поступающего в оросительную камеру.

После камеры орошения воздух вторично смешивается с рециркуляционным (2-я рециркуляция) и затем поступает в калорифер второго подогрева 9, снабженный воздушными регулирующими смесительными клапанами 10 и клапанами 11, регулирующими подачу теплоносителя.

На выходе из калорифера второго подогрева воздух приобретает заданное состояние и затем с помощью центробежного вентилятора 12 нагнетается в воздуховоды приточной системы.

Рассмотренная выше схема кондиционера относится к группе «в».

Остальные схемы являются разновидностями данной, отличающимися в случае «а» отсутствием первой и второй рециркуляции, а в случае «б» отсутствием второй рециркуляции.

Схему обработки воздуха в кондиционере выбирают на основе расчёта теплового и влажностного режима в помещении, для которого устраивается кондиционирование воздуха.

В настоящее время наша промышленность изготавливает форсуночные кондиционеры, состоящие из типовых секций (подогрева, форсуночной камеры, смесительных и промежуточных камер и т.д.). На рис 50 представлен общий вид подобного кондиционера. Эти типовые кондиционеры рассчитаны на производительность от 10 000 до 240 000 м³ воздуха в час.

Рис. 50. Внешний вид центрального кондиционера из типовых секций:

1 — приемный утепленный клапан; 2 — промежуточная секция; 3— сдвоенный клапан с пневматическим приводом; 4 — секция первого подогрева; 5 — смесительная секция; 6—промывная камера; 7 — секция самоочищающихся фильтров; 3 —секция второго подогрева воздуха; 9 — подставки под секции; 10 — виброамортизационная рама; 11— переходная- сек­ция к вентилятору; 12 — вентиляторная установка; 13—клапан вентилятора; 14 — воздуховод, подающий воздух в кон­диционируемое помещение; 15 — воздуховод второй рециркуляции; 16 — проходной клапан с пневматическим приводом; 17 — воздуховод первой рециркуляции

ФОРСУНКИ

Тепло - и влагообмен между воздухом и водой происходит более интенсивно в том случае, когда воздух соприкасается не с плоской поверхностью воды, а с мелкими каплями. Объясняется это тем, что при разбрызгивании воды достигается весьма развитая её поверхность, вступающая в контакт с воздухом. Так, при диаметре капелек 0,1 мм общая поверхность 1 л воды составляет 60 м² . Кроме того, разность парциальных давлений у выпуклой поверхности капли больше, чем у плоской, вследствие чего интенсивность влагообмена увеличивается. Это увеличение упругости пара на поверхности капли по сравнению с плоской поверхностью выражается следующим образом:

где - поверхностное натяжение, кГ/м;

r – радиус капли, м;

γ_п, γ_ж – плотности пара и жидкости, кг/м³ .

Выше было указано, что раздробление воды на капли сильно развивает поверхность тепло - и влагообмена. В этой связи возникает вопрос о величине расчётной поверхности тепло - и влагообмена в данный момент. Эта расчётная поверхность должна быть равна сумме поверхностей того количества капель, которое в каждый данный момент находится в пределах объёма камеры. Например, если длительность пребывания капель в камере равна 1 сек, тора расчётная поверхность, образующаяся при разбрызгивании 1 л воды в час при диаметре капель 0,1 мм, составит 60:3600=0,016 м². Однако надо иметь в виду, что все эти рассуждения в значительной степени носят теоретический характер, т.к. практически определить эту расчётную поверхность весьма трудно вследствие различных диаметров капель, явления агломерации и ряда других причин. Поэтому практически за расчётную поверхность условно принимают площадь поперечного сечения камеры.

Разбрызгивание воды обычно производится специальными форсунками, конструкции которых весьма разнообразны. По общим конструктивным признакам форсунки подразделяют на прямоточные, с осевым входом (тип П), и угловые, с тангенциальным входом воды (тип У).

К основным типам форсунок отечественного производства относятся следующие:

1) прямоточная типа П-1 системы Григорьева – Поляка (рис. 51а);

2) прямоточная типа П-2 (рис. 51б);

3) прямоточная типа П-3 (рис. 51в);

4) угловая типа У-1 (рис. 52).

Все эти типы форсунок являются форсунами одностороннего распыления.

За рубежом применяют центробежные форсунки двустороннего распыления. На рис. 53 изображена такая форсунка, изготовляемая немецкой фирмой «Wiesner» из фарфора.

