Комфортного кондиционирования воздуха

 

Центральные одно- и двухканальные, а также местно-центральные и автономные СКВ могут отличаться одна от другой (однотипной) технологической схемой обработки воз­духа, зависящей от числа и порядка расстановки отдельных эле­ментов кондиционера, значениями скорости воздуха в воздухо­проводах и его давления за кондиционером, наличием, степенью или отсутствием рециркуляции воздуха, наличием и типом или отсутствием теплообменников в воздухораспределителях поме­щения и т. п.

На основе технико-экономического анализа были определены основные типы СКВ, получившие наибольшее распространение на отечественных и зарубежных судах, построенных после 1965 г. Рассмотренные суда различались как по назначению (пассажир­ские, нефтеналивные, сухогрузные, промысловые и т. д.) и типу главной установки (дизельные, паротурбинные, газотурбинные), так и по водоизмещению (танкеры до 250 000 т, буксиры от 800 т и т. д.). Результаты анализа показали, что наибольшее распро­странение на морских судах в настоящее время получили следую­щие типы систем комфортного кондиционирования воздуха.

Тип I. Одноканальная центральная низко-, средне- или высо­коскоростная прямоточно-рециркуляционная система с выпуск­ными воздухораспределителями.

Тип II. Одноканальная прямоточно-рециркуляционная местно-центральная средне- или высокоскоростная система с частичной обработкой воздуха в центральном кондиционере и дополнитель­ным подогревом приточного воздуха в каютных доводочных прямо­точных воздухораспределителях.

Тип III. Одноканальная прямоточная местно-центральная средне- или высокоскоростная система с частичной обработкой воздуха в центральном кондиционере и дополнительной обра­боткой (охлаждением или подогревом) в каютных доводочных эжекционных воздухораспределителях.

Тип IV. Двухканальная прямоточно-рециркуляционная цен­тральная средне- или высокоскоростная система с полной обработкой воздуха в центральном кондиционере и смесительными вы­пускными воздухораспределителями.

Кроме того, в ряде случаев применяются автономные СКВ — кондиционеры.

Выпускные воздухораспределители (в зависимости от напорности системы) могут быть неэжекционными или слабоэжекционными (в низкоскоростных — низкона­порных системах) либо со значительной эжекционной способностью k _э = 1,0÷2,5 (в средне- и высокоскоростных системах). Иногда эту систему дополняют зональными паровыми нагревателями воз­духа для групп кондиционируемых помещений, различных по тепловым нагрузкам.

Нагреватели воздуха обычно паровые, но встречаются водя­ные и, реже, электрические. Увлажнение производится паром. Воздухоохладители применяются в основном с непосредствен­ным кипением холодильного агента (Ф-12 и Ф-22), а также с про­межуточным хладоносителем (водяные).

Холодильная установка, как правило, с регулируемой холодопроизводительностью. Система автоматического регулирования (САР) пневматическая, электрическая, электропневматическая или с регуляторами прямого действия (современная тенденция). Индивидуальное регулирование параметров воздуха в конди­ционируемых помещениях осуществляется путем изменения его количества, подаваемого через воздухораспределители (с регули­руемым расходом воздуха).

Основным достоинством систем типа I в сравнении с другими системами является их более низкая стоимость, простая трасси­ровка трубопроводов, а также меньшие масса и габариты. Самый существенный недостаток — трудность индивидуального регули­рования параметров воздуха в кондиционируемых помещениях, особенно на режимах отопления (расчетном и переходных).

Увеличение рабочей разности температур приточного воздуха и воздуха помещения и применение эжекционных воздухораспределителей в высоконапорных системах, в сравнении с низконапорными, позволяет уменьшить общий расход воздуха (при той же тепловлагоассимиляционной его способности), а значит, произво­дительность вентиляторов и сечения воздухопроводов, и улучшить воздухораспределение в судовых помещениях. Это приводит к значительному уменьшению массы и габаритов оборудования и воз­духопроводов системы, некоторому снижению требуемой холодопроизводительности и потребляемой мощности, значительно упро­щает прокладку и монтаж воздухопроводов на судне и исключает возможность распространения пожара в случае его возникновения.

