Автор: Сотников А.Г.
Теги: микроклимат помещений кондиционирование отопление вентиляция отдельные виды строительства кондиционирование воздуха
ISBN: 5-902880-03-3
Год: 2006
Текст
А. Г. Сотников
ПРОЦЕССЫ, АППАРАТЫ
ББК 38.762
УДК 628.84
С 67
А.Г. Сотников
ПРОЦЕССЫ, АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА И ВЕНТИЛЯЦИИ
/Теория, техника и проектирование на рубеже столетий/
В двух томах. Том II, ч. 1, С.-Петербург, 2006 г., 416 стр. с илл.
В настоящей книге впервые за несколько десятилетий читатель найдет подробное
систематизированное описание трех весьма важных подсистем СКВ и СВ: утилизации
теплоты и холода вентвыбросов и сбросных вод, увлажнения воздуха, очистки наружного
и приточного воздуха. В основу этой книги положены данные о многочисленном и раз-
нообразном отечественном и зарубежном оборудовании этих подсистем, разработанных
во второй половине XX в. В ней использовань [рованы основные разработ-
ки российских и советских ученых и специалистов. Многочисленные схемы, рисунки и
примеры поясняют представленный в книге материал, основное оборудование, принци-
пы его работы и выбора. В разнообразных примерах изложены данные о достаточно из-
вестных объектах и исследованиях с использованием как публикаций, так и результатов
испытаний.
Книга предназначена для разработчиков и исследователей утилизаторов, увлажните-
лей и фильтров, проектировщиков, наладчико! ов tx подсистем,
преподавателей, студентов и аспирантов, изучающих соответствующие разделы специ-
альности.
Редактор - инж. В.З.Цитрин.
Глав - 3; стр. - 416; прил. — 3; табл. - 27; илл. - 198; примеров - 38; библ. — 256
найм.
©А.Г. Сотников
© ООО «АТ», Санкт-Петербург, 2006
ISBN 5-902880-03-3
Оглавление
От автора............................................................4
Об инновационной деятельности и самоусовершенствовании инженера......7
Некоторые изречения мудрых, обязательные при чтении этой книги.......8
Глава 7. Подсистема утилизации теплоты и холода вторичных
энергетических ресурсов и сбросной воды.....................
7.1 Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода ....
утилизации теплоты и холода.
61
СВ. 7.2.7 Подсистема утилизации, совмещенная с другими аппаратами (функциями).
7.2.8 Комплексная многоступенчатая утилизация теплоты высокоэнтальпийных техноло-
7.3 Эксплуатационные режимы работы теплоутилизаторов и борьба
96
7.4 Инженерный расчет процесса утилизации теплоты.
129
147
Приложение 7.1 Методики и примеры определения годовых расходов теплоты,
холода и влаги в СКВ и СВ, в том числе утилизируемой теплоты и холода.
Российской Федерации. 7.1.3 Расчеты на основе специализированной климатологи-
Литература к приложению 7.1................................................187
Глава 8.
Подсистема увлажнения воздуха водой и паром................
Необходимость в увлажнении воздуха.........................
Суть изоэнтальпийного процесса увлажнения-охлаждения воздуха ....
Туман и его применение в технике кондиционирования воздуха.
Основные виды систем увлажнения, типы и характеристики
современных увлажнителей воздуха...........................
Управление изоэнтальпийным процессом в увлажнителях разного типа
Оросительные (форсуночные) камеры..........................
189
. 189
. 194
. 197
199
204
получения расчетных зависимостей для оросительных камер. 8.6.4 Принцип действия и
о насадочных увлажнителях. 8.7.2
.224
Роторные (насадочный и пластинчатый) увлажнители воздуха.
Роторный вентиляторный увлажнитель воздуха...........
236
8.10 Пластинчатые пленочные увлажнители воздуха.
241
8.11 Бесфорсуночный увлажнитель воздуха..........................
8.12 Терморалиационный увлажнитель воздуха.......................
8.13 Ультразвуковой увлажнитель воздуха..........................
8.14 Система пневмоувлажнения воздуха............................
8.15 Пенный (барботажный) увлажнитель воздуха....................
8.16 Паровой увлажнитель воздуха.................................
8.17 Технико-экономическое сравнение увлажнения воздуха водой и паром.
8.18 Приближенное климатологическое и экономическое обоснование
применения испарительного охлаждения воздуха при его увлажнении..
8.19 Испытание и наладка устройств для увлажнения воздуха........
эотки воздуха.
252
254
255
260
261
263
265
268
269
8.20 Требования к качеству воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
насадочных увлажнителей Munters...........
8.22 Современные методы комплексной очистки воды
Приложение 8.1 Наружные стены как свое
Литература к гл. 8.
Глава 9. Подсистема очистки наружного и приточного воздуха......289
9.2 Общая характеристика видов и задач очистки воздуха в СКВ и СВ 289 Основы восприятия запахов человеком и проблемы дезодорации в системах кондиционирования воздуха 293 Искусственная ионизация воздуха как показатель качества воздушной среды (гигиенические, медицинские и технические аспекты) 298 9.3.1 Ионизированный воздух, как облигатный (обязательный) фактор среды. 9.3.2 Хи- в воздухе помещений. 9.3.6 Дозиметрия и дозирование аэроионов. 9.3.7 Механизмы дейс- твия аэроионов на организм. 9.3.8 Экспериментальные исследования влияния озонно- ионного состава воздуха на комфорт в помещении. 9.3.9 Примеры решений искусствен- ной ионизации воздуха в помещении.
9.4 Основы теории очистки воздуха от аэрозолей 317 9.4.1 Физико-химические свойства аэрозолей. 9.4.2 Регенерация фильтрующих мате- риалов и фильтров. 9.4.3 Теоретическое обоснование долговечности регенерируемых фильтров. 9.4.4 Основные свойства атмосферной пыли. 9.4.5 Физические механизмы фильтрации частиц. 9.4.6 Уравнение фильтрации аэрозольных частиц. 9.4.7 Требования к подсистеме очистки наружного и приточного воздуха. 9.4.8 Классификация фильтров для очистки воздуха. 9.4.9 Интегральные коэффициенты очистки фильтров G и F с уче- ристик фильтрующих материалов. 9.4.11 Комплексные характеристики эффективности фильтров. 9.4.12 Приближенная оптимизация выбора конечного сопротивления фильтра цикла за время эксплуатации фильтров. 9.4.14 Основные виды и конструкции фильтров для очистки наружного, рециркуляционного и приточного воздуха. 9.4.15 Многослойные пылеемкие фильтры для тонкой очистки воздуха. 9.4.16 Эффективность улавливания пыли в камерах орошения (побочный эффект).
9.5 Фильтрация воздуха в СКВ для чистых помещений и технологий 373 9.5.1 Основные объекты (к началу XXI века), использующие чистые технологии. 9.5.2 Частицы в воздухе чистых помещений. 9.5.3 Источники микрозагрязнений в поме- щении. 9.5.4 Стандарт — «Чистые помещения» (ГОСТ Р 50766-95). 9.5.5 Принципиальные решения и схема СКВ для чистых помещений. 9.5.6 Методика подбора фильтров послед- в ЧП. 9.5.8 Переходный процесс изменения концентрации частиц в чистом помещении. 9.5.9 Контроль за загрязнением воздуха в чистых помещениях. 9.5.10 Анализ аэродинами- ческого режима герметизации чистого помещения. 9.5.11 Компьютерное моделирование аэродинамики и переноса загрязнений в чистых помещениях. 9.5.12 Сводная номограм- ма характеристик аэрозолей, классов чистых помещений и фильтров финишной очистки. 9.5.13 Многовариантный выбор системы очистки воздуха на основе компьютерной про- граммы. 9.5.14 Оценка надежности подсистемы очистки воздуха.
Приложение 9.1. Физико-химические свойства характерных газо- и парообразных
вредных веществ .....................................................
Литература к гл. 9..........................................................
407
От автора
... Эта книга — дань уважения и признания отечественной науке
и ученым второй половины XX века.
... Читатель, заинтересовавшийся нюансами нашей профессии,
постепенно убедится, что при большом разнообразии технических
систем и оборудования систематизирование про них прочитать поч-
ти нечего. Можно, конечно, пойти в библиотеку и там долго искать
ответы на все вопросы среди многочисленных отечественных издании:
книг, статей, диссертаций, докладов... но сегодня на это нет време-
ни. Да и не надо: в представляемой читателю книге мною собраны и
обобщены многие необходимые материалы, остается их только изу-
чать, разбираться и использовать в работе...
Открывая второй том моей книги, представляю читателю три весьма емкие и важ-
ные главы, а следующие три увидят свет уже позже, во второй части. В основу этой кни-
ги положены многочисленные отечественные и некоторые зарубежные исследования и
материалы, обобщенные, систематизированные и последовательно изложенные автором
в одном стиле, ключе и единых обозначениях. Это тем более важно, что других совре-
менных отечественных книг, где всесторонне, глубоко и подробно по порядку изложены
вопросы утилизации теплоты, или увлажнения, или очистки воздуха, автору не известны.
Представленный здесь комплексный материал поможет успешно осваивать нашу про-
фессию как студентам, так и инженерам.
В главе 7 «Подсистема утилизации теплоты и холода вентвыбросов и сбросной
воды» описаны основы теории, основные типы и принципы работы таких аппаратов,
способы расчета процессов, явление инееобразования и меры борьбы с ним. Большое
внимание в этой главе уделено многочисленным режимам работы утилизаторов, что не
описано в литературе и не используется при выборе и анализе. Кроме того, подробно
излагаются экономические аспекты применения утилизации, в том числе метод опти-
мизации поверхности и рядности таких аппаратов. Большое внимание уделено методам
и системам утилизации теплоты сбросной воды. В приложении к этой главе впервые
подробно описаны и систематизированы основные методы расчета годовых расходов
теплоты, холода и влаги в СКВ и СВ в произвольном пункте России, в том числе утили-
зируемой теплоты и холода.
В главе 8 «Подсистема увлажнения воздуха водой и паром» приведены теоретические
основы работы увлажнителей, систематизированы более десяти их характерных типов,
отличающихся по принципу организации поверхности контакта между воздухом и во-
дой, интенсивности массообмена, энергозатратам на увлажнение, габаритам, стоимости
и др. Среди прочих описаны вентиляторные увлажнители разных типов, одновременно
выполняющие две функции (увлажнения и перемещения воздуха). Уделено внимание
требованиям по водоподготовке, качеству воды для увлажнителей, способам ее очистки.
В приложении к главе описаны особенности наружных ограждений здания как своеоб-
разных увлажнителей воздуха помещения в холодный период года.
В главе 9 «Подсистема очистки наружного и приточного воздуха» описаны основные
свойства аэрозольных частиц, теоретические основы и практические результаты расчета
и испытания разных фильтров, а также способы предварительной и финишной очистки
воздуха, в том числе для чистых помещений. Здесь же приводятся характеристики основ-
ных фильтров, стандарты на фильтры и чистые помещения, примеры выбора фильтров с
учетом дисперсности пылевых частиц. Методы выбора существенно уточнены с учетом
не одного показателя - коэффициента очистки, а целого комплекса. Кроме того, в главе
представлены основные сведения о дезодорации воздуха (удалении запахов) и описана
проблема ионизации. В приложении к главе приведены основные физико-химические
свойства наиболее характерных вредных веществ.
Автор надеется на большую теоретическую и практическую пользу при работе с этой
книгой. При этом он отчетливо сознает, что ее издание было бы невозможным без актив-
ного инвесторского участия группы компаний «ПЕТРОСПЕК-ХОЛДИНГ» (С.-Петер-
бург) , ее руководителей — генерального директора А. П. Леонтьева, директора по развитию
М.М. Горохова, зам. генерального директора по производству С.Г. Шпета и технического
директора К.В. Котельникова. Выражаю им свою признательность и желаю постоянных
успехов в большой и многотрудной работе по проектированию и строительству сов-
ременных инженерных систем разнообразных и непростых объектов. Благодарен
А.С. Вавилову за помощь в сборе материала для книги, моей супруге и помощнице
Л.В. Сотниковой (компьютерный набор текста), отличному инженеру-теплоэнергети-
ку, близкому другу В.З. Цитрину (технический и литературный редактор), С.П. Минину
(корректору книги), издателю этой и других моих книг К.Л. Трошину и его сотрудникам
(компания «АТ-Publishing») за большую и самоотверженную работу по подготовке и из-
данию этой сложной книги.
Ваши замечания, предложения и пожелания по содержанию моих книг присылайте
по адресу: asotnikov2005@yandex.ru
По вопросу приобретения этой книги нужно обращаться в ООО «Проект Оптимум»
(www.proptimum.ru).
октябрь 2006 г.
Санкт- Петербург
Об инновационной деятельности и
самоусовершенствовании инженера
Многие виды человеческой деятельности, если к ним внимательно присмотреться,
напоминают айсберг — надводная, наиболее заметная часть которого обычно ощущаема
и понятна. Другое дело бблыпая, нижняя, скрытая от глаз его подводная часть, по сути и
объясняющая мотивацию (интригу) деятельности специалиста, эффективность и резуль-
таты работы, уровень исполнения и др.
Не исключение составляет и инженерный труд. В обычном, скупо представленном
проекте, мало приспособленном для анализа, оценки решений, последующего монта-
жа, можно пожалуй узнать «ЧТО?», но вряд ли «КАК?» и тем более «ПОЧЕМУ?» Об
этом можно только догадываться или искать в “подводной” части проекта. Обычно не
известно, кто конкретно разрабатывал проект в части принципиальных решений, ка-
кие основные идеи здесь заложены, какие ограничения были приняты во внимание?
Почему из многочисленного оборудования на рынке профессии выбрано данное? Чем
обосновывается высокая надежность и эффективность решений? Ответы на эти и по-
добные вопросы в проекте найти нельзя, а энергосбережение, как обязательный раздел
проекта, часто выглядит формальностью и предлагаемые решения скорее отрывочны,
чем системно обоснованы.
Причину этой «подводной» части надо искать в сложном сочетании особенностей
объекта, отношении с «Заказчиком», обычно весьма сжатых сроков проектирования, не
ясной мотивации действий инженеров, их квалификации, желанием и умением находить
инновационные решения и многим другим. Например применительно к содержанию
данной книги можно почти вслепую выбрать утилизатор, увлажнитель и фильтр для сис-
темы, как это часто делают, но вряд ли такое решение будет верным. Многочисленные
производители, типы и виды оборудования, их возможности и характеристики требуют
более детального, а не поверхностного выбора. Решающая роль здесь отводится инно-
вационной деятельности и техническому уровню специалиста. Именно такому инжене-
ру, находящемуся в постоянном поиске, в помощь предлагается данная книга, в которой
объясняются многие «КАК?» и «ПОЧЕМУ?» применительно к нашей профессии и ее не-
простому оборудованию.
Если эти вопросы после прочтения книги станут читателю более понятными, то цель
ее написания и издания можно считать достигнутой...
Некоторые изречения мудрых,
обязательные при чтении этой книги:
Дело подобно автомобилю: само по себе
оно будет двигаться только под гору.
(Заповедь американских менеджеров)
Мы столько можем, сколько знаем.
Знание - сила.
(Френсис Бэкон, английский философ)
Если вы со мной не согласны, это значит
только, что вы не слушали меня.
(Из постулатов менеджмента)
Руководитель не может позволить себе
роскошь учиться на ошибках.
(Принцип американской автомобильной
компании «Дженерал Моторе»)
Не в том дело, решите вы задачу или нет, а
в том, на кого возложите ответственность.
(Там же)
Ведущее условие служебного роста -
генерация новых идей.
Чтобы вести людей за собой,
иди за ними.
(Лао-Цзы, китайский философ)
Неважно, что вам говорят, —
вам говорят не всю правду.
(Принцип Тодда)
Угол зрения зависит
от занимаемого места.
(Закон Майлса)
У каждой недоработки
есть имя и фамилия.
(С. Орджоникидзе)
Опираться можно
только на то, что сопротивляется.
(Блез Паскаль)
«Не работать» — значит и
не работать над собой.
Отказаться от риска —
значит отказаться от творчества
(А.С. Макаренко)
Заговори, чтобы я тебя увидел.
(Сократ)
Судьба каждой истины сначала быть
осмеянной, а потом уже признанной.
(А. Швейцер)
Любые предложения люди понимают
иначе, чем тот, кто их вносит.
(Третий закон Чизхолма)
Противник, ищущий ваши ошибки,
полезнее, чем друг, желающий их скрыть.
(Леонардо да Винчи)
Всегда не хватает времени, чтобы
выполнить работу как надо, но на то,
чтобы ее переделать, время находится.
(Закон Мескимена)
(Из книги П.С. Таранова «Золотая книга руководителя»
Издательско-торговый Дом «Гранд». М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005. — 496 с.)
Глава 7
Подсистема утилизации теплоты и холода
вторичных энергетических ресурсов и сбросной воды
7.1 Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
7 .1.1 Естественные и вторичные источники энергии. Первоисточником энергии, обес-
печивающей жизнь на Земле, является Солнце. Мощность коротковолновой солнечной
радиации, достигающей атмосферы Земли, составляет 1,7-1015 кВт, из нее 77% возвраща-
ется обратно в космическое пространство, 23% формирует климат Земли. Лишь тысяч-
ная часть указанной мощности (0,023%) участвует в биологической жизни на Земле и в
образовании органического топлива. В настоящее время более 95% энергии, необходи-
мой человечеству, получают за счет органического топлива — угля, торфа, нефти и газа.
Наибольшие темпы развития имеет использование солнечной энергии, достоинством
которой является ее количество и возможность сохранения окружающей среды, недо-
статком - большое рассеивание и нерегулярность поступления. К тому же в северных
широтах, где потребность в теплоте больше, чем на юге, световой день зимой короче и
время использования меньше.
К наиболее распространенным естественным низкопотенциальным источникам от-
носится теплота грунта, а также вод - подземных (10 °C), морских (8 “С в холодный пери-
од) и речных (5 °C). Поэтому использование таких источников для охлаждения возможно
при условии их согласования с требованиями объекта, а для нагрева требуется повышение
их потенциала. Особым естественным источником теплоты являются термальные воды с
температурой от 40 до 200 °C, однако они имеются далеко не везде.
Одним из возможных источников энергии являются вторичные энергоресурсы*
[7.13], образующиеся в результате функционирования многочисленных технологических
производственных процессов, а также жизнедеятельности людей. В жилых и обществен-
ных зданиях теплоизбытки переносятся удаляемым вентиляционным воздухом в атмос-
феру. В промышленных зданиях вторичные энергоресурсы можно условно разделить на
три группы:
. уходящие газы технологического топливоиспользующего оборудования [7.64] и про-
мышленно-отопительных котельных;
• сбросная вода, используемая для охлаждения машин и рабочих тел;
• удаляемый воздух систем общеобменной и местной локализующем вентиляции, пре-
жде всего от теплоисточников.
Использование вторичных тепловых ресурсов является одной из мер повышения эф-
фективности СКВ и СВ и сокращения оплачиваемого заказчиком энергопотребления.
В нашей стране на протяжении 60—90-х годов XX века в связи с большим дефицитом теп-
ловой энергии проводились разработки и исследования теплоутилизаторов разных типов,
однако далеко не все из них выпускали серийно. В частности, наибольшее распростране-
ние получили теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем на основе воздухо-
нагревателей (калориферов) разных моделей и номеров, отдельное применение нашли
Процессы, аппараты и
роторные и рекуперативные аппараты. При всем многообразии типов и конструкций
(холодного) воздуха. Для их защиты от инееобразования в ряде случаев по рекомендаци-
ям фирм-производителей применяют предварительный подогрев или другие решения.
Основные школы исследования и внедрения теплоутилизаторов разных видов в на-
шей стране — МНИИТЭП, ЦНИИЭП инженерного оборудования, МИСИ (Москва),
ВНИИКондиционер (Харьков), ТашЗНИИЭП (Ташкент), ЛИСИ, ЛТИХП (Ленинград)
и другие (в названиях вузов использованы прежние обозначения). Основные публикации
ученых и исследователей, представляющих эти школы в задачах инженерных расчетов
и обоснований применения теплоутилизаторов, даны в подробном списке литературы
к гл. 7. «Утилизация теплоты» — тема, весьма важная и заметная в общей проблеме энер-
госбережения и поэтому должна занять в ней достойное место.
7.1.2 Теплоутилизационные установки, использующие вторичные энергоресурсы. Все
вторичные энергоресурсы (ВЭР) можно разделить на два типа: теплоутилизаторы - теплооб-
менники непосредственного действия (рис. 7.1, а-д) и тепловые насосы, увеличивающие
температурный уровень рабочего вещества (рис. 7.1, е). Первые используют, если потен-
циал ВЭР выше потенциала той среды, которой передается тепловая энергия. Все тепло-
утилизаторы подразделяют на четыре группы:
а — теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (рис. 7.1, а) на основе как по-
верхностных, так и контактных аппаратов,
б- вращающиеся регенеративные теплоутилизаторы (рис. 7.1, б),
в, г - рекуперативные теплоутилизаторы типа «воздух-воздух» (пластинчатые и кожу-
хотрубные), а также многочисленные виды контактных теплообменников-теплоутилиза-
торов типа «воздух—вода» (см. далее п. 7.2.6, рис. 7.43),
д - тепловые трубки (рис. 7.1, д).
Здесь уместно напомнить, что рекуперативными называют аппараты, где нагреваемая
и охлаждаемая среды имеют неизменные поверхности, а регенеративными — те, в которых
поверхность теплообмена попеременно контактирует то с одной, то с другой средой.
Каждый из видов теплоутилизаторов имеет свои особенности и область применения,
которые рассматриваются ниже. К дополнительным опциям и элементам комплектации теп-
лоутилизаторов относят: устройства управления, устройства обвода воздуха, устройство про-
дувки (очистки поверхности), датчик обледенения поверхности (перепада давления), датчик
скорости (для роторного аппарата) и другие.
Рис. 7.1. Вид-схема основных типов утилизаторов теплоты и холода удаляемого воздуха
в СКВ и СВ:
б — вращающийся регенеративный теплоутилизатор:
в - пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор (воздух-воздух), штри-
ховкой показан т.н. холодный угол;
д - тепловая трубка: 1 — корпус, 2 - рабочее вещество, 3 - разделительная
перегородка, 4-оребрение;
е — тепловой насос (холодильная машина) в составе приточно-вытяжной вен-
тиляционной установки: 5 — терморегулирующий вентиль (ТРВ), 6 — конден-
сатор холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, 7— испа-
ритель холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, 8 - че-
тырехходовой переключающий вентиль, 9 — компрессор холодильной машины.
n :т<1
Что касается утилизации холода удаляемого вентиляционного воздуха в теплый пе-
риод, то она аналогична утилизации теплоты, но при условии tH >ty [7.41]. В средней
полосе России этот период короток, а разность температур tH — ty невелика. Поэтому
утилизацию холода в этих условиях можно рассматривать как дополнительный эффект
в теплое время года, сопутствующий применению утилизаторов теплоты того или ино-
го вида в холодный период. Для оценки эффекта утилизации холода нужно анализиро-
вать повторяемость высоких температур наружного воздуха в данном пункте т (tH > ty ).
Комплексное представление о повторяемости высоких температур наружного воздуха и
суточном ходе усредненных по летним месяцам состояний наружного воздуха в Ташкенте
можно получить из рис. 7.2. Аппроксимируя кривые плотности-повторяемости Ат / AfH
прямыми, можно определить годовой расход утилизируемого холода, хотя учет суточного
хода параметров и сменности работы системы сильно осложняет такие расчеты. Одной
из эффективных разновидностей пластинчатого утилизатора холода является такой,
в котором удаляемый из помещения воздух в утилизаторе изоэнтальпийно увлажняет-
ся [7.87]. В этом случае достигается существенно больший эффект утилизации по двум
причинам. Первая объясняется снижением температуры удаляемого воздуха рециркуля-
ционной водой (рис. 7.2, б). Вторая связана с передачей дополнительной теплоты наруж-
ного воздуха на испарение пленочной влаги. Результирующий эффект по данным [7.87]
можно оценить по графику в зависимости от числа единиц переноса по явной и полной
теплоте (рис. 7.3).
[7.87], в j
•лъно орошают рециркуляцион-
при NTU^=kF/h,GBcB =3,5 и NTU^ = kF / GBcB = 4,5 эффек/
пластинчатого орошаемого утилизатора холода составит 0 = 0,80.
7.1.2.1 Утилизатор теплоты с промежуточным теплоносителем. Эти аппараты рекупера-
тивного типа имеют отличительную особенность — наличие рециркуляционного конту-
ра, в котором перемещается (циркулирует) рабочее вещество (вода, рассол), передающее
тепловую энергию от источника (уходящий воздух) к потребителю (наружный воздух).
В зависимости от вида применяемых аппаратов теплоутилизаторы могут быть рекупера-
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
тивного или контактного (смесительного) типа (рис. 7.4, а). Возможна комбинированная
схема, когда в одном канале теплоноситель непосредственно контактирует с одной сре-
дой, а в другом используется рекуперативный теплообменник (рис. 7.4, б). На основе ути-
лизаторов теплоты можно построить более сложные схемы — воздухо-приготовительные
центры с подогревом и увлажнением обрабатываемого наружного воздуха (рис. 7.4, в).
Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (рис. 7.5) имеют меньшую эф-
фективность и более сложную методику инженерного расчета, чем другие (см. п. 7.4.1),
но удобны, когда для рабочего вещества (загрязненный уходящий воздух) исключено по-
падание в наружный воздух, даже в малом количестве. Кроме того, такие утилизаторы
незаменимы при любом, а тем более значительном удалении приточных и вытяжных ус-
тановок. Между тем на практике часто приточные установки на наружном воздухе раз-
мещают в техническом подполье или в цокольном этаже, а вытяжные - на последнем
(техническом).
Процессы, аппараты и с
В этом случае два теплообменника, соединенные циркулирующим между ними про-
межуточным теплоносителем, перемещаемым по трубопроводам и занимающим мини-
мум места, являются единственным средством утилизации теплоты удаляемого воздуха.
Долгое время эти утилизаторы являлись основными типами устройств в отечественной
практике (70-е — первая половина 90-х годов XX века). Другие типы утилизаторов были
исследованы, однако выпускались малыми партиями.
Одной из разновидностей обсуждаемой схемы является схема (рис. 7.6) на основе
двух компактных насадочных аппаратов и использования в качестве промежуточного
теплоносителя раствора хлористого лития в воде [7.65]. В теплообменных аппаратах этой
системы можно осуществлять перенос как явной теплоты, так и влаги. Таким образом
наружный воздух можно одновременно и нагревать и увлажнять.
схеме с промежуточным теплоносителем, раствором ЫС1 в воде, в насадоч-
ных аппаратах.
Как показали проведенные исследования, температурная эффективность утилизато-
ра такой конструкции может быть весьма высокой (рис.7.7) — до 0,8 и даже больше. Это
зависит от типа и величины теплопередающей поверхности, от соотношения расходов
теплоносителей, скорости движения воздуха через насадочные аппараты, параметров
теплообменивающихся сред. Степень нагрева и увлажнения наружного воздуха зависит
от температуры и концентрации раствора, последнюю рекомендуют принимать не выше
максимально допустимой во избежание кристаллизации. Соотношение расходов и тепло-
емкостей воздуха и раствора влияет на теплотехническую эффективность: она наиболь-
шая в интервале отношения водяных эквивалентов !W„ = 0,8... 1,3 (рис. 7.7).
7.1.2.2 Тепловая трубка. Как утилизатор теплоты с промежуточным теплоносите-
лем такой аппарат состоит из теплообменников, работающих в области влажного пара
и использующих хладоны, водяной пар и растворы (водоаммиачные, бромистолитиевые
и др.). Тепловая трубка (рис. 7.1, д) представляет собой заполненную жидкостью камеру,
одна часть которой взаимодействует с источником теплоты, а другая находится в среде,
воспринимающей теплоту. Под действием разных температур на концах трубки происхо-
дит одновременное кипение и конденсация рабочей жидкости. Теплообменники из теп-
ловых трубок могут быть гравитационн! и та - с возвратом рабочей жидкости самоте-
ком (термосифоны), для чего их устанавливают вертикально или под углом к горизонту.
Зависимость температурной эффективности теплоутилизатора от соотноше-
ния водяных эквивалентов W..cm!WH и числа единиц переноса NTU=aF/GlfcB.
Экспериментальные исследования термосифонного утилизатора на базе теплооб-
менников «Зигзаг» (рис. 7.8, а) описаны в работе [7.83]. В опытах на хладонах RI2m Rl I4H
1 геняли скорости воздуха и соотношение расходов наружного и удаляемого воздуха.
Полученные экспериментальные зависимости, имеющие сложный вид, представлены
на рис. 7.8, б. Максимальную эффективность процесса утилизации достигали при малых
массовых скоростях воздуха (vps = 2...4 кг/(м2 с), минимальную - при равном соотноше-
нии расходов L„ = Ly', изменение соотношения расходов приводило к росту эффектив-
Т.1.2.3 Вращающийся регенеративный теплоутилизатор. Эти аппараты, сокращенно
называемые ВРТ (рис. 7.1, б), находят широкое применение в установках утилизации
теплоты удаляемого воздуха (чаще вращающиеся, реже переключаемые), в них передача
теплоты происходит теплоаккумулирующей массой, находящейся попеременно в пото-
ках теплого (удаляемого) и холодного (нагреваемого) наружного воздуха. ВРТ - тепло-
обменник особой конструкции (рис. 7.9), состоящий из корпуса, ротора с аккумулирую-
щей массой — насадкой, электродвигателя и устройства управления частотой вращения
колеса. Собственно насадка может быть образована пластинами разной конфигурации,
специальным пористым материалом, сетками, стружкой и др. Продувочная камера ис-
пользуется для очистки поверхности насадки.
Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
14 13 12 11 Ю
ративного воздуховоздушного теплоутилизатора: 1 — датчик температуры
удаляемого воздуха; 2 - показывающий прибор; 3 - панель управления притон-
передача, передающая вращение от двигателя 14 к вращающему регенератив-
точно-вытяжной установке; 7 — отверстия для входа удаляемого воздуха;
8 — направление входа удаляемого воздуха в утилизатор; 9 — выход обработан-
ки для присоединения и установки вентилятора; 11 — вентилятор наружного
(приточного) в' духа; 12 — зажимы для крепления приточного вентилятора;
13 — датчик температуры удаляемого из помещения воздуха; 14 — электродви-
гатель, приводящий во вращение роторный теплоутилизатор; 15 — вращаю-
ного (наружного) воздуха; 17 - датчик температуры приточного (наружно-
о-стопорные устройства для установки вентилятора; 20— выход удаляемо-
го из помещения воздуха в атмосферу или воздуховод.
Конструкция ротора размещена в двух воздуховодах, по которым навстречу друг дру-
гу движется наружный и удаляемый воздух. В течение пол-оборота масса насадки, прохо-
дя через поток удаляемого воздуха, нагревается, а в следующие пол-оборота оказывается
в потоке холодного наружного воздуха и охлаждается, нагревая последний. Для приме-
нения этих аппаратов нужно, чтобы потоки удаляемого и наружного воздуха двигались
рядом и навстречу.
Работа регенеративного теплообменника отличается наличием двух характерных режи-
мов теплотехнической эффективности такого аппарата в зависимости от частоты вращения
ротора. При малой частоте вращения (ок. 1-2 об/мин) существенна теплоемкость конс-
трукции насадки, которая влияет на эффективность аппарата (рис. 7.10 [7.13]). Приувели-
чении частоты вращения свыше некоторой предельной величины эффективность утили-
затора практически не меняется. Для исследования квазистационарного режима работы
такого аппарата была составлена математическая модель [7.13] и на основе компьютер-
Процессы, аппараты и <
ных расчетов определены температуры поверхности насадки на входе удаляемого воздуха
при различной частоте вращения ротора (рис. 7.11). Установлено, что с увеличением час -
тоты вращения амплитуда температурных колебаний на поверхности уменьшается, а при
больших оборотах остается практически постоянной, близкой к среднеарифметической
между температурами наружного и уходящего воздуха в данном сечении.
Рис. 7.10. Расчетные характеристики ВРТ (сплошные линии) и экспериментальные (точки)
значения эффективности вращающегося регенератора с несорбирующей насадкой:
а — зависимость эффективности утилизатора от критерия гомохронности
Фурье Fo = ах / 81;
б - зависимость эффективности утилизатора от массовой скорости воздуха,
сти утилизатора от частоты вращенияротора, п,
г — зависимость эффективности утилизатора от глубины насадки h, мм.
По сравнению с аппаратами регенеративного типа вращающиеся регенераторы характе-
ризуются:
• компактностью (удельная поверхность насадки составляет 1500...3000 м2/м3 объема та-
кой насадки, в то время как в рекуперативных пластинчатых аппаратах эта величина
составляет 300-900 м2/м3, а в кожухотрубных всего 15-20 м2/м3);
• простотой организации противоточного движения потоков воздуха, при котором эффек-
тивность аппарата наибольшая;
• возможностью применения насадок с малыми эквивалентными диаметрами сечений
(d3 = 1...3 мм) для прохода воздуха, при которых увеличивается коэффициент тепло-
отдачи;
• небольшим и постоянным аэродинамическим сопротивлением в режиме с конденсацией
водяного пара при малой глубине насадки (100—300 мм);
22
• невысокой стоимостью изготовления насадки, которая не требует разделения воздуш-
ных потоков;
• легким управлением эффективностью процесса при изменении частоты вращения
ротора;
• малой массой теплопередающей насадки (обычно на изготовление ВРТ требуется в
два-пять раз меньше материала, чем на трубчатые и пластинчатые теплообменники);
• не требуется удалять образующийся конденсат, ибо влага из одного воздушного потока
переносится в другой и там при положительных температурах испаряется; по этой же
причине аэродинамическое сопротивление не меняется, тогда как в рекуперативных
теплообменниках под действием молекулярных сил происходит зависание капель
конденсата между элементами теплопередающей поверхности, при этом сопротивле-
ние увеличивается на 40—50% по сравнению с «сухим» теплообменом;
• возможностью одновременного нагрева и увлажнения воздуха при наличии ВРТ с сор-
бирующей насадкой и отказа от применения дополнительных увлажнителей.
Основной недостаток этих аппаратов — перетекание потоков воздуха (см. п. 7.3.8) и пе-
ренос загрязнений. Кроме того, к недостаткам этих аппаратов можно отнести: сложность
изготовления, наличие вращающихся частей, засорение теплообменной поверхности и
необходимость ее очистки (продувки). Еще один недостаток — необходимость предвари-
тельного подогрева наружного воздуха до t'K = -10 °C, если конденсирующаяся в потоке
уходящего воздуха влага не успеет полностью испариться в поток наружного воздуха.
Вращающиеся регенераторы бывают несорбирующие и сорбирующие. В сорбирующих
регенераторах аккумулиру ющая масса выполнена из капиллярно-пористого материала
(асбесто-картона, технического картона и др.) и пропитана сорбентом (хлористым лити-
ем, бромистым литием и др.), обеспечивавшим поглощение влаги из удаляемого воздуха
и передачу его в процессе десорбции наружному воздуху. В сорбирующих регенераторах с
металлической насадкой сорбент наносят на поверхность металла напылением.
В переключаемых регенераторах (см. п. 7.2.5, рис. 7.42) насадка неподвижна и при
периодическом изменении направления движения воздуха попеременно омывается то
холодным, то теплым воздухом.
Во вращающихся регенераторах используют насадки разного типа: пластинчатые,
стержневые, сетчатые, шариковые и др., применяют также нерегулярные структуры.
23
Ротор вращается с частотой около 10 об/мин, которая практически не сказывается на ин-
тенсивности теплообмена, поэтому для расчета процесса можно использовать данные по
коэффициентам теплообмена, полученные в стационарных условиях. Насадки, приме-
няемые в регенераторах, характеризуются относительным объемом пустот и материала
насадки, а также площадью теплообменной поверхности в 1 м! объема. Эквивалентный
диаметр каналов определяют по формулам:
для шариковых а,„ = — • -аш,
для сетчатых и стержневыхd3a = terIFv,
(7.1)
где sy — относительный объем, занятый пустотами; Fv — площадь теплообменной
поверхности в одном кубическом метре объема насадки. Применяемые в регенераторах
пластины идентичны тем, что используют в рекуперативных теплообменниках, а тепло-
технический расчет выполняют в зависимости от типа насадки по данным [7.13, с. 94-95
и с. 214—215]. Шариковые насадки могут состоять из плотно уложенных или подвижных
шариков. В стержневых насадках возможна шахматная, коридорная или произвольная
укладка стержней. Нерегулярная насадка имеет повышенное сопротивление по сравне-
нию с пластинчатой, перетекание воздуха в ней выше.
В сорбирующей насадке, находящейся достаточно долго в потоке воздуха, устанавлива-
ется равновесное состояние между воздухом и материалом, оно характеризуется некоторым
равновесным влагосодержанием материала (7тах. Кривые, показывающие связь влагосодер-
жания материала (V, г/кг) с относительной влажностью воздуха и его температурой, назы-
вают изотермами сорбции-десорбции. В работах В.Л. Грановского [7.13, с. 215] и др. эти за-
висимости получены для технического картона, пропитанного 10%—40% водным раствором
хлористого лития при температурах воздуха 0-50“С и относительной влажности 10-80%.
Результаты испытаний приведены на рис. 7.12. С увеличением концентрации раствора
равновесное влагосодержание материала растет, а с увеличением температуры - снижается.
Пропитка технического картона 20%-ным водным раствором ЫС1 увеличивает его равно-
весное влагосодержание в 2,5 раза. Процесс сорбции (поглощения) пара сопровождается
выделением теплоты фазового перехода, при десорбции теплота, наоборот, поглощается.
Специфика процессов тепломассообмена во ВРТ с несорбирующей насадкой при
> Ю такова, что они протекают практически при постоянной температуре по-
верхности насадки, а массообмен влияет на теплообмен. Поэтому величина 0./у не зависит
от вида режима и постоянна (рис. 7.13). Эффективность массообмена 0-,У; при частично
«мокром» процессе переменна и зависит от относительной части «мокрой» поверхности в
общей, а при полностью «мокром» режиме она равна эффективности теплообмена 6ТУ .
Влияние начальных параметров теплого воздуха на процессы в ВРТ на образцах аппа-
ратов исследовал В.П. Ильин [7.39, 7.40]. Теплопередающие элементы первого и второго
образцов были изготовлены из алюминиевой фольги толщиной 0,15 и 0,20 мм, с ромби-
ческими вьшггампованными выпуклостями высотой 1,5 и 2 мм, стороной ромба 4 и 3 мм.
Опыты были проведены при температурах от —7 ’С до +36 °C, влагосодержании от 2 г/кг
до 25 г/кг, массовой скорости воздуха от 1,9 до 4,18 кг/(м2-с).
При установившемся режиме работы массы конденсирующейся в потоке теплого
воздуха и испаряющейся в потоке холодного воздуха влаги были равны. Коэффициент
влаговыпадения § (см. далее формулы 7.14и7.15)и эффективность 0^, регенератора, по-
лученная в опытах,
24
«мокром» и «мокром»: рекупера-
частично
«мокрый
Рис. 7.12. Изотермы сорбции-десорбции: I, 2, 3
5%-ным водным раствором хлористого
штрихованной области соответствует
не зависели от начального влагосодержания наружного (холодного) воздуха. Это объясня-
лось тем, что конденсирующаяся на теплопередающей поверхности влага при вращении
ротора попадала в холодный поток воздуха с меньшим парциальным давлением водяного
пара в воздухе и полностью в нем испарялась (при положительной температуре).
25
Процессы,
Процессы изменения состояния наружного и уходящего воздуха в теплообменнике
(ВРТ) в опытах (В.П.Ильин) с воздухом постоянной начальной температуры и энтальпии
при одинаковых аэродинамических условиях и частоте вращения ротора изображены на
i—d диаграмме (рис. 7.14). Обработка опытных данных показала, что коэффициент эффек-
тивности, определенный по выражению (7.2), и общий коэффициент явного теплообмена,
отнесенный ко всей поверхности аппарата, практически не зависят от массообмена, учитыва-
емого коэффициентом влаговыпадения в процессе охлаждения-осушения: с, = А//св Д1 > 1.
На основе теоретического анализа и проведенных экспериментов в условиях «сухого»
теплообмена установлено, что температура поверхности ВРТ изменяется во времени гар-
монически (синусоидально) с круговой частотой а>. При увеличении этой частоты амплиту-
да колебаний уменьшается. В режимах совместного тепло- и массообмена гармонический
закон изменения температуры сохраняется. а амплитуда колебаний Л, (<о) возрастает.
7.1.2.4 Рекуперативный теплообменник типа «воздух-воздух». Такие аппараты (рис. 7.1, в,г)
разделяют на пластинчатые и кожухотрубные. Первые отличает компактность и малая
масса, вторые — высокая технологичность изготовления и низкое аэродинамическое со-
противление. Кроме пластинчатых теплообменников, встраиваемых в кондиционер, вы-
пускают и другие, встраиваемые в воздуховоды и технологическое тепловыделяющее обо-
рудование [7.76], (рис. 7.53, 7.85). Применение рекуперативных пластинчатых аппаратов
имеет ряд преимуществ перед другими способами использования теплоты уходящего воз-
духа. Наиболее существенные преимущества таких аппаратов:
• полное разделение потоков наружного и удаляемого воздуха, исключающее их пере-
мешивание и перенос вредностей;
• отсутствие движущихся частей и простота эксплуатации;
• технологичность изготовления аппаратов;
• возможность полного исключения металла для их изготовления [7.81].
Для рекуперативных утилизаторов вводится эффективность 6ГУ . учитывающая воз-
можность осушения удаляемого воздуха. Эта величина не зависит от начальных парамет-
ров состояния воздуха, а определяется конструкцией аппарата и соотношением расходов
воздуха; в «мокром» режиме — постоянна (рис. 7.13). В комбинированном режиме невоз-
можно определить 0гу (и у, которое оставалось бы постоянным при изменении началь-
ных тепловлажностных параметров потоков воздуха. Это связано с тем, что при изменении
последних (tH, ty, tyu) меняется доля поверхности, работающей в «мокром» режиме.
Сравнение тепловой эффективности регенеративных и рекуперативных теплоутилизато-
ров выполнено В.П. Ильиным [7.38]. Сопоставление результатов исследований, прове-
денных с этими аппаратами, выявило еще одну особенность ВРТ: в режиме совместного
тепло-и массообмена при одинаковых условиях (7У, <py, tH, GH, Gy, F) такой аппарат
передает больше теплоты, чем при «сухом» теплообмене, и эта величина возрастает по
мере увеличения комплекса 5, = Qn /Qa = &i I cBAt, названного в гл. 4 и гл. 6 коэффици-
ентом влаговыпадения.
Рис. 7.14. Влияние начальных параметров уходящего воздуха на процессы во вращающемся
сорбирующем регенераторе (данные В.П. Ильина)
а и б - соответственно постоянная начальная температура и постоянная
Условные обозначения процессов в регенераторе: охлаждение или охлаждение-
осушение уходящего воздуха и нагревание-увлажнение наружного воздуха пока-
26
i теплоты и холода
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 d, г/кг
Рис. 7.14.
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Это объясняется в конечном счете различным характером распределения температур
на теплообменной поверхности сравниваемых аппаратов. Так например, в ВРТ эффек-
тивность процесса в «сухом» и «мокром» режимах практически не меняется, тогда как в
рекуперативном пластинчатом аппарате заметно уменьшается.
Количество полной теплоты, переданной в тонкослойном (пластинчатом) рекупе-
раторе при незначительном термическом сопротивлении пластины, определяется по
зависимости:
а для вращающегося регенератора аналогичное соотношение имеет вид:
где кП,ао — соответственно коэффициент полной теплопередачи рекуператора и
общий коэффициент теплоотдачи полной теплоты регенератора; F,FO - соответствен-
но поверхность разделяющей стенки рекуператора и общая двухсторонняя поверх-
ность насадки регенератора. Выражение (7.4) получено на основе решения уравнений,
описывающих передачу теплоты на элементе насадки во вращающемся регенераторе.
Сравнительный анализ уравнений (7.3) и (7.4) показывает, что в «сухом» режиме ко-
личество переданной теплоты в рекуператоре и регенераторе одинаково. Однако при
совместном тепло- и массообмене поток полной теплоты в ВРТ возрастает в силу появ-
ления в формуле (7.4) произведения Е„ан.
Нужно также учитывать, что в силу разного характера распределения температур
на поверхностях сравниваемых аппаратов средние разности температур а также
величина в формулах (7.3) и (7.4) при одинаковых условиях оказываются разными.
Поэтому сопоставление тепловой эффективности этих аппаратов проводят по результа-
там расчета конечных параметров воздуха на выходе из аппаратов в различных режимах
их работы. Проведенное сопоставление показало, что для отечественных аппаратов при
= Qn/Qa =1,2...2,0 количество полной теплоты, переданной во вращающемся реге-
нераторе, на 20—40% больше, чем в рекуперативном аппарате при одинаковых условиях
сравнения.
Фазовыми теплоаккумуляторами и теплоутилизаторами называют такие, в которых
происходят реверсивные фазовые переходы (плавления и затвердевания, испарения
и конденсации), сопровождающиеся поглощением и выделением скрытой теплоты.
В твердожидкостных аккумуляторах при зарядке твердое вещество плавится, а при
разрядке — затвердевает. Теплоаккумулирующие вещества должны обладать высокой
аккумулирующей способностью, теплопроводностью и удельной теплоемкостью,
а также химической стабильностью и низкой коррозионной активностью, него-
рючестью, доступностью, низкой стоимостью, низкой температурой плавления и
малым изменением объема при фазовом переходе, быть безопасными для людей, жи-
вотных и растений.
7.1.3 Требования норм проектирования СКВ и СВ к подсистеме утилизации вторичных
энергоресурсов. Эти требования сформулированы в разделе 11 «Энергоэффективность
28
Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
зданий» СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и сводятся к
следующим
«11.1. Отопление, вентиляцию и кондиционирование следует, как правило, проекти-
ровать, используя тепловые вторичные энергетические ресурсы (ВЭР):
а) воздуха, удаляемого системами общеобменной вентиляции и местных отсосов;
б) технологических установок, передаваемых в виде тепло- и холодоносителей, при-
годных для отопления, вентиляции и кондиционирования.
Использование теплоты воздуха из систем вентиляции с естественным побуждением
допускается проектировать при технико-экономическом обосновании.
11.2. Целесообразность использования ВЭР для отопления, вентиляции и кондицио-
нирования, выбор схем утилизации теплоты (холода), теплоутилизационного оборудова-
ния и теплонасосных установок должны быть обоснованы технико-экономическим рас-
четом с учетом неравномерности поступления ВЭР и теплопотреблением в системах.
11.3. Концентрация вредных веществ в приточном воздухе при использовании тепло-
ты (холода) ВЭР не должна превышать указанной в 5.10.
11.4. В воздухо-воздушных и газовоздушных теплоутилизаторах в местах присоеди-
нения воздуховодов следует обеспечивать давление приточного воздуха больше давления
удаляемого воздуха или газа. При этом максимальная разность давлений не должна пре-
вышать величины, допустимой по техническим условиям на теплоутилизационное обо-
рудование.
В воздухо-воздушных или газовоздушных теплоутилизаторах следует учитывать пере-
нос вредных веществ за счет конструктивных особенностей аппарата.
11.5. В воздухо-воздушных теплоутилизаторах (а также в теплоутилизаторах на базе
тепловых труб) для нагревания (охлаждения) приточного воздуха не следует использовать
воздух:
а) из помещений категорий А и Б; допускается использовать воздух из помещений
категорий А и Б для нагревания воздуха этих помещений при применении оборудования
систем во взрывозащищенном исполнении;
б) из системы местных отсосов взрывоопасных смесей пыли или воздуха, содержаще-
го вредные вещества 1-го класса опасности. Допускается использование воздуха из систем
местных отсосов невзрывоопасных пылевоздушных смесей после их очистки от пыли;
в) содержащий осаждающиеся или конденсирующиеся на теплообменных поверх-
ностях вредные вещества 1-го и 2-го классов опасности или имеющие резко выраженные
неприятные запахи — в регенеративных теплоутилизаторах, а также в теплоутилизаторах
на базе тепловых труб;
г) содержащий болезнетворные бактерии, вирусы, грибки в опасных концентрациях,
устанавливаемых Госкомсанэпиднадзором России.
11.6. В теплоутилизаторах для нагревания (охлаждения) приточного воздуха допуска-
ется использовать теплоту вредных и горючих жидкостей и газов, применяемых в качес-
тве промежуточного теплоносителя, заключенного в герметизированные трубопроводы
и теплообменники, при согласовании с органами надзора; при отсутствии согласования
следует использовать дополнительный контур с теплоносителем, не содержащим вред-
ных веществ 1,2 и 3-го классов опасности, или при содержании их концентрацией, могу-
щей превысить ПДК при аварийном выделении в помещение.
11.7. В контактных теплоутилизаторах (камерах орошения и т.п.) для нагревания
(охлаждения) приточного воздуха следует использовать воду питьевого качества или вод-
ные растворы, не содержащие вредных веществ.
29
11.8. При использовании теплоты (холода) вентиляционного воздуха, содержащего
осаждающиеся пыли и аэрозоли, следует предусматривать очистку воздуха до концент-
раций, допустимых по техническим условиям на теплоутилизационное оборудование, а
также очистку теплообменных поверхностей от загрязнений.
11.9. В системах утилизации теплоты ВЭР следует предусматривать мероприятия по
защите промежуточного теплоносителя от замерзания и образования наледи на теплооб-
менной поверхности теплоутилизаторов.
11.10. Резервное тепло(холодо)снабжение систем, использующих теплоту (холод)
ВЭР от вентиляционных систем и технологического оборудования, следует предусматри-
вать при технико-экономическом обосновании».
Нам представляется, что руководствуясь вышеприведенными требованиями норм
проектирования, технико-экономическими условиями и здравым смыслом, можно в
каждом конкретном случае найти наиболее рациональные решения систем теплоутили-
зации. Отметим, что среди многих подсистем именно теплоутилизация, как правило, обосно-
вывается технико-экономическим расчетом (см. п. 7.1.6), хотя во многих случаях это может
быть очевидно, бесспорно и единственно возможно.
7.1.4 Основные теплотехнические параметры утилизаторов теплоты и холода. В техни-
ческих и частично экономических расчетах при испытании теплоутилизационного обору-
дования используют различные и, в общем случае, многочисленные параметры, одни из
которых применяют чаще, другие — реже. Среди этих параметров основными являются:
температурный коэффициент эффективности по наружному воздуху:
температурный коэффициент эффективности по уходящему воздуху:
коэффициент эффективности влагообмена по наружному воздуху:
коэффициент эффективности влагообмена по уходящему воздуху:
энтальпийный коэффициент эффективности по наружному воздуху:
30
энтальпийный коэффициент эффективности по уходящему воздуху:
коэффициент явной теплопередачи, Вт/(м2-’С):
коэффициент массопередачи, кг/м2-с (кг/кг):
коэффициент полной теплопередачи, Вт/(м2 • "С):
(7-13)
показатель как отношение полной теплоты, подводимой к потоку наружного воз-
духа, к явной теплоте (по сути коэффициент влаговыпадения, применяемый при рас-
чете воздухоохладителей, — см. гл. 4, т. I):
показатель как отношение полной теплоты, отводимой от потока уходящего воз-
духа, к явной теплоте (по сути коэффициент влаговыпадения, применяемый при рас-
чете воздухоохладителей, — см. гл. 4, т. I):
среднее значение показателя «в» [7.28]:
в = [ад1п(^/^)]/го
параметр «Л» как отношение разности потенциалов массообмена и явного теплообмена:
Две последние из вышеприведенных зависимостей использованы М.В. Головковым
и В.П. Быстровым [7.28] при экспериментальных исследованиях рекуперативного теп-
лообменника с гигроскопической насадкой (см. п. 7.3.9). В вышеприведенных формулах
Процессы, аппараты и <
использованы выражения, называемые водяными эквивалентами по наружному и уходящему
воздуху, по циркулирующей воде или раствору, по насадке:
PKH=G„ca; Wy=GyCg, Ww = Gwcw и WHac-
7.1,5 Годовые режимы работы утилизаторов теплоты и холода в системах кондициони-
рования и вентиляции. Этот вопрос в данной главе является центральным и связывает под-
систему утилизации теплоты и холода со всей системой (СКВ, СВ) в целом, ее работой и
потребностью в теплоте и холоде, возможностью их получения, источниками, их «мощностью»,
параметрами и тарифами на энергоносители, единовременной платой за подключение.
Этому важному факту до последнего времени уделялось мало внимания: упоминания
о режимах работы даже на качественном уровне в литературе встречались лишь эпизо-
дически. Как положительный пример укажем, что в справочнике [7.86, с. 279, 280] при-
водится полное описание разных режимов на основе данных РПИ (А.Я.Креслинь и др.).
Между тем без такого представления о режимах нельзя объективно оценить требования
к конкретному теплоутилизатору в конкретной системе, правильно определить годовой
расход утилизируемой теплоты и холода в данной системе. Теплоутилизатор любого типа,
установленный в системе, в течение года может работать в разных режимах.
Общее представление о всех возможных режимах работы этой подсистемы в диапазо-
не изменения наружных температур от самых низких до самых высоких, получаемых в
утилизаторе теплоты и холода и соответствующей потребности в них, годовых расходах
можно получить из сводного графика рис. 7.15, а,б.
Выполненные построения относятся к случаю (схеме) обработки воздуха, когда пос-
ле его нагревания не используют последующее изоэнтальпийное увлажнение. Этот про-
цесс меняет границу нагревания наружного воздуха с изотермы на изоэнтальпию, требует
соответствующих специальных построений границ режимов работы такого утилизатора
в двумерном поле tH -iH (рис. 7.16, б), не описанных в литературе при полном отрыве
отдельных построений от годовых режимов и их анализа.
Для этого случая - нагрев до iK = const — граница двух режимов в общем случае кри-
вая, которая при определенных допущениях строится по точкам (Н^Н^Н^,...), как это
показано на рис.7.16, б. Условие равенства потребления и выработки теплоты в теплоу-
тилизаторе выражают точки пересечения семейства параллельных линий потребности в
теплоте (линия 1, QT mpe6) с пересекающей их линией выработки теплоты в теплоутилиза-
торе (линия 2QTy).
Рис. 7.15. Сводный график, поясняющий мгновенные расходы и годовые режимы выработ-
ки (QTT.,) утилизатором и потребления теплоты (QT —.t) и холода (QXmpt[) сис-
темой (СКВ, СВ) без изоэнтальпииного увлажнения:
а — режимы работы утилизатора: неуправляемый, управляемый, «сухой»,
«мокрый», инееобразования, без утилизации, с утилизацией холода; точка 1
соответствует равенству требуемой системой и утилизируемой теплоты;
dr / dtH- плотность повторяемости температур при разных температурах
наружного воздуха в С. -Петербурге;
и холода на основе линии произведения QTy(di / dtH) при замене площади фигуры
равновеликим треугольником с основанием \tu = 13 —(—21) = 34°С и высотой
(QTy dx /в вершине 2; ход изменения «нормы», т.е. средних
многолетних температур наружного воздуха на каждое число каждого месяца в
С. -Петербурге (по данным [7.53]); на этой кривой отмечены средние даты начала и
конца использования теплоты утилизатором с середины сентября до начала июня.
32
Рис.7.15.
В результате прямая или кривая НХН2Н3... разделяет всю область использования на-
гревания наружного воздуха на два режима: неуправляемый (сектор 4) и управляемый
(сектор 3). Для определения продолжительности более короткого управляемого режима
(сектор 3), когда Qry >Qrmpe6, нужно использовать данные о повторяемости в интервалах
tH -iH, iH~dH или других. Методика расчета утилизируемой теплоты в произвольных
климатических условиях раздельно д ля управляемого и неуправляемого режимов специ-
ально рассмотрена в приложении 7.1.
Рис. 7.16. Методика построения границы управляемого и неуправляемого режимов рабо-
ты теплоутилизатора при использовании в СКВ и СВ в поле l — d диаграммы:
а - без изоэнтальпийного (адиабатического) увлажнения;
б — с последующим изоэнтальпииным увлажнением воздуха; на обоих графи-
ках дополнительно введенная левая полуплоскость используется для постро-
ений линий выработки теплоты утилизатором QTy и потребления теплоты
теплоты в теплоутилизаторе, 3 — управляемый режим работы теплоутили-
затора QTy>QT_mpeS, 4 — неуправляемый режим работы теплоутилизатора
точками пересечения мгновенных значений потребности в теплоте и линейной
в зависимости от температуры tH выработки теплоты в теплоутилизаторе.
В общем случае утилизатор теплоты и холода может работать в таких режимах (рис. 7.15, а):
утилизации теплоты при tH< ty
утилизации холода при tH > ty (в силу малой разности tH — ty эта величина может быть
незначительна, а режим утилизации коротким);
без утилизации теплоты и холода при tH =
в неуправляемом режиме, когда QTy < QTmpe6-,
в управляемом режиме, когда QTV > QTmpe6 (граница этих режимов соответствует tH гр
в точке А на пересечении линий QTy и QTmpe6 (рис. 7.15, а). Чем больше эффектив-
ность 0„ (а, как следует из дальнейшего, она переменна), тем ниже tH длиннее
управляемый режим и короче неуправляемый. Вряд ли эти особенности учитывают
производители оборудования, обосновывающие его эффективность вообще, а не для
конкретных условий объекта;
34
• в зависимости от протекающих на «теплой» стороне аппарата процессов теплообмена
или тепломассообмена режим работы на его поверхности может быть «сухим», частично
«мокрым» или полностью «мокрым», в том числе с выпадением влаги и образованием
инея (льда). Последнему факту, влияющему на работу аппарата, вентатрегата и ава-
рийные ситуации, должно уделг гься наибольшее внимание (см. п. 7.3);
• режим обработки наружного воздуха в теплоутилизаторе может быть либо его на-
греванием, либо нагреванием-увлажнением. Это зависит от типа насадки пластин-
чатого теплоутилизатора: несорбирующей влагу уходящего воздуха, односторонне
сорбирующей и сорбирующей влагу через насадку, перемещающуюся из пото-
ка уходящего воздуха в наружный. Такое увлажнение воздуха считается поло-
жительным качеством теплоутилизатора и в определенном смысле заменяет
увлажнитель. Однако следует заметить, что эта влага — далеко не вода питьево-
го качества, используемая в увлажнителях, а продукт жизнедеятельности людей,
содержит микрофлору, обсемененность, химические вещества и к полезным суб-
станциям не относится;
• режим отгайки — периодическое отключение аппарата, режим его прогрева, частич-
ное или полное прекращение подачи наружного воздуха с целью ликвидации льда и
шубы на теплой стороне аппарата, в т.н. холодном углу (см. рис. 7.1, в, п. 7.3).
Под неуправляемым режимом работы ТУ будем понимать такое сочетание исходных
данных (температур tH ,ty, энтальпии iy, расходов воздуха GH,Gy, коэффициента эффек-
тивности 07у, тепловлажностной нагрузки объекта Q^, Gm и др.), при котором требуе-
мой для нагревания теплоты больше, чем получаемой в теплоутилизаторе. В этом режиме
0ГУ = const, хотя в общем случае эта величина переменна (см. далее рис. 7.17 и п. 7.3).
В управляемом режиме наоборот, получаемая в утилизаторе теплота избыточна (столько
не требуется) и поэтому коэффициент эффективности 0,.у уменьшают, перепуская воду
или наружный воздух по перемычке в обвод аппарата, уменьшая обороты ВРТ. Так же
поступают при низких наружных температурах, иногда нагревая его, чтобы избежать воз-
можного инееобразования на поверхности со стороны уходящего воздуха.
Для оценки продолжительности каждого из режимов на график (рис. 7.15, а) нанесена
линия плотное ги повторяемости температур в данном пункте. Из графика следует, что
основное время работы теплоутилизатора может приходиться на неуправляемый режим.
Что касается годового расхода утилизируемой теплоты, то пренебрегая режимами оттай-
ки (устранения инея на «теплой» стороне аппарата) и считая эффективность аппарата
приближенно постоянной, искомый расход может быть наглядно определен графоана-
литически как площадь между линиеи произведения QTy(ch / dtH ) и осью температур tH
с учетом соответствующих масштабов по осям (см. рис. 7.15, б). Для конкретных кривых
искомую площадь определяют, заменяя ее в зависимости от очертания равновеликим тре-
угольником, трапецией или другой канонической фигурой.
Пример 7.1. Определить годовое количество теплоты, утилизируемой в СВ при
расчетной условно-постоянной эффективности 0ту = 0,50, ty = 20‘С, tK = t„p =
= 10 °C, GH — 1 кг/с в климатических условиях С-Петербурга при односменной
работе и пятидневной рабочей неделе (х|/г„ = 0,25). Продолжительность периода
при tH< 10 °C составляет т н ср= 240 сут/год; средняя температура наружного
воздуха за этот период tH cp= - 1,9 °C. Граница режима нагревания воздуха в СВ
изотерма (tK —10 °C).
Определим границу управляемого и неуправляемого режимов работы тепло-
утилизатора: tH = (ZA, — Gj-y Zy)/(1—07 JZ) = (10 — 0,5 -20)/(1 — 0,5) = О °C. На
основе климатологических данных определяем продолжительность и среднюю
температуру управляемого режима работы ТУ при tH = 0—10 °C: tH cp=5 °C;
’[л.ср=97 сут/год. Средняя эффективность управляемого ТУ в этом режиме:
9Ty,.p-(tK ~1н cp')^ty^tH.cp)=(^~5)/(20-5)=0,33. Среднее количество (год на
год не приходится) утилизируемое в управляемом режиме работы ТУ теплоты:
Оту.упр —®ТУ.ер6вСв(?У ^.срУЧсм ' ХН.ер ' 2440 -
= 0,33 1 1(20 -5)- 0,25 97 24 10’3 = 2,9тыс. кВт ч/(год кг!с).
Определим продолжительность периода при (<0 °C как разность продолжитель-
ности при tH<10 °C (tHv = 240 сут/год) и при tH = 0 -10 °C (tH cp = 97 сут/год);
в результате^ Нср= 240-97 = 143 сут/год). Определим среднюю температуру на-
ружного воздуха за период при tH <0 °C, используя правило смеси:
t _ ^н.ер/н.ср, ~’1н ,:„/н .р1 _ 240(~1,9)~ 97'5 _ _6 6
3Н,С-ХН,СР2 240-97
Определим годовой расход утилизируемой теплоты в течение неуправляемого ре-
жима работы теплоутилизатора:
,-24 40"3 =
= 0,501-1[20-(-6,б)]-0,25-143-24-10-3 =11,4 тыс. кВт -ч/(год-кг/с).
Из общего расхода утилизируемой в СВ теплоты (14,3 тыс. кВтч/годкг/с) около
80% приходится на неуправляемый режим работы утилизатора. При изменении
условий расчета, особенно эффективности ТУ, это соотношение изменится.
Граница неуправляемого и управляемого режимов работы теплоутилизато-
ра при известных ty = 20 °C, tK= tn = 10 °C в зависимости от его расчетной эф-
фективности показана на графике (см. далее рис. 7.18). Приводимые данные о
плотности повторяемости Ат /l\tH для С.-Петербурга и Москвы позволяют
оценить не только повторяемость, но и среднюю температуру tH cp в каждом
из режимов работы ТУ. При других ty и tK построения выполняют аналогично:
Границу режима нагревания воздуха в СКВ и СВ, как и границу неуправляемого и
управляемого режимов tH гр можно в общем случае вычислить строго аналитически. Для этого
приравнивают мгновенные значения требуемого системой расхода теплоты с учетом воз-
можных теплопотерь в режиме воздушного отопления с удельной величиной qo = T.kHFH
(кВт/°С) и вводимого в систему наружного воздуха с общей теплоемкостью qB = GHcB
(кВт/°С) в записи через исходные данные объекта по А.А. Рымкевичу [7.75]:
Sr. треб ~(GHCB +Y,kHFH')(ty tjj') T.QU16 ^Q„p
и мгновенного расхода теплоты, получаемой в теплоутилизаторе того или иного типа
при его температурной эффективности QTV:
Qi-y -GHc^ry(ty tH). (7.19)
Границу управляемого и неуправляемого режимов определяют в результате неслож-
ных преобразований из выражения:
где 52 Qla6 — текущие избытки явной теплоты в помещении или их группе, обслужива-
емой данной системой, кВт; KQBp — теплота при нагрева наружного (приточного) возду-
ха в вентиляторе, двигателе и воздуховодах: А(Э„,, = GHcBktnp, кВт, где At„p = 1 ...2 °C. Как
следует из выражения (7.20), граница управляемого и неуправляемого режимов не посто-
янна, а зависит от многих переменных, прежде всего теплоизбытков. При их отсутствии
в помещении tH lp = tyn режим работы теплоутилизатора один - неуправляемый; при на-
личии теплопотерь и воздушном отоплении 1Н гр > ty.
Поясним методику определения границы неуправляемого и управляемого режимов
работы теплоутилизатора примером.
Пример 7.2. В помещении, обслуживаемом прямоточной приточно-вы-
тяжной системой механической вентиляции, мгновенные теплоизбытки
ES„„;=10 кВт, удельные теплопотери, учитываемые при воздушном отоп-
лении qc=T,kHFH =0,2 кВт/‘С, расход наружного (приточного) воздуха
GH = 1,5 кг/с, нагрев его в вентиляторе, двигателе и воздуховодах Atnp =1,5 °C,
эффективность теплоутилизатора ЪТУ = 0,70. Определить мгновенное значение
границы неуправляемого и управляемого режимов работы теплоутилизатора при
этих исходных данных и температуре ty=tB = 20 °C.
По формуле (7.20) граница этих режимов равна:
t 2п 10 + 1,5-1-1,5 _1<>с
Нгр 1,5 -1(1 — 0,70)-I-0,2
Это значит, что при данном сочетании теплоизбытков, теплопотерь, расхода
наружного воздуха и при известной эффективности теплоутилизатора значи-
тельную часть года при tH < tH гр = 1 °C теплоутилизатор работает в неуправ-
ляемом режиме (Ojy = const),другую часть года при tH —tHlp ...tnp — в управля-
емом режиме (()„, = var).
В технико-экономических расчетах, обосновывающих целесообразность примене-
ния теплоутилизатора, границу режимов правильно определять при средних значениях
теплоизбытков в рабочее время при подаче наружного воздуха и отдельно в нерабочее
время и воздушном отоплении, X = 0 и ty = = 14 °C (или другой минимально до-
пустимой). В большинстве, если не во всех публикациях это обстоятельство никак не учи-
тывают, а теплоутилизатор предполагают используемым по умолчанию только в одном
режиме — неуправляемом, когда количество утилизируемой теплоты максимально.
Необходимо также отметить, что коэффициент эффективности теплоутилизатора,
рассчитанный для сухого теплообмена, зависит как от температур, так и от влажности
37
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
потоков воздуха [7.8]. На рис. 7.17, а представлена зависимость коэффициента эффектив-
ности перекрестно-точного рекуператора от температуры наружного и влажности удаля-
емого воздуха. При расчетах неизменными приняты начальная температура удаляемого
воздуха ty = 22 °C и влажность наружного воздуха <ря =75%.
Из рис. 7.17 видно, что по мере снижения температуры наружного воздуха коэф-
фициент эффективности рекуператора уменьшается (кривая <ру = 0, сухой удаляемый
воздух). Данное явление связано с тем, что величина нагрева наружного воздуха и раз-
ница температур потоков на входе в теплообменный пакет возрастают неравномерно.
Рост разницы температур потоков на входе ty — tH опережает возрастание степени на-
грева наружного воздуха Для обеспечения равной эффективности при боль-
ших разностях температуры рекуператор должен иметь более развитую поверхность
теплообмена. В том случае если удаляемый воздух является влажным, охлаждение до
температуры ниже точки росы влечет за собой конденсацию водяного пара. Теплота
конденсации передается наружному воздуху, повышая температуру последнего на вы-
ходе из пакета. Анализируя характер поведения кривых 07v = f(tH) (7.17,а), можно
отметить, что термическая эффективность рекуператора начинает возрастать с уменьше-
нием температуры наружного воздуха в тот момент, когда начинается образование кон-
денсата. Данный факт, как правило, не находит отражение в руководствах по эксплу-
атации теплообменных аппаратов. При этом производитель обычно «гарантирует» ра-
боту рекуператора с фиксированной эффективностью во всем диапазоне температур,
за исключением периода обмерзания.
7.1.6 Технико-экономическая эффективность применения теплоугилизации в СКВ и СВ.
Задача обоснования эффективности теплоугилизации связана с учетом значительной
стоимости оборудования, достигающей 30-50% от стоимости приточной установки, раз-
ной продолжительности использования, тенденции роста тарифов на тепловую и элект-
рическую энергию, высокой платы за подсоединение к теплосети, высоких штрафов за
превышение температуры обратной воды ее графика, поэтому однозначного решения
такая задача не имеет. По мнению А.А.Рымкевича [7.75] и других специалистов, утилизация
теплоты - вторичное мероприятие, которое нужно рассматривать и анализировать после того
как исчерпаны все первичные возможности снижения потребления теплоты за счет комплекса
мероприятий.
Существуют несколько способов оценки эффективности применения утилизации теплоты.
йк. 7.17, а — зависимость мгновенной эффективности перекрестно-точного рекупера-
тора РКПл-160 (производства ООО «ВТК-Компоненты») от температуры
наружного воздуха и относительной влажности уходящего воздуха: фУ| = 0%,
<ру = 72%, GH /Gy = 1 - см далее рис. 7.82; О — опытные данные для ути-
рис. 7.80). Ключ: сравнить температурную эффективность пластинчатого
теплоутилизаторавраечетныхзимнихусловиях(1Б ""
. - - ,.Ф = 50%,
точка 2). В поле рисунка определяем, что в расчетных условиях 0гу = 0,60, а
в среднем за отопительный период ^ТУ ср= 0,67. Поэтому приближенный рас-
чет утилизируемой теплоты в данном случае будет содержать запас.
38
Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
б)
Первый способ оценки на основе коэффициента использования энергии как отношения
получаемой в утилизаторе теплоты к затрачиваемой электроэнергии на преодоление сопро-
тивления сред: Пэ ~ Qt / N. Будучи чисто энергетической характеристикой, он не учитывает
стоимости аппарата и разные, к тому же возрастающие, тарифы на теплоту (по горячей воде
и сопутствующей электроэнергии) и на электроэнергию, то есть использует натуральные
мгновенные показатели. Кроме того, получаемая в утилизаторе теплота может быть пере-
менной в зависимости от начальной разности ty - tH и режима работы теплоутилизатора.
Второй способ оценки основан на эксергетическом КПД, учитывающем относитель-
ную эксергию теплоты, влаги и эксергию движущегося воздуха:
Ei+E2+XEN’
где Е: и Е2 - эксергия теплоты, влаги и эксергия удаляемого и приточного (наружного)
воздуха; £ — суммарная эксергия потребляемой электрической энергии в системе.
По поводу этих коэффициентов В.Н. Богословский и М.Я. Поз справедливо замети-
ли, «...что любой из указанных термодинамических показателей дает только представление
Третий способ оценки является более общим технико-экономическим показателем и ха-
рактеризует ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных затрат в вариан-
тах разного типа ТУ, их эффективности, стоимости и аэродинамического сопротивления:
________^ту^ту\-^н-^с__________(7 22)
AQ..„,(67y), -АСагД9„)-0,18[дК„(е„)-ЛГ№ -AK„J >
где ДС.;. год — стоимость сэкономленной теплоты в горячей воде, паре, электроэнергии
с учетом настоящих и перспективных тарифов на энергоносители; АСЭгод — стоимость
дополнительного годового расхода электроэнергии на перемещение воздуха и воды через
аппарат; ЛК„ — капитальные затраты на утилизатор, его монтаж, наладку и управление;
0,18ЛА'Г., — отчисления от допо трат на амортизацию, ремонт,
общеобъектные и прочие расходы в связи с применением >ра и изменени-
ем типоразмера воздухонагревателя; /\К кн — сокращение капитальных затрат на воздухо-
нагреватель при уменьшении его рядности или полном отказе; ДК* - единовременные
затраты на присоединение объекта к источнику теплоты. В формуле должна быть учтена
зависимость всех величин от конструкции утилизатора и его эффективности. Кроме того,
среди составляющих эксплуатационных затрат следует учесть возможные штрафы ТЭЦ
за превышение температуры обратной воды после воздухонагревателя ее графика.
Другим п ок ий эффект как разность
при веденным прат по сравниваемым вариантам систем с теплоутилизатором и без него.
Сводная номограмма для оценки эффективности современных теплоутилизаторов была
разработана на основе соответствующих расчетов и представлена на рис. 7.18 в предпо-
ложении неизменности коэффициента эффективности в течение неуправляемого ре-
жима работы аппарата. Эта номограмма построена в следующей последовательности.
Предварительно, по данным одного из производителей кондиционеров KG WOLF, была
определена примерная удельная стоимость разных теплоутилизаторов (рис. 7.18, а).
40
Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
Аналогично на этот график можно нанести данные об удельной стоимости теплоу-
тилизаторов и других производителей. Для конкретных условий (/у=20 ”С, /^=10 °C) при
разных 0уу построена граница режимов работы ТУ (правый квадрант рис. 7.18) и опре-
делено удельное количество утилизируемой теплоты (на 1 кг/с нагреваемого воздуха при
односменной работе). Воспользуемся этими данными для оценки эффективности приме-
нения ТУ в климатических условиях С.-Петербурга.
Пример 7.3. Оценить экономическую эффективность применения тепло-
утилизатора при его удельной стоимости /8КТУ=500 у.е/(тыс.м3/ч) в самом
благоприятном случае: непрерывной работе системы = 24 тыс. кВт ч/
ском сопротивлении аппарата &РВ — 0,30 кПа; соответствующей мощности
ЛЛ = АР L /т| = 0,3 • 1 000 /0,7-3600=0,12 кВт, годовом расходе электроэнергии
&W3 = 8766 • 0,12=7,05 тыс. кВт-ч/(год-тысм3/ч). Сокращением затрат на воз-
духонагреватель при устройстве теплоутилизатора пренебречь. Платой за под-
ключение данного нагревателя к теплосети пренебречь. Штрафом за превышение
воздухонагревателем температуры обратной воды пренебречь.
Определяем срок окупаемости дополнительных капитальных затрат:
_500
= -----------г--------------и 0,5 года, то есть приобретение утилиза-
(24000-1050)0,05-0,18-500
тора окупит себя за полгода (холодный период).
Поменяем условия расчета, заменив электронагрев возможностью использовать
как теплоноситель горячую воду по тарифу с'Т=20 у.е/тыс. кВт ч. Тогда срок
окупаемости дополнительных капитальных затрат на устройство теплоути-
лизатора составит:
Т _______________500____________- 1 5 лет
24-20 —1050-0,05 —0,18-500 ~ ’ Mm'
Как видно, даже при данном тарифе на теплоту в горячей воде и при непрерыв-
ной работе системы в течение суток и года высокая удельная стоимость тепло-
утилизатора позволяет рассчитывать на быстрый возврат (окупаемость) капи-
таловложений. Часто нужны может быть менее эффективные <QTy= 0,55...0,65),
но более дешевые устройства, тем паче, что, судя по повторяемости, Дт / Д/я
основной эффект достигают не при низких, а при промежуточных наружных
температурах (tH= — 10... +10°С). Для более строгого расчета нужно принимать
во внимание разную поверхность, рядность и стоимость основного воздухонагре-
вателя и еще одного, работающего в случае прекращения подачи теплоносителя
при 1И > 8 "С. Результаты экономического расчета принципиально изменятся в
пользу утилизации теплоты, если учесть высокую плату за присоединение возду-
хонагревателя к тепловой сети или другому источнику.
Проблеме оценки эффективности применения утилизаторов посвящено много публикаций.
Все они по-разному подходят к методам вычисления эффекта, учитывая одни составляющие
и не принимая во внимание другие. Дадим оценку только некоторым, наиболее характерным
публикациям. В статье [7.73] использован традиционный, упрощенный, по нашему мне-
Рис. 7.18. Сводная номограмма для определения эффективности теплоутилизации:
а — график для оценки удельной стоимости теплоутилизаторов кондиционеров
KG WOLF разных типов и разной производительности (5,10 и 20 тыс. м3/ч, они
лоты (С. -Петербург, односменная работа, х ра6 = 2200 ч/гол) в зависимости от
б — температурная гран
плотность повторяемости температуры наружного воздуха Дт /Дгя для С,-
КЛЮЧ: При расчетной эффективности теплоутилизатора ИТу = 0,70 удельная
стоимость 6JK = 400...500 у.е./(1000м/ч) при L = 10...20 тыс. м3/ч, XQ',°y =>
мого и управляемого режимов работы теплоутилизатора соответствует
нию, не совсем правильный и частный метод расчета срока окупаемости, как результат
деления стоимости теплоутилизатора на стоимость разности сэкономленной тепловой
и перерасходованной электрической энергии. При этом в статье не указаны эффектив-
ность аппарата и комплекс эффективность/стоимость, кстати, переменный, зависящий
от воздухопроизводительности, не учтены режимы оттайки и возникающие перерасходы,
не учтена плата за присоединение и др. Все это не дает представления о различии резуль-
татов расчета в разных условиях. Что касается многообразных климатических условий,
представленных в статье городами, где суткоградусы отопительного периода изменяются
от 1500 до 12000 (сут- ’С/отопит. период), то эту часть работы можно существенно упрос-
тить. Проведя небольшое исследование и представив его в координатах относительный
годовой расход утилизируемой теплоты в круглогодично неуправляемом аппарате — сут-
коградусы отопительного периода, можно получить практически линейную зависимость
(рис. 7.19). Такая линеаризация делает избыточными многократные расчеты, приводи-
мые в этой статье, а прямую для данных условий (LH ,QTy, ЬКТУ ) достаточно провести по
трем-четырем точкам, соответствующим городам в разных климатических условиях.
Технико-экономической оценке энергосберегающего оборудования посвящена статья
[7.15], характерная в части возникающих вопросов и некоторых замечаний. Наибольшее
внимание в ней уделено собственно методике анализа и вычислению коэффициента дис-
контирования, имея в виду отдаленный срок окупаемости. Однако расчеты показывают,
что полная амортизация и окупаемость затрат на эти аппараты в основных случаях дости-
гается за относительно короткий срок (1—3 года). В ряде случаев, при дефиците теплоты
на объекте и высокой плате за присоединение, утилизация не только обоснована, но и единс-
твенно возможна для нагревания наружного воздуха. Не имея принятую в статье итоговую
формулу для срока окупаемости теплоутилизатора, трудно представить, учтены ли в при-
водимых расчетах:
• возможный дефицит теплоты на объекте и реальная, постоянно растущая плата за
подсоединение к источнику теплоты;
• доля разности капитальных затрат, учитываемая в эксплуатационных затратах на
амортизацию, ремонт, общеобъектные расходы (всего ок. 18%).
Покажем на небольшом примере, что единовременная плата за подсоединение к тепло-
вой сети соизмерима или даже превышает стоимость теплоутилизатора. Пусть удельная сто-
имость утилизатора находится в интервале (зКТУ я (10...20)-103 руб/(тыс.м3/ч). Такому
43
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
единичному расходу воздуха соответствуют в средних условиях расчетная теплопроиз-
водительность утилизатора и соответственно уменьшение мощности при подсоедине-
нии к ТЭЦ Qryim = 1 000• 1 • 1,2-35/3600и 12 кВт. Это равносильно плате за подсоеди-
нение АЛ^ = 2,6 • 12 103 = 31 тыс. руб, если принять удельную плату за подсоединение
АКЛО,,. / AQ,. » 3 млн. руб/(Гкал/ч) « 2,6 тыс. руб/кВт (2005 г.). В условиях этого примера
оказывается, что плата за присоединение к ТЭЦ больше, чем стоимость теплоутилизато-
«утилизируемой теплоты при не-
прерывной работе неуправляемого утилизатора неуказанной эффективности и
суткоградусами отопительного периода (на основании анализа статьи [7.73])
Нельзя не обратить внимание в анализируемой статье на способ расчета годового рас-
хода утилизируемой теплоты. Не оговаривая режим работы теплоутилизатора, авторы при-
няли его по умолчанию круглогодично неуправляемым. Приближенно-синусоидальное
изменение г„(т) ошибочно построено не по средним значениям температур («норме» —
рис. 7.15, б, рис. 7.1.2 прил. 7.1), а по максимальным и минимальным, т.е. имеет сущест-
венно завышенную амплитуду. Соответственно этому величина утилизируемой теплоты
тоже завышена. Для С.-Петербурга, например, tH ain cp =-8,1 °C [7.53], тогда как расчет-
ная зимняя температура tHPX = -26 °C. Аналогично в теплый период года tH rm cp = 18,1 °C
[7.53], тогда как расчетная летняя температура tHPT =24,8 °C- Кроме того, среднегодовая
температура далеко не равна полусумме принятых расчетных в холодное и теплое время
года, как для г. Новосибирска (см. рис. 7.1.2 прил. 7.1). Возражение вызывает отсутствие
учета режимов отгайки, приводящее к сокращению расхода утилизируемой теплоты, и
отсутствие учета переменной эффективности аппарата.
Для сравнения условий применения отечественных аппаратов с пересчетом на сов-
ременные цены на рис.7.20 приведены сводные данные В.Н. Богословского и М.Я. Поза
[7.13] об эффективности разных типов аппаратов при разной продолжительности ра-
44
боты, климатических условиях, производительности, коэффициенте эффективности.
Сравнение удельной стоимости аппаратов указывает на заметную (в 2-3 раза) дешевизну
отечественных, хотя их производство в современных условиях обошлось бы дороже.
Пример 7.4. Оценить эффективность технических решений по утилизации
теплоты в схеме с промежуточным теплоносителем для упомянутого в п. 3.3.
и 7.1.7 объекта - здания бывш. ГОССТРОЯ СССР, ныне Совет Федерации
России. Исходные данные (см. далее рис. 7.25): нагреватели КСк4-12 — 84 шт.,
®ту = 0,28, мощность двигателей насосов T.N=15 кВт, сменность работы
V™ = 0,39. Капитальные затраты оценены в f\KTV и 80000 у.е, тарифы за
теплоту и электроэнергию определены по значениям на2002г.: с'Т=250(руб/Гкал) =
= 8,3 у.е/Гкал (при 1 у.е=30 руб); с'э=1 (руб/кВт-ч)а 0,033 у.е/кВт-ч. Расход
утилизируемой теплоты Д£?“ =1310 Гкал/год; перерасход электроэнергии
bW”6 = 15 • 0,39 8766 = 51500 кВтч/год.
В этих условиях ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных
затрат на систему утилизации теплоты (холод из-за малости не учитываем)
в здании:
______________/8КТУ_______________=___________________80000___________________<()
Д^с^-ДИ^с^-ОДвЗДКп, 1310-8,3-51500-0,033-0,183-80000<
Решение оказалось не эффективным, а экономический эффект отрицательным.
Повторим рас ет в ценах 1984 г.: /8КГУ^ И)4 тыс. руб; /8СТ=1310-8=10400руб/
год (а не 30000руб/год) при тарифе за электроэнергию с'э=0,02 руб/кВт ч эф-
фект тоже будет отрицательным.
Эффективность ппимеиепия утилизации можно анализировать с точки зрения выбора оп-
тимальной поверхности I; рядности^’ или глубины насадки аппарата А. Обозначим относи-
тельную рядность или глубину как h в долях от той, при которой 0 „, = 1, а количество теп-
лоты (QTy = QT При приближенно экспоненциальной зависимости QTy ~ 1 - ехр (-/г)
эффективность ()/у =1 достигается при условии й=4 (с точностью до 1%). Примем, что
годовой расход утилизируемой теплоты приближенно экспоненциально зависит от вели-
чины h (см. рис. 7.18, о), тогда как стоимость утилизатора и его аэродинамическое сопро-
тивление от h зависят приближенно линейно. 1огда выражение для искомого срока окупа-
емости можно представить в функции от безразмерного параметра h в следующем виде:
коэффициенты, принятые постоян-
гдеар аг, а3, а4 —некоторые
ными.
В результате вычисления производной, приравненной нулю, получаем, что оптимум
(минимум Тфакп) соответствует случаю, когда h=l, а эффективность теплоутилизатора
бук»™ = 0,63 (из свойств экспоненциальной функции). Вышеописанные зависимости
иллюстрируют график рис. 7.21, где показан приближенный характер изменения всех
45
Сотников А. Г.
Рис. 7.20.
