Проектирование систем кондиционирования воздуха. Графоаналитические расчеты. При проектировании СКВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ. ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СКВ

ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

Термодинамическое состояние влажного воздуха, представляющего собой смесь газов (азота, кислорода и др.) с водой в различных агрегатных состояниях (пар, жидкость, лед), определяется тремя параметрами: температурой, давлением и составом смеси. Состав смеси характеризуется массовым влагосодержанием.

Общее давление воздуха (барометрическое давление) равно сумме парциальных давлений сухой его части (в Па) и водяного пара (в Па):

(1)

Влагосодержание влажного атмосферного воздуха (в кг/кг) равно отношению массы водяного пара содержащегося в рассматриваемом объеме, к массе содержащегося в нем сухого воздуха:

(2)

а относительная влажность атмосферного воздуха (в %)

,(3)

где — парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t воздуха, Па.

Чембольшевлагосодержаниеатмосферноговоздуха(приодной итой жетемпературе),тембольшепарциальноедавление водяного пара.При достижении максимально возможного количества влаги, которое воздух может воспринять в виде пара, парциальное давление водяного пара становится равным давлению насыщенного водяного пара, а относительная влажность воздуха — равной 100%. [1]

Массовое влагосодержание и относительная влажность атмосферного воздуха связаны соотношением

(4)

где — удельная газовая постоянная сухого воздуха [ = 287,1 Дж/(кг×К)]; — удельная газовая постоянная водяного пара [ = 461,5 Дж/(кг×К)].

 

Плотность атмосферного воздуха зависит от содержания в нем водяного пара:

;(5)

;(6)

;(7)

В формулах (5) — (7) V и Т — объем (в ) и абсолютная температура (в К) воздуха; и — плотности атмосферного воздуха, сухой его части и водяного пара, кг/м3.

 

Например, если воздух при температуре 12°С и барометрическом давлении 760 мм рт. ст. содержит 5 г водяного пара на 1 кг сухого воздуха, то его плотность

Теплоемкость (при постоянном давлении) атмосферного воздуха также зависит от его влагосодержания:

(8)

где — удельная теплоемкость сухого воздуха ( = 1,01 кДж/(кг×К)]; — удельная теплоемкость водяного пара [ = 1,86 кДж/(кг×К)].

Удельную энтальпию влажного воздуха, как и влагосодержание, относят не к общей массе воздуха и воды, а только к массе сухой части :

(9)

где — скрытая теплота парообразования ( = 2500 кДж/кг).

1.2 ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В i-d -ДИАГРАММЕ

Рисунок 1 - Схема i-d -диаграммы влажного воздуха

Расчет и анализ процессов обработки воздуха проще и наглядней производить графоаналитическим путем с помощью i-d -диаграммы влажного воздуха, на которой графически представлены зависимости между основными параметрами воздуха. Схема i-d -диаграммы влажного воздуха представлена на рисунке1.На диаграмму нанесена сетка вертикальных линий и линий , проведенных под некоторым углом к линиям . Обычно этот угол принимают равным 135°.

Рисунок 2 - Ход изотерм на i-d -диаграмме

 

Линии на i-d -диаграмме представляют собой прямые линии, немного расходящиеся по мере увеличения влагосодержания.

 

 

Рисунок 3 – Определение температуры воздуха по смоченному термометру

и температуры точки росы по i-d -диаграмме

 

Кроме этих линий на i-d -диаграмму нанесены линии постоянной относительной влажности .Линия делит диаграмму на область ненасыщенного и область перенасыщенного воздуха. Линию , на которой лежат точки насыщенного влажного воздуха, легко построить по таблицам свойств воздуха на линии насыщения. Линия совпадает с вертикалью . Для построения линий в ненасыщенной области можно отрезки линий между и разбить на равные 10 частей и полученные точки соединить. На рисунке1 условно нанесены только линии ; ф = 0,3; и .