Благодаря этим достоинствам высокоскоростные и среднескоростные одноканальные СКВ без теплообменников в каютных воз­духораспределителях в последнее время довольно широко приме­няются на судах наряду с низкоскоростными системами. Они, например, установлены на сухогрузах типов «Славянск», «Капи­тан Кушнаренко», на рыбопромысловых и других судах отечественной и зарубежной постройки.

Существенный недостаток высокоскоростных систем — боль­шая шумность, так как в кондиционерах применяются высокона­порные вентиляторы и скорость воздуха в воздухопроводах и воз­духораспределителях высокая.

Низкоскоростные центральные одноканальные СКВ стали применять на судах раньше, чем высокоскоростные. Ими обору­дованы первые отечественные суда с комфортным кондициониро­ванием воздуха — танкеры типа «Прага», сухогрузы типа «Ленин­ский комсомол», китобаза «Советская Украина», рефрижераторы типа «Севастополь», пассажирские суда типа «Киргизстан», лесовозы типа «Вытегралес», суда зарубежной постройки типа «Углеуральск» и др.

Основные достоинства низкоскоростных СКВ — малошумность работы (при относительно небольших напорах вентиляторов, низких скоростях воздуха в воздухопроводах и каютных возду­хораспределителях). Благодаря этому низкоскоростные системы до сих пор широко применяются на судах, например, на крупных пассажирских лайнерах (где очень важна малошумность) зару­бежной постройки последних лет (фирмы Европы и США), а также на судах других типов в основном для общественных помещений (столовые, рестораны, кинозалы, кают-компании).

Однако низкоскоростным СКВ свойственны и существенные недостатки:

— большие масса и габариты оборудования и воздухо­проводов и связанная с этим трудность прокладки последних по судну;

— повышенная опасность распространения пожара по судну вследствие больших сечений воздухопроводов;

— недостаточно ка­чественное распределение воздуха по помещениям;

— индивидуаль­ное регулирование температуры в одном помещении путем изме­нения количества подаваемого воздуха приводит к созданию диском­фортных условий в соседних помещениях из-за перераспределения подачи в них воздуха.

Последний недостаток одноканальных низкоскоростных СКВ свойствен и высокоскоростным системам без теплообменников в ка­ютных воздухораспределителях. Однако в последнее время он устраняется применением в системах регуляторов статического давления РСД, которые позволяют автоматически изменять по­дачу воздуха кондиционером в группу тех помещений, в части которых уменьшен или увеличен расход воздуха.

Однако лучшего регулирования параметров воздуха в судовых помещениях можно достичь применением наряду с количе­ственным способом (регулированием расхода) метода качественного регулирования, т. е. изменения параметров воздуха, подаваемого из распределителя в помещение. Это возможно при использовании одноканальных высокоскоростных систем с каютными доводочными воздухораспределителями, имеющими теплообменники для тепловлажностной обработки воздуха, и двухканальных СКВ со смесительными воздухораспределителями (системы типов II, III, IV),

В практике кондиционирования воздуха и вентиляции на су­дах нашли применение и такие системы, в которых осуществля­ется высокоскоростная подача воздуха по магистралям и низко-напорное распределение приточного воздуха в помещениях. Эти системы получили название «Минидукт» (минимальное сечение воздухопровода).

Схема устройства системы типа II и соответствующие процессы кондиционирования представлены на рис. 8.5. В этой системе смесь наружного и рециркуляционного воздуха (процессы смешения НД и КД — летом или Н'Д' и К'Д' — зимой) летом подогревается в электровентиляторе ЭВ (процесс ДА), охлаждается с осушением во фреоновом воздухоохладителе центрального кондиционера (процесс АВ) до температуры t _в = 11÷15°С и подается к каютным доводочным воздухораспределителям прямоточного типа ВРДП (в доводочных прямоточных воздухораспределителях термической обработке подвергается приточный воздух, а в эжекционных ВРДЭ — эжектируемый воздух помещения).