46
Рис. 7.20. СводныеданныеВ.Н.БогословскогоиМ.Я. Поза[7.13]поэкономическоиэффек-
тивности применения утилизаторов разного типа в пересчете с рублевых цен
ловий Москвы (—) с отопительным периодом 214 сут. и средней температурой
и средней температурой—13,9 °C в зависимости от годовой продолжительности
работы Т ра6 =1000...4000 ч/год для разных типов теплоутилизаторов (х — ВРТ
с алюминиевой насадкой; + - ВРТ с картонной насадкой; О - пластинчатые;
• — с промежуточным теплоносителем);
расчета на 1000м3/ч производительности в зависимости от расчетной в ценах
1984 г. и с пересчетом на современные цены и курс руб/у.е (обозначения те же,
в — годовой экономический эффект на 1000м3/ч производительности отечест-
нои производительности 1^=10 тыс. м3/ч, Ь2=40тыс. м3/ч, типа теплоутили-
затора (линии 1 — ВРТ с картонной насадкой, 2 — ВРТс алюминиевой насадкой,
3 - теплоутилизатор с промежуточным теплоносителем), сплошная — при
продолжительности работы т ра6 = 4000 ч/год, пунктир — при Т ра6=1000 ч/год
с пересчетом цен 1984 г на цены 2002г. и курса руб/у.е.
составляющих приведенных затрат и срока окупаемости дополнительных затрат на под-
систему утилизации от относительной глубины h, относительной толщины 8 или отно-
сительной поверхности F насадки или пластин такого аппарата.
Сравнивая результаты приближенной оптимизации по формуле (7.23) с данными о
характеристиках отечественных ВРТ [7.13, табл.6.1] при L = 5000...38000 м3/ч, 8 =0,20 м,
уфр = 2,2 м/с, FIL = 300...425 м2/(м3/с), FIРф[1 = 490...660м2/м2, получили при насадке из
алюминиевой фольги расчетную эффективность Оуу = 0,77, при насадке из технического
картона - 07у = 0,65 (в последнем случае близко к оптимальной эффективности, вычис-
ленной при вышеописанных допущениях). Более подробно зависимости, характеризую-
щие экономический эффект для различных теплоутилизаторов при разной производи-
тельности, сменности работы и с разной насадкой, можно определить по рис. 7.22.
Несмотря на то, что за время после опубликования данной книги изменились цены
на оборудование и тарифы на энергоносители, характер кривых указывает на наличие
оптимума экономического эффекта Э и значит минимума срока окупаемости Ток. К ана-
логичным выводам об оптимальной эффективности теплоутилизатора пришли авторы
«Справочника» [7.86]. В частности они отмечают, что «... Доведение эффективности ути-
лизатора до величины, большей 0,65 при односменной работе и 0,75 при трехсменной, во всех
случаях приводит к уменьшению экономического эффекта, т.к. сбережение теплоты при
этом достигается за счет чрезмерного роста приведенных затрат на устройство и эксплу-
атацию утилизаторов и расхода металла. Наибольшее влияние на экономический эффект
оказывает продолжительность работы системы — при трехсменной ее работе эффект резко
возрастает. Рост эффекта при увеличении расхода воздуха объясняется в основном непро-
порциональным ростом удельных затрат на оборудование и занимаемую им площадь». В этом
же справочнике [7.86, с. 282] указано, что по данным РПИ в климатических условиях
Прибалтики для пластинчатого утилизатора СВ свинарника-откормочника оптимальная
эффективность не должна превышать 0,50.
47
Рис. 7.21. График приближенного взаимосвязанного изменения эффективности те-
поутилизатора 97у, относительного количества утилизируемой теплоты
Qry = Qty Qrv. max ’г°довых затрат электроэнергии на перемещение воздуха
общеобъектные расходы 'Сл + Ср + С1>, срока окупаемости дополнительных
капитальных затрат на подсистему утилизации Ток и годового экономического
эффекта Э от внедрениятеплоутилизатора в зависимости от относитель-
ной глубины аппарата h — hI honm, относительной толщины_5 = 3/Ьопт
роторного теплоутилизатора или относительной поверхности F = F / Fonm
Подробные расчеты эффективности применения теплоутилизаторов в свое время были
выполнены Л.Д. Богуславским и В.Л. Грановским [7.14]. В основу сравнения был принят
годовой экономический эффект, как разность приведенных затрат по базовому (без теп-
лоутилизатора) и внедряемому (с утилизатором) вариантам:
Э = Пба- П,„едр = цАК6а + ДК^ + УСба! - (и ДКтедр + ДК^ + YCSHedp ), (7.24)
где: ц - коэффициент для учета срока службы утилизатора, а также приведения ка-
питальных затрат будущих лет к уровню затрат текущего года, ц=2,06; У — коэффициент
приведения эксплуатационных расходов за срок службы здания к уровню расходов теку-
щего года при сроке службы 40 лет У=12,5 год'1. В годовых эксплуатационных расходах С
учитывали затраты на электроэнергию, теплоту, на капитальный и текущие ремонты (об
учете амортизационных отчислений в размере 12% от капитальных затрат сведений нет).
В технико-экономических расчетах авторы изменяли:
48
Общие сведения о подсистеме утилизации теплоты и холода
М.Я. Поза [7.13]: сплошная линия при т = 4000 ч/год; пунктир при т = 1000 ч/год;
• тип теплоутилизатора и его эффективность 0гу = 0,3—(0,1).-0,8;
• способ борьбы с инееобразованием;
• расчетную производительность приточной системы (от 5 до 50 тыс. м3/ч);
• климатические условия пункта (число ГСОП, средняя температура отопительного
периода);
• число смен работы вентиляционной установки.
Пример результатов расчета годового экономического эффекта для климатических
условий Москвы на 1000 м3/ч производительности в ценах и тарифах того времени при-
веден на рис. 7.23.
Сравнение оптимальных решений по сроку окупаемости при переменной поверхнос-
ти аппарата и по экономическому эффекту в силу разных структур уравнений (дробь и
разность) дают неодинаковые результаты, что вполне объяснимо.
Оригинальный подход к технико-экономическому выбору утилизаторов предложил
М.А. Барский-Зорин [7.7]. В качестве параметра оптимизации он рассмотрел типораз-
мер аппарата и скорость движения воздуха через него. Чем больше типоразмер аппарата,
тем больше поверхность теплообмена, ощутимее экономия теплоты, меньше аэродина-
мическое сопротивление, но при этом одновременно возрастают капитальные затраты и
отчисления от них (амортизация, ремонт, общеобъектные расходы). Для оборудования,
выпускаемого в 80-х годах, соответствующих цен и тарифов на тепловую и электрическую
энергию при равных расходах удаляемого и наружного воздуха оптимальная массовая
скорость для воздухо-воздушного утилизатора составляла:
49
i воздуха и вентиляции
где А = 0,09(?у о„„ер)то„„е;,0„4 10"3; В = 0,04т„тт/,с'э;
С=3,5(145 + О,1*л0 \?И + (СА +СР + Со)/дк] -,tH ср.от.пер А от.„ер — СрвДНЯЯ ТвМПСра-
тура и продолжительность режима работы утилизатора; с'Т — тариф на теплоту, руб/МДж;
с'э — тариф на электроэнергию, руб/кВт ч; kF — удельная стоимость строительной площа-
ди, руб/м2; kF — поправка к стоимости площади; kF = 1,0,7 и 0,3 - при размещении ути-
лизатора на основных или вспомогательных площадях и на кронштейнах соответственно;
(СА +СР + Со)/ДК=0,10...0,16.
Как показали расчеты автора данных исследований, диапазон оптимальных ско-
ростей составил 2...7 м/с, а выбирать следовало ближайший меньший типоразмер (при
двухсменной работе в средней полосе России).
50
Для утилизаторов с промежуточным теплоноси телем оптимизация сводится к опреде-
лению оптимального числа рядов трубок аппарата данной конструкции по ходу воздуха:
в каждом аппарате (на наружном и уходящем воздухе), где
A = (fy-‘н.ср.от.тр')\т.^ту < Ю~3;В = 0,01тоттрс'э;С = 50(Ен +0,15). В новых эконо-
мических условиях при других производителях, технических характеристиках оборудова-
ния, ценах и тарифах принцип подхода может быть сохранен, а конкретные соотношения
требуют уточнения.
Обсуждая годовой расход утилизируемой теплоты, следует учитывать перемен-
ность эффективности пластинчатого утилизатора (см. п. 7.1.5). Она заметно снижает-
ся с повышением наружной температуры, к тому же более высокие значения tH имеют
большую повторяемость. Поэтому приводимые расчеты годового расхода теплоты за
неуправляемый режим в пластинчатых, а частично и других теплоутилизаторах дают
завышенный результат. Для введения соответствующей поправки приближенно мож-
но использовать отношение
где в числителе учитывается средняя эффективность утилизатора при средних тем-
пературах наружного и удаляемого воздуха и средней его влажности. Предварительный
расчет показывает, что эта поправка может составлять 0,9...0,95.
7.1.7 Пример технических решений утилизации теплоты и холода в административ-
ном здании. В литературе среди многих достаточно подробно описаны технические
решения по утилизации теплоты и холода в здании бывш. Госстроя СССР (Москва,
ул. Б. Дмитровка, 24 (бывшая Пушкинская)) [7.54, 7.56]. В сложном по конструктивно-
му исполнению и фасадам здании (рис. 7.24) приточные установки суммарной произво-
дительностью 345 тыс. м3/ч были размещены в подвале, а вытяжные общей производи-
тельностью 213 тыс. м’/ч — на техническом этаже. На рис. 7.25 показана принципиаль-
ная схема утилизации теплоты и холода удаляемого воздуха в этом здании, в том числе
одна из приточных установок (кондиционеров) здания.
Рис. 7.24. Вид здания бывш. Госстроя СССР, теперь — Совет Федерации России.
. Принципиальная схема системы утилизации теплоты и холода центральных СКВ и СВ административного здания (бывш.
Госстроя СССР): 1 — центральные кондиционеры и приточные вентиляционные установки; 2,3 — теплообменники в канале забора
наружного воздуха и в вытяжных установках (воздухонагреватели КСк-4); 4 - вытяжные вентагрегаты; 5 - расширительные
емкости; 6 — водяной теплообменник для охлаждения этиленгликоля наружным воздухом; 7 — датчик и регулятор темпера-
туры этиленгликоля в контуре охлаждения доводчиков наружным воздухом; 8 - водяные регулирующие клапаны для управления
расходом этиленгликоля; 9 - датчик и регулятор температуры этиленгликоля; 10 - центробежные циркуляционные насосы для
перекачки раствора этиленгликоля.
I
В общем железобетонном канале наружного воздуха было установлено 16 х 3 = 48
теплообмеников КСк4-12 по ступенчатой схеме общей рядностью 3 х 4 = 12 рядов, фрон-
тальным сечением 40 м2 и поверхностью 6530 м2, массой 17,76 т. Вытяжные системы были
объединены в три группы, в каждой из них вытяжные вентиляторы выбрасывали удаляе-
мый воздух в общую камеру, по сечению которой были установлены те же теплообменни-
ки, что и на наружном воздухе в три ряда по глубине, их общее число 36, поверхность око-
ло 4900 м2, фронтальное сечение — 30 м2. Теплообменники в кондиционерах и вытяжных
системах были связаны трубопроводами, по которым циркулировал 40%-ный раствор
этиленгликоля в воде с температурой ее замерзания —25 "С, количество циркулирующего
теплоносителя 130 м3/ч, мощность двигателей насосов — 15 кВт.
Для нормальной эксплуатации системы утилизации теплоты необходимо было ис-
ключить опасность образования снеговой шубы на теплообменниках удаляемого воздуха,
что достигалось ограничением нижнего предела температуры антифриза, поступающего
к ним. Эта температура определена как 5 °C и рассчитана по методике [7.79] из
условия поддержания предельной температуры поверхности теплообменников удаляемо-
го воздуха, исключающей инееобразование. Приводимый график (рис. 7.26), несколько
переработанный нами (автор — A,С.), с разделением tH как аргумента от tK, 1Ж1Г, t}KK и
0ГУ как функций с добавлением плотности Ат / А/я для Москвы характеризует годовой
режим работы системы утилизации теплоты.
Рис. 7.26. График взаимосвязанного изменения температур: уходящего воздуха пос-
ле утилизатора (ty ), начальной и конечной антифриза конечной
теплоутилизатора 9П. и плотности повторяемости температуры наружного
Примененная в этом объекте система утилизации теплоты оказалась в известном
смысле «спасением», потому что вместо расчетного перепада давлений теплоносителя
(200 кПа) в пиковые периоды он составлял 50...70 кПа (данные В.Б. Левина и А.М. Ло-
бана [7.56]). По проекту расчетная эффективность системы утилизации была принята
®ту.р»сч= 6,36, однако в условиях эксплуатации при низких температурах tH часть анти-
фриза пропускали по обводному каналу и эффективность снижалась до ^„фат= 0,28.
Система утилизации, как и системы кондиционирования, работали по 13 ч/сутки при
пятидневной неделе (v|/CM =5-13/24-7 = 0,39). Расчетную экономию теплоты оценили в
1307 Гкал/год, а стоимость сэкономленной теплоты - в 30 тыс. руб/год (в ценах до 1992 г.).
Капитальные затраты на создание системы утилизации составили 104 тыс. рублей.
Процесс утилизации теплоты в расчетных зимних условиях показан в i—d диаграмме (рис.
7.27). Среднегодовая доля утилизируемой теплоты по оценкам авторов составила 35%.
В расчетах было принято, что в дневные часы в режиме по 13 ч/сут используются приточ-
ные системы производительностью = 235 тыс. м3/ч. Другие системы здания суммар-
ной производительностью =110 тыс. м3/ч работают только в период мероприятий в
залах заседаний, что оценено в 475 ч за семь фиксированных месяцев работы.
Рис. 7.27. Построение на i—d диаграмме процессов в расчетном режиме работы систе-
мы утилизации теплоты в холодный период года и обработки воздуха в СКВ
(объект — здание бывш. Госстроя СССР). Обозначения: НркН1 — процесс на-
воздуха в воздухонагревателе первого подогрева; КА - увлажнение наруж-
ПВ - процесс ассимиляции теплоты и влаги в административных помещени-
Жн, Жк — условные состояния циркулирующего антифриза, соответствующие
их начальным и конечным температурам.
54
Дополнительный эффект получен при использовании гликолевого охлаждения мест-
ных доводчиков помещений в весенне-осенний период при наличии солнечной радиации
и значительных теплоизбытков. Такое использование холода наружного воздуха происхо-
дит при открытии автоматического запорного клапана £(см. рис. 7.25), который позволя-
ет охлаждать антифриз в кожухотрубном теплообменнике 6, через который циркулирует
охлаждаемая вода, подаваемая насосом 10 к теплообменникам эжекционных доводчиков.
Применение такой схемы вместо холодильных машин в этот период обеспечивало допол-
нительную экономию 352 Гкал «машинного» холода в год.
Можно привести и другие более эффективные примеры применения теплоутилиза-
торов, однако они мало описаны в литературе.
7.1.8 Опыт применения и сравнительные характеристики теплоутилизаторов разных ти-
пов. Наряду со строго теоретическими исследованиями определенный интерес как обратная
сторона практической информации представляют достаточно многочисленные работы и пуб-
ликации о результатах производственных испытаний и внедрения теплоутилизаторов разных
типов и упрощенных конструкций в системах вентиляции производственных объектов. Так,
например, в работах [7.49 — 7.51, 7.67] описаны три разные системы утилизации теплоты
воздуха с температурой 43—67 ’С, удаляемого от обжиговых печей и загрязненного аэро-
золями свинца. Производственные системы утилизации теплоты были представлены в раз-
ных объектах тремя типами аппаратов:
регенеративным вращающимся теплообменником с частотой вращения ротора 8 мин 1
и насадкой из стальной стружки — пример сетчатой насадки нерегулярной струк-
туры с обводными каналами (объект — ПО «Латвияс керамика», цех №1, г. Елгава и
др.) — см. столбец 3 табл. 7.1;
рекуперативным тег бм иком типа «труба в трубе», в котором наружный воздух
двигался параллельно по трем трубам 0225 мм, а удаляемый — в прямоугольном
межтрубном пространстве 860 х 300 мм (объект тот же, цех № 1, г. Елгава) - см. стол-
бец 4 табл. 7.1;
пластинчатым рекуперативным утилизатором, выполненным из листов оцинкованной
стали толщиной 0,5 мм и расстоянием между пластинами 9 мм с обводным каналом и
шибером (цех ПО «Латвияс керамика», г. Кулдига) — см. столбец 5 табл. 7.1;
пластинчатый противоточный рекуперативный теплоутилизатор ТП-5, испытанный и
внедренный в Ленинградском ПО «Светлана» — см. столбец 6 табл. 7.1;
пластинчатый перекрестноточный рекуперативный модульный теплоутилизатор СТД
31016, разработанный в ГПИ Проектпромвентиляция и ПКБ треста «Сантехцеталь», -
см. столбец 7 табл. 7.1;
• пластинчатый перекрестноточный рекуперативный теплоутилизатор из гибкой плен-
ки с дополнительной турбулизацией при вибрации теплопередающей поверхности,
разработанный в Челябинском политехническом институте [7.81] и испытанный на
Челябинском трубопрокатном заводе. Однако приводимые данные об этих аппаратах
LH - Ly =5000 м3/ч, габариты 0,5 х 1,2 х 2,0 м, эффективность 07у = 0,50 и аэродина-
мическое сопротивление ХАД, = 100 Па недостаточны для комплексного сравнения
с другими аппаратами;
। роторный теплоутилизатор и теплоутилизатор с промежуточным теплоносителем, разра-
ботанные и обстоятельно исследованные на ЗИЛе, эти данные описаны в [7.70,а].
. другие многочисленные конструкции разработанных и испытанных теплоутилизаторов,
описанные в «Справочном пособии» [7.86].
Таблица 7.1. Сравнительные характеристики прим
[7.49 - 7.51] и др} гих публикаций
/ / зулыпатам испытаний
№ Технико-энергетические показатели Тип теплоутилизатора
Вращающий регенеративный «Труба в трубе» Пластин- чатый Пластин- чатый* Пластин- чатый**
1 2 4 5 6
1. Поверхность нагрева аппарата, м2 82 43 61,6 195 125
2. Схема движения сред в аппарате противоток противоток перекрестный ток противоток Перекрестный ток
3. Коэффициент теплопередачи аппарата: расчетный/фактический, Вт/м2’С -/26,7 18/21 23/23 8,7 33
4. Число единиц переноса NTU 0,47 0,91 1,0 2,5
5. Коэффициент эффективности, 0ту 0,66 0,34 0,50 0,50 0.60
6. Теплопроизводительность QT кВт при Гя= — 10 *С 44,5 35 55 при ty=20 ° С 30 при ty=20° С
7. Расход наружного/удаляемого воздуха, м3/ч 4100/4100 5160/7500 6500/3500 5000/5000 5000/5000
8. Температура удаляемого воздуха до/после теплообменника, "С 43/8 43/28 60/25
9. Аэродинамическое сопротивление аппарата по наружному/удаляемому воздуху, Па 163/163 90/210 140/550 160/160 160/160
10. Масса теплообменника, кг 360 424 431 352 120
II. Объе 1,74 5,15 1,88 0,54
12. Коэффициент компактности аппарата, м2/м3 47 8,3 43,7 103 240
13. Удельный массовый коэффициент, кг/ м2 4,4 9,85 7,0 1,8 1,0
14. Затрачиваемая мощность, отнесенная к единице поверхности аппарата N/РЪт/ м2 4,45 13 12,6 3,5 5,4
ния воздуха. /ВОП НТО Стройиндустрии. Волгоград, 1986, с. 20-22.
рования воздуха. /ВОП НТО Стройиндустрии. Волгоград, 1986, с. 56-58.
к Сравнительные характеристики примененных теплоутилизаторов по результатам ис-
пытаний представлены в сводной таблице 7.1.
Для оценки совершенства сравниваемых аппаратов авторы определяли коэффициент
теплопередачи как функцию от мощности, затрачиваемой на перемещение сред и отне-
сенной к единице поверхности аппарата:
N/F = (ьнЛРн /Лгя +LyAPy !х\Ву )/F, кВт/м2.
При таком сравнении первых трех аппаратов эффективность роторного теплоутили-
затора оказалась выше в 1,5 раза, чем других, его объем в 1,5 раза меньше пластинчатого
и в 8,1 раза меньше, чем утилизатора «труба в трубе»; масса роторного аппарата была в
2,3 раза меньше, чем пластинчатого, и 3,2 раза меньше, чем утилизатора «груба в трубе».
Подводя итог сравнения, отметим, что вращающийся роторный теплообменник имел
значительные преимущества по тепловым показателям, габаритам и массе.
Теплотехнические характеристики кожухотрубных теплоутилизаторов («труба в тру-
бе»), уступающие другим по ряду показателей, могут быть существенно улучшены, так в
работе [7.16] описаны различные варианты компоновки пучка труб, существенно повы-
шающие эффективность этих аппаратов. Например, уменьшение размеров и массы мо-
жет быть достигнуто за счет интенсификации теплообмена, при использовании периоди-
чески изменяемого продольного профиля каналов (рис. 7.28).
T 111111«Г
Варианты конвективных поверхностей теплообмена в утилизаторах типа
евоздух-воздух»: а - пучок труб с внутренним шайбовым оребрением; б - плас-
тинчатая поверхность с диффузорно-конфузорными каналами; в — пластинча-
тая ребристая поверхность с плоскими прерывистыми ребрами; г — пластинча-
тая ребристая поверхность с Г-образными ребрами.
57
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Расчет и условия исключения инееобразования в таком аппарате приведены в статье
[7.16]. Наконец, нельзя не учитывать простоту изготовления, монтажа и эксплуатации
этих аппаратов, не требующих сложных технологий при относительно легкой очистке
поверхности и отводе конденсата из кожуха через расположенный по продольной оси
желоб и конденсатоотводчик. В статье [7.17] описывается типоразмерный ряд подобных
отечественных утилизаторов типа ТКТ, в котором были использованы стеклянные трубы
в качестве материала теплообменной поверхности. При расчетной эффективности таких
утилизаторов около 6^, =0,40 в диапазоне производительности LH =10...125 тыс. м’/ч
они имели следующие характеристики: удельная масса А//Р=0,85...1,15 кг/м2, удель-
ный объем аппарата V/L„ = 0,4...0,55 м’/(тыс. м’/ч), удельная стоимость в ценах 1984 г.
□К/Г=10...13 руб/м2 и суммарное аэродинамическое сопротивление по обоим каналам
2ДР = 300...500Па.
В статье отмечается высокая надежность в работе и простота эксплуатационного об-
служивания, выявленная в процессе испытаний. В целом теплотехнические и энергети-
ческие характеристики различных аппаратов находятся в широких интервалах, что за-
трудняет их комплексное сравнение для выбора наилучшего (см. п. 7.2.3).
7.1.9 Методы управления процессами утилизации теплоты и холода. В управляемом
режиме работы теплоутилизатора любого типа (рис. 7.15) его теплопроизводительность
избыточна, поэтому требуется тем или иным способом снижать его коэффициент эффек-
тивности. Текущий 0гу зависит от ряда параметров, среди которых некоторые можно це-
ленаправленно изменять и поэтому относить к регулирующим: температура и влажность
уходящего воздуха, отношение расходов GH /Gy, расходы промежуточного теплоносителя
Gw или Ож, поверхность аппарата и некоторые другие величины:
Кроме того, способ управления процессом зависит от принципа работы и конкретных
особенностей аппарата, например, во вращающихся регенеративных теплообменниках
(ВРТ) [7.42] это можно производить только изменением частоты вращения рабочего колеса,
к тому же в определенных пределах (0...5 мин4). Основные способы изменения коэффици-
ента эффективности процесса утилизации в аппаратах разных типов показаны на рис. 7.29.
Здесь же изображены регулировочные характеристики при данном способе управления.
Применительно к пластинчатым аппаратам варианты способов и схем управления и их
регулировочные характеристики рассмотрены в статье [7.36]. В ней описаны три варианта
схем управления:
1. Перепуск части наружного воздуха мимо аппарата (байпассирование);
2. Рециркуляция части нагретого наружного воздуха на вход аппарата;
3. Последовательное отключение отдельных частей аппарата с помощью много-
створчатого воздушного клапана.
Во всех случаях сечения воздушных обводных клапанов следует определять специ-
альным расчетом аналогично тому, как это описано в п. 5.14 (гл. 5) и п. 6.17 (гл. 6) при
обводе управляемых воздухонагревателей и воздухоохладителей.
Сравнительные характеристики этих способов управления для системы утилизации
теплоты на основе пластинчатого аппарата при LHm = 10 тыс. м’/ч, максимальной тепло-
производительностью QTy = 37 кВт и ДР = 300 Па представлены на рис. 7.30, а,б,в,г.
58
Рис. 7.29. Основные способы изменения коэффициента эффективности процесса утили-
зации в аппаратах разных типов. Здесь же изображены регулировочные харак-
a — управление пластинчатым теплоутилизатором обводом наружного возду-
ха (расчет такого процесса проводится аналогично байпассированию воздухо-
нагревателей (га. 5) и воздухоохладителей (гл. 6);
б —управление ВРТ частотой вращения рабочего колеса ротора [7.42];
в — управление тепловой трубкой дросселированием хладагента;
г — управление теплоутилизатором с промежуточным теплоносителем (вода,
рассол) с помощью обвода части жидкости мимо теплообменника, установлен-
В качестве характеристик рассматривались зависимости эффективности теплоутилиза-
тора, относительной теплопроизводительности, относительной воздухопроизводительнос-
ти и относительного аэродинамического сопротивления аппарата от температуры наруж-
ного воздуха (от —5 до —30 ’С). При всех вариантах управления при наружной температуре
ниже —20 °C отмечается снижение теплопроизводительности в разной мере и эффектив-
ности теплоутилизатора. Также влияет изменение расхода воздуха и гидравлического со-
противления, в зависимости от способа управления, в ту или иную сторону. Исследование
работы весьма усложненных комбинированных схем показало, что наибольшая эффектив-
ность утилизации при низких температурах наружного воздуха достигается при комбини-
ровании байпассирования наружного воздуха с его частичной рециркуляцией.
59
Рис. 7.30. Сводный график зависимости относительной теплопроизводительности плас-
тинчатого утилизатора О^температурнойэффективности теплоутилиза-
тора 0^,, относительное^) расхода воздуха L и относительного аэродинами-
ческого сопротивления &Р аппарата от температуры наружного воздуха tH
б — управление рециркуляцией (подмешиванием) части подогретого наружного
воздуха к холодному (схема 2);
в - последовательное отключение подачи наружного воздуха в аппарат с помо-
щью многостворчатого воздушного клапана (схема 3);
г — изменение эффективности утилизации для комбинации схем 1и2 (д), схем
60
7.2 Специальные вопросы теории и расчета и решения подсистемы
утилизации теплоты и холода
Теория и опыт позволяют специалистам выделить в проблеме применения теплоу-
тилизаторов центральный вопрос - инееобразование на поверхности таких аппаратов,
ухудшение их теплотехнических характеристик, снижение расхода удаляемого возду-
ха, возрастание аэродинамического сопротивления, дисбаланс воздуха в помещении.
Налицо сложное, взаимосвязанное, распределенное и нестационарное явление тепло-
массообмена с влаго- и инеевыпадением на п оверхности аппарата и сопутствующие ему
аэродинамические процессы.
К сожалению, при подготовке материала книги нам не удалось систематизировать
это явление однозначным комплексом зависимостей. Дело в том, что оно зависит от мно-
гочисленных факторов и параметров, в первую очередь таких, как:
• тип теплоутилизатора, особенности его конструкции, материал и площадь поверх-
ности пластин или насадки, их гигроскопичность и т.д.;
• взаимное направление потоков теплообменивающихся сред (наружного и удаляемо-
го воздуха);
• расчетная эффективность процессов тепло- и массообмена в аппарате;
• сочетание параметров удаляемого воздуха (ly, <ру, dy < 3,8 г/кг или dy > 3,8 г/кг);
• текущая температура наружного воздуха tH, поступающею в теплоутилизатор;
• соотношение расходов воздуха GH/Gyn аппарате;
• метод исследования конкретных конструкций: опытные данные, производственные
испытания, математическое моделирование, численный расчет, а также принятые
допущения и погрешность экспериментов.
В силу такого многообразия ниже приводятся частные зависимости для оценки про-
цесса инееобразования, анализируя которые читатель в интересующем его случае может
восстановить и более общую картину этого сложного явления, обобщенного в п. 7.3.8.
7 .2.1 Единый подход к описанию процессов и инженерному расчету теплоутилиза-
торов. Единый подход к инженерному теплотехническому расчету теплоутилизато-
ров разных типов сформулирован В.А. Динциным [7.30]. Не вдаваясь в подробности
математических выкладок, требующих применения автоматизированного расчета,
остановимся на общих признаках такого подхода. Несмотря на разнообразие видов,
конструкций, особенностей режимов работы в течение года, общим являются про-
цессы тепломассообмена, протекающие в них. Процессы в рекуперативных аппа-
ратах при постоянных расходах (G„,Gy) и параметрах сред на входе (tH,yH,ty,<^ яв-
ляются стационарными, то есть имеют постоянные параметры на выходе и эффек-
тивность. Регенеративн! е вращающиеся теплообменники (ВРТ) отличаются неста-
ционарностью тепломассообмена. Однако для ВРТ, применяемых в СКВ и СВ, теп-
лоемкость насадки (Wm ~ Мнтстк) на порядок больше теплоемкости потоков воздуха
(J¥H = GHcH wWy = GyCy). Это дает возможность с достаточной точностью (на основе
исследований В.М. Кэйса и А.Л. Лондона [7.48], В.Н. Богословского и М.Я. Поза
[7.13] и В.П. Ильина [7.39, 7.40]) считать протекающие процессы стационарными при
постоянной температуре на поверхности насадки. Это важное обстоятельство позво-
ляет использовать для расчета ВРТ подход, аналогичный применяемому для рекупе-
раторов, хотя и с определенными отличиями.
в продольном на-
Анализ процессов тепломассообмена в противоточных рекуператорах позволяет прини-
мать ряд упрощающих допущений:
• отсутствие потоков теплоты на поверхности материала
правлении;
• физические свойства воздуха считаются постоянными;
• массовая скорость потоков воздуха в каналах постоянна и равна среднерасходной;
• параметры потоков воздуха изменяются по длине аппаратов, но постоянны в попе-
речном сечении;
• локальные и средний коэффициенты теплоотдачи равны;
• соотношение Льюиса Le=а / а = св =1 кДж/(кг °C) соблюдается в локальном смыс-
ле, а кривая насыщения влажного воздуха кусочно линеаризуется.
Тепломассообмен во всех типах утилизаторов характеризуется общностью возмож-
ных режимов изменения состояния уходящего (охлаждаемого) воздуха: «сухой» резким
(без влаговыпадения), «мокрый» режим (с влаговыпадением на всей поверхности) и ком-
бинированный режим с влаговыпадением на части поверхности. Возможность обобще-
ния температурных режимов, соответствующих началу возникновения инееобразования,
7.2.2 Расчет перекрестно-точных рекуператоров с использованием численных методов.
К основным недостаткам существующих подходов к расчету перекрестно-точных реку-
ператоров следует отнести априорное положение о подобии процессов переноса теплоты
при перекрестном токе и противотоке. Инженерные расчеты сводятся к определению эф-
фективности противоточного рекуператора и последующей коррекции ее для перекрес-
тного тока путем использования большого числа поправок на температуры, влагосодер-
жания и расходы теплоносителей. Подобные расчеты трудоемки, требуют достаточно вы-
сокой квалификации и ограничены узким интервалом температур, расходов и размеров
теплообменного пакета. Происходящий процесс можно считать стационарным во време-
ни, если не происходит инееобразование на поверхности аппарата.
Математическое моделирование процессов тепломассопереноса с последующим ре-
шением уравнений численными методами позволяет избежать большинства из перечис-
ленных выше проблем. Н.В. Белоноговым и В.А. Прониным предложена методика рас-
чета перекрестно-точных рекуператоров с учетом влаговыпадения [7.9]. В качестве мате-
матической модели рекуператора использована система дифференциальных уравнений в
частных производных:
’-^dx = 2k(t„-ty')dxcfy,
'-dx = 2^{dy-dm)dxdy,
где Ь - ширина пластины; dy - влагосодержание удаляемого воздуха; dm - влаго-
содержание, соответствующее состоянию насыщения при данной температуре стенки;
gh>gv~ массовые расходы наружного и удаляемого воздуха соответственно; i„,i„ - эн-
тальпия наружного и удаляемого воздуха; к — коэффициент теплопередачи; г — теплота
парообразования; t„,ty~ температуры наружного и удаляемого воздуха; х, у - координа-
ты; р — коэффициент массоотдачи.
62
Решение системы уравнений (7.30) конечно-разностными методами позволило по-
лучить данные об изменении температур наружного и удаляемого воздуха и влагосодер-
жания в теплообменной матрице. Поле температур наружного воздуха, рассчитанное по
предлагаемой методике, представлено на рис. 7.31.
перекрестно-точном пластинчатом теплоутилизаторе на основе математи-
ческого моделирования процессов тепломассообмена:
е рекуператора;
о поле температур наружного воздуха в координатах х—у при tH = — 0,4 °C,
tYi =17,4°C,LH =700м3/ч;1у = 263м3/ч;
в-то же при следующих условиях tH =-2,5 °C, ty = 17,2 °C,; LH = 931 м3/ч;
1у=2\9м3/ч;
Обозначения опытных точек: - у = 50 мм; о - у = 170 мм; А - у = 290мм;
63
Анализируя поле температур, приведенное на рис. 7.31, а, можно сделать вывод о
том, что в рекуператоре существует зона, где интенсивность теплообмена очень низкая
вследствие малой разности температур потоков наружного и удаляемого воздуха. В связи
с этим мероприятия, направленные на повышение теплоотдачи в пределах данной зоны
(к примеру турбулизация потока), приведут только к росту сопротивления рекуперато-
ра без существенного выигрыша в эффективности. Сопоставление результатов расчета и
данных стендового эксперимента показало хорошее согласование теории и опыта [7.10],
что иллюстрирует рис 7.31, б, в.
Данные о температурных полях позволяют достаточно точно прогнозировать эффек-
ты конденсации и обмерзания, эффективно использовать теплообменную поверхность и
проводить расчет эффективности рекуператоров различных компоновок в широком диа-
пазоне режимов эксплуатации.
7.2.3 Комплексные характеристики для оптимизации воздухо-воздушного утилизатора.
Особенностью работы этих аппаратов является возможность реализации процессов теп-
ломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осуше-
ния удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы или инея на всей или части
теплообменной поверхности. В этих условиях одним из перспективных путей повыше-
ния эффективности улавливания теплоты и устранения опасности образования инея в
каналах насадки является рациональное использование теплоты конденсации, величина
которой при определенных режимах работы аппарата может достигать 30%.
Чтобы увеличить эффективность нагревания наружного воздуха и исключить затра-
ты теплоты на его увлажнение, предложена специальная конструкция аппарата [7.3, 7.4].
Теплообменный пакет был выполнен из капиллярно-пористых пластин, одна из сторон
которых была покрыта влагонепроницаемой пленкой. Компоновка пакета сделана так,
что каналы, ограниченные пористыми поверхностями пластин, используются для про-
хода удаляемого воздуха, а влагонепроницаемые поверхности - для прохода наружного
воздуха. Такая конструкция насадки позволила утилизировать теплоту уходящего воздуха
в режиме тепломассообмена с конденсацией влаги из воздуха на капиллярно-пористых
стенках каналов, а нагрев наружного воздуха осуществить в режиме «сухого» теплообме-
на, исключая использование теплоты на его увлажнение. Примененный в качестве мате-
риала пакета мипласт не только впитывает конденсат, но и обеспечивает его сток внутри
диффузионного объема.
Получить существенные зависимости, характеризующие протекающий тепломассо-
обмен, можно методом численного моделирования. Сложность и трудоемкость комплекс-
ного изучения явления в таком аппарате, многофакторность и широкий диапазон изменения
начальных параметров привели к необходимости использовать оптимизационные методы по-
иска рациональных режимов работы аппарата. Одним из основных условий успешной реали-
зации таких методов является правильный выбор комплекса характеристических критериев
эффективности.
В качестве них могут быть приняты:
• температурный коэффициент эффективности нагрева наружного воздуха 0^, и энталь-
пийный коэффициент 0ТУ — уходящего воздуха;
• удельный показатель эффективности утилизации теплоты Q/V, отнесенный к единице
объема насадки, кВт/м3;
• коэффициент использования энергии QT/N (безразмерный);
• относительная площадь зоны возможного инееобразования Fu.
64
Диапазоны изменения параметров состояния уходящего воздуха принимались с уче-
том нормируемых температуры и влажности воздуха в помещении (ty = 14...22°С, фу =
е 15...75%), а температура наружного воздуха была в диапазоне tH= — 30...+10 °C.
Отношение водяных эквивалентов было WH/JVy =0,5... 1,5. На начальном этапе были
получены зависимости отдельных (частных) показателей оптимизации (0ТУ, Q! N; от
QI V и Fj исходных условий параметров (температуры, влажности) и расходов сред.
Эти данные представлены на рис. 7.32.
Первый и основной вывод, который вытекает из ознакомления с приведенными зави-
симостями, — это несовпадение начальных условий, при которых исследованные пока-
затели достигали своих экстремальных значений. Например, при одинаковых условиях
(WH/Wy=l, tH = -10°C, гу = 18°С) величина Qr!N максимальна при фу=15%, Q макси-
мально при <ру = 75%, а относительная площадь зоны инееобразования максимальна при
<ру = 30%. Представленные зависимости многогранны и требуют более подробного объ-
яснения.
Нужно, например, объяснить, почему при одних и тех же условиях, но переменной
наружной температуре воздуха меняется энтальпийная эффективность процесса 0гу .
По всей видимости это связано с переменным влагосодержанием и энтальпией это-
го воздуха при сохранении значения температурной эффективности утилизации ()
Что касается зависимости Q/N = то она представляется понятной и объясни-
мой: с увеличением сру и постоянной ty (например +18 °C) растет энтальпия воздуха,
количество теплоты конденсации влаги и степень нагрева наружного воздуха. Тем же
по сути можно объяснить рост величины Q/Vс увеличением как температуры (ty )„ так
и относительной влажности (фу) уходящего воздуха. Однако это явление при ближай-
шем рассмотрении оказывается более сложным, чем представляется. Ответим хотя бы
на вопрос: почему количество передаваемой теплоты примерно одинаково при таких
сочетаниях: /у=20 °C, фу=15% (zy=26 кДж/кг) и гу = 16 °C, <рУ1=75% (1^=38 кДж/кг).
Прямо ответить на этот вопрос нельзя, но можно обратиться к следующему графику
((Fu = f(ty,фу) рис.7.32). Из него следует, что по данным компьютерного расчета при
указанных выше сочетаниях примерно одинакова и мала относительная площадь
(2^=0,01...0,04) поверхности, покрытая инеем. В тех условиях, когда она оказалась
максимальной (F =0,30), наблюдается наименьшая передача теплоты, что вполне
объяснимо. Большой интерес вызывает последний график (рис. 7.32) зависимости
инееобразования от температуры и влажности удаляемого воздуха. Снижение тем-
пературы ty от 22 °C до 14 °C приводит к понижению typ и увеличивает относитель-
ную площадь аппарата, покрытую инеем. Относительная влажность воздуха ФУ влия-
ет на образование инея более сложным образом при наличии максимума Fu и форме
кривой, похожей на известное логарифмически-нормальное распределение, но уре-
занное при фу.max-
Полученная С.М. Анисимовым теоретическая закономерность объясняется слож-
ным наложением теплоты конденсации на поверхности насадки и температурных усло-
вий, определяющих форму нахождения жидкости на поверхности и внутри насадки (вода,
иней). При отсутствии специального увлажнения в «обычных» помещениях относитель-
ная влажность воздуха в холодный период года находится в пределах ФУ = 30...50%, а это
соответствует Fu = 0,15...0,25. В подобной конструкции теплоутилизатора наружный воз-
дух защищают от испарения влаги специальной пленкой. При ее отсутствии можно было
достичь не только нагревания, но и одновременно увлажнения наружного воздуха, а это
позволило бы отказаться от дорогого и энергоемкого (при паре) увлажнения.
65
-и- фу=15%
-Д- фу=30%
-В- <ру=45%
-о- фу=бо%
-ф- <Ру=75%
W„/Wy
Рис. 7.32. Зависимости показателей эффективности тепломассообмена 6ГУ, Q!V, Q/N и Fu, от безразмерных режимных комплексов
(WH!Wy) при NTU=3 и разных температурно-влажностных условиях (по данным С.М. Анисимова [7.3-7.5]).
I
Оценка режимов работы теплоутилизаторов мультикритериальна, то есть множественна,
и напрямую не сравнима. Это не позволяет оценить работу аппарата в едином стоимост-
ном выражении, пригодном для всех условий работы. В этой ситуации учет совокупности
противоречивых индивидуальных целевых функций основывается на построении обоб-
щенного показателя эффективности. В качестве такового можно принять мультиплика-
тивный критерий желательности Харрингтона:
где П - оператор перемножения, d. — дифференциальные критерии, приведенные
к инвариантному диапазону и имеющие одинаковую размерность; К. — веса локальных
показателей, сумма которых отнормирована на единицу.
Результаты оптимизационных исследований работы пластинчатого перекрестно-точ-
ного теплоутилизатора (по данным С.М.Анисимова) представлены на рис. 7.33-7.34.
Приведенные расчеты и анализ топографии рельефов обобщенной функции жела-
тельности D сделали возможным установить наиболее существенные факторы, влияю-
щие на эффективность реализации процессов тепломассообмена в исследуемых аппара-
тах. Критериальная форма обобщения данных (относительно D — рис. 7.34) корректна и
подтверждена положительными результатами сопоставления данных численного, физи-
ческого и натурного экспериментов.
Аналогичный вышеописанному подход был использован Н.В.Белоноговым для опти-
мизации перекрестно-точных рекуператоров, теплообменная матрица которых изготов-
лена из тонкостенных полимерных пластин, имеющих сотовую структуру [7.8]. Функция
глобального качества им представлена в виде:
73 = [AP(/z,6)]°'4 -[0^ (Л,й)]М -[F^fe)]0'2. <7.32)
При выводе формулы (7.32) веса показателей получены из соображений о равной
значимости коэффициента эффективности и аэродинамического сопротивления и более
низкой значимости материалоемкости (площади пластин) как функций габаритов паке-
та: ширины — Ъ и высоты - h. Отношение весов показателей степени при инвариантных
эффективности 0^,, сопротивлении ДР и площади F составляет соответственно 1:1:0,5.
В зависимости от стоимости материала пластин площадь F может быть как стоимостным
показателем, так и габаритным. Глобальное качество рекуператора в виде поверхности в
поле параметров h и b представлено на рис. 7.35. Оптимальному качеству соответствует
максимум функции D(h,b), т.е. вершина повеохности. Оптимальное отношение h/b лежит
в пределах 1,6...2. Таким образом, теплообменный пакет с лучшим сочетанием эксплуа-
тационных и стоимостных показателей имеет вид параллелепипеда, набранного из боль-
шого количества пластин небольшой ширины.
Остается надеяться, что подобный подход будет все шире применяться как для комп-
лексной оценки отдельных аппаратов, так и конкурирующих систем (СКВ, СВ).
7.2.4 Эффективность двухступенчатых и последовательно установленных утилизаторов.
Для повышения эффективности утилизации теплоты удаляемого воздуха могут приме-
няться не только единичные аппараты, но и более сложные последовательные двухсту-
пенчатые компоновки [7.45]. В первой по ходу наружного воздуха ступени происходит
теплообмен между холодным наружным и удаляемым воздухом, во второй ступени про-
исходит дополнительный нагрев наружного воздуха.
67
УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО DonT
1.0,63-0,65
2. 0,61-0,63
3. 0,59-0,61
4. 0,57-0,59
5. 0,55-0,57
6. 0,53-0,55
68
лесообразного применения по критерию желательности Харрингтона D:
= -10 °C;
при tH = -10°С;
в — поверхность желательности в трехмерном пространстве Wll<-ty—<py
(по С.М. Анисимову).
утилизатора теплоты:
NTU = 1,9;WH = W„/Wy = 0,55;
в - поверхность желательности D в координатах D(WH,vB) при tH = -10°С;
Схемы компоновок таких утилизаторов разнообразны (рис.7.36).
Общая эффективность любого теплоутилизатора определяется как:
где вИ — расход наружного воздуха, кг/с; Gmjn — наименьший из расходов наружно-
го и удаляемого воздуха (GH,Gy); tH,tK,ty-температура наружного воздуха, начальная,
конечная и уходящего воздуха.
69
a — из тепловых труб и регенератора; из теплообменников с промежуточным
теплоносителем и регенератора;
в —из тепловых труб и теплообменников с промежуточным теплоносителем;
г —из тепловых труб и пластинчатого рекуператора;
ляемый воздух; — температуры удаляемого (теплого) и наружного (холод-
ного) воздуха.
Общая эффективность процесса в двухступенчатой утилизационной установке при про-
тивоточном движении воздушных потоков с известными частными эффективностями Oj
и 02 можно определить из таких выражений:
для перекрестно-последовательного расположения теплоутилизаторов:
для последовательного расположения теплоутилизаторов:
е,+6,-^0^ (1/Gy+1/Gg)
Частную эффективность первой Oj и второй 02 ступеней вычисляют по выражению, ана-
логичному (7.33), подставляя соответствующие температуры и расходы воздуха до и после
каждой ступени. Кроме того, эффективность каждого аппарата можно определить по NTUи
। юшению водяных эквивалентов (см. гл. 6, т. I п. 6.9, рис. 6.27—6.30) или на основе эмпи-
рических зависимостей. На рис. 7.37 показаны построенные по выражениям (7.34) и (7.35)
графики 0 в зависимости от значений частной эффективности (0,,0,) двух теплоутилизато-
70
ров, соединенных перекрестно-последовательно и последовательно по ходу равных по массе
воздушных потоков. Из этого рисунка видно, что в режиме «сухого» охлаждения удаляемого
I воздуха при перекрестно-последовательной схеме эффективность 0„. (линия 1) меньше, чем
при последовательной схеме (линия 2). С увеличением частной эффективности 0, от 0,1 до
0.5 общая эффективность сначала возрастает, а потом начинает уменьшаться. Объясняется
эго тем, что вторая ступень установки начинает передавать теплоту в обратном направлении,
то есть от потока нагретого наружного воздуха в поток охлажденного выбросного. Это необ-
дадимо учитывать при компоновке теплоутилизаторов. Так, нерационально соединение по
такой схеме энтальпийных регенераторов, имеющих эффективность 0,6—0,8.
Линии 3 и 4 на рис. 7.37 показывают, что при росте частной эффективности первой
ступени и постоянной высокой эффективности второй ступени, равной 0,7 и 0,6, с рос-
том 0 j общая эффективность падает. Поэтому целесообразно выбирать утилизатор первой
ступени с небольшой эффективностью.
| Расчетные схемы и графики изменения температур воздушных потоков по глубине
теплоутилизаторов при двухступенчатой схеме, /,=—20 "С и /у=30 "С показаны на рис.7.38.
В заключение этого пункта рассмотрим эффективность нескольких последовательно
’.установленных утилизаторов (модулей) (рис. 7.39).
| Если число модулей равно п (рис. 7.39), а эффективность каждого одинакова и равна
, то общая эффективность может быть определена по зависимостям рис. 7.40, а срав-
нение расчетной и опытной величины 07у - по рис. 7.41.
1 7.2.5 Динамические (попеременно работающие) насадочные регенераторы. Наряду с ши-
роко известными вращающимися регенераторами на динамическом принципе исполь-
зуют и другие конструкции [7.80, 7.59]. Известны предложения использовать для нагре-
вания наружного воздуха «эффект пористого вдува» [7.82]. Для применения такого реге-
нератора система вентиляции должна иметь парную насадочную вставку, встроенную в
наружное ограждение. Под действием реверсивного вентилятора в такой насадке попере-
менно создается избыточное давление или разрежение, поэтому такой «теплообменник»
реализует либо нагрев наружного, либо охлаждение удаляемого воздуха.
Процессы, аппараты и с
г воздуха и вентиляции
Рис. 7.38. Расчетные схемы и графики изменения температур воздушных потоков по по-
верхности теплоутилизаторов, установленных по двухступенчатой схеме:
фик изменения температур (сплошными линиями показано изменение темпера-
а — термосифонов или тепловых труб; рекуператоров с промежуточным теп-
лоносителем; б—регенераторов; в — пластинчатых рекуператоров; г — термо-
сифона и пластинчатого рекуператора; Обозначения: Н, У — соответственно
Число модулей, п
Изменение общей эффективности утилизационной установки QTye зависимос-
ти от числа п последовательно расположенных модулей (GH = Gy) и эффек-
тивности 0j одного из модулей.
ментальные данные на двух- и
В частности, в один из полупериодов наружный воздух нагревается в пористой насад-
жв за счет теплоты, аккумулированной в предыдущий полупериод. Поэтому целесообраз-
на одновременная подача воздуха через две пористые насадки с помощью двух реверсив-
ных осевых вентиляторов (рис. 7.42).
Рис. 7.42. План-схема фрагмента помещения с наружной стеной, в
которой находятся две пористые насадки (1)с двумя ревер-
сивными осевыми вентиляторами (2).
Возможно и другое решение: вместо таких вентиляторов применять «обычные», но
дополнительно использовать обвязку и специально переключаемые воздушные клапа-
ны. Авторы этой разработки полагали, что область применения таких регенераторов до-
Процессы, аппараты и <
статочно широкая: здания в сельской местности при небольших теплоизбытках или их
отсутствии, небольших воздухообменах, отсутствии теплоносителя.
Пористый слой может быть выполнен насыпным из материала с незамкнуты-
ми порами. Для выбранного керамзитового гравия (р = 400—700 кг/м3, d = 5—40 мм,
g = 0,005—0,034 кг/м2-Пас) эффективность такого утилизатора составила 0ГУ » 0,85 при
периоде переключения каналов т=2...6 мин и амплитуде колебания температуры приточ-
ного воздуха 1,2...3 °C. Исследованная насадка имела общее термическое сопротивление
теплопередачи Ro - 0,86 м2 °С/Вт и сопротивление теплоотдаче на поверхности, обращен-
ной в воздух, помещения RB = 0,086 м2 °С/Вт. Коэффициент е, учитывающий запаздыва-
ние (сдвиг) процесса передачи теплоты в такой насадке, определяют по зависимости
е =arc tg(5For/n) = arc tg(5T/’ксрК^п).
7.2.6 Утилизация теплоты обратной (сбросной) воды в аппаратах СКВ и СВ. Наряду с
утил) щией теплоты вентвыбросов и производственных ВЭР в виде теплого или горя-
чего воздуха и газов в СКВ и СВ используют ВЭР в виде теплоты воды. Речь идет о низ-
котемпературной воде (~40—50°С) или конденсате, покидающим технологические ап-
параты, аппараты систем отопления, кондиционирования, пароснабжения [7.70]. Вода,
возвращаемая на ТЭЦ, должна предварительно доохлаждаться, т.е. иметь более низкую
температуру (см. гл. 5, т. I п. 5.3). Это обеспечивает больший КПД цикла одновремен-
ной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ, снижает затраты энергии на
охлаждение воды в градирнях.
Существуют разные аппараты типа «вода—воздух», в которых можно утилизировать
теплоту такой воды. По сути это те же контактные аппараты, что используют д ля увлаж-
нения воздуха (см. гл. 8): камеры орошения разных типов и конструкций [7.18 - 7.21,
7.23 - 7.25], насадочные [7.77, 7.78, 7.26] и пленочные [7.66, 7.61] увлажнители, орошае-
мые воздухонагреватели [7.22,7.74] (рис. 7.43).
При подаче в них теплой воды и холодного наружного воздуха происходит тепломас-
сообмен, в результате чего обрабатываемый во ох одновременно нагревается и увлажня-
ется. В этих условиях возникает серьезная опасность образования льда на части поверх-
ности такого аппарата, во входном выравнивателе потока, поддоне, стояках с водой, не
циркулирующей по ним. Это требует специальных мер к устранению возможного обле-
денения. Вода при контакте с воздухом в увлажнителях и утилизаторах теплоты должна
быть питьевого качества, поэтому сбросная вода первоначально подается в промежуточ-
ный теплообменник (4, рис. 7.43), где нагревает водопроводную воду.
Все аппараты, имеющие разные принципы организации поверхности контакта между
воздухом и водой, состоят из корпуса, поддона, поверхности контакта, системы распыла
воды, каплеотделителя, насоса и трубопроводов. Для всех типов и конструкций контак-
тных аппаратов «вода-воздух» в политропных процессах нагревания-увлажнения наруж-
ного воздуха справедливо уравнение теплового баланса по полной теплоте:
где ц = Gw Юв — коэффициент орошения как отношение массовых расходов рас-
пыляемой воды и обрабатываемого воздуха. Для пленочных аппаратов с линейной сис-
темой распыла учитывают комплекс gwlmnm(tWii — tw^, где gw (кг/м-с) — линейная или
74
поверхностная плотность орошения водой воздуха, 1ш — длина пластины, пт — число
пластин в аппарате.
Рассмотрим особенности основных аппаратов контактного типа с точки зрения осо-
бенностей использования их для утилизации теплоты обратной (сбросной) воды в про-
цессах нагревания-увлажнения наружного воздуха, который может иметь отрицательную
температуру.
Оросительные камеры разных производителей и конструктивного исполнения
обычно не предполагают ни проведение такого политропического процесса, ни мер
предотвращения обледенения элементов такой системы при низких температурах на-
ружного воздуха. Отсюда вытекают два соответствующих требования, которые обычно
не выполняются. Из всех возможных камер орошения наиболее применимы три типа
(рис. 7.43, а,б,в). Их общими признаками являются наличие теплообменника в поддоне
для нагрева циркулирующей воды, исключающего образование льда, а также отсутствие
входного выравнивателя потока, на котором могут замерзать капли воды. Этот процесс
может иметь нарастающий характер, в результате чего все пространство для прохода
воздуха постепенно покрывается льдом и вентилятор резко снижает свою производи-
тельность. Стояк, расположенный вблизи входа наружного воздуха, — тоже объект по-
тенциального замерзания воды.
Глубина процессов обработки воздуха в камерах орошения в общем случае зависит от
конструктивных особенностей камер, расходов взаимодействующих сред и их термоди-
намических параметров. Сложный характер образования теплообменной поверхности и
нелинейность уравнений, описывающих процессы обмена, создают большие трудности
при построении уравнений взаимосвязи перечисленных факторов. Эти уравнения со-
ставляют основу методики расчета камер орошения, которая используется как при про-
ектировании СКВ, так и при 1 давании и конструировании новых камер орошения.
Разработке методик расчета камер орошения посвящено много работ. Общим недо-
статком их является ограниченность диапазона применения как по начальным термоди-
намическим параметрам, так и по расходам теплообменивающихся сред. Наиболее пол-
ным решением является уравнение тепломассообмена в приближении Мер келя [7.24].
На основе работ ВНИИКондиционер [7.23, 7.24], обобщивших многолетние иссле-
дования процессов тепломассообмена в широком интервале начальных температур воды
от +3 'С до 52 ’С, удалось разработать универсальную методику расчета политропических
процессов нагревания-увлажнения наружного воздуха теплой водой. Авторы предположи-
ли, что обрабатываемый воздух состоит из двух частей, одна из которых в ходе контакта с
водой достигает состояния полного насыщения влагой, называемого предельным. Вторая
часть не. изменяет своих начальных термодинамических параметров. Конечные парамет-
ры обработанного воздуха являются результатом смешения этих двух составляющих воз-
душного потока. Кроме того, использовано представление о взаимосвязанном процессе
одновременного изменения состояния воздуха и температуры воды (рис. 7.44, а).
В дополнение к понятиям о коэффициенте эффективности изоэнтальпийного (адиа-
батического) процесса Е и приведенном коэффициенте политропической эффективнос-
ти а15 рассмотренным в п. 6.18 гл. 6, в соответствии с уравнениями (6.37), (6.38) авторами
предложено понятие и выражение для коэффициента эффективности охлаждения воды:
75
Процессы,
представленного против обыкновения в виде, когда этот комплекс как отношение на-
ибольшей разности температур воды к текущей, больше единицы. При его выводе ис-
пользовано физическое представление о том, что процесс контакта воздуха начального
состояния Н и воды начальной температуры ; при определенных допущениях - доста-
точном времени контакта - закончился бы в состоянии К', когда вода и воздух приняли бы
одинаковую конечную температуру . Используя уравнение для 0^ (7.38) и общее
7.2
заторов теплоты обратной (сбросной) низкотемпературной воды, аппаратов
воздуха:
ия без входного выравнива-
б—то же, однорядная противоточная камера орошения;
в — камера орошения типа «фонтан» (одно- или двухярусная) с двойным (вверх-
вниз) перекрестным движением сред и теплообменником в поддоне, форсунки
г, д — насадочные аппараты с горизонтальным или вертикальным движением
е, ж — пластинчатый пленочный утилизатор теплоты сбросной воды (е) и
фрагмент его косоугольной гофрированной насадки (ж), [7.61];
з — воздухонагреватель, использующий теплоту сбросной воды, и система его
орошения теплой водой;
и — процесс нагревания-увлажнения воздуха теплой водой, изображенный в
нагретого и увлажненного воздуха в области тумана, П, В — состояние при-
и конце процесса нагревания-увлажнения наружного воздуха, AiH = iw -iH —
начальная разность энтальпий охлаждаемой воды и нагреваемого воздуха,
&iB = he ~*н~ Разн°сть конечной и начальной энтальпий нагреваемого и
3 — поддон для сбора воды; 4 — промежуточный теплообменник типа «вода-
вода»; 5 — насадка аппарата; 6 — пластины пленочного утилизатора; 7 — кап-
уравнение теплового баланса (7.37) для известной конструкции камеры орошения, ее фор-
сунок и плотности их размещения при выбранном коэффициенте орошения ц = GW/GB
и соответствующих ему коэффициентах эффективности Е, а, и 0^, можно определить
искомые температуры воды, подаваемой к форсункам и в поддоне, при которых можно
проводить такой процесс. По-прежнему остается актуальным выполнение требований и
выбор конструкции камеры орошения, исключающей обледенение корпуса, замерзание
воды в поддоне, отсутствие входных выравнивателей потока и др. Приведем практичес-
кий пример методики расчета процесса нагревания-увлажнения воздуха с отрицательной
начальной температурой сбросной водой в камере орошения.
Пример 7.5. Для однорядной противоточной камеры орошения, рассмотрен-
ной в гл. 6 (пример 6.10), известны основные конструктивные и теплотехничес-
кие характеристики: \i = Gw / GB=V, Е = 0,90 и ^ = 0,48. Определить условия,
обеспечивающие нагрев-увлажнение холодного наружного воздуха от состояния
Н (tjj = —26 °C, iH = —25,3 кДж/кг) до условного состояния К (iK =34 кДж/кг)
в области водяного тумана (рис. 7.44), при котором после конденсации вла-
ги на величину &d = dK-dK =11,2-8,9 = 2,3 г/кг воздух примет состояние
К] (tKi =12 °C, iKi =iK =34 кДж/кг). Конечное состояние К' примем на линии
насыщения при 4 =21 °C, 4=62 кДж/кг. Этого совмещенного процесса до-
статочно, чтобы отказаться от раздельных процессов и соответствующих
аппаратов для нагрева, а затем увлажнения наружного воздуха. Такое решение
позволит одновременно утилизировать теплоту обратной (сбросной) воды, с од-
ной стороны, и отказаться от нагревателя и увлажнителя, сократить капи-
тальные затраты, с другой.
78
Специальные вопросы теории и j.
Определяем коэффициент эффективности охлаждения сбросной (обратной) воды
по формуле (7.38):
= 1,34.
Из уравнения теплового баланса (7.37) определяем перепад температур охлаж-
даемой воды:
Ы* =tw„ ~twK =biB!p-cw =[34-(-25,3)]/1-4,19 = 14,3°С.
Определяем требуемую начальную температуру распыляемой воды:
fw„ = *'к = 21+1,34 14,3 = 40°С,поэтому^ =40-14,3 » 26 °C.
Для получения расчетной температуры распыляемой воды tw = 40 °C в теплооб-
менник поддона такой камеры орошения (рис. 7.43, а, б, в) нужно подать сброс-
ную воду с температурой 45...50 °C. Если имеющаяся в распоряжении сбросная
вода имеет более низкую температуру, то расчет процесса нужно повторить,
направив его на другую ()К' с более низкой температурой. Например, если при-
нять ()К при t'K = 16 °C, d'K = 11,5 г/кг, i'K = 45 кДж/кг получаем в новой версии
расчета tW/i = 16 + 1,34-14,3 = 35°С, что потребует сбросную воду с температу-
рой 40...45 ‘С.
I Проблему увлажнения-нагревания наружного воздуха теплой водой исследовали на
стенде во ВНИИ Охраны труда (Ленинград) [7.63, 7.85]. Исследования проводили над
разными камерами орошения (однорядными параллельно- и противоточными, двух- и
рехрядными) производительностью 10 и 80 тыс. м3/ч при диаметре форсунок 3—6 мм,
(плотности их размещения 10^1 Х и 24шт/м2-ряд, массовой скорости воздуха 1,1-3,2 кг/м2-с
при начальных температурах воздуха 0—(-20)' С и начальных температурах подаваемой
воды 15-50 °C. При этом конечное влагосодержание увлажненного воздуха, как и эффек-
тивность процесса, зависели от начальной температуры воды и менялись от 4 до 15 г/кг
(рис. 7.44, б). Экспериментальные данные авторы обрабатывали в виде зависимости:
F где к — коэффициент, характеризующий конструктивные особенности камеры оро-
шения, расположение стояков в ее объеме; к, - коэффициент, характеризующий гидро-
динамические условия в камере орошения и их влияние на величину и характеристику
поверхности тепломассообмена. Произведение kkt зависит от плотности расположения
и диаметра сопла форсунок: кк, = 0,82—0,85 при dc = 2 мм, кк{ » 0,60—0,63 при dc = 6 мм.
Использование формулы (7.38, а) даже при известном комплексе /<7г||а“'<’, определяемом
Но рис. 7.44, б, к сожалению, оказывается невозможным, потому что температура То в
работах [7.63,7.85] не объяснена.
' Расчет процесса нагревания-увлажнения воздуха удобно вести по номограммам рис.
7.44, б, в, если задаться начальными температурами воды и воздуха, а также его конечным
влагосодержанием. Для выбранного типа камеры орошения определяют коэффициент
орошения ц и расход распыляемой воды Gw. Поясним методику расчета процесса нагре-
Еия-увлажнения наружного холодного воздуха в камере орошения с тангенциальными
орсуиками теплой водой.
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Пример 7.6. Определить параметры процесса нагревания-увлажнения наруж-
ного воздуха при его температурах tH =-12 °C и 1Н = -6°С в стандартной
двухрядной камере орошения с тангенциальными (угловыми) форсунками при их
плотности размещения 18 шт./(ряд м2) и диаметре сопла форсунки dc=3 мм.
Принять во всех режимах нагревания-увлажнения наружного воздуха постоян-
ную температуру теплой воды в поддоне камеры орошения tWji = 30 °C, с которой
она подается к форсункам аппарата. Конечное состояние воздуха при наличии
водяного тумана (точка К на рис. 7.44,а) принять при конечном влагосодержа-
нии dK = 10 г/кг, что обеспечивает возможность получения состояния К' насы-
щенного воздуха в диапазоне t'K = 12... 15 °C, исключающем второй подогрев и при
условии нагрева приточного воздуха в вентиляторе, двигателе и воздуховодах
Построения, соответствующие условиям данного примера с помощью диаграмм
рис. 7.44, б, в выполняем дважды. Первый раз при tH = -12 °C, dK = 10 г/кг и при
tw =30 °C (рис. 7.44,6) ставим точку Д и интерполируя между сплошными,
определяем ее положение между линиями Е и Ж. Повторяя построение на
рис. 7.44, в и двигаясь по изоэнтальпии (в ккал/кг), определяем искомую тем-
пературу насыщенного воздуха t'K =12,5 °C. Повторяя расчет процесса при
tH = -6 °C, dK = 10 г/кг для точки К2 вблизи линии В (рис. 7.44,в), определяем ис-
комую температуру нагретого и увлажненного воздуха t'K = 14 °C. Дальнейший
расчет сводится к определению расхода воды, подаваемой на форсунки, и расчет-
ного давления воды перед ними. Можно вести расчет процесса и по-другому, пред-
полагая некоторый график изменения температуры воды, обеспечиваемой в под-
доне камеры орошения в зависимости от температуры наружного воздуха tH.
Из анализа опытных зависимостей [7.63, 7.88] в диапазоне начальных темпера-
тур воды tw = 15...50 °C, вытекает, что с повышением этой температуры воз-
растает реально достижимое влагосодержание воздуха dK = 8... 15 г/кг, а значит
и температура выходящего из камеры орошения воздуха tK » 9...20 °C.
Обсуждая данную методику, авторы справедливо подчеркивали, что «...однако знание
только указанных зависимостей не дает основания считать решенным вопрос практического
использования рассматриваемых процессов в кондиционере. Эксперименты показали, что у
большинства конструктивных вариантов форсуночных камер при различных режимах рабо-
ты в большей или меньшей степени наблюдается обмерзание отдельных элементов». Поэтому
приводимые авторами графики (рис. 7.44, б, в) и аналогичные им отражают те аналити-
ческие условия, при которых процесс обмерзания не происходит.
Насадочные аппараты (рис. 7.43, г, д') в горизонтальном, но чаще в вертикальном
исполнении применяют прежде всего для изоэнтальпийного увлажнения (см. гл. 8).
При горизонтальном расположении аппарата схема движения потоков воздуха и воды
встречная, при вертикальном — перекрестная. Насадочные аппараты весьма компактны,
их малая длина заметно отличает их от камер орошения (1,5—2 м).
На предприятиях химической, машиностроительной и других отраслей промышлен-
ности имеются большие расходы сбросной воды с температурой 35—40 °C после систем
охлаждения технологического оборудования. Поверхностные аппараты утилизаторов с
80
Промежуточным теплоносителем в этих условиях имеют большую поверхность (рядность)
в силу небольшой разности температур. Наиболее целесообразны комбинированные ути-
1>изационные отопительно-вентиляционные агрегаты (рис. 7.43, г, д'), в >я
два последовательно установленных контактных насадочных аппарата и конечный возду-
цшагреватель [7.78, 7.29]. В таком варианте они позволяют нагревать-увлажнять наруж-
ный воздух в процессе НС (рис. 7.45, а) с устойчивым состоянием С, и конденсацией влаги
Ad = dc - dc , а затем нагревать смесь СД. При другом варианте установки аппаратов по-
I требуются первоначальный нагрев НА и последующее увлажнение наружного воздуха АП.
Процессы, аппараты и <
Для анализа сравнительного теплосбережения использовано понятие об эф-
фективности процесса нагревания-увлажнения воздуха в насадочном аппарате
~1с№в~ (к)- В зависимости от этой величины и текущей температуры на-
ружного воздуха на графике рис. 7.45, б определены температуры tK и tA, а на графике
рис. 7.45, в — коэффициент использования низкопотенциальной теплоты (по явному
и полному теплу). Расчеты показали, что в зависимости от наружной температуры и
эффективности процесса нагревания-увлажнения расход высокотемпературного теп-
лоносителя может быть сокращен на 40—50%.
Пленочные пластинчатые аппараты (рис. 7.43, е, ж) компактны, имеют высокую ин-
тенсивность тепломассообмена и малое аэродинамическое сопротивление [7.66, 7.61].
Конструкции и материалы насадки у разных производителей отличаются, а для зарубеж-
ных увлажнителей эти данные в литературе не приводятся. Поэтому в качестве примера
рассмотрим тепломассообмен в аппарате с такой насадкой из винилпластовой каландри-
рованной пленки толщиной 0,4—0,8 мм. Насадочная поверхность такого аппарата обра-
зована чередующимися каналами; в противоточной схеме они наклонены под углом 30"
к вертикали. Экспериментальные исследования [7.66] этого аппарата позволили опреде-
лить основные характеристики тепломассообмена и сравнить с другими типами насадок:
шариковыми из полых пластмассовых или полипропиленовых шаров [7.44]. В частности,
в опытах определены:
• интенсивность теплопереноса в виде зависимости (рис. 7.46, а):
aF/,4 =308()&'5^/7,,4,Вт/(м’--С), (7.39.)
где gx — плотность орошения, отнесенная к площади поперечного сечения аппарата,
кг/(м2-с); vB -скорость воздуха, м/с; h — высота насадки по потоку теплоносителя, м;
• коэффициент эффективности аппарата по явной и полной теплоте в зависимости от
отношения водяных эквивалентов WY / Ww (рис. 7.46, в);
• аэродинамическое сопротивление насадки (рис. 7.46, б) в зависимости от массовой
скорости воздуха во фронтальном сечении аппарата.
Как следует из анализа полученных зависимостей, пленочные насадочные аппараты
имеют высокую эффективность 08 при малом аэродинамическом сопротивлении, что яв-
ляется их существенным преимуществом перед другими аппаратами.
Исследования политропического процесса нагревания-увлажнения воздуха теплой водой
в противоточном пленочном аппарате описаны в работе В.П. Алексеева и А.В. Дорошенко
[7.2]. Его насадка была образована чередованием вертикально расположенных плоских и
гофрированных листов алюминия толщиной 0,16 мм. Поверхность контакта такого аппа-
рата имела удельную величину 860—1200 м2/м3 в зависимости от эквивалентного диаметра
каналов 3,2—4,5 мм. Пакет вертикальной насадки имел высоту от 150 до 350 мм, шаг ребра
7 и 10 мм, высоту ребра 4,2 и 6,0 мм. Параметры воздуха на входе в аппарат поддерживали
постоянными, расход воздуха соответствовал числам Рейнольдса Rc = vc7,/vi = 200...800,
температура воды на входе в аппарат составляла 30—40 °C, расход воды 5—30 м3/м2-ч.
Основной результат проведенных исследований — зависимость коэффициента эф-
фективности охлаждения воды 0в, и энтальпийного коэффициента эффективности на-
гревания-увлажнения воздуха 0К от коэффициента орошения ц = Gw / GB при разной
удельной плотности орошения gw, м3/м2-ч — представлен на графике рис. 7.47.
С увеличением расхода воздуха GB коэффициент орошения ц уменьшается, увеличи-
вается скорость относительного движения воздуха у поверхности воды и эффективность
охлаждения воды, что соответствует физическому смыслу. При этом эффективность
нагревания-увлажнения воздуха растет. Для практических расчетов авторами рекомендо-
вана зависимость:
= -,У" = 0,61ц-213 (hld^, (7.40)
Если использовать для нагревания-увлажнения воздуха не сбросную воду, а рассол, то
обработку воздуха можно проводить при его отрицательных температурах.
Поверхностные орошаемые теплообменники [7.22, 7.74] позволяют получать желаемый
эффект утилизации теплоты сбросной воды, совмещая в одном аппарате, снабженном
системой распыла, эффект нагревания-увлажнения или охлаждения-осушения (в теп-
лый период года). Противоточная система распьиа (рис. 7.43, з) более безопасна в смыс-
ле замерзания воды, чем попутная при орошении входной поверхности аппарата, там,
где поступает холодный наружный воздух. Многочисленные исследования М.Б. Раяка
здесь не приводятся, т.к. в его опытах теплообменник был расположен плашмя, а распыл
воды был сверху, при этом движение сред противоточное, что на практике не встреча-
ется. Более интересна и близка к реальным условиям компоновка ВНИИКондиционер,
где аппарат расположен вертикально, а система распыла размещена на выходе воздуха из
него. В опытах с двухрядным биметаллическим теплообменником с трубками dmp = 9 мм
и оребрением dv = 29 мм наблюдали за появлением влаги на входной части аппарата.
Однако это явление замечено не было, а теплообмен на первом ряду трубок был «сухим».
В орошаемой части аппарата процессы теплообмена более интенсивны, а коэффициент
полной теплопередачи (рис. 7.48, а) по соотношению:
кп = A(vp)^ = GB(iK
84
(истает по сравнению с неорошаемым аппаратом в 1,6-2 раза и при
:>90% (р= GW/GB= 0,75) зависит только от скоростей воздуха и воды, не меняясь от
дальних параметров сред. Кроме коэффициента теплопередачи при орошении аппа-
рпа возрастает аэродинамическое сопротивление (рис. 7.48, б). Исследования показали,
что в двухрядном орошаемом аппарате такие явления, как обмерзание поверхности, об-
вание инея, замерзание воды в трубках и переувлажнение нагретого воздуха не про-
>дят. Авторы этой работы полагают, что при увеличении коэффициента орошения и
новке дополнительного ряда форсунок поверхностные орошаемые теплообменники
ютают» как камеры орошения с насадкой.
Как следует из анализа результатов испытания, орошение аппарата безопасно по за-
занию, увеличивает теплосъем при незначительном росте аэродинамического сопро-
7.2.7 Подсистема утилизации, совмещенная с другими аппаратами (функциями). К насто-
ящему времени отечественные и зарубежные специалисты предложили и разработали ряд
оригинальных конструкций, позволяющих совмещать функцию утилизации теплоты и
холода с другими важными функциями. Ниже рассмотрены некоторые из таких решений.
Теплоутилизатор-вентилятор оригинальной конструкции в свое время разработала
фирма «Дайкин» (Япония) [7.55]. Он включает ротор с лопатками, собранными из термо-
сифонов (тепловыхтрубок), — рис. 7.49, а.
Ротор разделен перегородкой на две части и каждая из них заключена в улиткообраз-
ный кожух, выполненный по аэродинамической схеме прямоточного (диаметрального)
вентилятора. Ротор через клиноременную передачу соединен с электродвигателем, при
его работе лопатки обеспечивают раздельное перемещение, без смешения, наружного и
удаляемого воздуха. В холодный период года теплота удаляемого воздуха затрачивается
на кипение хладагента в термосифоне. Парообразный агент поступает внутри трубок в
ту часть ротора, где проходит холодный наружный воздух. В этой части ротора хладагент
конденсируется и через стенки трубок отдает теплоту на нагрев наружного воздуха. После
этого Жидкий хладагент центробежными силами возвращается в зону кипения. Благодаря
вращению ротора данный аппарат одновременно выполняет функции теплоутилизатора
и вентилятора. При вращении ротора центробежные силы сбрасывают сконденсировав-
шийся пар с наружной поверхности термосифонов, что предохраняет от образования инея
и наледи. Такая конструкция рекомендуется для местных (децентрализованных) систем,
где общее аэродинамическое сопротивление не превышает 60 Па, при этом производи-
тельность по воздуху каждой части аппарата составляет 2400 м2/ч, а мощность, потребля-
емая двигателем, — 1,1 кВт.
' - перегородка в кожухе; 6 - канал для прохода удаляемо-
: сплошные — при ty - -20
наружного воздуха, равной или ниже выбранной, ч/год).
86
а) Наружный воздух
£
Выбросной воздух
Рис. 7.49.
Габариты аппарата составляют 1,3 х 1,0 * 1,3 (й) м, а масса — 500 кг, наружная оребрен-
ная поверхность ротора со стороны наружного воздуха — 24 м2, условные живые сечения
для прохода воздуха через ротор каждого из потоков 0,48 м2, длина термосифонов в зоне
кипения и конденсации хладагента 0,35 м.
На основе обобщения опытных данных в ЦНИИпромзданий получили эмпири-
ческую формулу для коэффициента теплопередачи в тепловом утилизаторе-вентиляторе:
(7.43)
При использовании в расчетах формулы (7.43) необходимо знать численные значе-
ния коэффициента влаговыпадения су при охлаждении-осушении удаляемого воздуха.
Его предлагают определять на основе параметрического коэффициента 0р
и графика зависимости (рис. 7.49, б). Из приведенных зависимостей видно, что с умень-
шением 0р коэффициент влаговыпадения увеличивается. Опытные точки группируются
около прямых линий, объединяющих опыты с примерно равными соотношениями расхо-
дов наружного и удаляемого воздуха. Эти зависимости обобщает опытная формула:
^ = O,8ie^’(G^/G=x)0-30, (7.45)
справедливая при 07.у=О, 1—0,65, числе оборотов 600 мин-1, отношении расходов возду-
ха GH / Gy = 0,43—1,3. Для практического определения параметрического коэффициента
0^ приводится номограмма (рис. 7.49, б), использующая свободное поле под линией на-
сыщения влажного воздуха в диаграмме i — d-
Сравнительная эффективность работы описанного выше утилизатора-вентилятора и
пластинчатого утилизатора ЕХ10 «Munters» при 67у = 0,78 с предварительным нагревом
наружного воздуха до t = —15 “С в системе вентиляции животноводческого помещения
представлена на рис. 7.49, г, д. Основной вывод, который следует из сравнения годовых
режимов работы, заключается в том, что при меньшей эффективности утилизатора ТУВ -П
в системе требуется дополнительный электроподогрев.
Разновидностью теплоутилизатора-вентилятора является оригинальный аппарат фир-
мы ФРИВЕНТ* (Австрия). Он имеет спиральный корпус с двумя всасывающими и
двумя нагнетательными отверстиями и рабочее колесо из пористого материала. В такой
конструкции одновременно происходит перемещение наружного и вытяжного воздуха
в равных количествах и передача теплоты в рабочем колесе. Если в потоке удаляемого
воздуха нет выпадения конденсата, то по данным производителя эффективность такого
аппарата составляет: по температуре 07у = 0,48, по влагосодержанию 971у =0,40, по эн-
тальпии 07у = 0,44. В случае конденсации водяного пара из уходящего воздуха эффектив-
ность нагревания наружного воздуха возрастает.
К основным особенностям такого аппарата можно отнести:
• постоянство эффективности вне зависимости от разности начальных температур сред
и засорения;
• Теплоугилизаторы ФРИВЕНТ. ABOK, 2000, № 2, с. 32...33.
• исключение возможности инееобразования в аппарате;
• низкий уровень шума при работе вентилятора-утилизатора;
I • дополнительное увлажнение воздуха и возможность отказа от основного увлажнителя;
• небольшие габаритные размеры и масса, простота монтажа, наличие конструктивных
модификаций.
Для управления эффектом утилизации или отказе от него аппарат поставляют со
встроенным байпасом и дополнительным вентилятором.
Совмещение функции одновременного нагрева и увлажнения воздуха возможно в
роторных (ВРТ) утилизаторах при использовании специальной сорбирующей вла-
гу насадки. В этом случае используют понятие об эффективности увлажнения воздуха
Пример комплексных зависимостей эффективности нагрева-
ния и увлажнения воздуха в функции от числа оборотов колеса ВРТ (в % от максимально-
го), по данным производителя АВВ, показан на рис. 7.50.
нения 0гу наружного воздуха во вращающемся регенеративном утилизаторе
центральных кондиционеров EU АВВ в зависимости от числа оборотов колеса
Как следует из анализа представленных данных, процессы тепло- и массообмена име-
ют разную интенсивность — массообмен «отстает» от теплообмена и только при больших
оборотах они сближаются, достигая эффективности 0ГУ »0 » 0,70. Однако при всей
привлекательности одновременного нагревания и увлажнения наружного воздуха есть и
известный минус — источником влаги является не чистая вода, а влаговыделения людей,
содержащие микрофлору, мочевину и др., а также поступления влаги в помещение от по-
верхности наружных стен.
Последовательная установка теплоутилизатора совместно с тепловым насосом в СКВ
(СВ). Такое техническое решение позволяет полностью отказаться от расхода теплоты в
горячей воде или электроэнергии, что очень актуально как для объектов в центре больших
городов, так и для объектов в сельской местности. Один из таких объектов - казино-клуб
«Премьер» (помещения бывш. кинотеатра «Титан», С.-Петербург, Невский пр., д.47).
Для традиционного нагревания наружного воздуха от tHpx = —26 °C до tnp = tB = 20 °C и
расходе L„ = 5 кг/с потребовалось бы около 230 кВт, для перемещения воздуха - около
15 кВт электроэнергии, тогда как можно было рассчитывать лишь на 50 кВт.
89
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
В этих условиях организация-проектировщик (ЗАО «Арктика», О.Н. Жигунова, 1999 г.)
приняла решение применить систему кондиционирования с использованием ВРТ и холо-
дильной машины, работающей в холодный период в режиме теплового насоса (рис. 7,51).
машины (или
90
Специальные вопросы теории и расчета и решения подсистемы утилизации теплоты и холода
Оборудование фирмы IVProdukt (Швеция). При работе в режиме нагревания темпе-
ратура воздуха перед испарителем была = —4°С, что соответствовало коэффициенту
эффективности ВРТ 0,у = [-4-(-26)]/[20-(-26)] = 0,48. Такая температура обеспечи-
вала достаточную теплопроизводительность теплового насоса для нагревания воздуха от
fa = —4 °C до tnp = 16 °C (около 100 кВт). При более высоких, чем расчетная, наружных
температурах после ВРТ температура тоже повышается, возрастает отопительный коэф-
фициент ц и теплопроизводительность теплового насоса (рис. 7.51, б). Расход теплоты на
нагревание уменьшают сначала управлением тепловым насосом, а после его отключения —
управлением теплоутилизатором. При температуре наружного воздуха выше tH = 16 °C
холодильная машина используется для охлаждения наружного воздуха. Расчетная мощ-
ность всего электрооборудования (двигатели вентиляторов, компрессора, привода ВРТ)
не превышала ограничивающей (50 кВт). Холодильная машина имела несколько ступе-
ней управления и диапазон холодопроизводительности испарителя от 24 до 121 кВт при
мощности, потребляемой компрессором 31 кВт (летом) и 20,3 кВт (зимой).
Автономный кондиционер, переключаемый в режим утилизатора теплоты (на основе
эффекта тепловой трубки). Существуют несколько разновидностей такого технического
решения, некоторые из них разработаны ВНИИКоцдиционер. Рассмотрим наиболее
характерные решения для сплит-системы с наружным и внутренним блоками и для мо-
ноблочной конструкции.
Испаритель автономного кондиционера с раздельными наружным и внутренним
блоком показан на рис. 7.52, а. В теплый период года работает холодильная машина, и
охлажденный наружный воздух или смесь вентиляторами 7и 9 подается в помещение.
В переходный и холодный периоды года кондиционер используется для компенсации
теплопотерь в режиме нагрева приточного воздуха. Холодильная машина отключена, а
испаритель с перегородкой 8 становится утилизатором теплоты уходящего воздуха (теп-
ловая трубка). Для движения хладона кожух испарителя установлен под углом к горизон-
тали, более холодный (наружный) воздух проходит через верхнюю часть трубок, переме-
щаемый вентилятором 7. Более теплый (уходящий) воздух перемещается реверсируемым
вентилятором 9, в результате теплота передается от уходящего воздуха к холодному на-
ружному. Для дополнительного нагрева используется воздухонагреватель.
Моноблочная конструкция автономного кондиционера, предложенная ВНИИКон-
диционер, показана на рис. 7.52,6. Работа такого кондиционера предусмотрена в несколь-
ких режимах. В режиме вентиляции помещения без использования холодильной машины
вентилятор 15 через решетку 16 забирает наружный воздух и через решетку 14 подает его
в помещение. При этом клапаны 6, 8 я 13 открыты, клапан 9 закрыт и воздух помещения
вентилятором 7выбрасывается в атмосферу, а поворотная заслонка 5 закрыта и перекры-
вает нагнетательный воздуховод 4. При необходимости охлаждения приточного воздуха
включается в работу компрессор холодильной машины, и наружный воздух охлаждается
в испарителе холодильной машины.
В переходный и холодный периоды года при необходимости нагревания приточного
воздуха заслонку 5 поворачивают, открывая нагнетательный воздуховод 4 и одновременно
разделяя нижний 3 и верхний 18 объемы и тем самым превращая испаритель в утилизатор
теплоты (тепловую трубку). Теплый воздух из помещения проходит через открытый клапан
8, испаритель 17 и выбрасывается наружу. При этом содержащийся в пучке трубок хладо-
агент кипит, испаряясь от теплоты внутреннего воздуха. Поднимаясь вверх он конденсиру-
ется в потоке наружного воздуха и опускается вниз, цикл повторяется. При необходимости
в потоке наружного воздуха может быть установлен дополнительный нагреватель.
91
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
жим утилизатора теплоты на основе эффекта тепловой трубки по данным
ВНИИКондиционер:
а — вид-схема испарителя холодильной машины автономного кондиционера,
трубки) по АС 1352155 БИ №23, 1987, ВНИИКондиционер: 1 - пучок тру-
бок испарителя; 2 — реверсируемый канал; 3 — дополнительный нагреватель;
блок); 6 - испаритель холодильной машины; 7- вентилятор; 8 - перегородка;
9—реверсируемый вентилятор.