В области перенасыщенного воздуха, лежащей правее линии , линии продолжаются из ненасыщенной области без изменения угла наклона, а линии на линии преломляются и идут в области перенасыщенной жидкости под другим углом к горизонтальной линии (рисунок 2). Линия в перенасыщенной области переходит в две изотермы для водяного тумана и для ледяного тумана. Между ними лежит область смешанного (водяного и ледяного) тумана (заштрихованный сектор). В нижней части диаграммы приведена кривая парциальных давлений водяных паров . Поскольку значение однозначно определяется соответствующим влагосодержанием воздуха, искомое значение можно найти в точке пересечения заданного значения с указанной кривой.[4]

Рисунок 4 - Изменение состояния воздуха при одновременном нагревании и увлажнении

 

Поскольку и зависят от барометрического давления, для каждого его значения должна быть своя i-d -диаграмма. Однако влияние барометрического давления не столь велико, поэтому для обычных расчетов кондиционирования пользуются диаграммами, построенными для давлений (745 мм рт. ст.) или (760 мм рт. ст.).

Состояние влажного воздуха в i-d -диаграмме характеризуется точкой, лежащей на пересечении соответствующих двух линий: и либо и и т. п. Нанеся эту точку, можно прочитать значения остальных параметров. Если точка лежит между линиями, образующими сетку диаграммы, значения параметров находят интерполированием.

На некоторых диаграммах нанесены линии постоянных значений температуры воздуха по смоченному термометру . Эти линии практически совпадают с линиями . Поэтому, если линии не нанесены, для определения нужно из заданной точки состояния воздуха двигаться по линии, параллельной , до ее пересечения с линией . Температура насыщенного воздуха в точке пересечения и будет искомой температурой (рисунок 3).

Для нахождения температуры точки росы нужно из заданной точки состояния воздуха двигаться вертикально вниз до пересечения с линией . Температура насыщенного воздуха в точке пересечения является искомой температурой .

При нагревании или охлаждении воздуха без добавления или удаления из него какого - то количества водяных паров происходит только изменение температуры воздуха без изменения его влагосодержания.

Теплоту, переданную воздуху или отнятую от него, называют явной («сухой») теплотой . Таковы процессы нагревания воздуха в возду-хонагревателе, нагревания воздуха в помещении вследствие теплопритоков через наружные ограждения, от солнечной радиации, от работающих электродвигателей и т. п.

Добавление в воздух влаги (увлажнение воздуха) или удаление ее из воздуха (осушение воздуха) в количестве (в кг/с) равнозначно добавлению или удалению скрытой теплоты (в кВт):

 

 

где — теплота парообразования ( = 2500 кДж/кг).

 

Скрытой эту теплоту называют потому, что она как бы запасена в водяном паре и выделяется в воздух при конденсации водяных паров или затрачивается при испарении воды в воздух.[2]

Полное количество добавляемой или удаляемой теплоты равно сумме явной и скрытой теплоты:

(10)

 

При этом добавляемая к воздуху теплота считается положительной (со знаком «+»), а удаляемая — отрицательной (со знаком «—»).

При тепловлажностной обработке воздуха, например добавлением явной теплоты (в кВт) и водяного пара , энтальпия которого , воздух перейдет из состояния, характеризуемого точками , , в состояние , (рисунок 4). Если при этом массовый расход обрабатываемого воздуха (в кг/с), то

 

(11)

или

 

(12)

 

Аналогично

 

(13)

 

Разделив уравнение (12) на уравнение (13), получим

 

(14)

где ( и ; и — удельная энтальпия и влагосодержание воздуха в начале и конце процесса обработки; — удельная энтальпия воды или пара, используемых для увлажнения воздуха.

 

Величину (в кДж/кг) называют тепловлажностным отношением, или угловым коэффициентом. Выражение (14) есть уравнение пря-мой линии. Таким образом, процесс изменения параметров воздуха в i-d -диаграмме изображается прямой линией, направление которой характеризуется значением тепловлажностного отношения.

