Тема 4. Системы кондиционирования воздуха

Лекция 21. КЛАССИФИКАЦИЯ И УСТРОЙСТВО СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Кондиционирование воздуха (КВ) относится к наиболее современным и технически совершенным способам создания и поддержания внутреннего микроклимата зданий. Термин “кондиционирование воздуха” возник от английского словосочетания “air conditions”, что в буквальном переводе означает “воздушные условия” или условия воздушной среды. Системы кондиционирования способны поддерживать в заданных пределах температуру t, С, относительную влажность , %, и скорость движения воздуха в помещении v, м/с, то есть все параметры воздушной среды, влияющие на обеспечение теплового комфорта человека, или обеспечивающие заданные условия проведения технологического процесса. Поэтому, в зависимости от назначения, системы кондиционирования принято подразделять на комфортные, технологические и комфортно-технологические.

Комфортное кондиционирование устраивается в жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданиях с целью постоянного поддержания условий полного теплового комфорта для человека. Технологическое кондиционирование используется для поддержания оптимальных параметров воздушной среды в каком-либо технологическом процессе. Комфортно-технологическое кондиционирование используется в том случае, когда параметры воздушной среды, оптимальные с точки зрения технологии, совпадают или несущественно отличаются от комфортных условий для человека.

В связи с тем, что системы КВ гораздо сложнее и дороже систем вентиляции, применение этих систем требует специального технико-экономического обоснования.

Системы КВ могут быть центральными или местными, автономными или неавтономными, круглогодичными или сезонными, прямоточными, рециркуляционными или с частичной рециркуляцией воздуха, с искусственным или естественным охлаждением воздуха. Центральными называются такие системы, в которых установка кондиционера предусматривается в некотором специальном центре, одновременно обслуживающем несколько помещений или все здание в целом. Местными называются такие системы, в которых предусматривается установка кондиционеров непосредственно в кондиционируемых помещениях. Автономными называются такие системы кондиционирования, в которых источник искусственного холода (холодильный агрегат) встроен непосредственно в конструкцию кондиционера. Неавтономными называются системы КВ, потребляющие холод от выносной холодильной установки или центрального источника холода. Круглогодичными называются системы КВ, рассчитанные на поддержание постоянного внутреннего микроклимата во все периоды года. Сезонными называются системы КВ, рассчитанные только на летний или летний и переходный режимы эксплуатации. Прямоточными называются системы КВ, в которых для притока используется пропущенный через кондиционер наружный воздух. Рециркуляционными называются системы, использующие для притока пропущенный через кондиционер внутренний воздух. Системы КВ, использующие для притока смесь внутреннего и наружного воздуха, называются системами с частичной рециркуляцией.

Охлаждение воздуха в системах КВ может осуществляться с использованием источников искусственного холода (холодильных агрегатов), испарительного охлаждения (прямого и косвенного), природных источников холода (артезианской воды, холодного ночного воздуха), а также комбинированнными способами. Системы КВ, в которых охлаждение воздуха осуществляется с использованием холодильных агрегатов, называются системами с искусственным охлаждением. Во всех остальных случаях системы КВ являются системами с естественным охлаждением.

Устройства, в которых осуществляется требуемая тепло-влажностная обработка и очистка воздуха называются кондиционерами. Для систем центрального кондиционирования предназначены центральные кондиционеры. Такие кондиционеры, по сравнению с кондиционерами других типов, отличаются большой воздухопроизводительностью (от 10000 до 240000 м³/ч) и секционной компоновкой, позволяющей в каждом конкретном случае использовать только тот набор секций, который необходим для достижения требуемых параметров в заданных условиях. Принципиальная схема центрального кондиционера показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Принципиальная схема центрального кондиционера

В этой схеме использованы следующие обозначения: 1- утепленный клапан; 2 – масляный самоочищающийся фильтр; 3 – секция обслуживания; 4 – калорифер первого подогрева; 5 – секция обслуживания; 6 – рециркуляционная секция; 7 – камера орошения; 8 – циркуляционный насос; 9 – холодильная машина; 10 – форсунки; 11 – секция обслуживания; 12 – калорифер второго подогрева; 13 – секция обслуживания; 14 – конфузор; 15 – мягкая вставка; 16 – вентагрегат.