 

 

Рисунок 8.5 — Схема (а) и процессы кондиционирования в летнем (б) и зимнем (в) режимах работы системы типа II (одноканальной прямоточно-рециркуляционной местно-центральной)

Процессы: ВС - подогрев воздуха в воздухопроводах, СП — тепловлагоассимиляции в помещениях, ПК —подогрев, в кори­доре Кр. В применяемых здесь ВРДП встроены водяные или электрические подогреватели воздуха. Обычно в летнем режиме они не работают. Индивидуальное регулирование параметров воздуха в помещениях производится изменением подачи приточного воздуха через ВРДП. Однако для этих целей (при снижении те­пловых нагрузок на помещение или необходимости поддерживать несколько повышенную температуру) могут быть использованы подогреватели ВРДП (процесс СС₁ — подогрев приточного холод­ного воздуха в ВРДП).

В зимнем режиме смесь наружного и рециркуляционного воз­духа подогревается в паровом воздухонагревателе ВН (процесс Д'Б) и в электровентиляторе ЭВ (процесс БА') до температуры 20—30°С, увлажняется паром (процесс А'В'). Дальнейший на­грев воздуха производится индивидуально по желанию обитате­лей помещений в каютных доводочных воздухораспределителях (процесс С'Е; В'С' — процесс охлаждения воздуха в воздухо­проводах).

Возможность индивидуального регулирования параметров воз­духа в помещении на режиме отопления (а при желании — и в, летнем режиме, если предусматривать наиболее глубокое охла­ждение воздуха в центральном кондиционере и некоторый подо­грев в ВРДП) качественным путем является основным преимуще­ством систем кондиционирования типа II. Недостатки - слож­ность трассировки, возможность протечек водяных трубопроводов и трудность их определения (при установке водяных теплообменников в ВРДП), необходимость трассировки электрокабеля, повышенная потребляемая электрическая мощность на режиме отопления, необходимость наблюдения за состоянием электро­подогревателей (при их использовании в ВРДП), усложнение эксплуатации и повышенная стоимость системы.

В зарубежном судостроении СКВ с каютными электродоводчи­ками находят более широкое применение, чем с водяными.

Системы кондиционирования воздуха типа II применяются на транспортных грузовых и пассажирских судах неограниченного района плавания с преимущественным плаванием в умеренных и северных широтах.

Устройство системы кондиционирования типа III и соответству­ющие термодинамические процессы показаны на рис. 8.6. В цен­тральном кондиционере обрабатывается только наружный воздух. Номинальный его расход должен быть определен с учетом того, чтобы даже при уменьшении воздухоподачи в помещение при регу­лировании воздухораспределителя в эксплуатационных условиях количество поступающего воздуха соответствовало санитарным нормам. Практически производительность таких центральны: кондиционеров определяют из расчета 35—50 м³/ч наружного воздуха на одного человека (в зависимости от степени возможного снижения воздухоподачи при регулировании воздухораспределителя).

 

Рисунок 8.6 — Схема (а) и процессы кондиционирования в летнем (б) и зимнем (в) режимах работы системы типа III (одноканалъной прямоточной местно-центральной): ПВ — подогреватель воды; ЦН₁ и ЦН₂ — циркуляционные насосы

 

В этой системе применены доводочные эжекционные воздухо­распределители ВРДЭ с водяными теплообменниками, в которых охлаждается (летом) или подогревается (зимой) эжектируемый воздух помещения (эжекция производится за счет подсоса струей приточного воздуха, истекающей из сопла воздухораспределителя с большой скоростью, до 20—22 м/с).

