Пособие по кондиционированию воздуха (к СНиП 2.08.02-89)

2. СУЩНОСТЬ УПРАВЛЯЕМЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
ВОЗДУХА И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА

2.1. Управляемыми процессами тепловлажностной обработки воздуха (УП) названы процессы, осуществляемые при переменной поверхности теплообмена между воздухом и водой.

Изменение поверхности теплообмена в смесительных контактных аппаратах (оросительных камерах, градирнях, аппаратах с кипящим слоем и пенных аппаратах) осуществляют при постоянной начальной температуре распыляемой воды ).

Поверхность теплообмена изменяют, как правило, переменой давления воды перед форсунками. В смесительных контактных аппаратах величину можно изменять также, меняя число оборотов  насоса периодическим включением форсунок (насоса) или изменением числа работающих стояков, форсунок и т.д.

Управляемые процесса с понижением энтальпии воздуха дают возможность получать непосредственно после оросительных камер воздух с переменной температурой по сухому термометру, но при практически постоянном влагосодержании, рис.1 (точки и ). Этот воздух в качестве приточного подают в обслуживаемые помещения. Средняя, прямолинейная часть кривой, см. рис.1, на которой располагаются конечные параметры воздуха после оросительной камеры, близка к вертикали, см. отрезок . Это дает возможность, изменяя температуру притока, поддерживать в помещении требуемые (заданные) параметры воздушной среды.

Рис.1. Кривые значений конечных параметров воздуха после оросительных камер за счет изменения давления воды перед форсунками (управляемые процессы понижения энтальпии воздуха в теплый период года)

А - при постоянном значении начальной температуры воды
В - при другом значении
- температуры приточного воздуха, в рабочей зоне и наружного

Управляемые процессы адиабатной обработки воздуха (УПА) также дают возможность получать непосредственно после смесительных аппаратов воздух с переменной температурой по сухому термометру, но с постоянной температурой по мокрому термометру, рис.2,а и б. Этот воздух также в качестве приточного подают в обслуживаемые помещения, см. т.3, на рис.2.

Рис.2. Сопоставление процессов обработки воздуха в традиционной системе и в системе с управляемыми процессами

     
а - прямоточные системы. Холодный и переходный периоды года; 1-2 (или 1-8) - процесс в теплообменнике первого подогрева;
2-3 - управляемый адиабатный процесс; 3 и 6 - параметры приточного воздуха; 4 и 7 - параметры воздуха в помещении;
5-6 - процесс в теплообменнике второго подогрева К-2; б - системы с рециркуляцией. Холодный и переходный периоды года;
1, 2 - соответственно расчетные параметры наружного и рециркуляционного воздуха; 3-4 - традиционный адиабатный процесс;
4 - параметры "точки росы"; 4-5 - подогрев воздуха в теплообменнике второго подогрева; 6 - параметры наружного воздуха;
7-8 и 11-5 - управляемые адиабатные процессы; 7-11 (равный 8-5) - подогрев воздуха в теплообменнике первого подогрева

2.2. Принцип УПА качественно отличается от традиционных способов обработки воздуха.

Несовершенство и неэкономичность традиционной технологии обусловлены нерешенной проблемой измерения, контроля и поддержания двух независимых друг от друга параметров воздуха - температуры и влагосодержания, которые изменяются по самостоятельным законам в процессе его тепловлажностной обработки. В настоящее время эти два параметра контролируют и измеряют одним терморегулятором, и для реализации этой идеи воздух в процессе орошения его водой вынуждены доводить до состояния насыщения. Только при этом условии температура воздуха однозначно определяет его влагосодержание и становится равной температуре по мокрому термометру и температуре "точки росы"(см. рис.2).

Такая технология предопределяет несовершенство термодинамических циклов в традиционных системах как в летний, так и в зимний и переходный периоды. Требуемая температура насыщения ниже температуры воздуха, подаваемого в обслуживаемые помещения, и поэтому в традиционных системах летом, например, приходится переохлаждать воздух, затрачивая излишний холод, а затем подогревать его до температуры притока, затрачивая излишнюю теплоту. Так же неэкономично работают системы в зимний и переходный периоды - сначала приходится переохлаждать воздух (при адиабатном процессе - без затрат холода), а затем подогревать его до температуры притока. Термодинамическая сущность новой энергосберегающей круглогодичной технологии заключается в проведении процессов тепловлажностной обработки воздуха при переменной поверхности теплообмена между воздухом и водой и при постоянной начальной температуре распыляемой воды, что позволяет управлять этими процессами, останавливать их и совершенствовать термодинамические циклы. Кондиционеры, в которых реализована новая технология, работают без теллообменников второго подогрева или байпасных воздуховодов у камер орошения.