Утепленный клапан служит для аварийного перекрывания доступа в кондиционер наружного воздуха при аварийном отключении теплоснабжения. Фильтр служит для очистки наружного воздуха от пыли. Секции обслуживания необходимы для обеспечения свободного доступа обслуживающего персонала ко всем элементам кондиционера. Они представляют собой пустые секции с герметически закрывающимся люком, в который может свободно пролезать человек. Калорифер первого подогрева служит для предварительного подогрева наружного воздуха перед обработкой в зимний период. Требуемая поверхность нагрева набирается путем последовательного соединения нескольких секций. Количество секций определяется расчетом.

Камера орошения используется для охлаждения, увлажнения или осушения воздуха. Каждый из перечисленных процессов может быть реализован в одной и той же камере орошения при различных условиях работы. Циркуляция воды в камере осуществляется электронасосом, который забирает воду из поддона и, прокачивая ее через холодильную машину, подает к распыливающим форсункам. Форсунки разбрызгивают воду, капли контактируют с проходящим через камеру потоком воздуха, в результате чего происходят указанные выше процессы термовлажностной обработки. Подпитка, компенсирующая испарение воды, осуществляется из водопровода непосредственно в поддон камеры.

При выключенной холодильной машине в камере происходит адиабатический процесс (без подвода и отвода теплоты). В результате испарения влагосодержание воздуха возрастает, а температура воды становится равной температуре мокрого термометра (которая на несколько градусов ниже температуры воздуха), поэтому воздух при контакте с водой охлаждается, одновременно увлажняясь. Энтальпия воздуха при этом остается постоянной h = const.

Процессы увлажнения воздуха в оросительной камере могут происходить и при включенной холодильной машине. Для их реализации необходимо лишь поддерживать температуру распыливаемой форсунками воды, большую точки росы. При этом воздух будет охлаждаться с одновременным увлажнением.

При температуре воды, меньшей точки росы, в камере орошения происходит обратный процесс – осушение воздуха. То есть, охлаждение с одновременным понижением влагосодержания.

При любых процессах обработки воздуха в камере орошения относительная влажность воздуха на выходе из камеры всегда очень высока (близка к 100%). Воздух с высокой относительной влажностью не всегда можно подавать в помещение. Поэтому для доводки параметров приточного воздуха до заданных значений используется калорифер второго подогрева.

Калорифер второго подогрева является конечным звеном в технологической цепи воздухоподготовительных устройств центрального кондиционера. Он управляется системами автоматики и обеспечивает поддержание требуемой температуры и относительной влажности притока, необходимых для поддержания в рабочей зоне заданных параметров воздушной среды, при любых изменениях составляющих теплового баланса помещения.

Вентагрегат служит для транспортировки приточного воздуха по воздуховодам.

Центральные кондиционеры используются в основном в системах промышленного кондиционирования и в системах кондиционирования общественных зданий большого объема.

Конструкцию местного кондиционера рассмотрим на примере автономного бытового кондиционера. Такие кондиционеры устанавливаются в оконных проемах жилых и общественных зданий и применяются для охлаждения воздуха в летний период. Процессы влажностной обработки воздуха в этих устройствах не предусмотрены и поэтому термин “кондиционер” по отношению к ним используется не совсем корректно. Более правильным было бы называть эти устройства оконными моноблочными воздухоохладителями.

Принцип действия таких воздухоохладителей заключается в следующем. В общем корпусе имеются два изолированных отсека: воздухоохладительный (испарительный) и компрессорно-конденсаторный. В этих отсеках размещены все элементы компрессионной холодильной машины, схема которой показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Принципиальная схема

компрессионной холодильной машины

Основными элементами холодильной машины являются компрессор 1, конденсатор 2, дросселирующее устройство (диафрагма) 3 и испаритель 4.

Компрессор обеспечивает циркуляцию хладагента (фреона или хладона) по замкнутому контуру между конденсатором и испарителем. В результате сжатия в компрессоре резко повышается давление и температура паров хладагента. Эти пары, имеющие высокую температуру, проходят по трубкам конденсатора, которые омываются наружным воздухом. При этом в результате теплопередачи через стенки часть теплоты отводится в окружающую среду, что приводит к конденсации хладагента в трубках. Далее жидкий хладагент, все еще находящийся под высоким избыточным давлением, истекает через узкое сопло дросселирующего устройства. При этом давление хладагента резко понижается, а температура становится меньшей по сравнению с температурой окружающей среды. Поэтому, попав в испаритель, хладагент отбирает теплоту от внутреннего воздуха помещения, который прокачивается через межтрубное пространство испарителя вентилятором. Восприняв необходимое для испарения количество теплоты, хладагент переходит в паровую фазу и цикл повторяется снова.