б — вид-план бытового автономного кондиционера с дополнительными клапа-
нами, поворотной разделительной перегородкой между отсеками холодного
и теплого воздуха и перегородкой испарителя, позволяющего переключать в
режим утилизации (тепловой трубки) при включенной холодильной маши-
не (по АС 1404960 БИ №23, 1988 г.): 1 — поперечная перегородка испарителя;
конденсатора; 11- конденсатор холодильной машины; 14 - отверстие для вы-
пуска воздуха в помещение; 16 — вход наружного воздуха; 17 — испаритель хо-
92
7.2.8 Комплексная многоступенчатая утилизация теплоты высокоэнтальпийных техно-
логических выбросов воздушно-паровой смеси. На предприятиях целлюлозно-бумажной
^промышленности в залах современных высокопроизводительных бумагоделательных,
f-картоноделательных и сушильных машин имеют место огромные до 20 Гкал/ч выделе-
ния теплоты [7.57, 7.12]. Воздушно-паровая смесь, удаляемая из сушильной части таких
машин, имеет высокую энтальпию, как следствие ее высокой температуры (до 80 "С) и
-высокого влагосодержания (до 100 г/кг). С воздушно-паровой смесью из сушильной час-
ти удаляется примерно 90% теплоты греющего пара, используемого в процессе сушки
бумаги. В целях экономии эту теплоту улавливают. В настоящее время для такого улавли-
вания применяют комплексные теплоутилизаторы, состоящие из теплоуловителей, в ко-
торых нагревают воздух, и скрубберов, в которых нагревают воду (см. далее рис. 7.53, б).
(В совокупности в холодный период года при низких наружных температурах используют
150—60% теплоты удаляемой воздушно-паровой смеси. При работе одной современной бу-
f магоделательной машины производительностью 320 т в сутки максимальное количество
утилизируемой теплоты достигает 13 Гкал/ч, в том числе на нагрев наружного воздуха -
7 Гкал/ч, на нагрев сушильного воздуха — 1 Гкал/ч, на нагрев воды — 5 Гкал/ч. Утилизация
теплоты в этом случае, т.е. использование теплоты паровоздушной смеси для нагрева воз-
духа и воды, значительно снижает необходимый расход пара на напрев воздуха в системах
вентиляции и на технологические нужды, дает значительный экономический эффект.
Вентиляционные установки, оборудованные теплоуловителями и скрубберами или
только теплоуловителями для использования теплоты воздушно-паровой смеси, назы-
вают теплорекуперационными агрегатами. Такие агрегаты могут состоять из одной, двух
и трех, а иногда и более последовательных ступеней рекуперации теплоты, что зависит
от параметров удаляемой воздушно-паровой смеси и нужд производства в теплой воде и
нагретом приточном воздухе.
Для бумагоделательных машин с закрытыми колпаками в сушильной части, когда
воздушно-паровая смесь имеет высокую температуру и энтальпию, обычно применяют
теплорекуперационные агрегаты с тремя ступенями рекуперации теплоты, а именно:
• первая - подогрев в теплоуловителе воздуха, направляемого в сушильную часть ма-
шины;
• вторая - подогрев в теплоутилизаторе наружного воздуха для вентиляции зала;
• третья - подогрев в скруббере воды для технологических нужд.
Наименьшее количество теплоты воздушно-паровой смеси используется на нагрев
сушильного воздуха, поэтому в некоторых случаях целесообразно устанавливать такой
агрегат не с тремя, а с двумя ступенями рекуперации теплоты - для нагрева наружного
воздуха и нагрева воды. В этом случае сушильный воздух подогревают в паровых возду-
хонагревателях.
Принципиальная схема теплорекуперационного агрегата от бумага- или картоно-
делательных машин с тремя ступенями рекуперации теплоты показана на рис. 7.53, а,
процессы обработки наружного (Н), сушильного (С) и удаляемого (У) воздуха, а также
нагревания воды (W) в таком агрегате изображены в поле i-d диаграммы на рис. 7.53, б.
Воздушно-паровая смесь из-под колпака закрытого типа 7, установленного над сушиль-
ной частью машины, через вытяжные патрубки 2 поступает в сборный вытяжной канал 4,
I откуда последовательно проходит через теплоуловитель 77, где отдает часть теплоты воз-
духу, нагнетаемому в сушильную часть машины (первая ступень), и через теплоуловитель
16, где отдает часть теплоты на нагрев наружного приточного воздуха (вторая ступень).
Рис. 7.53, а Комплекснаямногоступенчатаяутилизациятеплотывысокоэнтальпииныхтех-
нологических выбросов воздушно-паровой смеси от бумагоделательных машин:
теплоту от бумага- или картоноделательных машин с тремя ступенями рекупе-
Затем удаляемый воздух проходит через скруббер 14, где отдает теплоту на нагрев
воды (третья ступень), а далее осевым вентилятором 12 выбрасывается наружу. В верхней
части скруббера, в сепараторе 13, из воздушно-паровой смеси отделяются капли воды.
Воздух на сушку бумаги, отбираемый из верхней зоны зала, проходит через тепло-
уловитель 7 7, где нагревается от 26-30 °C до 43-45 °C, затем проходит через паровой воз-
духонагреватель 18, где дополнительно нагревается до требуемой температуры 60—80 °C,
а далее вентилятором 19 нагнетается в сушильную часть машины. Наружный воздух
проходит через теплоуловитель 16, где подогревается на 40—55 °C, далее проходит че-
рез воздухонагреватель 7 и вентилятором 6 подается в рабочую или верхнюю зону зала.
94
идухонагреватель 7 используют при низких наружных температурах, когда наружный
адух в теплоуловителе нагревается недостаточно. В теплый период года, когда наруж-
ный воздух не нагревают или нагревают незначительно, весь наружный воздух или часть
его с помощью клапанов 8 и 9 направляют мимо теплоуловителя. Количество удаляемой
|юзлушно-паровой смеси устанавливают первоначально клапаном 5, а в процессе экс-
плуатации регулируют клапаном 11. Расход воздуха, подаваемого в сушильную часть ма-
иины, изменяют клапаном 5. Подаваемая вода под давлением 150—200 кПа распыляет-
ся форсунками 10 по схеме «сверху-вниз» навстречу потоку воздушно-паровой смеси в
скруббере 14 и стекает через трубки теплоуловителей 16 и 17 в поддон 23. Далее нагретая
вода по трубам самотеком проходит через фильтр 20 в бак теплой воды 21, после чего на-
сосом 22 подается на технологические нужды. В результате вода в теплорекуперационном
агрегате нагревается до 40—50 °C, одновременно предотвращая загрязнение трубок тепло-
уловителей волокнами, содержащимися в воздушно-паровой смеси.
Рис. 7.53, б Процессы обработки наружного (Н), сушильного (С) и удаляемого (У) воздуха,
а также нагревания воды (W) в таком агрегате изображены в поле i-d диа-
граммы: — нагревание наружного воздуха в теплоутилизаторе; СНСК —
нагревание сушильного воздуха в теплоутилизаторе; W„,WK - начальная и ко-
дение-осушение паровоздушной смеси, теплота которой утилизируется; ес —
луч процесса изменения параметров воздуха в сушильной части бумага- или кар-
Г Подобную схему подогрева воздуха и воды имеют теплорекуперационные агрегаты,
выпускаемые скандинавскими странами в комплекте с бумагоделательными машинами.
Подробные технические характеристики подобных агрегатов представлены в каталогах
фирм-производителей и в укрупненном виде сводятся к следующим показателям (табл. 7.2):
Процессы, аппараты и с
Таблица 7.2. Укрупненные технические характеристики теплорекуперационных
агрегатов, комплектуемых совместно с бумагоделательными машинами
(по данным скандинавских производителей [7.12])
Производительность бумагоделательной машины, т/сут 330-400
Вырабатываемая продукция Газетная бумага, мешочная бумага, целлюлоза, картон
Производительность по удаляемой воздушно-паровой смеси, кг/ч сухого воздуха 72000-95000
Производительность по приточному воздуху, кг/ч сухого воздуха 102000-133000
Производительность по сушильному воздуху, кг/ч сухого воздуха 45000-75000
Производительность по подогреваемой воде, кг/ч 45000-600000
Коэффициент орошения в скруббере, кг/кг 0,3-0,7
Отношение расходов наружного воздуха и воздушно-паровой смеси 14—16
Температура воздушно-паровой смеси, °C 70-75
Температура точки росы воздушно-паровой смеси, °C 50-55
Влагосодержание воздушно-паровой смеси, г/кг сух. воздуха 86-108
Подогрев сушильного воздуха в теплоуловителе, "С от 24 до 40
Подогрев наружного воздуха в теплоуловителе, °C от —30 до 20
Подогрев воды в скруббере, °C от 2 до 45
7.3 Эксплуатационные режимы работы теплоутилизаторов и
борьба с инееобразованием
7.3.1 Физическим механизм и расчет инееобразования во вращающемся регенеративном
теплоутилизаторе. Рассмотрим физические динамические условия выпадения конденсата
при работе ВРТ [7.46], т.е. при вращении его рабочего колеса. В течение полуоборота та-
кого колеса температура поверхности насадки в любом ее сечении меняется. В случае если
температура элемента насадки, находящегося в потоке удаляемого воздуха в начальный
момент, ниже температуры точки росы удаляемого воздуха (?„„„„< typ), то на поверхнос-
ти насадки начинает выпадать конденсат, а при отрицательной температуре поверхнос-
ти — иней. При дальнейшем перемещении этого элемента насадки относительно потока
удаляемого воздуха температура ее поверхности растет и, начиная с некоторого момента
времени может оказаться выше температуры точки росы воздуха. С этого момента и до
завершения колесом полуоборота конденсат испаряется в удаляемый воздух. Если масса
конденсата, выпавшего из удаляемого воздуха mJ, больше, чем масса конденсата, испа-
рившегося в удаляемый воздух mJ, то насадка поступает в поток наружного (приточного)
воздуха увлажненной, а процесс испарения продолжится в канале наружного воздуха.
Здесь возможны два варианта: весь конденсат успеет или «наоборот» не успеет испа-
риться в поток наружного воздуха. Таким образом, в потоке удаляемого воздуха за полуобо-
рот ротора может происходить и конденсация и испарение влаги, сопровождающиеся на
холодной поверхности инееобразованием и сублимацией, а в потоке наружного воздуха -
частичное или полное испарение влаги (т2). Если т{ >т"+т2, то в насадке происходит
накопление конденсата (инея). Чтобы облегчить условия работы и расчета такого аппара-
та, выбирают частоту вращения ротора такой, при которой температура насадки меняется
96
7.3
мало. При этом если температура поверхности насадки выше, чем температура t , то в рас-
сматриваемом сечении протекает теплообмен, а если ниже — то тепло- и массообмен.
Процесс конденсации пара в ВРТ зависит, при прочих равных условиях, от взаимного
направления потоков и соотношения расходов воздуха. Наибольшая зона конденсации
наблюдается (рис. 7.54) при прямоточном движении сред и Gy/GH<1.
верхности;
Основные исследования процессов инееобразования и условий его возникновения
выполнены в МНИИТЭП на ЭВМ [7.46] авторами при участии Ю.И.Рюкиной. В ком-
пьютерных расчетах вся поверхность насадки была разделена на отдельные элементар-
ные участки, а время оборота насадки — на малые интервалы. При достаточно большой
частоте вращения ротора (-10 мин1) параметры воздуха у поверхности насадки прини-
мали практически постоянными. Поэтому вместо дифференциального уравнения в част-
ных производных находили решение обыкновенного дифференциального уравнения. На
каждом из участков насадки проводили компьютерный расчет режима теплообмена или
тепломассообмена. Расчеты на ЭВМ были проведены в следующем диапазоне парамет-
ров: tH= — 40-10 "С, dH= 0,35-2 г/кг, ty=15-40 °C, dy= 4,3-16 г/кг, соотношении расходов
воздуха Gy/GH= 0,5—2, числе единиц переноса NTUy= kFy/G^,— 1,5—5.
Выполненные комплексные исследования наглядно обобщают графические зависи-
мости, описывающие физический механизм и способы учета процесса инееобразования
в ВРТ и представленные на рис. 7.55, а, б, в, г.
В частности, на рис. 7.55, а показаны сочетания параметров наружного (/„, </я) и уда-
ляемого (</упри ty= 15—35 °C) воздуха и соотношение расходов удаляемого и наружного
воздуха (GyfG^, при которых на 10% поверхности ВРТ возможно ее обмерзание, начиная
с tHvm и ниже. Для кривых fiGy/G^) характерно наличие экстремума - наиболее
97
высокой из отрицательных температур tH , что в свою очередь можно объяснить на ос-
нове данных рис. 7.55, б. На нем имеются три характерные зоны. Центральная зона при
т>1и при Gy/GH= 0,7—1,3 отражает условие накопления инея в насадке, а две крайние
при т=1 - условия полного испарения конденсата при "С и сублимации инея при
?й/т<0°С. В частности, уменьшение расхода наружного воздуха, т.е. увеличение Gy /GH,
повышает температуру поверхности tHm и поэтому снижает долю поверхности FK, покры-
той конденсатом, и массы выпадающего конденсата (инея) тг При увеличении расхода
наружного воздуха, т.е. уменьшении отношения Gy /GH снижается температура поверх-
ности насадки, возрастает доля поверхности, покрытой конденсатом А/, однако одновре-
менно возрастает масса конденсата mv которую способен поглотить возросший расход
наружного воздуха. В результате и в этом случае снижается величина in. Отражением этих
противоположных эффектов является наличие экстремума на рис. 7.55, а.
Таким образом, при т = 1 процесс тепломассообмена характеризуется равенством по-
токов явной теплоты и массы на стороне наружного и удаляемого воздуха. Как следует из
рис. 7.55, в, для этой области значения эффективности в потоках наружного и удаляемого
воздуха равны: 0, =0 , hQ, = 0а.. Процессы при fii > 1 (рис. 7.55, в) протекают при наруше-
нии равенства потоков массы и'как следствие, - потоков явной теплоты и эффективности
(0, *0, и 0Я. ф ) на стороне наружного и удаляемого воздуха. Сопоставление результа-
тов расчета значений температур с данными экспериментов для различных режимов
работы ВРТ (рис. 7.55, г) подтверждает принятую в исследованиях расчетную модель теп-
ломассообмена. В частности, из этого графика следует, что в экспериментах, проведен-
ных при и полученных из условия m = 1, инееобразование на поверхности насадки
не происходило. Наоборот, при условии tH<tHjvan в экспериментах наблюдали инееобразо-
вание. Результаты приведенных исследований явились основой разработки инженерной
методики расчета процессов в регенеративных теплоутилизаторах [7.72]. По результатам
работы можно сделать следующие выводы:
• процесс обмерзания (накопления инея) насадки регенератора при отрицательной
температуре поверхности происходят только тогда, когда масса инея, образующегося
в потоке удаляемого воздуха, больше массы инея, сублимирующегося в потоке на-
ружного воздуха; при полной сублимации инея обмерзание не происходит;
• для регенераторов, работающих при характерных для СКВ и СВ начальных парамет-
рах и соотношениях расходов воздуха: фу® 50...60%, ty~ 2О...25'С, </ди 0,5...1,5 г/кг,
Gy/GH= 0,8...1,2, режим полной сублимации достигается при критической температу-
ре наружного воздуха я -1О...-15°С;
• эксплуатация регенераторов в условиях полной сублимации инея позволяет более
полно использовать теплоту удаляемого воздуха и экономить до 40% по сравнению с
режимом поддержания соответствующим 0 °C.
Приведем пример расчета критической температуры наружного воздуха для харак-
терных условий и экономии расчетной мощности на предварительный подогрев.
Пример 7.7. Определить критическую температуру наружного воздуха, ниже ко-
торой необходимо применение мероприятий по предотвращению инееобразования
(предварительного подогрева) на поверхности насадки несорбирующего регенера-
тора ВРТ конструкции МНИИТЭП. Сравнительный расчет произвести из условий
полной сублимации инея (m = 1) при (=0 °C, рекомендуемой нормами как предпочти-
тельная. Определить снижение расчетной мощности предварительного подогрева.
98
з и борьба с инееобразованием
ВРТ, по данным исследований Е.Е.Карписа, М.Я.Поза и ВЛГрановского [7.46]:
а — зависимость критической температуры начала обмерзания tHKpum при усло-
вии т[ > т"+т2 на 10% участков поверхности насадки от соотношения расхо-
(штрих-пунктир);
паренной влаги, относительной доли поверхности насадки FK, покрытой кон-
ty=35 °C, (1у=6г/кг, tg= -10 °C и dH=0,5 г/кг (при_т > 1 происходит накопление инея
и увеличение относительной доли поверхности FK, покрытой конденсатом);
ВРТ в зависимости от температуры наружного воздуха tH
ный воздух; Qd - (сплошная); 0, - (пунктир);
г — сравнение расчетных и экспериментальных данных по определению крити-
ческой температуры начала инееобразования tH в зависимости от влагосо-
держания удаляемого воздуха dy=2...1Oг/кг при Gy/GH=1, NTUy^kFy/G^^S,
ty=20 °C, dH=0,5 г/кг (линия 1), dH=l г/кг (линия 2), dH=2 г/кг (линия 3); линии
соответствуют данным расчета, точки - данным эксперимента (о - инея
нет, • — иней есть).
99
Сотников А. Г.
Исходные данные для расчета: расходы удаляемого и наружного воздуха рав-
ны и составляют (1У— GH = 3,33 кг/с, параметры удаляемого воздуха ty=20 °C,
Данный теплоутилизатор при Gy/G„ = 1 имеет расчетную температурную эф-
фективность 0( = О, 75, a NTUy— 3.
По рис. 7.55, а определяем критическую температуру наружного воздуха из ус-
ловия сублимации при заданных параметрах воздуха и расходах: — 9,6 °C.
В этом случае количество теплоты на предварительный подогрев наружного воз-
духа от tH= — 20 °C до - 9,6 °C составит ("
кВт. Определяем критическую температуру пару:
ющую tH=О °C:
+ 2-0+(-20)(1-9,75) ,
1+0( 1+0,75
В этом случае количество теплоты, необходимое для предварительно-
го подогрева наружного воздуха от tH= — 20 °C до -2,9 °C, составит
Q'r =3,33-1[-2,9-(-20)]=57,4 кВт. Сокращение расчетной мощности пред-
варительного подогрева с учетом режима инееобразования при работе ВРТ
составит ~38%.
7.3.2 Расчет времени обмерзания вращающегося регенеративного теплоутилизатора с
несорбирующей насадкой. Нижеприводимая методика, одна из немногих известных нам,
разработана В.П. Ильиным и Н.К. Шапошниковым [7.43], суть ее кратко сводится к сле-
дующему. В холодный период года теплообмен, сопровождаемый массообменом при кон-
денсации водяного пара из уходящего воздуха, приводит при tH<tHKpum= — 10 °C к накопле-
нию в каналах инея, который со временем перекрывает проход удаляемому через аппарат
воздуху. Это происходит при выпадении на поверхности насадки остаточного конденсата,
т.е. водяных паров, которые сконденсировались в виде жидкости или инея, однако не ис-
парились и не сублимировались в потоке холодного наружного воздуха. Этому явлению
соответствует остаточная разность влагосодержаний:
В отличие от рекомендаций общего характера (-2-4 часа между остановками ап-
парата для оттаивания), ниже приводится более строгое описание этого явления с ука-
занием его фаз и расчетом общего времени обмерзания. Авторы работы [7.43] предло-
жили достаточно строгую физико-математическую модель этого явления и выполнили
теоретические и экспериментальные исследования процесса образования и нарастания
инея в аппарате, изменения плотности инея р в зависимости от различных факторов;
это позволило в конечном счете предложить инженерный метод расчета времени об-
мерзания ВРТ. Оказалось, что при прочих равных условиях аппараты с эффективнос-
тью процесса 9^=0,60—0,85 наиболее подвержены обмерзанию. При эффективности
9,у< 0,60 возрастает температура насадки и снижается инееобразование, а при 9П,> 0,85
улучшаются условия для сублимации инея в наиболее холодных сечениях насадки, что
замедляет процесс обмерзания.
Установлено (рис. 7.56, а), что общее время обмерзания насадки может быть представле-
но тремя периодами. Первый, продолжительностью около половины общего времени, харак-
100
’теризуется интенсивным отложением инея на поверхности насадки, при этом происходит
постепенное снижение расхода удаляемого воздуха до 80% от начального. Второй, продол-
жительностью около четверти общего времени обмерзания, связан с быстрым уменьше-
нием расхода воздуха до 10% от первоначального. Наконец, третий, когда иней закрывает
всю поверхность насадки и ее живое сечение, в этом случае расход воздуха падает до нуля.
Естественно, что использовать утилизатор в таком режиме невозможно, а лучше ограничить-
ся первым периодом, когда расход удаляемого воздуха составляет 70-80% от начального.
В опытах было установлено, что плотность инея в насадке зависит от температуры ее
[поверхности и скорости воздуха (рис. 7.56, б) и в тоже время мало зависит от влагосодер-
жания удаляемого воздуха. На процесс влияет остаточная разность влагосодержаний Admn
(формула 7.46), которая согласно рис. 7.56, в зависит от температуры tH и влагосодержа-
ния d=2—14 г/кг при условии Gy/GH=\ и эффективности теплоутилизатора 0^=0,75.
Искомое время обмерзания роторного утилизатора предложено определять по зави-
симости:
L = 0,0Up„/3600M,(vp)J.,4, (7.47)
I где (гр)у- массовая скорость воздуха в живом сечении насадки, кг/(м2-с); А - коэффи-
циент: А = 0,68 при dy= 3...6 г/кг; А = 0,52 при dy= 6...10 г/кг; А = 0,37 при dy= 10...14 г/кг.
Поясним методику аналитического определения времени обмерзания ВРТ примером.
Пример 7.8. Определить время обмерзания насадки роторного утилизатора теп-
температуре насадки 1т = — 10°С.
Предварительно по рис. 7.56, б при tnoe= — 10 °C и у =2,5 м/с определяем плот-
ность инея р=260 кг/м2, а по рис. 7.56, в при tH= — 20 °C и dy=10 г/кг находим
Ad=16-10~5 кг/кг, А=0,52. Искомое время обмерзания насадки теплоутилизато-
ра в данных условиях составит:
^ = 0,010,52-260/3600-16-105-3 = 0,8ч.
В практическом отношении это означает, что каждые полчаса потребуется
проводить оттайку аппарата тем или иным методом (предварительным подог-
ревом, перепуском части наружного воздуха мимо аппарата, кратковременным
отключением подачи наружного воздуха на 5—10 мин и оттайку — просушку на-
садки за это время и др.). Очевидно, что существующие методики расчета эф-
фекта утилизации теплоты ни это, ни другие эксплуатационные обстоятельс-
тва не учитывают и поэтому дают завышенный результат.
Процесс инееобразования в ВРТ рассмотрен во ВНИКондиционер [7.31]. Проанализи-
рован процесс конденсации влаги при насадке из несорбирующего материала. Он протекает
[на части поверхности при относительном расстоянии хи = 0... 1, ограниченном условием:
р В случае если величина хм больше или равна единице, на всей поверхности аппа-
рата протекает режим с влаговыпадением. Расчет величины хм.=Хм + Хм удобно про-
изводить по номограмме (рис. 7.57) в зависимости от параметрического комплекса
• Вр=(1у-1Ур)/(1у-1я), массовой скорости воздуха (vp)y и соотношения расходов g = GH /Gy.
101
7.3.3 Меры борьбы с обмерзанием пластинчатых теплоутилизаторов. В таком аппара-
те при обледенении поверхности канала уходящего воздуха проход через него наруша-
ется. То место., где по обе стороны пластины контактирует холодный наружный воздух о
охлажденным удаляемым, называют «холодным» углом (рис. 7.1, в). Если иней перекры-
вает движение воздуха в первом канале, то после этого второй канал становится первым.
Холодный наружный воздух приводит к образованию очередной ледяной пробки и заку-
пориванию этого канала. Таким образом процесс развивается дальше. В итоге теплобмеи-
ники канального типа обмерзают значительно быстрее, чем открытого типа.
102
Рис. 7.57. Номограмма ВНИИКондиционер для определения относительной длины хм ,
аппарата соответствуют зоне влаговыпадения).
Кроме общих факторов, пластинчатые и роторные теплоутилизаторы имеют свои
Особенности конструкции и режимы работы, которые определяют специфику инееобра-
зования в них. Так, пластинчатые теплообменники могут быть открытого или канального
вида, в последних удаляемый воздух перемещается раздельными потоками (рис. 7.58,а) и
проходит через специальные каплеоотделители. Может отличаться и взаимное направ-
ление потоков наружного и уходящего воздуха (рис. 7.58, б, в, г, д), что влияет как на
положение т.н. «холодного утла», так и на условия стекания образующегося конденсата,
а также взаимное положение этих поверхностей и возможность попадания влаги в зону
инееобразования и наледи, что крайне нежелательно. Лучший вариант, когда стекающий
конденсат движется вниз и находится в стороне от «холодного угла» (рис. 7.58, б).
Вид характеристики вентилятора удаляемого воздуха в процессе обмерзания играет
важную роль. При пологой характеристике вентилятора, что соответствует загнутым впе-
ред лопаткам, в оставшш жалах увеличивается отношение G,,/G„, и
103
поэтому интенсивность обледенения снижается. При движении воздуха по каналам гра-
витационные силы оказывают заметное влияние на движение конденсата.
В)
Д)
Рис. 7.58. Вид пластинчатого теплоутилизатора канального типа (а) и варианты вза-
стекающего кон денсата — стрелкой в центре аппарата, последнее влияет на
условие и место сбора конденсата в поддоне теплообменника. Учитывая вза-
локальных разностей температур уходящего и наружного воздуха, где целесо-
образно интенсифицировать теплообмен.
Условия инееобразования в плоскости пластины и относительных ее координатах
X и Y перекрестно-точного теплоутилизатора на математической модели исследовал
С.М. Анисимов [7.3]. Для конкретных начальных условий локальные поля текущих раз-
ностей температур и влагосодержаний удаляемого воздуха и воздуха вблизи поверхности
пластины представлены на рис. 7.59.
Начальные условия математического моделирования температурных полей и полей
влагосодержаний: tH=- 15°С, dH=0,5 г/кг, i = - 13,8 кДж/кт, /у=20“С, фу=50%, dy=8,9 г/кг,
zy=42,5 кДж/кг, dy-d=%,4 t/w, ty-t^35 °C, NTU=2, GH/G=\.(Так называемый «холодный»
угол соответствует условию X = О, У=1,0, где X - координата в направлении движения на-
ружного воздуха, Y - координата в направлении движения удаляемого воздуха.)
Для более удобного обобщения этих данных нами (А.С.) добавлены соответствую-
щие шкалы локальных коэффициентов эффективности по явному теплообмену и мас-
сообмену, отнесенные к соответствующей начальной разности параметров удаляемого и
наружного воздуха на входе в аппарат. Это позволяет в определенной мере расширить
диапазон анализа изменения температур и влагосодержаний на поверхности пластины
в относительных координатах X и Y от начальных температурно-влажностных условий,
несколько отличных от тех, которые указаны в надписи к рис. 7.59.
104
Представление о температурных полях наружного и уходящего воздуха в плоскости поверх-
ности пластинчатого утилизатора при определенных начальных условиях, поданным UNITED
ELEMENTS и Общества германских инженеров [7.27], можно получить из рис. 7.60, а, а тем-
пературы начала инееобразования при разной температуре и влажности уходящего воздуха и
разной температурной эффективности такого утилизатора определить по рис. 7.60, б.
Зависимости конденсации и обмерзания, показанные на рис. 7.60, а, б, имеют важ-
ное познавательное значение в оценке инееобразования. На основе этих и других данных
можно сделать следующие выводы:
| • опасность замерзания снижается по мере увеличения относительной влажности <ру,
особенно при высоких Если влагосодержание rfy<3,8 г/кг, то ему соответствует
I (и/'О °C, в этом случае влага не конденсируется на поверхности, а непосредственно
сублимирует;
• опасность обмерзания увеличивается с увеличением эффективности 07У и отношения
расходов GH/Gy и снижается при увеличении ty
Частичное обмерзание этих аппаратов нельзя отвергать категорически, оно может быть
допустимым, учитывая что:
• большинство объектов не работает в ночное время, когда температура tH достигает
минимальных значений;
• при эксплуатации систем вентиляции частичное обмерзание поверхности на корот-
кое время не оказывает заметного влияния на общую воздухо- и теплопроизводитель-
ность систем;
• формальный расчет приводит к пессимистической оценке явления, что однако не
всегда соответствует реальной действительности;
• при низком влагосодержании rfy<3,8 г/кг, чему соответствует ty <0°С, происходит не
конденсация влаги, а сублимация льда.
Проблему обледенения поверхности, по мнению специалистов, решают следующие меры
как по отдельности, так и в комплексе:
• подогрев наружного воздуха (полный или локальный) выше температуры обмерзания
(рис. 7.61, б) однако водяной нагреватель (рис. 7.61, о) в свою очередь будет подвер-
жен замерзанию, а электрический дорог;
• прогрев поверхности «холодного» угла специальной электропроводящей пленкой;
• введение рециркуляционного воздуха в поток наружного в «холодный» угол с учетом
разряжения в потоке наружного воздуха и избыточного давления в потоке удаляемого
воздуха после вентилятора и соответствующем устройстве управляемой эжекции —
«регулируемом» тройнике (рис. 7.61,6);
• использование воздушного клапана для временного прекращения доступа наружного
воздуха в «холодный» угол (рис. 7.61, в);
• использование многостворчатого воздушного клапана при поочередном закрытии
его створок в случае обледенения (рис. 7.61, г);
• оттайка «холодного» угла при отключении подачи наружного воздуха на 3—5 минут по
перепаду статического давления в потоке уходящего воздуха в «холодном» углу;
• уменьшение соотношения GH/Gy до величины 0,5, но так, чтобы ty- Д/Уне оказалось
ниже tH+StH, что реализуется применением управляемого обвода наружного воздуха,
к тому же летом выполняющего функции второго подогрева (рис. 7.61, д).
7.3.4 Определение начальной температуры инееобразования. Основным вопросом при
защите теплоутилизаторов от инееобразования является определение критической тем-
105
пературы наружного воздуха, соответствующей началу процесса инееобразования на теп-
лопередающей поверхности аппарата [7.32]. Экспериментальное р ешение этого вопроса
связано с большим объемом исследовании из-за многообразия климатических условий
и конструктивных решений теплоугил изаторов различных типов. Более приемлем метод
решения этой задачи, основанный на математическом моделировании соответствующих
процессов тепломассообмена.
Х = 0,0-«влага»
Х = 0,0-«иней»
Х = 0,2-«влага»
Х = 0,2-«иней»
Х = 0,4-«влага»
Х = 0,6-«сухо»
X = 0,6 - «влага»
Х = 0,8-«сухо»
X = 0,8 - «влага»
Х= 1,0-«сухо»
среднее значение
Х = 0,0-«влага»
Х = 0,0-«иней»
X = 0,2 - «влага»
Х = 0,2-«иней»
X = 0,4 - «влага»
Х = 0,6-«сухо»
X = 0,6 - «влага»
Х = 0,8-«сухо»
Х = 0,8- «влага»
Х= 1,0-«сухо»
X = 1,0 - «влага»
среднее значение
Рис. 7.59. Графики полей перепадов температур (а) и перепадов влагосодержаний (б)
вблизи поверхности пластины и движущегося воздуха в координатах X и Y для
перекрестно-точного пластинчатого теплоутилизатора и соответствующие
локальные коэффициенты эффективности по температуре 0, и влагосодержа-
нию 0rf, по данным исследований С.М. Анисимова.
106
Рис. 7.60. Данные о конденсации и температуре инееобразования пластинчатого тепло-
утилизатора:
а — зона конденсации в пластинчатом теплоутилизаторе (затенена) и изотер-
мы потоков наружного и уходящего воздуха при ty=24 °C, <$y=100%, tH= — 8 °C и
б — зависимость начальной температуры инееобразования tHKpum от сочетания
относительной влажности (ру и эффективности пластинчатого теплоутили-
затора QTynpu ty= 20 °C (сплошные), ty= 30 °C (пунктир). Ключ: при ty= 20 °C,
^y=50%uQ„=0,60tHKru^-6-C.
107
тых теплоутилизаторов:
г для борьбы с обледенением пластинча-
лодном» углу выше температуры обмерзания, однако при водяном нагревателе
последний сам нуждается в защите от замерзания воды в трубках;
б - устройство для введения удаляемого воздуха в поток наружного за счет
эффекта разряжения, избыточного давления удаляемого воздуха и поворотного
г - воздушный многостворчатый клапан для частичной оттайки образовавше-
гося в «холодном» углу льда (инея) с контролем перепада давления;
д — обводной воздушный клапан в потоке наружного воздуха, изменяющий со-
Эти процессы в противоточных рекуперативных теплоутилизаторах (пластинчатых,
на базе тепловых труб, с промежуточным теплоносителем) описываются единой математи-
ческой моделью [7.33, 7.71], некоторые отличия определяются конструктивными особен-
ностями конкретных аппаратов. Тепломассообмен во вращающихся регенераторах с несор-
бирующей насадкой для условий кондиционирования можно считать стационарным при
независимости явного теплообмена от массообмена [7.39,7.68] и описывается аналогичной
математической моделью. Решения уравнений этой модели при соответствующих гранич-
ных условиях служат основой при оценке возможности инееобразования.
В процессе понижения температуры наружного воздуха в холодный период года на-
ступает момент, когда при данных начальных параметрах удаляемого воздуха и расходах
наружного и удаляемого воздуха температура поверхности аппарата в потоке удаляемого
воздуха становится нулевой. При этом если 1у>0 °C начинает развиваться процесс инее-
образования на теплопередающей поверхности. В случае если /У(£0”С процесс инееобра-
зования начинает развиваться, когда температура поверхности примет значение typ.
108
^утилизаторов и борьба с инееобразованием
I Определение критической температуры наружного воздуха соответствую-
щей началу развития процесса инееобразования, является важным этапом при ана-
“тзе решений возможной защиты теплоутилизатора от обмерзания. При наружных
шературах ниже нужно предусматривать специальные меры, исключающие
®итие инееобразования и обеспечивающие эффективную работу аппарата. При
иивоточной схеме движения инееобразование начинает развиваться в месте входа
нужного и выхода удаляемого воздуха. При перекрестной схеме инееобразования
оисходит в т.н. «холодном» углу, между местом входа наружного и выхода удаляемо-
го воздуха. Во всех случаях в этом месте температура поверхности аппарата наиболее
низкая. Характеристика возможных теплотехнических режимов, соответствующих
нулевой температуре поверхности, зависит от величины 1Ур. Если эта температура по-
ложительна, то режим «мокрый» (влаговыпадение происходит на всей поверхности)
пи «комбинированный» (влаговыпадение происходит на части поверхности). Если
же эта температура отрицательна, то режим «сухой».
В цитируемой статье авторы предложили расчетные зависимости для вычисления
'яч.™ Л™ Разных типов теплоутилизаторов при разных режимах их работы. В силу слож-
ности этих зависимостей и отсутствия в статье ряда промежуточных величин приведем
1лько номограммы (рис. 7.62) для конкретных теплоутилизаторов, позволяющих найти
жомую критическую температуру. Учет описанной особенности тепломассообмена при
роектировании систем утилизации позволяет выбирать наилучшие системные решения,
оеспечивающие эффективную работу теплоутилизатора без дополнительного оборудо-
вания для его защиты от инееобразования.
Комплекс зависимостей, характеризующих физические условия возникновения в
пластинчатом противоточном теплоутилизаторе инея, разработан во ВНИИКондиционер
[7.37] и представлен на рис. 7.63.
Обращаем внимание читателя, что серийно выпускаемые многими производителями
I оборудования пластинчатые рекуперативные теплоутилизаторы являются не противо-
I точными, а перекрестно-точными. Поэтому полученные из графиков рис. 7.63 цифры к
ним могут не относиться.
В Фирмы-производители теплоутилизационного оборудования в определенных случа-
ях указывают критическую наружную температуру, ниже которой начинает развиваться
процесс инееобразования. Особенно в этом заинтересованы производители Северной
Европы. Так, например, для пластинчатых утилизаторов немецких кондиционеров WOLF
приводится номограмма, позволяющая определять критическую температуру наружного
воздуха на входе в аппарат в зависимости от температуры и влагосодержания удаляемого
воздуха и соотношения расходов наружного и удаляемого воздуха (рис. 7.64).
К 7.3.5 Оценка режима обмерзания теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем.
При высокой влажности удаляемого воздуха температура части поверхности аппарата
оказывается ниже температуры точки росы, на ней происходит конденсация водяного
пара из воздуха. При отрицательной температуре части поверхности конденсат образует
иней и наледь, они уменьшают сечение для прохода воздуха, при этом снижается произ-
водительность вытяжного вентилятора и эффективность процесса утилизации теплоты.
I Как меру борьбы с этим явлением применяют байпассирование жидкости или части
наружного воздуха мимо утилизатора, периодическое прекращение циркуляции жидкос-
ти (воды или раствора этиленгликоля в воде), дополнительный подогрев жидкости в теп-
лообменнике от постороннего источника.
109
Рис. 7.62. Номограммы для определения критической температуры наружного воздуха,
при которой начинается инееобразование в зависимости от параметров уходя-
щего воздуха:
а, б — рекуперативный пластинчатый утилизатор типа ТП.05-Т2РК при
NTU=4,5 и GH/Gy=l. Ключ: при ty=25 °C и ty =14 °C теплоутилизатор рабо-
тает в «мокром» режиме, t т= — 13 °C (рис. 7.62, а). Аналогично при iy=50
кДж/кг и t=25 °C tHicpum= - 14'С (рис. 7.62, б);
110
Рис. 7.62, в, г — вращающийся регенератор ТП...Э2РГ (без учета сублимации) при
NTU = 5,7 и GH/Gy=l. Ключ: при ty= 25 °C и typ = 14 ‘С теплоутилизатор
работает в «мокром» режиме, 1И1сррп = - 4,5 Ю (рис. 7.62, в). Аналогично при
iy— 50 кДж/кг и ty = 25 "С tHjcppm = — 4 °C (рис. 7.62, г) — все по данным
Г Сравнительный анализ методов борьбы с инееобразованием [7.36] выполнен на
основе расчетов по специальной программе в ЦНИИЭП инженерного оборудования.
Рассмотрены три варианта схемы теплоутил изатора:
• с перепуском части наружного воздуха;
111
e) GH/Gy
твующей началу инееобразования от соотношения расходов G„=G,rIG„ и
теплообменника; г-для рекуперативного теплообменника; сплошные линии -
противоток, пунктир — прямоток — все по данным Е.Е. Карписа, М.Я. Поза
и В.Л. Грановского [7.47].
• с возвратом части подогретого наружного воздуха на вход (для этого нужно, чтобы
приточный вентилятор был установлен сразу после утилизатора);
• с последовательным отключением секций аппарата с помощью шиберов на тракте
удаляемого воздуха.
Все три схемы (рис. 7.65) исследовали в одинаковых условиях, когда возникает необ-
ходимость борьбы с инееобразованием, т.е. при Гя<-20 °C. При исследовании определяли
изменение теплопроизводительности Q/Qv расхода воздуха L/Lmx, аэродинамического
сопротивления ЕРИ/ЕР, ЕРУ /ЕР по наружному и уходящему воздуху и эффективности
теплоутилизатора 0;у. Сравнение характеристик исследованных схем (рис.7.65) показа-
ло, что первая схема имеет невысокую эффективность утилизации 0;у при /„<-20 °C, в
третьей с секционным отключением она еще ниже при повышеннии сопротивления. Во
второй схеме с рециркуляцией сильно возрастает аэродинамическое сопротивление, так
что каждая из схем имеет недостатки.
Характер изменения коэффициента эффективности 0?у в зависимости от соче-
тания начальных состояний потоков воздуха рассмотрен во ВНИИКондиционер
[7.34]. В течение холодного периода года изменяются теплофизические режимы ра-
боты аппарата: без влаговыпадения («сухой»), с выпадением влаги на части поверх-
ности (частично «мокрый») и на всей поверхности («мокрый»). Авторы предложили
единый по структуре коэффициент эффективности процесса по температуре и вла-
госодержанию.
Зависимости, качественно описывающие эффективность утилизации в каждом из
режимов работы рекуперативного и регенеративного утилизатора с несорбирующей на-
садкой, показаны ранее на рис.7.13.
112
Эксплуатационные режимы работы теплоутилизаторов и борьба с инееобразованием
Рис. 7.63. Комплекс:
сс инееобразования на тепло-
по данным ВНИИКондиционер:
рат до сечения, где tm=O"Cот параметрического комплекса &=(ty-tyi)/(
б - зависимость критического по условиям инееобразования соотношения расходов
воздухаСНчшт = G„ IGrom начальных параметров воздуха ty t№ (vp) у~ 5-7 кг/(м‘-с)
О’С;
113
= 1 мм и а = 28 Вт/лг- С.
начала инееобразования от
наружного
ческой энтальпии уходяще-
7.3.6 Компьютерное моделирование тепло- массообмена и процесса инееобразования в
рекуператоре с полупроницаемой конструкцией пластин. Несмотря на существенные разли-
чия теплообменников, используемых в системах утилизации теплоты, можно выделить
несколько основных расчетных физико-математических моделей, описывающих процессы в
теплообменных аппаратах. Такой подход позволяет легко создать систему автоматизиро-
ванного расчета процессов в теплоутилизаторах. Расчетные физико-математематические
модели классифицируют по трем признакам [7.13]:
* характеристике процессов тепло- и массопереноса;
• форме описания термодинамических связей между функциями состояния;
• характеру взаимного движения обменивающихся сред.
В зависимости от характера процессов тепло- и массопереноса различают такие модели:
• модель теплопередачи через разделяющие потоки стенку, в том числе оребренную
(ТП-модель);
• модель тепло- и массопереноса на поверхности раздела при непосредственном кон-
такте двух рабочих тел - жидкости и воздуха (ТМО-модель);
• модель теплопередачи через разделяющие потоки стенку (оребренную или неореб-
ренную) при наличии тепло- и массообмена на одной или обеих поверхностях стенки
(ТМП-модель).
яния различают два вида расчетных моделей:
: связей между функциями состо-
114
соответствующей началу процесса инееобразования в пластинчатых
теплоутилизаторах центральных кондиционеров KG WOLF (Германия), в за-
шения расходов наружного и удаляемого воздуха. Ключ: при расходе наружного
воздуха LH/Ly = 1,1 и расходе удаляемого воздуха Ly/LyHOU=0,5, при темпера-
туре удаляемого воздуха ty= 18 "С и влагосодержании dy= 10г/кг критическая
температура начала инееобразования составляет tH рт=— 12 XI.
В • линейная модель, если параметры массообменивающихся сред меняются в узких
пределах возможна линеаризация термодинамических связей, например между вла-
М госодержанием и температурой воздуха на линии насыщения, а задача расчета теп-
I ло- и массопереноса сводится к решению линейных дифференциальных уравнений.
К> Линейная модель используется также при расчете теплопередачи, не осложненной
Ъ массообменом (ТП-модель);
I • нелинейная модель, если при описании совместно протекающих процессов тепло- и
К- массопереноса используются нелинейные термодинамические связи, например меж-
К ду влагосодержанием воздуха на линии насыщения и его температурой в том смысле,
что эти параметры связаны нелинейно. В результате дифференциальные уравнения,
К описывающие процессы тепло- и массопереноса, оказываются нелинейными.
В зависимости от направления взаимного движения обменивающихся сред различают
, модели - прямоточную, противоточную и перекрестно-точную. В перекрестной схеме
[ каждая из тепло- и массообменивающихся сред может не перемешиваться по ходу дви-
г жения. Это значит, что параметры сред изменяются по двум координатам. Возможна пе-
• рекрестная схема, в которой одна теплообменивающаяс я среда перемешивается, а вторая
I не перемешивается. В системах утилизации тепла по ходу движения воздуха может быть
115
установлено несколько теплообменников, соединенных по прямоточно-перекрестной
или противоточно-перекрестной схемам.
зона инееобразования
тора Q/Qp расхода воздуха L/Lm, аэродинамического сопротивления ЫРИ/ЬР,
\Ру/\Р, а также эффективности утилизатора в^в зависимости от наруж-
ности наружного воздуха (сплошные); возврат части подогретого наружного
воздуха (пунктир) и последовательное отключение секций аппарата (штрих-
пунктир), по данным ЦНИИЭП инженерного оборудования.
Математическое моделирование тепло- массообменных процессов в теплоутили-
заторах СКВ и СВ пластинчатого типа отражено в работах Е.Е. Карписа, М.Я. Поза,
В.Л. Грановского [7.46], С.А. Анисимова [7.3 - 7.5], Б.И. Вялого [7.18, а], Н.В. Белоногова
и ВА.Пронина [7.8 — 7.11] и др. Последние из упомянутых исследований кратко описаны
в п. 7.2.2. Данный метод является эффективным и достаточно точным д ля изучения тепло-
массообмена в теплоутилизаторах перекрестно-точного типа. Аппараты подобного типа во
многих случаях оказываются предпочтительными для реализации оптимальных компоно-
вочных решений в системе. Ниже приводится система уравнений для расчета текущих тем-
ператур наружного и удаляемого воздуха, температуры поверхности пластины на основе
матричного метода (рис. 7.66, а). При этом вся поверхность пластины разбивается на отде-
льные ячейки. Координатная ось х выбрана так, что она соответствует направлению движе-
ния уходящего воздуха, шаг ячеек обозначен как Ах, а текущий номер сечения обозначен
«к», «к+1» и т.д. Вторая координатная ось у соответствует направлению движения наружно-
го воздуха, шаг ячеек обозначен Ду, а текущие номера сечений — как «т», «т+1» и т.д.
116
Ly, ty, фу
б) Ц.Ъ
Ly,ty,9y
L Введя предположение об отсутствии перемешивания отдельных струек воздуха в каж-
дом потоке, представим зависимости Б.И. Вялого [7.18,а] для пошагового расчета темпе-
ратур воздуха и поверхности пластины в произвольной клетке матрицы:
X2Ay-l)+Ay-NTUy-trM^x,
Если на рассматриваемом элементе поверхности конденсация не происходит, т.е. спра-
ведливо неравенство то ее температуру определяют по зависимости:
- (AyCiy IAH <хд )th
V В случае конденсации водяного пара из уходящего воздуха на холодной поверхности
истины текущую температуру этой поверхности определяют из решения уравнения:
где A'y = Aytty /(ансв). При решении последнего уравнения используют метод итера-
ций и формулу М.И. Фильнея.
117
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
В последующей работе Н.В. Белоногова и В.А. Пронина [7.4] исследованный реку-
ператор, как объект математического моделирования процессов тепломассообмена, от-
личает конструкция насадки. Она выполнена из капиллярно-пористых пластин, одна из
сторон котор! ющая к потоку наружного воздуха, покрыта влагонепроница-
емой пленкой. Компоновка теплообменного пакета учитывает, что каналы, ограничен-
ные пористыми поверхностями пластин, предназначены для прохода удаляемого воздуха.
Такая конструкция названа «полупроницаемой».
Подобная конструкция насадки позволяет реализовать утилизацию теплоты удаляе-
мого воздуха в режиме тепломассообмена (рис. 7.66, 6) с конденсацией влаги на капил-
лярно-пористых стенках канала. В то же время нагревание наружного воздуха в таком
аппарате происходит в «сухом» режиме, без его увлажнения. Это, с одной стороны, ис-
ключает затраты теплоты на испарение влаги в поток наружного воздуха, а с другой, — ис-
ключает воздействие микрофлоры и осемененности испаряющейся влаги. Кроме того,
использование гигроскопических насадок позволяет подавить эффект «захлебывания»
при конденсации влаги на поверхности такой насадки. Однако обоснование потенци-
ально заложенной эффективности и рационального режима работы таких утилизаторов
возможно только после детального исследования и анализа результатов.
Представленные на рис. 7.66, б результаты компьютерного расчета одного из режимов
работы исследованного аппарата позволяют судить о трех зонах активного тепломассооб-
мена в каналах удаляемого воздуха. Они отличаются характером протекающих процес-
сов, влияющих на возникновение и развитие инееобразования. В общем случае имеются
четыре режима работы теплообменника, в которых различны относительные площади
образования росы и инея:
• «сухой» теплообмен на всей поверхности насадки;
• конденсация влаги в виде инея на части поверхности насадки;
• конденсация влаги в виде инея и росы на части поверхности насадки;
• конденсация влаги в виде росы на части поверхности насадки.
По результатам компьютерного расчета на рис. 7.67, а, б, в, г представлены комп-
лексные зависимости, характеризующие сочетание относительных площадей инееобра-
зования и конденсации влаги в виде росы от температурно-влажностных режимов работы
утилизатора <ру tH, GH /Gy, NTUy и др.). Возникновение разных режимов зависит от
текущего соотношения двух температур - точки росы уходящего воздуха и поверхности
насадки в каждом конкретном элементе этой поверхности. Анализ результатов проведен-
ных исследований (рис. 7.67, а, б, в, г) показал, что в диапазоне температур уходящего
воздуха /у= 14-22 “С переход от «сухого» теплообмена к режиму конденсации влаги при
/я= — 10 °C характеризуется отрицательной fnwJnin и ty = — 10—0 °C, т.е. наблюдается ре-
жим инееобразования. Повышение относительной влажности <рупри ty >0 °C приводит к
возникновению между участками инееобразования и «сухого» теплообмена увеличиваю-
щейся зоны конденсации влаги в виде росы (рис. 7.67, в). При этом начало инееобразова-
ния происходит на более удаленных от входа воздуха участках насадки.
Таким образом, после достижения своего максимума кривых F„ (рис. 7.67, а) снижа-
ется относительная площадь поверхности насадки, покрытая инеем. Ярко выраженные
экстремумы этих кривых соответствуют началу возникновения зоны конденсации влаги
в виде росы при отрицательных температурах поверхности.
Представленные здесь зависимости, рассматриваемые в своей совокупности, явля-
ются основой для оценки путей реализации эффективной работы пластинчатого утили-
затора и снижения опасности образования инея в каналах его насадки.
118
Рис. 7.67. Комплексные зависимости относительной площади образования инея FUH и относительной площади зоны конденсации влаги в виде росы Fpo
tB=-10 °C при ty <0 °C. (По данным С.М. Анисимова [7.4])
Поясним методику анализа опасности инееобразования с оценкой относительной
поверхности при известных параметрах уходящего воздуха (ty, <ру) и разных температурах
наружного воздуха tH в условиях, соответствующих выполненным С.М. Анисимовым ис-
следованиям.
Пример 7.9. Оценить опасность конденсации влаги в виде инея и росы для плас-
тинчатого полугигроскопического утилизатора при ty= 18°С, <ру 50%, typ=8 °C,
dy= 6,5г/кг и наружных температурах в интервале tH= 0...-30 °C.
По графику рис. 7.67, г определяем для разных наружных температур относи-
тельные площади конденсации влаги в виде росы и инея:
• nputH=0°C ^,=0,30;
= 0,52;
• nputH=-36°C F,„„+F., = 0,42.
Таким образом, во всем диапазоне отрицательных наружных температур будет
наблюдаться «мокрая» поверхность значительной площади с частично выпавши-
ми на нее инеем или росой. Уточним рассматриваемое явление в части соотноше-
ния этих зон на основе рис. 7.67, айв. В частности, при температуре наружного
воздуха tH= — 10 °C первая составит примерно 13%, а вторая — 45% от общей
поверхности аппарата.
7.3.7 Экспериментальные данные по обмерзанию пластинчатых перекрестно-точных ре-
куператоров. При отрицательных температурах наружного воздуха возможно как обледе-
нение, так и образование инея в каналах пакета. Возникновение льда для условий экс-
плуатации рекуперативных теплообменников может происходить вследствие натекания
пленки конденсата на слой инея, а не при непосредственном замерзании водяной пленки
(или капель). Поскольку плотность инея много ниже плотности льда, именно кристаллы
инея блокируют каналы и являются причиной возрастания перепада давления в каналах.
Исследования специалистов в области тепломассопереноса и гидродинамики показали,
что деградация теплообмена происходит в основном вследствие роста аэродинамического
сопротивления теплообменной поверхности. Блокирование каналов твердой фазой при-
водит к увеличению сопротивления пакета, что ведет за собой снижение расхода по трак-
ту удаляемого воздуха. Потенциала удаляемого воздуха при малых расходах недостаточно
для нагрева приточного, и эффективность рекуператора снижается. Рост термического
сопротивления твердой фазы в результате накопления конденсата оказывает вторичное
воздействие на эффективность аппарата, а на начальном этапе инееобразование может
быть даже выгодно. Действительно, отдельные кристаллы инея могут работать как интен-
сификаторы теплообмена подобно ребрам и турбулизаторам потока.
Влияние образования инея на эффективность и сопротивление теплообменного паке-
та исследовано опытным путем на лабораторном стенде СПбГУНиПТ [7.11]. Испытания
проводились в течение девяти часов, при этом через определенные промежутки времени
измеряли средние температуры приточного и удаляемого воздуха на входе и выходе из ре-
куператора, а также падение давления в пакете. В помещении поддерживалась постоянная
температура и влажность (ty = 21 °C, <ру=30%). В конце эксперимента теплообменный пакет
был вскрыт (при отрицательной температуре) и распределение инея было зафиксировано
120
визуально. По прошествии девяти часов часть, каналов пакета была полностью перекрыта
инеем. По длине канала иней имел различную структуру, что изображено на рис. 7.68, а.
| Так, в начале зоны инееобразования наблюдалось плотное скопление мелких кристал-
лов (зона I). Высота этого слоя постепенно росла по длине канала, плотность инея при этом
уменьшалась. Далее шла зона //инея с малой плотностью, который перекрывал практичес-
ки весь канал. В конце зоны располагались отдельные крупные кристаллы, постепенно ис-
чезающие к концу канала (зона III). Об изменении эффективности теплообменника можно
судить по снижению степени утилизации теплоты удаляемого воздуха в процессе инееобра-
эования, т.е. по изменению температуры удаляемого воздуха 1У на выходе из рекуператора.
Из графиков видно, что изменение эффективности и сопротивления подчиняется линейно-
му закону. Есть основания предполагать, что тип образующегося инея, а, следовательно, и
Характеристики теплообменника зависят от разности температур и концентраций водяного
пара, а также гидродинамики течения. Формирование инея в одних каналах приводит к росту
сопротивления и к увеличенным скоростям течения в других каналах без инея. На основании
серии проведенных опытов и теоретических исследований можно предположить, что сущес-
твует режим стабильной работы рекуператора при отрицательных температурах, характери-
зующийся однако низкой эффективностью и высоким сопротивлением пакета.
Рис. 7.68. Зависимости, характеризующие процесс инееобразования в теплообменном па-
а — распределение инея в теплообменном пакете; значками показаны экспери-
тью инея; зона III — расположение отдельных крупных кристаллов;
инееобразования во времени. Обозначения: 1— усредненная зависимость указан-
аэродинамического сопротивления в течение первых четырех часов. Обращаем
внимание читателя, что более высокой конечной температуре соответствует
меньшее аэродинамическое сопротивление и меньшее инееобразование.
I 7.3.8 Приближенное обобщение условий возникновения инееобразования в рекуператив-
ных и регенеративных теплоутилизаторах. Из всех предшествующих материалов читатель
отчетливо представил, что наиболее «узким» местом эксплуатации утилизаторов в усло-
121
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
виях холодного климата является такое явление, как инееобразование, происходящее
и нарастающее на его поверхности. Возникновение этого явления зависит от большого
числа факторов и их сочетаний:
• типа аппарата, особенностей его конструкции, влагопроницаемости поверхности
теплообмена, схемы потоков сред, массовой скорости воздуха, числа единиц перено-
са NTU, соотношения расходов воздуха б^/бу, эффективности аппарата 6гу и др.;
• начальных параметров воздуха (ty <ру 1И), сочетание которых придает поставленной
задаче кроме распределенности и нестационарности процесса еще и нелинейность
при обработке опытных данных.
Очевидно, что процесс инееобразования носит нестационарный характер (см. и. 7.3.1—
7.3.2), поэтому отдельные зависимости относительной площади инееобразования
Fu = требуют специальных комментариев о том, какому моменту времени они
соответствовали. Учитывая очевидную сложность задачи, упростим желаемое обобщение,
введя допущение типа GH/G=\ и не рассматривая эффективность аппарата, если она спе-
циально не указана. Такие же допущения можно отнести и к другим факторам, которые
нельзя специально отделить, но можно включить в условия сравнения на качественном
уровне. В конечном счете надо помочь специалисту приближенно оценить условия нача-
ла инееобразования с тем, чтобы его не допустить или свести к минимуму (локализовать).
Перечисленные переменные в этом случае только осложняют инженерное решение. Из
множества вышеописанных исследований и публикаций отберем только те, в которых приво-
дится интересующий нас конкретный инженерный результат: условие начала инееобразования.
Обобщенные данные о критической температуре наружного воздуха tHKpum, соответствую-
щей возникновению инееобразоавания на поверхности пластинчатых рекуперативных и
роторных регенеративных аппаратов, по результатам исследовании ВНИИКондиционер,
МНИИТЭП, ТашЗНИИЭП, UNITED ELEMENTS и WOLF (Германия), в зависимости от
сочетания параметров удаляемого воздуха ty ф^, представлены на рис. 7.69.
Из анализа полученных зависимостей - изолиний tH vlm= const вытекает, что для всех
исследованных аппаратов эти линии близки между собой и расположены примерно по
d=const. Такой результат позволяет считать, что обобщение условий инееобразования
возможно и результативно, однако для каждого типа аппаратов отдельно.
Рис. 7.69. Обобщенные данные по результатам исследований инееобразования в теп-
лоутилизаторах ВНИИКондиционер, МНИИТЭП, ТашЗНИИЭП, UNITED
ELEMENTS u WOLF (Германия) критической температуры 1Нхршп, соответс-
от сочетания ty-q>yu представленные в поле i-d диаграммы влажного воздуха;
а — пластинчатые рекуперативные теплоутилизаторы: линия 1 — данные ка-
талога производителя WOLF, центральные кондиционеры KG; линия 2— данные
ВНИИКондиционер [7.32], отечественный утилизатор ТП.05-Т2РК, пунк-
тир; линия 3 - данные ВНИИКондиционер [7.37] для противоточных аппара-
тов; точки (о) с цифрами при них соответствуют 1н,риП1 по данным UNITED
ELEMENTS при эффективности 0ГУ =0,50; заштрихованная область соот-
б — роторные регенеративные теплоутилизаторы: линия 1 — данные
ВНИИКондиционер [7.32], отечественный утилизатор ТП....Э2РГ; линия
2 — данные МНИИТЭП[7.46];линия 3 — данные ТашЗНИИЭП [7.43] при усло-
вии полного испарения (сублимации) сконденсированной из удаляемого воздуха
влаги за пол-оборота колеса (Кт=О).
122
Эксплуатационные режимы работы теплоутилизаторов и борьба с инееобразованием
123
г воздуха и вентиляции
Анализ изотерм tH^= const на рис. 7.69, а, б для разных типов утилизатора указывает
на разный механизм инееобразования. В частности, в пластинчатых утилизаторах 1Нкршп при
увеличении влагосодержания ^ падает, в то время как в роторных возрастает. Поясним ме-
тодику сравнительной оценки условии возникновения инееобразования примером.
Пример 7.10. Определить критическую температуру возникновения инееобра-
зования для теплоутилизаторов различных типов и конструкций при (iH/(iy I
сравнить результаты определения этой температуры. По графику рис. 7.69, а
для пластинчатых теплоутилизаторов разных типов получаем: — 10 °C
(KG WOLF), tHvm= — 7°C (ТП.05-Т2РК), tHKpum= - 9,5 °C(UNITED ELEMENTS,
интерполяция между точками), tHKp„,= ~ 7’C (ВНИИКондиционер).
По графику рис. 7.69, б для роторных теплоутилизаторов разных типов полу-
~6,5 °C (ТП...Э2Р1), - 9,5 °C (МНИИТЭП), tHppu = - 7,5 °C
(ТашЗНИИЭП). Как следует из результатов расчета, критическая температура
начала инееобразования для разных типов и конструкций теплоутилизаторов по
данным разных организаций-исследователей в выбранных условиях оказалась не-
одинаковой, однако находилась в узком диапазоне температур 6,5„.-1О’С,
что подтверждает достоверность и корректность представленных материалов.
Впрочем из этого далеко не следует, что при любом сочетании параметров уходящего
воздуха ty, <ру искомая температура начала инееобразования для роторного и пластинча-
того аппаратов будет одинаковой. Наоборот, в силу различного физического механизма
возникновения и развития процесса инееобразования он протекает по-разному: при по-
вышении влажности <ру критическая температура в пластинчатых аппаратах падает, тогда
как в роторных — возрастает.
7.3.9 Оценка влияния перетоков воздуха на эффективность работы вращающегося регене-
ративного теплообменника. Приводимый ниже материал, заимствованный из специальной
публикации В.А. Динцина и И.Л. Розенштейна [7.35], был разработан в свое время приме-
нительно к конструкциям отечественных ВРТ. Вполне возможно, что аналогичные зару-
бежные аппараты более герметичны, а поэтому перетоки воздуха в них уменьшены по срав-
нению с приводимыми ниже. Важно, чтобы читатель обращал внимание на это явление в
случае, если удаляемый из помещения воздух загрязнен или имеет специфические запахи.
Известно, что одним из конструктивных недостатков ВРТ для утилизации тепловой
энергии вентиляционных выбросов является возможность перетекания удаляемого (загряз-
ненного) воздуха в поток приточного наружного (чистого). Для исключения или сведения к
минимуму этого явления рекомендуется в канале наружного воздуха поддерживать более
высокое давление, чем в канале удаляемого. Этим обеспечивается направленный переток
наружного воздуха в удаляемый. Использование этого приема однако приводит к сокра-
щению расхода приточного воздуха, подаваемого в обслуживаемый объект, а также к сни-
жению полезной теплопроизводительности аппарата.
Конструктивное устройство вращающихся регенеративных теплоутилизаторов определя-
ет следующие типы перетоков приточного воздуха в поток удаляемого:
• радиальные перетоки;
124
перетоки через продувочный сектор;
• перетоки за счет вращения ротора.
Радиальные перетоки представляют собой поток наружного воздуха, поступающий
I за счет перепада давлений через радиальные уплотнения в месте присоединения разде-
Длительной перегородки в канал удаляемого воздуха. Такое явление возможно до и после
I аппарата по ходу наружного воздуха.
Перетоки через продувочный сектор определяются расходом воздуха, необходимым
I для очистки каналов насадки, находящихся в зоне, ограниченной продувочным секто-
ром. Последний расположен в месте перехода ротора из канала удаляемого в канал при-
точного (наружного) воздуха.
Перетоки за счет вращения ротора вызваны переносом приточного воздуха в удаляе-
мый в каналах насадки при ее переходе из приточного тракта в удаляемый в месте, диа-
I метрально противоположном продувочному сектору.
Радиальный переток определяется объемным расходом воздуха через узкую прямо-
I угольную щель в радиальном уплотнении и вычисляется по формуле:
где д — коэффициент расхода воздуха в щели, безразм.; Д - площадь щели в ради-
В альных уплотнениях, м2; \Рр - перепад давлений в месте радиального уплотнения, Па;
I рв — плотность воздуха, кг/м3; i = 1; 2 — индекс при значениях параметров, характеризую-
щих радиальные перетоки до и после утилизатора по ходу движения наружного воздуха.
Г Величина д является функцией от значения критерия Рейнольдса, вычисленного по
I теоретической скорости истечения через щель. Эквивалентный диаметр для узкой пря-
I моугольной щели равен удвоенному значению зазора. Значение АРр должно приниматься
I не менее 40—100 Па. Величины &Рр и &РЛ отличаются удвоенным аэродинамическим со-
I, противлением аппарата, которое можно принять 180 Па, если в качестве минимального
принять АРа = 40... 100 Па, то ДР„ »400...460 Па. Анализ литературных данных позволяет
IГ считать, что коэффициент расхода можно принять д « 0,6. Значение вдвое меньше, чем
Д, т.к. после аппарата по ходу наружного воздуха половина разделительной перегородки
I находится в продувочном секторе. Оценка величины радиальных перетоков для отечес-
II твенного вращающегося регенератора производительностью 10 тыс. м3/ч при 8ч=1 мм и
I ЛРл =40 Па показывает, что она составила около 1% от расхода наружного воздуха. Для
I больших типоразмеров эта доля убывает, т.к. величина радиальных перетоков пропорци-
I ональна радиусу ротора, а расход наружного воздуха - квадрату радиуса.
Перетоки за счет вращения ротора связаны с тем, что наружный воздух, входящий в
В насадку непосредственно перед местом ее перехода в поток удаляемого воздуха, выходит
I из насадки уже в канале удаляемого воздуха. Этот расход определяется углом, на который
В поворачивается ротор за время, необходимое для прохода воздуха через насадку. В поток
В удаляемого воздуха попадает наружный воздух, проходящий через часть фронтального
В сечения аппарата, ограниченную этим углом:
(7.54)
” 30 v„
I щеп- скорость вращения насадки, мин1; 1тс - глубина насадки (по ходу воздуха), м;
vB — скорость воздуха в каналах насадки, м/с; LH - расход наружного воздуха через тепло-
утилизатор, м3/ч. Величина перетоков за счет вращения ротора не зависит от типоразмера
аппарата и составляет около 3% от LH.
125
Расход наружного воздуха через продувочный сектор с достаточной для практики точ-
ностью определяется из условия:
где ДРто - располагаемый перепад давлений для продувочного сектора, Па;
— аэродинамическое сопротивление насадки в продувочном секторе, Па. Эта
величина для конкретной конструкции утилизатора зависит от массовой скорости во
фронтальном сечении аппарата в продувочном секторе. Указанная зависимость, приво-
димая в графическом или аналитическом виде, является аэродинамической характерис-
тикой теплоутилизатора и может служить исходной для определения массовой скоро-
сти. Расчеты показывают, что минимальное значение расхода наружного воздуха через
продувочный сектор составляет 4% от LH. Результаты учета всех перетоков наружного
воздуха в поток удаляемого снижают расход приточного воздуха, подаваемого в поме-
щение на 8... 10%, что нужно учитывать при проектировании систем с использованием
ВРТ. Анализ показывает, что за счет перетоков также снижается на 5-6% теплопроизво-
дительность такого утилизатора.
7.3.10 Сравнительные характеристики пластинчатых теплоутилизаторов с разными типа-
ми насадок: гигроскопическими и негигроскопическими. Известное познавательное значе-
ние имеет представление о том, как влияет гигроскопическая насадка теплоутилизаторов
на процессы тепломассообмена. Современные пластинчатые аппараты имеют различные
запатентованные материалы насадки, а их сравнительные характеристики остаются внут-
ри фирмы и обычно закрыты для доступа инженеров-проектировщиков. В этих услови-
ях особенно важно иметь хотя бы какие-то минимальные данные о влиянии насадки на
протекающие процессы. В свете этого интересно ознакомиться с подобными отечествен-
ными исследованиями пластинчатых аппаратов [7.28] на основе поверхности из картона
или бумаги, пропитанных раствором солей хлористого лития или хлористого кальция.
Содержание соли в материале теплообменной поверхности создает более благоприят-
ные условия для работы аппарата при отрицательных температурах наружного воздуха по
сравнению с негигроскопической насадкой.
В ЦНИИЭП инженерного оборудования были проведены сравнительные исследова-
ния тепломассообмена в пластинчатом теплоутилизаторе с целью получения комплекса
зависимостей для теплового расчета такого аппарата. Исследованные на стенде три моде-
ли аппаратов состояли из пакета картонных пластин числом 25 и 49, числом каналов 13 и
25, площадью теплообменных поверхностей 8,3 и 16,26 м2 при толщине пластины 0,8 мм
и размерах аппарата 0,4 * 0,5 * 0,8 м. Результаты комплексного сравнительного исследова-
ния теплообменников представлены на графиках рис. 7.70, а, б, в, г, д, е, ж, з, и.
Опытные значения коэффициентов эффективности (0^,, 0„, 0^) хорошо согласу-
ются с их теоретическими значениями. При определении величин 07у и 07У^ коэффици-
енты теплоотдачи вычисляли по уравнениям для щелевого канала, коэффициенты мас-
соотдачи - по соотношению Льюиса, коэффициенты теплопроводности и массопровод-
ности — по данным А.В. Лыкова [7.58]. Установлено, что показатели с„и дупрактически
равны (см. рис. 7.70, з) и их можно определять по формуле:
-кг5.
126
? и борьба с инееобразованием
Коэффициенты полной и явной теплопередачи связаны соотношением (рис. 7.70, и):
I Эта зависимость ооъясняется особенностями протекания процессов тепло- и массо-
I передачи в аппарате: конденсация и испарение влаги происходят одновременно на теп-
лой и холодной поверхностях пластин по всей гигроскопической поверхности. Процессы
I сорбции протекают при незначительном градиенте температур и парциальных давлений
водяного пара в жидкости, находящейся в тонкой пластине. Таким образом, в этом аппа-
рате при равновесии влагообмена процессы массообмена практически не влияют на яв-
ный теплообмен. Как показали опыты, коэффициенты 0ГУ и 9 ту в таком теплообменни-
ке при постоянном режиме течения сред зависят только от концентрации раствора соли
| в воде (см. рис. 7.70, е).
Например, при концентрации раствора соли в воде менее 10% соотношение эффек-
тивностсй 9гу /0^ <1. Полученные зависимости можно использовать при тепловом рас-
чете такого теплоутилизатора с гигроскопической насадкой.
I 7.3.11 Сопротивление и теплообмен в теплоугилизаторах с профилированными кана-
лами. Интенсификация процесса теплообмена в той части аппарата, где наблюдается на-
ибольшая разность температур сред (рис. 7.58), позволяет уменьшить их габариты при той
же воздухо- и теплопроизводительности и фиксированном или несколько увеличенном
аэродинамическом сопротивлении. В работах [7.44, 7.60 и др.] предложены различные
практические методы интенсификации теплообмена применительно к конкретным ти-
пам теплообменных устройств и условиям их работы. Целесообразность и эффективность
' каждого из методов интенсификации зависит от вида используемых теплоносителей (воз-
дух, вода и др.), их свойств и режима движения в каналах. Это объясняется гидродинами-
ческими условиями течения среды и структурой формирующихся на стенках каналов пог-
раничных слоев. Так, по оценкам [7.60], неравномерность распределения термического
сопротивления зависит от вида среды, т.е. числа Прандтля — Рг. Если использовать трех-
слойную модель пограничного слоя в канале, то при Re = 104 для Рг = 0,72 термическое
' сопротивление вязкого подслоя гп составляет 32% общего термического сопротивления,
, а для Рг = 20 оно возрастает до 99%. При более высоких числах Рейнольдса термическое
сопротивление подслоя уменьшается. Следовательно, выбор способа интенсификации
' теплообмена тесно связан с теплофизическими свойствами сред и режимом их течения.
В теплообменниках систем утилизации ожидают ламинарный режим течения теп-
, доносителей, поэтому важным является исследование границ возможной интенсифи-
кации теплообмена в ламинарной области [7.1]. Известно [7.84], что эффективность
теплообменника с гладкими каналами постоянного диаметра при ламинарном режиме
течения как правило, повышается с увеличением скорости теплоносителя. Но при этом
гидравлическое сопротивление аппарата резко возрастает, что нерационально с энерге-
тической точки зрения. В работе [7.52] авторами исследованы плоские каналы в услови-
ях ламинарного режима течения жидкости повышенной вязкости (трансформаторное
масло) и типа «диффузор-конфузор» с предвключенным участком гидродинамической
стабилизации. Рассматривались как симметричные, так и несимметричные профили-
рованные каналы (рис. 7.71, а, б).
Отмечено, что в плоских профилированных каналах наблюдалась существенная ин-
тенсификация теплообмена во всем диапазоне изменения комплекса (1/Ре)(х/<7), причем
в симметричном канале она несколько выше, чем в несимметричном.
127
Сотников А. Г.
Таким образом, интенсификация теплообмена как в турбулентном, так и в лами-
нарном режимах может быть достигнута при использовании профилированных ка-
налов. На входе в такие каналы одновременно развиваются как гидродинамический,
так и тепловой пограничный слои. Поэтому особый интерес представляет изучение
интенсивности теплообмена на начальном гидродинамическом участке такого про-
филированного канала. Результаты исследований теплообмена и гидродинамики на
начальном участке представлены на рис. 7.71, в, г. Делая общий вывод, авторы этой
работы утверждают, что на начальном участке трубы определенной геометрии тепло-
съем повышается по сравнению с эталонной трубой на 10%, а гидравлическое сопро-
тивление возрастает в среднем на 18%.
128
Инженерный расчет процесса утилизации теплоты
7.4 Инженерный расчет процесса утилизации теплоты
7.4.1 Расчет процесса утилизации теплоты в системе с промежуточным теплоносителем.
Эту систему образуют воздухоохладитель, установленный в потоке удаляемого (теплого)
воздуха, и воздухонагреватель, установленный в потоке наружного (холодного) воздуха
(рис.7.1, а, 7.5) и циркулирующий между ними теплоноситель — вода или этиленгликоль.
1рафическое представление об изменении состояния наружного и удаляемого воздуха, а
также температур воды при утилизации теплоты в системе с промежуточным теплоноси-
телем можно получить из рис. 7.72.
1 Расчет процесса в каждом из этих аппаратов ведется в полном соответствии с изложенным
в гл. 5 и гл. 6. Основное отличие заключается в том, что между этими аппаратами циркулирует
теплоноситель - рабочее вещество, начальная и конечная температуры которого неизвестны
и должны быть взаимоувязаны с расчетом и работой обоих аппаратов. Воздухоохладитель в
системе с промежуточным теплоносителем может работать в разных режимах: «сухом» (без
выпадения конденсата), в «мокром» (с конденсацией водяного пара на части или всей повер-
хности) — см. рис. 7.72. Расчет «мокрого» режима производится по разности температур на
сухой части поверхности и по разности энтальпий — на смоченной. Такой расчет значительно
сложнее, чем обычный — для «сухого» режима, поэтому здесь не приводится.
Для инженерного расчета весьма удобны зависимости (табл. 7.3) для эффективности
теплоугилизатораспромежуточнымтеплоносителем(поВ.М.КейсуиА.Л.Лондону)[7.48].
В этой таблице и в дальнейшем тексте приняты такие обозначения:
. коэффициент эффективности 0гу - теплоутилизатора по формуле (7.5);
Рис. 7.70. Комплекс сравнительных зависимостей теплотехнических характеристик
насадками, по данным ЦНИИЭП инженерного оборудования:
а, б — зависимость температурного коэффициента эффективности 9т от
числа единиц переноса явной теплоты NTU,: а - NTU: = 1; б - NTU, = 0,7;
A-0re, без пропитки; • -0^, , А—0^,, с пропиткой хлористым
в, г- зависимость коэффициента эффективности по влагообмену 9.^от числа еди-
ниц переноса влаги NTUd: в — GH/Gy=l; г — СгИ/Су=О,7 A-0rarf без про-
питки; • - 9ТУ dfi, K-Qyy yC пропиткой хлористым литием 30% концентрации);
концентрации);
питке поверхности теплообмена водным раствором хлористого лития с раз-
личной концентрацией;
>го коэффициента эффективности 07у/ от
• - 9rVi j, А-0,... с пропиткой хлористым литием 30% концентрации);
з — зависимость показателя % от параметра А и отношения коэффициентов
эффективности 6-^у,А-с без пропитки; • Ь.-£у с про-
ниткой хлористым литием 30% концентрации);
I k/k, при различ-
параметром Б=р,(1+Ь)-Ь] (о —без пропитки; Б —с пропиткой хлористым ли-
тием 30% концентрации):
129
Рис. 7.71. Конструкции и комплексные теплогидродинамические характеристики тече-
ния в профилированных каналах:
а, б — профилированные каналы типа «диффузор-конфузор» соответственно
симметричные и несимметричные, по данным[7.52и др.], при а = 12",Ь = 4,6мм,
в - зависимость среднего коэффициента сопротивления канала С, от комплекса
(l/Re)(x/d): 1 — труба типа «диффузор-конфузор»; 2 — труба равновеликого
неизменного сечения:
г - зависимость среднего значения критерия Нуссельта Nu от комплекса
(l/Pe)(x/d): 1 — труба типа «диффузор-конфузор»; 2 — труба равновеликого
мм; угол раскрытия диффузора а = 7° выбран из условия безотрывного течения
теплоносителя в канале.
• водяные эквиваленты: WH=GjjcB по наружному воздуху; Wy— GycB по уходящему воз-
духу; W„,=G„,c„, по воде или другому теплоносителю; 0„ = (ф — tH')/(ta,i эффек-
тивность процесса нагревания наружного воздуха промежуточным теплоносителем
(%)»= Оу - ty)/(ty -tr)~ эффективность процесса охлаждения удаляемого воздуха
промежуточным теплоносителем (tw ).
При известных 0„ и 0У по таблице 7.3 можно определить эффективность теплоути-
лизатора с промежуточным теплоносителем 0П, в зависимости от соотношения водяных
эквивалентов (WH, Wy W^. При прочих равных условиях расчет зависит от расхода цир-
кулирующей воды, иначе от Ww= Gwcw. При неравных GH и Gyn соответственно WH и
наибольшую эффективность можно получить, если выбрать расход воды из условия:
Wwa 0,5(M'//+W'y). При равных расходах воздуха G=Gy и условии Wv= WH= Неэффек-
тивность теплоутилизатора составит:
130
(7.58)
а в частном, но характерном случае, когда (kF)=(kF)y, эффективность определяется
по упрощенной формуле 0 „^(2/0^-iy1.
теплоты в системе с промежуточным теплоносителем: НК— нагрев наружного
воздуха; У)У[ - охлаждение удаляемого воздуха 0РУ низкая), У2У’2 - охлаждение-
В более общем случае при GH= Gyn kF^/G^^ kFy/GycB для анализа удобно использо-
вать зависимости, приведенные В.Н.Богословским и М.Я.Позом [7.13]- см. рис.7.73.
Здесь показана связь эффективности утилизации теплоты с отношением (iwcy/GIIcs
и (,kF)„/GIIcll - и виден максимум, д, 0Н при Gwcv/GHcB& 1,0 и больших
NTU= (kF)u/GBcB= 2.,.5. Поясним примером методику многовариантного выбора тепло-
утилизатора с промежуточным теплоносителем.
Пример 7.11. Рассчитать варианты теплоутилизаторов с промежуточным теп-
лоносителем, скомпонованных с одним, двумя и тремя аппаратами. Один аппарат
при GHcB— GvcB G^c^ имеет эффективность 0Я1 = 0,30. Температурные условия в
расчетном режиме: ty~ +26 °C; <ру= 30%; iy= 42 кДж/кг; tr = 7°С; tH= — 26XZ
131
Таблица 7.3.
Расчетные формулы для коэффициента эффективности
тепло)п t am pat р ж п /ь п ип [7.48]
№ Соотношение водяных эквивалентов Wv,W„,Wy Расчетная формула для коэффициента эффек- тивности теплоутилизатора 0^
1. Ww>W„>Wy l/$y+Wy/WfiH-Wy/Ww
2. Ww>Wy>WH 1/0„+ W„/ WH/Ww
WH>Wy>Ww
Wy>WH>Ww w„/ [ж„.(1/ея+1/0у-1)]
5. WH>Ww>Wy 1/еу+и;/[^(1/0я- i)i
6. Wy>Ww>WH
Wy=WH=W>Ww (1/0я+1/0у- P)WwIW
8. W=WH=W<Ww \1$уУ\/$И- W/Ww
9. Ww=WH=Wy=W 1/9я+1/0у— 1
Рассмотрим вариант теплоутилизатора с одним аппаратом на наружном и на
уходящем воздухе. Эффективность утилизатора при (kF)H=(kF)y и одинаковых
ратур по воздуху одинаковы и равны Atн= Aty= = 0,175[26-(-26)] = 9°С.
Средняя температура антифриза tx =0,5(ty +iff) = O°C, средняя температура
поверхности tF ~ 5° С, конденсация водяного пара имеет место на части поверх-
ности теплообменника на уходящем воздухе.
Вариант теплоутилизатора с двумя параллельно соединенными по теплоносите-
лю и последовательно установленными по воздуху аппаратами дает эффектив-
ность: 9я=0у=20,30-0.3(Р=0,51, $„=(2/0,51-1)' = 0,34.
132
В этом случае нагрев наружного воздуха составит: 5.11=/Д=/\1ж=0,34[26-
-(-26)]а17“С при той же средней температуре теплоносителя — антифриза.
Вариант теплоутилизатора с тремя параллельно соединенными по антифризу
аппаратами дает такие результаты: 6Н= 9У= 0,51 + 0,30 - 0,51 0,30 = 0,66;
Дальнейший анализ вариантов должен носить технико-экономический характер
с учетом стоимости оборудования, повторяемости наружных температур, дейс-
твующих и перспективных тарифов на тепловую и электрическую энергию, аэро-
динамического сопротивления аппаратов и других факторов (см. [7.7] и ф. (7.26).
Достаточно подробную инженерную методику расчета системы утилизации с про-
межуточным теплоносителем для центральных кондиционеров KG представила фирма
WOLF (см. далее рис. 7.83) .
В заключение рассмотрим случай, когда в схеме с промежуточным теплоносителем
t один аппарат в приточной установке (0„, <7„) связан промежуточным теплоносителем с
несколькими аппаратами местных вытяжек с параметрами (9У Gy ,9,G„ и т.д.). Такой слу-
чай характерен, например, для систем вентиляции лабораторий НИИ химического или
(биологического профиля (рис. 7.74).
I Расчет эффективности утилизации теплоты производится в той же последователь-
ности, при этом группу параллельг аппаратов на вытяжке заменяют од-
ним условным с расходом ЕGy -Gy +Gy +.., и средней эффективностью:
I В статье Л.И. Неймарк [7.62] рассмотрен аналогичный характерный вариант органи-
зации системы утилизации в промышленных зданиях — устройства в цехе одной приточ-
ной системы большой производительности и нескольких (иногда до 10...15) вытяжных
систем меньшей производительности. В такой системе промежуточный теплоноситель
I после каждого теплообменника имеет свой расход и свою температуру, а в расчет вводят
среднемассовую из этих величин.
7.4.2 Оптимизация выбора теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем в услови-
ях тепломассообмена. В цитируемой работе [7.69] в отличие от других исследований [7.48,
7.13] рассмотрен оптимизационный выбор теплоутилизатора при наличии массообмена -
конденсации водяного пара из уходящего воздуха. Если этого не учитывать, то оптимиза-
ция достигается при равенстве водяных эквивалентов: WH=Wy=Wr В реальных условн-
ых теплоутилизаторы значительную часть года могут работать в условиях теплообмена в
сочетании с массообменом на поверхности аппарата в потоке удаляемого воздуха. В этих
[ условиях и в дополнение к приведенным данным величина оптимального соотношения
I водяных эквивалентов зависит еще и от рядности (эффективности) аппаратов, показате-
ля степени в зависимости коэффициента теплопередачи k = ) и интенсивности мас-
сообмена. Одновременно должен рассматриваться вопрос об оптимальном соотношении
общей теплопередающей поверхности между потоками наружного и удаляемого воздуха.
Основные исследования этих многочисленных зависимостей общей эффективнос-
ти такого утилизатора от перечисленных факторов были выполнены на ЭВМ по специ-
альной программе. Основные результаты комплексных исследований представлены на
133
рис. 7.75, а, б, в, г, а их обсуждение кратко приводится ниже и представлено в форме вы-
водов по сравнению с традиционными представлениями:
• при увеличении влагосодержания dy эффективность теплоутилизатора растет,
что связано с влиянием массообмена на теплообмен в потоке уходящего воздуха
(рис. 7.75, я);
• традиционное отношение (И/я/^у)»лт=1 ИРИ «сухом» теплообмене существенно сме-
щается в меньшую сторону при наличии конденсации в зависимости от величины dy
(см. пунктир, проведенный через максимумы 9.;у=/(б/у) — рис. 7.75, я);
• показатель степени п в зависимости к = f(y"w ) для теплообменников разных типов су-
щественно влияет на выбор отношения W!l/Ww, обеспечивающего максимум эффек-
тивности (см. рис. 7.75, б);
• число единиц переноса NTU обоих аппаратов следует выбирать по возможности
большим и совместно с величиной / W^, что может обеспечить выбор наибольшей
эффективности 07у(см. рис. 7.75, в);
• оптимальное соотношение поверхностей аппаратов F=FH/Fy рекомендуется вы-
бирать больше единицы и тем большим, чем выше начальное влагосодержание
</у=5...20 г/кг, и это заметно влияет на общую эффективность теплоутилизатора
f В1 0У1 t В2 0у2 t ВЗ 0уз
ifefiifiii
при одной приточной и нескольких вытяжных установках (на примере цент-
ральной СКВ К1 для группы лабораторных помещений с вытяжными шкафами
и местными системами вытяжной вентиляции Bl, В2, ВЗ и др.).