В центральном кондиционере применен рассольный (водяной) - воздухоохладитель. Холодная вода для этого воздухоохладителя и теплообменников воздухораспределителей приготавливается: в испарителе И холодильной машины, через который она циркулирует с помощью насосов ЦН₁ и ЦН₂ (при этом клапан КЛ за­крыт, а на подогреватель воды ПВ пар не подается).

Воздухонагреватель и увлажнитель центрального кондицио­нера паровые.

В зимнем режиме работы через теплообменники воздухорас­пределителей с помощью насоса ЦН₂ циркулирует теплая вода, подогрев которой осуществляется в паровом подогревателе ПВ (клапан КЛ открыт).

Наружный воздух в центральном кондиционере охлаждается до температуры 12—16°С и осушается (летом, процесс АБ) либо нагревается до t _а =15÷25°С и увлажняется (зимой, процессы НА и АВ) и в состоянии, характеризуемом точкой В, поступает в воздухораспределители. Проходящий через теплообменники воздухораспределителей эжектируемый воздух помещений (по существу это тоже рециркуляция, только осуществляемая внутри помещения) охлаждается до 14— 18 ⁰С (летом) или нагревается до 30—45⁰С (зимой, процесс ПД). Летом процесс ПД ориентиро­ван на ту же точку О на линии насыщения, что и процесс АБ охла­ждения наружного воздуха, поскольку и в ВО центрального кон­диционера, и в теплообменники ВРДЭ подается вода с одинаковой температурой, а значит, средняя температура поверхностей охлаждения будет приблизительно одинаковой.

Доводочные эжекционные воздухораспределители обычно вы­полняют в виде пристенных шкафчиков. Коэффициент эжекции воздухораспределителей этого типа составляет k _э = 1,8÷2,0. Его можно определить как отношение отрезков k _э = ВС/ДС. На выходе из шкафчика смешанный воздух имеет еще достаточно высокую скорость (3—6 м/с), поэтому здесь возникает вторичная эжекция воздуха помещения, что несколько увеличивает коэффи­циент эжекции. Такие шкафчики называют воздухораспредели­телями с двойной эжекцией.

Теплоассимиляционная способность обработанного летом в теплообменнике рециркуляционного воздуха Q _р._в = G_р._в (I_п — I _д) = k_эG_н._в (I _п — I _д) часто оказывается больше теплоассимиляционной способности обработанного в центральном конди­ционере наружного воздуха Q _н._в = G _н._в (I _а — I _в), причем Q _р._в + Q _н._в = (G _р.в.+ G _н.в)Δ I _р=(k _э+ 1) G _н.в(I _п –I _с).

В СКВ типа III производительность центральных кондицио­неров в 1,5—2 раза меньше, чем в системах других типов, потреб­ная холодопроизводительность и мощность системы (вместе с хо­лодильной установкой) снижаются примерно на 20—25%, умень­шаются размеры и масса воздухопроводов. Все это приводит к уменьшению общей массы и габарита СКВ. Еще одно их достоин­ство заключается в широком диапазоне индивидуального регули­рования параметров воздуха в помещениях количественным (изменением расхода приточного, а, следовательно, и эжектируемого воздуха) и качественным методами. Последнее (т. е. изменение параметров воздуха, выходящего из ВРДЭ в помещение, при неизменном его расходе) достигается путем изменения расхода воды через теплообменники воздухораспределителей, т.е. изме­нения степени охлаждения или нагрева рециркуляционного воздуха.

Однако в этих СКВ из-за большого требуемого напора за кон­диционером (для обеспечения высокой скорости воздуха в возду­хопроводе и эффективной работы эжекционного каютного доводоч­ного воздухораспределителя) применяются высоконапорные вен­тиляторы, создающие большой шум. Для снижения шума и пре­дотвращения его распространения по воздухопроводам в централь­ном кондиционере предусматривается устройство специальной камеры глушения шума. При работе каютных доводочных возду­хораспределителей также создается шум довольно высокого уровня. Однако в настоящее время разработаны доводочные эжекционные воздухораспределители, шумность которых не превышает шумности системы (шум системы передается в помещение через патру­бок приточного воздуха).