В результате работы холодильной машины по данному циклу температура поверхности испарителя становится существенно меньшей по сравнению с температурой внутреннего воздуха помещения, а температура конденсатора – существенно большей, чем температура наружного воздуха. В итоге, теплота отбирается от внутреннего воздуха и передается наружному.

Как показано на рис 4.3. испаритель холодильной машины, являющийся в данном случае воздухоохладителем, должен быть обязательно расположен в отсеке, обращенном в помещение. Как правило, охлаждаемый внутренний воздух прокачивается через этот отсек в режиме полной рециркуляции. Наружный же воздух, необходимый для охлаждения конденсатора, должен прокачиваться через машино-конденсаторный отсек, обращенный на улицу. В случае, когда оба отсека обращены в одно помещение, эффекта охлаждения воздуха не будет.

Рис. 4.3. Схема установки бытового

моноблочного автономного кондиционера

Рассмотренная моноблочная конструкция оконного кондиционера является наиболее простой и, следовательно, имеющей минимальную стоимость по сравнению с другими типами местных автономных кондиционеров. Недостатками любых моноблочных конструкций является то, что места воздухораздачи жетко привязаны к оконным проемам. При этом установка аппаратов в оконных проемах сокращает площадь остекления, уменьшая естественную освещенность, а работа компрессора существенно увеличивает уровень шума в помещениях.

Стремление к ликвидации указанных недостатков привело к появлению более совершенных устройств для автономного кондиционирования воздуха, называемых сплит-системами. Такое название произошло от английского слова split, означающего “разделять, ращеплять”. В отличие от моноблочной компоновки оконного кондиционера, все оборудование сплит-системы скомпоновано в виде двух раздельных блоков: наружного (компрессорно-конденсаторного) и внутреннего, как показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Принципиальная схема сплит-системы:

А - наружный блок; B - внутренний блок;

1-жалюзи автоматического направляющего аппарата;

2 - воздухозаборная решетка; 3 - воздушный фильтр;

4 - выходное отверстие; 5-глазок индикатора работы;

6-приемник управляющего сигнала пульта; 7-корпус;

8 - cоединительные трубки; 9 - дренаж конденсата

Блоки А и В соединены между собой трубками 8, образующими замкнутый контур, по которому циркулирует хладагент. Третья соединительная трубка служит для переключения направления движения хладагента в контуре между испарителем и конденсатором, которое происходит при помощи четырехходового крана по сигналу с пульта. При этом внутренний и наружный блоки изменяют свои режимы, переключаясь с охлаждения на нагрев и наоборот. Таким образом, в переходные периоды года (осень, весна), сплит-системы могут работать в режиме теплового насоса, выполняя дополнительные функции по отоплению помещений, тогда когда наружная температура уже достаточно низка, а основные отопительные системы здания еще не введены в действие. Однако cледует понимать, что отопительная функция сплит-систем строго ограничена областью положительных температур наружного воздуха, во-первых, потому что при отрицательных температурах наблюдается интенсивное обледенение тепловоспринимающей поверхности наружного блока, существенно затрудняющее передачу теплоты, а во-вторых, при низких температурах загустевает масло в компрессоре, что приводит к быстрому выходу системы из строя.

Кроме описанной выше сплит-системы, предназначенной для обслуживания только одного помещения, рынок современного климатотехнического оборудования предлагает и другие модификации оборудования данного класса, предназначенные для одновременного обслуживания нескольких помещений. Это сплит-системы канального типа и мультисплит-системы.

При полном сходстве основных принципов действия и одинаковой схеме контура холодильной машины, показанной на рис. 4.2, внутренний блок канальной сплит-системы имеет конструкцию, позволяющую присоединять к нему несколько гибких гофрированных воздуховодов стандартного диаметра, как со стороны всасывания, так и со стороны нагнетания. Кроме того, минимальная высота блока дает возможность его размещения в техническом пространстве между основным и подшивным потолком помещения, скрыв разводку воздуховодов и сам блок за декоративной потолочной панелью, на которую выводятся лишь воздухораспределители, устанавливаемые в любых требуемых точках различных помещений. Такая компоновка в миниатюре повторяет схему распределительной сети центральных кондиционеров, тем более что большинство канальных сплит-систем допускает возможность подмешивания к рециркулирующему внутреннему воздуху до 10% наружного воздуха.