Не производя подробного описания устройства форсунок (конструктивные детали последних хорошо видны на соответствующих рисунках), кратко рассмотрим принцип распыления воды.

Раздробление воды, выходящей из отверстия форсунки, достигается за счёт сообщения воде одновременно поступательного и вращательного движений. Последнее обеспечивается с помощью различного рода направляющих грибков ( в форсунках типа П – 1, позиция 3), втулок (в форсунках типа П – 2), направляющих двухходовых винтов ( в форсунках типа П – 3), а также специальных камер с тангенциальным подводом в них воды ( в форсунках типа У) и т.д.

Для изготовления форсунок применяют весьма разнообразные материалы: медь, бронзу, латунь, пластмассы и т.п. За рубежом форсунки изготавливают также из керамических материалов. Выходные отверстия форсунок того или иного типа делают различными, причем диаметры этих отверстий бывают от 1,5 до 6,0 мм.

Величина диаметра выходного отверстия влияет на тонкость распыла. Чем меньше диаметр отверстия, тем больше тонкость распыла. Однако следует иметь в виду, что отверстия диаметром менее 3,0 мм часто засоряются.

По тонкости распыла различают три категории распыления: тонкое, среднее и грубое. Однако такое деление не имеет объективных качественных показателей, подтвержденных убедительными экспериментами. Имеющийся по этому вопросу экспериментальный материал позволяет приближенно считать, сто тонкое распыление дают форсунки типа У-1 с диаметром выходного отверстия до 2,0 мм, типа У-2 с диаметром 3,4 мм, типа У-3 с диаметром 2,3 мм, П-1 и П-2 с диаметром выхода до 2,5 мм при давлении воды 2,5 ати и выше.

Средний распыл обеспечивают форсунки У-1, П-1 и П-2 с диаметром выхода 3,0 мм при давлении воды около 2,0 ати. Грубый распыл дают форсунки У-1 и П-3 с диаметром выходного отверстия от 4 до 6 мм при давлении воды от 0,5 до 1,8 ати.

Рассмотрим далее влияние тонкого распыла на процесс тепло- и влагообмена, происходящий в форсуночной камере при различных режимах работы. Наблюдениями установлено, что форсунки грубого распыла универсальны, т.е. с их помощью в камере можно получить любой режим (увлажнение или охлаждение с осушением), тогда как форсунки тонкого распыла применяют главным образом для камер, работающих на режимах увлажнения воздуха.

Последнее объясняется тем, что в условиях режима работы камеры на охлаждение и осушение форсунки тонкого распыла вызывают нежелательное явление увлажнения воздуха. Увлажнение происходит вследствие того, что часть наиболее мелких капелек воды успевает более быстро нагреется, чем основная масса. В результате этого начинается процесс испарения с поверхности этих капелек, вызывающий увлажнение воздуха. Поэтому в камерах, работающих на режимах охлаждения и осушения воздуха, применяют форсунки грубого распыла, поскольку они более надёжно обеспечивают осушение воздуха. В камерах же, работающих на адиабатических режимах (увлажнения воздуха), рекомендуется применять форсунки тонкого и среднего распыла.

Вместе с тем следует указать, что затраты, связанные с фильтрацией воды при применении форсунок грубого распыла, имеющих большие диаметры выходных отверстий, значительно меньше, чем при форсунках тонкого распыла. Для фильтрации воды в первом случае можно ограничится применением простых сеток с отверстиями 1-3 мм, в то время как во втором случае воду фильтруют в двух ступенях, из которых первая представляет коксовый или гравийный фильтр, а вторая - сетку с отверстиями 0,5*0,5 мм.

В текстильной промышленности в виду наличия волокнистой пыли в рециркулирующей воде во всех случаях требуется более тщательная двухступенчатая очистка воды. Поэтому в указанных условия можно применять форсунки как грубого, так и тонкого распыла. Тем не менее, для осуществления адиабатического режима работы камер, свойственного установкам кондиционирования воздуха на текстильных предприятиях, применение форсунок тонкого распыла оказывается всё же более предпочтительным.

Производительность форсунок, как показали экспериментальные исследования, зависит от диаметра выходного отверстия, давления воды перед форсункой и её типа.

Математическое описание этой зависимости имеет следующий вид:

где d – диаметр выходного отверстия, мм;

p – давление воды перед форсункой, ати;

K, m – коэффициент и показатель степени, зависящие от конструкции форсунок.