2.3. Важным преимуществом применения управляемых процессов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха является экономия тепловой энергии в холодный и переходный периоды года как в прямоточных установках, так и в системах, работающих с рециркуляцией [1].

Сокращение расходов теплоты в прямоточных установках с управляемыми процессами достигается за счет поддержания ими (в соответствии с требованиями п.2.8 СНиП 2.04.05-86) в помещениях требуемой температуры при минимально допустимой нормами относительной влажности и энтальпии (см. рис.2, а, т.4, процесс увлажнения 2-3 при °С и процесс в помещении 3-4). Традиционные прямоточные системы не могут обеспечить минимально допустимые параметры в т.4. В них параметры внутреннего воздуха соответствуют т.7 при °С и (традиционный адиабатный процесс 2-5 и процесс 5-6 в теплообменнике второго подогрева К-2).

Для обеспечения требуемых параметров в т.4 традиционной системой с теплообменниками второго подогрева в связи с ее органическими недостатками, вызванными обработкой воздуха в контактных аппаратах до , см. на рис.2, а т.9, температуры рециркуляционной воды и по мокрому термометру должны быть меньше нуля градусов. Такие температуры неприемлемы из условий работоспособности систем. Поэтому их выбирают положительными, равными не менее 5-7 °С, что обусловливает получение параметров в т.7 и, как следствие, необходимость иметь постоянный излишний расход теплоты в теплообменнике К-2 (процесс 5-6). Разность теплосодержания в точках 4 и 7, определяющая экономию, составляет в данном случае 5,2 кДж/кг (1,25 ккал/кг). Как показали расчеты, она в зависимости от процесса в помещении колеблется в среднем от 3,35 до 5,4 кДж/кг (от 0,8 до 1,3 ккал/кг). Средняя продолжительность стояния наружных температур воздуха до +5 °С составляет, как правило, не менее 3200 ч.

Экономия теплоты в прямоточных системах вентиляции и кондиционирования воздуха в холодный и переходный периоды составляет в среднем примерно 12500 кДж/кг (3000 ккал на 1 кг обрабатываемого воздуха). Как видно, расход теплоты при применении прямоточных систем с управляемыми процессами вместо традиционных сокращается более чем на 20%, что весьма существенно.

Экономия теплоты в рециркуляционных системах при применении управляемых процессов достигается в период работы в диапазоне стояния наружных температур от энтальпии, при которой отключается теплообменник первого подогрева К-1 в традиционных системах (см. рис.2,б, линия ), до энтальпии, характеризующей параметры притока в той же системе. Эта энтальпия равна энтальпии притока и в системе с УЛ. При обеспечении одинаковых параметров в помещении (т.7) экономия достигается за счет исключения в системах с УП расхода теплоты в теплообменнике второго подогрева и использования в течение всего указанного периода повышающегося термодинамического потенциала (энтальпии) наружного воздуха для получения требуемой энтальпии притока .

На рис.2,б представлена схема процессов обработки воздуха в системе с рециркуляцией. При определенном проценте рециркуляции в расчетном режиме смесь наружного (см. рис.2,б, т.1) и рециркуляционного (т.2) воздуха характеризуется параметрами в т.3. Ей соответствует традиционный процесс 3-4 адиабатной обработки воздуха до состояния насыщения, т.4, в камере орошения. После увлажнения воздух подогревают в калорифере второго подогрева (процесс 4-5) до параметров притока в т.5.

При повышении параметров наружного воздуха (например, до т.6) параметры смеси достигают более высокой температуры, т.7. Однако в традиционной системе это положительное обстоятельство не используется для сокращения расхода теплоты на подогрев смеси.

В традиционной системе более высокие параметры смеси, т.7, вновь приводят к состоянию в т.3 (за счет увеличения количества наружного воздуха в смеси), а затем и к прежнему состоянию насыщения в т.4. Поэтому, несмотря на повышение температуры и энтальпии наружного воздуха, на подогрев смеси от состояния насыщения, т.4, до состояния притока, т.5, затрачивается количество теплоты (процесс 4-5), равное ее расходу в расчетный холодный период.

B системе с управляемыми процессами, наоборот, повышающийся потенциал наружного воздуха используется для сокращения расхода теплоты.

Смесь воздуха с параметрами в т.7 нагревают до параметров в т.11. Величина подогрева 7-11 меньше величины 4-5. Процесс нагрева 7-11 осуществляют в новых системах в теплообменнике первого подогрева. Затем воздух в состоянии в т.11 адиабатно (при меньшем давлении воды перед форсунками и, следовательно, меньшей поверхности контакта) увлажняется до состояния в т.5.

Как показали расчеты, для климата средней полосы с применением управляемых процессов адиабатной обработки воздуха в системах с рециркуляцией годовой расход теплоты сокращается более чем на 50%, причем с увеличением количества рециркуляционного воздуха этот процент возрастает.