Мультисплит-системами называются такие системы, в которых от одного внешнего блока (достаточной мощности) могут работать несколько внутренних блоков, установленных в разных помещениях здания. Главное достоинство таких систем заключается в уменьшении количества размещаемых на фасаде внешних конденсаторно-компрессорных блоков, что позволяет не нарушать общего архитектурного облика зданий.

Лекция 22. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО КОНДИЦИОНЕРА

Окружающий воздух в естественных условиях представляет собой смесь сухого воздуха с некоторым количеством водяного пара. Поэтому основными параметрами, характеризующими термовлажностное состояние воздуха, помимо температуры t, С, являются влагосодержание d, г/кг; энтальпия h, кДж/кг и относительная влажность , %.

Влагосодержанием называется измеренная в граммах масса водяных паров, содержащихся во влажном воздухе, сухая часть которого имеет массу 1 кг. Поэтому единицей измерения вдагосодержания d является грамм влаги на 1 кг сухого воздуха. Влагосодержание воздуха связано с парциальным давлением содержащихся в этом воздухе водяных паров следующим термодинамическим соотношением

d = 623 , (4.1)

где р_В.П – парциальное давление (упругость) водяного пара, Па;

В – барометрическое давление воздуха, Па, равное, согласно закону Дальтона сумме парциальных давлений всех компонентов,

В = р_С.В + р_В.П , (4.2)

где р_С.В - парциальное давление сухого воздуха, Па.

Энтальпия влажного воздуха представляет собой сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара,

h = 1,005t + (2500 + 1,8t) . (4.3)

Относительной влажностью воздуха называется отношение фактического парциального давления водяных паров во влажном воздухе к максимально возможному парциальному давлению водяных паров в состоянии полного насыщения при той же температуре,

 = , (4.4)

где р_нас – парциальное давление насыщенного водяного пара , Па, при данной температуре.

Приведенные формулы свидетельствуют о том, что параметры влажного воздуха связаны между собой физическими законами, так что изменение одного из них неизбежно приводит к изменению других. Связь между всеми перечисленными параметрами влажного воздуха наиболее наглядно иллюстрируется h-d диаграммой, которая впервые была предложена и построена по указанным формулам профессором Л.К. Рамзиным в 1918 году. При помощи h-d диаграммы довольно просто решается ряд практических задач, которые при решении аналитическим путем требуют сложных вычислений. В настоящее время, с развитием компьютерной техники, роль h-d диаграммы, как инструмента вычисления, постепенно становится менее значительной. Однако иллюстративная роль h-d диаграммы нисколько не уменьшается. Это связано с возможностью получения наглядного представления о механизмах протекания сложнейших термодинамических процессов изменения состояния влажного воздуха при помощи простых графических интерпретаций. Особенно полезным является использование h-d диаграммы при изучении технологических схем и процессов обработки воздуха в элементах систем кондиционирования.

Рассмотрим в h-d диаграмме основные элементарные процессы обработки воздуха и покажем, какие условия необходимы для практической реализации этих процессов. Любое возможное сочетание четырех параметров влажного воздуха (t, h, d, ) графически интерпретируется на h-d диаграмме одной точкой, например, точкой А, показанной на рис. 4.5. Изменения состояния воздуха от исходного сочетания параметров А до любого требуемого сочетания Б, изображаются прямыми линиями, соединяющими указанные точки.

Пусть в некоторое помещение необходимо подавать G кг/с воздуха с параметрами Б. Наружный же воздух имеет параметры А и, следовательно, перед подачей должен быть обработан. Определим условия и требуемое для обработки воздуха оборудование.