Для удобства построения процессов изменения состояния воздуха на i-d -диаграмме нанесены значения от до в виде пучка лучей, исходящих из нулевой точки диаграммы (). Однако, чтобы эти лучи не мешали основным линиям, наносят только концы лучей на поля диаграммы.Чтобы выяснить направление процесса с тепловлажностным отношением , нужно на полях i-d -диаграммы найти конец луча с этим значением, соединить его с центром координат () и провести из точки начального состояния воздуха , линию, параллельную этому лучу-процессу.

Рисунок 5 - Изменение состояния воздуха при различных видах его тепловлажностной обработки.

 

Линии возможного изменения состояния влажного воздуха в результате различных видов его тепловлажностной обработки нанесены на рисунке5. При нагревании или охлаждении воздуха без подвода или отвода влаги , а следовательно, и . В этом случае . При («сухое» нагревание с помощью воздухонагревателя) процесс идет по линии вверх (линия ). При сухом охлаждении , т. е. процесс идет вниз по линии (линия ).

Если воздух увлажняется паром или водой без одновременного нагревания, то и уравнение (14) принимает вид

 

(15)

 

Таким образом, если увлажнение осуществляется насыщенным или перегретым паром, удельная энтальпия которого равна 2600—2900 кДж/кг, линия изменения состояния воздуха лишь немного отклоняется от линии , для которой 2500 кДж/кг. Этим отклонением можно пренебречь и считать, что при увлажнении воздуха паром температура в кондиционируемом помещении не изменяется, а процесс изменения состояния воздуха в i-d -диаграмме происходит по линии (линия ). Теоретически воздух может быть увлажнен до состояния полного насыщения (точка 2"), однако этого достичь очень трудно, поэтому практически воздух может быть увлажнен до (точка 2'). При увлажнении распыляемой водой, усвояемой воздухом без остатка, . Поэтому при увлажнении водой нулевой температуры процесс идет по линии с , т. е. по линии . Однако обычно и процесс идет под небольшим углом к линии . С достаточной точностью можно считать, что при увлажнении воздуха распыляемой водой любой начальной температуры процесс увлажнения идет по линии (линия ). Процесс охлаждения и увлажнения воздуха при называется адиабатическим.

В пределе состояние воздуха при адиабатическом охлаждении может достичь точки 3" на кривой . Температура воздуха в этой точке является температурой по смоченному термометру . Адиабатическое охлаждение и увлажнение воздуха осуществляются не только при увлажнении распыленной водой с помощью местных доувлажнителей, устанавливаемых непосредственно в кондиционируемых помещениях, но и при орошении воздуха водой в камерах орошения или градирнях. В реальных условиях воздух не может достичь полного насыщения, поэтому конечные параметры воздуха характеризуются не точкой 3", а точкой 3'.

Линии — осушение воздуха путем орошения жидким сорбентом (например, водным раствором хлористого лития). Линия — осушение воздуха путем его продувания через слой твердого сорбента (например, силикагеля).

Особый интерес представляет заштрихованная область, ограниченная касательными, проведенными из точки А к линии Это — область возможного изменения состояния воздуха при орошении его водой или при охлаждении в поверхностном воздухоохладителе. Как отмечалось ранее, при процесс происходит по линии вниз по направлению к линии Это — процесс сухого охлаждения воздуха, осуществляемый, Например, с помощью воздухоохладителя, по трубкам которого протекает вода сравнительно высокой температуры. При охлаждении от воздуха отнимается явная теплота, его энтальпия и температура уменьшаются, а относительная влажность увеличивается. Однако процесс сухого охлаждений воздуха может продолжаться только до температуры, при которой воздух станет насыщенным (точка 4" на линии ). Эта температура называется температурой точки росы. Дальнейшее охлаждение насыщенного воздуха при орошении его холодной водой или рассолом, температура которых ниже точки росы охлаждаемого воздуха, будет сопровождаться выпадением из него влаги (процесс 4"—К"). При этом к хладоносителю передается не только явная теплота отнимаемая от воздуха при понижении его температуры, но и скрытая теплота , выделяющаяся при конденсации водяных паров.[1]

Этот же процесс может быть осуществлен путем охлаждения воздуха в поверхностном воздухоохладителе, температура поверхности которого ниже точки росы охлаждаемого воздуха. Если при этом температура поверхности ниже нуля, то выделяющаяся из воздуха влага будет осаждаться на охлаждающей поверхности в виде инея (снеговая шуба).