Графическая интерпретация этой зависимости в логарифмической сетке для каждого типа форсунок приведена на рис. 51 и 52. С помощью этих графиков обычно производится подбор форсунок.

Производительность форсунок двустороннего распыления определяют по следующему выражению:

где р - давление воды перед форсункой;

f₀ ^‘ , f₀ ^’’ – площади выходных отверстий.

Установку форсунок в поперечном сечении оросительных камер производят на трубных гребенках.

В форсуночных камерах производительностью до 80 000 м³/ч применяют гребенки с нижним расположением коллектора (рис. 54,а), а в камерах производительностью более 80 000 м³/ч коллектор располагают посередине высоты камеры (рис. 54,б).

Для обеспечения равномерной работы форсунок скорость воды в коллекторах и стояках следует принимать небольшую.

В некоторых случаях при работе камер на охлаждение и осушение с целью устранить доувлажнение воздуха при переходе его через сепаратор устанавливают специальные форсунки для его орошения охлажденной водой. Для этого обычно применяют специальные форсунки типа С-1. Орошение сепаратора повышает его каплеулавливающую способность, т.к. к смоченной поверхности капли прилипают лучше. В типовых камерах орошение не предусматривается.

Рис. 54. Трубные гребенки: а —с нижним

расположением коллектор

б - с расположением коллектора посередине

СЕПАРАТОРЫ

Сепараторы предназначены дл улавливания капелек воды, увлекаемых воздухом из оросительной камеры. Первый сепаратор (по ходу воздуха), выполняя указанное назначение, вместе с тем может рассматриваться в качестве распределительной решётки, выравнивающей поток воздуха по сечению камеры. Второй сепаратор (по ходу воздуха) предназначен только для улавливания капелек воды увлекаемых потоком воздуха, выходящего из камеры орошения.

На рис. 55 изображены сепараторы различных конструкций. Капли воды отделяются от воздуха в сепараторе вследствие резких изменений направлений его движения, в результате чего капли воды оседают на поверхности лопастей сепаратора и затем стекают по ним вниз, в поддон камеры.

В целях более эффективного улавливания капелек воды из воздуха сепараторы на выходе из камеры применяют более широкие и с большим числом оборотов. Сепараторы обычно изготовляют из оцинкованной или нержавеющей листовой стали.

Выше было сказано, что в некоторых случаях вторые по ходу воздуха сепараторы при работе камер на охлаждение и осушение дополнительно орошают с помощью специальных форсунок. Это орошение имеет цель устранить дополнительное увлажнение воздуха, проходящего через сепаратор. Непрерывное орошение сепаратора холодной водой смывает со стенок сепаратора осевшие капли воды, которые вследствие более высокой температуры по сравнению с температурой основной массы воды являются причиной нежелательного доувлажнения воздуха. Расход воды на орошение сепаратора принимают от 1000 до 2000 л/ч на 1 м его ширины (или ширины камеры орошения), но не менее 600 л/ч на 1м² поперечного сечения камеры. Непрерывное орошение сепаратора холодной водой позволяет рассматривать его поверхность (при охлаждении и осушении) как дополнительную поверхность тепло- и влагообмена.

ФОРСУНОЧНЫЕ КАМЕРЫ

Корпус камеры орошения обычно имеет прямоугольное сечение (по ходу воздуха), по которому воздух может проходить в вертикальном или горизонтальном направлении; в зависимости от этого различают вертикальные и горизонтальные камеры. Более распространены горизонтальные камеры.

Корпус оросительной камеры состоит из двух боковых вертикальных стенок, перекрытия и поддона, находящегося в нижней его части. Материалом для изготовления корпуса могут служить листовая сталь или монолитный железобетон. Железобетонные корпуса обычно делают при сечении оросительной камеры, превышающих 4*3 м.

Металлические камеры с внешней стороны следует покрывать тепловой изоляцией при толщине последней, соответствующей коэффициенту теплопередачи до 1 ккал/м²·ч·град.

Поверхность изоляции в целях защиты от механических воздействий покрывают цементной штукатуркой по металлической сетке. Стенки и поддон металлических камер с внутренней стороны в целях защиты их от коррозии окрашивают свинцовым суриком на олифе, а с внешней стороны – масляной краской.

Стенки и поддон железобетонных оросительных камер покрывают гидроизоляцией и обкладывают метлахскими плитками. Внутри камера орошения должна быть оборудована электрическим освещением в герметичной арматуре. Для доступа внутрь камеры орошения в одной их боковых стенок предусматривается устройство остеклённого люка.