Кроме того, к существенным недостаткам местно-центральных одноканальных СКВ (с доводочными воздухораспределителями) относятся: необходимость и сложность прокладки трубопроводов холодной или горячей воды к теплообменникам каютных возду­хораспределителей и отвода от них влаги, выпадающей из рецир­куляционного воздуха при его охлаждении; потеря полезного объема кают из-за установки пристенных шкафчиков с теплооб­менниками, и усложнение эксплуатации такой системы конди­ционирования воздуха (например, трудность обнаружения проте­чек в трубопроводах, расположенных в зашивках судовых поме­щений, а также самая высокая стоимость таких систем).

Местно-центральные высокоскоростные прямоточные СКВ типа «Хай-пресс» фирм «Нордиск Вентилятор К^р» (Дания), «Свенска Флектфабрикен» (Швеция) и др. с доводочными воздухораспредели­телями впервые начали применять на судах в 1952 г. Такие си­стемы (с теплообменниками в ВРД, питаемыми холодной или горя­чей водой) впервые были применены в отечественной практике в 1959—1960 гг. на исследовательских судах «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев».

Третий вариант двухканальной СКВ, получивший наиболь­шее распространение на современных судах отечественной постройки, представлен на рис. 8.7. Эта система отличается от средне или высокоскоростной системы типа I тем, что в центральном кон­диционере имеется дополнительная камера отбора воздуха после первичного воздухонагревателя и электровентилятора и из кондиционера выходят два отдельных воздухопровода — канала, а воздухораспределитель ВРС — смесительного типа.

Таким об­разом, к воздухораспределителю подводится воздух по каналам I и II, в разной степени обработанный. Смешивая воздух, поступаю­щий по каналам I и II, в различных количественных соотноше­ниях, получают разные параметры приточного воздуха, а, следо­вательно, и воздуха в самом помещении. Это придает двухканаль­ной системе (выполненной по любому из указанных трех вариан­тов) главное достоинство — возможность индивидуального регу­лирования параметров воздуха в помещениях в очень широком диапазоне (как ни в какой другой системе). Заметим, что это ка­чество (правда, не в такой степени) в одноканальных системах с до­водочными воздухораспределителями приобретается значительным усложнением самих воздухораспределителей и установки (дополнительные теплообменники, трубопроводы и т. п.). Однако в двух канальных СКВ требуется прокладка второго воздухопро­вода.

Смесительные воздухораспределители, как правило, имеют постоянный суммарный (по двум каналам) расход воздуха, хотя встречаются и ВРС с изменяющимся общим расходом, воздуха.

 

Рисунок 8.7 — Схема (а) и процессы кондиционирования в летнем (б) и зимнем (в) режимах работы системы типа IV (двухканальной прямоточно-рециркуляционной средне- или высокоскоростной) ВРС — воздухораспределитель смесительный

 

Представленная на рис. 8.7 двухканальная СКВ работает сле­дующим образом. В режиме охлаждения по каналу I к ВРС по­дается воздух с температурой

t в1= t см+ Δ t вт (точка А на рис. 8.7, б),

где   t см — температура смеси на­ружного и рециркуляцион­ного воздуха,

     Δ t вт — подо­грев воздуха в электровен­тиляторе, а по каналу II — воздух, охлажденный в воз­духоохладителе кондиционе­ра до температуры t _в2= 11 ÷15° С (точка В).

К ВРС, по каналу II воз­дух поступает с температу­рой

t _в1= t _в2 + Δ t ₁

где    Δ t ₁ — подогрев воздуха в воздухо­проводе (процесс ВС).