Рис. 4.5. Схема процесса изменения

состояния воздуха в h-d диаграмме

Из графика рис. 4.4 видно, что h_Б  h_А , следовательно, для достижения параметров Б в данном случае необходимо увеличить энтальпию воздуха. Для увеличения энтальпии может быть использован калорифер, подводящий к обрабатываемому воздуху некоторое количество явной теплоты Q, кВт, определяющееся выражением

Q = G (h_Б - h_А) . (4.5)

Известно, что процесс нагрева воздуха в калорифере происходит без изменения влагосодержания. Поэтому в результате подвода к обрабатываемому воздуху явной теплоты Q может быть получена лишь точка Б*, расположенная на пересечении прямой d_А = const c линией постоянной энтальпии h_Б = const. Следовательно, кроме теплоты для получения параметров Б в данном случае необходимо подводить к обрабатываемому воздуху некоторое количество влаги W, г / с , определяющееся как

W = G (d_Б - d_А) . (4.6)

Таким образом, можно констатировать, что для получения заданного изменения параметров в данном случае воздух необходимо нагревать, подводя к нему тепловой поток Q кВт и увлажнять, подводя W г/с влаги. Причем совершенно безразлично осуществляются ли указанные процессы одновременно (по линии АБ) или последовательно (по линии АБ*Б). Конечный результат будет одинаков.

В центральных кондиционерах, как правило, процессы обработки воздуха осуществляются последовательно. Нагрев по d = const осуществляется в калорифере первого подогрева, а увлажнение по h = const осуществляется в камере орошения. Однако после камеры орошения относительная влажность воздуха существенно повышается, приближаясь к максимальной величине  = 100%, поэтому для получения заданных значений  производится дополнительный нагрев воздуха по d = const в калорифере второго подогрева, показаный отрезком ОП на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Зимний процесс обработки наружного

воздуха в прямоточной системе кондиционирования

На этом рисунке точка Н – параметры наружного воздуха; НК – нагрев наружного воздуха в калорифере первого подогрева, КО – адиабатическое увлажнение в камере орошения; ОП – нагрев в калорифере второго подогрева; точки П, В и У – параметры приточного, внутреннего и уходящего воздуха из кондиционируемого помещения; ПУ – процесс изменения состояния воздуха в помещении, происходящий под действием избыточных тепло- и влаговыделений. Рассмотрим методику построения такого процесса для заданных конкретных условий. Пусть в рабочей зоне некоторого помещения требуется поддерживать заданные параметры t_В и _В при известных значениях суммарных тепло- и влаговыделений Q, кВт, и W, кг/с. Необходимо построить в h-d диаграмме прямоточный процесс обработки воздуха и определить требуемые для его реализации параметры оборудования.

Порядок построения процесса описывается следующим алгоритмом.

1. По известным значениям t_В и _В на h-d диаграмму наносится точка внутреннего воздуха В.

2. По известным тепло- и влаговыделениям вычисляется значение углового коэффициента луча процесса изменения состояния внутреннего воздуха, , кДж/г влаги,

Q10³ / W , (4.7)

3. Через точку В проводится линия с углом наклона, соответствующим значению Для этого на полях h-d диаграммы нанесена угловая шкала значений 

4. Точки параметров приточного - П и уходящего воздуха У определяются на h-d диаграмме пересечением линии cоответствующими изотермами t_П и t_У. При этом значение температуры приточного воздуха t_П принимается в зависимости от типа воздухораспределительных устройств на 24 С ниже температуры рабочей зоны, а уходящего воздуха - t_У рассчитывается с учетом температурного градиента,

t_П = t_В – (24) , (4.8)

t_У = t_В + t (H – 2) , (4.9)

где t – градиент температуры по высоте помещения, принимаемый равным 0,51,5 С/м ( в зависимости от интенсивности тепловыделений );

H – высота кондиционируемого помещения, м.

5. Из полученной точки П по линии d_П = const проводим прямую до пересечения с  = 95 % и получаем точку О, определяющую требуемые параметры воздуха после камеры орошения.

6. По значениям расчетной температуры, t_Н, и энтальпии наружного воздуха, h_Н, взятым из СНиПа, строится точка наружного воздуха Н.

7. Через полученную точку Н проводится линия d_Н = const до пересечения с адиабатой h_O = сonst. Таким образом находится положение точки К,

определяющей конечные параметры нагрева воздуха в калорифере первого подогрева.

После окончания построения с h-d диаграммы считываются значения параметров воздуха, полученные во всех характерных точках данного процесса. Эти значения удобно представлять в табличной форме.

Таблица 4.1