134
Аппроксимируя результаты расчетов на ЭВМ, авторы цитируемой работы [7.69] пред-
ложили нижеследующие зависимости для оптимальных и максимальных соотношений
(поверхностей аппаратов F и отношений водяных эквивалентов Wy/W^
^»=(^/^)™«0,008Ч>, + 1,5,
= 0,4 + 0ДСя/Gy -0.0035(9, -30),
(Wy= 0,55+0,4GH/6, -О.ООббр, -30).
(7.60)
(7.61)
(7.62)
(7.63)
* Формулы (7.60) — (7.63) справедливы при фу > 30%.
Поясним методику учета начальной влажности уходящего воздуха и происходящего
массообмена на выбор теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем и сравним
с традиционным выбором оптимального теплоутилизатора без учета происходящего
массообмена.
Пример 7.12. Определить оптимальные величины и (Wy/W*,)^ при относи-
тельной влажности уходящего воздуха в среднем за холодный период фХф= 60% и
отношении расходов GH/Gy—1.
По формуле (7.60) Fmm =0,005-60 + 1=1,3. По формуле (7.62) (Wy/W^)^-
= 0,4 + 0,2 1 + 0,0035(60-30) = 0,7. Как следует из результатов расчета, ус-
ловия оптимального выбора теплоутилизатора с промежуточным теплоноси-
телем при учете конденсации водяного пара из уходящего воздуха существенно
отличаются от выбора без учета такой конденсации, т.е при условии Fonm =1,0
и (^у/^»)мт=^- Дальнейший расчет зависит от конкретных расходов и тем-
ператур, выбора конкретных аппаратов и обеспечения 0^= max при возможно
большем NTU^XkF/GKct = 3...4.
7.4.3 Особенности теплотехнического расчета вращающегося регенеративного теплоу-
тилизатора. Методы теплотехнического расчета ВРТ, работающих в условиях «сухого» теп-
лообмена, можно разделить на две группы. К первой относят основанные на замене ВРТ
эквивалентным по эффективности рекуперативным теплообменником с введением
упрощающих предпосылок о характере температурного поля во вращающейся насадке и
коэффициентов для учета нестационарности теплообмена.
Ко второй группе относят способы, основанные на решении дифференциальных
уравнении, которые описывают процессы аккумуляции и отдачи теплоты вращающей-
ся н: к И :их трудностей строгое решение уравнений получено
только для ограниченных условий (WH/W.y=\ и ^„/И^^00), где есть минимальное
значение из WH и Wy Решения приводятся в графической или табличной форме и рас-
пространяются на все остальные случаи. При частоте вращения ротора, соответствующей
5’ характеристики вращающегося регенератора и противоточного рекупера-
тора практически совпадают, и поэтому удается использовать данные по рекуператорам.
Однако при указанных методах не учитываются особенности теплообмена во вращаю-
щихся аппаратах при конденсации водяного пара из уходящего воздуха.
135
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
GH/Gy = 2,3 GH/Gy = 0,8
Рис. 7.75. Комплексные зависимости, характеризующие выбор и работу теплоутилиза-
тора с промежуточным теплоносителем в условиях массообмена при конденса-
ции водяного пара из уходящего воздуха:
а — зависимость эффективности теплоутилизатора Q^om отношения Wg/Wy
при ty= 20 °C и dy= 2 г/кг (линия 1), dy= 4 г/кг (линия 2), dy = 8 г/кг (линия 3),
dy= 11 г/кг (линия 4); пунктир при п=Оирекомендуемом WH/Wy= 1;
б — зависимость эффективности теплоутилизатора в^от отношения водя-
ных эквивалентов Wfj/W^ отношения GH/Gy= 0,8и 2,3 при сухом теплообмене
и разном показателе степени в зависимости k = f (v^ )п = 0 (линия 1), п — 0,14
(линия 2), п = 0,4 (линия 3);
в — зависимость эффективности теплоутилизатора 6^ от отношения водя-
ных эквивалентов WH/Wwnpu п=0,14, GH/Gy=O,2 (сплошная), 1,1 (пунктир-
ная), 2,1 (штрихпунктирная) и NTU[=ZKF/G^c=2 (линия 1), 3 (линия 2) и
4 (линия 3);
г — зависимость эффективности теплоутилизатора 0^ от соотношения пло-
щадей теплообменников F = FH/Fy. при NTUH=1,7 и разном влагосодержании
уходящего воздуха: dy<5 г/кг (линия 1), dy—10 г/кг (линия 2), dy=15 г/кг (линия
3), dy—20 г/кг (линия 4). Вейлу того, что оптимум исследованной функции «раз-
обоих аппаратов F = FH/Fy.
136
При движении удаляемого воздуха вдоль сухой части поверхности энтальпия ос-
новной его массы снижается вследствие отдачи явной теплоты (по линии d = const, рис.
7.76), а энтальпия прилегающего к поверхности слоя воздуха соответственно увеличи-
вается вследствие аккумуляции теплоты насадкой (также по линии dp = const). При дви-
жении вдоль поверхности, покрытой конденсатом, энтальпия основной массы воздуха
снижается по линии ф=100% вследствие отдачи явной и скрытой теплоты; изменение
, энтальпии слоя насыщенного воздуха, прилегающего к мокрой поверхности, также
происходит по линии ф=100%. Таким образом, изменение состояний прилегающего
слоя воздуха и основной массы воздуха происходит по кривым (пунктирные линии на
рис. 7.76), которые могут быть условно заменены прямыми линиями, соединяющими
начальные и конечные состояния воздуха.
При теплотехнических расчетах ВРТ необходимо учитывать особенности их работы,
а именно:
I • в холодный и переходный периоды года одновременно с переносом вращающимся
ротором явной теплоты происходит перенос и скрытой теплоты вместе с конденси-
рующейся влагой, если температура насадки ниже температуры точки росы удаля-
емого воздуха;
• при температуре насадки выше 2 °C, а удаляемого воздуха — до 35 °C и его вла-
госодержании - до 18 г/кг вся конденсирующаяся влага испаряется в холодном
потоке воздуха;
• при температуре наружного воздуха ниже минус 2 °C происходит замерзание кон-
денсирующейся влаги в удаляемом воздухе и сублимация (возгонка) льда в холод-
ном потоке;
ности, и основной массы воздуха во вращающемся регенераторе:
нение состояния слоя воздуха, прилегающего к теплообменной поверхности;
б — изменение энтальпии воздушного слоя, прилегающего к теплообмен-
ной поверхности, и основной массы охлаждаемого воздуха при противотоке:
• при определенных сочетаниях параметров удаляемого и наружного воздуха, когда
интенсивность образования льда превышает интенсивность его сублимации, может
наступить режим обмерзания аппарата. Для его предотвращения предусматривают
предварительный подогрев наружного воздуха, его перепуск в обход регенератора
или прекращение вращения насадки на 3—5 мин для оттаивания льда.
При расчете эффективности процесса в ВРТ сомножителем вводят поправочный ко-
эффициент П [7.40] для учета частоты вращения насадки в диапазоне и=0,5—30 мин1:
77=1-1/8,3(1Р„/В^)2, <7-64)
где JVmln — меньший из водяных эквивалентов наружного (G^cJ и удаляемого (G^)
воздуха; 0^=3/аесш1,л/60 — водяной эквивалент насадки с учетом частоты вращения.
Оценку опасности обмерзания ВРТ с негигроскопической насадкой по методике
В.П. Ильина выполняют по номограмме (рис. 7.77).
Рис. 7.77. График оценки опасности обмерзания ВРТ с негигроскопическои насадкой [ 7.40]:
1 — граничная линия зоны обмерзания; 2 — изменение относительной величи-
части наружного воздуха в обход ВРТ.
138
При этом учитывают температуру tn поверхности насадки и Fc/F — относительную
величину сухой поверхности. Для расчета используют формулы, приведенные в статье,
на которую приведена ссылка.
Обобщенные данные для определения эффективности и условий предотвращения
инеобразования, по данным Е.Е. Карписа, М.Я. Поза и В.Л. Грановского [7.47], приве-
дены на рис.7.78.
7.4.4 Практический выбор теплоутилизаторов разных типов по сводным номограммам фирм-
производителей. В отличие от других тепломассообменных аппаратов выбору утилизатора
обычно предшествует технико-экономическое обоснование (приближенное или достаточ-
но точное) - см. п. 7.1.6. При этом определяют ожидаемый срок окупаемости дополни-
тельных капитальных затрат, сравнивают его с нормативным или желаемым «Заказчиком»,
определяют ожидаемый экономический эффект (.9) и делают вывод о целесообразности
такого мероприятия, типе утилизатора и его эффективности. Речь идет о приемлемом соот-
ношении цены и эффективности, при котором в данном объекте можно достичь минимального
или устраивающего «Заказчика» срока окупаемости или годового экономического объекта.
Применительно к выбранному аппарату оценивается возможность инееобразования
при низких температурах наружного воздуха и методы борьбы с этим явлением (пред-
варительным подогревом, обводом части воздуха мимо аппарата и др.). Эффективность
теплоутилизатора определяют по каталогам, компьютерным программам, номограммам.
Примеры характерных сводных номограмм для подбора теплоутилизаторов разных ти-
пов, их типоразмера и расчетной эффективности приведены на рис. 7.79 - 7.83. Кроме
тепловой эффективности по ним же определяют аэродинамическое сопротивление пото-
ков наружного и удаляемого воздуха (рис. 7.79).
По известной эффективности утилизатора, известным температурам (tH, tj) и расхо-
дам (GK,Gy) определяют искомую tK в расчетных условиях холодного периода года. Исходя
из этой величины, определяют дальнейшую последовательность тепловлажностной обра-
ботки и необходимые аппараты.
Другой вариант сводной номограммы для пластинчатых перекрестно-точных теп-
лоутилизаторов центральных кондиционеров EU11...EU84 фирмы-производителя АВВ
(Швеция) показан на рис. 7.81. В отличие от предыдущей номограммы здесь учтено боль-
шее число параметров:
• расход наружного воздуха Z.ff=0,2...10 м3/с;
• соотношение расходов наружного и удаляемого воздуха £я/£у=0,6...1,4;
• разность начальных температур сред ty— Гя=10...60°С;
• относительная влажность удаляемого воздуха фу=10...70%.
Характерный пример общей методики определения эффективности пластинчатых
перекрестно-точных теплоутилизаторов KGX центральных кондиционеров KG приводит
фирма-производитель WOLF (Германия). Для учета различных расходов воздуха предла-
гается система шкал, а для учета температурных режимов сред - номограмма (рис. 7.82).
В предлагаемой номограмме определяют базовую эффективность 0О и частные поправки
АО,, де2, Д03, после чего находят их алгебраическую сумму - расчетную эффективность
теплоутилизатора. В частности, в этой методике также принято во внимание большое
число параметров, от которых зависит процесс утилизации:
• расходные характеристики аппарата (£я, LHm, £у);
• тепловлажностные параметры воздуха на входе в аппарат (tH, ty, dyy.
• условия начала инееобразования (1Нкрт) на поверхности аппарата (см. рис. 7.64).
139
Процессы, аппараты и i
Рис. 7.78. Теоретические и экспериментальные зависимости величины 0^ регенератора (W = 1):
а — от скорости вращения ротора п;
б — от величины NTU: сплошные линии — данные для сорбирующего регенера-
тора и регенератора с выпадением конденсата; пунктирные — данные для «су-
хого» теплообмена в регенераторе; штрихпунктирные - данные расчета по
приближенным зависимостям; 1 — противоток п> 5 мин'1; 2, 3 — противоток
п = 1,2 мин1; 4, 5 —противоток п = 0,6мин'1; 6 — перекрестный ток (для реку-
ператора); 7 — прямоток п > 5мин'1;
в, г — изменение величины 9^ при различных способах предотвращения инееоб-
разования (ty =22°С;<ру =60%; W = 1); в - регенеративного теплообменника;
г — рекуперативного теплообменника; сплошные линии — предварительный по-
догрев, противоток; пунктирные — обводной канал, противоток; штрихпунк-
тирные — обводной канал, прямоток.
140
Рис. 7.79. Сводный график параметрического ряда (1), теплотехнических (2,3) и аэродинамических (4) характеристик теплоутилизато-
ров VKMFlakt (Швеция), типоразмерный ряд (2) и характеристики вентагрегатов (5) при производительности L=0,1...3 м3/с.
Пояснения: для вращающегося (2) и пластинчатого (3) аппаратов расходы воздуха LH и Ly приняты одинаковыми. При увели-
чении шага фольги 0^ снижается на 10%. Для пластинчатых теплообменников (3) паспортные условия испытания приняты:
tH= — Ю °C, ty= 20 °C, §у=30%о. При определении аэродинамического сопротивления кондиционера (4) учтены клапан, фильтр F5,
воздухонагреватель и один из теплоутилизаторов.
Процессы, аппараты и с
торах центральных кондиционеров VKM Flakt (Швеция) при изветной эффек-
тивности Qjy, определенной для случая GH/Gy=l по сводному графику рис. 7.79:
а — во вращающемся регенеративном аппарате;
б-в одинарном пластинчатом теплообменнике при известном 0^ равных рас-
ходах воздуха GH=Gy и с учетом соотношения GH/Gy.
Ключ: при LH= 0,9 м3/с и Ly = 0,8 м3/с, 1#= — 10 °C; ty= 20 °C для ВРТ
0^= 0,68, ty= 10,5 °C, для пластинчатого утилизатора 0^ = 0,62, tK= 8,5 °C.
142
онеров EU11...EU84 фирмы-производителя ABB (Швеция) в зависимости от
Аналогичную вышеприведенной фирма-производитель WOLF (Германия) предлагает
сводную номограмму для теплоутилизаторов KVS с промежуточным теплоносителем цен-
тральных кондиционеров KG40...KG630 WOLF. В ней использован комбинированный
шкально-номографический метод (рис. 7.83). Расчетную эффективность такого утилиза-
тора определяют из выражения:
= О,5(О;,+(/1,)+Л91+Л0
При вычислении эффективности такого утилизатора комплексно учитывают:
расходы наружного Lhm удаляемого Ly воздуха;
типоразмер водовоздушного аппарата (II, III) и применяемую защиту от инееобразо-
вания при наружной температуре ниже 0 *С, — 10 ’С или —20 °C;
эффективность каждого из аппаратов 0н,()у
соотношение расходов воздуха £я/£у=0,4—1,6, при котором поправка АО, = 0,15„,-О,,15;
начальные параметры наружного (tH= - 15—5 °C) и удаляемого воздуха (г,=16...32 °C,
г/у=5...2О г/кг) и их влияния на процесс тепломассообмена в таком теплоутилиза-
торе — поправка А92=0-0,15.
143
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
15 20 25 40 63 100
160 250 400 630 800 1000
Шкально-номографический метод определения расчетной и текущей эффек-
тивности пластинчатых перекрестно-точных теплоутилизаторов KGX цен-
тральных кондиционеров KG WOLF:
а - основная шкала для определения «базовой» эффективности в0теплоутили-
затора данного типоразмера KGX15....KGX1000расчетной производительнос-
тью от 1500до 1ООООО м3/ч (при Lh/LHmm=1 и LH/Ly=l);
номинального значения LH ном (при Lh/LHm)m=O,5... 1,2 Д0 ,= - 0,01...0,04);
в — поправка Д02 на отношение расчетных расходов наружного и удаляемого
воздуха (при LH/L=0,4...2,0b<d = - 0,25...0,15);
г — номограмма для определения поправки Ыд=0...0,20, учитывающей сочета-
ния начальной температуры наружного воздуха tH=+10..—15 °C в диапазоне па-
раметров состояния уходящего воздуха ty=16...32 °C, <1у=5...20г/кг.
144
‘ - начальная температура срабатывания защиты утилизатора
Сводная номограмма для определения расчет-
ной эффективности теплоутилизаторов KVS
с промежуточным теплоносителем централь-
ных кондиционеров KG40...KG630 WOLF, опре-
деления эффективности отдельных аппара-
ного LH и удаляемого Ly воздуха, типоразмера
ти, применяемой защиты от инееобразова-
ных начальных параметров наружного (tH
7.82, г с поправкой Д02 = 0—0,15.
Ключ: При Ьн=7000м3/ч, Ly=10000м3/ч, кон-
диционер KG100 WOLF, теплообменник тип
II, защите теплоутилизатора от инееоб-
разования при tg<0 °C,
Общая эффективность такого теплоутилиза-
тора с промежуточным теплоносителем рав-
на 0^= 0,5(0,457+0,413)+0,07+0,05 = 0,555.
заторе KGX100 центрального кондиционера KG100 WOLF, расчетном расходе наружного возду-
LH/Ly=7000/5830=l,20. Базовая эффективность по шкале «а» составля-
ет Qo=0,62, поправка по шкале «б» №=0,02, поправка по шкале «в» Д02= — 0,05, поправка по шкале
«г» согласно построениям в номограмме №=0, 12. В этом случае общая эффективность теплоутили-
затора составит: 0 ^=0,62+0,02-0,05+0,12=0,71.
145
146
го теплоутилизатора в приточно-вытяжной крышной установке Hoval LHW
(Люксембург): 1 - перегородка, разделяющая каналы приточного (наружного)
и удаляемого воздуха; 2 — решетка удаляемого воздуха; 3 — фильтр удаляемого
воздуха; 4 — корпус (рама) установки; 5 — корпус пластинчатого утилизато-
ра; 6 — воздушный клапан для байпассирования удаляемого воздуха; 7 — пульт
пуска-останова; 8 — воздухозаборная решетка; 9 — фильтр наружного воздуха;
10 — клапан наружного воздуха; 11 — вытяжной вентилятор; 12 — приточный
вентилятор; 13 — шедовое (треугольное) покрытие кровли; 14 — кровля здания;
15 — диффузор на нагнетании приточного вентилятора; 16 — смотровое окно
для наблюдения за фильтром; 17 — воздухонагреватель; 18 — воздухораспреде-
литель приточного воздуха; 19 — контроллер для электронного управления воз-
духораспределителем.
рудование, — зонт-колпак для удаления горячего воздуха от плит приготовления
теплоутилизатор; 3 — воздухораздающее устройство; 4 — воздушный клапан
7- жиросборник; 8 - плита для приготовления горячей пищи.
Пример удачной конструктивной компоновки рекуперативного теплоутилизатора
в составе крышной приточно-вытяжной установки Hoval LHW приведен на рис.7.84, а
а конструктивное решение пластинчатого утилизатора, встроенного в оборудование —
зонт-колпак для удаления горячего воздуха от плит приготовления пищи предприятия
общественного питания по данным [7.86] показано на рис. 7.84, б.
Подводя итог изложенному в этой главе, отметим, что теплоутилизаторы разнообразны,
отличаются сложностью и распределенностью процессов тепло- и массообмена, подвержены
инееобразованию и нуждаются в защите от этого явления.
Литература к гл. 7
Е.С. Аббасов, О.В. Доброчеев, А.Л. Ефимов, В.П. Быстров. Сопротивление и теплооб-
мен в профилированных каналах теплообменников-утилизаторов. -Вкн.: Вопросы
экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и тсплоснаожения.
ЦНИИЭП инженерного оборудования. М.: 1984, с. 57 — 63
В. П. Алексеев, А.В. Дорошенко. К анализу процессов переноса тепла и массы в про-
тивоточном пленочном аппарате. — В кн.: Кондиционирование в< здуха в промыш-
ленных и общественных зданиях. Стройиздат. М.: 1970, с. 79 — 81.
С.М. Анисимов. Тепломассообмен в аппаратах с пористой насадкой СКВ. Докторская
диссертация. СПбГАСУ, СПб., 1998.
С.М. Анисимов. Утилизация теплоты вытяжного воздуха в перекрестно-точном реку-
ператоре. // Инженерные системы, 2002, №4(8), с. 30 - 36.
147
7.5 С.М. Анисимов. Оптимизация процессов тепломассообмена в утилизаторе теплоты.
СПб РАСУ. Труды 52-й конференции, ч. II, СПб., 1998, с. 90 - 94.
7.6 Б. В. Баркалов, Е.Е. Карпис. Кондиционирование воздуха в промышленных, обще-
ственных и жилых зданиях. /Издание 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1982, с. 305.
7.7 М.А. Барский-Зорин. Расчет теплообменников для утилизации теплоты вентиляци-
онных выбросов. — В кн. Повышение энергетической эффективности СВ и СКВ.
ЛДНТП, Л.: 1987, с. 63 - 67.
7.8 Н.В. Белоногов. Утилизация теплоты в перекрестно-точных пластинчатых рекупера-
торах//Сантехника, отопление, кондиционирование, №5, 2005, с. 118 — 126.
7.9 Н.В. Белоногов, В.А. Пронин. Математическое моделирование процессов теплооб-
мена в перекрестно-точном пластинчатом рекуператоре.//Вестник МАХ— 2003 г.
7.10 Н.В. Белоногов, В.А. Пронин. Экспериментальное исследование теплообмена в пере-
крестно-точном пластинчатом рекуператоре.//Известия СПбГУНиПТ. 2004, № 1,
с. 41-43.
7.12
7.11 Н.В. Белоногов. Обмерзание и конденсация водяного пара в перекрестно-точных
пластинчатых рекуператорах.//Сантехника, отопление, кондиционирование, №11,
2005, с. 64-66.
А.П. Бельский, М.Д. Лотвинов. Вентиляция бумагоделательных машин. - М.: Лесная
промышленность, 1990. — 216 с.
7.13 В.Н. Богословский, М.Я. Поз. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. - Стройиздат.
М.: 1983. - 320 с.
7.15
7.14 Л.Д. Богуславский, В.А. Грановский. Экономическая целесообразность применения
в системах вентиляции утилизаторов тепла удаляемого воздуха. // Водоснабжение и
санитарная техника. 1981, №3, с. 7 — 12.
А.П. Брук, Е.П. Вишневский. Технико-экономическая оценка энергосберегающего
оборудования. //Инженерные системы. 2002, №3(7), с. 44 — 48.
7.16 В.П. Быстров, А.Л. Ефимов, М.В. Корзакова, Ю.М. Соскер. Утилизация тепла вытяж-
ного воздуха с помощью рекуперативных теплообменников типа «воздух-воздух».
//Водоснабжение и санитарная техника. 1981, №3, с. 10 — 12.
7.17 В.П. Быстров. Экономия энергии и металла в системах вентиляции и кондициони-
рования воздуха с помощью кожухотрубных теплоутилизаторов типа ТКТ. — В кн.:
Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондициониро-
вания воздуха. Л.: ЛДНТП, 1987, с. 68 — 71.
7.18 Б.И. Бялый. Прогнозирование теплотехнических характеристик горизонтальных
камер орошения. - В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Рига, РПИ,
1983, с. 21 - 29.
7.18 , а Б.И. Бялый. Моделирование тепломассообменных процессов в аппаратах с насад-
ками регулярной структуры. — В кн.: Повышение энергетической эффективности
систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Л.: ЛДНТП, 1983, с. 53 — 58.
148
Литература к гл.
7.19 Б.И. Бялый, А.В. Степанов. Прогнозирование теплотехнических характеристик камер орошения центральных кондиционеров. — В кн.: Кондиционеростроение. Вып. 12, ВНИИКондиционер. Харьков, 1983, с. 3 - 9.
7.20 Б.И. Бялый. 0 взаимосвязи коэффициентов эффективности адиабатического и полит- ропического процессов тепловлажностной обработки воздуха. - В кн.: Процессы тепло- обмена в сжиженных и отвердевших газах. - Киев: «Наукова думка», 1980, с. 35 - 42.
7.21 Б.И. Бялый. Оптимизация камер орошения центральных кондиционеров. — В кн.: Кондиционеростроение. Вып. 11, ВНИИКондиционер. Харьков, 1982, с. 3 - 12.
р.22 Б.И. Бялый, Г.С. Куликов, Г.В. Русланов. Поверхностные орошаемые тепломассооб- менники. - В кн Вентиляция и кондиционирование воздуха. Сб. № 6. РПИ, Рига, 1973, с. 15 - 19.
7.23 Б.И. Бялый, А.В. Степанов. Инженерная методика расчета камер орошения кон- диционеров в широком диапазоне параметров взаимодействующих сред. — В кн.: Повышение энергетической эффективности в системе вентиляции и кондициони- рования воздуха. ЛДНТП. Л.: 1987, с. 58 - 63.
>7.24 Б.И. Бялый. Расчет процессов в форсуночных камерах орошения установок кон- диционирования воздуха. — В кн.: Физика дисперсных систем. Вып. № 17. ОГУ, Одесса, 1977, с. 54—59.
(7.25 Б.И. Бялый, А.В. Степанов. Представление технологических характеристик камер орошения. —В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Вып. № 10. РПИ, Рига, 1978, с. 24 - 29.
7.26 Б.И. Бялый, А.А. Яковенко. Исследование характеристик насадок регулярной струк- туры в политропических режимах. — В кн.: Кондиционеростроение. Выпуск 11, ВНИИКондиционер, Харьков, 1982, с. 13 - 18.
7.27 Е.П. Вишневский. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях. - Сантехника, отопление, кондиционирование. 2005, №1, с. 84 — 91.
7.28 М.В. Головков, В.П. Быстров. Экспериментальные исследования воздухо-воздуш- ного рекуперативного теплообменника с гигроскопической поверхностью. В кн.: Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и тепло- снабжения. ЦНИИЭП инженерного оборудования. М.: 1984, с. 64 - 75.
7.29 В. Г. Григорьев, Л.Г. Кочан, Л.Г. Семенюк. Использование низкопотенциальной теп- лоты в системе теплоснабжения. // Вод< гие и санитарная техника, 1986, №4, с. 21 - 23.
7.30 В.А. Динцин. Единый подход к инженерному теплотехническому расчету противо- точных (прямоточных) теплоутилизаторов. -В кн.: Кондиционеростроение. Выпуск 14. ВНИИКондиционер. Харьков, 1985, с. 12—22.
7.31 В.А. Динцин, В.И. Владимиров, И.Л. Розенштейн. К рас юбмена во вращающихся регенеративных теплоутилизаторах. — В кн.: Повышение энергети- ческой эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха. ЛДНТП, Л.: 1987, с. 80 - 86.
149
7.32 В.А. Динцин, И.Л. Розенштейн. Особенности тепломасообмена в условиях ине-
еобразования на теплопередающей поверхности теплоутилизаторов. - В кн.:
Кондиционеростроение, Харьков, 1986. №15, с. 7 — 15.
7.33 ВА. Динцин, ИЛ. Розенштейн. Инженерный метод теплотехнического расчета про-
тивоточного пластинчатого теплоутилизатора. — В кн.: Повышение энергетической
эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Л.: ЛДНТП,
1983, с. 58-70.
7.34 В. А. Динцин, ИЛ. Розенштейн. Характер изменений коэффициентов эффективности
теплоутилизаторов в зависимости от начальных параметров потоков воздуха. — В кн.:
Кондиционеростроение. ВНИИКонДиционер. Выпуск 14, Харьков, 1985, с. 57 — 60.
7.35 В.А. Динцин, ИЛ. Розенштейн. Оценка влияния перетоков на эффективность вра-
щающихся регенеративных теплоутилизаторов. - В кн.: Совершенствование и по-
вышение эффективности систем кондиционирования воздуха промышленных и
гражданских зданий. ЛДНТП. Л.: 1981, с. 54 - 60.
7.36 АЛ. Ефимов, Е.С. Аббасов, А.М. Бакластов, В.П. Быстров. Оптимизация режимов
работы системы утилизации теплоты вентиляционных выбросов. — В кн.: Вопросы
экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения.
ЦНИИЭП инженерного оборудования, М.: 1984, с. 51 — 56.
7.37 О.П. Иванов, В.А. Динцин, И.Л. Розенштейн. Защита от инееобразования теплопере-
дающий поверхности противоточных рекуперативных пластинчатых теплоутилиза-
торов. — В кн.: Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и
кондиционирования воздуха. ЛДНТП, Л.: 1983, с. 38 — 48.
7.38 В.П. Ильин. Сопоставление тепловой эффективности регенеративных и рекупе-
ративных теплообменников для систем кондиционирования воздуха. - В кн.:
Вентиляция и кондиционирование воздуха. Сб. №6. РПИ, Рига, 1973, с. 35-37.
7.39 В.П. Ильин. Исследование тепло- и массообмена во вращающихся регенеративных
теплообменниках систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Автореферат
диссертации. М.: 1968, — 26 с.
7.40 В.П. Ильин. Расчет вращающихся регенераторов для утилизации тепловой энергии.
//Водоснабжение и санитарная техника, 1984, №1, с. 16 - 19.
7.41 В.П.Ильин. Использование тепла и холода удаляемого воздуха. - В кн.:
Кондиционирование воздуха. Сб. 27. НИИ Санитарной техники, М.: 1969, с. 45 — 55.
7.42 В.П. Ильин, А.Я. Креслинь. Регулирование параметров воздуха в системах кондици-
онирования с вращающимися теплообменными аппаратами. //Водоснабжение и
санитарная техника. 1973, №2, с. 37 — 38.
7.43 В.П. Ильин, И.К. Шапошников. Расчет времени обмерзания вращающихся реге-
нераторов с несорбирующими насадками. - В кн.: Повышение энергетической
эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха. ВОП НТО
Стройиндустрии. Волгоград. 1986, с. 17 — 20.
7.44 Э.К. Калинин, ГА. Дрейцер, С.А. Ярко. Интенсификация теплообмена в каналах. -
М.: Машиностроение, 1981. - 203 с.
150
7.45 Л.Е. Карпис. Эффективность двухступенчатыхтеплоутилизаторов. //Водоснабжение
и санитарная техника. 1986, №10, с. 13 — 15.
7.46 Е.Е. Карпис, М.Я. Поз, В.Л. Грановский. Работа регенераторов в условиях инееобра- зования. //Водоснабжение и санитарная техника, 1986, №1, с. 10 — 12.
7.47 Е.Е. Карпис, М.Я. Поз, В.Л. Грановский. Методы расчета тепло- массообмена в реге- неративных и рекуперативных воздухо-воздушных теплообменниках-утилизаторах. И Водоснабжение и санитарная техника, 1980, №7, с. 20 — 22.
7.48 В.М. Кейс, А.Л. Лондон. Компактные теплообменники. - М.: Энергия, 1962. -380 с.
7.49 Ю.Н. Кигур. Опыт использования тепла вентиляционных выбросов для нагрева приточного воздуха. //Водоснабжение и санитарная техника. 1980, №5, с. 25 — 27.
7.50 Ю.Н. Кигур. Применение теплообменников «труба в трубе» для утилизации тепла в системе вентиляции промышленного здания. - В кн.: Вентиляция и кондициони- рование воздуха. Рига, РПИ. Сб. №9,1976.
7.51 Ю.Н. Кигур, К.С. Славинский. Результаты промышленных испытаний вращающего- ся регенеративного теплообменника в системе приточно-вытяжной вентиляции. - В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Рига, РПИ. Сб. №8, 1975.
7.52 В. А. Кирпиков, Ю.А. Архипов. Исследование каналов пластинчатого теплообменника с поверхностями типа «диффузор-конфузор». //Теплоэнергетика, 1982, №4, с. 56 — 58.
7.53 Климат Ленинграда/ Под ред. Ц.А. Швер, Е.В. Алтыкиса, Л.С. Евтеевой. Серия: Климат городов. Л.: Гцдрометеоиздат, 1982, - 252с.
7.54 О.Я. Кокорин, Я.Г. Кронфельд, А.А. Светликов. Система утилизации теплоты вытяж- ного воздуха в здании Госстроя СССР. //Водоснабжение и санитарная техника, 1984, №7, с. 10-13.
7.55 О.Я. Кокорин, В.А. Разгулов, И.О. Кокорин. Испытания теплового утилизатора-вен- тилятора. //Водоснабжение и санитарная техника. 1982, №10, с. 9 — 12.
7.56 В.Б. Левин. Система утилизации теплоты и холода в общественном здании. //Водоснабжение и санитарная техника, 1988, №1, с. 25 - 26.
7.5,7 Б.М. Левитан. Вентиляция на предприятиях целлюлозно-бумажной промышлен- ности. — «Лесная npoi ». М.: 1972. - 168 с.
7.58 А.В. Лыков. Тепломассообмен (справочник). /Изд. 2-е, перераб. и доп. — М Энергия, 1978. — 480 с.
7.59 Е.В. Медведева, Н.А. Парфенова, В.П. Титов. К расчету нестационарного темпе- ратурного поля в наружных ограждениях зданий с учетом инфильтрации воздуха. //Известия вузов. Строительство и архитектура, 1979, №1.
7.60 В.К. Мигай. Повышение эффективности современных теплообменников. - Л.: Энергия, 1980. - 142 с.
7.61 В.А. Михайлов. Насадки регулярной структуры для испарительных воздухоохладите- лей. //Водоснабжение и санитарная техника, 1987, №2, с. 13 — 15.
151
7.62 Л.И. Неймарк. Расчет сложных систем утилизации теплоты. // Водоснабжение и са-
нитарная техника. 1990, №1, с. 20 - 21.
7.63 Л.В. Павлухин, Л.Е. Эльтерман, А.С. Кравцова. Исследование процессов тепломас-
сообмена при обработке воздуха с отрицательными температурами подогретой во-
дой в форсуночных камерах кондиционеров. - В кн.: Кондиционирование воздуха
в промышленности. /Тематический сборник научных трудов. ВНИИ Охраны труда.
М.: 1973, с. 88 - 101.
7.64 В.Д. Петрам, М.М. Полунин, Э.А. Гераскина. Системы утилизации теплоты от об-
жиговых вращающихся печей. //Водоснабжение и санитарная техника. 1989,
7.65 Л.В. Петров, Л.И. Короткова. Использование контактных аппаратов для повыше-
ния теплоэнергетической эффективности СКВ. — В кн.: Проблемы совершенство-
вания и развития оборудования для КВ и В. Тезисы докладов. ВНИИКондиционер,
Харьков, 1979, с. 72 - 77.
7.66 М.Я. Поз, А.И. Кудрявцев, М.Ю. Давыдов, С.А. Нестеров. Контактные пластинчатые
теплообменники для систем утилизации. //Водоснабжение и санитарная техника,
1987, №8, с. 10 - 12.
7.67 М.Я. Поз, В.И. Сенатова, В.Л. Грановский. Регенеративные теплообменники и теп-
лообменники с промежуточным теплоносителем. //Водоснабжение и санитарная
техника. 1978, №12, с. 14 - 16.
7.68 М.Я. Поз, В.И. Сенатова, В.Л. Грановский. Утилизация тепла и холода вытяжного
воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха (конструкции, мето-
ды расчета): Обзорная информация. - М.: ВНИИС Госстроя СССР, 1980, - 97 с.
7.69 М.Я. Поз, В.И. Сенатова, Т.П. Садовская. Оптимизация систем утилизации теплоты
удаляемого воздуха. //Водоснабжение и санитарная техника. 1989, №8, с. 11 — 12.
7.70 М.Я. Поз, В.И. Сенатова, Т.И. Садовская. Утилизация теплоты воды СОТО (системы
охлаждения технологического оборудования). //Водоснабжение и санитарная тех-
ника, 1985, №1, с. 13-15
7.70 , а М.Я. Поз, В.Л. Грановский, В.И. Сенатова, М.И. Урдин, Б.И. Макаров. Эксплуата-
ционные исследования утилизаторов тепла вытяжного воздуха. //Водоснабжение и
санитарная техника. 1981, № 3, с. 12 - 14.
Разработка руководящих технических материалов по теплоутилизационному обо-
рудованию (работы по научно-технической информации). Отчет/ ВНИИКондицио-
нер, ГР № 0185,0053713, Харьков, 1985. — 183 с.
7.72
Рекомендации по проектированию систем утилизации тепла удаляемого воздуха
теплоутилизаторов типа «воздух-воздух» (вращающиеся регенераторы). — М.: ГПИ
Сантехпроект МНИИТЭП, ТашЗНИИЭП, ЦНИИпромзданий, 1983.
Рекуперация воздуха: мода или необходимость /Материал компании VENTRADE.
АВОК, 2002, №2, с. 16 - 17.
152
7.74 Г.В. Русланов. Экспериментальное исследование работы поверхностного ороша- емого тепломассообменника в зимнем режиме. - В кн.: Труды НИИСантехники, №12, Киев, 1972.
7.75 А.Л. Рымкевич. Системный анализ оптимизации общеобмеппои вентиляции и кон- диционирования воздуха. /Изд. 1. М.: Стройиздат, 1990. - 300 с. /Изд. 2. АВОК-СЗ. СПб., 2003 - 271 с.
7.76 Е.Е.Сомсоиова.Утилизаторытеплотыудаляемогоиззданийвоздуха.//Водоснабжение и санитарная техника. 1990, №4, с. 30 — 32.
7.77 Л.Г. Семенюк, С.В. Сергиенко, В.И. Моисеев, С.В. Барановская. Эффективность ути- лизационных отопительно-вентиляционных агрегатов. //Водоснабжение и сани- тарная техника, 1989, №10, с. 20 - 23.
7.78 Л.Г. Семенюк, В.И. Моисеев, С.В. Барановская, А.И. Сигал. Эффективная система приточной вентиляции с контактными теплообменниками. //Водоснабжение и са- нитарная техника, 1988, №9, с. 19 - 21.
7.79 Л.И. Ставицкий, И.О. Кокорин, Л.Б. Шпиз. Особенности устройства и работы мес- тно-центральной СКВ с энергосберегающей технологией. — В кн.: Наладка и эксплуатация систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: МДНТП, 1985, с. 25 - 29
7.80 В.П. Титов, Н.А. Парфентьева, Е.В. Медведева. Пористый регенеративный тепло- обменник с неподвижной насадкой. //Водоснабжение и санитарная техника, 1981, №4, с. 27 - 28.
7.81 В.П. Туркин, С.П. Полев. Рекуперативный теплообменник из гибкой пленки и утилизация тепловой энергии. //Водоснабжение и санитарная техника. 1982, №8, с. 14 - 15.
7.82 Ф.В. Ушков. Теплопередача ограждающих конструкций при фильтрации воздуха. М.: Стройиздат, 1969.
7.83 А.Р. Ферт, Н.И. Чеховская, А.В. Гребенюк, Е.Я. Бараз. Экспериментальные ис- следования термосифонного утилизатора на базе теплообменников «Зигзаг». // Водоснабжение и санитарная техника, 1987, №4, с. 20 — 21.
7.84 З.В. Чуханов. Сравнение эффективности работы теплообменников типа «канал» и «пучок». - ДАН СССР, 1946, т. 53, №3, с. 221 - 222.
7.85 Л.Е. Эльтерман, А.С. Кравцова. Тепло- и массообмен в форсуночной камере при обработке воздуха с отрицательными температурами подогретой водой. — В кн.: Кондиционирование воздуха. ЛТИХП. Л.: 1972, с. 41 — 43.
7.86 Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справочное пособие /Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.; под ред. Л.Д. Богуславского и В.И. Ливчака. М.: Стройиздат, 1990. — 624 с.
7.87 N.J. Stoitchkov, G.I. Dimitrov. Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling. - Int.I.Refrig. 1998, Vol. 21, No.6, pp. 463 - 471.
153
Приложение 7.1
Методики и примеры определения годовых
расходов теплоты, холода и влаги в СКВ и СВ,
в том числе утилизируемой теплоты и холода
Общенациональная проблема энергоэффективности и энергосбережения затрагива-
ет все отрасли народного хозяйства, связанные с добычей полезных ископаемых, выра-
боткой, транспортировкой и потреблением тепловой и электрической энергии. Системы
обеспечения микроклимата помещения (СОМ) — отопление, вентиляция, кондициони-
рование и обслуживающие их смежные системы электро-, тепло- и холодоснабжения
потребляют заметную, а то и основную часть тепловой и электрической энергии в отде-
льной квартире, производственном помещении, здании, предприятии, городской инф-
раструктуре и в стране в целом.
Для решения проблемы энергосбережения прежде всего необходима в целом доста-
точно строгая и однозначная методология расчета годовых расходов теплоты, холода и
влаги различными системами кондиционирования и вентиляции в различных географи-
ческих пунктах, условиях работы, решениях по управлению, на различных стадиях проек-
тирования. В настоящее время такой методологии нет, поэтому в нашем докладе [7.1.11]
были представлены ее основы, предложенные к реализации в инструкции к главе СНиП
«Отопление, вентиляция и кондиционирование».
7.1.1 Варианты методик расчета годовых расходов и их сравнительный анализ.
Специалисты давно сошлись на мысли, что на разных стадиях разработки СОМ (пред-
проектные предложения, проект, рабочая документация) не требуется одинаково высокая
точность расчета годового энергопотребления. Поэтому при предварительной проработке
(предпроектные предложения) возможно использовать более простые и приближенные
методы. На последних стадиях, где погрешность энергопотребления (полагаем, что она
допустима ±10%) должна быть соизмерима с погрешностью расчета капитальных затрат
(около ±10%), необходимы более точные методы.
За последние десятилетия методиками расчетов годовых расходов теплоты, холода
и влаги в СКВ и СВ в той или иной мере занимались Л.Б. Успенская, А.Я. Креслинь,
А.М. Сизов, Т.И. Садовская, Е.Е. Карпис, П.В. Участкин, автор (А.С.), Ю.Е Шабловский,
В.Н. Богословский, Ю.Я. Кувшинов, Б.Е Шпиз, А.А. Рымкевич, Н.В. Котенков, Н.В. Ко-
бышева, В.Э. Ницис и др. Перечисленные авторы использовали различные виды клима-
тической информации, от самой простой до наиболее сложной. В климатических спра-
вочниках последних изданий содержится многообразная климатическая информация
[7.1.7]. Представление о возможностях современной климатологии можно получить из
приводимой ниже блок-схемы (табл. 7.1.1).
Строго говоря, для наиболее полного учета климатической информации в решении
рассматриваемых проблем следует использовать многомерные распределения срочных
значений метеорологических величин за год (эмпирические или их теоретическое опи-
сания). Однако такая информация для практических расчетов чаще всего недоступна, и
поэтому в ряде случаев стараются воспользоваться упрощенными методами. Это объяс-
няется тем, что составляющие расчетных формул зависят не от всего комплекса метеове-
личин, а от одного основного (например, температуры наружного воздуха), и в некото-
рой обычно меньшей мере — от другого (например, солнечной радиации, которую можно
«привязать» к температуре наружного воздуха).
154
1 и влаги в СКВ и СВ
Таблица 7.7.7 Классификационная схема климатической информации, используемой
при исследованиях, проектировании и оптимизации СКВ и СВ.
Метеорологические величины
Vе Ф„, % d„,r/KT кДж/кг м/с Вт/м2
Временное разрешение значений метеорологических величин
ежечасные | «срочные» | суточные | декадные | месячные | сезонные | годовые
Степень уплотнения эмпирических данных
хронологические ряды ранжированные i ряды дифференциальное । распределение интегральное распределение ! усеченные распределе-
Мерность распределений
одномерные | многомерные
Выравнивающие функции распределения (одномерные и многомерные)
I композиция нормальной и 1 _ _ нормальная логнормальная „ v Моргенштерна-Гумбеля | | равномерной плотности | F л
Направление использования климатических данных
обработка воздуха | управление | энергосбережение
Стадия использования
предпроектные предложения | проект | рабочая документация
Это можно представить себе следующим образом. Первоначально рассматривают за-
висимость: средняя плотность потока падающей радиации на горизонтальную поверх-
ность - температура наружного воздуха (на уровне среднемесячных). После этого учиты-
вают взаимосвязь потока радиации на вертикальную поверхность заданной ориентации
и на горизонтальную поверхность [7.1.8, 7.1.22]. Точно так же можно «привязать» к тем-
пературе наружного воздуха и скорость ветра по направлениям. Таким методом можно с
достаточной точностью заменить сложную трехмерную задачу и климатологическую ин-
формацию существенно более простой одномерной.
Дадим краткие комментарии к методике расчета годового расхода холода. Он может вы-
полняться по-разному в зависимости от:
• границы режима охлаждения-осушения воздуха: изотермы или изоэнтальпии; пер-
вый случай имеет место, если система поддерживает только температуру воздуха, а
влажность находится в комфортном диапазоне или поддерживается паровым увлаж-
нителем, второй случай имеет место, если в помещении поддерживают строго задан-
ные температуру и влажность при использовании изоэнтальпийного увлажнения;
• метода расчета — используют один из двух методов: раздельное определение расхода
холода на охлаждение Qx(tH) и осушение Qx(d^) с последующим суммированием полу-
ченных величин или определение расхода холода в функции от энтальпии наружного
воздуха Qx(iH);
• при расчете годовых расходов холода специально учитывают, с каким расходом на-
ружного воздуха работает система: <7Яг111Г|, если /я>19 или <?Жт1х=б^, если 1Я<Л.
Описанные выше случаи определения годовых расходов холода поясняет рис. 7.1.1с
построением границ режимов в i-d диаграмме влажного воздуха.
Рассмотрим в соответствии с таблицей 7.1.1 методы расчета, предлагаемые вышеназван-
ными авторами, разделив их по характеру используемой в методиках расчетной климатологи-
ческой информации, последовательно от более простой к более сложной.
155
Метод 1: предельно упрощенная методика (по П.В. Участкину [7.1.1]) с минималь-
ным использованием климатологической информации (единственный коэффициент D,
к тому же не связанный с климатическими зонами), методику отличает простота и не
определенная автором погрешность.
Метод 2: он основан на некоторой замене одномерного годового распределения
(tH,iH) пятью величинами (среднегодовой, среднеянварской, среднеиюльской и соот-
ветствующими амплитудами (Ю.Я. Кувшинов).
Метод 3: он основан на замене одномерного распределения двенадцатью среднеме-
сячными (Т.И. Садовская, Е.Е. Карпис [7.1.4], В.Н.Богословский [7.1.2]). В последней ра-
боте расчет по среднемесячным энтальпиям не дал автору однозначного результата, ибо
не ясно, какие месяцы следовало бы отнести к режиму охлаждения. Выбранная в примере
[7.1.4] граница режима охлаждения (;г= 21,8 кДж/кг, tK- 6 °C) искусственна. При этомчем
выше граница охлаждения воздуха (летом) и ниже граница нагрева (зимой), тем более ис-
кусственна замена распределения среднемесячными величинами и больше погрешность
расчета. Для Москвы, например, по среднемесячным температурам нельзя определить
продолжительность периода при 1Н > 20 *С и 1И< -10 ”С, так как одно значение превыша-
ет среднеиюльское, а другое — ниже среднеянварского. Погрешность расчета при такой
методике переменна (от ±10% до +30%, а на краях распределения и более). Эта методика
пригодна практически для любого пункта России. Одной из разновидностей этого мето-
да является такой, в котором приближенно-синусоидальный ход температуры наружного
воздуха строят на основе средних многолетних («норм») значений температуры на каждое
число каждого месяца.
Сюда же можно отнести метод, основанный на замене хода «нормы» температуры на-
ружного воздуха (средних многолетних значений на каждое число каждого месяца) прибли-
156
женно-синусоидальным; однако при такой аппроксимации, если это допустимо исходя из по-
грешности, надо точно знать дату (число, месяц) начала и конца соответствующего режима.
Внешнее сходство, а именно периодичность кривой годичного хода температуры на-
ружного воздуха tHh), построенной по своим среднесуточным значениям на данное число
данного месяца (т.н. «норме» ) или по среднемесячным значениям, привело к идее при-
ближенного описания ее синусоидальной кривой, где сутки есть угловой градус:
где т — аналог текущего времени: номер сут it 1 января до данного
числа данного месяца; «>=2л/365=(),017.3, сут1 - круговая частота годичного колебания
температуры ^т);,е=<ог0 — начальный сдвиг фазы кривой (7.1.1), соответствующий лате
(т0), когда температура tH, повышаясь от зимы к лету, достигает среднегодового значения.
Например для С.-Петербурга это в среднем приходится на 20 апреля, чему соответствует
т0=31+28+31 +20^=110 суток от начала года. При такой аппроксимации - привязке при-
ближенно синусоидальной кривой (7.1.1) к годичному времени снижение текущей Гя(т)
ниже среднегодовой должно пре ги 20 октября, максимум должен быть достигнут
20 июля, а минимум - 20 января.
Такое приближенно-синусоидальное описание кривой 1;,(т) будет создавать мини-
мальную погрешность расчета годовых расходов теплоты и холода, если соблюдается
условие 7Жч>етг~0,5(Гя<уИ/+7Лсг/) с ошибкой не более 0,1...0,2 °C. Для С.-Петербурга, напри-
мер, это условие далеко от соблюдения, ибо 0,5(18,1+(—7,9)]=5,1 °C, что значительно
отличается от среднегодовой 1Я9ад=4,4 °C, однако возможность приближенно-синусои-
дальной аппроксимации остается (см. рис. 7.1.2).
Если для данного пункта условие достаточности аппроксимации по значениям тем-
пературы и их фазовым сдвигам соблюдается, то среднюю tHcf в любом интервале от ун до
можно определить из выражения:
J = t„
- ъ)
Главное, чтобы интересующий инженера режим потребления теплоты или холода
своим началом и концом был «привязан» к средней многолетней температуре наружного
воздуха tH, либо к моментам начала и конца режима (т„,.?„). Например, отопительный
период при trf< 8 °C может быть в условиях С.-Петербурга «привязан» в среднем к периоду
(см. рис. 7.1.2) между 29.09 и 07.05 [7.1.6], а режим использования вентиляции в лагерях
детского отдыха — к периоду от 01.06 по 31.08.
Пример 7.1.1. Проверить достаточность описания годичногохода «нормы» наружных
температур в С.-Петербурге с амплитудой А, =13 °C, tHcp!ad = 4,4°С, т„ = 110сут.
на примере определения средней температуры отопительного периода при /, <8 °C.
По рис. 7.1.2 принимаем начало отопительного периода на сн=270 сут., ко-
нец отопительного периода на у-—125 сут.; при условии, когда уя>ук продол-
жительность отопительного периода определяется как тотпе = у^~(уя~ук) =
= 365-(270-125) = 220 сут.
157
7.1.2. График годичного изменения средней многолетней температуры наружного воз-
духа («нормы» ) в С.-Петербурге: линия 1 — по среднесуточным значениям (о);
(Л); при строго-синусоидальном описании на основе разложения в ряд Фурье и
оценке приближения по методу наименьших квадратов для С.-Петербурга по-
Моменту хк=125 сут. соответствует cos[0,0173(125-110)]=cosl5°=0,96.
Моменту у,=270 сут. соответствует cos[0,0173(270-110)] = cosl60° = —0,93.
Средняя температура отопительного периода по формуле (7.1.2) приближен-
но составит: tUcpomm = 4,4-131,89/0,0173220 = —2,1 ‘С (если точно, то tHvmv=
= —1,8 °C); такой результат приближенного расчета считаем вполне допустимым.
158
Пример 7.1.2. Определить укрупненные температурно-влажностные характе-
ристики летнего периода использования систем вентиляции на детской базе от-
дыха в пригороде С.-Петербурга с 01.06по 31.08. Указанному периоду соответс-
твует iH— 151 сут. иг.,.- 243 сут., продолжительность периода работы базы
т = тя-тя=243-151 = 92сут., характеристики годового хода средних температур
(«нормы») в С.-Петербурге А:„=\3"С, tHcp№i =4,4 °C,. т0 =110 сут.
KoHuynepuodatK=243cym.coomeemcmeyemcos[0,0173(243-110)]=cosl33°=-0,68.
Началу периода хк=151 сут. соответствует cos[0,0173(151-105)] = cos41" =
— 0,75. Средняя температура наружного воздуха в этот период составит tHc =
= 4,4-(-0,68-0,75)-13/0,0173-92 = 16 °C. Общее изменение температуры наружно-
го воздуха в этот период по рис. 7.1.2 составит: tH= 14...18+3<st, где среднеквад-
ратическое отклонение наружной температуры принимаем а = 3 °C. По клима-
тическому паспорту С-Петербурга (см. далее рис. 7.1.3) средней температуре
tHc=16°C соответствуют средняя относительная влажность -70% и средняя
энтальпия наружного воздуха -36 кДж/кг. Аналогично решаются задачи опре-
деления усредненных климатических характеристик для холодного периода года,
когда в СКВ и СВ используют воздухонагреватель и теплоутилизатор.
Метод 4, основанный на графоаналитических расчетах и эмпирических данных о
повторяемости температур сухого и смоченного термометра (см. [7.1.9], табл. З.Аи З.Б).
Такой расчет возможен для ограниченного числа пунктов (39) на территории бывшего
СССР методом суммирования или графоаналитически. Например, в графической интер-
претации годовой расход теплоты, QTmi можно представить зависимостью:
определяемой как площадь между осью tH и линией произведения функций
QT (Ат । / Дгя) (последняя есть плотность повторяемости температуры tH в разных интер-
валах tH[-.iB в данном пункте). Методика графоаналитического расчета годового расхода
пояснена на рис. 6.19,6.24 и 7.15, б. Сменность работы системы учитывают понижающим
коэффициентом а также поправкой, учитывающей суточный ход Гя(т) и /,,(т) в теп-
лый период года (см. формулу 7.1.20 и табл. 7.1.5). Погрешность расчета в этом случае
минимальна, а простота и наглядность - наилучшие. К сожалению, в следующем СНиП
[7.1.10] эти данные были исключены.
Графическое представление основных климатологических величин предпочтитель-
нее, чем строго аналитические методы. Одна из разновидностей такого метода - т.н.
климатический паспорт города [7.1.12], на котором нанесены линии повторяемости тем-
ператур и энтальпий наружного воздуха, произведений этих температур и энтальпий на
повторяемость, медианная линия климата и др. (см. рис. 7.1.3).
Другой разновидностью графической интерпретации климатологической информа-
ции является совмещение этих данных о температуре, энтальпии и влагосодержании наруж-
ного воздуха в данном пункте в левом квадранте с диаграммой i-d в правом квадранте [7.1.13].
Основные зависимости, включая данные о среднемесячной радиации на горизонтальную
поверхность и коэффициентах ее пересчета на вертикальные поверхности разной ори-
ентации по месяцам года представлены для С.-Петербурга на рис. 7.1.4. Более подробно
возможности и примеры определения различных величин, связанных с климатологичес-
кой информацией, описаны далее в п. 7.1.3.
159
динатах как графическая интерпретация основных зависимостей:
Sy — линии суммарной повторяемости температур или энтальпий наруж-
- линии сумм произведений температур и энтальпий наружного
M(tn, ф^) - медианная линия t„-^H комплекса;
ctjj, аП — изолинии среднеквадратических отклонений параметра от медианы.
Метод 5, основанный на замене эмпирических одномерных распределений iH, de);
за год сглаженным композиционным законом (для tH и iH) с параметрами a, а. и о, 6... а
для температуры и энтальпии соответственно [7.1.14, 7.1.15, 7.1.18, 7.1.20] и логарифми-
чески-нормальным (для dH с параметрами dByMi и в произвольном пункте страны.
Эти параметры в виде соответствующих изолинии нанесены на карты-схемы территории
России и их можно найти, зная координаты пункта. Погрешность расчета не превышает
+10%, т.к. текущие отклонения сглаженной кривой от эмпирической гистограммы неве-
лики и знакопеременны (см. далее рис. 7.1.7). Метод позволяет учесть и другой параметр -
радиацию, которая коррелиру 'мпературой наружного воздуха, а точнее практически
линейно меняется от нее на уровне среднемесячных, несмотря на разный характер этой
завис! [мости от зимы к лету и наоборот.
160
161
Эта методика пригодна практически для любого пункта России и в дальнейшем опи-
сана более подробно как основная. Годовой расход влаги на увлажнение или конденси-
руемого водяного пара при охлаждении-осушении определяют по методике, описанной
в книгах автора [7.1.15, 7.1.20] и в этом приложении (см. далее п. 7.1.6) в предположении
логарифмически-нормального распределения влагосодержания (см. табл. 1.9).
Метод 6, основанный на аппроксимации сложного композиционного распределения
температуры и энтальпии наружного воздуха приближенно трапецеидальным. Этот ме-
тод разработан Ю.Г. Шабловским и автором (А.С.) [7.1.17]. Ochobhi t для
расчетов по этой методике представлены в сводной табл. 7.1.2. Эта методика пригодна
практически для любого пункта России при известных параметрах распределения по
композиционному закону.
Метод 7 является наиболее точным и сложным методом расчета на ЭВМ на основе как
двумерныхэмпирических(Л.Б. Успенская, А.Я.Креслинь,А.А.Рымкевич, Н.В. Котенков),
так и сглаженных (А.М. Сизов) распределений. Недостатком метода А.М. Сизова являет-
ся сглаживание распределения наиболее простой функцией Гаусса, которая не позволяет
описать годовые распределения температуры и влажности достаточно полно. Кроме того,
в общедоступной литературе, прежде всего в трудах ВНИИГС [7.1.23], такие данные в
виде диаграмм приведены не более, чем для десятка станций. Методики расчетов
разработаны, но не доведены до практического применения. Наиболее точное описание
трехмерного распределения по Моргенштерну—Гумбелю дано в [7.1.5].
Сокращение числа метеоэлементов, учитываемых в расчетах. Существуют разные точ-
ки зрения по поводу того, какие пары 1я-^а3и др.), тройки (tg-d^-q^ и др.)
и более сложные сочетания параметров — метеоэлементов следует использовать в подоб-
ных расчетах. Это и неудивительно, т.к. тепловлажностный и воздушный режим помеще-
ния и здания определяются многими метеоэлементами:
Поэтому текущие и годовые расходы теплоты и холода по А.А. Рымкевичу являются
в известной мере функцией всех метеоэлементов. Выбор этих величин переменный и за-
висит от условий. В одних помещениях, даже с применением мер солнцезащиты, наблю-
даются значительные избытки внешней теплоты. Их вклад достигает 30-40% в расчетные
избытки тепла и 10-15% — в годовые. В других же помещениях внешние теплопритоки
меньше и на их долю приходится вклад в 10-20% в расчетные избытки и 5% — в годовые.
В последнем случае нет смысла стремиться к большой точности расчета избытков тепло-
ты, создающихся притоками извне.
Следовательно, необходимость точных расчетов годовых расходов по двух-, трех- и
многомерным распределениям возникает не всегда, а только для отдельных («стеклянных»
и негерметичных) объектов. Усреднение теплоизбытков помещения за целый год без
учета сезонов, а также сравнение энергопотребления аналогичных зданий в России и
США искажает соотношение годовых расходов теплоты и холода. Правда, в денежном
(а не в натуральном) выражении такая разница уменьшается из-за того, что, с одной
стороны, тариф за электроэнергию (руб/кВт ч) пока в 3-4 раза выше, чем для теплоты
в виде горячей воды (руб/кВт-ч), а, с другой, - выработка холода связана с потребляе-
мой электроэнергией при холодильном коэффициенте &=QS/NKпримерно 3—5. Таким
образом, стоимости теплоты в виде горячей воды и электроэнергии при механическом
охлаждении сближаются.
162
Таблица 7.1.2. Сводка расчетных формул для приближенного определения годовой повторяемости температур и
энтальпий наружного воздуха в разных интервалах и сумм произведений этих температур (или энтальпий)
на их повторяемость при замене композиционного закона распределения этих параметров приближенно-трапецеидальным
(по данным автора (А.С.) и Ю.Г.Шабловского [7.1.17])
j
165
Проведенный анализ и систематизация климатологической информации и методик рас-
чета позволяют сделать следующие выводы:
1. Имеющаяся климатологическая информация в виде среднемесячных значений, амп-
литуд, срочных одно- и многомерных эмпирических распределений, их сглаженных теорети-
ческих распределений делает возможным ручные и компьютерные расчеты для разных городов,
сменности, нагрузок и других условий с различной предварительно оцениваемой точностью.
2. В приближенных расчетах годовых расходов теплоты, холода и влаги можно счи-
тать допустимой погрешность 20—30% и использовать в основном среднемесячные тем-
пературы и энтальпии, хотя в ряде случаев такой расчет может давать еще более значи-
тельные погрешности.
3. На завершающей стадии проекта СКВ и СВ погрешность ±10% достигается при
использовании одномерных эмпирических и сглаженных распределений с учетом, при
необходимости, корреляционной связи радиации и ветра с температурой наружного воз-
4. В исключительных случаях (большое остекление, плохая солнцезащита, малые внут-
ренние теплоизбытки, повышенная точность, сложные режимы работы СКВ и др.) целесо-
образно использовать двух- и трехмерные распределения [7.1.5,7.1.23] и расчеты на ЭВМ.
5. Доказана возможность получения обобщенных значений годовых расходов
теплоты и холода по регионам и стране, а также получены упрощенные зависимости
(при Q^—l кВт, GH/Gw=l) для годового расхода в любом пункте территории России
(см. рис. 1.19 вт. I.).
Метод 8 включает в себя обобщающие расчеты удельных годовых расходов теплоты и хо-
лода на нагрев (охлаждение), отнесенные к 1 кВт расчетных теплоизбытков, к одному 1 кг/с
нагреваемого воздуха, и определенные по территории области, региона, государства и груп-
пы стран, как это сделано в п. 1.10гл. 1,рис. 1.19ивпримере 1.3. При усреднении подобных
данных учитывают инфраструктуру региона, городское население, другие соображения.
7.1.2 Обобщенная температурная климатологическая информация для регионов и всей
Российской Федерации. Дальнейшей и последней формой обобщения климатологической ин-
формации является получение характеристик для регионов и всей Российской Федерации
[7.1.16]. При усреднении учитывали численность городского населения областей, от ко-
торой зависит жилой фонд, промышленные и общественные здания и, в значительной
мере, вся инфраструктура. Первоначальные расчеты были выполнены для 98 крупней-
ших городов России с населением 50 млн человек. Контрольные расчеты с включением
городского населения областей дали близкие результаты. По результатам этих расчетов
оказалось, что наиболее близкими по усредненным климатологическим характеристи-
кам распределений температуры и энтальпии наружного воздуха оказались данные для г.
Саранска (54° с.ш., 45° в.д.). Основными климатологическими (температурными) харак-
теристиками этого пункта являются:
• среднегодовое значение температуры — 3,9 °C,
• среднегодовое значение энтальпии — 14 кДж/кг,
• среднегодовое значение влагосодержания - 4 г/кг,
• средняя продолжительность отопительного периода — 5016 ч/год (209 сут/год),
• средняя температура отопительного периода - минус 4,6 °C,
• расчетная температура наружного воздуха в холодный период года — минус 30 °C,
• параметры композиционного закона распределения температуры: а = —15 °C;
166
холода и влаги в СКВ и СВ
Поясним методики возможных обобщающих расчетов отопительной и вентиляцион-
ной тепловой нагрузки для территории Российской Федерации примерами.
Пример 7.1.3. Оценить расчетную отопительную нагрузку и годовой расход теп-
лоты на отопление зданий России из предположения, что численность населения
составляет 143 млн человек, а на одного жителя на работе и дома приходится
условно удельные теплопотери q="LkHF,=(),()! 4 кВт/‘С.
При заданных условиях удельные теплопотери всех зданий России составят:
1q0=143-106-0,014=2,0 106 кВт/V.
Расчетная отопительная нагрузка зданий России в принятых допущениях равна:
'Ll/=2,0 10 6[20-(-30)]=100млн кВт=90 тыс. Гкал/ч.
Годовой расход теплоты на отопление всех зданий России примерно равен:
1Г20гад=2,0 10 6[20-(-4,6)J-5016 10 s=246млрд кВт ч/год=213 млн Гкал/год.
Результаты расчетов в данном примере можно использовать для оценки и срав-
нения с данными ГОССТРОЯ России или другими общероссийскими.
Пример 7.1.4. Оценить расчетную вентиляционную нагрузку — годовой расход
теплоты на нагревание наружного воздуха из расчета 30 м3/ч-чел=0,01 кг/с-чел,
в свою очередь соответствуют теплоизбытки по условиям расчета на рис. 1.19
(гл.1) ^Q^=TGj:jKlr=l,43 106-1-7-10-6=10,0млн кВт.
По графику рис. 1.19 при tHj.p т=3,9"С и у=5,44 определяем удельный годовой рас-
ход теплоты на нагревание наружного воздуха в системах вентиляции при теп-
лоизбытках 1 кВт: qB=13,4103 кВт ч/год • кВт.
Суммарный годовой расход теплоты на нагревание наружного воздуха в системах
вентиляции по России может быть оценен как: YQBaia=l3,4-103-10,0 106-109=
=134млрд кВтч/год=115млн.Гкал/год, т.е. около половины от годовой нагрузки
на отопление.
Применительно к расчету утилизируемой теплоты имеют значение три основных ва-
рианта режимов работы и их границ, представленные в поле i— d диаграммы влажного
воздуха (рис. 7.1.5).
7.1.3 Расчеты на основе специализированной климатологической информации для дан-
ного пункта проектирования. Если нет возможности передать информацию всем и сразу
для разных пунктов, условий работы систем, технических решений и управления, то мож-
но пойти другим путем. Это специализированная информация для данного пункта, отоб-
ранная из разных источников [7.1.13] и широко используемая при проектировании СКВ
и СВ в данном географическом пункте.
Долгое время в нашей стране единственной общепринятой формой представления
данных о повторяемости параметров в двумерных координатах была так называемая
/я-фя диаграмма (рис. 7.1.6).
Первоначально ее предложила Л.Б. Успенская применительно к климатическим ус-
ловиям Ленинграда, обработанным за период 1945-1954 гг. на основе материалов метео-
167
рологических наблюдений ГГО им. А.И. Воейкова. На таком графике в ортогональных
координатах trr—фя другие изолинии оказывались кривыми (iH=const, dB=consf). Цифры
в поле между линиями соответствуют искомой годовой повторяемости (ч/год) на каж-
дой такой площадке. Замкнутые кривые, напоминающие известные горизонтали (линии
равных высот) на географических картах по сути есть линии равной плотности повто-
ряемости Ат/(Л/я-Афя), (ч/год)/(°С-%) при условии, что принятая при построениях еди-
ничная площадка имеет «размеры» А1у=5 "С и Дфй=10%. По этим кривым нетрудно най-
ти искомую повторяемость на любой интересующей площадке в поле Ф„ диаграммы.
ВдальнейшемвбО- 80-хгг.ХХв. в публикациях Л.Б. Успенской [7.1.23], А.Я. Креслиняи
др. были отражены результаты разработки и систематизации подобных данных для других
крупных городов страны, всего около десяти. Однако в силу практической сложности ис-
пользование ф, Ф„ / иаграммы в проектном деле не привилась, разве что в исключитель-
ных случаях и весьма ответственных объектах.
б — годовой режим работы теплоутилизатора как соче-
климата
168
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 7.1.6. Специализированная диаграмма для Ленинграда (С.-Петербурга) за период 1945-1954 гг., разработанная Л.Б.Успенской
(для удобства пользования и прочтения многочисленных цифр представлена не вся диаграмма, а только ее часть, соответствую-
щая наружным температурам tH> —5 °C).
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сейчас можно вернуться к этой идее и совместить всю основную информацию с i—d
диаграммой (рис. 7.1.4). Последняя используется д ля построения отдельных процессов обра-
ботки воздуха и их последовательности. Таких построений немного, и поле обычно остается
свободным. Левее вертикальной оси. используемой как ось tH, наносится вся информация:
• повторяемость tH в виде ступенчатых линий Ьл./Ыв (ч/год °C), в том числе и по мок-
рому термометру,
• суммарная и непрерывная продолжительность высоких температур наружного возду-
ха; последние используют в методике [7.1.8, 7.1.22],
• средняя многолетняя температура («норма») на каждое число по месяцам года,
• плотность потока падающей на горизонтальную поверхность радиации, которая на
уровне среднемесячных коррелирует со среднемесячной температурой 1Иг1Ж (более
высоким температурам соответствует более высокая падающая радиация qfad, Вт/м2),
• поправка kQ для пересчета падающей радиации с горизонтальной поверхности на вер-
тикальную произвольной ориентации по месяцам года [7.1.22, 7.1.8].
Ниже обычно не используемого поля под линией насыщения влажного воздуха при-
водятся данные о повторяемости энтальпии Дт/А1я, (ч/год): (кДж/кг) и влагосодержаний
dt/dd^ (ч/год):(г/кт) наружного воздуха. В относительно свободном поле диаграммы на-
несена граница — ф„ комплекса, наружные расчетные параметры для кондициониро-
вания воздуха и вентиляции разной обеспеченности [7.1.10] в теплый период года, об-
ласть оптимальных и допустимых параметров в помещении. Медианная линия климата
Лфя,<ря) делит всю область ta—ф„ комплекса на две примерно равные по повторяемос-
ти части. Чем ближе текущее состояние (-)Я. к медиане и среднегодовым, — тем больше
плотность повторяемости.
Уточним терминологию. Под продолжительностью понимаем время т, Ат (ч/год),
определенное для соответствующего одномерного или двумерного интервала; суммарная
продолжительность есть годовое время tmS=24-365+24/4=8766 ч/год, величину т уменьша-
ют в раз с учетом режима работы системы. Например, при пятидневной рабочей не-
деле и работе по 10 часов Ч'„,=5' 10/24-7=0,30. Плотность повторяемости относит продол-
жительность Ат к ширине интервала Д1Я, Д;я, или А</я и является общепринятой формой
представления данных о продолжительности.
Собственно продолжительность в любом интервале tH = tопределяется как про-
изведение плотности на величину интервала
-1'»» _ <- Ат > Сз \ П 1 й
аналогично для энтальпии iH и влагосодержаний dB наружного воздуха. В графической
интерпретации продолжительность определяют как площадь между кривой плотности,
осью параметра и его значениями на границах интервала. Характерные задачи расчетов
на основе климатологической информации и примеры систематизированы нами (всего
22 примера) и приведены в таблице 7.1.3.
Проводимые инженером расчеты могут оказаться приближенными по таким причинам:
• при определенных условиях в технологических схемах СКВ, алгоритмах функциони-
рования и границах режимов требуются двумерные распределения метеоэлементов
tH-dn, tH-iH и др. В этом случае для построения режимов работы используют методоло-
гию, изложенную в фундаментальной монографии проф. А.А. Рымкевича [7.75];
• в расчетах годовых расходов следует учитывать средние значения нагрузок помеще-
ний и соответствующих расходов (L^, /.„), которые зависят от системы, решений по
управлению этими расходами;
170
Приложение 7.1
Методики и i
1 и влаги в СКВ и СВ
• предполагается, что рассмотренные аппараты системы (нагреватель, охладитель,
увлажнитель) являются управляемыми; в неуправляемых происходит перерасход
энергии и вещества, часто весьма значительной.
По изложению этого материала можно сделать такие выводы:
1. Сочетание построений в i-d диаграмме влажного воздуха с необходимой климато-
логической информацией для данного пункта делает возможным расчет годовых расхо-
дов теплоты и холода СКВ и СВ и определение технико-экономических показателей.
I 2. Предложенный графоаналитический метод расчета отличается простотой, на-
глядностью и достаточной точностью при наличии данных об объекте и технических ре-
шениях системы.
7.1.4 Методика расчета годовых расходов теплоты и холода на основе композицион-
ного закона распределения. Основным методом определения годовых расходов тепло-
ты и холода СКВ и СВ, расположенных в произвольном географическом пункте, в том
числе годовых расходов утилизируемой теплоты, можно считать метод, основанный на
аппроксимации эмпирического распределения температуры и энтальпии наружного
воздуха теоретическим композиционным законом. В совместных исследованиях ГГО
им. А.И. Воейкова и ЛТИХП [7.1.14, 7.1.15, 7.1.18-7.1.20] показано, что эмпирические
и аппроксимирующие распределения (рис. 7.1.7) близки, локальные повышения и по-
нижения компенсируют друг друга, т.к. годовые расходы определяют суммированием
(интегрированием) мгновенных.
и энтальпии наружного воздуха композиционным
на распределения и закона равномерной плотности: Л(СПб) — С.-Петербург;
А — Архангельск; Т — Ташкент; Ч — Чердынь; И — Новосибирск; М Москва;
такое, при котором от текущего значения параметра вычитают его матема-
тическое ожидание, т.е. /МД =tH
171
Таблица 7.1.3 Сводная таблица методик и примеров инженерно-экономических
1 рив ) и и к ф i щии
(фрагментарно) по данным рис. 7.1.3 для С.-Петербурга [7.1.13]
№ п/п Задача Способ решения Пример расчета
1 Определение области возможных состо- яний ()Яв течение Внутри границы tH—(ря комплекса (см. граничную линию dx/dt^d^^O) Состояние (-)Я(23 °C, 100%) никогда не встречается.
2 Определение характерности теку- щего состояния (-)Я Чем ближе ( )Н к медиане, tH и 1н к среднегодовым, тем характернее (больше плот- ность повторяемости) Состояние ()Н (10 °C, 70%) характерно (вблизи среднегодовых ^срг01}=4,3 °C, /н ср го= 16 кДж/кг, о чем говорит высокая плотность dx/dtjft25Q ч/год °C, ^/<#^«130 ч/год(кДж/кг).
з Суточный ход состояния наружного воздуха Известно состояние ()//днем 15 — час суток Ход состояния летом примерно показан («восьмеркой» ) в поле id диаграммы: Где 24 определяют по графику для данного месяца (слева, внизу), ’„т =/да> -2Д«, где 4 ~ °,1!я (летом).
4 Почасовое значение /я(т) и /я(т) в летние расчетные сутки для определения поча- совой холодильной нагрузки Известны <„,<„,24,24, (в климатологии амплиту- дой считают разность tHmax-tH min’ ЧТ0 ЯВЛЯеТСЯ двойной по сравнению с принятой в физике) /a(T)=U<15)-4+4„sbi(m-2,33) = +4.sin(<от 2,33) /ЯЮ =U<.s)\ +4 sin(№ -2,33); га =2та/24 = 0,26 ч'1.
5 Температура и энтальпия наружного воздуха в ночное время (для СКВ и СВ газетных цехов и др.) Известны <„,<„, 24 При /нрш=22,8 °C - температура при т=15 4,2л, =8,7 °C; 1=22,8-4,3+4,3sin(0,262-3-2,33)= =22,8-4,3+4,3(-1)-14,2 "С. При <„=49,5 кДж/кг; 2A,t = 0,2 и“10кДх/кг’ =49,5-5+5sin(0,262-3-2,33)» =39,5 кДж/кг.
6 Средняя температура tH на заданное число или период года Для СКВ и СВ эпизодического (под мероприятие), периодиче- ского действия, сезонных или специальных По графику tHcp (число, месяц) в левой части графика в начале мая среднесу- точная температура (норма) —НО °C, амплитуда .-< =9/2=4,5°С, интервал суточных изменений г,/т)=5...15 ’С.
7 Суммарная продол- жительность периода превышения (высо- кие температуры) Для определения (превышений) параметров воздуха в помещении По специальной методике [7.1.21] на основе понятия о статических и дина- мических характеристиках звеньев/эле- ментов СКВ и СВ (недетерминирован- ная модель).
8 Непрерывная про- должительность высоких температур наружного воздуха Тоже По специальной методике [7.1.21] на основе понятия о статических и дина- мических характеристиках звеньев (эле- ментов) СКВ и СВ на частоте суточных колебаний tH(x) и dH{x).
172
9 Отличие средней за время работы систе- мы температуры или энтальпии наружного воздуха от среднесу- точной Д/д - _ 4,Jcos(cot„ -2,33)-cos (сот.-2.33)] Для спортивно-концертного зала тя=12ч,т=15ч _4,5[cos(12-0,262 -2,33)-cos(15-0,262-2,33)]_
" 0,262(15-12) ; %wi-o). 4=с 0,262(15-12) Это значит, что температура наружного воздуха в период т=12... 15 ч будет выше среднесуточной на ~4 °C, аналогично энтальпия будет выше на кДж/кг.
где ®=2л/24=0,262 ч4 тя, т*. — время начала и кон- ца при тя>10 ч поправка несущественна
10 Наибольшее или на- именьшее значение параметра с учетом режима работы сис- Например: расчетный ре- жим увлажнения определяется сочетанием максимального при работе СКВ GH с мини- мальными влаговыделения- ми и б?Ят.п. СКВ работает при переменном расходе GH. Максимальное GH= GH maj=2 кг/с при /я>10°С, d=8 г/кг; 6^=0. Определить максимальную производительность увлажнителя в этих условиях. На левой границе tH—<ря комплекса при /я>10 °C ние dHm{=2 г/кг. Тогда G вл тах= =2(0,008-6,002)-0=0,012 кг/с(43 кг/ч)
11 Непрерывная продолжительность низких температур наружного воздуха (/я= —10(-2)...-32°С) Для обоснования наружной По таблице 20, стр.227 в книге (7.1.6J
расчете теплопотерь через массивные наружные стены (культовые и музейные старинные здания).
12 Фактическая сред- няя интенсивность падающей радиации на горизонтальную и вертикальные по- верхности заданной ориентации Для расчета средних теп- лопоступлений по месяцам года, в отопительный и теп- лый периоды года. Для марта (цифра III левее i-d диаграммы) определяем qrv ш а 85Вт/м \ для восточной ориентации коэффициент пересчета в марте ^=0,6, 7»,»»0,6-85 = 51 Вт/ч2
13 Эффективность теп- лосбережения в сис- теме отопления при индивидуальном или пофасадном управ- лении Должен быть задан период года при /я<8 °C продолжи- тельностью твш=219 сут/год, ориентация и площадь све- топроемов ^Fok, коэффи- циент перехода в воздух с учетом всех факторов Кв. При 22^=50 м2; /я<8 °C, ориентации - восток; получаем Ч.СР — + Qcpx + QcPxi + Черх,^ +<7+С+С,+С)/8= =(90+30+10+5+5+30+85+130)/8= 48 Вт/м2. за отопительный период. Коэффициент пересчета KQ =0,55; Коэффициент перехода теплоты в воз- дух Кв=0,5. Суммарное количество тепла, поступающее в помещения: e„<Mf=r^/KQ«2?=24-219-0,048-50-0,55-QJ5= =3500 кВт-ч/год =3 Гкал/год
173
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г.
14 Продолжительность периода т охлаж- ПриГя >tK< опреде- ляют площадь между *Н = >*Н - max ’ ОСЬЮ tH Период охлаждения воздуха при гу/> 12 °C. Кривую dT./dta заменяют: 1 - прямой dx/dt=16O ч/°С-год при /в= 12...17 °C, площадью (продолжи- тельностью) т1=260(17-12)=1300 ч/год, = 14,5°С; 2 — наклонной прямой с вершиной di/dtH=260 ч/ °С-год, пере- секающей ось tH при t,/=27 °C; площадь треугольника^ продолжительность) т2=0,5-260(27-17)= 1300 ч/год, среднее значение t„ePi = 17 + (27 -17)/3=20,3’С. Общая продолжительность -=т-т=1300+1300=2600 ч/год (4^=1). Средняя температура
осушения или увлаж- нения. Среднее зна- чение параметра (tH, за этот период. Кривые плотности d-t/din, dr/ddH замени- Аналогично для t„ < tKi (на- грев), d„ <dK (увлажнение), ‘я <^к (нагрев)
вале прямой или не- сколькими прямыми, а площадь - равнове- ликим прямоугольни- ком, треугольником, трапецией или их сочетанием При =//...^Х=41--лг Период теплопотерь при отключении nt„=tK=vc...tK=\rc(dx/dta)^ »260 ч/ Стод, продолжительностью т=260(17-8)=2340 ч/год, плотность dildtH больше при более высоких ГвГЯф«14°С т + т = (1300 14,5+1300 20,3)/2600 = 17,4°С
15 Годовой расход хо- лода на охлаждение = ЧС [<Л/ (<„„ - у+ +(1-ёя)(«,-У1 При /,/>12 °C по п.14 т =2600 ч/год, =17,4 °C. Для y„=l,G=_2 кг/с, с„=1 кДж/кг-°С; G„=l кг/с, G„ =0,5; /„=12 °C; / =22 °C; 6^=1-21-2600- [0,5(17,4-12)+(1-0,5)(22-12)]= =40 тыс.кВт-ч/год
16 Годовой расход хо- лода на осушение 0>м = %, О., (4„, - ) + d-G^-d^ п₽и ^=иФ=12 °с; d=9 г/кг; (А/</<7„)т=400 (ч/год)/(кг/кг); Kd = 16-9=5 г/кг; т =0,5-400-5= =1000 ч/год; dH =0,011 кг/кг; QXM = =1-2-1000(0,5(0,011-0,009)+(1-0,5)- (0,010-0,009)]2500=7,5 тыс.кВт-ч/год
17 Годовой расход теп- лоты на нагрев - нет- Qt. год ~Жак @Н СВХнагр ~ *Н.ср) От. год = Vcm @Н Хнагр (ZX — ^Н. ср ) При Г =20°С; Г =10 °C; G„=0,5; 1=0°С (At/AUm=300 ч/год°С, Д1Я=19°С, т ^=0,5-300-19=2850 ч/год; t„ = -6,3 °C; (G, =2 кг/с) v„=l Gx^=l-0,?-2-l-2850- •[0—(—6,3)]=18 тыс.кВт-ч/год= =15,5 Гкал/год
18 Годовой расход влаги на увлажнение — нет- При /е=20 °C; <рг=50%, </„=7,3 г/кг; GB=0,5; dv=6 г/кг; d=d,1 г/кг (почти равно среднегодовому) фи=1; 1^=0,5-8766=4400 ч/год; </я =3,5 г/кг; (по площади левее </к=4,7 г/кг) G =1-2-0,5-4400 (4,7-3,5)10+- •3600=19000 кг/год=19м3/год
174
Приложение 7.1
Методики и примеры определения годовых расходов теплоты, холода и влаги в СКВ и СВ
19 Средний за год рас- ход наружного воз- духа на ассимиляцию влаговыделений (бас- сейны) q GH.cp ^ух-^Н.ср.год -d„p Ghv-‘ = Т8-1’1 = 0'55>где^=18'7кгпри /,-28 °C, <р„=75%; </„„=</я,=11 г/кг (при расчетных параметрах «А») 4^.7 г/кг
20 Поправка к годовому расходу холода на то, что в период суток Тд.. лк температура и энтальпия отличается от своих среднесуточ- ных значений поправка Д/( — см. п. 9 Для СКВ, работающей с тя=9 ч до тк= 18 ч и пятидневной рабочей неделе V о, = ^24^ = поправка д. _ 8[cos(0,26-9-2>33)-cW(0,26-18-2,33)] ' 2-0^26(18-9) При G f=2 кг/с, G, =0,5; тт=2600 ч/год по п. 15 AQ,„x=0,27-2-0,5-1-26000,9= =700 кВт-ч/год
21 Расчет годовых расходов теплоты и холода с учетом нагрева приточного воздуха в вентуста- новке и воздуховодах Поправка = Ыпр /GB снижает на эту величину границу режима нагрева и охлаждения, уменьшает продолжительность, сред- нюю температуру в режиме нагрева и расход теплоты. Годовой расход холода наоборот возрастает при снижении /x(zJ, увеличе- нии продолжительности периода охлаждения и уменьшении средней температуры (энтальпии) за режим. Все учитывается взаимосвязанно. При Рв= 1 кПа, т| =0,75; П„=0.85,П,„=0,95 Д/_=0,84/0,75-0,85-0,95=1,3 °C, АГ«^=0,7 °C, Д^=1,3+0,7=2 °C. Расчет по п. 15 ведется при /„>12-2/0,5=8 °C. дальше аналогично.
22 Оценка эффектив- ности испаритель- ного (адиабатного) охлаждения воздуха в теплый период года По времени использования испарительного охлаж- дения воздуха (площадь между линиями Дт/Д/Я и Дт/Д?н л1), среднем перепаде температур tu-tHM и их про- изведении. В интервале /^17 °C продолжительность периода - С )^=о,5-245-3=370 ч/год, средний перепад температур (Гя—ГЯаИ)ф=3 °C, общий за теплый период эффект испарительного охлаждения т„„Л/„„, =370-3-1100 ч-°С/год.
Выбранный закон распределений мало описан в математической литературе, но при-
водится в климатологических изданиях. Поэтому рассмотрим его несколько подробнее.
Плотность распределения на примере температуры наружного воздуха при компози-
ционном законе описывается соотношением
dtH ,
J ехр(-х2/2)& =
Аналогично можно описать плотность распределения энтальпии наружного воздуха.
Эта плотность определяется как произведение плотности закона равной вероятности на
175
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
разность интегральных функций нормального распределения Ф при безразмерных аргу-
ментах (tH-a)/at и (tH-b)/at. Таким образом, композиционный закон распределения тем-
пературы характеризуется тремя параметрами (at, bt, а), аналогично — по энтальпии.