Как показано на рис. 8.7, б, номинальный режим работы соответствует наибольшей тепловлажностной нагрузке помещений, процесс тепловлагоассимиляции в которых - это прямая СП. К воздухораспределителям поступает весь (100%) воздух через канал II. При сниженных нагрузках требуемые параметры под­держиваются путем смешения холодного воздуха канала II с теплым воздухом канала I (процессы СС', АС' и С'П').

В режиме отопления помещений по каналу I к воздухораспре­делителям подается воздух с температурой t _В1 ≈15 + Δ t _вт, а по каналу II — воздух с температурой t _вII = f (t _н._в), зависящей от температуры t _н,_в наружного воздуха (чем ниже t _н._в, тем выше должна быть t _в II, чтобы компенсировать возрастающие теплопотери помещений при неизменной воздухоподаче в них). Обычно t _вII=30÷45°С, зависимость между t _{в II} и t _н.в линейная, угол наклона прямой настройки автоматического регулятора температуры рассчитывают для данной СКВ, обслуживающей определенные помещения.

На рис. 8.8 в качестве примера представлена такая зависимость для СКВ сухогрузных судов типа «Муром» (двухканальные кондиционеры «Климат» польского производства, в которых в канал I воздух поступает после ВН ₁ и увлажнителя, а в канал II — до паров фреона в испарителе И, расположенном в абсорбере АБР, в РТО₄ и РТО₅.

 

 

Рисунок 8.8 — Зависимость температуры и влажности обработанного в кондиционере воздуха от наружной температуры

 

Расчет такой установки показал, что при расходе осушаемого воздуха 3,95кг/с (14 200 кг/ч) с указанными начальными и конеч­ными его параметрами (количество отделяемой влаги W = 259 кг/ч) затраты эффективной мощности составляют: на ком­прессор 54 кВт, на электровентилятор 23,5 кВт, на насосы раствора 2,4 кВт; Σ N _е≈80 кВт. При этом холодопроизводительность ма­шины Q ₀=208 кВт, а тепловой поток, подводимый фреоном в кон­денсаторе и соответствующих регенеративных теплообменниках к воздуху и раствору, Q _к= Q ₀+ N _ек = 208 + 54 = 262 кВт. Эффективный холодильный коэффициент машины составляет ε_е = Q ₀/ N _ек= 3,83. Суммарные затраты электроэнергии (в компрессоре, электровентиляторе и насосах) на высадку влаги в такой установке составляют 80/259 ≈ 0,31 кВт·ч/кг, что свидетельствует об очень высокой ее эффективности, а следовательно, перспектив­ности применения на судах.

Вопросы для самопроверки:

1. Дать определения прямоточно-рециркуляционной системы комфортного кондиционирования воздуха для негерметизированных судовых помещений.

2. Для чего зимой обрабатываемый в СКВ воздух увлажняется (чем)?

3. Для чего летом обрабатываемый воздух в СКВ осушается (как)?

4. Для чего в системах СКВ применяются шумопоглотители?

5. Принцип работы СКВ в режиме охлаждения помещений.

6. Какое оборудование используется в режиме охлаждения помещений?

7. Какие хладагенты (хладоносители) могут использоваться для охлаждения помещений?

8. Что такое техническое кондиционирование помещений?

9. Как производится осушение танков судов с помощью СКВ?

10. Что применяется в качестве осушителей воздуха или газа?

11. Перечислите типы систем комфортного кондиционирования воздуха.

12. Объясните принцип обработки воздуха в одноканальной центральной прямоточной-рециркуляционной системе.

13. Объясните принцип обработки воздуха в одноканальной центральной прямоточной-рециркуляционной системе высокоскоростной.

14. Объяснить принцип обработки воздуха в двухканальной прямоточно-рециркуляционной центральной СКВ.

15. Принцип работы автономной СКВ.

16. Сравнительный анализ каждой из систем.

17. Перечислить основное оборудование для обработки воздуха всех систем СКВ.

18. Назначение оборудования в системах СКВ (фильтры, вентиляторы, увлажнители-шумопоглотители, осушители).

 

Литература: [7], [3], [4], [5].