При изображении процессов одновременного охлаждения и осушения воздуха в i-d -диаграмме (сектор I) вместо последовательно происходящих процессов А — 4" и 4" — К" проводят линию А — К", соединяющую точки, характеризующие начальное и конечное состояния воздуха.

Точка К", на которую ориентирован процесс, лежит на пересечении линии с изотермой, соответствующей средней температуре наружной поверхности (при охлаждении в поверхностном воздухоохладителе или батареями), или температуре выходящей воды (при охлаждении с помощью камеры орошения). Однако в реальных аппаратах невозможно довести воздух до полного насыщения, поэтому состояние воздуха на выходе из аппарата определяется точкой К', лежащей на пересечении линии А — К" с кривой (в зависимости от начального состояния воздуха и конструкции воздухоохладителя). Зная температуру в точке К", можно определить начальную и конечную температуры хладоносителя или температуру кипения хладагента, необходимые для осуществления этого процесса.

Рисунок 6 - Изображение процессов смещения воздуха в i-d -диаграмме

Изменение состояния воздуха в пределах сектора II (одновременное охлаждение и увлажнение) достигается путем орошения его водой, температура которой выше температуры точки росы воздуха , но ниже его температуры по смоченному термометру .

 

При выше , но ниже энтальпия воздуха повышается, а температура его понижается, (сектор III). При орошении воздуха горячей водой он одновременно нагревается и увлажняется (сектор IV).

Если воздух не может быть переведен из одного состояния в другое с помощью одного из указанных процессов, это можно осуществить путем сочетания нескольких видов обработки.

Одним из распространенных способов перевода воздуха из одного состояния в другое является смешение потоков воздуха с различными параметрами (например, наружного воздуха с рециркуляционным). Процесс смешения воздуха в i-d -диаграмме изображается прямой линией, соединяющей точки, характеризующие состояние смешиваемых потоков. Пусть, например, наружный воздух в количестве (в м³/с) с параметрами точки Н смешивается с М_п (в м³/с) рециркуляционного воздуха, поступающего с параметрами точки П (рисунок 6). Необходимо найти состояние смеси (точка С).

Параметры этой точки можно вычислить по формулам:

(16)

(17)

Поскольку точка смеси лежит на прямой, соединяющей точки Н и П, достаточно вычислить один из ее параметров ( или ).

При смешении может иметь место случай, когда точка, характеризующая состояние смеси окажется в области тумана. В этом случае воздух является насыщенным, а его состояние характеризуется точкой, лежащей на пересечении линий и , т. е. точкой С".

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРИТОКОВ

Теплопритоки через ограждающие конструкции. Ограждающие конструкции кондиционируемых помещений жилых и общественных зданий отличаются от ограждений холодильников тем, что они не имеют теплоизоляции и подразделяются на массивную и светопрозрачную (световые проемы) части.

 

Рисунок 7- Схема обмера наружных ограждений при теплотехнических расчетах:

а — разрез здания; б — план; НС — наружная стена; О — оконный проём; Пл — пол; Пт — потолок; 1 — пол на грунте; 2 — пол на лагах; 3 — пол над подпольем

 

 

Ограждение помещений, в которых предусматриваются технологические СКВ (например, камеры остывания колбас, созревания сыров), как правило, не отличаются от ограждений холодильников.

Трансмиссионные теплопритоки (за счет разности температур) через массивные участки стен, перегородки, полы, перекрытия и покрытия определяют, как и для холодильников:

, (20)

где — действительный коэффициент теплопередачи ограждения.; — расчетная площадь поверхности ограждения (с округлением до 0,1 м²); линейные размеры (с округлением до 0,1 м) принимают согласно рисунку 7; и —расчетные температуры наружного и внутреннего воздуха.