Эти параметры вычисляют через второй и четвертый центральные моменты распре-
делений. Данный закон наблюдается в том случае, когда распределение температуры и эн-
тальпии наружного воздуха происходит как под влиянием множества случайных факторов,
дающих в совокупности нормальное распределение, так и под влиянием фактора, равномерно
изменяющегося во времени. Вид функции плотности такого распределения определяет-
ся соотношением: (Ь-а)/а, называемым параметром плосковершинности у. Значения это-
го комплекса для крупнейших городов России и некоторых соседних государств приве-
дены в табл. 1.9 гл. 1 т. I. При малых значениях этого комплекса (у=3...4), характерных
для пунктов Севера России, распределение островершинное (см. распределение для
С.-Петербурга и Архангельска на рис. 7.1.7). На юге это распределение более плосковер-
шинное, а обсуждаемый параметр достигает значения 7...9.
Основное преимущество расчетов на основе такого распределения — доступность и
простота определения искомых климатологических параметров a,, bt, а, для любого пунк-
та России и соседних государств по карте рис. 7.1.8, а, и соответственно параметров а., Ь.,
о. — по карте рис. 7.1.8, б на основе известных географических координат пункта.
Приведем характерные зависимости, позволяющие определить искомые годовые расхо-
ды теплоты и холода при описании плотности распределения композиционным законом.
В случае если граница нагревания изотерма, годовая повторяемость сочетания парамет-
ров наружного воздуха в интервале от /Дпй1= —«о до tH=tK определяется из соотношения:
= [Эд-J.fr-yj], ч/год,
где \|/ - коэффициент, учитывающий сменность работы объекта и системы;
у = (Ь-а)/а — параметр плосковершинности композиционного распределения темпера-
туры и энтальпии наружного воздуха; Т=(t-а,)/а, - относительная температура грани-
цы нагревания или охлаждения воздуха, принятая при композиционном распределении;
7,(х) — интеграл от интегральной функции нормального закона, вычисленный на ЭВМ и
определяемый по табл. 7.1.4.
Сумма произведений температур (или энтальпий) наружного воздуха на их повторя-
емость определяется по зависимости:
^Ti=!Z^^[j2(x) + (a(/CTi)jiW_72(jc_yj)_(y(_a(/a/)j1(x-y)]>4.-C/rofl, (7.1.9)
где J2(x) — интеграл от произведения интегральной функции нормального закона на
ее аргумент, определяемый по табл. 7.1.4. Делением выражения (7.1.9) на (7.1.8) опреде-
ляют среднее значение температуры (энтальпии) наружного воздуха в рассматриваемом
интервале.
Годовой расход теплоты на нагревание наружного воздуха в неуправляемом утилизаторе
можно определить по этой методике по зависимости:
176
io° 80° zr af4tf sf вбюШш’кМ 180'80° 190° 70" 60°
. Карта-схема территории Российской Федерации и других государств, входивших в состав бывш. СССР, с изолиниями парамет-
ров композиционного закона распределения температуры наружного воздуха: сплошные — изолинии at, пунктирные — изолинии bt,
штрихпунктирные - изолинии at (высокогорные районы, где невозможна интерполяция, заштрихованы).
i
i
Рис. 7.1.8, б. Карта-схема территории Российской Федерации и других государств, входивших в состав бывш. СССР, с изолиниями параметров
композиционного закона распределения энтальпии наружного воздуха: сплошные — изолинии а., пунктирные — изолинии Ь., штрих-
пунктирные — изолинии <з1 (высокогорные районы, где невозможна интерполяция, заштрихованы).
Приложение 7.1
i и влаги в СКВ и СВ
Таблица 7.1.4. Таблица функций J3x.)=-== f fcxp( л-2/2)Ai
х, х, W J/X,)
-3,0 0,00037 -0,001 -0,4 0,23000 -0,218
-2,8 0,00074 -0,002 -0,2 0,30700 -0,241
-2,6 0,00146 -0,004 1 о 0,39900 -0,250
-2,4 0,00271 -0,007 0,2 0,50700 -0,239
-2,2 0,00488 -0,012 0,4 0,63000 -0,202
-2,0 0,00848 -0,020 0,6 0,76900 -0,132
-1,8 0,01430 -0,031 0,8 0,92000 -0,026
-1 6 0,02320 -0,046 1 1,0 1,08300 0,121
-1 4 0,03670 -0,066 1,2 1,25600 0,311
0,06610 -0,091 1,4 1,43700 0,546
-1,0 0,08330 -0,121 1 6 1,62300 0,826
-0,8 0,12000 -0,154 1,8 1,81400 1,151
-0,6 0,16900 -0,188 2,0 2,00800 1,520
Последнюю формулу используют в случае, если теплоутилизатор работает в течение
года только в неуправляемом режиме. Если это не так, и утилизатор работает в двух ре-
жимах (неуправляемом и управляемом), то годовой расход определяют суммированием
соответствующих частных расходов теплоты. В режиме управляемого теплоутилизатора го-
довой расход теплоты определяют по зависимости:
On,..-* = G„cb (tK ,кВт-ч/год. (7.1.11)
7.1.5 Примеры сравнительных расчетов годового расхода утилизируемой теплоты на осно-
ве композиционного распределения температуры наружного воздуха и по другим источникам.
Поясним методику характерных вариантов расчета годового расхода утилизируемой теплоты -
брутто без учета эксплуатационных режимов, оттайки аппарата, изменения коэффициента
эффективности вту=ф(1н, ty, фу, GH /Gy...) и других факторов на характерных примерах.
Пример 7.1.5. Теплоутилизатор с расчетным и постоянным коэффициентом эф-
фективности ^Ту=0,7()при расходах воздуха GH=Gy=l кг/с установлен в системе
приточно-вытяжной вентиляции и работает в неуправляемом режиме, компен-
сируя теплопотери при трехсменной работе 73. Расчетная температура
воздуха в помещении tB=15 °C. Определить годовой расход утилизируемой тепло-
ты для климатических условий С.-Петербурга следующими методами:
• на основе композиционного закона распределения температуры при а = —9,4 °C,
179
• на основе упрощенно-трапецеидального закона распределения (табл. 7.1.2);
• по эмпирическим данным о повторяемости температуры наружного воздуха в
С.-Петербурге (табл. З.А [7.1.9]).
При использовании композиционного закона (первый метод) предва-
рительно определяем относительные значения границы нагревания
Этим значениям аргул
егралы J,() и.12(), определя-
Продолжительность режима утилизации теплоты nputH < 15 °C и коэффициенте
сменности <|/ = 0,73 по формуле (7.1.8) составляет:
тТ^^^[/Л5)-Лб-¥Л=^^(3,26-0Д6) = 5170Ч/гОй
Определяем сумму произведений температур наружного воздуха на их повторяе-
мость при tH< 15 °C и композиционном законе распределения по формуле (7.1.9):
ЪнЗ, = 876б^"СТ' р2© + (а, /ст,)J,@-J2fi - Y,)-(Y,-а, /а,)ЛЙ - Y,)]=
= 8766^^7^|4!80 + £^3,26 - (-0,18)-[3,84 - (-9Л)/7,5] 0,1 =
= 1500 ч t/год.
Годовой расход утилизируемой в неуправляемом аппарате теплоты в условиях
данного примера составит:
<2ты = Он Св0-,-у - 2 г«л) =1 1 °’7 В 5 5170 -1500] = 53200 кВтч/год.
Выполним сравнительный расчет продолжительности периода работы тепло-
утилизатора на основе приближенно-трапецеидального распределения (второй
метод). Предварительно определяем положение границы режима работы тепло-
утилизатора tH<t=15 °C по отношению к «плато» и правому «склону» трапеции,
которые пересекаются при tH=b -0=19,3-7,5=11,8 °C. Из сравнения этих темпе-
ратур делаем вывод, что граница режима работы теплоутилизатора находится
на правом «склоне» аппроксимирующей трапеции. Для этого случая по сводной
таблице 7.1.2 выбираем соответствующие формулы (случай 7). Определяем про-
должительность режима работы теплоутилизатора, используя приближенно-
трапецеидальное распределение при tHvmj~0,5(b+a)=0,5[l9,3-(-9,4)]a5 °C, что
отличается от средней многолетней температуры =4,4°С в силу асим-
метрии эмпирического распределения температуры — рис. 7.1.7 и при конечной
температуре, расположенной на правом «склоне» трапеции, получаем:
4' £] |s7«['
Наконец, поэмпирическимданным(третийметод)табл.З.А[7.1.9]дляС.-Петербурга
этот период имеет среднюю продолжительность t=0,73- 7085=5160 ч/год. Как вид-
180
Приложение 7.1
но из результатов расчета основной величины - продолжительности работы
теплоутилизатора, полученные цифры близки и по отношению к эмпирическим
данным отличаются не более чем на 5%.
Пример 7.1.6. Определить годовой расход утилизируемой теплоты по примеру
7.1.5 с расчетной эффективностью hlv=0,70, в течение рабочего времени при
t=20 °C в двух режимах:
• в неуправляемом режиме 9ly=consl при tH<0 °C;
• в управляемом режиме в^р^агпри tH=0...10 °C; (границы режи.
числены при средних значениях тепловой нагрузки помещений).
Расчеты выполнить для климатических условий С.-Петербурга при GH=1 кг/с и
односменной оаботе уа= 0,27.
Неуправляемый режим работы теплоутилизатора при t!r = 0 ‘Охарактеризуется
относительной величиной
tv=(fv -а,)/а, = [0-(-9,4)]/7,5=1,25; tv-y, =1,25-3,84 = -2,59, чемупо табл.
7.1.4 соответствует J/l,25)=l,3 и J/~2,59)=0,00146. Продолжительность не-
управляемого режима работы теплоутилизатора при композиционном законе
распределения температуры равна:
о"с
| = 0,27-8766(1,3-0,00146)/3,84 = 800ч/год.
Продолжительность этого режима при приближенно-трапецеидальном распре-
делении температуры по табл. 7.1.2, гр. 6):
^^c=^fc^)=FgS5)t0-(-9’4>>770‘'/^
Для сравнения, по усредненным эмпирическим данным, суммируя повторяемость
температур наружного воздуха от —30 °C до О °C, по табл. З.А [7.1.9] суммарная
повторяемость составляет 1=0,27-2878=780 ч/год. Как видно, повторяемость
температур в неуправляемом режиме работы теплоутилизатора, определенная
разными методами, близка.
Сумму произведений температур наружного воздуха на их повторяемость удобно вы-
числить, используя приближенно-трапецеидальное распределение (табл. 7.1.2, гр.б):
°'27-8766 (0*-9,4г -7,5’/з)=^460 ч’С/год.
' 2(6,-а,)(,’ 3 ') 2[19,3 —(-9,4)]' 7
Более точный результат за счет лучшей аппроксимации левой ветви распреде-
ления можно получить, если использовать композиционный закон. По формуле
(7.1.9) при J./I,25)=0,37u 1/-2,59)= -0,004 получаем
Ч>.»2ЛЛ, = °’27 ^6 7,5[0,37 -9,4 1,3/7,5 - 0,004-(3,84 + 8,4) 0,00146]^-5900 ч°С/год.
Еще более точный результат в определении этой величины можно получить, сум-
мируя средние температуры наружного воздуха на их повторяемость по данным
табл. З.А [7.1.9]; эта величина составляет —7300 ч град/год. Искомое количес-
тво утилизируемой теплоты за период неуправляемого режима по наиболее точ-
ным данным составит:
= 0,27 1 1 • 0,70[20- 800 - (-7300)] = 4400 кВт ч/год.
181
При расчете по приближенным формулам количество утилизируемой теплоты
оказывается несколько заниженным.
Теперь определим расход утилизируемой теплоты в управляемом режиме работы
аппарата при 07у = var в интервале температур наружного воздуха tH=0...10‘C.
Границы этого режимам находятся на «плато» трапеции, которое соответс-
твует интервалу наружных температур от а+а = —9,4+7,5= —1,9 “С до Ь—
<3=19,3—7,5=11,8 "С. Продолжительность неуправляемого режима при прибли-
женном трапецеидальном распределении составляет:
Для сравнения по табл. 3.А [7.1.9] искомая повторяемость температур в управ-
ляемом режиме работы теплоутилизатора равна: х=0,27-2860=775 ч/год.
Сумма произведений температур наружного воздуха на их повторяемость в ин-
тервале. соответствующем «плато» трапецеидального распределения по табл.
7.1.2, графа 2 составляет:
=У-<8766Г4 -£1 = 0-27-876б_(|0- -0)=4120 ч-°C/год.
2(bt-at)L грА 2[19,3—(-9,4)]V 7
Средняя температура наружного воздуха в управляемом режиме работы тепло-
утилизатора равна: = ^Их, /х^ = 4120/820»5°С
Искомое количество утилизируемой теплоты в течение управляемого режи-
ма работы аппаратов равно потребности системы в теплоте и составляет:
QTv^Gaat(tK-ta^)-x„=lA(\0-S)%2fl=41W>KBm4leod. В резуль-
тате всех вычислений общее количество утилизируемой теплоты в те-
чение неуправляемого и управляемого режимов работы аппарата в усло-
виях данного примера и заданном коэффициенте сменности составит:
Qtv.^ = вгу„^ + Qry.„ = 4400 + 4100 = 8500 кВт ч/год.
Для сравнения в статье [7.73 из гл. 7] при работе неуправляемого теплоути-
лизатора и в климатических условиях С.-Петербурга при близком коэффици-
енте сменности работы СКВ в офисах, расчетном расходе наружного воздуха
GH=3,33 кг/с, неуказанном коэффициенте эффективности теплоутилизатора
Gazelle (Systemair) при температуре воздуха в помещении 20 °C утилизируемая
п завила 87,7 тыс.кВт ч/год, что мы считаем несколько завышен-
ным. Весьма сомнительно утверждение авторов этой статьи, что сокращение
расхода теплоты составляет 75%. Дело в том, что в офисных помещениях зна-
чительны избытки теплоты (50...80 Вт/м2), вследствие чего утилизатор будет
работать частично в неуправляемом, а частично в управляемом режимах при ко-
нечной температуре t=t=10—12 °C.
Этот пример еще раз показывает, что режимы работы теплоутилизатора должны быть
строго согласованы с объектом, его теплоизбытками и требованиями к управлению этим ап-
паратом, чего обычно не делают. Если это условие не соблюдается, то можно сказать, что
полученные суммы утилизируемой теплоты никак не будут соответствовать действительным
(наблюдаемым).
182
7.1.6 Методика расчета годового расхода влаги на увлажнение наружного воздуха и годо-
вого расхода холода на его осушение. Эта методика основана на аппроксимации эмпири-
ческого распределения влагосодержания наружного воздуха теоретическим логарифми-
чески-нормальным законом распределения с параметрами [7.1.14,7.1.15, 7.1.18,7.1.20]:
• логарифм среднегодового значения влагосодержания (We)C(>aS;
• среднеквадратическое отклонение логарифма влагосодержания а1п</ .
Для произвольного пункта России и соседних государств эти параметры определяют
по географическим координатам и карте-схеме в книгах [7.1.15,7.1.20] и на рис. 7.1.9. Для
наиболее крупных городов России, Украины, Белоруссии и Казахстана их можно опреде-
лить также по табл. 1.9 в т. I этой книги. При использовании упомянутого закона распре-
деления вычисляют следующие величины.
Среднегодовое влагосодержание наружного воздуха определяют как:
Среднеквадратическое отклонение влагосодержания dH равно:
= <,..„JexP(<4,, )-1 ^dHcp!od-аМя. (7.1.13)
Если обозначить dlp - границу режима конца увлажнения или начала осушения об-
рабатываемого наружного воздуха, то для расчетов по этой методике предварительно вы-
числяют нормированное и центрированное относительное значение этой величины:
<^=[1п'#„-(Ь1^)ф«л]/аы„ (7ЛЛ4)
и для него определяют - табличное значение функции Лапласа нормиро-
ванного и центрированного аргумента dv по соответствующим справочникам [7.1.3].
Продолжительность периода увлажнения наружного воздуха при dH < d!p с учетом смен-
ности работы системы \|гсл| определяют как:
т |’ =у„876б[о,5О±ф(^)]. (7.1.15)
Сумму произведений влагосодержания наружного воздуха на его повторяемость в ре-
жиме увлажнения наружного воздуха определяют как:
£ dHy. =Ч'»8766{4еД^[0,50 + ф(^, )]-q, exp(-rf’ /2)а/2л}. (7.1.16)
Искомый годовой расход влаги на увлажнение наружного воздуха при известном и пос-
тоянном расходе GH в интервале dH=Q...dpp определяют как:
Во всех формулах (7.1.15) — (7.1.17) знак перед функцией Лапласа Ф(о',,,) выбирают
так: плюс — при положительном аргументе d!p и минус — при отрицательном аргументе.
При определении расчетного годового расхода холода на осушение наружного воз-
духа в воздухоохладителе поступают следующим образом: первоначально продолжи-
тельность режима осушения наружного воздуха в интервале влагосодержания dH=d^...a>
определяют, вычитая от единицы выражение в прямых скобках формулы (7.1.15). Сумму
произведений в этом случае определяют как:
183
Прила» 1
(7'1Л8)
Последнюю сумму произведений в этой формуле определяют по выражению (7.1.16).
Наконец, искомый годовой расход холода на осушение наружного воздуха в воздухоохла-
дителе определяют как:
I где энтальпия пара (^,=2500 кДж/кг.
Приведем характерные примеры определения годового расхода влаги на увлажнение воз-
духа и годового расхода холода на осушение в процессе его охлаждения-осушения в воздухо-
охладителях СКВ.
Пример 7.1.7. Определить годовой расход влаги на увлажнение наружного воз-
в климатических условиях Москвы при логарифмически-нормальном законе рас-
чему соответствует (IndJ,— 4,85. По карте-схеме параметров распределения
настоящей книги определяем:(1пг/я) ^=-5,5; =0,58.
Вычисляем среднегодовое влагосодержание наружного воздуха: dH
= 0,005 0,58 = 0,0029. Вычисляем относительное значение граничного влаго-
содержания по формуле (7.1.14): d,/t =[-4,85—(-5,5)]/0,58 = 1,1. Этому значе-
нию аргумента соответствует табличное значение функции Лапласа Ф(1,1) —
= 0,384. Продолжительность режима увлажнения воздуха при dn = <0,008:
суп *| =0,50-8766(0,50 1-384)-3800ч/гоЛ
Сумма произведений влагосодержания наружного воздуха на его повторяемость
при dH=< 0,008:
, =0,50-876б[0,005(0,50 + 0,384)-0,0028ехр(-1,12/2)/-хЖ] =16,7 ч/год.
И <довой расход влаги на увлажнение наружного воздуха в СКВ при
G=1 кг/с и двухсменной работе составляет:
=1(0,008-3800-16,7)-3600-10-’ =48,5м7год.
для условий предыдущего примера, если левая граница осушения воздуха совпада-
ет с правой границей его увлажнения. Из-за совпадения этих границ используем
вычисленные в предыдущем примере величины повторяемости и суммы произведе-
ний. Продолжительность периода осушения наружного воздуха
|" =0,50-8766-г>ш°|Ю8 = 0>50-8766-3800 = 583 ч/год.
185
Сумма произведений влагосодержания наружного воздуха на его повторяемость
за режим осушения равен:
grftfZ, =0,50-8766^-±daS
Искомый годовой расход холода на осушение наружного воздуха по формуле
(7.1.19) равен:
е,„,^„„-1-25(Ю(5,3-0,008-583)1(Г3 =1,5 тыс.кВт ч/год.
Погрешности климатологического характера в методиках определения годовых расхо-
дов сводятся к следующим:
• погрешность при замене многомерного распределения метеорологогических пара-
метров т(/„, фя, vH, g^,...) одно- или двумерным;
• погрешность при укрупнении интервалов ttB-iH площадок;
• погрешность при аппроксимации многолетних эмпирических данных сглаженными
теоретическими зависимостями (в среднем ~5... 10%);
• погрешность при неучете сменности работы системы и колебания параметров в тече-
ние суток (рис. 7.2, б) данного месяца. Поправка на отличие средней температуры от
среднесуточной для данного месяца определяется как:
мн
0,524^
В этой формуле коэффициенты аИ и ак определяют для соответствующего часа начала
и конца работы системы и принимают по следующей таблице:
Таблица 7.1.5Коэффициенты а и акпо часам суток
Для часов суток после полудня коэффициенты а принимают теми же, но с противопо-
ложным знаком. Например, при односменной работе системы от Тд=8 ч до тл=16 ч поправ-
каДгЯ15от =0,ЗД , при двусменной работе от-гя=8ч до т/=24ч поправкаЛ/я^ -0,0654,. .
Суточный ход температуры и энтальпии наиболее выражен в теплое время года, особенно
в условиях континентального климата. Наибольшее значение поправки по формуле
(7.1.20) нужно ожидать при кратковременной работе систем в дневные или ночные часы,
например с 13.00 ч до 15.00 ч (режим концертов и спортивных мероприятий). При расчете
годового расхода теплоты в холодное время года эту поправку можно не учитывать.
Литература к приложению 7.1
Б.В. Баркалов, Е.Е. Карпис. Кондиционирование воздуха в промышленных, обще-
ственных и жилых зданиях. Издание 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1982, с. 305.
В.П. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров. Кондиционирование воздуха и холо-
доснабжение: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и уча-
щихся втузов. М.: «Наука», 1980, с. 92 — 93.
Е.Е. Карпис. Новый метод расчета годового потребления холода СКВ здания. //
Холодильная техника, 1998, №3, с.24 - 25.
Г.В. Карпухин, Н.В. Кобышева. Трехмерное распределение как одна из основных
форм представления информации для строительного проектирования. - Труды
ГГО, вып. 458, Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с. 15 — 24.
Климат Ленинграда. /Под ред. Ц.А. Швер, Е.В. Алтыкиса, Л.С. Евтеевой. (Серия:
Климат городов) Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 252 с.
Научно-прикладной справочник по климату СССР, серия.З, ч. 1-6, вып. 1-35.
Л., Гидрометеоиздат, 1990-1999 гг.
З.И. Пивоварова. Оценка суммарного прихода коротковолновой радиации на стены
здания. — Труды ГГО им. А.И. Воейкова. Выл. 321, Гидрометеоиздат. Л.: 1973. - 127 с.
СНиП П-А.6 — 72 «Строительная климатология и геофизика» . Стройиздат. М.:
1973. 319 с.
7.1.10 СНиП 23-01-99’ Строительная климатология. 1осстрой России. — М., 2003. — 70 с.
7.1.11 Л.Г. Сотников, Н.В. Кобышева, М.В. Клюева. Можно ли «энергосберегать» без еди-
ной методики расчета? (о систематизации методик по климатической основе и точ-
ности). - Труды VII съезда АВОК. М.: 2000, с. 30 - 33.
7.1.12 А.Г. Сотников. Климатический паспорт города и его применение в расчетах кон-
диционирования воздуха и вентиляции. // Водоснабжение и санитарная техника.
7.1.13 А.Г. Сотников. Климатологическая информация, совмещенная с диаграммой i-
влажного воздуха. //Инженерные системы. 2001, №2, с. 27 — 29.
7.1.14 А.Г. Сотников, Н.В. Кобышева, В.Э. Ницис. Определение годовых расходов тепла,
холода и воды в СКВ и вен тиляции. //Холодильная техника, 1982, №7, с. 18 — 21.
187
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
7.1.15 А.Г. Сотников. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции. —
Машиностроение, Л.: Л.О., 1984, с. 58 - 69.
7.1.16 А.Г. Сотников. Обобщение одномерных годовых распределений температуры и эн-
тальпии по территории России для расчетов энергопотребления. — В кн.: Проблемы
и перспективы развития систем кондиционирования. СПбГАХиПТ, С.-Петербург,
1997, с. 9- 13.
7.1.17 А.Г. Сотников, Ю.Г. Шабловский. Выбор оптимальной производительности систем
кондиционирования воздуха по разности энтальпий. //Холодильная техника. 1987.
№2, с. 12-16.
7.1.18 Л.Г. Сотников, Н.В. Кобышева, В.Э. Ницис. Определение годовых расходов тепла,
холода и воды СКВ на основе аппроксимации одномерных распределений пара-
метров наружного воздуха. — Труды Международного симпозиума «Строительная
климатология» , ч. I, М.: 1982, с. 101 - 110.
7.1.19 Л.Г. Сотников. Основные направления, методы и результаты совершенствования
исходных данных для проектирования и оптимизации СКВ и вентиляции. - В кн.:
Вентиляция и кондиционирование воздуха зданий и сооружений. РПИ, Рига, 1983,
с. 128 - 152.
7.1.20 Л.Г. Сотников. Системы кондиционирования и вентиляции с переменным расхо-
дом воздуха. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Стройиздат, ЛО, 1984. — 148 с.
7.1.21 Л.Г. Сотников. Расчет отклонений парг метров в помещении при летних и зимних
нарушениях. //Холодильная техника, 1986, №8, стр. 12 — 16.
7.1.22 В.В. Стадник, Л.В. Гирбасова. Обобщение коэффициентов пересчета часовых сумм
прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность. - Труды
ГГО им. А.И.Воейкова. Вып. 520, Гидрометеоиздат, Л.: 1988, с. 41 - 49.
7.1.23 Л.Б. Успенская. Статистические закономерности изменения состояний наружного
воздуха. - В кн.: Вопросы проектирования и монтажа СО, СВ и КВ., ВНИИГС.
Л.: Вып. 26, ЦБТИ, 1968, с. 196 - 207.
188
Глава 8
Подсистема увлажнения воздуха водой и паром
8.1 Необходимость в увлажнении воздуха
Увлажнение воздуха в технике вентиляции и кондиционирования воздуха является
одним из самых востребованных и распространенных процессов, заключающимся в уве-
личении влагосодержания обрабатываемого воздуха. К применению увлажнения приво-
дят следующие факторы:
• технологические требования к поддержанию влажности при производстве и хранении
гигроскопических (капиллярно-пористых) видов сырья, материалов, изделий (во-
локно, нить, ткань, бумага, холст, кожа, фотоматериалы, пищевые продукты и др.);
• санитарно-гигиенические требования к минимальной влажности воздуха (ф8га1„=
Г —ЗО...45%) в жилых и административно-общественных зданиях и помещениях по
• ГОСТ 30494-96 в холодный период года. Напомним некоторые негативные эффекты,
сопутствующие низкой влажности воздуха в помещении:
— сухая кожа: риск образования трещин на коже рук, губ, щек;
— сухая слизистая оболочка дыхательной системы: возрастает риск простудных и
иных респираторных инфекций;
— повышенное распространение пыли, которая может вызывать аллергическую ре-
акцию у людей;
— статическое электричество увеличивается риск электрического разряда.
Как пример требований различных технологических процессов к поддержанию вы-
сокой относительной влажности в производственных и других помещениях, а значит к
постоянному и большому увлажнению воздуха, приведем данные в таблице 8.1 из [8.73].
Хотя увлажнением называют любой из возможных политропических процессов (сек-
тор «о» на рис.8.1, а), при которых увеличивается влагосодержание обрабатываемого воз-
духа, практически наибольшее применение получили процессы:
• изоэнтальпийное (иначе адиабатическое) увлажнение-охлаждение воздуха при кон-
такте его с водой, имеющей или принимающей /„,= 1Нм;
• изотермическое увлажнение воздуха паром tH=tK;
• нагрев-увлажнение воздуха, совмещенный в одном аппарате — камере орошения спе-
циальной конструкции при tw > tH, а также в насадках регулярной структуры, термо-
радиационном увлажнителе, орошаемом воздухонагревателе;
• политропическое увлажнение-охлаждение при использовании ультразвуковых ув-
лажнителей и др.
Уравнение для выбора увлажнителя. Необходимость применения увлажнителя в систе-
ме кондиционирования можно определить по комплексу исходных данных и условию для
холодного периода года, а именно при
где dBmin — минимальное из возможных влагосодержаний воздуха в помещении в
течение режима использования увлажнителя; G* — минимальное из возможных вла-
говыделений в помещении в течение режима использования увлажнителя как в ра-
бочее время, так и в нерабочее при технологическом кондипионировании и объектах
189
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
поддержания влажности, остающихся в помещении (картины, иконы, бумага и др.);
- количество влаги, десорбируемой наружными стенами (см. прил. 8.1), при под-
боре увлажнителя учитывают минимальное значение в холодный период по годам в про-
цессе эксплуатации после строительства или реконструкции здания; Дб^ - потери влаги
при инфильтрации наружного воздуха, негерметичных светопроемах и отсутствии доста-
точного подпора в помещении, в расчет принимается максимальное значение за холод-
ный период года с учетом температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра;
GH — расчетный расход наружного воздуха (минимальный, переменный или максималь-
ный, равный расходу приточного воздуха), определяемый с учетом особенностей управ-
ления системой за режим работы увлажнителя; наихудший случай, когда в системе с ре-
циркуляцией расход наружного воздуха принимает наибольшее значение.
Таблица 8.1. Объекты кондиционщн
высокой относительной влажности воздуха
№ п/п tB+btB
1. Помещения музеев и библиотек, где хранятся живо- пись, графика, манускрипты и прочие экспонаты из дерева, бумаги, пергамента, кожи, клея и др. 16...24±1 °C 50—60+5%
2. Помещения для хранения мехов 4...10±1 °C 55...65±5%
3. Помещения шлифовки линз оптического производства 24±0,5 °C 80±5%
4. Хирургические операционные 20...22±1 °C 55...60±5%
5. Цеха ротационной печати полиграфического производства 24...26+1 °C 50—55+5%
6. Помещения хранения и химико- фотографической обработки кинофотопленки 20...24±1 °C 60±5%
7. Лаборатории физико-механических испытаний кордной капроновой нити и ткани 20+2 °C 65±2%
8. Ткацкий цех с кареточными станками 20—26±1 °C 70—65+5%
9. Цеха изготовления сигар, папирос табачных предприятий 18—24±1 °C 75-80+5%
10. Солодовня пивоваренного производства 12±1 °C 80—85±7%
11. Отделения опары, теста хлебопекарного производства 27...30+1 °C 75—80±5%
12. Цехи маслоделия и сыроделия молочной промышленности 14...16;18—20 80+5%
Дополнительное количество десорбирующей влаги поступает от внутренних повер-
хностей наружных стен и перекрытий вновь построенных и реконструируемых зданий в
холодный период года и его желательно учитывать в расчетах (см. прил. 8.1). Однако этот
процесс носит по годам затухающий характер и увлажнитель может потребоваться не в
первый год, а через несколько лет эксплуатации. В этих расчетах существенна площадь
наружных стен, которая переменна из-за различной площади остекления. Одновременно
с этим фактором при негерметичных светопроемах учитывают влагу, расходуемую на
увлажнение инфильтрирующего наружного воздуха и определяемую по формуле:
АОл-инф, ~ ^Нлтф, ' Рв ' ^Н,) “ Su, (^H-r S VH,
190
Рис. 8.1, а — изображение на i—d диаграмме сектора (а) возможных процессов увлаж-
нения воздуха; НК — изоэнтальпийный (адиабатический) процесс увлажнения
воздуха; НК, — изотермический процесс увлажнения воздуха; НКг — процесс од-
новременного увлажнения-нагревания воздуха в контактном аппарате.
б — изображение на i—d диаграмме многоугольника состояний внутреннего (В),
приточного (П) и наружного воздуха (Н) при GHM в центральной СКВ (СВ) с
рециркуляцией и графики взаимосвязанного изменения скорости ветра вла-
госодержания du и расхода наружного воздуха G№ удельной величины инфиль-
трации gu, в зависимости от температуры наружного воздуха, в совокупности
емы помещения и потребности в увлажнителе.
где кг/м2-ч - удельный расход инфильтрирующего воздуха через 1 м2 рас-
четной площади светопроема за 1 ч в зависимости от текущих (мгновенных) температуры
наружного воздуха, направления и скорости ветра по отношению к данному фасаду (на-
ветренный, подветренный). Для «старых» (негерметичных) конструкций светопроемов
на основе данных В.П. Титова и построенных на их основе зависимостей (рис. 2.29 гл. 2
т. I данной книги) для светопроема высотой ho=2 м, при текущих t = —10 "С и г„=6 м/с
с наветренной стороны здания =2,1 кг/м2ч. — суммарная площадь остекления по-
мещения или здания на фасаде данной ориентации по странам света, м2.
Минимальное влагосодержание (влажность) воздуха в помещении определяют тех-
нологическими или гигиеническими требованиями. В последнем случае например при
/,=20 °C и фгпНг=30...40% по i-d диаграмме определяют </irain=4,3...5,8 г/кг.
191
Обычно необходимость увлажнения воздуха и установки дорогостоящего аппарата на
практике оценивают достаточно формально, без комплексного учета следующих факторов:
• технологической или гигиенической необходимости (обоснованности) применения
увлажнения в данном объекте;
• выбора расчетных сочетаний ф—ф„ в холодный период года в помещении на основе
гигиенических нормативов, приводящего к меньшему значению расчетного влагосо-
держания воздуха в помещении (например ф.=21 °C при фи=ЗО% предпочтительнее,
чем /,=19 "С при ф, =45% по ГОСТ 30494-96);
. климатических условий района: продолжительности холодного периода года и низ-
кого влагосодержания наружного воздуха;
• десорбции влаги наружными стенами здания, приводящей к дополнительным влаго-
поступлениям, особенно после строительства или реконструкции зданий, в результа-
те чего влажность воздуха в «обычных» помещениях не опускается ниже 20—25%;
• уровня герметичности светопроемов и соответствующих инфильтрационных воз-
действий.
Из-за многочисленных связей величин, влияющих на инфильтрацию и необходи-
мость увлажнения, как то расхода наружного воздуха, его температуры и скорости ветра
данного направления эти величины показаны на рис. 8.1, б. В результате анализа этих
факторов удается более строго подойти к необходимости применения увлажнителя в про-
цессе эксплуатации систем. Не исключено, что увлажнитель может применяться времен-
но, например, при пуске объекта — музейного здания и выхода на требуемую относитель-
ную влажность воздуха (например, с начальной 20% на требуемую 45%) в холодный пери-
од года. Производительность увлажнителя в этом случае определяется не только массой
влаги, расходуемой на увлажнение рециркуляционного воздуха AG^ = -</я), но
и тем, что обычно не учитывают, — трудно вычисляемой влагой, поступающей в огражде-
ния и оборудование помещения (см. прил. 8.1), особенно в слоях, примыкающих к объ-
ему помещения. Пример сложного многовариантного расчета, обосновывающего выбор
увлажнителя, приведен ниже.
Пример 8.1. Оценить необходимость применения увлажнителя в центральной
водовоздушной СКВ с переменным расходом наружного и рециркуляционного воз-
духа, поддерживающей в административном помещении в холодный период года
tBjl=21 °C, fyBj>30%, dBr>4,7 г/кг, рП> 0,75 кПа. Центральная СКВ в С.-Петербурге
при txt^^—1^8 °C имеет расчетную производительность 0^=3 кг/с и минималь-
ный расход наружного воздуха GH:i.=0,75 кг/c. В этом режиме СКВ работает при
tH <tB ~KtpGnpIG„^, =21-8-3/0,75 = -11°С. В другом режиме СКВ работает с
переменным расходом наружного воздуха по уравнению G„„ (/и )« 0,75 - 0,1(11 + tH),
кг/с в интервале температур tH = tH,—tv =-11...13°С,а при tH>13 °C СКВ работает
с максимальным расходом наружного воздуха GHm= Gv= 3 кг/с.
Характеристики ограждений помещения: площадь пола 2^= 36 х 12 = 432 м2,
остекление площадью Ет—18* 1,8 = 32,4 м2, наружная стена имеет площадь
F = 75 м2. Влаговыделения в помещении в рабочее время принять в интервале
G — 2...3 г/с, при оценке необходимости увлажнения учесть минимальное зна-
чение. Многовариантные расчеты провести в предположении.
• разных типов светопроемов: «старых» негерметичных и современных герме-
тичных стеклопакетов;
192
Необходимость в увлажнении воздуха
десорбцию влаги наружной стеной и другими ограждениями помещения в пер-
вые годы после строительства или реконструкции здания оценить, приняв
^в^Ч-t^1-2 "С> tBjw,=19...2O -С; ^=80%; рПм,=1,15 кПа, а также
отсутствие десорбции по прошествии ряда лет.
Для расчетов выберем разные значения влагосодержания и скорости наружно-
го воздуха при температурах tH= —20...(5)...5 °C, по климатологическим дан-
ным скорость ветра имеет тенденцию повышения с ростом 11Г Инфильтрацию
уплотненных старых» светопроемов при герметизации шнуром и отсутствии
в помещении подпора оценим по методике В.П. Титова (рис. 2.29, а, гл. 2 т. I
книги). При современных стеклопакетах исключим инфильтрацию из расчетов.
В результате все необходимые для расчета величины, как сочетания tH—dHc —
-vHxf—Su—CH при разных наружных температурах записаны в табл. 8.2 и показа-
ны на рис. 8.1, б.
Таблица 8.2. Таблица основных параметров, влияющих на инфильтрацию воздуха
через негерметичные светопроемы и на необходимость применения
увлажнения (к примеру 8.1)
Параметр Температура наружного воздуха, “С Примечание
HOCTb -20 -15 -10 -5 0 +5
Г/КГ 0,5 0,7 1,0 1,5 2.1) 3,0 по/ (/диаграмме
VH.V м/с 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 4,0 по климатологическим данным
g„* .y. 0,2 0,4 0,6 1,0 1,1 1,0 по рис. 2.29, а гл. 2 т. I
G„ кг/с 0,75 0,75 0,85 1,35 1,85 2,35 GHj «0,75-0,10(11-^)
AG. /• Г/С -7,5 -14 -20 -29 -26 -16 npnXF =32 м2
r/c ₽ = 43ДС.(Ря„ - РпГ = 37 г/м2 кПа ч, YFHa, 75 м2
Удельный расход инфильтрирующего воздуха gu, кг/м2-ч, как и разность влагосо-
держаний d„ - dB использованы для определения txG^ — массы влаги, теряемой
при инфильтрации в помещение более сухого наружного воздуха с учетом площади
светопроемов.
При оценке необходимости увлажнителя в данной СКВ без учета инфиль-
трации и десорбции стен при tH= —20 °C и GHml = 0,75 кг/с получаем: dHlpau=
= dB—GiuimimBi/GHmln= 4,7—2/0,75 = 2 г/кг, то есть увлажнитель воздуха при
низких наружных температурах необходим. Если повторить расчет при
учете инфильтрации воздуха и отсутствии подпора в помещении, то при
tH = -15 °C аналогично получаем: dH^H = d,-(GmMn + AG , „. > / GamU = 4,7-
— (2—14)/0,75 = 20,7 г/кг; это значит, что без специальной организации под-
пора в помещении увлажнитель неизбежен. Учет десорбции влаги стенами в
первый год эксплуатации здания дает такие результаты. Коэффициент массо-
обмена на внутренней поверхности наружной стены по формуле (8.1.2) соста-
вит Р =GJFcmbpnm =43.2^(1,15-0,75)^ =37 г/(м2чкПа).
При площади наружной стены Тсг=75 м2 масса десорбирующей влаги равна
193
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Ьв* дес~ ^^Рппоз^аГ 3?'0> 75=7,7 кг/ч = 0,3 г/с. Это существенно меньше других
составляющих влагопритоков. Однако результат такого расчета многократ-
но увеличится, если при расчете десорбции учесть все ограждения помещения
(1000м2), а не только наружные стены, что характерно для условий после стро-
ительства или капитального ремонта здания. Например, при общей площади всех
ограждений данного помещения общая десорбция влаги может достигнуть 4 г/с,
что больше влаговыделений в помещении. Общий вывод по результатам многова-
риантного расчета таков: увлажнитель нужен при наличии и плохой герметиза-
ции «старых» светопроемов и без специально организованного подпора.
Объекты с большими избыточными влаговыделениями (бассейны, аквапарки и др.)
требуют оценки обоснованности нормируемого расчетного влагосодержания наружно-
го воздуха в теплый период года. Известно, что для всех объектов нормируют сочета-
ние энтальпии и температуры наружного воздуха. Исходя из этих значений, нами вы-
числены величины нормированного и центрированного расчетного влагосодержания:
<7„;, = (1п<7Я/!-1п<:/ЯС),,„,)/а,п^, которое для разных городов России оказалось в пределах
1,7...2,0. Этим величинам при логарифмически-нормальном распределении (см. прил.
7.1.6, рис. 7.1.8) соответствует обеспеченность, т.е. вероятность непревышения р>0,95,
что можно считать вполне достаточным, особенно учитывая допустимое превышение
влажности в таких помещениях в теплый период года.
8.2 Суть изоэнтальпийного процесса увлажнения-охлаждения воздуха
Практический интерес к этому процессу можно объяснить прежде всего возмож-
ностью снижения температуры обрабатываемого воздуха за счет его охлаждения при
испарении воды и без использования искусственного холода. Этот эффект тем больше,
чем выше начальная психрометрическая разность температур воздуха — см.
п. 8.16. Последнее имеет место в условиях жаркого и сухого наружного климата на со-
ответствующих территориях юга России и среднеазиатских государств, удаленных от
морей и океанов.
Предел охлаждения или нагрева частицы воды, находящейся в воздухе, — его темпе-
ратура по мокрому термометру 1ил1. Достигнув этой температуры, вода и воздух находятся
в динамическом равновесии, хотя и обмениваются теплотой. Чтобы это было понятно,
напомним читателю, что явный теплообмен обусловлен разностью температур воздуха и
насыщенного воздуха в молекулярном слое над поверхностью воды при температуре tv/.
Так как температура воздуха выше (Гя>71г), то поток явной теплоты направлен к
воде, а воздух охлаждается. Получаемая водой теплота идет на испарение воды в воз-
дух. Движущая сила испарения - разность упругостей водяного пара над поверхнос-
тью воды (при фг=100%) и в воздухе (см. рис. 8.1). В результате этих двух процессов
устанавливается динамическое равновесие: отдавая воде явную теплоту, воздух полу-
чает столько же скрытой вместе с испаренной влагой. При этом энтальпия воздуха
почти не меняется.
Указанный процесс может быть осуществлен при обработке воздуха в аппаратах типа
камер орошения, пленочных или насадочных. Форсунки для распыла тонкодисперсной
влаги могут устанавливать в воздуховоде и даже в помещении. Относительно крупные
капли при этом могут не успеть испариться в воздух и тогда будут выпадать на стенки
воздуховода, на пол или попадать на оборудование, что нежелательно.
194
Более общим представляется подход к тепломассообмену в аппаратах СКВ на основе по-
тенциала влажности. Это позволяет обобщить происходящие процессы в увлажнителях,
где поверхность контакта образуют:
• капли полидисперсной структуры, находящейся в воздушном объеме;
• плоская поверхность (зеркало) воды;
• циркулирующая водовоздушная смесь;
• плоская щелевая или объемная пористая насадки чрезвычайно развитой поверх-
ности и др.
В основе теории во всех перечисленных случаях используется термодинамика необ-
ратимых процессов с учетом наложения и взаимосвязи процессов переноса теплоты и
влаги. При этом оказывается, что движущей силой прог юбмена является раз-
ность потенциалов влажности. Он определяет возможность, направление переноса и пре-
дел переходного процесса влагообмена для взаимодействующих сред.
Общее выражение для потенциала влажности имеет вид [8.22, 8.8]:
0=-(7>/р)+ р+5>, + ег+£0„ (8.3)
где Р — удельное давление, р — плотность, д=ЯТ-1пф — химический потенциал вла-
ги; Е/л — сумма составляющих химического потенциала влаги за счет присутствия в ней
растворенных веществ; 0, — потенциал влажности под действием гравитационного поля;
20, — потенциал влажности за счет действия других силовых полей.
Потенциал влажности измеряют в градусах влажности (°В) по аналогии с единицей из-
мерения температуры ( С). По своему термодинамическому смыслу потенциал влажности —
это полный термодинамический потенциал влаги, определяющий ее состояние в матери-
альной среде при различных значениях ее температуры и влажности (рис. 8.2, а, б).
Из последнего видно, что в зоне высокой влажности воздуха линии О-const откло-
няются от линий d=const. Практическое определение величины потенциала влажности
сред производится на основе шкалы потенциала влажности 0, ‘В [8.9, 8.10], устанавли-
ваемой экспериментальным путем. Теория потенциала влажности предложена и разра-
ботана применительно к переносу массы в ограждающих конструкциях зданий. В связи
с общностью термодинамического рассмотрения процессов тепломассообмена в различ-
ных инженерных задачах представляется возможным и логичным расширить область
применения теории потенциала влажности для процессов влагообмена между воздухом
и жидкостью, в том числе в контактных аппаратах систем кондиционирования воздуха и
вентиляции.
Система контактирующих сред «воздух-вода» в увлажнителе без учета формы повер-
хности (сфера, плоская или пространственно-сложная структура и др.) упрощенно пока-
зана на рис. 8.3.
В зоне контакта сред находится переходная область, включающая пограничные и
поверхностные фазы со стороны воздуха и воды. В случае испарения плотность моле-
кул воды минимальна, а переходная фаза полностью определяется параметрами объем-
ной фазы воздуха. Для сравнения при конденсации влаги (осушении воздуха) из объем-
ной фазы воздуха в поверхностных фазах плотность расположения молекул воды будет
максимальной, а в переходной фазе воздух будет в состоянии, близком к насыщенному.
В общем случае в переходной области характеристики сред изменяются от значений в
одной объемной фазе до значений в другой. Механические и термодинамические свойс-
тва переходной области отличаются от свойств в объемных фазах, поэтому ее принято
рассматривать как ряд самостоятельных фаз.
195
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г.
ров состояния влажного воздуха:
а — от температуры t и парциального давления во-
имеющим одинаковую температуру воздуха, выте-
кает, что разности парциальных давлений и разно-
сти потенциалов влажности в одних и тех же про-
196
У///////77/////Л
5
Результаты специально проведенных экспериментов по охлаждению-осушению воз-
духа в роторном контактном аппарате и в камерах орошения показали, что конечные па-
раметры воздуха и воды имеют одинаковый потенциал влажности и располагаются на
линиях 0=сояз/ то есть соответствуют условиям динамического равновесия.
На основе этого можно сделать вывод, что при проектировании и расчете процессов
в контактных аппаратах (например пленочно-противоточного типа) расчет процессов
можно проводить на основе понятия потенциала влажности. При обработке воздуха во-
дой в таком аппарате процесс массооомена В.Н. БогословскийиА.Н. Гвоздков [8.8] пред-
лагают рассчитывать по формуле:
. - 0,026Re,J“ (Pr/j/
где Ай, - критерий, аналогично диффузионному Nu’, но учитывающий в качестве
движущей силы разность потенциалов влажности; ре - коэффициент массообмена в ап-
парате, отнесенный к потенциалу влажности, кг/(м2-"В-ч); хв — коэффициент влагопро-
водности воздуха, кг/(м-°В-ч); I — характерный размер; Pr критерий, аналогичный мас-
сообменному критерию Прандтля, но учитывающий в качестве движущей силы разность
потенциалов влажности: Ргв =v8T]8p8/ %8, где v8 — кинем :ая вязкость воздуха, м2/с;
ц - влагоемкость воздуха, кг/(кг-сВ); р/; — плотность воздуха, кг/м3.
Из описанных закономерностей сделаем общий вывод. Для расчета и анализа про-
цессов переноса влаги между воздухом и жидкостью исследователи предлагают использо-
вать понятие потенциала влажности, что в перспективе ждет широкого применения.
8.3 Туман и его применение в технике кондиционирования воздуха
Устойчивый водный туман - это состояние воздушной среды, при котором в полно-
стью насыщенном водяными парами воздухе содержится (витает - перемещается в раз-
ных направлениях) в виде мелких капель взвешенная вода. Соответственно термином
ледяной туман называют аналогичное состояние при наличии в полностью насыщенном
воздухе кристалликов льда, а смешанным туманом — состояние, при котором в насыщен-
ном воздухе содержатся одновременно как капельная влага, так и кристаллики льда. По
способу получения туманы разделяют на конденсационные (наблюдаемые в природе) и
диспергационные (чаще искусственные), образованные соответственно при конденсации
водяных паров или распылении самой воды. Конденсационный туман, получаемый в ка-
мере Вильсона, образуется при быстром изменении объема такой камеры, в которой на-
ходится тщательно очищенный и насыщенный влагой воздух. Этот эффект происходит,
если увеличение объема составляет не менее 1,37 раза, а перенасыщение воздуха влагой
достигает восьмикратного значения. В этом случае в камере возникает густой молочный
плотный туман, а центрами конденсации становятся комплексы (кластеры) случайно
столкнувшихся молекул воды. Диаметр капель в густом тумане составляет около 0,1 мкм,
197
а концентрация капель — около 10s шт/см3. При отсутствии в воздухе ионов густой туман
образуется и при меньшем, чем в 1,37 раза, увеличении объема камеры.
Туман характеризуют следующие параметры:
• удельная водность, водность (плотность, концентрация) — масса взвешенной капель-
ной влаги или кристалликов льда сухой части воздуха массой в 1 кг;
• температура, определяемая типом увлажнителя и технологией обработки воздуха водой;
• условный средний диаметр капель, например объемно-поверхностный:
-- S(J3 -и,)/ -и,);
• электрический заряд капель;
• время существования («старения», рассеивания).
Туман и осадки (иней, снег, дождь, морось) влияют на состояние забираемого в конди-
ционер наружного воздуха и, как следствие, на его тепловлажностную обработку [8.83],
увеличивая расход теплоты на его нагревание и одновременно уменьшая расход влаги на
увлажнение. Между тем при расчете процессов тепловлажностной обработки воздуха
пользуются формулами, полученными в предположении, что наружный воздух представ-
ляет собой однофазную двухкомпонентную систему - смесь сухого воздуха и водяного
пара, и, следовательно, в той или иной мере ошибаются в расчетах его нагревания и ув-
лажнения. В действительности же воздух всегда содержит в себе частицы твердой или
жидкой фазы, либо одновременно и той, и другой. При всех метеорологических явлени-
ях, сопровождающихся конденсацией водяного пара (туманы, дожди, снег и др.), в возду-
хе всегда имеется множество частиц разных размеров и массы. По данным специалистов-
климатологов, содержание водяного тумана может составлять в среднем от 0,05 г/м3 при
слабом тумане до 0,7 г/м3 при сильном тумане и видимости 50...100 м [8.50]. При наличии
жидкой и твердой фаз в тумане полная энтальпия влажного воздуха определяется как:
где iw — энтальпия воды, равная 4,19 кДж/кг; 1л — энтальпия льда, определя-
емая при известной теплоте плавления льда, равной 335 кДж/кг и теплоемкости
льда —2,1 кДж/кг- °C по формуле: i = —(335—2,1/), кДж/кг. Состояние смешанного тумана
является устойчивым при температуре воздуха около 0 ’С.
Для кондиционирования воздуха в помещениях, где требуемое состояние воздуха
оказывается на линии насыщения или ниже ее, необходимы специальные СКВ, обес-
печивающие полное насыщение воздуха влагой при заданной температуре и генерацию
мелкодисперсных капель (рис. 8.4).
198
Основные виды с
Применение тумана в системах кондиционирования воздуха [8.15] обусловлено спе-
цифическими технологическими процессами сорбции влаги различными капиллярно-по-
ристыми материалами, а также требуется в камерах, имитирующих природные процессы,
для испытания оборудования и приборов. В упомянутой статье, в частности, приводятся
данные о разработке и наладке СКВ для камеры тумана, где требовалось испытывать вы-
соковольтную аппаратуру в интервале температур 4...45 "С и влажности 100%.
Требования к температуре воздуха и количеству взвешенной влаги различаются в за-
висимости от назначения помещении. Так. для испытательных камер температура тумана
должна изменяться в интервале от —50 °C до +50 °C, а содержание капельной влаги —
0,5—1 г/кг. Для некоторых процессов при обработке сырых меховых шкурок и произ-
водстве искусственного волокна в помещении необходимо поддерживать 30...40 °C при
Ad((/=0,5 г/кг. Для процессов воздушно-водоиспарительного охлаждения оборудования
и помещений, в горячих цехах (кабины кранов, посты управления) температура тумана
должна составлять 0—5 °C при Ad^=l.5 г/кг и более.
Требования к дисперсности капель тумана определяются главным образом услови-
ями его устойчивости. Исследованиями в области механики аэрозолей установлено, что
пределы дисперсности капель составляют 10 ’...10 4 м. Уточнение этих пределов приме-
нительно к условиям кондиционирования требует специальных исследований.
Приведенные здесь данные свидетельствуют о потребности в создании установок
кондиционирования с генерацией насыщенного воздуха и тумана. Требования к па-
раметрам тумана в различных областях техники i но определяющим пара-
метром является температура тумана tr Обзор известных способов получения тумана
позволяет определить для них рациональную область применения: паровые увлажни-
тели при диспергационные увлажнители при конденсационный способ
получения тумана с применением воздушных холодильных машин при Создание
и эксплуатация экспериментальной системы генерации тумана подтвердили теорети-
ческие положения по термодинамике процесса изменения тепловлажностного состоя-
ния воздуха в помещении [8.15].
Механизм туманообразования в производственных помещениях с большими вла-
говыделениями расмотрен А.Я. Ткачуком, В.А. Новаком и Ю.М. Прыгуновым [8.82] на
основании исследований А.Г. Амелина [8.4]. Туман образовывался в присутствии ис-
кусственных ядер конденсации, т.е. твердых частиц посторонних веществ размером
0,01—1 мкм, взвешенных в воздухе. Анализ условий формирования капель показывал, что
увеличение их размеров по сравнению с первоначальным размером ядер конденсации
возможно за счет конденсационного роста и путем коагуляции. Большинство исследова-
телей признают, что конденсационный рост капель происходит быстро только у мелких
капель (меньше 1-2 мкм) и сильно замедлен у капель больше 10 мкм. По данным иссле-
дований, в практически неподвижном воздухе диаметр капли растет вследствие конден-
сации от 11 до 30 мкм за 7,5 ч.
8.4 Основные виды систем увлажнения, типы и характеристики
современных увлажнителей воздуха
Современный рынок увлажнителей, применяемых для систем кондиционирова-
ния воздуха и вентиляции, весьма широк, разнообразен и пополняется новыми ви-
дами этих аппаратов, часто совмещающих и другие функции. В отечественной прак-
тике основные исследования увлажнителей разных типов и конструкций проведены
во ВНИИКондиционер (Харьков), ЦНИИПромзданий, МИСИ (Москва), ЛитНИИ
199
текстильной и легкой промышленности (Каунас), ВО ГПИ ППВ (Волгоград), ЛТИХП
(Ленинград) и др. Основные типы таких устройств можно представить в приближенной клас-
сификации на рисунках (рис. 8.5, 8.6):
• по виду и направлению протекающего процесса увлажнения и используемой среде (пар,
вода, водно-солевые растворы) различают изоэнтальпийное увлажнение при тем-
пературе воды tw=tBJp политропное - при tw и изотермическое — при
Каждый из процессов при его изображении на i—d диаграмме имеет соответству-
ющее направление (луч процесса): ;>в=0 для изоэнтальпийного увлажнения и
:>м=г;=2500 кДж/кг для изотермического увлажнения. Способ увлажнения воздуха
и направление процесса в i—d диаграмме меняет границы режимов, продолжитель-
ность потребления, мгновенные и годовые расходы теплоты и холода в СКВ и СВ
[8.71, а также п. 8.15].
Принципиальные различия используемых сред (вода или пар), их разные свойства,
качество, примеси и запахи, стоимость получения, конструкции аппаратов и термодина-
мические режимы обработки воздуха (п. 8.15) весьма существенны для проектирования и
эксплуатации подсистемы увлажнения воздуха;
• по виду увлажнителей различают: оросительная (форсуночная) камера, пневмофорсу-
ночный распылитель, пластинчатый и роторный насадочный увлажнитель, дисковой
орошаемый увлажнитель, пневмоаккустический распылитель-увлажнитель, бесфор-
суночный, турбо- и вентиляторный, терморадиационный, ультразвуковой увлажни-
тель, орошаемый нагреватель-увлажнитель, паровой форсуночный увлажнитель и
. по способу организации пространства (поверхности или объема) контакта между возду-
хом и водой, где происходит соответствующий процесс тепломассообмена и увлаж-
нения воздуха, различают:
- воздушный объем, где контактируют частицы воды и воздуха (оросительная ка-
мера), или достаточно протяженное пространство (пневмофорсуночный распылитель-
увлажнитель, вентиляторный увлажнитель);
- объем насадки, смачиваемый водой, через который проходит воздух (насадочный
или роторный увлажнители воздуха);
— плоская (щелевая) орошаемая поверхность насадки, вдоль которой движется воздух
(пластинчатый увлажнитель, орошаемый воздухонагреватель, дисковый вентилятор и др.);
- поверхность воды, вдоль которой движется воздух (терморадиационный, бесфор-
суночный увлажнитель); или водяной фонтан над поверхностью (ультразвуковой увлаж-
нитель).
Применительно к типу поверхности или объема, где происходит увлажнение воз-
духа, увлажнитель можно рассматривать с точки зрения постоянства или переменности
(yi j и ляемости) их показателей.
Каждый из способов организации пространства контакта и вид увлажнителей
характеризуется разной поверхностной или объемной плотностью потоков, иначе
интенсивностью тепломассообмена между воздухом и водой. Очень важным факто-
ром, сопутствующим увлажнению, оказывается возможный перенос микрофлоры;
например, в п. 8.7.3 рассматривается вопрос: является ли насадочный увлажнитель
воздуха Munters «генератором» микроорганизмов Legionella spp? Возможный перенос
микрофлоры в воздух при его увлажнении или генерацию микроорганизмов особо
учитывают при выборе типа увлажнителя для систем кондиционирования со спе-
циальными требованиями к бактериальному составу воздуха, например, в пищевых
200
технологиях и производствах, фармацевтической промышленности, объектах для
космоса И НД.;
. по возможное । и изменения поверхности юиломассообмена и эффективности процесса
увлажнения воздуха различают процессы неуправляемые и управляемые непрерывно
или дискретно, расходом воды или пара, поверхностью контакта, на которой про-
исходит увлажнение, временем периодической работы увлажнителя, обводом части
воздуха мимо аппарата и др.;
• по месту установки увлажнителя в системе можно назвать расположение аппа-
рата в кондиционере, в камере, воздуховоде, в помещении (местные бытовые
увлажнители разной конструкции). Каждый способ установки выбирают, исхо-
дя из технологических требований к увлажнению, места расположения, удобс-
тва обслуживания и других условий. Увлажнители различают по полной (кг/ч)
и удельной влагоироизводительности (кг/кг), отнесенной к расходу увлажняе-
мого воздуха, по эффективности процесса увлажнения и, совместно с системой
управления, по точности поддержания относительной влажности или влагосо-
держания воздуха;
. по продолжительности использования увлажнения воздуха | алогически
круглогодичные, зимние и периодически работающие, для ввода объекта во влаж-
ностный режим системы увлажнения. Из-за кратковременности режима повышения
влажности воздуха до заданной зимой можно говорить и рассчитывать на кратковре-
менное использование увлажнителя (режим «проката»);
• по возможно процесса увлажнения воздуха с другими процессами обра-
ботки в кондиционере различают: совмещение с нагреванием, подробно описанное
применительно к утилизации теплоты обратной воды в п. 7.2.6, а также в [8.25]*,
совмещение с ионизацией [8.56], совмещение с теплоутилизацией при сорбирую-
щей или влагопропускающей насадке аппарата (см. гл. 7), совмещение с очисткой
[8.32], увлажнение воздуха при низких температурах рассолами [8.37, 8.38], приме-
нение вращающихся распылителей в камере орошения [8.5], экзотическое многосту-
пенчатое увлажнение воздуха в насадке, вентиляторе, форсуночном аппарате [8.31],
использование аппаратов для доувлажнения воздуха непосредственно в производс-
твенных помещениях [8.30] и др.;
• по удельным энергозатратам на увлажнение воздуха использование пара много-
кратно дороже (около 1 кВт-ч/кг пара), чем воды, когда энергия расходуется на
перемещение и распыление воды, и зависит от давления, создаваемого для этого
распыла, и расходной характеристики форсунки. Различные способы оценки энер-
гетической эффективности увлажнения воздуха, т.е. получения тепла (или влаги)
на кВт потребляемой мощности, по данным В.П. Ильина и Г.И. Хабиби [8.28],
дают такие результаты: оросительная камера — 40 кг/кВт-ч; орошаемый слой из
стекловолоконных матов — 155 кг/кВт-ч; роторный контактный увлажнитель -
181 кг/кВт-ч.
Основные виды систем увлажнения и типы увлажнителей систематизированы в таб-
личной форме на рис. 8.5.
Основные типы современных устройств для увлажнения воздуха в системах кондици-
онирования и вентиляции показаны на рис. 8.6.
201
Сотников А. Г.
По эффективности
тизированные в табличной форме.
202
Основные виды с
воздух
/Д\\
Рис. 8.6. Основные типы устройств для увлажнения воздуха в системах кондиционирования
и вентиляции: а — оросительная (форсуночная) камера; б — насадочный увлажни-
тель; в — пленочный щелевой увлажнитель; г —роторный увлажнитель; д — диско-
вый вентилятор-увлажнитель; е - вентиляторный увлажнитель; ж - бесфорсу-
. з — паровой увлажнитель воздуха на основе парогенератора; и — терморадиаци-
увлажнитель воздуха; л — пневмоувлажнение на основе форсунок пневматического
203
8.5 Управление изоэнтальпийным процессом в увлажнителях разного типа
Под управлением изоэнтальпийным процессом будем понимать целенаправленное
изменение коэффициента эффективности ЕЛ и конечного влагосодержания воздуха dK
при переменном начальном dH и переменном расходе (?й, его можно производить следу-
ющими способами:
• расходом (давлением) распыляемой воды вплоть до минимального, при котором рас-
пыл прекращается (7^=20—30 кПа, см. рис. 8.7, линия 7); при этом сложным образом
взаимосвязанно меняются: число и размеры капель, их траектория, поверхность кон-
такта, и др.;
процессом увлажнения воздуха в аппаратах типа камеры орошения, насадочном,
роторно-насадочном, плоском щелевом и др.: 1 — годограф Г (К} точек конечных
управлением поверхностью контакта путем отключения отдельных стояков воды в на-
садочных и других поверхностных увлажнителях;
циклическим включением-выключением циркуляционного насоса увлажнителя, что рав-
нозначно процессу смешения во времени параметров необработанного и обрабо-
танного воздуха и соответствующим колебаниям температуры и влажности воздуха
байпасированием воздуха (обводом камеры орошения), что требует значительной пло-
щади, громоздко и применяется исключительно редко. Сечение байпаса и воздуш-
ного регулирующего клапана вычисляют по специальным формулам (см. п. 6.17 -
аналогично воздухоохладителям); для практического расчета перераспределение рас-
ходов воздуха через камеру орошения и по обводному ка гсимос-
ти (рис. 8.8), заимствованные из работы И.Р. Щекина и Н.Д. Мирончука [8.87]. Из
графиков следует, что управление одним клапаном в обводном канале недостаточно
для глубокого изменения эффективности изоэнтальпийного увлажнения;
204
основному каналу и обводу:
а - при управлении сдвоенным или двумя оппозитными клапанами;
б — при управлении одним оппозитным клапаном, установленным в обводном
гостворчатые воздушные клапаны, в которых смежные створки поворачива-
ются в противоположные стороны, в этом их отличие от т.н. параллельно-
створчатых. Многочисленные эксперименты показали, что оппозитные клапа-
ны вносят существенно меньшее искажение (отклонение) потока воздуха, что
• частотой вращения рабочего колеса увлажнителя (роторного насадочного, дискового
вентиляторного и др.) в определенном диапазоне;
• напряжением или током питания увлажнителей, использующих при своей работе элек-
троэнергию.
Представляет интерес практически исследованная и физически смоделированная
система стабилизации одновременно и температуры и влажности воздуха, описанная
в работе [8.62] для транспортной СКВ в условиях дефицита влаги. Проведенные ис-
следования такой технологической СКВ преследовали цели:
• выявить, происходит ли тепловлажностная обработка воздуха в соответствии с теоре-
тически разработанной последовательностью;
• установить возможность автоматических переходов с одного режима обработки воз-
духа на другой, что вызвано изменением как состояния наружного воздуха, так и теп-
ловлажностного баланса транспортного объекта.
На стенде моделировали одновременное повышение температуры наружного воздуха
от —4,5 °C до 30 °C в течение 3,5 часов со средней скоростью 0,17 °С/мин и соответс-
твующее падение относительной влажности наружного воздуха. Таким образом, удалось
быстро смоделировать медленно протекающие годовые режимы изменения параметров и
процессы обработки воздуха. Режимы работы исследованной СКВ отражены в виде пост-
роений на диаграмме i—d (рис. 8.9, а). Первым из трех исследованных режимов управляли
205
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
нагревателем первого подогрева, во втором — использовали воздухонагреватель второго
подогрева, а в третьем - при отключении нагревателя включали охладитель. Во всех трех
исследованных режимах работы использовали увлажнитель воздуха. Графики взаимосвя-
занного изменения температуры и влажности воздуха в разных местах системы показаны
на рис. 8.9, б, в. На основании опытных данных можно определить как конкретных ха-
рактеристики аппаратов, так и их изменение в процессе управления, в частности найти
удельные текущие характеристики аппаратов, например G^/p^^d—dg.
Заметные колебания температуры воздуха в объекте и особенно его относительной влаж-
ности объясняются неточной работой регуляторов, особенно при движении объекта и
тряске, что впрочем, не очень волновало испытателей.
В связи с обсуждаемой проблемой управления процессом увлажнения воздуха и ка-
чеством (точностью) поддержания относительной влажности Ф8 или влагосодержания dB
подчеркнем, что высокую точность поддержания влажности (+2...3%) можно обеспечить
только специальными решениями [8.84]. При анализе этой работы надо учитывать, что из
множества известных теперь устройств увлажнения в период цитируемых исследований
использовали только камеру орошения. Повышенную точность стабилизации технологи-
чески заданной влажности обеспечивают одним из трех способов:
• усложнением закона регулирования в самом регуляторе;
• исключением переменных влагопоыуплений в объекте поддержания влажности;
• усложнением схемы регулирования, а именно, применением двухконтурной схемы
каскадно-связанного регулирования [8.84].
В такой схеме используют два регулятора: основной и вспомогательный. Первый уста-
новлен в помещении или в рециркуляционном воздуховоде и при отклонении параметра
воздействует на задатчик вспомогательного (стабилизирующего) регулятора. Последний
стабилизирует промежуточный параметр — температуру или влажность приточного воз-
духа (в изоэнтальпийном процессе эти два параметра однозначно связаны). Такая схема
каскадно-связанного регулирования является эффективной в том случае, когда главным
возмущением для регулируемого параметра является изменение параметров воздуха перед
увлажнителем. При этом предполагают, что контур стабилизации промежуточного регу-
лируемого параметра имеет существенно меньшую инерционность, чем инерционность
основного контура, в который входит и кондиционируемое помещение (рис. 8.9, г).
206
Управление изоэнтальпийным процессом в увлажнителях, разного типа
207
Основными объектами в контуре стабилизации относительной влажности воздуха по-
мещения являются собственно аппарат-увлажнитель, приточный воздуховод (транспор-
тное звено) и помещение. Различные увлажнительные устройства в зависимости от при-
нципа их работы, организации пространства или поверхности контакта между воздухом
и водой, конструкции, размеров, соотношения расходов воды и воздуха (коэффициента
орошения u = Gw /GB) и эффективности протекающего процесса увлажнения имеют раз-
ные статическую и динамическую характеристики. Наиболее подробно они разработаны
для увлажнителей - камер орошения [8.74, 8.72]. Для других аппаратов - насадочных,
пленочных щелевых, дисковых вентиляторов-увлажнителей и пр. такие характеристики
либо не приводятся, либо сведения о них весьма отрывочны и не поддаются какой-либо
систематизации и обобщению. Например, для дискового вентиляторного увлажнителя в
работе [8.12] приводятся данные применительно к испытанному кондиционеру для ка-
бины управления. Конкретный увлажнитель при расходе приточного воздуха 800 м3/ч и
холодопроизводительности 2,5 кВт в процессе включения-выключения имел инерцион-
ность изменения температуры воздуха в объекте т и 37’= 15...20 мин, где Т— постоянная
времени приближенно-экспоненциального переходного процесса.
Оросительная камера как звено системы автоматического регулирования и стабили-
зации влажности может быть представлена по А.В. Степанову [8.74, 8.72] двумя последо-
вательно соединенными звеньями (рис. 8.10):
безынерционным чисто усилительным звеном - дождевым пространством (к*) и апе-
риодическим звеном первого порядка - поддоном (кта, Тт = K^p^/G^) с постоянной
времени, обратной кратности циркуляции воды в поддоне, аналогично кратности воз-
духообмена в помещении. Общая передаточная функция двух звеньев, последовательно
соединенных по циркулирующей воде, может быть записана в виде:
^(р).
При возмущающем воздействии со стороны воздуха (ЕИ, <|>„, tH) в выражении (8.6)
то=0, и передаточная функция камеры орошения существенно упрощается. Коэффициент
передачи fc^“l, а к определяют опытным путем в зависимости от условий работы ап-
парата. Например, при малых значениях коэффициента орошения р и эффективности
процесса ЕА камера орошения приближается к апериодическому звену, а при больших д и
Еа = 0,9-1 - к чисто усилительному звену. В других аппаратах д ля увлажнения воздуха мо-
жет отсутствовать поддон, происходить перекрестное движение сред в объеме регулярной
насадки или на поверхности пластин, поэтому подход к описанию передаточной функ-
ции такого аппарата несколько меняется.
Рис. 8.10. Структурная схема увлажнителя воздуха — камеры
тельно соединенных по воде дождевого пространства
и поддона: 1 — поддон; 2 — дождевое пространство;
ный насос; 5 — проходной регулирующий клапан с ЭИМ
на внешней (холодной) воде, при изоэнтальпийном
208
Помещение, как объект поддержания влажности (влагосодержания), при описании
его в сосредоточенных параметрах может быть представлено как апериодическое звено
первого порядка с запаздыванием т0 и постоянной времени, обратной кратности возду-
хообмена Тт » к"':
После синтеза звеньев, образующих объект управления влажностью, последний мо-
жет быть представлен [8.72] одним звеном с коэффициентами к0, То, т0, и дальнейший
анализ устойчивости и качества переходного процесса поддержания влажности произ-
водится стандартными, принятыми в теории управления методами. Если увлажнителем
управляют дискретно (релейно), например, включением-выключением насоса или водя-
ного регулирующего клапана на стояке, то возникающие колебания температуры и влаж-
ности в объекте оценивают полупериодами включения-выключения [8.33]:
и максимальным отклонением параметров в помещении:
влагосодержания: Adfimax =A:Oi(G^/G/,)[l-expHOj /TOj),
относительной влажности: Афй
,)[l-exp(-toJT0J],
(8.9,6)
температуры воздуха:
где кд, Тд, т0 — соответственно коэффициент передачи, постоянная времени и транс-
портное запаздывание объекта (индексы d, ф, t означают, что эти величины относятся к
тому или другому параметру в помещении). Объект управления в данной задаче обра-
зуют все или некоторые из последовательно расположенных звеньев: увлажнитель того
или иного типа (при наличии поддона или циркулирующей воды он является инерцион-
ным звеном), воздуховод и помещение. При всей идентичности и внешней «симметрии»
уравнений (8.9, а) — (8.9, в) относительную влажность по уравнению (8.9, б) определить
обычно не удается в силу ее относительной величины и отсутствия «своего» уравнения
баланса. Инерционность процесса определяется основным звеном объекта — помеще-
нием, а транспортное запаздывание можно определить, суммируя частные величины по
формуле т0 =2((/v%)» где /( - длина пути по траектории движения воздуха, гд - сред-
няя скорость движения воздуха в выбранном направлении. Наибольшее запаздывание
переходного процесса в случае установки датчика в помещении или рециркуляционном
воздуховоде происходит по линии тока воздуха и с учетом его скорости, меняющейся по
струе. Изменение температуры приточного воздуха в изоэнтальпиином процессе одно-
значно связано с соответствующим изменением его влагосодержания, противоположно
по знаку и определяется по зависимости: А/ = —ir!ixd/c что учтено в уравнении (8.9, в).
Поясним методику расчета колебания температуры и влагосодержания воздуха в по-
мещении, возникающие при релейном управлении увлажнителем воздуха в СКВ; по этим
величинам; учитывая величины и знаки отклонений этих параметров, можно найти ре-
зультирующее отклонение относительной влажности.
Пример 8.2. Оценить колебания температуры и влагосодержания воздуха,
возникающие в помещении при релейном управлении насадочным увлажните-
209
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
лем воздуха в расчетных условиях холодного периода года. После нагревания
наружный воздух с параметрами tH = 28 “С, dH = 0,5 г/кг, <рН1 = 3% в непре-
рывном режиме работы увлажнителя может принять конечное состояние
tK=l 1 °C, d=7,5 г/кг, §к=90%. Для поддержания заданного значения влажности
в помещении ф^=5<?±7% и температуры tB=20±1 °C разработана система ав-
томатического регулирования, в которой увлажнитель и воздухонагреватель
управляются релейно. Объект управления влажности состоит из безинерци-
онного увлажнителя, приточного изолированного воздуховода и помещения, на
вытяжке из которого установлены первичные преобразователи температуры
и влагосодержания. Объект управления имеет следующие характеристики:
ти воздухообмена в помещении k=Lv/Vm=10 г', транспортное запаздыва-
ние в основном происходит в помещении по направлению циркуляции приточной
струи: то~т.^ = l/vBcf = 0,04ч (144 с). Повышение влагосодержания в помеще-
нии в полупериод работы увлажнителя при Gy„JGH = dK-dH=7 г/кг по фор-
муле (8.9, а) равно tydBmi=0,80 7[1-ехр(-0,4)]=0,80 7(1-0,67)=1,85 г/кг.
Самопроизвольное без вмешательства автоматического регулятора по-
нижение температуры в этот полупериод по формуле (8.9, в) равно:
txtB ,т= —0,40- (2,5 - 7/1)- [1 -ехр(-0,4)] = —2,3 °C. При таких одновременных
и разнонаправленных колебаниях температуры и влагосодержания ре-
зультирующее отклонение относительной влажности, определенное
по i—d диаграмме, будет незначительным. Изменить результат рас-
чета — отклонения параметров воздуха в помещении можно, если из-
менить запаздывание или постоянную времени объекта управления.
Полупериоды колебания параметров согласно уравнению (8.8) составят:
В более широком смысле семейство влажностных параметров включает не только отно-
сительную влажность воздуха фв, но и другие, часто не менее важные параметры, харак-
теризующие влажностное состояние воздуха, ограждений помещения и технологических
(капиллярно-пористых) объектов в нем:
• температура мокрого термометра
• энтальпия воздуха iB, однозначно связанная с температурой tBji;
• влагосодержание воздуха dB;
• температура точки росы воздуха tBp.
В разных технических задачах возникает необходимость стабил изапии того или иного
параметра из перечисленных. Распространенное раньше управление СКВ по т.н. методу
«точки росы» основывалось на том, что после глубокого увлажнения воздуха в холодный
период года и глубокого охлаждения-осушения — в теплый влажность воздуха близка к
максимальной (100%). При высокой влажности воздуха его состояние можно стабили-
зировать не двумя параметрами, а одним, что существенно упрощает задачу управления.
Кроме того, учитывали ограниченность или отсутствие серийно выпускаемых влагорегу-
ляторов. Широкое прежде применение камер орошения как основного аппарата комп-
лексной тепловлажностной обработки воздуха привело к использованию специального
алгоритма функционирования (см. п. 2.13.2, стр. 129, рис. 2.40, б в гл. 2, т. I), названного
жесткой последовательностью управляющих воздействий.
210
Сравнивая в качестве конкурирующих регулируемых параметров воздуха в СКВ его
относительную влажность (фг) и влагосодержание W,,), при прочих равных условиях от-
дадим предпочтение последнему. Причин этому несколько. Во-первых, относительная
влажность не является абсолютным параметром и не имеет своего балансового уравне-
ния. Во-вторых, влагосодержание воздуха меняется только при изменении влаговыделе-
ний, тогда как относительная влажность меняется как при изменении в объекте теплоты,
так и влаги, причем их соотношение, как и соотношение соответствующих параметров
переменно как в одном объекте, так и в разных. В-третьих, как следствие преды-
дущего, имеет место крайне нежелательная взаимосвязанность контуров стабилизации
параметров, приводящая в отдельных случаях к закрытию одного из регулирующих ор-
ганов. Исходя из всего вышеизложенного, следует более тщательно подходить к выбору
того или иного стабилизируемого влажностного параметра воздуха.
8.6 Оросительные (форсуночные) камеры
8 .6.1 Основные сведения и сравнительные характеристики оросительных камер.
Многие десятилетия, с конца 50-х и до начала 90-х годов, в нашей стране основным
аппаратом центральных 1 диционеров харьковского завода «Кондиционер» для раз-
нообразных процессов тепловлажностной обработки были камеры орошения (ОКС,
ОКФ) и их сочетания с поверхностными теплообменниками (так называемые блоки
тепломассообмена БТМ (рис. 8.11). В них, изменяя температуру подаваемой воды, по-
лучали весь спектр возможных процессов обработки воздуха, от охлаждения-осушения
до нагревания-увлажнения.
Универсальная камера орошения заменяла в системе кондиционирования поверх-
ностный воздухоохладитель (8-14 рядов, см. рис. 6.5) и увлажнитель. В этом случае одна
камера орошения по сравнению с двумя вышеназванными аппаратами имеет следующие осо-
бенности, описанные в гл. 6 т. I и здесь частично повторенные:
• универсальность, т.е. возможность проведения в одном аппарате различных процес-
сов обработки воздуха от нагревания—увлажнения до охлаждения—осушения при ис-
пользовании воды с температурой 3... < 50 "С: возможность замены такой камерой
всех аппаратов для тепловлажностной обработки воздуха в кондиционере;
• снижение массы и габаритов, меньшая трудоемкость изготовления, меньшая стои-
мость, отсутствие дефицитной (в те годы!) теплопередающей поверхности; использо-
вание недефицитных материалов;
• снижение аэродинамического и гидравлического сопротивления по сравнению с со-
противлениями воздухоохладителя и увлажнителя;
• универсальность типоразмеров и воздухопроизводительности. высокая эффектив-
ность процесса, удобство управления процессами по методу «точки росы»;
• возможность управления дисперсной структурой капель и поверхностью контакта
при изменении давления воды перед форсунками;
• дополни [>фект очистки воздуха каплями распыляемой воды от аэрозолей [8.32].
Пример возможного комплексного использования камеры орошения центрально-
го кондиционера вместо нескольких аппаратов применительно к СКВ здания бывш.
ГОССТРОЯ СССР, ныне Совета Федерации России, приведен в п. 2.20 гл. 2 т. I.
Недостатками собственно камеры орошения являются большие габариты и занимае-
мая площадь, металлоемкость, несовершенство системы распыла и взаимного направле-
ния потоков, вторичное загрязнение воздуха микрофлорой, переносимой водой, низкая
211
Сотников А. Г.
Рис. 8.11. Фронтальный разрез контактных аппаратов — камер орошения центральных
кондиционеров КТЦЗ-, ХЗКи KG Wolf:
а — двухрядная оросительная (форсуночная) камера ОКФ;
б - перекрестно-точная (сеточная) оросительная камера ОКС;
в — сочетание однорядной противоточной камеры орошения с поверхностным
аппаратом — блок тепломассообмена БТМ;
г — однорядная противоточная камера орошения центральных кондиционеров KG
Wolf: 1 — корпус; 2,4 — каплеотделителъ; 3 — стояки с форсунками; 5 — поддон;
д — зависимость эффективности изоэнтальпийного процесса в камере ороше-
ния центрального кондиционера KG Wolf от расхода обрабатываемого в кон-
диционере воздуха. По этим данным при Е = 0,90 и Wm.n/Wmax= 0,30 и графику
рис. 6.28, считая движение воздуха и воды чисто противоточным, определяем
число единиц переноса NTU=aF/GBcB « 3,2.
212
интенсивность тепломассообмена в объеме (дождевом пространстве) камеры орошения,
низкая усвояемость влаги воздухом (около 1% распыляемой воды) и поэтому большой
перерасход электроэнергии на распыл воды, например, по сравнению с аналогичным по
эффективности насадочным аппаратом. Строго говоря, при подаче на увлажнение в сто
раз большего расхода воды затраты мощности на распыление возрастают в 1003 раз (если
не менять сечение трубопроводов). Большие резервы в улучшении характеристик камер
орошения кроются в использовании свободно закрученных струй подаваемого в камеру
воздуха [8.27]. В этом случае существенно повышается интенсивность тепломассообме-
на, составляющая для изоэнтальпийного процесса Е= 0,85...0,94 при коэффициенте оро-
шения д = 0,09...0,15, при скорости воздуха до 12 м/с, аэродинамическом сопротивлении
150...200 Паи отсутствии каплеотделителя. Размер такой камеры орошения при L — 10000
м’/ч составляет: диаметр 0,63 м, длина - 1,1 м. Для увлажнителей местных кондиционе-
ров предложено эффективное совмещение функций каплеотделения и воздухораспреде-
ления при специальной форме поворотных жалюзи [8.55].
8.6.2 Энергетическая эффективность камер орошения в адиабатических процессах. Эти
вопросы применительно к конструкциям отечественных камер орошения и их систем
распыла подробно рассмотрены И.Ф. Юхно, рис. 8.12 [8.92], а технологическая и энерге-
тическая сравнительная оценка различных способов распыления воды (механического,
пневматического, электрического и электромеханического) кратко выполнена в статье
В.Ю. Незгады и Э.Ф. Исявичюса [8.58].
Для испытанных форсунок тонкодисперсного распыла и камер разной длины с раз-
ным числом стояков и плотностью расположения их в поперечном сечении (шт/м2 ряд)
удалось связать эффективность адиабатического увлажнения с удельной мощностью, за-
трачиваемой на распыление воды:
2)3
Изменение расхода распыляемой воды, давления и мощности комплексно влияют на
общее число капель, поверхность распыляемой влаги, средний диаметр капли (медиану)
и среднеквадратическое отклонение , а значит, на тепломассообмен и эффективность
процесса Ел. Основные результаты экспериментов показаны на графике рис. 8.13.
По результатам этих исследований предложены формулы для разной длины камеры
орошения, плотности размещения форсунок тонкого распыла при больших давлениях
воды (рис. 8.14). Например, для однорядной противоточной камеры получено:
Ел = 0,57 + 0,03%/,. <811)
При необходимости эти зависимости можно сравнить с другими: для других типов
форсунок, давлений, плотности размещения и пр.
8.6.3 Методы получения расчетных зависимостей для оросительных камер. В этом пун-
кте использованы материалы Е.В. Стефанова [8.75]. Обычно при подборе аппарата и под-
системы увлажнения решается т.н. прямая задача, в которой известен расход воздуха Lnp,
его расчетное начальное (tlr dH) и требуемое конечное (Гу, dK) состояния, обеспечивающие
максимальную эффективность увлажнения ЕА. Следует определить требуемые расход и
давление воды, коэффициент орошенияв данном аппарате; на основе этих дан-
ных выбрать насос и электродвигатель, трубопроводы, арматуру, водяной регулирующий
клапан и др. (хотя это может входить в стандартную комплектацию). В политропных про-
цессах охлаждения-осушения кроме того определяют начальную и конечную температу-
ры воды в аппарате, согласованную с системой холодоснабжения СКВ.
Все существующие методы расчета процессов увлажнения в контактных (сме-
сительных) аппаратах типа камер орошения, насадочных, ударо-пенных и др. осно-
ваны на экспериментальных исследованиях. Иногда используют и другие данные
(например, из опыта эксплуатации). Результаты экспериментальных исследований
должны быть соответствующим образом обработаны для возможности их обобщения.
Наибольшие перспективы здесь, как правило, связаны с привлечением современного
аппарата теории подобия. В итоге обработки результатов, полученных в эксперимен-
тах, должны быть получены зависимости для расчета процессов и выбора или проек-
тирования аппарата.
Так же как и для поверхностных тепломассообменных аппаратов, для контактных
(смесительных) существуют четыре метода представления расчетных зависимостей.
Первый метод основан на использовании коэффициентов переноса, второй — так назы-
ваемых чисел единиц переноса; третий связан с представлениями об идеальном процессе;
в четвертом применяются абсолютные или относительные величины изменений пара-
метров воздуха.
Первый метод. Чтобы получить уравнения, на основе которых можно было бы рас-
считывать контактные аппараты, нужно проинтегрировать по поверхности тепло- и
массообмена элементарные выражения для потоков теплоты и массы с учетом распре-
деленности параметров воздуха и воды в рабочем пространстве аппарата. Для контак-
тного аппарата типа камеры орошения очень трудно или невозможно определить фор-
му и размеры истинной поверхности контакта, а также параметры воздуха для каждого
элемента поверхности.