Рис. 56. Типовая двухрядная камера орошения конструкции БПК и ТПНИИ сантехники:

1 — корпус камеры; 2 — поддон; 3 — герметиче­ская дверка со стеклом; 4—.входной сепара­тор; 5 — выходной сепаратор; 6 — коллектор; 7— стояки с форсунками; 8 — поплавковый клапан; 9 — водяной фильтр; 10 — переливное устройство; 11 — фланцы для присоединения труб, подающих воду к форсункам; 12— отвод воды от водяного фильтра; 13 — отвод воды от переливного устройства; 14 — присоединение водопровода для ускоренного наполнения; 15 — подвод воды к поплавковому клапану; 16 — муфта для подсоединения спускной трубы; 17— муфты для установки датчиков температуры и дистанционных термометров; 18 — гер­метический светильник; 19 — Муфта для под­вода к светильнику

На рис. 56 изображена металлическая двухрядная камера орошения типового центрального кондиционера конструкции НИИ сантехники с указанием всего оборудования дождевого пространства и поддона [Л. 46].

Рассмотрим устройство поддона камеры, предназначаемой для сбора разбрызгиваемой форсунками воды. Поддон, изображенный на рис. 56, относится к так называемым глубоким поддонам, которые одновременно выполняют функции резервуара запасной ёмкости воды, обеспечивающего плавную работу насосов.

Помимо глубоких поддонов, изготовляют также мелкие, в которых вода не задерживается и стекает в приемные баки в ёмкие гравийные или коксовые фильтры для воды. Однако следует указать, что современные кондиционеры в большинстве случаев не имеют коксовых или гравийных фильтров, и поэтому мелкие поддоны встречаются крайне редко.

Глубокие поддоны (см. рис. 56) оборудованы штуцерами для подвода воды к форсункам, переливной трубой, работающей в основном в летний период (когда объём воды в системе увеличивается за счёт осушения воздуха). Поддоны имеют, кроме того, шаровые клапаны для поддержания постоянства объема воды в системе в зимний период (когда объём воды в системе уменьшается вследствие происходящего испарения) и отвод к насосу от сетчатого фильтра, установленного в поддоне. Для удаления избытка воды к последнему присоединены две переливные трубы.

Поддоны, как правило, изготавливают из листовой стали толщиной 3-4 мм и снабжают ребрами жесткости. В целях обеспечения доступа при обслуживании поддон устанавливают на 400-500 мм выше уровня пола.

С расширением производства синтетических материалов открываются перспективы для использования их при изготовлении аппаратов кондиционирования воздуха.

Форсуночная камера представляет собой гидравлической сопротивление проходящему через неё обрабатываемому воздуху. Полное сопротивление камеры складывается из сопротивления входного и выходного сепараторов, трубных гребенок и сопротивления, связанного с взаимным направлением факелов воды и воздуха. Таким образом, полное гидравлическое сопротивление форсуночной камеры можно определить с помощью следующего выражения:

,

где , - коэффициенты местного сопротивления первого и второго сепараторов [Л. 22];

- коэффициенты местного сопротивления одного ряда форсунок, принимаемый равным 0,1;

_c – скорость воздуха в сепараторе, м/сек;

_к - скорость воздуха в камере орошения, м/сек;

z – число рядов форсунок;

- коэффициент орошения;

р – давление воды перед форсунками;

η – коэффициент, принимаемый: при направлении факелов воды по движению воздуха η= -0,22; при направлении факелов воды против движения воздуха η= +0,13: при встречном направлении η= +0,075.

Следует учитывать, что живое сечение сепаратора по воздуху меньше живого сечения форсуночной камеры примерно на 10-25%. Поэтому при использовании значений коэффициентов местных сопротивлений [Л. 22] в формуле IV-20 следует принимать _c=(1,2÷1,3) _к.

Скорость воздуха в камере _к зависит от тонкого распыла воды. При тонком распыле эту скорость принимают не выше 1,8 м/сек, а при грубом её можно увеличить до 3,5 м/сек.

Указанные пределы обусловлены каплеулавливающей способностью выходных сепараторов. При больших значениях скорости воздуха в камере наблюдается унос капель за пределы выходного сепаратора.

Гидравлическое сопротивление двухрядных типовых камер при номинальных производительностях составляет Н_к=11-14 кГ/м²; а трёхрядных Н_к=14-19 кГ/м².

Рис. 56. Оросительная камера.