При определении для жилых и общественных зданий следует пользоваться строительными чертежами этих зданий, поскольку выбор материалов ограждений и их толщины для таких зданий производится не так, как для холодильников (вопросы расчета ограждающих конструкцийжилых и общественных зданий изложены в учебниках по отоплению и вентиляции).

 

Теплопритоки от обрабатываемых материалов. При расчетах технологических СКВ теплоприток по количеству полной теплоты (т.е. по разности значений удельной энтальпии продуктов) определяют по формулам.

Если же при расчетах учитывают только явную теплоту, теплоприток от материалов можно определить по формуле

(21)

где — количество явной теплоты от обрабатываемых материалов (продуктов), кВт; — масса материалов (продуктов), кг; — удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) (для мяса = 2,72 ÷ 3,14 кДж/кг, для колбасы = 2,51 кДж/кг).

Начальная температура мяса зависит от того, в каком виде оно поступает в цех на переработку (охлажденное или парное). Охлажденное мясо при переработке нагревается от 4 до 12°С, следовательно, оно воспринимает часть выделенной в помещении теплоты. В этом случае входит в уравнение теплового баланса со знаком минус. Парное мясо охлаждается с 36 до 12°С и, следовательно, выделяет теплоту в процессе его обработки. В этом случае значение будет положительным.

Для предприятий общественного питания объектами обработки являются горячие блюда, выпеченные изделия в кондитерских цехах, остывающая пища в обеденных залах, а также мясопродукты, обрабатываемые в холодных цехах. Тепловыделения от остывающей пищи можно принять = 17÷25 Вт на одного посетителя.[2]

Теплопритоки с наружным воздухом. Наружный воздух поступает в кондиционируемое помещение либо от отдельной вентиляционной установки, либо при инфильтрации (проникновение наружного воздуха внутрь здания через неплотности в наружных ограждениях и через щели в окнах, а также при открывании дверей). Если в кондиционируемые помещения подают воздуха больше, чем удаляют из них, то в помещениях создается избыточное давление (подпор), препятствующее проникновению воздуха с инфильтрацией. В этом случае теплоприток от инфильтрации можно принимать равным нулю. Если в кондиционируемое помещение подается вентиляционный воздух от отдельной приточной установки без предварительной тепловлажностной обработки его, он приносит с собой теплоту и влагу точно так же, как воздух, проникающий с инфильтрацией.

Теплоприток с вентиляционным воздухом (в кВт) подсчитывают по формулам:

(22)

(23)

где — объемный расход, наружного воздуха, м³/с; — плотность воздуха, кг/м³; , — удельные энтальпии наружного воздуха и воздуха в помещении, кДж/кг; , — расчетные температуры наружного воздуха и воздуха в помещении, °С.

Объемный расход наружного воздуха, подаваемого для целей вентиляции, определяют по формуле

(24)

где — число людей в помещении; — требуемый объемный расход воздуха (в м³/ч) в помещении по нормам на одного человека:

Общественные

при отсутствии курения 25

незначительном курении35

значительном курении 50

Общественные для детей до 12 лет 15

Производственные при объеме помещения

на одного работающего менее 20 м³ 30

То же, 20 — 40 м³20

Производственные без окон и фонарей 40

Больницы 80

 

Если кондиционируемое помещение оборудовано системой вытяжной вентиляции, то для создания необходимого подпора количество подаваемого наружного воздуха должно быть больше вытяжки на величину, приведенную ниже (в ч^-1):

Помещение без окон и наружных дверей 0,5 — 0,75

Помещение с окнами

на одну сторону 1

две стороны 1,5

три или четыре стороны 2

Вестибюль 2—3

 

В этом случае величину расхода наружного воздуха принимают большей из расчетных значений, по требованиям вентиляции и подпора.

Теплопритоки от людей. Количество теплоты, выделяемой людьми (в Вт), подсчитывают по формуле

(25)

где — количество теплоты, выделяемой одним человеком в зависимости от температуры воздуха в помещении и рода выполняемой работы; — число людей, одновременно находящихся в помещении (в торговых залах предприятий питания принимается равным числу посадочных мест).

Тепло- и влаговыделения от людей (на 1 человека) приведены в таблице2.