214
Оросительные (форсуночные) камеры
Рис. 8.13. Сводные характеристики теплоэнергетической эффективности камер орошения:
а—зависимость эффективности увлажнения от коэффицинта орошения для ка-
мер с различными конструкциями оросительных систем, — форсунки типа У-1;
б — сопоставление теплоэнергетических характеристик камер орошения:
1 — аппроксимирующая прямая для форсунок У-1, lK= 1,6м; 2— аппроксимирующая
прямая для форсунок У-1, dc = 4 мм, z = 1; 1к=3,5м; 3—аппроксимирующая прямая
для экспериментальных форсунок тонкого распыления, пф=6,6 шт/(м2 • ряд), z~ 1,
1К = 1,5 м; 4— то же при lK=3,2M(tH = 28 °C, tffM= 18,7 °C, vB=2,74м/с);
в — зависимость — InT = A+kr\ при изменении величины г| в зависимости от:
(+) — РnpuvB=const, (•) — vвприP=const(форсунки У-1, z~l, пф=12шт/м2 ряд,
d= 4 мм, 1К= 1,6 м; tH=28 °C, tffM= 18,7°С,Р = 100-250 кПа, vB = 1,5-4 м/с);
г — экспериментальная проверка справедливости равенства — ln(l—EA) = const
при переменных параметрах наружного воздуха для камеры орошения с посто-
215
N, Вт/( 10ООкг/ч)
Коэффициенты переноса можно записать в виде:
по явному теплообмену
FAf
по массообмену
FArff
где А1, /V/ — средние расчетные разности температур и влагосодержаний обрабаты-
ваемого воздуха и воздуха над поверхностью воды. В изоэнтальпийном процессе поток
явной теплоты от воздуха к воде и скрытой теплоты вместе с испаренной влагой практи-
чески равны и поэтому
aA/„ = pArfp^. (8.14)
При существующих конструкциях камер орошения не всегда можно разделить весь
рабочий объем аппарата на участки в направлении движения воздуха и учесть сложное
взаимное направление движения капель и воздуха. Например, в однорядной камере оро-
шения имеет место сочетание противотока, прямотока и перекрестного тока (рис. 8.15),
в двухрядных камерах процессы еще сложнее.
216
В этом сложном случае для однорядной камеры средние расчетные разности прини-
мают по формулам для среднелогарифмических разностей с учетом смешанного проти-
вотока и перекрестного тока.
Второй метод. В связи с тем что определить площадь поверхности контакта между
воздухом и водой в оросительной камере часто не представляется возможным, возникла
идея не разделять коэффициенты переноса и площади, а использов го-
казатель:
NTU,
называемый числом единиц переноса по явной и полной теплоте.
Для расчета процессов с применением метода, основанного на числе единиц пере-
носа, используются зависимости NTU от факторов, определяющих гидродинамическую
обстановку в оросительном устройстве: размеры, тип распылителя, давление воды, ско-
рость воздуха (см. рис. 6.68, а, б) и др.
Третий метод. Он базируется на представлениях об идеальном процессе, исходит из
построений в z—d диаграмме, поэтому его можно назвать графоаналипгческим. В основе
его лежит представление о линии процесса, выражающей изменение состояния воздуха.
В качестве идеального принимается такой процесс, при котором конечное состояние возду-
ха совпадает с параметрами насыщенного воздуха, находящегося над поверхностью воды.
Для процессов увлажнения воздуха как при распыле воды, так и при подаче пара (со-
ответственно изоэнтальпииного и изотермического) используют понятие об эффектив-
ности процесса как отношении:
В отечественной практике для традиционных камер орошения принято обозначать
коэффициент эффективности буквой Е, тогда как в поверхностных аппаратах мы при-
менили из многих обозначений букву 0 (см. гл. 5, 6 и 7 данной книги). Для выполнения
расчетов на основе коэффициентов эффективности значения последних должны быть
выражены в зависимости от характеристик аппаратов и условий протекания процессов.
Обычно формулы, используемые в расчетах коэффициента эффективности, имеют вид:
Е = А(урфр'^.
Значения констант А, п. т определяют экспериментально в зависимости от упомяну-
тых факторов; ц — коэффициент орошения, есть отношение расхода распыляемой воды
217
к расходу обрабатываемого воздуха, гр#р — массовая скорость воздуха во фронтальном се-
чении камеры орошения, кг/м2-с.
Четвертый метод, как и предыдущий, основан на построении процесса в (-(/диаграм-
ме, поэтому его также можно назвать графоаналитическим. Однако в нем не используется
понятие об идеальном процессе, а точку конечного состояния находят с помощью вели-
чин относительного изменения параметров воздуха:
по температуре и влагосодержанию как простым и абсолютным параметрам состоя-
ния воздуха.
При всем разнообразии методов расчета процессов в камерах орошения вне поля зре-
ния многих исследований остаются такие явления, как неравномерность температур при
плохом перемешивании потоков наружного и рециркуляционного воздуха. Что касает-
ся неравномерности скоростей в поперечном сечении этих аппаратов, то они уменьша-
ют эффективность процесса на 5% [8.17]. Наконец, при изменении температуры воды в
процессе обработки воздуха учитывают нелинейность свойств воздуха на линии насыще-
ния, т.е. изменение отношения Д//ДГ, что корректируется гигрометрическим критерием:
8.6.4 Принцип действия и основные характеристики распыла центробежной форсунки.
Принцип действия центробежной форсунки (рис. 8.16) как основного распылителя в ка-
мере орошения заключается в придании вращательного движения воде, после чего она
выходит из сопла в форме полого конуса. На малом расстоянии от сопла пленка разрыва-
ется на капли разных размеров. Не все выходное отверстие заполнено водой: централь-
ную часть его занимает воздушный вихрь, проникающий внутрь форсунки; полый факел
форсунки является ее существенным недостатком, преодолеваемым в т.н. цельнофакель-
ных форсунках с двумя каналами подвода воды.
Теории распыла жидкостей в форсунках и практическому ее приложению посвящено
много работ отечественных и зарубежных ученых. Эта проблема кроме техники кондици-
онирования интересует теплоэнергетику, ракетостроение (распыл жидкого топлива), хи-
мическую технологию и другие отрасли техники. Наиболее важными характеристиками
форсунки являются ее производительность давление перед форсункой ЛРф, распреде-
ление расхода воды по сечению факела и по размерам капель (или дисперсность распыла)
и другие характеристики, перечисленные на с. 483 - 484, и. 6.18, т. I. Из капель разных
размеров наиболее быстро испаряются мелкие, имеющие очень малую массу и, что важ-
но, большую кривизну поверхности.
Производительность форсунки данной конструкции связана с давлением воды и диа-
метром сопла зависимостью вида:
где для центробежной форсунки Л2=12,3, т2=1,38; и2=0,48.
Распределение расхода воды в сечении факела распыла весьма неравномерно, что
приводит к разной эффективности тепломассообмена и увлажнения воздуха в попе-
речном сечении камеры орошения. Интегральной характеристикой дисперсности рас-
пыла в камере орошения является закон распределения капель при распылении жид-
218
кости в воздушном потоке. Он может быть принят в соответствии с теоретическими
исследованиями А.Н. Колмогорова, [8.35] логарифмически-нормальным (рис. 8.17, а).
Этот закон наиболее полно и строго обоснован для рассматриваемых условий диспер-
гирования жидкости Е.В. Стефановым [8.79]. Им же, его учениками (В.Д. Коркин,
З.Е. Гольденберг и др.), а также другими исследователями тепломассообмена (Н.И.
Гальперин, В.Л. Пебалк, Б.Г. Варфоломеев, Н.А. Рабинович) получено подтверждение
этого распределения в многочисленных экспериментальных работах. Конкретные чис-
ловые характеристики такого распределения для тангенциальной и цельнофакельной
форсунок, по данным исследований [8.24, 8.78], и в зависимости от давления воды по-
казаны на графике рис. 8.17,6.
Рис. 8.16. Угловая центробежная форсунка (а) и расходная характеристика (б) форсунок
тонкого распыла Qw(P,il).
Обозначения: х — (dc = 1,5мм; АГ= 1,05; 8а = 0,24мм); А — (dc = 2мм, Аг= 1,54,
5° = 0,24мм);
А — (dc = 3 мм, Аг = 7,2, 50= 0,088мм); Аг — геометрическая характеристика
форсунки; 5о — начальная толщина пленки (данные И.Ф. Юхно [8.92]); s — экс-
центриситет (смещение осей входа и выхода) жидкости в форсунку.
В основе тепломассообмена в камерах орошения лежат закономерности взаимодействия
полидисперсной структуры капель с воздухом, при этом состояния обеих сред в процессе
контакта постоянно меняются. Важную роль играет распределение капель по диаметрам в
спектре распыла форсунки. С целью установления обобщенных зависимостей параметров
распределения капель в спектре распыла форсунки в широком диапазоне изменения основ-
ных конструктивных параметров форсунок и гидродинамических условий их работы был
проведен комплекс исследований [8.16]. Учитывая, что при распылении жидкости центро-
бежными форсунками в факелах распыла имеет место широкий спектр диаметров капель от
исчезающе малых до 2 мм, эксперименты во ВНИИКондиционер проводились с помощью
метода электропроводности и соответствующей измерительной аппаратуры, обеспечиваю-
щей получение экспресс-информации.
219
Процессы, аппараты и с
Рис. 8.17. Характеристики распыла тангенциальной форсунки:
а — логарифмически-нормалъное распределение числа капель по диаметрам в
мольного диаметра капель dKmca (линия 3) в зависимости от давления воды перед
форсункой; условные обозначения: сплошные — цельнофакелъная форсунка Ц-2
(dc = 4мм, с1ц= 4мм, А = 2,45), пунктир — тангенциальная (угловая) форсунка
220
Оросительные (форсуночные) камеры
При проведении экспериментов изучали характеристики спектров распыла форсунок
с одно- и двухканальном подводом жидкости и изменении геометрических характерис-
тик в диапазоне: А=0,43...7, диаметр сопла d0 =3...15мм. В широком интервале менялся
перепад давлений на форсунке — 50...350 кПа.
Полученные в ходе этих исследований аппроксимирующие зависимости имеют вид:
для моды распределения: Mo = 0,328A~°’25d°’sv^
для среднеквадратического отклонения = 0,153(1 + 2,25е“”),
где A=(R,~/пг2 - 1сометрическая характеристика форсунки, d0 — диаметр сопла
(выходного отверстия) форсунки, мм; п — число каналов подвода воды к камере закручи-
вания центробежной форсунки; уф - скорость истечения жидкости из форсунки, м/с; К1;,
го — конструктивные параметры форсунки. Указанные зависимости описывают экспери-
ментальные данные с точностью +7%.
8.6.5 Закономерности испарения одиночной капли в воздух. В связи с обсуждением про-
цесса распыления капель воды в воздух и работы камеры орошения рассмотрим «судьбу»
отдельных свободно летящих капель, т.е. закономерности их испарения в воздух при ви-
тании. Это важно для проблемы увлажнения воздуха в целом. Последний будем считать
неподвижным, а скорость витания капли — относительной по отношению к воздуху [8.86].
Предполагается, что объем воздуха вокруг капли неограничен и поэтому его состояние
не меняется. Расчеты показывают, что изменение массы капли оказывается незначитель-
ным до тех пор, пока ее температура не достигнет температуры воздуха по мокрому тер-
мометру. С этого момента изменение массы капли становится заметным. Из изложенного
следует, что процесс взаимодействия капли с воздухом можно рассматривать как два не-
зависимых процесса, один из которых характеризуется изменением температуры капли
при неизменном диаметре (массе), а другой - уменьшением размера капли вплоть до ее
полного испарения при постоянной температуре, равной температуре воздуха по мокро-
му термометру. Постоянная времени в выражении для изменения температуры капли в
экспоненциальном процессе при контакте с воздухом
определяется зависимостью Т = (<scwpwl3pB)rB, в которой сомножитель при началь-
ном радиусе капли г0 находят при средней температуре процесса по графику рис. 8.18.
Время полного испарения капли можно определять по аппроксимирующей зависи-
мости:
= 1,1-0,21g Re.
Зависимость между текущим радиусом капли г(т) и временем т записывают в виде:
где 0 =ri/c(r( 1—о)—комплекс величин, который автор (И.А. Шепелев) назвалусловной
температурой, определяется по графику рис. 8.18;г — теплота парообразования, кДж/кг;
- теплоемкость воды, кДж/кг-"С; а - безразмерный параметр, характеризующий сред-
221
нюю температуру процесса, определяется по рис. 8.18. Время полного испарения капли,
определяемое дополнительным условием г = 0, вычисляется по зависимости
222
Оросительные (форсуночные) камеры
За среднюю температуру процесса на рис. 8.18 принимают среднеарифметическую
начальной температуры воды i„_ и температуры воздуха по мокрому термометру tBU.
Поясним методику расчета времени испарения капли примером.
Пример 8.3. Определить время испарения капли радиусом г0 = 0,1-10~3 м
при ее начальной температуре tW) = 20 °C и состоянии воздуха tBU = 10 °C,
tB=5°C. Предварительно определяем среднюю температуру процесса
*<,> = «Ж, + ^.и) = 0,5(20 +10) = 15 °C. Для этой температуры по рис. 8.18 нахо-
дим в=950 °C, а комплекс acvp„,/3pB = 21,5 10 6 с/м2, чему соответствует
Т=21,5-106(0,1- К)3)2 = 0,215 с. Отсюда искомое время испарения данной кап-
ли по формуле (8.24) составит: ттах=3 • 950- 0,215/2(10—5) = 62с.
Испарение движущейся капли в неподвижном воздухе, по данным [8.13], определя-
ется по формуле:
г02 (1,1-0,2 lg Re)
' 3,2(1 -cpJlO-4 ’С’
где фг — относительная влажность окружающего воздуха, безразм; Re - число
Рейнольдса применительно к капле радиусом г0 при начальной скорости выхода из рас-
пылителя v0.
Особый механизм имеет изменение температуры капель холодной воды в процессах
охлаждения-осушения воздуха (рис. 8.18, б, в). Чем меньше размер такой капли, тем
быстрее она нагревается до температуры, зависящей от параметров воздуха в каждой
точке пространства аппарата. Дальнейшее снижение температуры капли воды (через
0,1 с при d=<5,1 мм, через 0,25 с при </х=0,2 мм, через 0,5 с при </г=0,3 мм — см. рис.
8.18, в) характеризует ее испарение, уменьшение массы в процессе, приближающемся
к изоэнтальпийному увлажнению (т.н. адиабатический хвост). Такое испарение крайне
нежелательно в процессах охлаждения-осушения воздуха, для его сведения к минимуму
применяют форсунки грубого распыла, невысокое давление воды, при котором образу-
ются более крупные капли.
Рис. 8.18. Комплексные зависимости для расчета изменения температуры капель воды
температуры процесса тепломассообмена между воздухом и каплей воды [8.86];
б — изменение температуры капли воды в процессе охлаждения-осушения воз-
духа по разным источникам (линии 1, 2, 3) в течение времени ее пр
камере орошения по данным Е.В. Стефанова и В.Д. Коркина [8.77];
цессе охлаждения-осушения воздуха во времени по данным Е.В. Стефанова и
В.Д. Коркина [8.77];
гпофор-
223
8.7 Насадочные увлажнители воздуха
Эти аппараты устроены следующим образом (рис. 8.19). В горизонтальном потоке
наружного воздуха перпендикулярно ему размещена относительно тонкая пористая воз-
духопроницаемая насадка с чрезвычайно развитой поверхностью. По ней в виде тонкой
пленки постепенно стекает вода, подаваемая насосом сверху через систему распыла. Для
сбора недоиспарившейся влаги внизу увлажнителя расположен поддон, для задержания
отдельных капель на выходе имеется каплеотделитель. Большая поверхность такой на-
садки в единице ее объема обеспечивает эффективное увлажнение воздуха.
Рис. 8.19. Насадочный увлажнитель воздуха Munters: а - боковой вид; б - аксономет-
рический вид-разрез: 1 — увлажняющая насадка; 2 — система подачи воды;
3 — каплеотделитель; 4 — поддон для сбора неиспарившейся воды; 5 — циркуля-
ционный насос; 6 — водяной регулирующий клапан с приводом.
8.7.1 Общие представления о насадочных увлажнителях. Понятие о коэффициенте
орошения в насадочном аппарате не полностью характеризует интенсивность процесса
тепло- и массообмена [8.40], т.к. не учитывает влажностное состояние орошаемого мате-
риала. Некоторые орошаемые насадки хорошо смачиваются водой и поэтому позволяют
накапливать значительное количество влаги. Как показывают опыты, это дает возмож-
ность создать достаточно интенсивный процесс увлажнения воздуха в условиях периоди-
ческого орошения насадки. В этих аппаратах предлагается использовать понятие о коэф-
224
Насадочные увлажнители воздуха
фициенте массового контакта, как отношение суммы свободной влаги и перемещаемой в
насадке к массе воздуха. Учет величины свободной влаги позволяет оценить орошаемую
насадку в процессах периодического увлажнения воздуха, когда орошение и сушка мате-
риала происходит циклически.
Все возможные аэродинамические режимы течения сред в таком противоточном ап-
парате можно представить в виде трех основных. Схематическая картина движения воз-
духа и воды в пленочном аппарате во всех трех режимах (по Е.В. Стефанову) [8.75] пока-
зана на рис. 8.20, а, а аэродинамичес кое сопротивление — на рис. 8.20, б.
Первый основной режим следует назвать режимом раздельного движения фаз (воздуха
и воды) или пленочным режимом; он наблюдается при малых плотностях орошения и
ера га (ьно небольших скоростях движения воздушного потока. В этом режиме вода
движется по стенкам каналов, образованных элементами насадки, а воздух проходит в
остальном сечении каналов; они взаимодействуют на поверхности движущейся пленки
воды (рис. 8.20, я).
Переход ко второму режиму может произойти либо при увеличении скорости возду-
ха (если скорость воды не менять), либо при увеличении скорости воды (если скорость
воздуха неизменна). И в том и другом случае вначале наступает так называемое тормо-
жение, а потом «подвисание» воды, когда движение ее замедляется. Вода удерживается
потоком воздуха, при этом происходит турбулизация движущейся пленки и наблюдаются
срывы частичек жидкости с турбулизованной поверхности. Этот режим по предложению
Е.В. Стефанова назван режимом турбулизации пленки воды. Число увлекаемых пленкой
частичек постепенно увеличивается, и воздух начинает взаимодействовать со всем объ-
емом водяной пленки, что приводит к инверсии движения воды, ее эмульгированию и
возникновению третьего основного режима (рис. 8.20, а).
225
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Третий режим может быть назван режимом эмульгирования. Он является режимом сов-
местного движения фаз и заканчивается т.н. захлебыванием аппарата, когда сверху слоя
насадки накапливается барботируемый слой воды.
О существенной разнице аэрогидродинамических течений во всех трех режимах луч-
ше всего судить по характеру зависимости аэродинамического сопротивления слоя на-
садки от скорости воздуха (рис. 8.20, б). Если построить график такой зависимости (при
постоянной плотности орошения — массе воды, м3/ч на 1 м2поперечного сечения /-'аппа-
рата! в логарифмических координатах, то будут выявлены точки перелома, характеризу-
ющие переход с одного режима на другой.
В первом, пленочном, режиме значение показателя степени п зависит от материала
слоя насадки. Поскольку режим движения близок к ламинарному, то величина п равна
или немного больше единицы. При переходе к промежуточному режиму, каковым явля-
ется режим турбулизации пленки, на графике появляется перелом, а показатель степени
п приближается к двум. При переходе в режим эмульгирования наблюдается дальнейший
рост угла наклона, значение п резко (в три-четыре раза) возрастает. В общем случае аэро-
динамическое сопротивление аппарата зависит от интенсивности орошения.
Весьма существенным является вопрос о выборе наиболее целесообразного режима
работы аппарата с орошаемой насадкой, используемого для тепловлажностной обработки
воздуха. В частности для процессов увлажнения воздуха степень интенсификации менее
существенна, а продолжительность контакта воздуха с пленкой воды желательно удли-
нить. Поэтому для такого процесса лучше ориентироваться на пленочный режим, при
котором аэродинамическое сопротивление минимально.
8.7.2 Типовые характеристики секционных увлажнителей. Устройство насадочных сек-
ционных увлажнителен фирмы Munters показано на рис. 8.21, 8.22, а их технические ха-
рактеристики представлены на рис. 8.23. Приводятся зависимости эффективности Е, и
аэродинамического сопротивления APt такого увлажнителя от скорости воздуха во фрон-
тальном сечении т,=2,0—4,5 м/с. Квадратичный характер сопротивления от скорости
воздуха указывает на вышеописанный режим турбулизации потока.
Насадочный материал в увлажнителе обладает высокой абсорбционной способнос-
тью - до 100 литров воды на 1 м3 материала, что эквивалентно 440...600 м2 поверхности в
зависимости от типа материала. Таким образом средняя условная толщина пленки стека-
ющей жидкости - около 0,2 мм.
Используя вышеизложенные представления, оценим по графикам рис. 8.23 ха-
рактер движения воздуха в насадочном перекрестно-точном увлажнителе фирмы
MUNTERS. Выбираем два значения скорости воздуха (г,,=2 и 4 м/с), по графику оп-
ределяем сопротивление насадки: 15 и 60 Па при ЕЛ = 0,65, 30 и 120 Па при Ел= 0,85;
40 и 160 Па при £/= 0,95, Во всех случаях при двукратном изменении расхода (ско-
рости) воздуха аэродинамическое сопротивление возрастает в четыре раза, то есть за-
висимость является квадратичной, а режим движения характеризуется турбулизацией
пленки стекающей жидкости.
Простейшие закономерное™ изменения параметров состояния воздуха при перекрест-
ном движении воды и воздуха в орошаемой насадке глубиной х, высотой h с поправочным
множителем ае, учитывающим отличие действительной поверхности от плоской, описа-
ны С.М. Бобоевым и О.Я. Кокориным [8.7].
После решения дифференциальных уравнений переноса и баланса теплоты при ин-
тегрировании по глубине аппаратах получены экспоненциальные зависимости.
226
Температура воздуха в аппарате на расстоянии х от входа:
(8.26)
Влагосодержание воздуха в аппарате на расстоянии х от входа:
Количество испаряющейся в воздух воды в аппарате:
_ @всв
(8.28)
При заданном значении конечного состояния воздуха <4 можно определить требуе-
мую глубину насадки, х:
Значение коэффициента эффективности процесса в насадочном аппарате определя-
ется по зависимости
Ел =1-ехр
Сравнение расчетных и экспериментальных данных, выполненное авторами, пока-
зало их хорошую сходимость.
227
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Рис. 8.22. Вид местного (комнатного) насадочного увлажнителя (а) и расположенной в
нем насадки (б).
Экспоненциальные зависимости (8.26)—(8.30) можно использовать для определения
среднего коэффициента теплоотдачи насадки при известной конструкции аппарата, рас-
ходе воздуха, удельной поверхности аппарата (м2/м3) и коэффициенте эффективности ЕЛ.
Поясним это примером.
228
Пример 8.4. Дня насадочного увлажнителя FA6 типоразмер 150 120 Munters из-
вестно: Ь = 1,5 м; h = 1,2м; 1 = 0,1 м; = 0,18м3, удельная поверхность насадки
=500м2/м3, поверхность насадки F = (Fm/VHn) К с = 500 -0,18 = 90м2.
229
По данным каталога, при Le—2,6м3/с (GB=3,12 кг/с), эффективность процесса
увлажнения ЕД = 0,67. Определим средний коэффициент теплоотдачи на поверх-
ности насадки.
Изуравнения ЕЛ=l-exp(-a.l//GecB) = 0,67получаем, что aBF/GBcB=-1,1. Искомый
средний коэффициент теплоотдачи ав= 1,1-3,12-1000/90 = 38,5 Вт/(м2- °C).
Управление процессом увлажнения воздуха в таком аппарате обычно производят цик-
лическим включением-отключением подачи воды, используя релейный влагорегулятор.
Непрерывное управление не рекомендуется, т.к. нижняя часть аппарата оказывается не
смачиваемой, и соли, содержащиеся в воде, остаются на поверхности насадки. Кроме
того, возможно управление процессом путем байпасирования воздуха (как и в других ап-
паратах: в воздухонагревателе, охладителе-осушителе (см. гл. 5 и 6 т. I). Процедура вклю-
чения аппарата в работу заключается в предварительном смачивании поверхности насад-
ки водой и последующем включении вентилятора, выключению вентилятора предшест-
вует прекращение подачи воды, что исключает осаждение соли на поверхности насадки.
8.7.3 Является ли насадочный увлажнитель Munters «генератором» Legionella spp.l
Предварительные испытания [8.91], проведенные в лабораторных условиях с испарительным
увлажнителем FA6, показали, что даже при чрезвычайно высоком содержании Legionella spp.
до 107 КОЕ/мл и скорости воздушного потока до 4,2 м/с, аэрозоли, содержащие Legionella
spp., не обр; я Ц ю данного исследования было обнаружить, воспроизводятся ли
этим испарительным увлажнителем в реальных эксплуатационных условиях аэрозоли, со-
держащие бактерии. Индикаторным микроорганизмом, используемым для этой цели, был
выбран Flavimonas oryzihabitans - микроорганизм, который, как и грамотрицательные ба-
циллы, имеет размер и морфологию, сопоставимые с Legionella. В добавление к этому для
проверки его работы в качестве фильтра твердых частиц были сделаны сравнительные изме-
рения количества аэрозольных частиц до и после испарительного увлажнителя.
Вода, используемая для увлажнения в испарительном увлажнителе FA6 Munters,
насыщалась микроорганизмами Flavimonas oryzihabitans с концентрацией в среднем 105
КОЕ/мл в условиях эксплуатации в течение двух последовательных дней, всего за период
эксперимента в 12 часов. Использованное в данном случае содержание микробов превы-
шало предельно допустимую норму содержания микробов в питьевой воде, равную 103
КОЕ/мл, принятую в Германии. С помощью пробоотборника RCS было протестировано
на предмет наличия аэрозолей, содержащих бактерии, всего 25 000 литров воздуха" после
его прохождения через увлажнитель. Индикаторный микроорганизм Flavimonas oryzihabi-
tans не был обнаружен ни в одном из проведенных измерений.
Это особенно важно для контроля за распространением инфекций в больницах, так
как пациенты особенно подвержены риску вдыхания аэрозолей, образующихся системой
кондиционирования воздуха и содержащих Legionella spp., что ведет к заболеваниям тяже-
лыми формами пневмонии (по нашему мнению, это утверждение требует специального
Кроме того, было сделано десять подсчетов содержания микроорганизмов в воздухе
с использованием специального агара для легионеллы (Legionella). В этих подсчетах при
отборе 2500 литров воздуха легионелла (Legionella spp.) не была обнаружена.
Так как выбранный индикаторный микроорганизм Flavimonas oryzjhabitans — грамотри-
цательная бацилла с морфологическими характеристиками, схожими с легионеллой, - не
230
был обнаружен в воздухе, выходящем из испарительного увлажнителя, по аналогии можно
предположить, что аэрозоли, содержащие легионеллу, также не будут репродуцироваться.
8.7.4 Типы насадок и пластин для увлажнителей, требования к ним. В качестве насад-
ки таких увлажнителей используют различные натуральные и искусственные материалы.
Основными требованиями к материалам насадки является развитая микроструктура, хоро-
шая смачиваемость, сохранение формы и поверхности, постоянство свойств в процессе экс-
плуатации, развитая поверхность, достигающая, например, у аппаратов фирмы MUNTERS
(Швеция) 600 м2 на 1 м3 объема такой насадки. Для последней использована специально
изготовленная объемная конструкция, имеющая многочисленные каналы небольшого
сечения той или иной формы. Блоки, изготовленные из таких материалов, образуют оро-
шаемый слой нужных размеров. Насадка должна иметь большую удельную поверхность и
большой свободный объем для прохода воздуха, малое аэродинамическое сопротивление,
достаточную механическую прочность и долговечность, материал не должен коррозиро-
вать, стоимость его должна быть невысокой, а изготовление — по возможности простым.
Исследованы конструкции и характеристики отечественных насадок регулярной
структуры для пленочных аппаратов [8.53] с рядной укладкой пластин (специальной бу-
маги) на основе мипласта в форме косогофрированных листов (рис. 8.24, а, б).
Положительным качеством мипласта является возможность его утилизации с изготов-
лением новых пластин путем дробления старых с последующим формованием и спеканием
материала в печи. По результатам исследований, отмечена невысокая гигроскопичность
такой насадки при рядной укладке пластин, которые по этому показателю уступали другим
видам насадок. Указанный недостаток можно устранить, если пластины сложить попар-
но гладкими сторонами друг к другу и собрать их в пакет так, чтобы каждая пара пластин
была обращена ребрами к смежной паре. При такой укладке между гладкими сторонами
образуются макрокапиллярные щелевые каналы, в которые при смачивании насадки ин-
тенсивно всасывается и удерживается вода. Испарение же воды в поток воздуха происходит
с противоположных оребренных сторон пластин, куда она попадает через микрокапилля-
ры. Проведенные стендовые испытания опытных образцов насадки показали, что она пог-
лощает до 38% влаги по отношению к массе сухой насадки. Установлено также, что время
выхода на режим увлажнения от момента подачи воды составляет 5—10 мин, что находится
на уровне насадок, выполненных в виде орошаемых слоев. Вместе с тем, в такой конструк-
ции с воздушными каналами «на просвет» не был решен вопрос сепарации влаги из потока
воздуха при орошении насадки сверху для удаления оседающей на ней пыли.
С учетом изложенных недостатков разработана насадка (рис. 8.24, б) [8.53], где, каки
в ранее описанной конструкции, имеются капиллярные щелевые каналы 1 между гладки-
ми сторонами попарно сложенных пластин 7 и 8. Воздушные каналы 3 образованы реб-
рами 5 одной из пластин смежной пары, проходящими наклонно под углом а к горизон-
тали в сторону набегающего потока 2 и сопряженными с ним вертикальными ребрами 6
другой пары пластин. При этом в насадке образуются воздушные каналы с сужениями 9
между вершинами вертикальных ребер 6 и стенкой пластины 8. В отличие от насадки на
рис. 8.24, а, в данной конструкции процесс тепломассообмена интенсифицируется
(рис. 8.24, в) за счет турбулизации потока воздуха при наличии вертикальных ребер, рас-
положенных поперек патока. Аэродинамические характеристики таких конструкций
приведены на рис. 8.24, г.
Гидродинамические характеристики синусоидальной и щелевой насадок исследовал
В.А. Гоголин [8.23], их фронтальное сечение составляло 0,25 * 0,25 м.
231
Сотников А. Г.
из бумаги; 6 — гофры;
б — принципиальная схема насадки из пластин мипласта: 1 — водяные капиллярно-
щелевые каналы; 2 — поток воздуха; 3 — воздушные каналы; 4 — поток орошающей
воды; 5 — наклонные ребра; б — вертикальные ребра; 7 — пластины с вертикальны-
ми ребрами; 8 — пластины с наклонными ребрами; 9 — сужения воздушных каналов;
10 — водяные каналы; 11 и 12 — воздушные каналы увеличенного сечения соответс-
твенно на входе и выходе насадки;
в — графики изменения величины температурного коэффициента эффективности
охлаждения воздуха ЕАв зависимости от расхода воздуха: в-1 — насадка из мипласта
(модель 1); в-2 — насадка из мипласта (модель 2); в-3 — насадка из бумаги;
232
Результаты исследовании соответствовали разной плотности орошения до 32 м3/(м2/ч)
при массовой скорости воздуха до 8 кг/(м2-с). При скорости воздуха меньше первой крити-
ческой 3,3—3,5 кг/( м2-с) сопротивление орошаемого слоя изменялось так же, как и для сухой
насадки. Поток воздуха при таких скоростях не захватывал частичек воды из стекающей по
стенке пленки. При повышении скорости воздуха до 5,3-6,3 кг/(м2-с) воздух захватывал час-
тички воды и выбрасывал их за пределы слоя; невозмущенное течение пленки нарушалось,
росло аэродинамическое сопротивление. При второй критической скорости 5,3-6,3 кг/(м2-с),
зависящей от плотности орошения, наступал режим «захлебывания». Ограничение мощности
двигателя вентилятора не позволили достичь развитого эмульгированного слоя на выходе из
насадки, но было замечено начало его образования. Гидравлические характеристики разных
типов орошаемых насадок представлены на рис. 8.24, д. Из него следует, что сетчатые насадки
имеют наибольшее сопротивление, однако из-за высокой удельной поверхности они требуют
меньшей высоты. В результате абсолютное сопротивление такой насадки значительно ниже,
чем у слоя колец Рашига. Сетчатые насадки дают возможность увеличить допустимые скорости
воздуха в 1,5 раза, щелевые - в 3 раза, а синусоидальные - в 5 раз по сравнению с насадкой из
колец Рашига. Более подробно результаты исследований можно прочесть в указанной статье.
Исследование увлажнителя с орошаемой сетчатой насадкой описано Е.В. Стефа-
новым [8.76].
8.8 Роторные (насадочный и пластинчатый) увлажнители воздуха.
Такие аппараты могут быть разных модификаций, как по виду насадки, так и по кон-
кретным параметрам, — рис.8.25, а, б и имеют цельное или составленное из пластин ко-
лесо. При вращении такого колеса нижняя часть насадки оказывается в поддоне с водой,
смачивается и затем омывается воздушным потоком, который при этом увлажняется.
Такая конструкция аналогична роторному регенеративному утилизатору (гл. 7, п. 7.1.2,
рис. 7.1,6), хотя тут движутся не два потока, а один. В качестве гигроскопической насадки
используют разные материалы и структуры: сетки, синтетические волокнистые объемы,
чередующиеся плоские и гофрированные металлические или пластмассовые листы и др.
Роторные контактные увлажнители [8.28] компактны и могут быть установлены как
внутри приточной установки, так и в помещении: в них отсутствуют форсунки, системы
водораспределения, циркуляционный насос и каплеотделители. Недостатком, прису-
щим такому увлажнению непосредственно в помещении, является неравномерность рас-
пределения приточного воздуха и, как следствие, неравномерность поля относительной
влажности в помещении.
233
Процессы, аппараты и
а — поперечный разрез роторного насадочного увлажнителя воздуха: 1 —ротор
с насадкой; 2 — двигатель; 3 — поддон для воды; 4 — входной патрубок;
б—роторный пластинчатый тепломассообменный аппарат (РПТМ): 1 — кор-
пус аппарата; 2 — тонкие пластины-диски, образующие вращающееся колесо;
5 — подвод воды в поддон.
Частота вращения ротора 1-2 мин-’ не оказывает заметного влияния на эффектив-
ность увлажнения из-за хорошего смачивания, в то же время при увеличении числа оборо-
тов возрастает аэродинамическое сопротивление, что нежелательно. Увеличение глубины
насадки от 65 до 100 мм приводит к некоторому росту эффективности увлажнения, при
дальнейшем увеличении глубины до 170 мм эффективность не возрастает, что хорошо со-
гласуется с результатами испытания стационарных орошаемых слоев (по О.Я. Кокорину).
Теплоотдачу такого аппарата характеризует критериальное уравнение:
М/ = 0,77Ке0’95(5/<7э)и
Re=100...450 и §/<(,=14...52. Показатель степени при Re в исследовании стационарных оро-
шаемых слоев меньше, чем в роторном, и равен 0,8. Это можно объяснить тем, что в ротор-
ном увлажнителе обеспечивается более равномерное и полное смачивание поверхности.
Результаты сравнения эффективности увлажнения в роторном и стационарном орошаемом
аппарате показаны на рис.8.26, 6. Как видно при одинаковом массовой скорости воздуха
эффективность роторного увлажнителя выше. Теоретическая зависимость коэффициента
эффективности в режиме изоэнтальпийного увлажнения описывается уравнением:
и хорошо согласуется с опытными данными на рис. 8.26, б.
Роторный увлажнитель воздуха имеет еще одно преимущество — возможность на-
гревания наружного воздуха в холодный период года одновременно с его увлажнением.
Так, например, конструкция РПТМ (роторный пластинчатый тепломассообменник, рис.
8.25,6) [8.80, 8.81] была испытана в режиме нагревания при tH= —3...—20 “С и температуре
подаваемой воды =21...44 °C при коэффициентах орошения « = 0,7...2,2, в опытах ко-
эффициент эффективности процесса нагревания достигал 0„ = 0,8... 1. В экспериментах
234
Роторные (насадочный и плас
не наблюдали обмерзания каких-либо элементов аппарата и интенсивного переувлажне-
ния воздуха. Кроме того, исследования и расчеты показали, что этот аппарат универсален
и может быть использован в режиме охлаждения-осушения воздуха в теплый период года.
Так, например, в процессе охлаждения при tH= 19...37 'Си/, = 6...22 °C, коэффициент
эффективности составил 9Й= 0,73...0,88.
Nu/Re0’95
торных и других контактных аппаратах:
а — опытные данные по теплообмену в роторном контактном теплообменнике:
1(0, •) — насадка из полиэтиленовой путанки глубиной 6=65 мм; 2(0,и) — то
же, глубиной 5 =115 мм; 3(6, К) — то же, глубиной 5 =170 мм;
б — сравнение теоретических и экспериментальных данных по коэффици-
(о) - опыты В.П. Ильина и Г. И. Хабиби; (•)-опытыА.Г. Лничхина; (+)- опыты
О.Я. Кокорина; (*) — теоретическая кривая по уравнению (8.32).
Роторный контактный аппарат, выполняющий функции оросительной камеры
и первого подогрева, был применен в серии отечественных неавтономных конди-
ционеров КТН-3,15...КТН-10 [8.18]. Такой аппарат располагался в общем корпусе
кондиционера и представлял собой устройство, состоящее из поддона, сепаратора,
полого цилиндрического ротора, поверхность которого была образована воздухо-
проницаемым материалом, относящимся к насадкам нерегулярной структуры. Вода
поступала в аппарат через щелевое низконапорное устройство и под действием инер-
ционных сил попадала в объем воздухопроницаемого материала. Там вода контак-
тировала с обрабатываемым воздухом, изменяя его термодинамические параметры.
Дополнительно воздух обрабатывался каплями в дождевом пространстве между ро-
тором и сепаратором и в самом сепараторе. Учитывая сложность гидродинамической
обстановки, при оценке возможности таких аппаратов на стенде определяли влияние
на эффективность изоэнтальпийного процесса таких факторов, как скорость враще-
ния ротора, толщина насадочного слоя, коэффициент орошения и удельная воздуш-
235
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
ная нагрузка. Предложено результаты исследований аппроксимировать следующей
общей зависимостью:
(8.33)
где Е — эффективность изоэнтальпийного процесса; д - коэффициент орошения;
v - линейная скорость образующей (цилиндрической) поверхности ротора, м/с; L - удель-
ная воздушная нагрузка аппарата, м3/ч-м2. Полученные данные использованы при выборе
оптимальных конструктивных параметров роторных контактных аппаратов и прогнозиро-
вании их теплотехнических характеристик при размерах, отличающихся от испытанных.
В заключение подчеркнем, что с учетом универсальности РПТМ как аппарата с воз-
можностью всего спектра процессов тепловлажностной обработки воздуха (от нагрева-
ния-увлажнения и изоэнтальпийного увлажнения до охлаждения-осушения) были пере-
работаны конструкции типовых приточных камер, сокращены их размеры и устранено
лишнее оборудование [8.80].
8.9 Роторный вентиляторный увлажнитель воздуха.
Этот аппарат отличается от других увлажнителей (насадочных, оросительных камер,
турбо- и др.) тем, что в названных конструкциях интенсификация тепло- и массообмена
достигается в основном путем развития поверхности контакта (рис. 8.27), а в роторном —
увеличением относительной скорости движения воздуха и воды [8.1].
Рис. 8.27. Вид и разрез дискового вентилятора-увлажнителя (число дисков — 31, толщи-
на диска — 0,03 мм; диаметр диска 230/100м; зазор между дисками — Змм,
Процессы тепло- и массообмена в вентиляторных теплообменниках протекают при
непосредственном контакте воздуха, проходящего через центробежный вентилятор, с по-
даваемой на его колесо водой. При этом вентилятор сохраняет свое основное назначение—
перемещение воздуха. Непосредственное соприкосновение воздуха с водой позволяет
также проводить очистку воздуха от пыли, степень эффективности которой составляет
96—99%. Подача воды на колесо вентилятора производится специальным водораспыли-
тельным устройством во всасывающем отверстии, а на выхлопе вентилятора помещается
устройство для отделения капель воды от воздушного потока.
Высокая эффективность процессов тепло- и массопереноса объясняется тем, что
основная масса подаваемой в вентилятор воды, ударяясь о задний диск колеса, под
действием центробежных сил стремится к его периферии, причем в момент срыва с
диска и лопаток происходит интенсивное дробление пленки воды на отдельные капли
различного размера. Степень дробления определяется окружной скоростью и коэффи-
236
8.9
циентом орошения. Подбирая эти величины можно получить различные условия теп-
ло- и массообмена, необходимые для проведения тех или иных процессов обработки
воздуха или воды, независимо от степени ее предварительного распыления. К таким
процессам относятся: охлаждение воздуха с осушением или увлажнением, изоэнталь-
пийное увлажнение-охлаждение воздуха, охлаждение воды (нагревание воздуха) при
соответствующих сочетаниях температур воздуха и воды, коэффициентов орошения и
окружных скоростей колеса вентилятора.
Обязательным условием надежной работы вентиляторных теплообменников яв-
ляется равномерная подача воды на колесо вентилятора. В любом случае изменяются
аэродинамические характеристики вентилятора: производительность и давление па-
дают, мощность, затрачиваемая на перемещение воздуха, увеличивается (рис. 8.29).
Поэтому использование вентиляторных теплообменников является рациональным в тех
случаях, когда по соображениям экономии площади или удобства размещения можно
пойти на увеличение расхода электроэнергии для привода вентилятора с совмещением
функций перемещения воздуха с его увлажнением, нагреванием (или охлаждением) и
очисткой воздуха (как это обычно и бывает, любое совмещение функций оказывается да-
леко «нс оеснлатным»).
Первые отечественные конструкции вентиляторных увлажнителей были разработа-
ны еще в конце 30-х годов XX века [8.51]. В процессе их совершенствования предложены
разные модификации таких устройств (рис. 8.28, а, б, в), в том числе передвижные для
воздушного душирования рабочих мест, ремонтных работ в печах (последняя конструк-
ция удостоена Государственной премии — автор П.В. Участкин).
В качестве аппарата увлажнения в одной из конструкций использован т.н. дисковый
вентилятор (рис. 8.27). Эффективность увлажнения воздуха в такой конструкции зависит
от относительной скорости между вращающимися смоченными поверхностями дисков и
воздухом, проходящим в радиальном направлении между дисками, зазора между дисками
и коэффициента орошения. При необходимости получить более высокую эффективность
можно уменьшить зазор между дисками или увеличить плотность орошения. Однако от
бытового увлажнителя воздуха обычно не требуется глубокое увлажнение во избежание
высокой влажности в помещении. Авторы отмечают [8.1], что производительность такого
вентилятора (рис. 8,29) мало меняется при подаче воды да диски.
Вода поступает через осевой канал вала и по радиальным ответвлениям попадает на
распылители со всех сторон ротора, где равномерно орошает диски. Капли воды, сбро-
шенные с дисков, прижимаются к обечайке и попадают на каплеотделитель, присоеди-
ненный к выхлопному патрубку вентилятора. Эффективность процесса увлажнения в та-
ком аппарате составляет в среднем 0,80 при коэффициенте орошения//» 0,20-0,25.
Аналогичная конструкция вентиляторного увлажнителя с дисковым колесом исполь-
зована в кондиционере производительностью 800 м3/ч и холодопроизводительностью
2,8 кВт (при tH= 45 °C и фя= 30%) для маневрового тепловоза [8.12].
Разработанный роторный увлажнитель-вентилятор использован в конструкции бы-
тового кондиционера испарительного охлаждения воздуха (рис. 8.30) для климатических
условий жаркого, но сухого климата.
Еще одной разновидностью увлажнителя, использующего большую относительную
скорость воздуха и воды, является конструкция аппарата BTS (рис. 8.31), разработанная в
Ханойском НИИОТ (Вьетнам) и исследованная в МГСУ [8.64]. Особенностью этой конс-
трукции является то, что диспергирование воды в поток воздуха производит вращающаяся
крыльчатая тарелка, приводимая во вращение энергией потока обрабатываемого воздуха.
237
ха и вентиляции
Сотников А. Г.
б— вид вентиляторного теплообменника типа ВТД: 1 — вентилятор; 2 — насос; 3—переходный
патрубок; 4 - каплеуловитель; 5 - душирующий патрубок; 6 - передвижная рама; 7- сборный
ным для
лектор вентилятора; 3 — соединительный патрубок; 4 — переходной патрубок; 5 — каплеуло-
вители; 6 — выход охлажденного воздуха из агрегата; 7 — бак для воды; 8 — фильтр; 9 — насос;
АзНИИТВ (Б.Ю. Данюшевский).
238
Рис. 8.29. Изменение мощности на привод вентилятора-увлажнителя с дисковым коле-
сом и его производительности. Линии N{u Lf — без подачи воды; линии Nir и
Ln — при подаче воды (90 кг/ч); vcp — окружная скорость дисков по среднему
диаметру, м/с.
8.30. План и продольный разрез бы-
тового испарительного кон-
диционера на основе дисково-
го вентилятора-увлажнителя:
1 — корпус; 2 — насос водяной;
3 — электродвигатель мощ-
ностью 20 Вт; 4 — пода-
ча воды от насоса; 5 — вал
ротора; 6 — распылитель;
7 — диски ротора; 8 — слив
воды в рециркуляционный бак;
9 — каплеотделитель; 10 — пер-
форированные перегородки;
11 — опорные лапы; 12 — элек-
тродвигатель вентилятора-
увлажнителя; 13 — клиноремен-
ная передача; 14 — опора сколь-
жения вала ротора; 15 — вход-
ные каналы; 16 — указатель
уровня воды.
239
Рис. 8.31. Разрез роторного увлажнителя ВТ8 с вращающей-
ся крыльчатой тарелкой: 1 — входной патрубок;
2 — крыльчатая тарелка, вращаемая потоком воз-
духа; 3 — трубопровод подачи воды на увлажнение;
4—рабочее пространство аппарата; 5 — каплеотде-
литель: 6— выходной патрубок: 7 — кольцевой поддон;
Экспериментально определенная максимальная эффективность процесса увлажне-
ния в таком аппарате составила Ел = 0,80—0,85 — устанавливается за время 20—30 мин
от момента пуска, диапазон воздухопроизводительности составлял от 5000 до 20000 м3/ч.
Определены конструктивные размеры: диаметр тарелки d = 0,30-0,5 м, отношение пло-
щади центральной глухой части к общей площади — 0,2, количество лопаток — 16, угол их
наклона 25°; для этих условий частота вращения ш = V2(vB/r), где vB — скорость воздуха во
входном патрубке, г — радиус тарелки.
8.9.1 Вентиляторный увлажнитель на водно-солевом растворе. Процессы одновремен-
ного увлажнения и нагревания воздуха можно проводить, используя водносолевые рас-
творы, а также реконцентраторы установок для осушения воздуха [8.25]. В Институте тех-
нической теплофизики АН УССР на основе пылевого вентилятора был разработан и про-
шел промышленную проверку применительно к процессам тепловлажностной обработки
воздуха вентиляторный тепломассообменный аппарат. Для отделения капельной влаги
использован пакет рифленых мипластовых пластин высотой 0,3 м, расположенных под
углом 45" с расстоянием между пластинами 1—2 мм. Рабочее колесо было дополнитель-
но снабжено задним диском, во всасывающем патрубке установлен распределительный
насадок для подачи водного раствора хлористого лития. Установлено, что интенсивность
тепломассообмена в таком аппарате в 2—5 раз выше, чем в оросительных камерах, наса-
дочных или пенных аппаратах.
Исследования процесса тепломассообмена проводили на стенде (рис. 8.32) с исполь-
зованием центробежного вентилятора ЦП7-40 №5.
При пусконаладочных работах подобрали такую скорость в живом сечении сепарато-
ра, при которой в течение длительной работы аппарата концентрация раствора при пос-
тоянном уровне жидкости в поддоне 4 оставалась неизменной. Это означало, что масса
подпитанной воды равна массе испаренной из раствора влаги и унос соли отсутствует.
При данной конструкции сепаратора допустимая скорость воздуха составляла 4...6 м/с.
При небольшой (до 50 °C) разности температур между раствором и воздухом влиянием
диффузионной теплопроводности и термодиффузии пренебрегали. Это, в сочетании с
одинаковым направлением потоков, позволяет ожидать с высокой степенью точности
подобие процессов тепло- и массопереноса. Для однотипных вентиляторных теплооб-
меннике >го типа факторами, влияющими на эффективность процесса, являются:
240
8.10
• теплофизические свойства теплоносителей;
• окружная скорость колеса и (м/с);
. объемная плотность орошения р (кг/м’-с).
Во время опытов измеряли температуры раствора и воздуха (/,, Гя) на входе и выхо-
де, количество испаренной влаги, расходы раствора и воздуха, начальную и конечную
концентрации. Опыты проводили при плотности р = 1,19 кг/м3-с и расходе Ls= 1,17 кг/с.
Температуру раствора изменяли от 50 °C до 80 "С, концентрацию раствора от 35% до 43%.
В другой серии опытов совместно изменяли расходы воздуха и раствора.
В результате опытов и их обработки получены формулы для вычисления объемных
коэффициентов тепло- и массообмена
>4, ’ r
где а(/ и |5, объемные коэффициенты теплообмена и массообмена.
8.10 Пластинчатые пленочные увлажнители воздуха.
8.10.1 Описание конструкции и принципы работы пластинчатого увлажнителя. Такие
камеры с орошаемой насадкой в виде тонких вертикальных пластин (рис. 8.6, в и
рис. 8.33, а) применяют в России и за рубежом как компактный и эффективный увлаж-
нитель воздуха. Основные преимущества пленочных камер - высокие объемные коэф-
фицие) плоотдачи (рис. 8.33, б) и практически полное отсутствие срыва капельной
влаги с орошаемых поверхностей при скорости движения воздуха до 10—12 м/с.
241
в — толщина пластин 2 мм.
Количество орошающей воды зависит от толщины пористого слоя, размера пор,
степени гидрофильности пластин и величины смоченного периметра. Для пластин из
мипласта при толщине слоя ~20 мм толщина пленки составляет 0,1—0,15 мм, а скорость
движения пленки 0,05—0,12 м/с. Она мала по сравнению со скоростью горизонтально-
го движения воздуха и поэтому движение воздуха и воды является двумерным, при этом
волновой режим течения не наблюдается.
Расчеты показывают, что при толщине пластин 1—2 мм и зазоре между пластинами
2 мм объемный коэффициент теплоотдачи достигает аи= 11-15 кВт/(м3-“С). В этих усло-
виях можно создать пленочную камеру длиной 0,75 м при эффективности изоэнтальпий-
242
ного увлажнения Ел = 0,90—0,95; для сравнения - стандартная двухрядная камера ороше-
ния в 2,4 раза длиннее.
В пленочных увлажнителях применяют щелевые насадки, при распылении воды они
обладают наименьшим сопротивлением и в них не наблюдается зависание жидкости под
действием сил поверхностного натяжения. П.Л. Капица считал, что периодически волновой
характер движения является наиболее устойчивым, при этом пленка не разрывается этими
силами. Соответственно плотность орошения насадки должна быть выше величины
где gw — плотность орошения насадки, см3/(с-см); v» Р^— кинематическая вязкость
(стокс) и плотность жидкости (г/см3); а — сила поверхностного натяжения на границе
раздела воды и воздуха (дин/см).
Расчетным путем Л.И. Неймарк [8.59] определила минимальную плотность орошения
для щелевой насадки с шириной канала 12 мм и разной скорости движения воздуха: при
4 м/с - g„= 4,5 кг/(ч-м); при 5 м/с - gw= 29 кг/(ч-м); при 6 м/с - gw= 250 кг/(ч-м).
Стекающая пленка сохраняет свою устойчивость в ламинарном режиме, в турбулент-
ном режиме (£^=300...500 кг/(ч-м) происходит т.н. «захлебывание» и унос капельной вла-
ги. При противотоке или перекрестном токе воды и воздуха последний тормозит пленку
и толщина ее растет с увеличением скорости воздуха. Минимально допустимая и макси-
мальная плотность орошения оказываются одинаковыми в условиях расчета при скорости
воздуха 6,5 м/с. Исследованию гидравлических сопротивлений и массообмена в пленоч-
ной градирне с регулярной насадкой посвящена работа В.П. Алексеева, Э.Д. Пономаревой
и А.В.Дорошенко [8.3]. Смоченность поверхности насадки с вертикальной гофрировкой
волнисто параболической формы при высоте гребня й = 1-5 мм и шаге волны s = 10— 15 мм
была исследована при Re3i=50—1200 в работе [8.42]. В результате экспериментов опреде-
лена корреляционная зависимость для относительной смачиваемой поверхности:
iRe°
Сравнение расчетов, выполненных по предложенной формуле, и результатов экспе-
риментов показало их совпадение в пределах 8...10%. В силу многочисленных геометри-
ческих характеристик применяемой насадки в исследованиях использован метод матема-
тического планирования экспериментов [8.54], резко сокративший количество опытов.
Существующие в настоящее время методы расчета аппаратов, базирующиеся в ос-
новном на анализе экспериментальных данных, полученных при исследовании конк-
ретных конструкций в конкретных условиях, не позволяют с достаточной для практики
степенью точности проводить расчет аппаратов с отличными от имевших место в экспе-
рименте геометрических размеров, прогнозировать технико-экономические показатели
нового оборудования.
По мнению Б.И. Вялого и Г.С. Куликова [8.19], теоретическое исследование процес-
сов тепломассообмена в пленочных камерах должно производиться на основе анализа ре-
зультатов, полученных при решении уравнений сохранения количества движения, массы
и энергии. Это делает возможным наиболее полно установить зависимости между основ-
ными параметрами, определяющими интенсивность процессов тепло- и массообмена,
выявить зоны оптимальной работы отдельных аппаратов и их тепло- и аэродинамическое
совершенство. Такой подход реализован во ВНИИКондиционер на примере пленочной
243
камеры перекрестного типа. Результаты решения соответствующих систем уравнений в
виде зависимости эффективности камеры и интенсивности протекающих в ней процессов
от длины этой камеры и величины зазора между пластинами показаны на рис. 8.33, б, в.
Так, эффективность Е = 0,92 и объемный коэффициент av= 8 кВт/(м3-“С) можно обес-
печить в пленочной камере длиной 1.2 м при толщине пластин 1 мм и зазоре 2 мм.
Приближенная методика расчета процесса увлажнения воздуха в пленочной камере опи-
сана в статье [8.20].
Теоретический подход реализован на пленочной камере конструкции ИТФ АН
УССР и НИИСТ (г. Киев). Она представляла собой систему вертикально расположен-
ных мипластовых листов. На них сверху, как на основании, лежал тонкий слой пенополи-
уретана. Через него происходила подача воды на пластины при перекрестном движении
сред. В турбулентном режиме течения воздуха в межпластинчатых каналах справедлива
зависимость [8.19]:
Nu=ad3Kt//.-(),022Rc"s. (8.36, а)
При ламинарном режиме течения воздуха и постоянной его энтальпии можно ис-
пользовать зависимости на рис. 8.33, б, в.
Наряду с традиционной неподвижной пластинчатой известны конструкции пленоч-
ных аппаратов контактного типа с неорошаемой вращающейся насадкой [8.39] (см. ранее,
рис. 8.25, б). При вращении дисков такого аппарата последние соприкасаются с водой
или жидким сорбентом и покрываются тонкой пленкой жидкости. Допустимая скорость
воздуха в живом сечении такого аппарата в два-три раза больше, чем в противоточных
аппаратах с орошаемой насадкой, в которых происходит отрыв и унос жидкой пленки. Во
вращающемся колесе имеет место сложное относительное движение сред, более близкое
к противоточному. Удельная площадь пленки жидкости в таком аппарате по данным авто-
ров составила '2-Ю3 м2/м3 объема, коэффициент живого сечения — 0,8, объемные коэф-
фициенты тепло- и массообмена оказались весьма высокими и составили соответственно
100—120 кВт/(м3-°С) и $е= 6,7 г/(м3-скПа) при аэродинамическом сопротивлении
А/>= 15 Па и массовой скорости воздуха (ур)ис= 6 кг/(мгс).
Дальнейшие резервы улучшения теплоаэродинамических характеристик пленочных
камер заключены в возможности увеличения коэффициента теплоотдачи путем интен-
сификации процессов тепло- и массообмена в зазоре между орошаемыми пластинами.
Как показали данные, полученные при сухом теплообмене, интенсификация возмож-
на за счет изменения формы канала (гофрировки пластин) или разрыва нарастающего
теплового пограничного слоя, что достигается применением составных по длине канала
пластин, отстоящих друг от друга на расстоянии 3—4 мм.
Известна конструкция роторного пластинчатого тепломассообменника (РПТМ —
см. рис. 8.25, б, п. 8.8), используемого в режиме как изоэнтальпийного увлажнения возду-
ха, так и для политропных процессов [8.80,8.81].
Пленочные контактные аппараты могут быть использованы как теплообменни-
ки — утилизаторы теплоты уходящего воздуха [8.63]. Промежуточным теплоносителем
в такой схеме может быть раствор хлористого лития высокой концентрации, имеющий
низкую температуру замерзания. В теплообменных аппаратах такого теплоутилизатора
происходит перенос как явной, так и скрытой теплоты, что повышает эффективность ис-
пользования данной схемы по сравнению с другими. В процессе работы такой установки
(рис. 8.34) воздух, удаляемый из помещения вентилятором 2, поступает в контактный
теплообменник /, где отдает теплоту и влагу циркулирующему раствору, после чего вы-
244
брасывается в атмосферу. Нагретый и обогащенный водой раствор подается насосом 8 в
теплообменник 6. Там он отдает теплоту и влагу поступающему наружному воздуху, пред-
варительно очищенному от пыли фильтром 7. При необходимости приточный воздух дог-
ревается во вторичном аппарате 4 и увлажняется в аппарате 5. После такой обработки
приточный воздух вентилятором 3 подается в помещение. Как и в других теплоутилиза-
торах с промежуточным теплоносителем, общая эффективность такого аппарата-тепло-
утилизатора зависит от соотношения водяных эквивалентов теплообменивающихся сред
и числа единиц переноса NTU(см ранее рис. 7.7).
Рис. 8.34. Принципиальная схема утилизации теплоты с применением контактных пле-
лития: 1, 6 - контактные теплообменники; 2,3- вентиляторные установки;
4 — вторичный нагреватель; 5— увлажнитель; 7 — воздушный фильтр; 8 — насос.
Следует заметить, что эффективность такого утилизатора значительно выше, чем ана-
логичных, использующих поверхностные аппараты. Наибольшая эффективность дости-
гается при равных расходах наружного и уходящего воздуха, чему соответствует NTU=l,
и может быть равной 0„=О,7О...О,85. Более подробно режимы использования контактных
аппаратов в утилизаторах описаны в гл. 7 (рис. 7.4, а, б, в, рис. 7.6).
8.10.2 Гидродинамика течения жидкости в пленочном щелевом увлажнителе.
Теоретическим и экспериментальным изучением вопросов гидродинамики пленок жид-
кости (далее — пленок), движущихся в слоях тонкой насадки при воздействии газовых
потоков, занимались многие исследователи. Впервые выражение для толщины стекаю-
щей по стенкам трубы пленки при отсутствии или малой скорости газового потока теоре-
тически выведено Нусселыом. Впоследствии было установлено, что формула Нуссельта
справедлива только для ламинарного режима. Изучением различных аспектов этой про-
блемы занимались Н.М. Жаворонков, П.Л. Капица, Б.И. Конобеев, П.А. Семенов и ряд
других отечественных и зарубежных ученых.
Вывод, который следует сделать из анализа работ, посвященных данному вопросу, за-
ключается в том, что ввиду сложности происходящих явлений нельзя использовать ана-
литические методы в целях получения зависимостей д ля оценки аэрогидродинамических
характеристик и расчета процесса переноса орошаемой насадки. В результате исследо-
ваний (Е.В. Стефанов, Ф.А. Набиуллин) удалось установить основные закономерности
245
движения воды и воздуха в слое орошаемой насадки, необходимые для разработки мето-
дики расчета тепло- и массообмена в аппаратах противоточного типа. Характер движения
воды и воздуха в слое насадки зависит от соотношения скоростей той и другой среды и
резко меняется при переходе с одного режима на другой.
Исследование гидродинамических характеристик гравитационно стекающей пленки
воды необходимо для получения данных [8.65], на основании которых можно аргумен-
тированно определять основные размеры пленочных тепломассообменных аппаратов.
Такое исследование позволяет установить в каждом конкретном случае области опти-
мальных нагрузок по воде и воздуху, гидравлическое и аэродинамическое сопротивление
аппарата и ряд других параметров.
• режим течения пленки;
• средняя толщина пленки и среднее время пребывания жидкости в пленочном наса-
дочном аппарате;
• профиль волновой поверхности и основные параметры волн;
• минимальное время пребывания частиц жидкости в пленочных аппаратах;
• перемешивание частиц жидкости в стекающей пленке;
• смачиваемость материалов насадки и минимальная плотность орошения.
Режимы течения пленки в пленочном аппарате могут быть разными в зависимости от
плотности орошения и скорости воздуха. Ламинарный безволновой режим реализуется при
небольших плотностях орошения, а его верхний предел определяется условием:
>сти характеризуют:
Rew=4Gwpw!P\>.w<V2, (8.37)
где Gw — секундный объемный расход воды, м3/с; р„, — плотность воды, кг/м3;
Р — смоченный периметр канала или насадки в целом, м; nw — динамическая вязкость
воды д„ = 13-Ю-4 кг-с/м2 (при /„,=10 °C).
Нижний предел данного режима течения определяется условиями устойчивости
пленки. Когда поверхность насадки хорошо смачивается жидкостью и ее расход настоль-
ко мал, что толщина пленки соизмерима с размерами неровностей стенок канала, на-
блюдается капиллярно-гидродинамический режим течения жидкости, определяемый
главным образом капиллярными силами. С увеличением скорости стекания пленки на ее
поверхности появляются волны. Характер волн зависит от скорости стекания жидкости,
а также от ее физико-химических свойств (плотности, вязкости и др.). Для малых расхо-
дов характерен режим течения с «длинными» гравитационными волнами, причем д лина вол-
ны уменьшается с возрастанием скорости стекания пленки. Этот режим течения пленки
называют первым ламинарным волновым:
где поверхностное натяжение жидкости (воды) а „,=72,7 • 10-3 н/м=7,3 • 10’ кг/м.
Длину волны, отвечающую верхней границе этого режима, определяют из приближенной
зависимости
Наступление второго ламинарного волнового режима течения фиксируют по появле-
нию на поверхности пленки «коротких» волн. Параметры волнообразования связаны уже
не с гравитационными, а с капиллярными силами. При этом в пленке возникает частич-
ное поперечное перемешивание. Границы режима соответствуют условию:
246
,< Re =1200 ±200,
Дальнейшее увеличение расхода воды приводит к развитию в пленке поперечного
перемешивания. Поперечные флуктуации вектора средней скорости становятся систе-
матическим явлением. Волнообразование па поверхности пленки приобретает все более
систематический характер. Эту область течения при Ref> -12.00- -2400 называют областью
развитом турбулентности. Она характеризуется переходом от ламинарного к турбулентно-
му профилю средней скорости в пленке. Начало турбулентного режима течения пленки
воды реализуется при Re(I. = 2400. Переход к этому режиму характеризуется резким уве-
личением доли поперечного конвективного переноса вещества.
Средняя толщина пленки 8 и среднее время пребывания жидкости т — важнейшие
характеристики пленочного течения - связаны между собой соотношением:
x=hlV<1,=4hdpwlpw-B.ew. (8.41)
Для гравитационного безволнового стекания среднюю толщину пленки можно опре-
делить как:
8 = 0,919Re^
(8.43)
величина, имеющая размерность длины и называемая приведенной толщиной плен-
ки. Приведем пример определения гидродинамических характеристик течения воды в ти-
повом пленочном увлажнителе.
Пример 8.5. Определить гидродинамические характеристики течения воды в
пленочномувлажнителеразмерами пластины l.2(h)e. 1,5*0,01мпри Ут=0,018м3,
цессепри tv I0°C(pw= 13-КУн-с/м2, <зп,= 73- 1(Ун/м, \’И,- 1,3- 1()‘м/с).
Смоченный периметр Р ~ F/h — 3,6/1,2 ~3м.
Число Рейнольдса Re„.= 4Gw/Ppw — 4-36/(3600-3-13-10 4) = 10,2, что соответс-
твует близости к верхней границе ламинарного безволнового режима течения.
Толщина пленки:
-174 мкм.
8.10.3 Особенности обработки воздуха в насадке с периодически орошаемыми канала-
ми. Ниже описаны результаты исследования аппарата в виде насадки цилиндрической
формы с противоточным движением воздуха и воды и периодически орошаемыми ка-
налами малого сечения [8.34, 8.14]. Исследованная насадка имела вертикальные каналы
с d =3,9 мм, образованные системой чередующихся плоских и гофрированных выпол-
ненных из алюминиевой фольги листов, с высотой последних 0.21 м. Указанная насадка
247
периодически орошалась при вращении перфорированной орошающей трубы с частотой
от 1 до 23 мин Продолжительность пребывания некоторого малого объема воды в виде
пленки на поверхности идентичных каналов характеризовалась частотой их орошения.
При малой плотности орошения (2,1...7,4)1(М, кг/м-с пленка воды имела очень малую
толщину, поэтому тепло- массообменную поверхность и живое сечение орошаемой на-
садки принимали как у сухой. В опытах исследовали зависимость коэффициента тепло-
отдачи, степени нагрева воды и тепловлажностного отношения процесса обработки воз-
духа от частоты орошения каналов, плотности орошения при массовой скорости воздуха
2,12кг/м2-с (рис. 8.35, 8.36).
воздуха водой в на-
' от частоты оро-
На графиках цифра / соответствует режиму, когда коэффициент теплоотдачи зависит
от частоты орошения; цифра II соответствует режиму, когда коэффициент теплоотдачи не
зависит от частоты орошения.
Основной вывод, который можно сделать из анализа приводимых зависимостей,
заключается в том, что коэффициент теплоотдачи, перепад температур по воде и тепло-
влажностное отношение политропного процесса увлажнения-охлаждения воздуха зави-
сят от сочетания частоты орошения насадки и плотности орошения. Этой зависимости
248
соответствует зона I на рис. 8.35, а, рис. 8.36, а и б. При более высоких частотах эта зави-
симость не наблюдается (зона II) и режим становится автомодельным. Более подробно с
результатами исследований можно ознакомиться в упомянутых статьях.
8.10.4 Применение пластинчатых и насадочных аппаратов в политропических режимах
обработки воздуха. Предварительный выбор перспективных конструкций насадок для
политропических режимов можно производить путем сравнения уровней относительных
удельных показателей контактных аппаратов. Наиболее высокие показатели, по данным
ВНИИКондиционер [8.21], соответствовали аппарату с насадкой из косогофрированных
пластин Френкеля. При относительно больших плотностях орошения, которые харак-
терны для контактных аппаратов СКВ в политропических режимах, тепломассообменная
и гидродинамическая обстановка в каналах насадок существенно отличается от изоэн-
тальпийного увлажнения. Задача определения перспективной области конструктивных
параметров насадок (угол перекрещивания гофр соседних пластин, шаг гофр, амплитуда
гофр и др.) в этом случае усложняется.
Учитывая многообразие влияющих факторов, целесообразно проводить исследова-
ние характеристик насадок регулярной структуры в политропических режимах с исполь-
249
зованием методов математического моделирования. Систему пластин, по которым стека-
ет жидкость, можно заменить системой синхронно движущихся капель разных диаметров
при противоточной схеме движения сред. В этих условиях с учетом линейной апрокси-
мации кривой насыщения в диапазоне температур ГВ=1О...4О °C с угловым коэффици-
ентом b=dtw/div/, определенным для середины интервала, при соблюдении соотношения
Льюиса, получено дифференциальное уравнение тепломассообмена на площади dF эле-
мента поверхности обмена:
к’
где iw— энтальпия насыщенного воздуха у поверхности жидкости; iB - энтальпия возду-
ха в ядре потока; \|Л' = cwbG'w I G'B = cw b p'- приведенный коэффициент орошения; G’w и G'B -
расходы воды и воздуха, соответствующие капле диаметром Интегрирование уравнения
(8.44) для всей совокупности капель с учетом граничных условий позволяет получить сред-
неинтегральное значение приведенного коэффициента энтальпийной эффективности аг
Полученные результаты были сопоставлены с данными эксперимента, проведенного при
реальных условиях орошения поверхности пластин. В экспериментах начальная темпера-
тура воды изменялась в пределах 25...40 °C, начальная температура воздуха — в пределах
9...14'С. В экспериментах использовали плоскощелевую насадку из мипласта и насадку из
косогофрированных пластин. Результаты определения коэффициента
вычисленного при a = 0,002 кг/кДж; р = —0,01 кг/кДж; 4- = 100 кДж/кг, представлены
на рис. 8.37 в зависимости от плотности орошенияgw= G^JF^ (кг/м2 • с) и массовой ско-
рости воздуха во фро: гии GB/Ftp (кг/м2 с).
Исследования процесса нагревания-увлажнения воздуха водой с начальной темпе-
ратурой Сг/—30...40 °C в противоточном насадочном аппарате, в котором поверхность
контакта образована чередованием плоских и гофрированных листов алюминия с харак-
теристиками: высота пакета /г 2100 мм, шаг рифа 9,7 мм, высота рифа 6 мм, эквивален-
тный диаметр треугольного канала d =4,5 мм, удельной поверхностью насадки 860 м2/м3
выполнено В.П. Алексеевым, Э.Д. Пономаревой и А.В. Дорошенко (ОТИХПП) [8.3].
Результатом исследований явились обобщенные зависимости коэффициента эффектив-
ности охлаждения воды Ew = (/^ - trR)l(tWa - t„ л) от коэффициента орошения /л = Gw/Gls и
удельного расхода — 10...30 м3/(м2- ч). Эти зависимости приведены на гра-
фике рис. 8 .38. С увеличением расхода воздуха G., при неизменном расходе воды коэф-
фициент орошения « убыв: :корость относительного движения воздуха
и пленки стекающей воды, последняя тормозится, в пределе происходит т.н. захлебыва-
ние аппарата, при этом эффективн я воды растет, а температура воды tw
приближается к температуре воздуха по мокрому термометру Гя ч. Авторами предложена
обобщенная формула для инженерных расчетов процессов нагревания-увлажнения воз-
духа в апаратах с насадкой данного типа:
(8.46)
250
251
8.11 Бесфорсуночный увлажнитель воздуха
Традиционные формы увлажнения воздуха, применявшиеся прежде и в настоящее
время в технике кондиционирования, такие как камеры орошения, насадочные аппара-
ты, паровые увлажнители и др., не удается использовать для комнатных подвесных аппа-
ратов, к которым относят и воздушные отопительные агрегаты. Их используют для воз-
душного отопления помещений промышленных зданий с одновременным увлажнением
обрабатываемого воздуха [8.88 — 8.90].
Бесфорсуночные увлажнители обеспечивают испарение воды в воздух с открытой по-
догреваемой поверхности. Такое решение — наиболее приемлемый способ увлажнения
воздуха в отопительных агрегатах в силу своей простоты, малых энергетических затрат и
незначительного попадания солей в обраб зоздух. Однако такое увлажнение
имеет сравнительно низкую интенсивность испарения, что требует увеличения поверх-
ности зеркала ванны. Для повышения этой интенсивности используют принудительную
подачу воздуха частично нормально к водной поверхности, частично вдоль. Установлено,
что уровень воды не оказывает заметного влияния на интенсивность испарения, если
тепломассообмен происходит на начальном участке струи. Известны конструкции про-
стейших бытовых увлажнителен, имеющих форму ванночки с водой, позволяющую раз-
мещать их над нагревательным прибором системы отопления.
Наибольшее применение такой принцип увлажнения получил в воздушно-отопи-
тельных агрегатах (рис. 8.39), где воздушный поток поступает нормально к поверхности
испарения.
Это достигается использованием аэродинамического сопротивления воздухонагре-
вателя для пропуска части воздуха через увлажнительную ванну, расположенную под кор-
пусом устройства. Предусматривают два режима работы такого увлажнительного агрегата:
низкотемпературный (до 60 °C), когда в теплообменник подается обратная вода после на-
гревателя, и высокотемпературный (до 80 °C) пои подмешивании к обратной воде подаю-
252
Бесфорсуночный увлажнитель воздуха
щей. В первом случае увлажнение воздуха составляет 3 г/кг сухого воздуха, а во втором —
до 5,5 г/кг. Обеспечивая достаточно высокое увлажнение, эти устройства не требуют на-
соса, установки сепараторов, обладают повышенной устойчивостью к засорению и засо-
лению, имеют низкое аэродинамическое сопротивление. В днище отопительного агрегата
перед вентилятором и после него образованы щели. Часть воздушного потока по нормали
к водной поверхности поступает в нагнетательную щель, расположенную за вентилятором.
Пройдя через ванну, эта часть воздуха выходит через всасывающую щель, расположенную
перед вентилятором, и смешивается в вентиляторе с основным потоком, затем воздух идет
в нагреватель. Таким образом, вход и выход воздушного потока организован и упорядочен.
Испарение с поверхности зеркала воды такого бесфорсуночного увлажнителя опре-
деляют по эмпирической зависимости [8.89]:
где р - коэффициент массообмена; d3 - эквивалентный диаметр ванны: d =4l b/(l+b)\
D — коэффциент диффузии, м2/с; Re — критерий Рейнольдса: Re=vrf /v; v - скорость
воздуха, м/с; v — коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; S=v/D — крите-
рий Шмидта; Тв/Тт — температурный критерий. При расчетах по формуле (8.47) нужно
учитывать, что исследования проводили на увлажнительной ванне с размером зеркала
750 х 500 мм и высотой воздушного пространства 120-150 мм при температуре воды
50...60 °C и скорости воздуха во входном окне высотой 40—100 мм от 4,3 до 18 м/с.
ВНИИКондиционер (И.Р. Щекин, Н.В. Наришный, А.В. Степанов) [8.88-8.90] пред-
ложил методику определения расхода воздуха в таком увлажнителе (рис. 8.40), проходя-
щего через увлажнительную ванну LB, в зависимости от начальных температур воды Т и
воздуха tB, определяющего размера ванны I = ь/f и комплекса А, учитывающего площадь
зеркала ванны F, производительность вентилятора £ир, влагосодержание насыщенного
воздуха при t*, влагосодержание наружного dH и приточного dnf воздуха:
1п=4000м/ч,
-800м3/ч.
253
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Испарение подогретой в поддоне воды происходит при температурах /„,-30-90 °C, в
качестве теплоносителя используют воду, предварительно охлажденную в нагревателе 6
По результатам исследования такого вида увлажнителей П.Ю.Акменс [8.2] отмечает
такие особенности аппарата по сравнению с непосредственной подачей пара:
. невозможность попадания в увлажняемый воздух находящихся в воде минеральных
солей и частиц;
• увлажнитель не может стать инкубатором бактерий и микроорганизмов*;
• отсутствие неприятного запаха, присущего технологическому пару;
• отсутствие шума, как при выпуске пара;
• компактность конструкции, объединяющей в себе генератор и распределитель пара.
8.12 Терморадиационный увлажнитель воздуха
Такие увлажнители разработаны и исследованы в ЦНИИПромзданий совместно
с СКТБ «Кондиционер» (рис. 8.6, и) для отечественных автономных кондиционеров
КТА и КПА, а их технические характеристики представлены в виде ряда (см. табл. 8.3).
Терморадиационные увлажнители не генерируют капельной влаги, обладают малой теп-
ловой инерцией, удобством очистки от накипи, высоким КПД, отсутствием частичек
солей в паре, а также компактностью размещения в кондиционере, которая обеспечена
преимуществами выбранного источника излучения. Высокий коэффициент полезного
действия увлажнителей получен благодаря рациональному конструктивному оформле-
нию аппарата.
Таблица 8.3. Таблица технических характеристик терморадиационных увлажнителей
воздуха для автономных кондиционеров КТА и КПА
Характеристики увлажнителя Ряд терморадиационных увлажнителей
УТ-2 УТ-3 УЕ-4А УТ-6 УТ-9
Производительность, кг/ч 2,2 3,3 4,4 6,6 10
Потребляемая электрическая мощность, кВт з 6 9
Расход электроэнергии на 1 кг пара, кВт'ч/кг 0,91 0,9 0,91 0,91 0,9
кпд 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
Габаритные размеры, мм: длина 520 520 520 520 520
ширина 155 195 155 195 195
высота 184 184 294 294 404
Масса (без воды), кг 2,7 3,5 4,2 6,4 7,3
Кварцевые инфракрасные лампы типа КГ-220-1000, использованные в увлажнителях
в качестве источника излучения, создают стабильный лучистый тепловой поток в течение
всего срока службы, имеют высокую механическую прочность и стойкость по отношению
к воздействию воды и агрессивных сред, выдерживают тепловой удар, длительное
254
время могут работать с перегрузкой. Форма ламп в виде кварцевой трубки диаметром
12 мм и длиной 370 мм дает возможность объединения их в компактные блоки, что позво-
ляет создавать равномерное облучение поверхности испарения высокой плотности.
Были разработаны конструкции унифицированных элементов, состоящих из двух-
трех ламп. При расположении этих элементов в вертикальной батарее терморадиаци-
онные увлажнители (УТ) удачно вписываются в боковые пространства вентиляторных
отсеков автономных кондиционеров. При этом в аппарате наиболее полно используется
подведенная энергия с КПД=0,80. Конструкция аппарата защищена авторским свиде-
тельством № 580413.
Такие же увлажнители, называемые еще инфракрасными, применяются фирмой
Liebert для увлажнения воздуха в прецизионных автономных кондиционерах. Испарение
воды с поверхности обеспечивается кварцевыми лампами, расположенными над поддо-
ном, который изготовлен из нержавеющей стали и имеет автоматическую подачу воды.
Переходный процесс увлажнения очень короток: уже после 5-6 с от момента включе-
ния таких ламп вода начинает испаряться, обеспечивая увлажнение наружного возду-
ха. Предприятие-производитель предлагает увлажнители на 5 и 10 кг/ч влаги, при этом
удельный расход электроэнергии значителен и составляет ~ 1 кВт-ч/кг пара.
8.13 Ультразвуковой увлажнитель воздуха
Эти аппараты производят увлажнение воздуха водой, распыленной до состояния
тумана, близкого по составу к природному, — дисперсность менее 0,02 мкм. Он хорошо
транспортируется по воздуховодам и полностью поглощается воздухом. Получение столь
мелких водяных капель традиционными средствами (форсунки, дисковые распылители)
конструктивно сложно и энергоемко, поэтому в кондиционировании практически не
применяется. Наиболее дешевым генератором капель малых размеров является устройс-
тво, работающее на эффекте распыления воды в ультразвуковом фонтане (рис. 8.41, а).
Принцип использования фонтана объясняют двойственной кавитационно-волновой
природой. Ультразвуковая кавитация — это эффект образования и взрывоподобного за-
хлопывания в воде мелкодисперсных парогазовых пузырьков, соизмеримых с каплями
получаемого аэрозоля размером 10 2 мкм. Кавитация создает мощные вторичные силы,
производящие мелкодисперсное распыление воды с высоким КПД. Широко известно
вредное проявление кавитации, приводящее к разрушению рабочих поверхностей греб-
ных винтов кораблей. При таком способе увлажнения чрезвычайно развивается поверх-
ность воды, превращающейся в туман. Например, если раздробить кубик воды со сторо-
ной 1 см на частички размером 1 мкм, то кубик разделится на 1012 частиц, а площадь этих
частиц составит 6 м2. Для сравнения - грамм капелек тумана может иметь поверхность в
I несколько сотен квадратных метров. Представление об устройстве автономного ультра-
звукового увлажнителя воздуха можно получить из рис. 8.41, б.
Сравнительные характеристики дисперсности распыляемых водных сред и плотности
распределения капель в ультразвуковом фонтане по данным [8.85] показаны на рис. 8.42.
Г Эксперименты проводили с использованием спектрометра, позволяющего бесконтак-
тно определять концентрацию, число капель и их счетное распределение диаметром более
0,2 мкм. Измерения показали, что туман на выходе увлажнителя имеет концентрацию око-
ло 5 г/м3 и состоит из капель диаметром от 0,2 до 15 мкм. Различие в границах наименьших
диаметров капель - соответственно 0,2 и 0,002 мкм (линии 5 и бИа рис. 8.42) объясняется
ограниченными техническими возможностями бесконтактного способа измерений.
255
Рис. 8.41, а — принципиальная схема модуля ультразвукового увлажнителя, подключенно-
го к воздушному каналу: 1 — регулятор уровня воды; 2 — корпус; 3 — генератор
колебаний высокой частоты; 4 — шнур питания; 5 — излучатель ультразвука,
б — разрез автономного ультразвукового увлажнителя воздуха. Обозначения::
1 — пластмассовый корпус; 2 — сосуд объемом 5 л с периодически пополняе-
мым запасом чистой воды; 3 — блок управления; 4 — всасывающая решетка с
фильтром; 5 — датчик относительной влажности воздуха; 6 — вентилятор;
7 — генератор токов высокой частоты (ок. 1, 7 МГц); 8 — пьезокерамический
излучатель — вибратор ультразвука; 9 — поддон; 10 — ультразвуковой фонтан
высотой 10-12 см; 11- поворотный патрубок.
плотность распределения капель в уль-
тразвуковом фонтане по обобщенным
скопления (кластеры); 2
сунок камер орошения кондиционеров;
фонтане, по данным [8.85] и обобщенным
данным из литературы по использованию
Этой же причиной объясняется несовпадение баланса по массе испаренной влаги,
замеренной разными способами. Бимодальное распределение плотности числа капель
(рис. 8.42) вполне согласуется с отмеченной двойственной природой эффекта распыле-
ния воды в ультразвуковом фонтане.
Пьезокерамический излучатель акустических колебаний частотой порядка 2 МГц, по-
лучающий питание от генератора тока высокой частоты, ориентирован на излучение ко-
лебаний через слой воды вертикально вверх. При достаточной мощности колебаний над
поверхностью воды образуется подвижный столб высотой 0,1-0,15 м, называемый уль-
256
8.13
тразвуковым фонтаном (рис. 8.42). От него активно отделяются капли, образующие очень
плотный туман. Водность (удельная масса) тумана может превышать наблюдаемую в при-
роде в 10—100 раз. Над поверхностью излучателя ультразвука образуется и поддерживает-
ся слой воды толщиной в несколько сантиметров, а над ним — фонтан. Образовавшийся
аэрозоль поступает в поток обрабатываемого воздуха.
Основными техническими особенностями ультразвукового увлажнителя являются:
• независимость начальной дисперсности тумана от температуры распыляемой воды;
• бесшумность работы, очень малая инерционность;
• высокая точность дозирования количества влаги, подаваемой в воздух;
• модульная конструкция, производительность модуля (0,5—2,0)-10 4 кг/с;
• тепловлажностное отношение процесса увлажнения может изменяться в пределах
200...2000 кДж/кг;
• удельный расход электроэнергии составляет 0,1—0,2 кВт-ч/кг;
• возможность использования аппарата в помещениях, где не допускается применение
традиционных увлажнителей распылительного типа, например в залах с ЭВМ.
Экспериментальные исследования тепловлажностной обработки воздуха на основе
ультразвукового увлажнителя выполнены Ю.В.Мальгиным [8.45-8.48, 8.85]. Всесторонним
анализом десятков факторов, влияющих на процесс увлажнения, удалось их ранжировать
и выделить пять наиболее весомых: tH — начальную температуру воздуха; dH — начальное
влагосодержание воздуха; tW/i - температуру распыляемой воды; U — мощность акустичес-
ких колебаний излучателя, ВА; 6), — расход обрабатываемого воздуха; - изменение вла-
госодержания воздуха. Процесс увлажнения изучали в широком диапазоне этих величин:
tH = 7...4ГС; dH= 3,5 ..13 г/кг; = 17...90 ’С; U- 7...54 ва; GB= (%4..А,ЗУ10гг кг/с;
Результаты исследований обобщены в виде зависимости массы испаренной воды от излуча-
емой мощности Na температуры воды Gw=GBbd=f (и, N, и представлены на рис. 8.43.
257
Акустическую мощность Uопределяли косвенно для каждой конкретной серии заме-
ров на основе синтеза известных данных по физике распыления воды в ультразвуковом
фонтане, акустике, электронике, а также имеющемуся экспериментальному материалу.