 

 

Таблица 2.

 

Теплопритоки от оборудования. Количество теплоты, выделяемой оборудованием, зависит от целого ряда причин: применяемого способа обогрева (газ или электричество), оснащенности данного предприятия оборудованием, режима работы предприятия, а также от мощности и режима работы каждой единицы технологического оборудования.

Для оборудования, обогреваемого природным газом, подсчет тепло- притоков осложняется тем, что не вся теплота, полученная при сгорании газа, выделяется в помещение. Часть ее составляют потери теплоты с уходящими газами:

(26)

где — количество теплоты, выделяемой в топке при сгорании газа, кВт; — количество теплоты, выделяемой оборудованием в помещении (состоит из полезной теплоты, расходуемой непосредственно на приготовление пищи, и из потерь теплоты наружными ограждениями оборудования), кВт; — потеря теплоты с уходящими газами, кВт.

Количество теплоты (в кВт), выделяемой газовым тепловым оборудованием, определяют по формуле

,(27)

где — количество теплоты, выделяемой при сгорании газа, кВт; — объемный расход газа при нормальных условиях, м³/с; —теплотворная способность 1 м³ газа, при нормальных условиях, равная 35600 кДж/м³; — коэффициент, учитывающий соотношение между и ( =0,8); — коэффициент, учитывающий одновременность работы однотипного оборудования (для столовых = 0,8, для ресторанов и кафе =0,6); — коэффициент использования оборудования (выражает продолжительность непрерывной работы оборудования в течение смены в пересчетена 1 рабочий час); значения этого коэффициента приведены ниже.

 

 

Кипятильники, кофеварки, печи шашлычные,

Электротермостаты 0,9

Печи электрические 0,7

Плиты газовые, котлы электрические и газовые,

посудомоечные машины 0,6

Сковороды, жаровни, фритюрницы 0,5

Мармиты, стойки, шкафы жарочные,

пекарские и кондитерские 0,4

Механическое оборудование 0,2

 

Тепловыделения от единицы оборудования, обогреваемого паром, можно принимать, по данным А. А. Гоголина, равными 1,3 кВт на 1 м² наружной неполированной поверхности, 0,49 кВт — полированной и 0,33 кВт — для поверхности покрытой изоляцией.

 

Дляоборудованияс электрическим обогревомтепловыделения (в кВт) подсчитывают по формуле

(28)

где — суммарная мощность всех электронагревателей данного оборудования, кВт.

Теплоту,выделяемуюэлектродвигателямимеханическогооборудования, (в кВт) определяют по формуле

(29)

где — суммарная мощность всех электродвигателей механического оборудования, кВт.

Значения для предприятий питания приведены выше. Для перерабатывающих цехов мясокомбинатов принимают = 0,65 для оборудования машинных залов (волчки, куттеры) и = 0,25 для оборудования шприцовочной.

Для предприятий питания, оснащенных только электрическим тепловым оборудованием, значение можно принимать равным 10% .

Теплопритоки от электрического освещения (в кВт) определяют по формуле

(30)

где — установленная мощность осветительной аппаратуры, кВт.

При люминесцентном освещении светильники часто устанавливают в плоскости подвесного потолка. В этом случае в помещение поступает теплота в количестве 60% теплоты, подсчитанной по формуле (30).[3]

Определение суммарной тепловой нагрузки. Определяя суммарную тепловую нагрузку на систему кондиционирования воздуха, необходимо учитывать, одновременно ли действуют теплопритоки от различных источников. Так, теплопритоки от солнечной радиации в дневное время могут не совпадать по времени с теплопритоком от освещения вечером. В этом случае определяют величину обеих нагрузок, но в расчет принимают только одну из них — большую. Поскольку отдельные составляющие теплового баланса в различные периоды года входят как со знаком «-f», так и со знаком «—», тепловой баланс кондиционируемого помещения составляют как для летнего, так и для зимнего периодов года.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГОПРИТОКОВ

Влагопритоки от материалов. На предприятиях питания основными источниками влагопритоков являются остывающая пища, открытые поверхност<