На дополнительной оси графика рис. 8.43 нанесена мощность N, потребляемая из элек-
тросети ультразвуковым генератором. Проведенные серии опытов показали, что при из-
менении сочетания указанных факторов тепловлажностное отношение процесса увлаж-
нения-охлаждения воздуха можно изменять от 400 до 3000 кДж/кг. Процесс увлажнения
может быть остановлен при управлении акустической мощностью, возможна и подача
воздуха в помещение в состоянии тумана.
Теплоэнергетический расчет и анализ процесса ультразвукового увлажнения воздуха
удобно проводить по номограмме рис. 8.44. На ней, в частности, имеются данные для опре-
деления потока явной теплоты, которую при контакте с распыляемой водой отдает воздух.
Рис. 8.44. Номограмма [8.49] для теплоэнергетического расчета ультразвукового увлаж-
нителя воздуха. Обозначения: t„ - начальная температура воздуха, ‘С;
1^н - начальная температура воды, X;N—мощность ультразвукового увлаж-
нителя, Вт; Gyui — производительность увлажнителя, кг/с; Qm — явная тепло-
КЛЮЧ: При tH—25 ’С, = 23 °C и GytA= 210~3 кг/с по номограмме находим
=—8-КУ2 кВт, мощность увлажнителя N= 7,5Вт, удельная мощность, рас-
духа. Этим условиям соответствует тепловлажностное отношение про-
= +'л=~8' 10~2/2 ’ 10~s+2500 = -1500 кДж/кг.
Ответ по такой номограмме находят простым наложением линейки по точкам 1 и 3
(номограмма с одним выравниванием). После нанесения на сетку дополнительного би-
нарного поля аппроксимирующих кривых равной влагопроизводительности модуля УУВ
эту номограмму используют для решения одним выравниванием системы уравнений,
связывающих пять величин (t„, ty , G^, Qm, nN), характеризующих процесс ультра-
звукового увлажнения. Очевидна значительная емкость смысловой и числовой инфор-
258
мации, заключенной в номограмме, позволяющей анализировать множество решений
систем уравнении, связывающих начальные и конечные параметры сред и технические
характеристики такого увлажнителя.
Ультразвуковой увлажнитель можно использовать как автономный увлажнитель мес-
тного кондиционера и как доводчик по влажности центральной СКВ.
Рассмотрим системы ультразвукового увлажнения на примере Stub. ultrasonic. По сво-
ей производительности и техническим характеристикам они могут быть использованы
как в административных и чистых помещениях, так и производственных, где определен-
ная влажность воздуха по технологии необходима для производства и хранения сырья,
изделий и продукции. Такая система состоит из собственно увлажнителя и оборудования
для подготовки воды (ее обессоливания).
Ультразвуковые колебания (волны) возникают в результате перепада давлений.
Пьезоэлектрический преобразователь превращает электронные колебания в механи-
ческие. На поверхности этого генератора возникают такие частоты, что вода отвечает на
них периодическим сжатием и разряжением. При помощи фокусировки направления
волн вблизи поверхности образуются перекрестные волны, на пересечении которых они
разбиваются, образуя тонкодисперсный туман со средним размером частиц 1 мкм, кото-
рый подхватывает воздушный поток.
Основные преимущества таких увлажнителей:
• потребление электроэнергии в 12-14 раз меньше, чем при электрическом (паровом)
увлажнении;
• практически отсутствует инерционность процесса увлажнения;
• кроме увлажнения происходит некоторое охлаждение воздуха;
• практически отсутствуют потери воды;
• возможны разные способы управления процессом увлажнения (релейное, ступенча-
тое и пропорциональное);
• длительный срок эксплуатации за счет использования высококачественных матери-
алов (стали и пластмасс).
Модификации ультразвуковых увлажнителей предполагают их размещение в кон-
диционерах (тип ENS), непосредственно в помещениях (тип BNB), имеется также уни-
версальная модель (тип SCA) со встроенным вентилятором и аэрозольным распределе-
нием с регулировкой направления. Компактный увлажнитель типа FN предназначен
для местных кондиционеров и вентиляторных доводчиков, к которым он присоединя-
ется гибким патрубком.
Система увлажнения воздуха работает на воде, не содержащей солей, которые удаля-
ют из нее в специальной установке. Для этого используют эффективные патроны деми-
Hepaj ; добавлением катионов и анионов или специальные реверсивные осмоти-
ческие установки.
Внешний вид ультразвуковых увлажнителей ENS для размещения внутри секций
кондиционера или в приточном воздуховоде показан на рис. 8.45. Диапазон их паропро-
изводительности от 1,2 кг/ч до 18,3 кг/ч, потребление энергии -0,05 кВт-ч/кг пара.
259
8.14 Система пневмоувлажнения воздуха
Такая система (рис. 8.46) основана на применении специальных форсунок, к ко-
торым одновременно подается вода и сжатый воздух при давлении 300—1000 кПа и
700—1000 кПа соответственно.
фирмы Airfog.
В режиме ожидания, когда нет необходимости в увлажнении воздуха, включен толь-
ко блок питания. При понижении в помещении влажности ниже заданной величины
срабатывает гигростат, замыкая цепь управления соленоидным клапаном на линии сжа-
того воздуха. При этом воздух проходит через рециркуляционный клапан к главному воз-
душному клапану, который открывает ему путь к форсункам, и одновременно открывает
главный водяной клапан - вода также поступает к форсункам. Там она смешивается с
воздухом и распыляется, выходя из отверстий с очень большой скоростью, так что пре-
вращается в мельчайший аэрозоль. Увлажнение продолжается до тех пор, пока в помеще-
нии не будет достигнута требуемая влажность. В этом случае одновременно закрываются
соленоидный клапан, главный воздушный и главный водяной клапаны, сливной клапан
открывается и вода удаляется из системы.
Максимальная производительность увлажнения зависит от давления распыляемого
воздуха (рис. 8.47), его минимальное значение 250 кПа.
260
д«,л/(ч-форс)
s'
Р-10’2, кПа
8.15 Пенный (барботажный) увлажнитель воздуха
Эти аппараты имеют несколько разновидностей (рис. 8.48), во всех случаях весьма
компактны, занимают мало места, но требуют больших затрат энергии на образование
и поддержание вспененного слоя. В пенном аппарате полочного типа (рис. 8.48, а) пена
образуется в виде высокого слоя над поверхностью сетки с мелкими отверстиями, через
которые снизу вверх движется обрабатываемый воздух. После увлажнения и отделения
капельной влаги обработанный воздух поступает в помещение.
В циклонно-пенном аппарате (рис. 8.48, б) образование водо-воздушной эмуль-
сии (пены) достигается при подаче в реактивную камеру закрученного (вращающе-
гося) потока воздуха, движущегося со скоростью до 20 м/с. Этот поток поднимает
воду, некоторое количество которой постоянно находится в нижней части аппара-
та. Образующаяся водо-воздушная эмульсия спиралеобразно движется снизу вверх.
Высота слоя пены в таком аппарате может достигать 600 мм. Закручивание воздушно-
го потока происходит в специальном входном элементе, называемом улиткой. Иода с
температурой, зависящей от требуемой обработки воздуха (изоэнтальпийное увлаж-
нение, охлаждение-осушение и др.) распыляется форсунками в реактивной камере.
Скорость движения воздуха здесь достигает 5-6 м/с. В верхней части аппарата распо-
ложена вторая улитка, в которой водо-воздушный поток вращается в противополож-
ном направлении (раскручивается). Это помогает частичному отделению капельной
влаги из воздуха, окончательное отделение происходит В таком ап-
парате наблюдается спиралеобразное движение водо-воздушной эмульсии. Это вы-
зывает циклонный эффект - частички воды прижимаются к стенкам. В центральной
части аппарата возможен проскок необработанной части воздуха, что является недо-
статком такого аппарата.
В ударо-пенном аппарате УПА ВВИТКУ (рис. 8.48, в) эффект образования пены до-
стигается за счет большой скорости (до 15—20 м/с) подачи воздуха на поверхность воды.
При этом происходит преобразование кинетической энергии потока в давление на воду.
В этом процессе часть воды вытесняется, поднимается в реактивное пространство и пе-
ремешивается с воздухом — таким образом создается и поддерживается водо-воздушная
эмульсия. Она может заполнять весь объем барботажной камеры. Высота пены зависит от
скорости воздуха на выходе и в поперечном сечении реактивного пространства. Первичная
вода может поступать в верхнюю или нижнюю части аппарата. В изоэнтальпиином про-
261
цессе свежая вода не подводится, а лишь добавляется испарившаяся. Удаление капельной
влаги происхог е, расположенном в верхней части аппарата.
Гидродинамические процессы и тепломассообмен в пенных аппаратах имеют свои
многочисленные особенности [8.41, 8.66, 8.75]. В каждом из видов этих аппаратов харак-
тер взаимодействия воздуха и воды отличается, хотя во всех случаях обе среды находят-
ся в чрезвьиайно сложном взаимном движении. Описать это движение аналитически не
представляется возможным, а использовать основные положения теории подобия для
получения обобщенных экспериментальных зависимостей возможно лишь частично, т.к.
нельзя определить истинную поверхность контакта между воздухом и водой.
В отличие от аппаратов других типов, где энергия воздушного потока используется
для интенсификации тепло- и массообмена между воздухом и водой, в пенных аппаратах
энергия затрачивается на создание и поддержание водовоздушной эмульсии. Масса воды
в этой эмульсии существенно увеличена за счет той доли, которая постоянно находится в
аппарате, затраты энергии на приведение ее в движение велики. Они значительно выше,
чем в других аппаратах; поэтому компактность пенных аппаратов, как их основное пре-
имущество, достигается значительными затратами энергии.
Суммарный коэффициент орошения в пенном аппарате как основная характеристи-
ка есть сумма частных коэффициентов орошения внешней и рециркулирующей воды:
262
Время контакта воды и воздуха в пенных аппаратах мало из-за большой скорости
воздуха. Например, для аппарата с высотой пенного слоя h = 300 мм при скорости
воздуха гл= 5 м/с время контакта составляет т = 0,3/5 = 0,06 с. Температура воды,
находящейся в пенном аппарате при я практически равна температуре воды,
покидающей аппарат. Этот очень важный вывод позволяет обоснованно подойти к
выбору расчетной разности температур и энтальпий для процессов обработки воздуха
в пенных аппаратах.
Пример компоновки и расчета барботажного аппарата полочного типа, в кото-
ром вспененный слой находился над решеткой с мелкими отверстиями, описан в
статье [8.26]. В опытах установлено, что при переменной высоте барботажного слоя
20—50 мм конечная относительная влажность воздуха изменялась от 75% до 92%
8.16 Паровой увлажнитель воздуха
Такой аппарат представляет собой парогенератор, работающий без повышенного дав-
ления и предназначенный для увлажнения воздуха в помещении или приточного воздуха
(рис. 8.49, а, б). В увлажнителе применяется электродный нагрев и используется обычная
водопроводная или частично смягченная вода.
При включении увлажнителя подается напряжение на главный контактор 8, от-
крывается клапан наполнения 14 и вода через наполнительную чашку 20 и питающую
линию 13 попадает в цилиндр 12 снизу. Как только электроды оказываются погружен-
ными в воду, между ними начинает протекать ток, что приводит к нагреву и испаре-
нию воды. Чем большая часть поверхности электродов находится в воде, тем больше
потребляемый ток и паропроизводительность. При достижении требуемой пароп-
роизводительности клапан наполнения закрывается. Если из-за понижения уровня
воды (в процессе испарения или слива) выработка пара снижается ниже определенно-
го значения от требуемой производительности, откроется клапан наполнения до до-
стижения требуемой паропроизводительности. Если потребуется производительность
ниже, чем текущая, то клапан наполнения будет закрыт до тех пор, пока не будет до-
стигнута требуемая производительность путем понижения уровня воды за счет испа-
рения. Контроль уровня воды производится с помощью датчика 17, установленного в
крышке парового цилиндра. При достижении верхнего значения уровня воды клапан
(аполнения 14 закрывается.
В процессе испарения вследствие растущей концентрации минеральных солей воз-
растает проводимость воды. При отсутствии контроля за этим следует ожидать недопус-
тимо большого тока. Для предотвращения этого явления периодически производится
слив части воды с заменой ее свежей. Управление процессом увлажнения может быть
дискретным или непрерывным, в последнем случае применяют специальный дополни-
тельный модуль 2 (рис. 8.49, б). Производительность пароувлажнителей меняется в ши-
роких пределах от килограмм до сотен килограмм в час.
Увлажнитель Condair представляет собой парогенератор, работающий без повыше-
ния давления и предназначенный для прямого или косвенного увлажнения помещения.
В увлажнителе Condair СР2 используется электродный нагрев. Он предназначен для работы
на обычной водопроводной или частично смягченной воде. Каждый раз, когда требуется
пар, на электроды (76) через главный контактор (8) подается напряжение. Одновременно
открывается клапан наполнения (14), и вода через наполнительную чашку (20) и питаю-
щую линию (13) попадает снизу в паровой цилиндр (12).
263
Как только электроды вступают в контакт с водой, между электродами начинает про-
текать ток, что приводит к нагреву и испарению воды. Чем большая часть поверхности
электродов покрыта водой, тем больше потребляемый ток и следовательно паропроизво-
дительность.
В моделях без дополнительного модуля М (стандартный вариант) производство пара
управляется внешним гигростатом по 2-позиционному или квазинепрерывному закону
регулирования. В моделях с дополнительным модулем М используется непрерывное ре-
264
8.17
гулирование г.аропроизводительности с помощью встроенного или внешнего регулятора.
При снижении требуемой производительности ниже предусмотренного минимального
уровня в действие вступает двухпозиционное регулирование.
8.17 Технико-экономическое сравнение увлажнения воздуха водой и паром
Несмотря на дискуссионность и многочисленные частные публикации, до послед-
него времени не было ясности по этому важному вопросу. Ряд специалистов проводили
отдельные сравнения различных вариантов увлажнения, не рассматривая однако всю со-
вокупность исходных условий и режимов работы конкретной системы в течение года, то
есть не используя системный анализ. На основании метода А.А. Рымкевича [8.71] такой
сравнительный анализ представлен в работе [8.36] применительно к сравнительному ис-
пользованию камер орошения и паровых увлажнителей. Это тем более важно и своевре-
менно, что современный и грядущий рынок предлагает большой выбор увлажнителей,
а тарифы на энергоносители растут. Однако, как справедливо отмечают авторы, «... рек-
ламная информация не всегда отвечает на вопросы, необходимые для обоснованного ее исполь-
зования при проектировании систем в соответствии с современными требованиями поиска
оптимальных решений». В основу решения поставленной задачи был принят метод пер-
вичной оценки конкурирующих вариантов подсистемы увлажнения по технологическим
показателям (годовым расходам теплоты, холода, влаги и др.).
В качестве опорного (базового) варианта в технологической схеме СКВ исполь-
зовали контактный аппарат как для изоэнтальпийного увлажнения, так и для других
процессов обработки, например, охлаждения-осушения воздуха. Конкурирующий ва-
риант отличается от базового тем, что увлажнение воздуха осуществляется в аппарате
увлажнения насыщенным паром, а охлаждение и охлаждение с осушением производят
в поверхностном аппарате.
В данной работе анализируется круглогодичная работа СКВ с рециркуляцией
(£^>£Ят1п) при поддержании в объекте температуры tB и относительной влажности воз-
духа в интервале фЯт1„...фгтах (например, 30-60%). Для демонстрации особенностей режи-
мов функционирования этих вариантов СКВ использован принцип сравнения расчетных
схем термодинамической модели (ТДМ). Последняя принята как идеальная, то есть со-
стояние приточного воздуха вблизи линии насыщения, нагрев приточного и вытяжного
воздуха отсутствует, состояние воздуха в рабочей зоне и удаляемого совпадают (К=1,0),
ограничений рабочей разности температур (tB—tnp) нет.
Расчетные схемы ТДМ (см. п. 2.12 гл. 2 Т. 1) представлены на рис. 8.50.
Границы зон (режимов работы СКВ) сопоставляемых вариантов выбраны с учетом
единых требований по минимизации потребления теплоты и холода. При сравнении вари-
антов используют одинаковые состояния наружного воздуха, для которых строят векторы
процессов, иногда совпадающие или отличающиеся из-за разных процессов увлажнения.
Как правило, д ля большинства режимов работ! - ср —иваемых систем их технологические
показатели различаются. Для их вычисления авторы использовали среднемесячные пара-
метры состояния наружного воздуха (по С.-Петербургу) с разделением их по интервалам
суточного изменения (первая, вторая и третья смена). Последнее заменяет обширную об-
ласть состояний в течение месяца, попадающую в ряд зон (рис. 8.50) одним состоянием, и
поэтому некорректно. Например, в условиях С.-Петербурга по усредненным многолетним
наблюдениям температуры (tf„ tHj) в некоторые месяцы года меняются в таких интервалах:
„= —6...+12 ’С. Указанное упроще-
265
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г.
ние заменило анализ годовых режимов сравниваемых систем приближенным анализом на
основе двенадцати среднемесячных значений (примечание автора — А.С.).
Рис. 8.50. Расчетные схемы термодинамической модели СКВ с рециркуляцией при ис-
пользовании камеры орошения (а) и парового увлажнителя (б) вместе с охла-
дителем-осушителем: QT — режим с нагреванием; Qx — режим с охлаждени-
GHmax — режим с минимальным, переменным и максимальным (GHnMX= G^) рас-
ходом наружного воздуха.
Кратко описанная здесь методика сравнения на уровне технологических показателей
(годовых расходов теплоты, холода, наружного воздуха) пояснена примером. В нем исполь-
зованы такие исходные данные: СКВ обслуживает помещение с постоянными внутрен-
ними (14,4 кВт) и переменными наружными теплопоступлениями (Qmpac4 = 17,8 кВт;
£„ma< = Lnp = 6670 м5/ч = 2,23 кг/с, А^пм= 8 °C, 1Жт1п= 1200 м3/ч = 0,4 кг/с, LHnJLv =
=0,18). При анализе режимов работы сравниваемых систем в течение года отмечается, что раз-
личие расходов теплоты и холода приходятся на переходные периоды года (весенне-осенние
месяцы). Результаты помесячного сравнения расходов представлены на графике рис. 8.51.
По результатам этого расчета получено, что сравниваемые варианты значительно
отличаются по годовым расходам холода (в 1,5 раза), теплоты (в 2 раза) в пользу вариан-
та изоэнтальпийного увлажнения. Что касается сравнения годовых расходов влаги на
увлажнение, то он меньше на -10% при увлажнении паром и на -10% больше по расходу
наружного воздуха. В числовом выражении годовые расходы для изоэнтальпийного и па-
рового увлажнения соответственно составляют: теплоты — 3400/7050 кВт-ч/год, холода —
5500/7050 кВт-ч/год, влаги - 10,8/9,9 тыс. кг/год, наружного воздуха - 470/520 тыс. кг/год.
На основе технологических («натуральных») показателей, полученных для конкрет-
ных исходных данных и климатических условий, можно получить удельные энергети-
ческие (стоимостные) показатели. Поясним это положение примером.
266
8.17
Технико-экономическое сравнение увлажнения воздуха водой и паром
Рис. 8.51. Сводный график помесячного потребления (для С.-Петербурга, односменнойрабо-
воздуха центральной СКВ с изоэнтальпийным (камера орошения, насадочный ув-
лажнитель) или изотермическим (паровым) увлажнителем воздуха. Режимы ра-
боты согласно расчетным схемам (а и б) термодинамических моделей на рис. 8.50.
Стабилизируемые параметры (tv фЯшй... фг1т) не приведены. Данные С.Ю. Конд-
рашова, С.М. Красильникова[8.36]при консультации А.А. Рымкевича[8.71].
Пример 8.6. Определить стоимостные (энергетические) показатели СКВ с изо-
энтальпийным и паровым увлажнением при таких данных: Gv=l кг/с, вЯт1 =
= 0,18 кг/с в климатических условиях Санкт-Петербурга при тарифе за теп-
лоту в горячей воде с'Т—10 у.е./Гкал, тарифе на электроэнергию с'э=30 у.е./тыс.
кВт ч, холодильная машина имеет холодильный коэффициент г=4 и исполь-
зуется для выработки половины холода, остальной получают при охлаждении
воды наружным воздухом в dry-cooled при условном холодильном коэффициенте
в=10. Для водяного увлажнения расходуется электроэнергия насоса около
0,01 кВт ч/кг, при электрическом пароувлажнителе удельный расход электро-
энергии около 1 кВтч/кг.
При изоэнтальпийном увлажнении годовая стоимость нагревания, охлаждения и
увлажнения воздуха составит (при Gv=l кг/с):
1 (с С С Г103400 i 300,5’5500 130Й*5'5500 1 ЗО10800'0,01^ 1 27 у£'
<^vr> + X, + C|V ||бз + 0 4-1000 +3U 10 1000 + 1000 J 2, 23 год(кг/с)'
При паровом увлажнении воздуха годовая стоимость нагревания, охлаждения и
увлажнения воздуха составит:
1(П
- Go7050 I 3n°-5'7050 I 3n 0.5-7050 9900-1) 1 _ y*.
t 1163 4-1000 10-1000 1000 J 2,23 год(кг/с)'
Как следует из расчета, годовая плата за энергопотребление при паровом увлаж-
нении в 6,7 (!) раза больше, чем при изоэнтальпиином. при прочих равныхусловиях
в основном за счет больших затрат энергии на увлажнение (четвертое слагае-
мое). По результатам этого расчета становится более понятной важность вы-
связаны со стоимостью очистки воздуха при неодинаковых текущих расходах
наружного воздуха GH (кг/год).
8.18 Приближенное климатологическое и экономическое обоснование
применения испарительного охлаждения воздуха при его увлажнении
Испарительное охлаждение — это снижение температуры наружного воздуха в аппа-
ратах для изоэнтальпийного увлажнения любого типа. Перенос теплоты от воздуха к воде
происходит под влиянием движущей силы — психрометрической разности температур
наружного воздуха lxtHnaa~ t„ - tHji. Чем она выше, то есть чем меньше относительная
влажность наружного воздуха и больше продолж ъность этого периода, тем больший
эффект охлаждения в теплый период года можно реализовать. Эта разность постоянно
меняется, поэтому климатологическое решение задачи осложнено корреляционной за-
висимостью температуры и влажности наружного воздуха. Для приближенного решения
нужно получить хотя бы зависимость средней психрометрической разности от темпера-
туры tHc или усредненный перепад ЫЙтар и продолжительность периода использования
испарительного охлаждения (теплый период).
Увлажнитель, используемый для повышения влагосодержания наружного воздуха в
холодный период, имеет и другое назначение. В условиях сухого и жаркого климата такой
увлажнитель обеспечит заметное снижение температуры наружного воздуха одновремен-
но с увеличением его влагосодержания. Такое положение может быть недопустимо для
технологического КВ при строго заданных температуре и влажности, а при комфортном
кондиционировании воздуха и заданном фгтах может быть вполне приемлемо (рис. 8.52).
Для анализа эффективности такого способа охлаждения проанализируем распреде-
ления психрометрической разности температур в теплый период года для характерных по
Тя—фя комплексу городов (рис. 8.53, а, б). Для этого используем данные о плотности рас-
пределения температур сухого и мокрого термометров (правый квадрант). Вычисленные
разности температур при одинаковой плотности повторяемости нанесены в левом квад-
ранте. Площадь, ограниченная координатными осями и кривой пропорциональ-
на вероятности или годовой продолжительности разности 6tHpciap при высоких tH. После
деления этой величины на максимальную плотность повторяемости приближенно опре-
деляем среднюю за этот период разность температур, соответствующую в основном днев-
ному времени. В результате получено:
для С.-Петербурга |^6,с = 900 ч/год, =31;
для Астрахани Et|(i;>210J = 1500 ч/год, 6лНпсич1ср ~6 t;
для Ташкента Хт |( "20<,с — 2100 ч/год, 6tH map cp =8 °C.
Для расхода воздуха GH=1 кг/с при непрерывной работе системы можно получить
следующее снижение расхода холода в год: для С.-Петербурга AQxeoi=l • 900 3 • 1 • 10 ~3=
268
=2,7 тыс. кВт-ч/год(кг/с); для Астрахани Д0хаЯ=9 тыс. кВт • ч/год(кг/с); для Ташкента
AQ^= 17,6 тыс. кВт ч/год(кг/с) при эффективности увлажнителя Е= 1.
В расчетных летних условиях снижение холодопроизводительности СКВ для
этих городов составит: С.-Петербург Д2хай/(?я=5 кДж/кг-(кг/с), Астрахань Д0хай/<?я=
= 9 кДж/кг-(кг/с), Ташкент 5Qr^/Gu = 12 кДж/кг-(кг/с), что существенно выше средних
за режим величин. Соответствующее сокращение капитальных затрат на систему холо-
доснабжения определяют как /8КХм = (2ОО...ЗОО)(Д2храс</бя)бя> у.е.
Рис. 8.52. Область использования испарительного охлаждения наружного воздуха при
8.19 Испытание и наладка устройств для увлажнения воздуха
Как следует из вышеописанного материала, принципы работы и конструкции увлаж-
нителей разных типов существенно различаются. Поэтому нельзя указать в деталях мето-
дики испытания каждого из типов этих аппаратов, но можно назвать общие признаки:
• проверка аппарата и сети трубопроводов, арматуры и фильтров на ней;
• определение характеристик насоса (давление, производительность), установленного
в схеме увлажнителя, и сравнение с проектными значениями;
• проверка качества распыла воды для увлажнителей форсуночного типа;
• проверка возможного уноса влаги за каплеотделители;
• определение фактических параметров состояния воздуха до фя) и после увлажнения
(tp фр, вычисление влагосодержания воздуха (dir dx) и в состоянии насыщения dm;
• определение фактической эффективности увлажнителя E=(dK— d„)/(dm —dH) и расхо-
да воздуха, сравнение с расчетными величинами и выводы о соответствии результа-
тов испытаний проекту;
• проверка управляемости увлажнителя, т.е. возможности целенаправленного умень-
шения его эффективности.
Более подробно методика испытания увлажнителей разрабатывается в соответствии с
конкретными рекомендациями фирмы — производителя данного оборудования.
269
Рис. 8.53, а, б. Климатологическое обоснование определения сум
i т (ч/год) теплого периода, соответствующего
ого воздуха в теплый период года (а) для С.-Петербурга (•), Астрахани
(х) и Ташкента (о); гистограммы плотности повторяемости температур наружного воздуха по сухому и мокрому термометру в
теплый период года в названных городах (б).
8.20 Требования к качеству воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения
В отношении требований к качеству воды процитируем СНиП 41-01-2003 в разде-
ле 14 «Водоснабжение и канализация»:
«77.7. Водоснабжение камер орошения, увлажнителей и доувлажнителеи и других уст-
ройств, используемых для обработки приточного и рециркуляционного воздуха, следует пре-
дусматривать водой питьевого качества по ГОСТ2874-82*.
11.2. Воду, циркулирующую в камерах орошения и других аппаратах систем вентиляции
и кондиционирования, следует фильтровать. При повышенных санитарных требованиях не-
обходимо предусматривать бактерицидную очистку воды».
При большом разнообразии типов и конструкций увлажнителей фирмы-производи-
тели предъявляют как общие, так и специфические требования к качеству воды и эксплу-
атации увлажнителей. Основной характеристикой воды является температура, от которой
зависит ее плотность, вязкость и другие свойства. Взвешенные вещества, содержащиеся в
воде, характеризуются:
• концентрацией (до 1,5 мг/л) в воде для хозяйственно-питьевых целей;
• цветностью, которая придает воде окраску, указывает на присутствие в ней органи-
ческих веществ, для питьевой воды до 20 градусов;
• привкусом и запахом, которые в воде для питьевых целей не должны превышать 2 баллов;
• жесткостью воды, т.е. наличием в ней солей, препятствующих использованию воды
для хозяйственно-бытовых целей; по ГОСТ 2874-82 жесткость воды должна быть до
7 мг экв/л; жесткость воды приводит к отложению карбоната кальция в трубопрово-
дах, форсунках и др.;
• растворенным (сухим) остатком в питьевой воде с допустимым содержанием до 1 г/л;
повышенная минерализация воды препятствует ее использованию для технических
целей;
• активной реакцией (pH); для питьевой воды рН=6,5-8,5. При низких значениях pH
вода агрессивна, способствует коррозии металла, что приводит к ухудшению вкуса
воды; при высоких значениях pH вода нестабильна и способна отлагать на стенках
труб и теплообменных аппаратов карбонат кальция, что вызывает их зарастание;
• железом и марганцем с допустимым содержанием в питьевой воде до 0,3 и 0,1 мг/л со-
ответственно; эти вещества препятствуют использованию воды в технических целях;
• сульфатами и хлоридами с допустимым содержанием в воде для хозяйственно-питье-
вых целей до 50 мг/л и 350 мг/л соответственно; повышение их содержания препятс-
твует использованию воды для технических целей;
• фтором: его содержание в питьевой воде должно быть 0,5—1,5 мг/л; при недостатке
или избытке фтора в питьевой воде возникают заболевания зубов;
• окисляемостью воды >8 мг/л О2, которая указывает на вероятность ее загрязнения
сточными водами, на возможность развития органических обрастаний в теплообмен-
ных аппаратах;
• свободной углекислотой, замедляющей процесс гидролиза солей металлов при коагу-
лировании, обезжелезовании и других процессах кондиционирования воды; вызыва-
ет коррозию металла и бетонных сооружений;
• сероводородом, который препятствует использованию воды для хозяйственно-питье-
вых целей, вызывает коррозию металлов и способствует зарастанию труб;
• растворенным кислородом, который усиливает коррозию металла, трубопроводов, ап-
паратов и др.;
271
• вирусным загрязнением воды, которое препятствует ее использованию для хозяйствен-
но-питьевых целей;
• общим числом бактерий; для питьевой воды допускается их содержание не более 100
бактерий в 1 мг; является санитарно-гигиеническим показателем, так как фиксирует
развитие микрофауны и микрофлоры;
• фосфатами (солями ортомета- и пирофосфатных кислот); для питьевой воды допус-
кается содержание фосфатов до 3,5 мг/л, считая на РО4;
• аммиаком, нитратами, нитритами; в питьевой воде допускается содержание нитратов
до 10 мг/л; повышенное содержание указывает на вероятное загрязнение источника
сточными водами.
Специалист по водоснабжению должен выбрать метод, технологическую схему, филь-
тры, реагенты для улучшения качества воды [8.61], подаваемой в систему увлажнения.
Индивидуальные свойства воды зависят от конкретных источников водоснабжения: по-
верхностных или подземных, различных в каждой местности. Например, в одних пунктах
вода «мягкая», имеет сравнительно мало солей жесткости, в других этих солей много.
В любой системе подачи воды к увлажнителям предусматривают различные филь-
тры для очистки воды от взвесей-частиц, транспортируемых по трубопроводам. Таких
сетчатых фильтров, имеющих вид тройников, в ответвлении которых частицы оседают,
может быть несколько. Живое сечение — размер в свету таких сеток последовательно
уменьшают, задерживая частицы разных размеров. В более сложных случаях применя-
ют песчаные и другие фильтры.
8.21 Специальные требования к качеству воды для насадочных
увлажнителей Munters.
Каждый вид увлажнителей в зависимости от его принципа работы и возможности
засоления объема насадки, поверхности или форсунок предъявляет свои требования к
качеству воды. Рассмотрим эти требования для широко распространенных насадочных
увлажнителей Munters* и аналогичных им. При работе такого увлажнителя учитывают,
что испарение воды увеличивает содержание минеральных солей в циркулирующей
воде, поэтому требуется постоянный слив и добавление свежей воды. Скорость слива
воды, л/мин зависит от таких факторов, как pH и концентрация кальция и бикарбона-
тов (система Са2т-НСО;-СО2) в воде. Значение pH воды в системе увлажнения должно
быть не ниже 5 и не выше 8. При определенных условиях в воде может появиться оса-
док кальция и бикарбонатов, что ухудшит работу и снизит срок службы увлажнителя.
С помощью номограммы (рис. 8.54) можно определить параметры воды, при которых
не происходит выпадение кальция в осадок.
Из номограммы видно, что вероятность выпадения осадка возрастает при увели-
чении pH и увеличении содержания в воде кальция и бикарбонатов. Левая часть номо-
граммы разделена на зоны, названные соответственно безопасной, переходной и зоной
выпадения осадка. Для определения рабочей зоны в каждом конкретном случае следует
отметить на диаграмме соответствующие параметры воды (пунктирной линией показан
пример определения рабочей зоны). Параметры воды могут быть определены путем ана-
лиза или, если используется городское водоснабжение, могут быть получены в управле-
нии «Водоканала».
272
8.21
Следует также принимать во внимание концентрацию хлора и меди в воде. Содер-
жание этих примесей может не учитываться, если концентрация хлора в свежей воде не
превышает 50 мг/л, а меди — 0,02 мг/л.
Поясним методику оценки необходимого слива воды примером.
Кальций Са2+, мг/л
“sSSSgg Hi
висимости от значения pH, содержания Са2+ и бикарбоната HCOj:
зона 1 — безопасная зона, в которой используется мягкая вода или вода, подвер-
гшаяся смягчению:
зона 4 — зона выпадения осадка, вода очень жесткая и поэтому требует час-
тичного смягчения до уровня, соответствующего зонам 2 и 3; параметры воды
после смягчения не должны быть ниже уровня зоны 1.
Пример 8.7. Для увлажнителя Munters в составе центрального кондиционера
определить расход сливаемой воды, если воздух увлажняется наЬЛ=6 г/кг, пока-
затель pH = 7,6, кальций Са2+ = 30 мг/л, а бикарбонат НСО^ = 55 мг/л.
По номограмме рис. 8.54 находим, что рабочая точка расположена в зоне 1, в
которой для увлажнения используется мягкая вода или вода, подвергшаяся смяг-
чению. По данным производителя определяем необходимую скорость слива воды
0,5 л/мин, расстояние от дна до сливного поддона и перегородки 40 мм.
273
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников Л. Г.
Расчетный расход воды, подаваемый к увлажнителю, определяется как сумма расхода
испаряющейся воды и слива, который необходим для уменьшения концентрации солей в
циркулирующей воде. В противном случае в насадке увлажнителя может появиться осадок,
что неблагоприятно отразится на работе увлажнителя и сроке его службы. В ряде случае
может потребоваться увеличенный слив воды, если существует вероятность бактериаль-
ного загрязнения или зарастания водорослями. Это возможно, если увлажняемый воздух
содержит органические волокна, целлюлозную пыль или другие органические загрязни-
тели. При высоком содержании этих загрязнителей рекомендуется применять воздушный
фильтр тонкой очистки и по возможности оставлять увлажнитель включенным при диск-
ретном управлении включено/выключено. Для поддержания хорошего качества воды же-
лательно раз в день менять циркулирующую воду, сливая ее через отдельный дренаж.
। для систем
8.22 Современные методы koi
увлажнения воздуха
Современные средства комплексной очистки воды в системах водоснабжения разных
потребителей основываются на следующих принципах:
• для очистки воды от любого вида загрязнений всегда необходимо проделать опреде-
ленную работу;
• для выполнения этой, как и любой другой работы каждый раз необходимо затрачи-
вать энергию;
• эффективность любой работы определяется не только затрачиваемой энергией, но
также качеством «рабочего инструмента» и его количеством, которое по возможности
должно быть минимальным, если эта работа важна и должна выполняться часто, то
требуется постоянная готовность и работоспособность этого инструмента.
Однако практическая реализация этих вполне внят протяжении
многих десятилетий оказывалась в полной мере недостижимой из-за текущего состояния
науки и техники. Среди многих способов очистки не сразу был сделан выбор в пользу
такого универсального и «конвертируемого» вида энергии, как электричество. При не-
многочисленных попытках все же как-то использовать возможности электричества в
проблеме очистки воды сказывалось отсутствие практичных и экологически приемлемых
электродных материалов. К тому же и физико-химическое поведение сложных систем,
образуемых очищаемой водой с конструктивными элементами электрохимической аппа-
ратуры, да еще и в динамике, оставалось малоизученным разделом техники. Такие широко
используемые сегодня методы очистки воды, как сорбционные, мембранные или химико-ре-
агентные, не позволяют одновременно удовлетворить всем сформулированным выше требо-
ваниям. Фактически любая система комплексной очистки воды из числа имеющихся на
рынке представляет собой, за малым исключением, целый набор различных технологи-
ческих устройств очистки («инструментов»). Этот набор, или иначе комплекс, требует
частой замены важнейших рабочих органов (мембран, сорбентов, картриджей) и расхо-
дования различных реагентов.
Такое положение становится понятным, когда требуется провести полную очистку
воды от всех видов микрочастиц органического и минерального происхождения (про-
стейших, бактерий, вирусов и продуктов их жизнедеятельности, частиц гумуса и мине-
ралов, ржавчины, нерастворимых нефтепродуктов), смягчать и очищать воду от таких
токсичных минеральных и органических компонентов, как ионы тяжелых металлов и
марганца, фосфаты, нитраты, нитриты, сульфиды, цианиды, меркаптаны, фенолы и др.,
274
при сохранении необходимых для организма ионов калия и натрия. Особенно актуально
требование эффективности в борьбе с такой болезнью отечественного водоснабжения,
как загрязненность воды железом. Эта болезнь усугубляется тем, что железо может встре-
чаться в различных формах: двух- и трехвалентных ионов, макро- и микрочастиц ржав-
чины или так называемого коллоидного железа. «Проблема железа» в России и странах
СНГ обусловлена как распространением железистых водоносных горизонтов, так и мно-
голетней порочной практикой исключительного использования при строительстве труб,
изготовленных из черных металлов. Удаление коллоидного железа особенно актуально
сейчас, когда широкое распространение получило дорогостоящее водопроводное и ото-
пительное оборудование, а также элитная сантехника, которая особенно чувствительна к
этому виду загрязнений.
Среди многих конструкций устройств для очистки воды кратко рассмотрим те из
них, которые производят комплексную очистку, - т.н. электросорбционные аппараты.
Их используют для очистки воды практически из любых источников, так как они способ-
ны приводить в норму самые разные химические показатели воды и обладают высокой
готовностью к работе в течение самого продолжительного периода времени, благодаря
чему, кстати, достаточно экономичны.
Эти аппараты фактически выполняют функции электрокондиционирования воды, от-
крывая тем самым новый класс техники водоподготовки. В отличие от устройств водо-
очистки, основанных на других принципах, эти аппараты не нуждаются в замене каких-
либо картриджей или мембран для восстановления работоспособности. Их регенерация
производится кратковременной промывкой аппарата после соответствующего переклю-
чения вентилей и отключения электрического питания. Важным достоинством аппаратов
электросорбционного действия является уникальная возможность управления их очист-
кой в широких пределах при изменении рабочего напряжения на электродах. Это неза-
менимо в условиях, когда нет уверенности в качестве водоснабжения, которое может в
определенные сезоны или при авариях в сети резко ухудшаться. Выполнение электродами
активной электрохимической функции, а также их высокая коагуляционная способность
обеспечивает очистку воды и от ионизированных компонентов путем электроокисления,
электровосстановления или электролиза.
В последнее время разработаны методики, обеспечивающие с помощью электроконди-
ционеров электрохимическую активацию очищаемой воды, причем в двух направлениях:
• в направлении снижения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) воды
с приданием ей лучших биоэнергетических характеристик (повышением биосовмес-
тимости молекул воды с тканями живых организмов, приданием воде антиоксидант-
ных свойств);
. в сторону повышения ОВП и сообщения воде антисептических свойств.
Эти возможности электрокондиционеров реализуются путем небольшой модифика-
ции солевого фона исходной воды.
Схема — вид аппарата для комплексной электросорбционной очистки воды показан
на рис. 8.55.
Для четырех типоразмеров аппаратов «Каскад» максимальная пропускная способ-
ность составляет от 50 до 10000л/ч, а с оптимальной степенью очистки—от 200до 5000л/ч;
давление водопроводной сети, рекомендуемое для длительной работы, 250—350 кПа, а
максимально допустимое - 600 кПа; потребляемая мощность составляет от 0,1 до 1 кВА;
максимальный ток для всех моделей - 40 А; габаритные размеры колонки по глубине и
ширине от 220 мм до 590 мм, высота — от 750 мм до 1500 мм.
275
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
В общих чертах электросорбционная технология комплексной очистки воды выглядит
следующим образом. На стадии очистки через резервуар, имеющий фильтрующую насад-
ку (гранулированный наполнитель с размером частиц 0Д...З мм) и с размещенными в нем
электродами, пропускают воду, подлежащую очистке. При подаче на электроды посто-
янного электрического напряжения одновременно происходит значительное увеличение
сорбционной способности материала, используемого в качестве фильтрующей насадки,
и, как следствие, эффекта сорбирования многих содержащихся в воде компонентов. При
периодически возникающей необходимости регенерации дисперсной насадки элект-
рофильтра электрическое напряжение отключают. При этом сорбционная способность
насадки снижается до исходного уровня, обеспечивая возможность регенерации элект-
рофильтра. Промывку насадки производят в динамическом или статическом режимах.
В первом случае производят послойный вывод этой насадки в зону интенсивной промыв-
ки, после чего возвращают в зону фильтрации. Во втором случае используют обратный
поток регенерирующей жидкости. В качестве дисперсного материала используют грану-
лы кварца, цеолитов и др. минералов, керамики, лучше сильно поляризуемой сегнетоке-
рамики, полимерных материалов, а также дисперсии таких материалов, как, например,
полученных на основе целлюлозы и хитозана или ионообменных смол. Наличие неод-
нородной поверхности как химического, так и геометрического характера необходимо
для очистки жидкости, механизм этот основан на попадании микрочастиц или иономо-
лекулярных материалов при прохождении через дисперсный материал насадки в зоны с
различными зарядами и скоростью потока. Более подробные сведения о работе фильтров
для очистки воды можно получить в специальной литературе [8.61 и др.].
Подводя итог изучению методов и средств увлажнения воздуха в СКВ и СВ, подчеркнем в
первую очередь большое разнообразие типов, принципов работы, методов организации повер-
хности контакта, способов установки в системе и затрат энергии современных увлажнителей
воздуха.
Приложение 8.1.
Наружные стены как
своеобразный «увлажнитель» воздуха помещения
Нагрузка на увлажнитель воздуха согласно формуле (8.1) может быть уменьшена или
даже сведена к минимуму, если учесть сложно протекающую и объективно происходящую
в холодный период года десорбцию влаги наружными стенами помещения. Именно этим
объясняется та самоустанавливающаяся относительная влажность воздуха <[>,—20—30%,
которая реально наблюдается в жилых помещениях без вл гой, даже в
сильные морозы. Без влияния стен она была бы существенно ниже, особенно в поме-
щениях с большими светопроемами. Явление десорбции влаги, по сути весьма сложное,
при работе увлажнителя часто идет в запас. Чтобы разобраться в этом явлении, надо рас-
смотреть основные характеристики таких капиллярно-пористых тел, как стены здания.
Применительно к материалам и конструкциям ограждений как влажных тел в строитель-
ной теплофизике [8.43, 8.44, 8.9,8.11] используют нижеследующие основные понятия:
• равновесное влагосодержание материала U (кг/кг) характеризует установившуюся
массовую долю влаги, содержащуюся в ограждении, по отношению к массе сухого
материала при данных параметрах окружающего воздуха. Характерные кривые рав-
новесной влажности (влагосодержания) некоторых гигроскопических материалов
представлены на рис. 2.8 т. I настоящей книги, а более подробно они рассмотрены
в фундаментальном «Справочнике» Л.М.Никитиной [8.60]. Многочисленные экс-
перименты (рис. 8.1.1, а) показывают, что эта величина зависит с одной стороны от
структуры и плотности материала (чем меньше плотность, тем больше относитель-
ный объем пор и способность поглощать влагу), а с другой - от влажности наружного
и внутреннего воздуха, особенно наружного, потому что она переменна;
• потенциал влажности 0, комплексно характеризует содержание влаги в материале, зави-
сит от вида материала, степени его увлажненности, химического потенциала, парци-
ального давления водяных паров, измерить которые опытным путем часто не удается;
• относительный потенциал влажности Фо =./[(0)//,(0д/) введен по аналогии с относитель-
ной влажностью воздуха, как отношение потенциала влажности 0 при данном состо-
янии материала к потенциалу при максимальной сорбции влаги материалом (изме-
ряется в ”В);
• коэффициент влагопроводности материала х (кг/м ч °В) введен на основе понятия от-
носительного потенциала влажности и характеризует удельный поток массы через
ограждение толщиной 1 м за 1 ч при разности ГВ. Он позволяет описать основной
закон переноса влаги
g = xV0 (8.1.1)
и характеризует молекулярный перенос пара и перенос влаги под действием капил-
лярных и осмотических сил при условиях, которые зависят от способа определения шка-
лы массопереноса;
. коэффициент паропроницаемости материала р (г/м2 ч кПа), приводимый в СНиП II.A7-
79* («Строительная теплотехника») и характеризующий удельный поток влаги Ag при
разности парциальных давлений 1 кПа за 1 ч при площади поперечного сечения 1 м2;
эта величина по выражению it=23lD/Tзависит от коэффициента диффузии D'
• удельная изотермическая массоемкость cm=(dU/dQ)T по аналогии с удельной теплоем-
костью является частной производной от равновесного влагосодержания по потен-
277
циалу влажности при постоянной температуре. Если удельная массоемкость ст пос-
тоянна, то из предыдущего соотношения следует, что {7=й+сф0;
химический потенциал материала (Дж/моль) зависит от его температуры и
влагосодержания и является потенциалом переноса парообразной влаги;
коэффициент массообмена на поверхности, разделяющей ограждение и воздушную
среду помещения, является сложной функцией разности температур и разности
упругостей водяного пара вблизи поверхности и приближенно определяется по зави-
теризующие сорбционные свойства мате-
риалов и строительных конструкций и поля
материалов от их пористости, по данным
изменения температуры и скорости воздуха вблизи влажной пластины;
278
данным А. В. Лыкова [8.43] и В.М. Ильинс-
Москвы и линии распределения темпера-
туры и равновесной влажности в толще
исследованиям В.М. Ильинского, [8.29],
279
По характеру своего взаимодействия с водой строительные материалы разделяют на
смачиваемые (гидрофильные) и несмачиваемые (гидрофобные). К первым относят гипс,
вяжущие на водной основе, силикатный кирпич, большинство разновидностей бетонов,
ко вторым - битумы, смолы, минераловатные изделия на основе г вяжу-
щих и др. Мерой полноты смачивания является косинус краевого угла (180° — несмачива-
емый материал, 0 — смачиваемый материал). Для большинства строительных материалов
характерна капиллярно-пористая структура, особенности которой, наравне со степенью
смачивания, определяют характер взаимодействия материала с влагой при пребывании
его в воздушно-влажной среде или непосредственном контакте с водой. Эти особенности
важны при эксплуатации любых строительных конструкций.
Наиболее полная и законченная теория энергетической оценки форм влаги предло-
жена П.А. Ребиндером [8.70]. Согласно ей все формы связи материала с влагой делятся
на три вида. Наиболее прочной является химическая форма связи. Это вода молекуляр-
ных соединений типа кристаллогидратов, которая практически не участвует во влагооб-
менных процессах и поэтому при рассмотрении влагопередачи в ограждениях ее не учи-
тывают. Вода, находящаяся непосредственно на поверхности зерен и связанная силами
молекулярного взаимодействия, называется адсорбционной. Осмотической или структур-
ной называется влага, поглощенная материалом зерен. Адсорбционную и осмотическую
влагу относят к физико-химической форме связи. Основной объем жидкой влаги находится
в порах и капиллярах материала вне сферы действия сил физико-химической формы связи и
удерживается силами поверхностного натяжения воды и силами смачивания материала. Эту
форму связи называют физико-механической. К ней относится влага макро- и частично
микрокапилляров, стыковая и пленочная.
Годичные циклы движения влаги в ограждениях, процессы сорбции-десорбции в воз-
дух помещения носят сложный затухающий циклический характер (рис. 8.1.1, в, г), осо-
бенно после завершения строительства или «открытого» капитального ремонта здания.
Кривую изменения накопленной влаги в ограждениях здания во времени можно
представить как сумму убывающей экспоненты и годичной гармоники с разными ампли-
тудами по годам. Поступление влаги в помещение обычно происходит в холодный период
года, а потери — в теплый. По данным А.В. Лыкова [8.43], влага, находящаяся в наружных
ограждениях, в холодный период года в виде пара движется наружу, а в виде капельной
влаги — вовнутрь. Таким образом, массообмен в ограждениях существенно сложнее теп-
лообмена, который в свою очередь влияет на движение влаги. Характерный пример де-
сорбции влаги стенами и перекрытием помещения при пуске автономного кондиционера
и охлаждении-осушении воздуха приведен на рис. 4.35, бив табл. 4.4 гл. 4 I тома. В т.н.
режиме «первого пуска» при суммарной площади ограждений 180 м2 влаговыделения за
первые циклы работы составили ок. 2,3 кг/ч. Другой пример «нетрадиционного» движе-
ния влаги в одном из залов Гос. Эрмитажа приведен на рис. 2.4 в гя. 2 т. I. Сложность
и неоднозначность зависимостей, их нестационарный характер еще раз подчеркивают
сложность явленш о на между ограждениями помещений и воздухом.
Изложенные выше общие теплофизические представления и зависимости не поз-
воляют хотя бы приближено оценить массу поступающей в воздух помещения влаги.
Поэтому рассмотрим некоторые инженерные методы такого расчета при граничных ус-
ловиях третьего рода и совместном учете тепло- и массообмена. Интенсивность массо-
обмена на поверхности ограждения, по В.Н. Богословскому и Н.Г Петрову [8.9, 8.11],
характеризуют коэффициентом массоотдачи, определяемым в условиях свободной кон-
векции по формуле:
280
Приложение 8.1
₽ =G„/Fcm&pn,m, «43Д/^Др^,г/(м2-ч-кПа).
Таким образом, зная разности температур и парциальных давлений водяного пара в
помещении и вблизи поверхности ограждения (рис. 8.1.1, б), можно приближенно оце-
нить коэффициент массоотдачи или обратную ему величину - сопротивление массоотдаче
R = 1/р. Несколько другую методику определения величины Я предложил В.М. Ильинский
[8.29]. Он связал искомое сопротивление R с характеристикой влажностного режима по-
мещения и относительной влажностью воздуха в молекулярном слое непосредственно
вблизи поверхности ограждения (табл. 8.1.1).
Таблица 8.1.1. Сопротивление влагоотдачи на поверхностях наружных ограждений
в помещениях с различным влажностным режимом
№ Характеристика влажностного режима помещения Относительная влажность воздуха вблизи поверхности ограждения, % Сопротивление влагоотдачи, R, кПа-м2-ч/г
1. Сухие, с избыточными 25 0,19
2. Сухие, отапливаемые 40 0,12
3. С нормальной влажностью 55 0,08
4. Влажные 70 0,047
5. Мокрые 85 0,022
6. С постоянной конденсацией влаги на поверхности конструкций 100 0
Как видно из приведенной табл. 8.1.1, величина сопротивления влагоотдаче может
меняться примерно в 10 раз для влажностного состояния воздуха вблизи поверхности
ограждения при фв от 25% до 85%. Если принять, что в средних условиях холодного пе-
риода года перепад температур на внутренней поверхности наружных ограждений будет
составлять до 5 "С, а в мокрых — 2...3 °C, то приближенное сопротивление влагоотдаче
можно аппроксимировать линейной зависимостью:
R = р'= 0,136(1 -<рв /100), кПа-м2ч/г.
Поясним примером методику оценки интенсивности десорбции влаги наружными
стенами старинного здания на основе замеров.
Пример 8.1.1. Оценить мгновенные условия массоотдачи на поверхностях на-
ружных стен при испытании зимой 2004 г (ЗАО «Кондиционер-Сервис», отв. исп.
Д. Акбердин) местной рециркуляционно-охладительной установки (СКВ) одного
из залов Государственного Русского музея(ГРМ) при так.ихданных:1.Г11т = 100м2;
= 1100 м3/ч; tv=t^ = 18 °C; = 23%, dB-dnp = 5-3 = 2 г/кг;'^= 38%;
рп = 0,45 кПа; tBm= 15 °C; фг т = рВт=1,2 кПа. Влиянием влаги, расходуе-
мой на увлажнение инфильтрующего воздуха, пренебречь. Влаговыделения от лю-
дей в нерабочее время отсутствуют. Сравнить расчетные и фактически наблю-
281
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г.
даемые значения коэффициента влагоотдачи от наружных стен. Влаговыделения
от наружных стен по воздушно-влажностному балансу помещения:
G„ = L„p рв (^ - =1100 • 1,2 • 2,0 = 2640 г/ч,
чему соответствует удельная величина влагопоступлений от наружных стен
g = G„/ZFHa, = 2640/100 = 26,4 г/м’ч.
Коэффициент массоотдачи ограждений, по результатам испытаний воздушно-
влажностного баланса помещения:
= g/№„ =26,4/(1,2- 0,45)=35г/(м2чкПа).
Коэффициент массоотдачи, по формуле В.П. Богословского (8.1.2), в условиях
испытаний:
₽ =43Д^АР^„.-43-31Л -0,75^ = 52г/(/м2чкПа).
Коэффициент массоотдачи по данным В.М. Ильинского (табл. 8.1.1) в условиях
испытаний:
р = R~' =1/0,041 = 21г/(/м2чкПа).
Вычисленные разными способами фактический и расчетные коэффициенты мас-
соотдачи на эверхности наружных стен хотя естественно и не совпадают, но
оказались достаточно близкими и вполне удовлетворительными при качествен-
ной оценке процесса десорбции стен музея. Инфильтрация наружного воздуха в
количестве (100м3/ч), зависящая от площади окон, их неплотностей и гермети-
зации, скорости и направления ветра и наружной температуры при dH=l г/кг,
потребует дополнительной влаги: ~ -100 • 1,2(5 -1) = 480 г/ч.
В условиях старинных музеино-исторических здании, по литературным данным,
масса накопленной в наружных ограждениях влаги может достигать 30% от
массы сухих стен, и поэтому процесс зимней десорбции влаги может повторять-
ся многие годы.
Литература к гл. 8
ХА. Абдульманов, О.И. Магаблишвили, Е.П. Типенев. Некоторые вопросы иссле-
дования роторного увлажнителя воздуха. — В кн.: Кондиционирование воздуха.
Л.: ЛТИХП, 1968, с. 101 - 106.
П.Ю. Акменс. Паровые увлажнители воздуха с открытой подогреваемой поверхнос-
тью испарения. — В кн.: Повышение эффективности работы СКВ в промышленных
и общественных зданиях. Груз. респ. правление НТО Стройиндустрии. Тбилиси,
1977, с. 103 - 105.
В.П. Алексеев, Э.Д. Пономарева, А.В. Дорошенко. Исследование гидравлических
сопротивлений и массообмена в пленочной градирне с регулярной насадкой. -
В кн.: Холодильная техника и технология. Вып. №7, Киев, 1968, с. 37 — 42.
8.4 А.Г. Амелин. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара.
М.: Химия, 1972.
А.Г. Аничхин. Исследования тепло- и массообмена в оросительных камерах кон-
диционеров с вращающимися распылителями. Кандидатская диссертация.
НИИСТ, М.: 1966.
282
ВЛ. Баулин. Исследование процесса испарения заряженной капли, движущейся в
воздухе. — В кн.: Сильные электрические поля в технологических процессах. /Под
ред. В.И. Попкова. - М.: «Энергия», 1971.
С.М. Бабаев, О.Я. Кокорин. Орошаемая насадка для испарительного охлаждения
воздуха с минимальным расходом орошающей воды. — В кн.: Повышение энерге-
тической эффективности систем вентиляции и конд1 , тонирования воздуха, НТО
Стройиндустрии, Волгоград, 1986, с. 14—16.
В.Н. Богословский, А.Н. Гвоздков. Применение потенциала влажности к расчету теп-
ловлагообмена между воздухом и водой. // Водоснабжение и санитарная техника,
1985, №10, с. 8-9.
В.Н. Богословский. Тепловой режим зданий. Стройиздат, М.: 1985.
В.Н. Богословский. О потенциале влажности. - ИФЖ, №2, т. 8, 1965.
В.Н. Богословский. Строительная теплофизика /теплофизические основы отопле-
ния, вентиляции и кондиционирования воздуха: Учебник для вузов. — изд. 2-е., пе-
рераб. и доп,: «Высшая школа». 1982, — 415 с.
П.Т. Бондарь, Б.И. Бялый, ГС. Куликов, Ф.А. Набиулин и др. Испарительный кон-
диционер для маневрового тепловоза. В кн.: Кондиционеростроение. Вып. 2.
ВНИИКондвентмаш, Харьков, 1973, с. 109 — 115.
В.С. Боровков, Ф.Г. Майрановский. Аэрогидродинамика систем вентиляции и конди-
ционирования воздуха. Стройиздат, М.: 1978, с. 75 — 77.
Э.К. Боронбаев. Гидродинамика насадки с периодически орошаемыми каналами. -
В кн.: Общие вопросы строительства (отечественный опыт). ЦИНИС, М.: 1974, вып 8.
О.П. Булычева. Применение тумана в системах кондицис
// Водоснабжение и санитарная техника, 1980, №7, с. 23 — 25.
воздуха.
Б.И. Бялый. Обобщенные характеристики центробежных форсунок кондиционеров
воздуха. - В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха зданий и сооружений.
/Сборник научных трудов. Рига: РПИ, 1983. с. 14— 19.
Б.И. Бялый, В.А. Динцин, И.Р. Щекин, В.И. Владимиров. Влияние неравномерности
воздушного потока на теплотехнические характеристики камер орошения централь-
ных кондиционеров. // Водоснабжение и санитарная техника, 1975, №5, с. 35 - 37.
Б.И. Бялый, В.Д. Шевченко, А.Н. Дормидонтов. Исследования процессов тепло-
массообмена в роторном контактном аппарате. — В кн. Проблемы совершенство-
вания и развития оборудования для кондиционирования воздуха и вентиляции.
ВНИИКондиционер. Харьков, 1979, с. 82 — 83.
8.19
Б.И. Бялый, Г.С. Куликов. Теоретическое исследование процессов тепловлажност-
ной обработки воздуха в пленочных камерах. — В кн.: Вентиляция и кондициони-
рование воздуха. Сб. №6. РПИ, г. Рига, 1973, с. 11 — 14.
Б.И. Бялый, В.А. Динцин, Н.Н. Павлов, А.В. Степанов. Приближенный расчет пле-
ночной камеры. // Водоснабжение и санитарная техника, 1972, № 10, с. 25—27.
283
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Б.И. Бялый, А.А. Яковенко. Исследование характеристик насадок регулярной струк-
туры в политропических режимах. - В кн.: Кондиционеростроение. Выпуск И,
ВНИИКондиционер, Харьков, 1982, с. 13 - 18.
А.Н. Гвоздков, В.Н. Богословский. Процесс влагообмена с позиции теории потенциа-
ла влажности. // Водоснабжение и санитарная техника. 1994, №3, с. 2 — 7.
В.А. Гоголин. Гидродинамические характеристики некоторых видов орошае-
мых регулярных насадок. — В кн.: Кондиционирование воздуха. НИИСТ, сб. 27.
М.: Стройиздат, 1969, с. 39 - 44.
З.Е. Голъденберг. Исследование новых типов распылителей и путей интенсификации
процессов тепло- и массообмена в камерах орошения кондиционеров. .Автореферат
диссертации. ЛВВИСКУ им. А.Н.Комаровского. Л.: 1974, — 33 с.
Э.Р. Гросман, В.О. Кремнев, И.П. Толстых, Л.Р. Уманский. Исследования процессов
низкотемпературного нагрева и увлажнения воздуха в центробежном тепломассо-
обменнике. // Водоснабжение и санитарная техника, 1983, №11, с. 9 — 10.
8.26 О.П. Евдокимов, А.В. Ревякин, В.С. Тарасов. Методика расчета барботажного увлаж-
нителя воздуха. // Водоснабжение и санитарная техника. 1972, №6, с. 32 — 35.
8.27 НС. Зерцалов. Совершенствование систем вентиляции и кондиционирования воздуха
на основе новых видов вентиляционных струй. — В кн.: Вентиляция, кондиционирова-
ние воздуха, холодоснабжение. Сб. докладов II съезда АВОК, т. II. М.: 1992, с. 88 — 91.
8.28 В.П. Ильин, Г.И. Хабиби. Исследование процессов адиабатического увлажнения воз-
духа в роторном контактном теплообменнике. // Водоснабжение и санитарная тех-
ника, 1976, № 9, с. 20 - 22.
8.29 В.М. Ильинский. Строительная теплофизика. «Высшая школа». М.: 1974. —319 с.
8.30 Э.И. Исявичюс, В.Ю. Незгада. Применение бытовых увлажнителей «Комфорт» для
доувлажнения воздуха на текстильных предприятиях. // Водоснабжение и санитар-
ная техника, 1980, №9, с. 23 - 25.
8.31 Э.И. Исявичюс. Кондиционирование в воздуха в устройствах с многократным
увлажнением. - В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха зданий и соору-
жений. Вып. 15. Рига, 1983, с. 80 - 86.
8.32 Ю.Н. Кигур. Приближенная оценка эффективности улавливания пыли в форсу-
ночных камерах кондиционеров. // Водоснабжение и санитарная техника, 1973,
8.33 А.С. Клюев и др. Наладка автоматических систем и устройств управления технологи-
ческими процессами: Справочное пособие. М.: «Энергия», 1977. — 356 с.
8.34 О.Я. Кокорин. Э.К. Боронбаев. Особенности обработки воздуха в насадке с перио-
дически орошаемыми каналами. // Водоснабжение и санитарная техника. 1976,
8.35 А.Н.Колмогоров. О логарифмический нормальном законе распределения размеров
частиц при дроблении. - АН СССР, т. XXXI, №2, М.: 1941, с. 450 - 454.
284
8.36 С.Ю. Кондрашов, С.М. Красильников. Сравнительная оценка режимов функциони- рования СКВ при различных методах увлажнения воздуха. // «Инженерные систе- мы», 2001, № 4, с. 32 - 37.
8.37 П.Г. Красномовец. Экспериментальные исследования увлажнения воздуха рассола- ми. - В кн.: Холодильная техника и технология. Вып. 23, Киев, 1976, с. 81 — 84.
8.38 П.Г. Красномовец, Н.П. Чумак. Исследования процессов адиабатического увлажне- ния воздуха рассолами при температурах, близких к нулю. — В кн.: Холодильная техника и технология. Вып. 25, Киев, 1977, с. 101 - 105.
8.39 О.А. Кремнев, А.Л. Сатановский, В.Я. Журавленке, Б.Н. Процышин и др. Результаты исследования пленочного тепломассообменного аппарата с неорошаемой враща- ющейся насадкой. - В кн.: Повышение эффективности работы СКВ в промыш- ленных и общественных зданиях. Груз. Респ. правление НТО Стройиндустрии. Тбилиси, 1977, с. 132- 135.
8.40 А.Я. Круминь. Оценка влажностного состояния орошаемой насадки. - В кн.: Теплогазоснабжение и вентиляция. (Тезисы докладов). Киев, 1969, с. 94 — 95.
8.41 С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. Гидравлика газожидкостных систем. Госэнер- гоиздат. М.-Л.: 1958.
8.42 В.П. Логачевский, Ю.Р. Ярмолович, А.В. Дорошенко. Определение смоченной поверх- ности насадки в контактных аппаратах. - В кн.: Холодильная техника и технология. Вып. 52. Киев, 1991, с. 65 - 69.
8.43 А. В. Лыков. Теоретические основы строительной теплофизики. — АН БССР, Минск, 1961. - 520 с.
8.44 А.В. Лыков. Тепломассообмен. (Справочник) «Энергия». М.: 1971. — 560 с.
8.45 Ю.В. Мальгин. Тепловлажностнаяобработкавоздухаультразвуковымувлажнителем.— В кн.: Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондиционирова- ния воздуха. ЛТИХП, Л.: 1980, с. 62 — 65.
8.46 Ю. В. Мальгин. Увлажнение воздуха водой, распыляемой в ультразвуковом фонтане. - В кн.: Холодильные машины и установки. /Межвуз. сб. научи, трудов. ЛТИХП. Л.: 1976, с. 166 -174.
8.47 Ю.В.Мальгин. Особенности усвоения водного аэрозоля при движении в воздухово- де. — В кн.: Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондициони- рования воздуха. /Межвуз. сб. научн. трудов. ЛТИХП, Л.: 1979, с. 95 — 99.
8.48 Ю.В. Мальгин. Предварительные оценки систем кондиционирования воздуха с ис- пользованием ультразвукового увлажнителя. — В кн.: Машины и аппараты холо- дильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха. /Меж. вуз. сб. научн. трудов. ЛТИХП, Л.: 1976, с. 129 - 134.
8.49 Ю.В.Мальгин. Номограмма для теплоэнергетического расчета ультразвуко- вого увлажнителя воздуха. - В кн.: Криогенная техника и кондиционирова- ние. / Исследование и совершенствование процессов и аппаратов. ЛТИХП, Л.: 1984, с. 142 - 144.
285
Процессы, аппараты и <
8.50 Л.Т. Матвеев. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Гидрометеоиздат,
Л.: 1984,-738 с.
8.51 Д.А. Мателенок. Охлаждение воздуха или оборотной воды в центробежных вентиля-
торах. Л., Профиздат, 1963.
8.52 И.С. Мельников. К вопросу исследования тепло- массообмена на поверхности ограж-
дающих конструкций. - В кн.: Исследования по строительной теплотехнике и кли-
матологии. Вып. 1, НИИСФ, Госстройиздат, М.: 1962, с. 5 — 17.
8.53 В.А. Михайлов. Насадки регулярной структуры для испарительных воздухоохладите-
лей. // Водоснабжение и санитарная техника. 1987, №2, с. 13 — 15.
8.54 Ф.А. Набиулин. Метод планирования экспериментов при исследовании насадок ре-
гулярной структуры. — В кн.: Кондиционеростроение. Вып. 5. ВНИИКондиционер,
Харьков, 1976, с. 17 — 19.
8.55 В.Ю. Незгада. Совмещение каплеотделения и воздухораспределения в устройствах для
увлажнения воздуха. // Водоснабжение и санитарная техника, 1990, №6, с. 11 —12.
8.56 В.Ю. Незгада. Распыление воды в электрическом поле совместно с ионизацией воз-
духа. // Водоснабжение и санитарная техника, 1989, №4, с. 25 — 26;
8.57 В.Ю. Незгада, Э.И. Исявичюс. Ионизация воздуха при зарядке капель в увлажни-
тельных устройствах. /Материалы физико-химической секции III Всесоюзной кон-
ференции по аэрозолям. — М.: «Наука», 1977.
8.58 В.Ю. Незгада, Э.Ф. Исявичюс. Технологическая и энергетическая оценка разных
способов разбрызгивания воды в СКВ. - В кн.: Повышение эффективности ра-
боты СКВ в промышленных и оба иях. Груз. респ. правление НТО
Стр< | 1 1977, с. 79 — 82.
8.59 Л.И. Неймарк. Допустимая плотность орошения в пленочных контактных аппара-
тах. // Водоснабжение и санитарная техника. 1979, №1, с.12 - 14.
8.60 Л.М. Никитина. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса
во влажных материалах. М.: «Энергия», 1968. — 500 с.
8.61 Г.И.Николадзе, Д.М.Минц, А.А.Касталъский. Подготовка воды для питьевого и про-
мышленного водоснабжения. (Учебное пособие). «Высшая школа», М.: 1984, — 367 с.
8.62 Г.К.Петерсон. Экспериментальные исследования СКВ, предназначенной для рабо-
ты в условиях дефицита воды. - В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха.
Сб. №6, РПИ, Рига, 1973, с. 101 - 110.
8.63 Л.В. Петров, Л.И. Короткова. Использование контактных аппаратов для повыше-
ния теплоэнергетической эффективности СКВ. - В кн.: Проблемы совершенство-
вания и развития оборудования для кондиционирования воздуха и вентиляции.
ВНИИКондиционер. Харьков, 1979, с. 72 — 76.
8.64 Л.В.Петров, Фам Куок Куан. Местный увлажнитель с адиабатическим охлаждением
воздуха. И Водоснабжение и санитарная техника, 1994, № 3, р, 16-17.
286
8.65 Пленочная тепло- и массообменная аппаратура. Процессы и аппараты химичес-
кой и нефтехимической технологии. /Под ред. В.М. Олеевского. - М.: «Химия»,
1988, с. 27-73.
8.66 М.Е. Позин, И.П. Мухленов, Э.Я. Тарат. Пенные газоочистители, теплообменники и
абсорберы. Госхимиздат. Л.: 1959.
8.67 М.Б. Раяк. Коэффициенты тепло- и массообмена при обработке холодного воздуха в
орошаемом калорифере. // Водоснабжение и санитарная техника, 1970, №7, с. 19 - 21.
8.68 М.Б. Раяк. Методика расчета совмещенных поверхностных тепообменников испари-
тельного охлаждения. // Водоснабжение и санитарная техника. 1968, №9, с. 14-16.
8.69 М.Б. Раяк. Влияние конструктивных и температурных условий на теплообмен в
орошаемых воздухонагревателях. // Водоснабжение и санитарная техника. 1977,
№1,с. 19-20.
8.70 П.А. Ребиндер. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: «Наука»
1966.-400 с.
8.71 А.А. Рымкевич. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кон-
диционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1990 — 300 с.
8.72 А.Г. Сотников. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции. —
Машиностроение, ЛО, Л.: 1984. - 240 с.
8.73 Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха. /Под
общей ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. Кн. 2, Стройиздат. М.: 1992 - 416 с.
8.74 А.В. Степанов, И.И Зингерман. Промывная камера как звено системы регулирова-
ния установок кондиционирования воздуха. — В кн.: Кондиционирование воздуха
промышленных и общественных зданий. ГИПРОНИИполиграф, Ташкент, 1970,
8.75 Е.В. Стефанов. Вентиляция и кондиционирование воздуха. ЛВВИСКУ им. А.Н. Ко-
маровского, Л.: 1982, - 474 с.
8.76 Е.В. Стефанов. Исследования аппарата с орошаемой сетчатой насадкой для конди-
ционирования воздуха. - Холодильная техника, 1966, №12, с. 17 - 20.
8.77 Е.В. Стефанов, В.Д. Коркин. Изменение температуры капель воды в оросительном
пространстве форсуночной камеры. - В кн.: Кондиционирование воздуха в про-
мышленных и общественных зданиях. Стройиздат. М.: 1970, с. 89 — 94.
8.78 Е.В. Стефанов, В.Д. Коркин, З.Е. Гольденберг. Исследование некоторых путей со-
вершенствования камер орошения кондиционеров. — В кн.: Проблемы совершенс-
твования и развития оборудования для кондиционирования воздуха и вентиляции.
ВНИИКондвентмаш. Харьков, 1974.
8.79 Е.В. Стефанов, З.Е. Голъденберг, В.Д. Коркин. О распределении капель при дробле-
нии жидкости распылителями. - ИФЖ, т. XXVHI, №3,1975, с. 430 — 434.
287
8.80 М.Г. Тарабанов и др. Энергосберегающие приточные вентиляционные уста-
новки на базе роторного пластинчатого тепломассообменника. // ЦБНТИ
Минмонтажспецстроя СССР. — Сб. экспресс-информации, серия «Монтаж сантех-
нических и вентиляционных устройств». Вып. 7, М.: 1984.
8.81 М.Г. Тарабанов, И.П. Заболотская, Г.Ю. Донцова. Применение роторного пластин-
чатого тепломассообменника для политропических процессов обработки воздуха. —
В кн.: Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондици-
онирования воздуха. Волгоград, 1986, с. 43 — 48.
8.82 Л.Я. Ткачук, В.А. Новак, Ю.М. Прыгунов. Снижение расхода тепла на вентиляцию в
производственных помещениях при туманообразовании. // Водоснабжение и сани-
тарная техника. 1981, № 10, с. 14 — 16.
8.83 В.И. Ушаков, Н.И. Панкратов. Влияние туманов и осадков на параметры кондици-
онируемого воздуха. // Водоснабжение и санитарная техника, 1976, №9, с. 22 — 24.
8.84 С.И. Фролов. Исследования схем автоматического регулирования относительной
влажности воздуха. — В кн.: Кондиционеростроение, вып. 5, ВНИИКондиционер,
Харьков, 1976, с. 26 — 32.
8.85 Ю.Н. Цветков, Ю.В. Мальгин. Ультразвуковой туманообразующий увлажнитель
воздуха. - В кн.: Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и
кондиционирования воздуха. Волгоград, 1986, с. 74 — 76.
8.86 И.А. Шепелев. Испарение и рост водяных капель в воздухе. // Водоснабжение и са-
нитарная техника. 1970, №7, с. 17 -18.
8.87 И.Р. Щекин, Н.Д. Мирончук. Регулирование расхода воздуха, проходящего по обвод-
ному каналу камеры орошения. // Водоснабжение и санитарная техника, 1973, №4,
с. 28 - 29.
8.88 И.Р. Щекин, Н.В. Наришный. Результатыисследованияиразработкивоздушно-отопи-
тельных агрегатов. - Вкн.: Кондиционеростроение. Вып. 12, ВНИИКондиционер,
Харьков, 1983, с. 26 - 29.
8.89 И.Р. Щекин, Н.В. Наришный. Исследования процессов испарения воды для увлаж-
нения воздуха в воздушных отопительных агрегатах. - В кн.: Повышение эффек-
тивности работы СКВ в промышленных и общественных зданиях. Груз. респ. прав-
ление НТО Строиицдустрии. Тбилиси. 1977, с. 89 — 92.
8.90 И.Р. Щекин, Н.В. Наришный. Создание и исследование воздушных отопительно-ув-
лажнительных агрегатов. — В кн.: Проблемы совершенствования и развития обо-
рудования для кондиционирования воздуха и вентиляции. ВНИИКондиционер.
Харьков, 1979, с. 121 - 122.
8.91 Экспертный отчет по оценке испарительного увлажнителя Munters FA6 в усло-
виях эксплуатации с использованием тестового микроорганизма Флавимонады
«(Flavimonas oryzihabitans)» Себастьян В. Леммен. Медицинский факультет RWTH
в г. Аахен, март 2002 г.
8.92 И.Ф. Юхно. Энергетическая эффективность камер орошения в режиме адиа-
батического увлажнения воздуха. - В кн.: Кондиционеростроение. Выпуск 2,
ВНИИКондвентмаш. Харьков, 1973, с. 47 - 49.
288
Глава 9
Подсистема очистки наружного и приточного воздуха'
9.1 Общая характеристика видов и задач очистки воздуха в СКВ и СВ
В технике вентиляции и кондиционирования воздуха существуют разнообразные
объекты и многообразные задачи очистки воздуха. Среди них:
1) Очистка наружного и рециркуляционного воздуха в приточных системах заключается
в уменьшении содержания атмосферных аэрозольных частиц, а для чистых технологий -
и микрофлоры. Требования к очистке принципиально отличаются для обычных и чистых
помещений - последнее намного сложнее. Поэтому обычную очистку (см. п. 9.4) можно
рассматривать как более частный и простой случай сложной многоступенчатой очистки,
рассмотренной в п. 9.5, а также в п. 2.2 книги автора - А.Г. Сотников «Автономные и спе-
циальные системы кондиционирования воздуха», AT-Publishing, СПб, 2005 240 с.
2) Очистка удаляемого воздуха в производственных зданиях и помещениях перед выбро-
сом в атмосферу весьма разнообразна в силу многоч и технологических процес-
сов, выделяющихся вредных веществ (более 2000 наименований), их физико-химических
свойств (см. прил. 9.1), массы выделений и др. Выбор систем очистки в этом случае произ-
водится согласно рекомендациям литературы и справочников [9.9,9.23, 9.28,9.30,9.32,9.39,
9.40,9.42, 9.51 и др.] и в данной главе не приводится в силу большой сложности проблемы и
многообразия методов и устройств очистки. Для очистки вентиляционных выбросов от мно-
гочисленных аэрозолей и паров используют разные типы пылеуловителей: гравитационные,
инерционные, «мокрые» фильтры (промыватели, пенные аппараты, абсорберы), тканевые,
электрические и др. Литература по этой проблеме обычно специализирована по видам про-
изводств (металлургия, шахты, химическая, атомная, пищевая и др. отрасли промышлен-
ности). В основе расчета систем промышленной вентиляции и систем очистки вентиляци-
онных выбросов (проект ПДВ) лежит знание свойств вредных веществ. Как характерный
пример на рис. 9.1 приводятся систематизированные данные об испаряемости во времени
различных растворителей, их смесей, лаков при различных разбавителей и упругости паров
химических веществ. Эти данные позволяют детально рассчитать массу этих испарений во
времени, систему очистки перед выбросом в атмосферу, разработать проект ПДВ и др.
3) Биологическая очистка воздуха [9.51] принципиально отличается от других и ос-
нована на жизнедеятельности микроорганизмов, населяющих биофильтры. В качестве
среды обитания микроорганизмов в биофильтре (насадке) применяют компост, землю,
торф, кору деревьев, пластмассу и др. Активность микроорганизмов зависит от темпе-
ратуры, влажности, кислотности среды, насыщения кислородом, наличия питательных
веществ. В результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит разложение
вредных веществ и превращение их в менее опасные. Например, при разложении углево-
дородов выделяется двуокись углерода СО2, а серосодержащих веществ — сера. Скорость
протекания биохимических реакций зависит от состава очищаемого воздуха, концентра-
ции в нем аэрозольных частиц, а также от вида, количества и активности микроорганиз-
мов. Биофильтры бывают поверхностные, многоярусные, компактные.
289
обг
г
Потеря массы, % S
Потеря массы, % 2
' 100%бутило-
Процесс очистки воздуха в биофильтре имеет несколько стадий. Воздух подвергается
предварительной очистке для снижения содержания аэрозолей до 5—10 мг/м3. В зависи-
мости от температуры очищаемого воздуха его предварительно нагревают или охлаждают.
Эффективность биофильтров достигает 99%, но для этого обязателен определенный тем-
пературно-влажностный режим.
4) Очистка воздуха от бактериальных загрязнений. Воздушная среда - один из основ-
ных путей передачи инфекции; значительная часть заболеваний связана с тем, что бо-
лезнетворные микробы проникают в организм из воздуха. Некоторые возбудители могут
распространяться только по воздуху (грипп, корь, ветряная оспа), для других этот способ
является основным или одним из возможных. Микроорганизмы, находящиеся в атмос-
ферном воздухе, численно характеризуются числом КОЕ (колониеобразующих единиц)
и подвержены воздействию внешней среды: ультрафиолетовой радиации, высушиванию,
увлажнению. Они перемещаются воздушным потоком, и их концентрация пропорцио-
нальна концентрации атмосферных частиц. Содержание микроорганизмов в атмосфер-
ном воздухе резко меняется в зависимости от района, природных условий, высоты над
поверхностью Земли и ряда других факторов; кроме того, оно меняется в течение года,
больше всего летом и осенью. Размер большинства болезнетворных бактерий О,4...1О мкм,
вирусов 0,01—0,5 мкм (см. далее рис. 9.14). Очистка воздуха от микрофлоры основана на
учете размеров частиц и фильтрах высокой и сверхвысокой эффективности (Ни U).
5) Дезинфекция воздуха основана на применении бактерицидных веществ, напри-
мер, хлоросодержащих (хлорамин и др. производных фенола и т.д.). Эти вещества дейс-
твуют в основном в парообразном состоянии, их концентрация должна быть близкой к
насыщению. Бактерицидное вещество конденсируется на поверхности бактериальных
частиц, вступает в контакт с микроорганизмом и вызывает его гибель. Чем выше его кон-
центрация, тем выше эффективность бактерицидного действия таких веществ.
6) Парфюмеризация воздуха - процесс в известном смысле противоположный дезо-
дорации. Есть примеры придания запахов при обработке воздуха в центральных конди-
ционерах, например, при демонстрации кинофильмов в дорогих кинотеатрах США для
291
Сотников А. Г.
усиления эффекта присутствия. Постоянная смена запахов затруднена в связи с инерци-
онностью процесса при наличии мягкой мебели и поглощением ею запахов.
7) Искусственная ионизация и озонирование - обеспечение ионного состава возду-
ха [9.49], благотворного для жизнедеятельности человека [9.12], лечебных целей и др.
(рис. 9.2), здесь имеются в виду легкие отрицательные ионы. В процессе искусственной
ионизации пылевые частицы, взаимодействующие с ионами, получают электрический
заряд; при противоположном знаке зарядов частицы сталкиваются и укрупняются. Из
рис. 9.2 следует, что при использовании озонирования заметно уменьшаются жалобы лю-
дей на духоту, несвежесть воздуха, утомляемость, раздражительность, головные боли и
головокружение, с другой стороны, ощущения людей связаны с расходом наружного воз-
духа. Подробнее вопросы ионизации см. далее, п. 9.3.
8) Очистка воздуха от радиоактивных загрязнений. Под радиоактивными аэрозолями
понимают частицы, взвешенные в воздушной среде и содержащие вещества, самопроиз-
вольно распадающиеся и являющиеся источником радиоактивного излучения. Они обра-
зуются в результате диспергирования (измельчения) твердых или жидких радиоактивных
веществ либо в процессе конденсации паров радиоактивных веществ. Специфическим
способом их появления является облучение неактивных частиц и конденсация (или ад-
сорбция) радиоактивных веществ на поверхности неактивных частиц. Радиоактивные
аэрозоли могут включать частицы как естественного, так и искусственного радиоактив-
ного вещества как с малым, так и большим периодом полураспада. Обычно радиоактив-
ные частицы находятся в смеси с неактивными, причем последних, как правило, больше.
Первые отличаются от вторых биологическим действием, электрическими свойствами,
а таю ии особенностями своего образования. Первоначально человек стол-
292
9.2
Основы восприятия запахов человеком и проблемы дезе
кнулся с воздействием радиоактивных аэрозолей при добыче урановой руды. Еще более
опасными оказались аэрозоли, возникающие при получении радия.
Защита от радиоактивных аэрозолей происходит тремя путями: ограничением воз-
можности их образования, ограничением распространения и эффективной очисткой уда-
ляемого воздуха от аэрозолей. В частности, применяют герметизацию объемов, в которых
производят работу с радиоактивными аэрозолями (боксы, камеры и др.), поддерживают
в них пониженное давление и используют дистанционные манипуляторы. Для улавлива-
ния радиоактивных аэрозольных частиц производят эффективную очистку в современ-
ных фильтрах, обычно многоступенчатую.
9.2 Основы восприятия запахов человеком и проблемы дезодорации
в системах кондиционирования воздуха
Дезодорация воздуха - это удаление из воздуха неприятных запахов, которые могут
вызывать ощущение тошноты, подавленности, головную боль и др. Вещества - носите-
ли неприятных запахов могут находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях.
Пороговая концентрация вещества (см. табл. 9.1) — это такая, при которой человек начи-
нает ощущать его запах.
Таблица 9.1 Пороговые концентрации некоторых химических веществе воздухе
Вещество Пороговая концентрация, млн -1 Характеристика запаха
Уксусная кислота 1,о Кислый
Ацетон 100 Химически сладкий
Монометиламин 0,021 Рыбный, едкий
Триметиламин 0,0021 Рыбный, едкий
Аммиак 46,8 Острый
Сероуглерод 0,21 Зловонный
Хлор 0,314 Резкий, едкий
Дифенилсульфвд 0,0047 Горелый, резиновый
Формальдегид 1,0 Сено- или соломоподобный
Сероводород 0,00047 Тухлых яиц
Метанол 100 Сладкий
Хлористый метилен 214 Химически сладкий
Фенол 0,47 Лекарственный (карболка)
При нахождении в воздухе нескольких газов, вызывающих неприятные ощущения,
обоняние человека воспринимает присутствие лишь одного газа, обладающего самым
сильным запахом, остальные газы он маскирует. Привыкание к запаху является нежела-
тельным явлением, поскольку у человека нарушается сигнальное действие раздражителя:
речь идет о процессе торможения в корковой части обонятельного анализатора. Оценка
запахов во многом носит субъективный характер. До последнего времени нет четкой и
однозначной классификации запахов и связи с химическим составом пахучих веществ.
Например запахи можно классифицировать таким образом:
1) острый, как, например, у гвоздики;
2) цветочный, как, например, у герани;
293
3) фруктовый, как, например, у апельсинового масла;
4) смолистый, как, например, у скипидара или эвкалиптового масла;
5) горелый, как, например, у дегтя;
6) гнилостный, как, например, у сероводорода.
Различают четыре свойства запаха, поддающиеся измерению: интенсивность, распро-
страняемость (диффузия), качество и приемлемость. Применяется ряд методов устранения
неприятных запахов: озонирование, абсорбция, адсорбция, каталитическое сжигание,
биологическая очистка, маскировка запахов и др. Эффективное уничтожение запахов до-
стигают при обработке дурно пахнущих паров диоксидом хлора.
Дезодорация воздуха — борьба с запахами [9.20] — способствует созданию в помеще-
ниях комфортных условий и позволяет уменьшить количество подаваемого в помещение
чистого наружного воздуха, снижая капитальные и эксплуатационные расходы на сис-
темы кондиционирования воздуха. Существует ряд теорий, объясняющих ощущение за-
пахов, но ни одну из них нельзя считать достаточно обоснованной. Отсутствует и единая
общепринятая классификация запахов.
Обонятельные ощущения человека подчиняются закону Вебера-Фехнера, согласно
которому интенсивность ощущения запаха пропорциональна логарифму его концентра-
ции. Повышение относительной влажности воздуха снижает остроту обоняния, а изме-
нение температуры влияет незначительно. Комплексные зависимости, характеризующие
проблему дезодорации воздуха в системах кондиционирования и вентиляции, представ-
лены на рис. 9.3 по данным [9.20]. В частности, адаптация органов обоняния человека к
запахам происходит по зависимости, показанной на рис. 9.3, о. Другие стороны процесса
дезодорации - эффективность удаления запахов из воздуха и эффективность нейтрали-
зации запаха показаны на рис. 9.3, б, в.
Запахи адсорбируют на различных поверхностях по-разному и это необходимо учи-
тывать при выборе материалов для отделки помещений. Измерения, связанные с изуче-
нием запахов, можно разделить на две категории:
• органолептические измерения качества и интенсивности запахов, т.е. измерения, ос-
нованные на субъективных ощущениях;
• качественные и количественные физико-химические анализы пахучих веществ.
Органолептические измерения производят >ванием группы тренирован-
ных людей, на основании индивидуальной оценки которых дается заключение о запа-
хе. Степень восприятия запахов при этом характеризуется по сенсорным шкалам или по
«числу порогов».
Измерения второй категории основываются на микроаналитических методах, напри-
мер, измерения методом газовой хроматографии.
Для борьбы с запахами используют:
• вентиляцию помещений чистым наружным воздухом;
• сорбцию газов и паров активированным углем или распыленной водой;
• нейтрализацию запахов;
• маскировку запахов;
• химическое уничтожение запахов путем озонирования или сжигания.
Вентиляция — один из наиболее старых и простых методов борьбы с запахами, одна-
ко она требует больших расходов теплоты и холода на подогрев и охлаждение наружного
воздуха. Так, например, для удаления запахов в жилых и общественных зданиях количес-
тво чистого воздуха, приходящееся на одного человека, может достигать 60 м3/ч.
294
9.2
Основы восприятия запахов человеком и проблемы дезодорации в системах конд
Время воздействия,т, мин
Рис. 9.3. Основные зависимости, характеризующие проблему дезодорации воздуха в сис-
темах кондиционирования и вентиляции:
а — интенсивность восприятия запаха табачного дыма и степень вызываемого
ности воздуха при постоянной температуре воздуха 21 °C и воздухообмене 24м3/ч
на одного курящего. 1,2,3—интенсивность запаха при относительной влажнос-
ти воздуха соответственно 30%, 47%, 65%, 4, 5, 6— степень раздражения при
2— в фильтре из активированного угля при толщине слоя — 19мм (одорант —
четыреххлористый углерод); 3 —в фильтре из активированной окиси алюминия
с перманганатом калия, толщина слоя — 25мм (одорант — дым табака).
в - эффективность нейтрализации запаха чеснока дезодорантом при темпера-
туре воздуха 21,1 °C и относительной влажности 55%: а — запах дезодоранта;
б—запах чеснока; в — смесь обоих. Степень интенсивности запаха: 1 — запах не
ощущается; 2 — запах едва ощутим; 3 — запах ощущается определенно.
295
Очистка воздуха от запахов в фильтрах из активированного угля ос)гована на свойстве угля
адсорбировать большинство газов и паров. Эффективность очистки воздуха этими фильтра-
ми зависит от свойств одоранта и скорости потока воздуха и достигает обычно 95—99%.
Для очистки воздуха применяются угли с большой удельной поверхностью, например,
угли из скорлупы кокосовых орехов и персиковых косточек. Эффективным адсорбентом
считается слой из нитей, изготовленных из 80% активированного угля и 20% вискозы.
Фильтры из таких нитей обладают незначительным сопротивлением проходу воздуха.
В системах кондиционирования воздуха продолжительность адсорбции запахов
угольными фильтрами (время между фазами десорбции) длится обычно месяцами, иног-
да даже 1-2 года. Зная количество газов или паров, выделяющихся в единицу времени, и
активность угля по отношению к ним, можно вычислить продолжительность адсорбции
(работы) фильтра.
Если в помещении выделяется G г/ч газа или пара, а вводится LH м3/ч наружного воз-
духа, то количество рециркулирующего воздуха Lp, которое необходимо очищать в филь-
тре до предельно допустимой или пороговой концентрации, составляет:
а продолжительность работы угольного фильтра:
где Е - эффективность очистки воздуха угольным фильтром; с — предельно допус-
тимая или пороговая концентрация газа в мг/м3; М - масса активированного угля в кг;
ag — динамическая активность угля в кг/кг.
Определение количественного и качественного состава одорантов, состоящих из
многих компонентов, а также активности угля по отношению к ним часто представля-
ет на практике большие трудности. В таких случаях расчет продолжительности работы
фильтра и определение необходимого количества активированного угля основываются
на приближенных методах.
Количество активированного угля из скорлупы кокосовых орехов при 50-минутной ак-
тивации, необходимое для очистки от запахов различных помещений из расчета на одного
человека при продолжительности работы фильтра один год, составляет от 0,5 до 3 кг/год.
Дезодорация воздуха активированным углем обеспечивает задержание большинства
газов и паров, вызывающих запахи, и возможность рекуперации ценных продуктов при
многократном использовании угля. Дезодорация рециркуляционного воздуха активиро-
ванным углем вместо вентиляции помещения дает годовую экономию тепла и холода.
Основными недостатками дезодорации воздуха активированным углем являются не-
обходимость его периодической регенерации, предварительной очистки воздуха от пыли
и других взвешенных частиц и сравнительно высокая стоимость угля. За рубежом практи-
куют дезодорацию путем промывки воздуха в оросительных камерах и орошаемых слоях
водой или водяными растворами гликоля и перманганата калия. Количество абсорбиро-
ванного одоранта зависит от его растворимости в абсорбенте, поверхности массообмена
и скорости воздушного потока через абсорбер. Эффективность очистки воздуха абсорб-
цией колеблется в пределах 15-60%.
Многие бытовые запахи сравнительно хорошо растворимы в воде, поэтому для сис-
тем кондиционирования воздуха рекомендуют мокрый способ обработки воздуха. На
рис. 9.3, б показана эффективность нейтрализации запахов из воздуха сухими и мокрым
296
способами. Сравнивая эффективность дезодорации воздуха угольными фильтрами с де-
зодорацией или его промывкой в водном растворе гликоля, видим, что очистка воздуха
угольным фильтром эффективна только при низких скоростях воздушного потока. При
скоростях воздуха выше 1,3 м/с более эффективна очистка в водном растворе гликоля.
Способ нейтрализации запаха основан на свойстве некоторых пахучих веществ при вза-
имном смешении в определенных пропорциях понижать уровень запаха или даже совер-
шенно его уничтожать. Предполагается, что нейтрализация запахов происходит в резуль-
тате физических процессов между молекулами или атомами, а не в результате химических
реакций. Примерами могут служить вещества, запахи которых взаимно нейтрализуются:
иодоформ-аммиак, каучук-воск, пиридин-скатол, гваякол-валериановая кислота и др.
Нейтрализация запахов — экономичный и перспективный способ дезодорации воздуха.
Применение этого способа затруднительно при запахах, вызванных многими компонен-
тами, а также при непостоянном характере их выделения.
В некоторых случаях эффективным методом дезодорации может оказаться маскировка,
при которой неприятный запах покрывается другим, так что в результате появляется ощу-
щение нового запаха, обычно приятного. Следует подчеркнуть, что маскирующий агент не
изменяет первоначальный запах, а только покрывает его на время выделения первого.
Если запахи несовместимы, то маскирующий одорант в смеси с первоначальным
может дать третий, более неприятный запах. Концентрация маскирующего одоранта
не должна превышать величины, при которой он сам по себе становится неприятным.
Недопустима маскировка запахов, в состав которых входят ядовитые вещества. За рубе-
жом выпускают различные модификации деодорантов, состоящих из многих компонен-
тов, действие которых основывается на совместном эффекте нейтрализации, маскировки
и химических реакций.
В состав дезодорантов входят некоторые эфирные масла, хлорофилл и активные хи-
мические вещества, которые вступают в соединение с молекулами веществ, вызывающих
запахи. Как показывает зарубежный опыт, при помощи таких дезодорантов весьма эф-
фективно могут быть ликвидированы некоторые бытовые запахи и запахи в накуренных
помещениях (рис. 9.3, а, в).
Растворы с нейтрализующими или маскирующими агентами распыляют сжатым воз-
духом в воздуховодах систем кондиционирования воздуха или непосредственно в самих
помещениях. Такие специальные дезодоранты изготовляют в виде контейнеров, в кото-
рых размещены нейтрализующие или маскирующие агенты в желеобразной форме и че-
рез которые загрязненный воздух из помещения продувается вентилятором.
Многие вещества, издающие запахи, являются сложными, химически нестойкими
соединениями и поэтому их можно легко разложить при помощи сильных окислите-
лей, например, озона. Однако озон в больших концентрациях вреден для здоровья и
предельно допустимая концентрация его составляет 0,1 мг/м3, что недостаточно для
разрушения большинства запахов. В связи с этим озонирование используется в основ-
ном в помещениях для хранения различных продуктов, а также для ликвидации запа-
хов в вентиляционных выбросах. В США разработан новый химическим метод борьбы
с запахами путем пропускания воздуха через фильтры из гранул перманганата калия,
нанесенного на активированную окись алюминия. Последняя адсорбирует из воздуха
воду, газы и пары, вызывающие запахи, а перманганат калия окисляет их, превращая
в вещества без запахов. Вместо активированной окиси алюминия в качестве субстрата
могут быть применены силикагель или активированные глины. Важно, чтобы субстрат
не реагировал с перманганатом калия.
297
При окислении веществ, вызывающих запахи, количество перманганата калия умень-
шается, и в результате образуется двуокись марганца бурого цвета. На рис. 9.3, б показа-
на эффективность использования такого фильтра в зависимости от скорости воздуха при
очистке от запаха при курении. Преимуществом описанного метода борьбы с запахами
является отсутствие необходимости добавлять деодорант к очищаемому воздуху, так как
запахи уничтожаются в самом фильтре, и невысокая стоимость фильтра, а недостатком —
большое сопротивление проходу воздуха и невысокая эффективность дезодорации.
9.3 Искусственная ионизация воздуха как показатель качества воздушной среды*
(гигиенические, медицинские и технические аспекты)
9.3.1 Ионизированный воздух как облигатный (обязательный) фактор среды. Наличие в
воздухе достаточной концентрации легких ионов является одним из важнейших аспектов
качества воздуха и «здоровой» среды обитания в целом. Дыхание является ключевым звеном
в жизнеобеспечении организма, посредством дыхания организм поддерживает гомеостаз**
и осуществляет энергообмен с внешней средой. Нормальное течение метаболических*** и
репаративных**** процессов (на всех без исключения уровнях, начиная с молекулярного)
во многом определяется присутствием легких аэроионов (ЛАИ) во вдыхаемом воздухе.
Здоровье человека в целом и репродуктивное здоровье, в частности, зависят от вы-
раженности аэроионного фактора в окружающем и во вдыхаемом воздухе. Длительный
и тем более хронический дефицит легких ионов в воздухе может приводить к серьезным
нарушениям здоровья.
Установлено, что по критерию летального (смертельного) действия на Е. Coli (ки-
шечная палочка), аэроионы (АИ) в 8 раз менее эффективны, чем ультрафиолетовое об-
лучение (УФО), и в 700 раз слабее рентгеновских лучей [9.52]. Тем не менее, результаты
многочисленных (в т.ч. классических) экспериментов убеждают в наличии чувствитель-
ности живых организмов (на всех без исключения уровнях организации живой материи) к
аэроионам. Кроме того, получены убедительнейшие данные, свидетельствующие об оче-
видном профилактическом и терапевтическом эффекте особых режимов аэроионизации
не только в эксперименте, но и в клинике, что несомненно поддерживает практический
интерес к проблеме. Также отмечен факт наличия индивидуальной чувствительности вы-
сших организмов к действию аэроионов, варьирующейся в широких пределах и завися-
щей от множества факторов внешнего и внутреннего характера и от их взаимодействия.
Результаты многочисленных отечественных и зарубежных исследований воздушной сре-
ды непроизводственных (жилых, офисных, административных, спортивно-оздоровительных и
вд.) помещений демонстрируют, что уровни основных загрязнителей воздуха внутри помеще-
ний превышают таковые в наружном воздухе в 2-5 раз, при отсутствии эффективных систем
вентиляции это превышение достигает 70-100 раз. Человек, длительное время пребывающий
в таких условиях, подвергается хроническому воздействию множества токсичных агентов.
Современные системы вентиляции и кондиционирования способны в целом решить проблему
очистки воздуха от основных фракций аэрозолей (пыли) и, частично, - от газообразных пол-
лютантов, а также поддерживать оптимальные параметры микроклимата в помещениях.
298
9.3
i как показатель качества воздушной среды
При этом некоторые параметры воздушной среды, как правило, остаются без вни-
мания специалистов по управлению качеством воздуха помещений. Подвергаясь филь-
трации и проходя по протяженным вентиляционным воздуховодам, атмосферный воздух
теряет ионы и озон. Деионизированный и деозонированный воздух «денатурирован», лишен
нативных (природных) свойств. Далее процитируем по этому вопросу Ю.Д. Губернского и
М.Т. Дмитриева [9.12, 9.13,9.14,9.27]:
«До настоящего времени широко распространено представление о том, что поддержание
на оптимальном уровне таких микроклиматических параметров, как температура воздуха,
влажность и подвижность воздуха, радиационный режим, уже полностью обеспечивает бла-
гоприятные условия для человека в закрытых помещениях. Однако в кондиционируемых поме-
щениях служащие жалуются на головные боли, повышенную утомляемость, снижение рабо-
тоспособности, плохое самочувствие. Анализ заболеваемости служащих административных
зданий, оборудованных системой кондиционирования воздуха, подтвердил объективность
этих жалоб: заболеваемость гриппом, острыми респираторными заболеваниями, сердечно-
сосудистыми болезнями у служащих, работающих в здании с кондиционированием воздуха,
была выше, чем у служащих, работающих в помещениях с обычной системой естественной и
искусственной вентиляции...
...Нами впервые был установлен факт, что в кондииионированном воздухе практичес-
ки полностью отсутствует атмосферный озон. Присутствие озона в атмосферном воздухе
(в зеленых массивах, на берегу моря) обычно рассматривается как показатель его чистоты и
свежести. Естественно, что ставить вопрос о положительном биологическом воздействии
атмосферного озона можно лишь при его природных концентрациях, которые значительно
ниже предельно-допустимой концентрации (ПДК), равной 100мкг/м3. Кроме того, в литера-
туре уже свыше полувека высказываются предположения, что воздушный комфорт в закры-
тых помещениях определяется количеством и качеством ионов. Углубленное изучение озон-
но-ионного режима зданий, оснащенных различными системами воздухоснабжения, показало
следующее:
...наибольшие потери озона имеют место в процессе обработки воздуха на различных
этапах кондиционирования, вследствие чего в помещениях концентрация его уменьшается в
300—400раз по сравнению с содержанием его в атмосферном воздухе».
Синдром закрытых помещений, синдром больного здания часто проявляется у работни-
ков современных офисов, где созданы наиболее благоприятные условия, в т.ч. по критерию
темпсратурио-влажностного состояния и чистоты воздуха. Сегодня очевидно, что дефицит,
а чаще отсутствие легких ионов и озона в воздухе закрытых помещений является основной
причиной возникновения недомоганий, головных болей, головокружений, хронической уста-
лости, расстройств сна, частых простудных заболеваний, аллергических проявлений у людей,
пребывающих длительное время в закрытых, хотя и хорошо вентилируемых помещениях.
Человек эволюционно адаптирован к воздуху, который называют чистым, свежим,
целебным, те. к природному воздуху, обладающему определенными физико-химически-
ми свойствами и содержащему, как это ни парадоксально звучит применительно к воз-
душной среде, энергоносители. К таким природным энергоносителям относятся легкие
ионы кислорода отрицательного заряда (отрицательные аэроионы) и озон - т.н. активные
формы кислорода (АФК), присутствие которых во вдыхаемом воздухе даже в невысоких
концентрациях придают ему особое ощущение свежести. АФК являются катализаторами
биологических процессов на всех без исключения уровнях организма (начиная с молеку-
лярного) и необходимы для его нормального (здорового) функционирования.
299
Ионизация воздуха - процесс превращения нейтральных газовых атомов и молекул в
ионы под действием источника ионизации (ионизатора). Ионизаторы вызывают отрыв от
внешних электронных оболочек атома одного или нескольких электронов. Атом, поте-
рявший электрон, становится (+) ионом, при этом свободный электрон быстро присо-
единяется к другому нейтральному атому, сообщая ему отрицательный, (—) заряд, и он
становится (-) ионом. Таким образом каждый акт ионизации создает пару противопо-
ложно заряженных первичных ионов. Эти первичные ионы крайне малы по размерам и
очень нестойки. Они быстро увеличиваются и тяжелеют, когда к ним присоединяется не-
сколько нейтральных газовых молекул (до 15—30 шт), что приводит к образованию легких
ионов, молекулярные размеры которых невелики (не превышают 10-8см). Легкие ионы
могут быть как (-), так и (+) заряда.
В случае когда легкие газовые ионы оседают на постоянно присутствующих в воздухе
ядрах конденсации (пыль, аэрозоли), образуются вторичные ионы, называемые тяжелы-
ми. Это комплексы большого числа молекул с одним элементарным зарядом. Их молеку-
лярные размеры не превышают 10-5 см. Тяжелые ионы впервые описаны П. Ланжевеном
в 1905 г. [9.54]. Среди вторичных ионов условно выделяют группу средних ионов, разме-
ры которых находятся в интервале 10-8 — 10-5 см. Их образование возможно только при
определенных условиях влажности воздуха. Молекулярные размеры аэроионов составля-
ют: легких — <10-8 см; тяжелых — <10-s см; средних — 10*8 — 10 5 см.
Тяжелые аэроионы могут представлять собой просто наэлектризованные твердые
или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Такие частицы называются псевдоаэроио-
нами. Группа тяжелых аэроионов постепенно переходит в группу сверхтяжелых аэроио-
нов - аэрозолей. Аэрозоли - это частицы незаряженные или заряженные электричест-
вом (+) или (—) знака. Они возникают от копоти, дыма, пыли, пара и т.д. Такие частицы
могут нести на своей поверхности большое число элементарных электрических зарядов
и не нести ни одного истинного газового иона. Имеется принципиальное отличие меж-
ду аэроионами и заряженными аэрозолями при одинаковой полярности заряда тех и
других. Частица аэрозоля отрицательной полярности — это частица, поверхность кото-
рой адсорбировала электрон (или несколько электронов), а не отрицательные аэроио-
ны воздуха. Таким образом, электроаэрозоли (или псевдоаэроионы) могут различаться
по своему физическому состоянию и химическому составу и в корне отличаются от ис-
тинных атмосферных газовых аэроионов.
Когда говорят, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая (очень небольшая)
часть газовых молекул воздуха несет электрический заряд отрицательного или положи-
тельного знака. При нормальных условиях в 1 см3 воздуха содержится 2,7-Ю19 молекул,
при этом число легких аэроионов обоих знаков не превышает 1000 — 3000.
Как легкие, так и тяжелые аэроионы обладают подвижностью. Приобретенная ско-
рость перемещения в электрическом поле [9.2,9.41] при градиенте потенциала 1 Вна 1 см
составляет для: легкихионов-1—2 см/с-(В/см); средних-1—0,001 см/с-(В/см); тяжелых-
0,001 — 0,00025 см/с-(В/см); аэрозолей - <0,00025 см/с-(В/см).
Подвижность ионов зависит от свойств газовой среды, где происходит их образование.
В сухом воздухе при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении под-
вижность (—) легких ионов выше таковой (+) легких ионов. Количество и подвижность
аэроионов обусловливает электропроводность воздуха, которая практически полностью
(на 97-99%) определяется легкими ионами. Электропроводность воздуха - крайне непос-
тоянная величина, чутко реагирующая на малейшие изменения погоды [9.37]. Основной
величиной, характеризующей степень ионизации воздуха, является объемная (удельная)
300
плотность аэроионов, т.е. число ионов того и другого знака в 1 см3 воздуха. Эта же величи-
на называется концентрацией аэроионов и выражается в ион/см3.
Число легких аэроионов обозначается соответственно п+ и п-. Сумма аэроионов
обоих знаков обозначается п±. Концентрация легких аэроионов варьируется в разных
географических точках планеты, а также зависит от времени года, погодных и геофизи-
ческих условий в одних и тех же регионах и характеризует степень чистоты воздуха в насе-
ленных пунктах и в помещениях. В сельских и приморских районах концентрация легких
аэроионов достигает 800 — 1400 ион/см3, в горах — нескольких тысяч в зависимости от
высоты над уровнем моря, на улицах больших городов - не превышает 100-200, а вбли-
зи некоторых запыленных и загазованных магистралей - несколько десятков ион/см3.
Число тяжелых ионов может достигать десятков и сотен тысяч в зависимости от степени
загрязненности воздуха [9.26].
Другими важными характеристиками аэроионного режима являются коэффициент
униполярности У:
а также коэффициент полярности П, как отношение разности числа ионов п+ и п~ к их
сумме:
П = (п* — п~)/(п+ + л).
При равенстве числа (+) и (-) ионов У = 1, а Я = 0. В естественных условиях ио-
низация воздуха носит биполярный характер, т.е. в воздухе присутствуют ионы обоих
знаков [9.4].
9.3.2 Химическая природа аэроионов. Из всех составляющих атмосферу элементов
лишь кислород может легко образовывать ионы обоих знаков. При этом в зависимости
от вида и интенсивности воздействия источника ионизации, а также характеристик воз-
душной среды (температура, влажность, давление) ионизация кислорода может происхо-
дить по разному (электронный удар, диссоциативный захват, радиационный захват ит.д.).
Здесь необходимо иметь в виду, что данные процессы описывают механизмы возникно-
вения истинных первичных аэроионов, которые очень нестойки. Сразу после появления
первичных ионов к ним присоединяются нейтральные газовые молекулы (в основном
кислорода в условиях чистого воздуха), образуя легкие ионы.
Искусственная ионизация, осуществляемая с использованием мощных источников
энергии, способна провоцировать иной химический состав аэроионов. В этом контексте
крайне важно понимать, что в условиях загрязненного воздуха (в особенности, на произ-
водстве) искусственная ионизация воздуха недопустима, т.к. газы и аэрозоли, присутствую-
щие в воздухе некоторых производственных помещений (зачастую в очень высоких кон-
центрациях) будут образовывать тяжелые ионы и конгломераты с легкими ионами, что
негативно скажется на здоровье человека.
Следует отметить, что тяжелые ионы, образующиеся на основе легких кислород-
ных ионов, могут иметь самую разнообразную химическую структуру в зависимости от
степени загрязненности воздуха: (-) заряд несут тяжелые ионы металлов и их оксидов,
вещества основного характера, в частности щелочи, (+) заряд присущ веществам кис-
лотного характера (пары кислот, многие окислы), а также дыму, угольной и почвенной
пыли. Бытовая пыль и водяные пары приобретают различный знак заряда в зависимости
от степени дисперсности.
Источники образования аэроионов. В естественных природных условиях первичные
ионы образуются в основном под воздействием ионизирующего излучения (поэтому оно
301
Процессы, аппараты и <
и названо ионизирующим). Все остальные источники, приводимые в литературе, как то
дожди, морские прибои, водопады, снежные и пылевые бури более способствуют усиле-
нию образования псевдоаэроионов, в частности, электроаэрозолей. Ультрафиолет солн-
ца практически не вызывает ионизацию воздуха в приземных слоях атмосферы, грозо-
вые разряды в большей степени провоцируют выработку озона и азотистых соединений.
Достаточной энергией для ионизации кислорода обладает в верхних слоях атмосферы
жесткое космическое излучение (вызывающее полярное сияние), а над поверхностью
земли — радиоактивные эманации почвы и горных пород, являющиеся продуктами рас-
пада уран-радиевой цепочки.
Технологическая ионизация происходит при воздействии на воздушную среду мощных
источников радиоактивного, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, термоэмис-
сии, фотоэффекта и др. В производственных условиях выраженная ионизация отмечена
прежде всего вблизи электроустановок высокого напряжения, при газо- и электросварке, в
литейных цехах, в некоторых химических производствах, на ядерных объектах.
Процессы уничтожения аэроионов. Как в атмосфере, так и в любом помещении про-
цесс новообразования протекает постоянно (в той или иной степени выраженности) за
счет постоянного присутствия источника ионизирующего излучения. Наряду с новооб-
разованием постоянно происходит естественное ионоуничтожение. Основным процес-
сом, уничтожающим ионы, является их рекомбинация - т.е. взаимная нейтрализация ио-
нов противоположных зарядов за счет их взаимного электростатического притяжения.
Образующиеся нейтральные (по заряду) молекулы уже не влияют на электропроводность
воздуха. Скорость рекомбинации зависит от числа столкновений, которое пропорцио-
нально квадрату числа ионов, присутствующих в данном объеме воздуха. Поэтому если
источник ионизации функционально слабо выражен, то процесс рекомбинации вскоре
уничтожит все ионы, и воздухпотеряет способность к электропроводности. Рекомбинация
может происходить как между легкими ионами, так и между легкими и тяжелыми.
Вторым по значимости процессом, снижающим число подвижных ионов, является
адсорбция - оседание ионов на различного рода поверхностях, в основном металличес-
ких или иных, обладающих электростатическим притяжением. В этом — главная причина
практического отсутствия аэроионов в помещениях со значительным количеством рабо-
тающей электротехники, в частности, в компьютерных комнатах.
Срок жизни легких ионов длится от единиц до десятков секунд (в отдельных случаях
не более сотен), в зависимости от степени чистоты воздуха и множества сопутствующих
факторов. Тяжелые ионы живут дольше - до нескольких часов и даже суток, что важно
учитывать в контексте их пагубного влияния на здоровье.
9.3.3 Нормализация ионно-озонного режима помещений. Искусственная ионизация и
озонирование воздуха («реактивация воздуха») в последние годы все шире используется
для улучшения качества воздушной среды жилых и офисных помещений, а также в оз-
доровительных целях в лечебно-профилактических учреждениях. Задача нормализации
ионно-озонного режима помещений сводится к обеспечению в воздухе помещения кон-
центраций АФК, близких к природным.
Действующие в РФ для воздушной среды помещений максимально допустимый
уровень аэроионов - 50000 ионов/см3 (каждой полярности) [9.36], предельно допусти-
мая концентрация для озона — 100 мкг/м3 [9.6]. При высоких концентрациях озон, яв-
ляющийся самым мощным естественным окислителем, становится крайне токсичным,
а перенасыщение вдыхаемого воздуха легкими отрицательными кислородными ионами,
302
являющимися супероксид-анион радикалами, чревато разбалансировкой электрофизи-
ологических параметров организма и нарушением нейроэндокринных и биохимических
регуляторных механизмов.
Когда говорят, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая (очень неболь-
шая) часть газовых молекул воздуха несет электрический заряд отрицательного или
положительного знака. Чистый атмосферный воздух приморских районов и лесных
массивов насыщен легкими кислородными ионами каждого знака в концентрациях
1000 — 5000 ион/см3, озоном — 20 — 40 мкг/м3. При создании в помещении с помощью
аппаратов искусственной ионизации и озонирования воздуха природного уровня АФК
имеется полная гарантия исключения неблагоприятных эффектов для здоровья чело-
века и животных. С психологической точки зрения целесообразно не превышать при
этом порог ощущения запаха озона, который может значительно варьироваться в зави-
симости от индивидуальной чувствительности, но в среднем составляет 18-20 мкг/м3;
тогда «реактивация» не будет восприниматься людьми как принудительное измене-
ние химического состава воздуха. Оптимальным является создание в зоне дыхания
человека концентрации легких аэроионов отрицательного заряда 1000-3000 ион/см3,
озона — 10 — 15 мкг/м3.
Искусственная ионизация воздуха. Из множества изобретенных в XX в. аэроионизато-
ров самой различной конструкции и разнообразного принципа действия (ионизаторы с
применением воды, на основе термоэлектронной эмиссии, с применением ультрафиоле-
тового облучения и радиоактивности) наибольшее распространение получили ионизато-
ры с использованием высокого напряжения — т.н. коронного разряда. Их преимущества
следующие:
• простота генерирования;
• возможность управления концентрацией генерируемых ионов;
• бесшумность процесса;
• малые вес и размеры устройства — портативность;
• малое потребление электроэнергии;
• сравнительная дешевизна устройства.
В основе применения коронного разряда для генерации ионов лежит ионизация ней-
тральных молекул кислорода в электрическом поле высокой напряженности, в кагором
градиент потенциала становится равным потенциалу ионизации молекулы, функцио-
нальная схема такого ионизатора показана на рис. 9.4. Условие равенства потенциалов,
описанное выше, обычно возникает на тонких электродах (острие иглы или провод мало-
го сечения), находящихся под высоким напряжением [9.49].
Большинство зарубежных и отечественных ионизаторов работают в диапазоне на-
пряжения на коронирующем электроде 10—40 кВ. Такие высокие уровни напряжения
создают светящуюся корону, энергия которой столь высока, что неизбежно провоцирует
ионизацию не только молекул кислорода, но и других газов воздуха, а также катализиру-
ет химическое взаимодействие элементарных компонентов воздуха с образованием со-
единений, не свойственных атмосферному воздуху. Это приводит к появлению окислов
азота, комплексных ионов, а также озона. Эти субстанции весьма токсичны для живых
организмов. Кроме того, столь высокие потенциалы на электродах требуют специальной
защиты от прикосновения человека и особенно опасны для детей.
Появления нежелательных примесей в воздухе при искусственной ионизации можно
избежать. Ионизатор должен работать в области т.н. темновой короны, когда напряжение
на электродах не превышает 5—7 кВ, тогда светящаяся корона не возникает.
303
Процессы, аппараты и i
высокого напряжения; AC/DC — преобразователь напряжения
Ионизаторы генерируют ионы с определенной постоянной интенсивностью (ион/
единица времени). Для создания в ограниченном объеме воздушной среды (помещении)
постоянства заданной концентрации ионов необходимо учитывать интенсивность ио-
ноуничтожения в зависимости от воздухообмена и воздухораспределения, температуры,
влажности, запыленности воздуха, числа людей, присутствующих в помещении, наличия
электроприборов, компьютеров, оргтехники и т.д.
При наличии в помещении множества возмущающих факторов (сквозняки, интен-
сивное перемещение людей, локальные выбросы аэрозолей, непостоянные в течение
рабочей смены статические и электромагнитные поля и т.д.) поддерживать постоянство
концентрации аэроионов в помещении становится крайне затруднительно.
Что касается жилых или офисных помещений с относительно стабильными параметрами
среды, то здесь целесообразно применение «центральных» (встроенныхв плафоны приточной
вентиляции) ионизаторов, покрывающих потребности помещения в целом. Применительно
к таким помещениям важно учитывать их объем, - для помещений со значительным объемом
применение одного мощного ионизатора недопустимо по причине неизбежности генериро-
вания озона и окислов азота. Для больших помещений желательно использовать несколько
ионизаторов средней мощности и расположить их вблизи рабочих мест.
9.3.4 Факторы, влияющие на аэроионный режим помещений. Пыль (аэрозоли) и табач-
ный дым. Размер пылевых частиц (домашняя пыль) варьируется в диапазоне 0,5 — 100
мкм, в том числе:
• волос человека (70 — 100 мкм);
• пух и шерсть домашних животных (0,5 — 100 мкм);
• пыльца (5 - 100 мкм);
• споры растений (6—100 мкм);
• детрит* насекомых (0,5 - 50 мкм);
• плесень (2 — 20 мкм);
• перхоть (0,4 — 10 мкм);
• бактерии (0,35 - 10 мкм);
• табачный дым (0,01 — 1 мкм).
304
Как показывают измерения [9.17], для сохранения минимально необходимого уров-
ня присутствия легких АИ в помещении концентрация аэрозольных частиц не должна
превышать 0,1 мг/м3, в противном случае легкие ионы становятся тяжелыми, а также воз-
растает число заряженных аэрозольных частиц (псевдоаэроионов). Однако определение
порога загрязненности воздуха аэрозолями величиной их массовой концентрации недо-
статочно. Необходимо учитывать дисперсный состав аэрозоля, т.е. количество частиц в
1 см3 воздуха и их размер. Расчеты показывают, что при массовой концентрации аэрозоля
0,1 мг/м3 и при среднем размере аэрозольных частиц 1 мкм, их счетная концентрация
составит десятки частиц/см3. В этом случае пыль будет слабо влиять на время жизни аэ-
роионов, т.к. концентрация последних будет значительно превышать счетную концен-
трацию аэрозоля; при этом будет фиксироваться достаточно высокий уровень псевдо-
аэроионов, неблагоприятных для здоровья. При среднем размере аэрозольных частиц
0,1 мкм (массовая концентрация 0,1 мг/м3) их счетная концентрация составит десятки
тысяч частиц/см3, что практически на два порядка превышает минимально необходимый
уровень ионов воздуха в помещении и приведет к их быстрому исчезновению. При сред-
нем размере аэрозольных частиц 0,01 мкм (субмикронный аэрозоль) присутствие ионов в
воздухе помещения практически исключается.
Табачный дым — это аэрозоль различной степени дисперсности, содержащий сажу,
смолы и представляющий собой идеальную среду д ля формирования тяжелых и псевдоаэ-
роионов. В помещениях, где отсутствует искусственная вентиляция, концентрация частиц
дыма в 1 см3 воздуха будет значительно превышать содержание легких ионов. В задымлен-
ной комнате происходит настолько интенсивный захват ионов частицами дыма, что время
жизни легких ионов составляет доли секунды; в то же время концентрация тяжелых ионов
будет крайне высока. По данным [9.17], при концентрации табачного дыма 0,1 мг/м3 и раз-
мере частиц 0,01—0,1 мкм концентрация тяжелых ионов составит 105—106ион/см3.
Следует помнить, что искусственная ионизация воздуха не является методом очистки
воздуха от пыли, дыма и иных аэрозолей. Частицы дыма и пыли, заряжаясь в ионизован-
ном воздухе (становясь тяжелыми ионами), легче оседают на поверхностях и приобрета-
ют способность к интенсивному осаждению в дыхательных путях человека и животных.
Скопление людей. Каждый выдох одного человека в среднем выбрасывает в окружа-
ющее пространство несколько сотен миллионов ядер конденсации в виде пара (частиц
воды), что провоцирует образование дополнительного количества тяжелых ионов. В вы-
дыхаемом воздухе (вне зависимости от того, здоров ли человек) содержится огромное ко-
личество микроорганизмов, которые легко осаждаются на тяжелых ионах, провоцируя
перекрестное заражение находящихся в одном помещении людей.
Объем помещения. Малая кубатура помещения всегда сопряжена с недостатком легких
ионов и избытком тяжелых. В малом объеме воздуха время жизни легких ионов существен-
но меньше, чем в больших объемах. Ограниченный объем воздуха при движении челове-
ка перемешивается более интенсивно, что приводит к поддержанию постоянно высокого
уровня взвешенной пыли. Кроме того, наличие людей в комнате малого объема приводит
к быстрому поглощению ими легких ионов и к накоплению в воздухе продуктов жизнеде-
ятельности человека, являющихся ядрами конденсации для образования тяжелых ионов.
Радиационный фон. Повышенный радиационный фон помещения, обусловленный
либо содержащимися в < радионуклидами, либо скоплением радона,
провоцирует усиленную ионизацию воздуха, что должно поддерживать на достаточно
высоком уровне (и постоянно) число легких ионов в условиях чистого воздуха. С дру-
гой стороны, обнаружение в помещении аномально высокого уровня аэроионов может
305
свидетельствовать о присутствии в этом помещении каких-либо источников ионизиру-
ющего излучения.
Температура и влажность воздуха. Пыль в сухом воздухе находится во взвешен-
ном состоянии, представляя собой ядра конденсации для образования тяжелых ионов.
Следовательно, в любом отапливаемом помещении необходимо увлажнять воздух для со-
хранения нормального аэроионного режима. Использование нагревательных приборов с
открытой нитью накаливания, электроплит и особенно газовых плит быстро уничтожает
легкие ионы, превращая их в тяжелые. Избыточная влажность воздуха тоже неблагопри-
ятна — ядрами конденсации становятся микрокапли воды. В случае 100%-ной влажности
воздуха в помещении заведомо будут отсутствовать легкие ионы. Оптимальна в этом от-
ношении влажность воздуха в помещении на уровне 35—60%.
Температура и влажность воздуха влияют не только на продолжительность существо-
вания легких ионов в воздухе помещения, но и на интенсивность искусственной генера-
ции ионов при использовании ионизаторов. При низкой температуре и влажности возду-
ха может произойти срыв коронирования, т.е. прекращение зажигания темновой короны,
что приведет к полной остановке генерирования ионов ионизатором.
Электромагнитные поля (ЭМП). Работающие в помещении компьютеры, оргтехника
и иные электроприборы (в т.ч. бытовые), а также электропроводка создают ЭМП. Легкие
ионы, как наиболее подвижные, перемещаются по силовым линиям полей, стремясь к
противоположно заряженным поверхностям, где происходит их нейтрализация. Как пра-
вило, в помещениях наблюдается дефицит отрицательных аэроионов благодаря интен-
сивной их адсорбции на положительно заряженных поверхностях (в т.ч. компьютерные
и телевизионные мониторы).
Вентиляция, кондиционирование. Вентиляция подвергает воздух очистке, подогреву
или охлаждению, что приводит к потере воздухом ионов, которые сорбируются на по-
верхностях вентиляционных каналов. Такой воздух в США еще в 1920-х годах приобрел
название cooked (вареный) или canned (консервированный), т.е. лишенный жизненных
свойств, мертвый. Процессы искусственной обработки атмосферного воздуха «денатури-
руют» его, изменяют его нативные (природные) свойства.
Любое движение воздуха в помещении изменяет картину распределения концент-
рации аэроионов. Ионизаторы воздуха, встроенные в приточные плафоны вентиляци-
онных систем, не всегда обеспечивают равномерное распределение аэроионов по поме-
щению. Обеспечить заданные уровни аэроионов на рабочих местах можно, используя
карту распределения воздушных потоков в помещении с дальнейшей установкой до-
полнительных ионизаторов.
9.3.5 Нормирование ионов в воздухе помещений. С 15.06.2003 г. в Российской Федерации
введен в действие новый СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэроионно-
му составу воздуха производственных и общественных помещений» [9.36], который по
сравнению с действовавшими с 1980 г. СГН 2152-80 «Санитарно-гигиеническими норма-
ми допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помеще-
ний» [9.35] имеет некоторые преимущества, но по существу остается недоработанным.
В качестве нормируемых показателей ионизации воздуха этот документ устанавлива-
ют следующие требования к ионному составу воздуха (табл. 9.2).
Максимально и минимально допустимые уровни ионизации воздуха остались неиз-
менными для ионов обеих полярностей; оптимальный уровень, который являлся хоро-
шим ориентиром для нормализации аэроионного режима помещений, исчез из нормати-
306
ва. Требования [9.36] допускают «... отсутствие аэроионов положительной полярности ...
на рабочих местах, где имеются источники электростатических полей», т.е. например, воз-
ле мониторов ПК.
Таблица 9.2. Сравнительные характеристики нормируемых показателей
ионизации воздуха по нормативным документам [9.36 и 9.35]
Нормируемые показатели по СанПиН 2.2.4.1294-03 Концентрация аэроионов, р, ион/см3 Коэффициент униполярности У
положительной полярности отрицательной полярности
Минимально допустимые р+>400 р->600
Максимально допустимые р+<50000 р-<50 000 0.4<У<1.0
Уровни по СГН 2152-80 Число ионов в 1 см' воздуха Показатель полярности, П
п+ И’
Минимально необходимый уровень Оптимальный уровень 400 1500-3000 50000 600 3000-5000 50000 -0.2 от — 0.5 до 0 от-0.5 до+ 0.5
Принципиальной проблемой нормирования аэроионов всегда являлось определение об-
ласти их применения. Аэроионы как физический фактор рассматривались изолированно
от других факторов среды. Любое помещение, относящееся к категории производствен-
ных, имеет (как правило) в той или иной степени выраженный (зачастую выше допус-
тимого) уровень запыленности (химической загрязненности) воздуха и/или отличается
наличием источников техногенной ионизации и электризации воздуха (ионизирующее
излучение, высоковольтное напряжение, высокотемпературные технологии, открытое
пламя, электро-газосварка, химические процессы, распыление воды). Искусственная аэ-
роионизация на таких производствах недопустима по причине неизбежности ухудшения
и без того невысокого качества воздуха.
Другая большая группа помещений — непроизводственные. Это офисные, конторс-
кие, информационно-диспетчерские, лабораторные помещения, конструкторские бюро,
аудитории учебных заведений, компьютерные классы, дошкольные и лечебно-профи-
лактические учреждения, концертные и спортивно-тренажерные залы. Именно в этих
помещениях необходим контроль содержания ионов в воздухе и в этих помещениях не-
обходимо и возможно проведение искусственной ионизации.
Оценка аэроионного режима в непроизводственных помещениях должна учитывать
комплекс факторов среды, т.е. качество воздуха в помещении. Исследования в современ-
ных офисных помещениях [9.3,9.16] показали, что для корректной организации аэроиони-
зации требуется оценка и, как правило, дальнейшая корректировка целого ряда факторов
среды помещения. В противном случае искусственная ионизация становится неэффектив-
ной. Предварительная оценка факторов непроизводственной среды обязательна для выяс-
нения допустимости и планируемой интенсивности ионизации воздуха в помещениях.
9.3.6 Дозиметрия и дозирование аэроионов. На заседании биологического отдела
Центральной лаборатории по ионификации, руководимой А.Л. Чижевским [9.31], в 1933 г.
было сделано следующее заключение: «Проблема дозы при воздействии искусственно иони-
307
зированного воздуха на организмы стоит весьма остро. По существу, это основная проблема
практики аэроионизации. ... Это важный вопрос, играющий огромную роль везде, где орга-
низму в тех или иных целях сообщается специальный вид энергии...». В начале XXI в., спустя
много десятилетий, дозиметрия аэроионов находится на том же уровне теоретическо-
го развития, что и в начале прошлого столетия, усовершенствована лишь аппаратурная
база, позволяющая измерять концентрацию аэроионов в определенный момент времени
в конкретной точке воздушного пространства.
Анализируя различные аэроионизаторы, можно выделить как более эффективные
электроэффиовиальные [9.29, 9.49]. Однако подобные ионизаторы типа люстра не на-
шли практического применения в силу громоздкости их конструкции и необходимости
подачи высокого напряжения. Среди исследователей этого явления были разногласия в
выборе типа коронирующих электродов (проволочных или игольчатых). Результаты ис-
следования [9.29] одиночных и групповых аэроионизаторов в чистом лабораторном по-
мещении площадью 36 м2 высотой 5,5 м при установке электродов на высоте 4,5 м, а счет-
чика аэроионов на высоте 1,5 м показаны на рис. 9.5 — 9.8.
Из рис. 9.5, а, б видно, что концентрация легких отрицательных аэроионов более
плавно возрастает при наличии проволочных ионизаторов с напряжением 10 кВ и выше.
По концентрации аэроионов более эффективны игольчатые ионизаторы, т.к. при напря-
жении 12 кВ количество аэроионов достигает 5-Ю4 см 3, апри проволочных - всего 2,5-Ю3
см-3. Такое же явление наблюдается и при групповых ионизаторах. Распределение же аэ-
роионов по ширине помещения (рис. 9.6) более равномерное при наличии проволочных
аэроионизаторов как одиночных, так и групповых. Таким образом, наиболее приемлемы
игольчатые ионизаторы, они имеют массивное основание, более прочны, подвергаются
308
меньшей вибрации при воздействии электромагнитного поля. Из рис. 9.7 следует, что при
увеличении напряжения на ионизаторе концентрация аэроионов плавно увеличивается
при сравнительно невысоких напряжениях, что позволяет легко достигать нормируемого
значения. Наконец, из рис. 9.8 видно, что изменение потенциала управляющего электро-
да от нуля до 2700 В позволяет получать различное число легких отрицательных аэроио-
нов до 104 см ’’ при отрицательном напряжении на ионизирующем электроде величиной -
5000 В. Оптимальное расстояние между ионизирующим и управляющим электродом и
воздухораспределителем подбирают по максимальному значению аэроионов.
Д к [рование ионов воздуха сегодня сводится к использованию приборов, способ-
ных определять только полярность ионов и подсчитывать их количество, но не способных
определять их подвижность, элементарный состав, и отличать ионизированную частицу
от электризованной.
В начале XXI в. в нашей стране применяли только два официально включенных в
Госреестр счетчика аэроионов: МАС-01 производства ООО «НТМ - Защита» и «Сапфир-
Зк» производства НПФ «ЯНТАРЬ», (см. рис. 9.9).
Дозиметрия аэроионов базируется лишь на концентрации (объемной плотности)
ионов в единице объема воздуха помещения. Отсутствует понятие дозы, т.е. количест-
венной оценки взаимодействия фактора среды с биологическим объектом. Попытки
количественно оценить взаимодействие ионов с человеком, как правило, сводятся к
слабо обоснованной гипотезе чисто ингаляторного пути проникновения ионов в орга-
низм. Предполагается, что человек поглощает столько ионов, сколько их содержится в
прог г его легкими объеме воздуха, при этом расчет числа ионов, достигающих
альве [ на механистической модели, заимствованной из физики газов.
Игнорируется кожный контакт и не рассматривается индивидуальная восприимчивость
к ионам (способность организма к определенному уровню «насыщения» электричеством,
передаваемом ему ионами).
Поставленные эксперименты [9.18] д личие воздействия аэроионов на
кожу и демонстрируют по крайней мере не меньшую значимость (по величине передава-
емого телу электричества) кожного контакта в сравнении с ингаляторным путем поступ-
ления ионов в организм.
Новые дозиметрические понятия [9.18]. Существующее понятие концентрации аэро-
ионов. выражающейся в ион/см3, с позиций фактора взаимодействия с человеком явля-
ется по сути экспозиционной дозой Д. Тогда правомерно ввести новое дозиметрическое
понятие - мощности экспозиционной дозы, которая должна иметь размерность ион/см3 с.
Мощность экспозиционной дозы X = djl/dt = ион/см3 с. Мощность экспозиционной лозы
следует понимать как интенсивность генерирования определенного количества аэроионов в
1 см3 объема помещения в единицу времени.
Легкий аэроион представляет собой конгломерат нескольких нейтральных газовых
молекул воздуха, сцепленных с ионом кислорода. Кислородный ион образуется либо при
нии электрона к молекуле О2 (тогда ион приобретает «—» заряд), но в любом случае ион
будет иметь заряд, равный заряду одного электрона (1,6-10"1’ Кл). Тогда экспозиционную
дозу и мощность экспозиционной дозы можно выразить в единицах электричества, опе-
рируя понятием объемного заряда аэроиона.
Здесь необходимо сразу оговорить условия применимости дальнейших рассужде-
ний. Выражение дозы в единицах электричества предполагает обсуждение ситуации уни-
полярной ионизации, т.к. биполярная ионизация не создает в воздухе электрического
309
проволока
нии на ионизаторе — 5000 В.
310
«ЯНТАРЬ» (б).
заряда одного знака и не передает такого заряда организму. Поэтому далее предполагаем
только отрицательную униполярную ионизацию и рассматриваем дозу как величину на-
копления отрицательного заряда.
Мощность дозы связана с экспозиционной дозой Д=Х-та, где iu — время «жиз-
ни» аэроиона. В зависимости от чистоты воздуха в помещении та может изменяться
от 0,1 с до десятков секунд. В дальнейших расчетах та принимается равным 1 с и тогда:
Д = л-1,6-10-1’, Кл/с1л'\ мощность экспозиционной дозы %=« 1,6-10 &/(си3-с), где п —
число легких (—) ионов, генерируемых за 1 с в 1 см3 воздуха.
Исходя из того, что 1 А=1 Кл/с, представим мощность экспозиционной дозы в ам-
перах: X = л-1,6-10-1’, Л/см3; то есть Х= IIVm, где I — ток коронирования аэроионного
генератора; - объем помещения.
Учитывая, что современные аэроионизаторы коронного разряда имеют фиксирован-
ный ток коронирования, а следовательно, фиксированную интенсивность генерирова-
ния аэроионов, Xбудет зависеть от объема помещения. Чем большую кубатуру имеет по-
мещение, тем меньше будет экспозиционная доза.
Рассчитаем X и I для Д = 50 000 ион/см3 (максимально допустимый уровень по
СанПиН [9.36]) для помещения объемом И(и = 50 м3 (4 х 5 х 2,5 м): X = 5-104-1,6-10-Юб=
Таким образом, появляется возможность задавать максимальный ток коронирования
для помещений известной кубатуры. Используя данный подход, можно управлять мощ-
ностью экспозиционной дозы, заранее просчитывая необходимый для данного помеще-
ния ток короны на устанавливаемых ионизаторах. Дальнейшая работа должна сводиться
к анализу факторов в данном помещении, нейтрализующих аэроионы, с целью установ-
ления поправки на интенсивность искусственного генерирования ионов. Такая поправка
на величину тока коронирования может составлять 2—20 раз в зависимости от темпера-
туры, влажности, скорости движения, запыленности воздуха, числа людей, постоянно
присутствующих в помещении, наличия электроприборов, компьютеров и оргтехники,
вентиляционных систем, кондиционеров и т.д.
311
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников Л. Г.
Актуален еще один важный аспект дозиметрии аэроионов. Ни одна, даже самая до-
рогостоящая высокоточная аппаратура не позволяет получить представление об уровне
аэроионов в помещении в течение длительного времени, т.к. этот уровень постоянно ме-
няется в зависимости от динамики выраженности сопутствующих факторов.
Давно назрела необходимость разработки методики мониторинга (непрерывного
контроля) концентрации аэроионов для того, чтобы появилась возможность интеграль-
ной оценки экспозиции человека к аэроионам за какой-то отрезок времени и усредне-
ния этой экспозиции по времени. Технически непрерывность измерения концентрации
ионов можно осуществить стационарным непрерывно работающим прибором. Однако
использование понятия мощности экспозиционной дозы не позволит адекватно оценить
количество ионов, провзаимодействовавших с конкретным человеком.
Индивидуальная дозиметрия аэроионов. Для определения индивидуальной дозы аэ-
роионов необходимо ввести понятие мощности поглощенной дозы, т.е. количества ионов,
контактировавших с человеком в единицу времени (X, ион/с). Поглощенная доза будет
измеряться в ионах (Дп, ион).
Проблема индивидуальной дозиметрии аэроионов может быть сведена к измерению
сверхмалых токов, которые протекают через организм человека при взаимодействии его
с полем объемного заряда ионов воздуха. Токи эти крайне малы и измерение их возможно
только с помощью высокочувствительной аппаратуры.
С использованием данного подхода была проведена серия экспериментов по опре-
делению токов, протекающих через тело человека в условиях наличия и отсутствия ис-
кусственной ионизации воздуха, в частности, проанализированы кожный контакт и ин-
галяционный путь проникновения ионов в организм. Поглощенная доза складывается
из двух составляющих: Д=ДПЦ +Д„„, где — поглощенная доза за счет ингаляции ионов,
Дт — поглощенная доза за счет контакта ионов с кожей. При этом Дт возможно изме-
рить, аДяв — вычислить по формуле Дп=Д-У1, где v — минутный объём дыхания (МОД),
как произведение частоты дыхания (ЧД) на дыхательный объем (ДО — объем воздуха при
одном вдохе), ат — время (в минутах) пребывания человека в ионизованной воздушной
среде. Для индивидуальных расчетов Дт следует учитывать возможность существенных
отличий МОД в зависимости от возраста, пола, антропометрических характеристик и ха-
рактера выполняемых нагрузок.
Индивидуальная дозиметрия аэроионов, использованная в этих экспериментах, имеет
такие особенности:
• учитывает значимость кожного контакта с аэроионами (а не только ингаляционного
пути их поступления в организм);
• является инструментом индивидуальной дозиметрии аэроионов;
• позволяет количественно определить индивидуальную чувствительность (восприим-
чивость) организма к аэроионам;
• создает основу для научного изучения дозовой зависимости биологических эффек-
тов, а также клинико-физиологических реакций организма при различных режимах
аэроионизации.
• дает возможность подбирать индивидуальные режимы искусственной аэроиониза-
ции в терапевтических целях, т.е. является базовой методикой для осуществления до-
зированной аэроионной терапии.
9.3.7 Механизмы действия аэроионов на организм. Биологические и клинико-физиоло-
гические эффекты. Биологическое воздействие АФК (активной формы кислорода) воз-
312
9.3
Искусственная ионизация воздуха как г
духа на организм — явление многостороннее, поликомпонентное и разнонаправленное.
Некоторые исследователи сравнивали влияние ионов воздуха с эффектом витаминов и
гормонов, подчеркивая колоссальный отклик организма на ничтожные дозы действую-
щего агента. А.Л. Чижевский называл легкие отрицательные аэроионы (ЛОАИ) витаминами
воздуха. Значительный экспериментальный материал, полученный на человеке, свиде-
тельствует о том, что в подавляющем большинстве случаев ЛОАИ действуют противопо-
ложно легким положительным аэроионам (ЛПАИ) и при сбалансированности их концен-
траций в природных условиях соблюдается определенное равновесие с позиций влияния
на физиологические процессы в организме (см. табл. 9.3).
Установлена способность ЛОАИ повышать устойчивость организма к недостатку кис-
лорода, витаминов, холоду, бактериальной интоксикации, к статической и динамической
работе. Интенсивная кислородная ингаляция с отрицательной ионизацией используется
спортсменами во время тренировок, что обеспечивает весьма значительное повышение
результативности в относительно короткое время. Данный метод применения высоких доз
ионизированного кислорода для профессионалов был назван джет-тренингом (реактивной
тренировкой). В работе [9.38] показано неблагоприятное воздействие деионизированного
воздуха на организм человека.
Таблица 9.3.
мхи легких
положительных аэроионов на медицинские показатели организма
Параметр воздействия на организм Характер воздействия
ЛОАИ ЛПАИ
Число эритроцитов Гемоглобин Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) Артериальное давление у гипертоников Артериальное давление у гипотоников Частота сердечных сокращений Морфологические и физико-химические свойства крови Окислительно-восстановительные процессы в тканях Скорость регенерации тканей (в т.ч. костной) Легочная вентиляция в состоянии покоя Водный обмен и диурез Сахар крови (особенно у диабетиков) Возбудимость мускулатуры Функциональная деятельность коры головного мозга увеличение повышение уменьшение уменьшается повышение уменьшение уменьшение нормализация ускорение увеличение усиление нормализация снижение усиление нормализация уменьшение снижение увеличение увеличивается снижение увеличение увеличение угнетение уменьшение ослабление повышение ослабление
Показан выраженный благоприятный эффект ЛОАИ при общей слабости, снижении
физической и умственной работоспособности, при бессоннице, головных болях любой
этиологии, аллергических проявлениях, неврозах. Продемонстрировано положительное
влияние ЛОАИ на когнитивные способности (повышение внимания и восприятия) и по-
веденческие реакции (антистрессорное и антидепрессивное действие). ЛОАИ активизи-
руют метаболизм, стабилизируют процессы вегетативной регуляции. Терапевтический
эффект ЛОАИ отмечен при ринитах, синуситах, бронхитах, пневмониях, бронхиальной
астме (неосложненной), ОРЗ, коклюше, гипертонической болезни (начальные стадии),
ИБС, дерматозах, эрозиях, стоматитах, экземе, псориазе, нейродермите, ожогах, ранах,
трофических язвах, поражениях роговицы, язвенной болезни ЖКТ, эндартериите, арт-
313
ритах, артрозах, эндометриозе, а также туберкулезе (в неактивной форме), ревматизме,
анемиях различного генеза.
Противопоказания к применению аэроионотерапии:
• активная форма туберкулеза легких,
• бронхиальная астма, осложненная пневмосклерозом и выраженной эмфиземой лег-
• постинфарктные и постинсультные состояния,
• выраженный склероз сосудов сердца и мозга с наклонностью к спазмам, недостаточ-
ность кровоснабжения миокарда и головного мозга,
• тяжелые поражения почек,
• индивидуальная гиперчувствительность к аэроионам.
Согласно одной из современных парадигм* развития п коагуляция (сгу-
щение) тканей (в т.ч. крови) начинает развиваться при потере тканью отрицательного
электрического заряда, а при восстановлении электричества отрицательной полярности
восстанавливается нормальное физиологическое состояние ткани. В данном контексте
аэроионизация выступает как один из простых и эффективных способов предотвраще-
ния и обращения патологических изменений в организме.
Открытие механизма гуморального энергообмена («органического электрообмена»)
принадлежит А.Л. Чижевскому, основоположнику гелиобиологии, космической эколо-
гии и ряда других научных направлении, директору (в 1920—1930-х годах) ЦНИИЛ ио-
нификации, имевшей несколько филиалов в стране. Согласно теории А.Л. Чижевского
[9.50] аэроион - донор электрического заряда в процессах поляризации клетки.
Другим физиологическим механизмом действия ЛАИ является рефлекторный.
Реализация многих эффектов ЛОАИ связана с их воздействием на тонус парасимпатичес-
кой нервной системы, стимулирующей расширение просвета капилляров кожи. Действие
парасимпатических нервов заключается в урежении и ослаблении сердечных сокраще-
ний, расширении периферических и Церебральных сосудов, снижении кровяного дав-
ления, что определяет нормализацию общего и регионарного кровообращения. Быстрое
изменение показателей церебральной гемодинамики (сразу после начала воздействия
ЛОАИ) свидетельствует о первостепенной роли носоглоточных рецепторов как провод-
ников поступающих в организм зарядов.
Неоспорима также роль кожных рецепторов в проведении ионных зарядов. В час-
тности, продемонстрирован анальгезирующий эффект направленного потока ионов в
кожные зоны, соответствующие проекциям болевых ощущений, в частности, при ради-
кулитах, когда исключен респираторный путь поступления ионов в организм.
Участие нейромедиатора вегетативной нервной системы серотонина в процессах,
связанных с воздействием ЛАИ, установлено школой А, Крюгера в 50—60-х гг. XX в.
[9.53]. Продемонстрировано изменение концентрации серотонина в крови, сыворотке и
тромбоцитах при воздействии ЛОАИ на человека. Исследования гипоталамуса, гипофи-
за, надпочечников, щитовидной железы й головного мозга показали зависимость между
стрессом, уровнем серотонина в этих органах и воздействием ЛОАИ, что в дальнейшем
вызвало большой интерес психиатров к аэроионной терапии.
Свободнорадикальная теория в некоторой степени объясняет биологические эф-
фекты при действии ЛАИ на низшие организмы, а также многие проявления на кле-
точном уровне у человека и других высших организмов.
314
Постоянно протекающие в живой клетке окислительные процессы сопровожда-
ются выработкой т.н. свободных радикалов, губительных для биомембран и клеточ-
ных органелл*, с которыми современная наука связывает инициацию многих патоло-
гических явлений (в частности, канцерогенез, патологию почек, печени, сердца, со-
судов и др.). Существует группа ферментов, защищающих клетку от разрушительного
действия кислородных радикалов (антиоксидантные ферменты) — супероксиддисму-
таза (СОД), каталаза и др. ЛОАИ по сути являются одной из активных форм кисло-
рода (АФК), а именно супероксидными анион-радикалами, которые малоактивны в
процессах деструкции клетки, но являются предшественниками перекисного (НО2)
и гидроксильного (ОН) радикалов, разрушающих клетку. Было установлено, что су-
пероксидный анион-радикал воздуха способен индуцировать синтез клеткой СОД,
тем самым стимулируя нейтрализацию токсичных АФК клетки [9.21]. Это явление
хорошо объясняет значительное повышение устойчивости животных к токсическому
действию гипербарического кислорода, гипоксии, токсинов, ионизирующего излуче-
ния и т.д. при предварительной ингаляции животными ЛОАИ.
Именно отрицательные аэроионы оказывают стимулирующее влияние на молеку-
лярно-биохимические и физиологические процессы в организме.
Искусственную ионизацию воздуха целесообразно осуществлять биполярно (иона-
ми обеих полярностей), обеспечивая при этом в помещении преобладание концентра-
ции отрицательных ионов над концентрацией положительных (в соответствии с СанПиН
2.2.4.1294-03 [9.36]). Кроме того, биполярная ионизация воздуха в помещении может
являться способом нейтрализации электростатических зарядов, возникающих при вза-
имодействии человека с синтетическими покрытиями полов, искусственными тканями
одежды, заряженными поверхностями электроприборов и т.д., особенно в условиях по-
ниженной влажности воздуха. В этой ситуации присутствие в воздухе ионов обеих по-
лярностей будет обеспечивать нейтрализацию как положительных, так и отрицательных
зарядов на любых поверхностях в помещении и непосредственно на человеке, исключая
проявления электрического дискомфорта.
Биологическое воздействие малых доз озона изучено не столь подробно, как аэроионов.
Темне менее, убедительно доказано [9.11], что озонирование подаваемого в офисное поме-
щение воздуха в концентрации 20 мкг/м3 достоверно снижает количество жалоб сотрудни-
ков на ощущение духоты, недостаток свежего воздуха, повышенную утомляемость; при этом
достоверно улучшались самочувствие, активность и настроение персонала (см. рис. 9.2).
Экспериментально показано [9.10], что вдыхание испытуемыми (мужчины 18—32 лет)
воздуха, обогащенного озоном в концентрации 55 мкг/л, в течение 5 минут, приводило в
сравнении с контролем (деозонированный воздух) к снижению латентного периода дви-
гательной реакции, увеличению мышечной выносливости кистей рук, повышению про-
должительности и общей выносливости при работе на велоэргометре, активизации вос-
становительных процессов после физической нагрузки (в частности, снижении времени
восстановления частоты сердечных сокращений).
Однако, как отмечалось выше, необходимо помнить, что искусственная ионизация и озо-
нирование применимы только для чистого воздуха помещений, т.е. для воздуха, качественно
очищенного от пыли, аэрозольных и газовых загрязнителей. В противном случае, загрязните-
ли воздуха будут приобретать заряд, способствующий усилению их осаждения в дыхательных
путях, что усилит неблагоприятный эффект для здоровья.
ные, пищеварительные и т.д. (прим. ред.).
315
Приточно-вытяжная вентиляция позволяет равномерно распределять обогащенный
ионно-озонной смесью очищенный воздух по всему объему помещения и исключить
возможность накопления АФК в отдельных зонах помещения выше уровня оптимальных
концентраций.
9.3.8 Экспериментальные исследования влияния озонно-ионного состава воздуха на
комфорт в помещении. Для совершенствования качества воздушной среды помещения
было проведено [9.12] экспериментальное изучение влияния искусственного озонирова-
ния и ионизации воздуха на самочувствие служащих в кондиционируемом помещении.
В частности, изучали такие явления, как жалобы на духоту и несвежесть воздуха, жалобы
на утомляемость и раздражительность, жалобы на головные боли и головокружение до и
после озонирования воздуха и в зависимости от расхода наружного воздуха в диапазоне
Инструментальные исследования и анкетный опрос 220 служащих показали су-
щественное влияние ионизации и озонирования на оценку качества воздушной среды.
В опытах озон получали при помощи прибора РГО-1 и вводили в кондиционируемый
воздух в количествах, необходимых для поддержания его концентрации в помещени-
ях на уровне 18 мкг/м3, что соответствует его среднему содержанию в атмосфере го-
родов и является величиной ниже порога запаха. Температурно-влажностный режим
помещений отвечал гигиеническим требованиям: температура воздуха — 20—22 ’С,-
относительная влажность — 37—45%, скорость движения воздуха — 0,1—0,15 м/с, ин-
тенсивность длинноволновой инфракрасной радиации в рабочей зоне помещения -
420 вт/м2. По специальной анкете проводили опрос, сопровождавшийся инструмен-
тальным измерением концентрации озона и ионов в воздухе, температуры воздуха,
его влажности, радиационного режима помещения. Из результатов исследования вы-
текает, что число легких отрицательных ионов десятикратно увеличивается, а число
положительных несколько уменьшается. В целом сравнение самочувствия исследо-
ванных в условиях искусственной ионизации и озонирования воздуха и без искус-
ственного освежения воздуха показало, что количество удовлетворительных оценок
увеличилось с 23,5 до 73,2%.
9.3.9 Пример решения искусственной ионизации воздуха в помещении. Как уже ука-
зывалось в связи с искусственной ионизацией воздуха, при использовании ионизато-
ров коронного разряда появления нежелательных примесей в воздухе можно избежать.
Ионизатор должен работать в области т.н. темновой короны, когда напряжение на элек-
тродах не превышает 5—7 кВ, а ток коронирования одиночного электрода находится в
диапазоне 0,1—0,5 мкА. Тогда в зоне дыхания человека создаются оптимальные кон-
центрации легких аэроионов отрицательного заряда 1000—3000 ионов/см3 и озона —
10-15 мкг/м3 (ниже порога восприятия запаха и в 10 раз ниже ПДК (ГН 2.2.5.1313-03) [9.6].
Для создания в помещении объемом 60 м3 (5 * 4 * 3 м) оптимальной концентра-
ции аэроионов (экспозиционной дозы Д-3000 ионов/см3), планируется использовать
ионизатор(ы) с одиночными коронирующими электродами с регулируемым током коро-
нирования Д=Х-ти, где X=dXJ(h, ион/(см3-с), - мощность экспозиционной дозы, тв - вре-
мя «жизни» аэроиона. Мощность экспозиционной дозы X=I/Vm, где 7- ток коронирова-
ния аэроионного генератора; — объем помещения.
Необходимый ток коронирования для данного помещения составит / = X'Vn„J^ =
= 3000-60-1003/1 = 1,8-Ю11 ион/с = 1,8-1,6-10^ Кл/с = 2,9-10 2 мкА.
316
Заданная экспозиционная доза обеспечивается одним ионизатором с одиночным
электродом при токе коронирования 0,03 мкА, обеспечивающем непревышение макси-
мально заданного уровня озона (0,15 ПДК).
При наличии в помещении факторов, сокращающих тв (воздушные потоки, интенсив-
ное перемещение людей, компьютеры, оргтехника и т.д.), необходимо увеличить ток коро-
нирования, что обеспечит заданную экспозиционную дозу (3000 ионов/см3). При сокраще-
нии та в 10 раз (0,1 с) необходимо увеличить ток коронирования тоже в 10 раз, т.е. до 0,3 мкА.
Даже при этих условиях не будет превышен ток 0,5 мкА и для заданных параметров иониза-
ции воздуха будет достаточен один ионизатор с одиночным электродом согласно рис. 9.10.
Рис. 9.10. Вид-схема установки ионизатора воздуха в приточном воздухораспределителе
высоковольтный провод, 5 — высоковольтный блок. 6 — приточный воз-
катель потока воздуха.
Ток коронирования электродов, количество устанавливаемых электродов в плафоне,
число плафонов, оборудованных ионизаторами определяется объемом помещения с поп-
равкой на возмущающие факторы, от которых зависит время «жизни» аэроионов. При
ограниченности числа приточных вентиляционных плафонов в помещении может пот-
ребоваться дополнительная установка ионизаторов (непосредственно на рабочих местах,
настенных, настольных и т.д.).
9.4 Основы теории очистки воздуха от аэрозолей
9.4.1 Физико-химические свойства аэрозолей. В основе очистки воздуха от технологи-
ческих и природных аэрозолей лежит подробное знание их физико-химических свойств,
что позволяет наиболее целесообразным образом выбрать и рассчитать соответствующие
фильтры. Введем основные понятия.
317
Пыли - дисперсные системы с газообразной дисперсной средой и твердой дисперс-
ной фазой, состоящей из частиц от квазимолекулярного до макроскопического (несколь-
ко сот микрометров) размера.
Бытовая пыль и пыль в общественных зданиях образуются в результате природных
процессов и жизнедеятельности человека. Число технологических процессов, связан-
ных с приготовлением, применением и переработкой пылящих сыпучих материалов, не-
прерывно возрастает. Промышленная пыль стала одним из наиболее pacnpocrj х
вредных веществ, содержащихся как в воздушной среде производственных помещений,
таки в атмосферном воздухе.
К промышленным пылям относят также золу — несгораемый остаток твердого топлива,
образующийся из минеральных примесей при их сгорании. Зола используется для про-
изводства некоторых видов бетона и как удобрение. Из зол некоторых углей добывают
редкие и рассеянные элементы.
Разновидностью пыли является также сажа—дисперсный углеродный продукт черно-
го цвета, образующийся в результате неполного сгорания или термического разложения
углеводородов. Состоит из сферических частиц (размер 1 10~г—3,5'10' мкм), образован-
ных слоями углеродных атомов, подобными слоями в графите, но не плоских, а изогну-
тых. Применяется в качестве наполнителя в производстве резины, пластмасс, пигмента
для лакокрасочных материалов и др. «Сажа белая» - условное название тонкодисперсной
атмосферной двуокиси кремния используется как наполнитель белых и цветных резин.
Сведения о физико-химических свойствах пыли необходимы для обоснования ин-
женерных решений, направленных на предупреждение запыленности атмосферы и, как
следствие, воздуха внутри зданий, а также при разработке пылеулавливателей, применя-
емых для отделения частиц пыли от газообразной среды.
Массовая концентрация пыли с (мг/м3, г/м3) - масса частиц пыли, содержащихся в
единице объема воздуха (газа), приведенного к стандартным условиям.
Счетная концентрация пыли с (м"3, см-3) - число частиц пыли и г, содержащихся в еди-
нице объема воздуха (газа), приведенного к нормальным условиям. Часть пыли, находя-
щейся в воздухе, оседает на поверхностях помещения.
Массовая осадочная запыленность сх [мг/(м2-ч), г/(м2-сут)] — масса частиц пыли, осев-
ших на поверхность на единицу площади в единицу времени. Значения ск в промышлен-
ных зданиях достигают 2000- 130000 мг/(м2-ч).
Счетная осадочная запыленность сос [ 1/(см2-ч), 1/(м2-сут)] — число частиц пыли, осев-
ших на поверхность на единицу площади в единицу времени.
Пыли и дымы обычно полидисперсны, т.е. содержат частицы размером от 0,001 до
100 мкм. Монодисперсные пыли встречаются в природе (споры, плауна) или приготавли-
ваются искусственно.
Размер 8ч (мкм) частиц пыли — диаметр, длина стороны частицы или ячейки сита,
наибольший размер проекции частицы и т.п. Точно характеризует размер частицы только
диаметр, если частица шарообразной формы.
Эквивалентный диаметр <7 (мкм) частицы неправильной геометрической формы -
диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь кото-
рого одинакова с площадью проекции частицы.
Формы частицы пыли по сравнительной протяженности в трех измерениях целесообраз-
но разделить на три группы: изометрические частицы, в которых все три измерения имеют
примерно одинаковую величину: шар или правильный многогранник и более или менее
приближающиеся к ним частицы неправильной формы; частицы, имеющие в двух измере-
318
ниях значительно большую протяженность, чем в третьем: пластинки, листочки, чешуйки
и т.д.; частицы с большей протяженностью в одном измерении: призмы, иглы, волокна.
Скорость оседания частицы vs (м/с, см/с), или седиментационная скорость, — скорость,
которую принимает частица в спокойной среде под влиянием силы тяжести. Она зави-
сит от размера частицы, ее формы и плотности, а также от плотности и вязкости среды.
Средняя продолжительность оседания частицы в зависимости от ее размера в микронах в
помещении с высотой потолка 2,4 м показана на графике рис. 9.11.
Рис. 9.11. Средняя продолжительность оседания частицы в зависимости от ее размера в
Скорость витания у' (м/с, см/с) — скорость вертикально восходящего потока воздуха,
численно равная скорости оседания частиц в спокойной среде (v'. = vs).
Седиментационный диаметр Ss (мкм) - диаметр шара, скорость оседания и плот-
ность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы непра-
вильной формы.
Коагуляция частиц пыли — процесс слияния частиц при соприкосновении друг с дру-
гом. Увеличение размера частиц в результате коагуляции значительно облегчает их осаж-
дение. Это следует учитывать при выборе способа и средств обеспыливания технологи-
ческого оборудования и воздушной среды помещений.
Истинная плотность частиц пыли рч (кг/м3, кг/см3) — масса единицы объема частиц, не
имеющих пор. Определяется пикнометрическим или манометрическим способом.
Кажущаяся плотность частиц пыли ркаж (кг/м3, г/см3) - масса единицы объема частиц,
включая и объем закрытых пор.
319
Объемная плотность частиц пыли — масса единицы объема частиц, включая объем за-
крытых и открытых пор.
Насыпная плотность рте (кг/м3, г/см3) - масса единицы объема уловленной или
осевшей пыли, свободно насыпанной в какую-либо емкость, непосредственно после ее
заполнения. В ее объем входят внутренние поры частиц и промежуточные пространства
между ними.
Насыпная плотность при встряхивании р'т (кг/м3, г/см3) — масса единицы объема
пыли при самой плотной упаковке частиц, достигаемая путем встряхивания.
Дисперсионный анализ пыли - совокупность методов определения размеров частиц пыли.
Ситовый анализ — механическое разделение частиц по крупности. Пыль загружается
на сито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания, вибрации
или другими способами разделяется на две части — остаток и проход (подразумевается
доля массы частиц мельче или крупнее заданного размера).
Проход (коэффициент проскока) Р — выраженная в долях или процентах доля массы
пыли, прошедшая через сито с заданными размерами ячеек, от общей массы просеивае-
мой пробы пыли.
Фракция пыли - доля массы, объема поверхности или количества частиц, заключен-
ная между двумя значениями диаметров частиц 6и и 5л+1 или между двумя скоростями
оседания v и г (п+1), выраженная в процентах. Размеры фракций ограничены размерами
квадратных отверстий, используемых в анализе сит. Нижняя граница размеров ячеек сит
(ГОСТ 3584-53) — около 40 мкм. Размеры ячеек сит (мм) прибора 028М следующие: 2,5;
1,6; 1,0; 0,63; 0,40; 0,315; 0,2; 0,16; 0,10; 0,063; 0,050. Размеры ячеек сит (мм) анализатора
ситового 162Е-Гр типа 71БГР: 1,6; 1,25; 0,8; 0,5; 0,4; 0,28; 0,2; 0,14; 0,10; 0,071.
Функция распределения массы частиц пыли Е(Ъ) или Р(8г ) зависимость прохода Р или
остатка Е от диаметра (размера) частиц, выраженная в процентах или долях единицы.
При этом Е+Р = 100%; 2?(8mln) = 0; £(8mJ = 100%; P(8mln) = 100%; P(8m„) = 0, где 8„ и
6mai “ наименьший и наибольший диаметры частиц пыли.
Седиментометрические методы анализа - отмучивание*, измерение плотности столба
суспензии (грубодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дис-
персной фазой), пофракционное оседание, отбор весовых проб, накопление осадка на
чашечке весов, электрофотоседиментометрия, седиментометрия в поле центробежных
сил. В отечественной лабораторной практике наиболее широко используются пипеточ-
ный прибор ПП-1ЛИОТ, жидкостный седиментограф НИИОгаз и лабораторная стацио-
нарная центрифуга ЦЛС-3 (МРТУ 42-1778-65).
Гцдроаэродинамические методы анализа — продувание в восходящем потоке, центро-
бежная сепарация (отделение) в воздушной среде (в сепараторах с вращающимся рото-
ром, в циклонных сепараторах), сепарация в струйных сепараторах (импакторах) и про-
мывание в восходящем потоке жидкости. Чаще используются ротационный анализатор
дисперсности РАД-1 НИИОгаз и импакторы НИИОгаз.
Методы микроскопирования - метод светлого поля в проходящем свете, исследование час-
тиц в отраженном свете, метод светлого или темного поля в отраженном свете, исследование
частиц в поляризованном свете, метод фазового контраста, флуоресцентная микроскопия.
Дисперсный состав аэрозолей — характеристика состава дисперсной фазы по размерам
или скоростям оседания частиц. Показывает, какую долю по массе, объему, поверхнос-
ти или числу частиц составляют частицы в любом диапазоне их размеров или скорости
320
оседания. Задается в виде таблицы, кривой или формулы, выражающей функцию распре-
деления или плотности распределения частиц (рис. 9.17, а).
Степень дисперсности пыли — качественный показатель, характеризующий «тонкость»
пыли: удельная поверхность, средние размеры частиц (арифметические, квадратичные,
кубические), медианный размер и др. По дисперсности различают пыли грубодисперс-
ные (размер частиц свыше 1 мкм); среднедисперсные (0.1 + 1,0 мкм); высокодисперсные
(тонкодисперсные) (до 0,1 мкм).
Удельная поверхность пылиД (см2/г, см2/см3) - отношение поверхности частиц к их мас-
се или объему.^=6/8^, 8ф=60000/^-р¥ (в мкм); определяется специальными приборами.
Адгезия пыли—процесс взаимодействия частиц пыли с твердой поверхностью. Основной
причиной (силой) адгезии частиц является молекулярное взаимодействие, другие причины
и факторы воздействия - электрические и капиллярные силы, температура среды и время
контакта частиц с поверхностью и т.д. Адгезия существенно зависит от размера и формы час-
тиц, шероховатости и состояния поверхности. Оценить адгезию можно только в результате
экспериментальных исследований условий отрыва осадка данной пыли от поверхности и
определения шероховатости материала при данном состоянии окружающей среды.
Аутогезия пыли — процесс взаимодействия (слипания) частиц пыли между собой.
Основными причинами аутогезии пыли являются силы электрического, молекулярного и
капиллярного происхождения. Зависит от природы частиц и от параметров среды, в кото-
рой они находятся. В качестве основного показателя, характеризующего аутогезию пыли,
принимается прочность пылевого слоя на разрыв. Количественно она равна силе, отнесен-
ной к площади контакта, необходимой для разрыва слоя. По аутогезионным свойствам пыли
классифицируются на четыре группы: неслипающиеся (разрывная прочность <60 Па), сла-
бослипающиеся (60-300 Па), среднеслипающиеся (300—600 Па), сильнослипающиеся (>600
Па). Разрывная прочность слоя пыли определяется методом разъемного цилиндра.
Прочность слоев на разрыв, например, доменной пыли составляет 10 Па (8,—20 мкм),
известковой пыли — 50 Па (8+7 мкм), кварцевого песка — 200 Па (8=15 мкм), диоксида
титана — 2300 Па (8_=2 мкм) и пыли ультрафарфора — 1100 Па (8г,-2 мкм).
Адгезионные и аутогезионные свойства пыли в значительной мере определяют ре-
жимы работы и эффективность действия систем обеспыливания и пневмотранспорта.
Вторичные пылеобразования (сдувание осевшей пыли) в помещении также в значитель-
ной мере объясняются силами адгезионного и аутогезионного взаимодействия осадков
пыли с воздушными потоками.
Сыпучесть пыли — подвижность частиц относительно друг друга и способность пе-
ремещаться под действием внешней силы, зависит от размера частиц, их влажности и
степени уплотнения.
Гигроскопичность пыли - способность пыли поглощать влагу из окружающей среды.
Поглощение влаги продолжается до установления равенства парциальных давлений па-
ров воды над пылью и в окружающем ее воздухе (газе).
Смачиваемое г...ли. Процесс смачивания пыли происходит в результате сложного
взаимодействия молекул на границе твердой, жидкой и газообразной фаз и приводит
к образованию на поверхности частиц тонкой жидкостной пленки, из которой влага
проникает в частицы.
Абразивность пыли - способность частиц пыли изнашивать (истирать) твердые (ме-
таллические) поверхности. Для нормальной работы обеспыливающих установок важно
прогнозирование мер по предупреждению износа поверхностей их элементов и обору-
дования.
321
Электрическая проводимость пыли характеризуется величиной удельного электри-
ческого сопротивления (УЭС) слоя пыли, которое равно сопротивлению прохождения
электрического тока через куб пыли со стороной, равной 1 м.
Горючесть и взрываемость пыли характеризует следующие параметры: температура са-
мовоспламенения Та (°К) — начальная температура пыли, при которой происходит само-
воспламенение; температура воспламенения (зажигания) (°К) — минимальная тем-
пература источника тепла, вызывающего воспламенение (возгорание); температура тле-
ния — наименьшая температура слоя пыли, при которой в результате нагревания возни-
кает тление; температура вспышки - самая низкая температура слоя пыли, при которой
над его поверхностью образуется смесь паров и газов с воздухом, способная вспыхивать
от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующе-
го устойчивого горения; нижний концентрационный предел воспламенения (НКПР) -
минимальная концентрация пыли, при которой возможно распространение по твердой
фазе пламени от источника зажигания. Характеристики пожаро- и взрывоопасности про-
мышленных пылей подробно рассмотрены в работе [9.23].
9.4.2 Регенерация фильтрующих материалов и фильтров. В проблеме эксплуатации и
возобновления (регенерации) фильтров существенная роль отводится материалу фильтра
и его свойствам. Фильтры грубой очистки (G3, G4 — см. п. 9.4.8) регенерируют по мето-
дике изготовителя. Например, запыленные кассеты моют в 10%-ном горячем растворе
каустической соды, осушают продувкой сжатым воздухом. От большинства видов пылей
фильтры промывают в теплой воде с добавлением моющих средств. Регенерацию тонко-
волокнистых фильтров производят ударными воздушными волнами. Их генерируют с по-
мощью лопающихся диафрагм, газовоздушных взрывов, пороховых патронов, ультразву-
ковых колебаний. Однако, как отмечает Ю.П. Хлебников [9.46], промышленного приме-
нения такой способ регенерации не нашел. Регенерацию высокоэффективных фильтров
классов Uи //производить не удается ввиду их низкой прочности. Кроме того, первичный
слой мелких частиц, связанный с волокнами материала фильтра силами адгезии, удаляет-
ся с большим трудом. Промывка материалов жидкостью приводит к слипанию волокон,
под действием капиллярных сил появляются просветы — и это резко ухудшает фильтро-
вальные свойства материала. Невозможность регенерации основных классов фильтров
(F, Н, U) приводит к их удорожанию и необходимости увеличения срока службы за счет
введения предварительной очистки от основной массы частиц в фильтрах класса G и F.
Подробные исследования процесса регенерации нетканых фильтрующих материалов вы-
полнены в свое время во ВНИИКондиционер [9.25]. Кратко опишем методику и основные ре-
зультаты этих исследований. Испытуемые образцы фильтрующих материалов размером 300 х
900 мм подвергали запылению на специальном стенде стандартной кварцевой пылью с удель-
ной поверхностью 5600 см2/г от начального сопротивления 140 Па до сопротивления 300 Па
при удельной воздушной нагрузке 10000 м3/ч на 1 м2 проходного сечения воздуховода стенда.
Материал укладывали гофрами с развитием поверхности в три раза. Эффективность
регенерации оценивали отношением (в процентах) массы удаленной с материала пыли к
массе пыли, осевшей на материал при ее запылении, и отношением разности сопротивле-
ний после запыления и после регенерации материала к разности сопротивлений материала
после запыления и начального. На рис. 9.12 представлены комплексные эксперименталь-
ные данные эффективности регенерации нетканых материалов различными способами.
Из рис. 9.12, а видно, что эффективность регенерации материалов вибрационным
встряхиванием возрастает с увеличением отрывающей силы, выраженной в единицах
322
ускорения силы тяжести, но при значениях ее свыше 15g этот рост несуществен. При
этом эффективность регенерации, оцененная по массе пыли, значительно больше, чем
по сопротивлению. Вероятно, это связано с тем, что при регенерации вибрацией удаля-
ются в основном крупные частицы, образующие вторичный слой пыли, расположенный
на поверхности фильтрующего материала, а мелкие частицы, обладающие более разви-
той поверхностью и большей вероятностью проникновения в объем материала, образуют
первичный слой пыли, прочно удерживающейся на волокнах.
На рис. 9.12, б видно, что эффективность регенерации резко возрастает с увеличе-
нием интенсивности ультразвуковых колебаний, но при значениях последней свыше 1,4
Вт/см- наблюдаются нагрев и оплавление фильтрующих материалов, вследствие чего они
становятся непригодными для дальнейшего использования по назначению.
Установлено, что изменение эффективности регенерации материалов в зависимости
от частоты ультразвуковых колебаний интенсивностью 1,1 Вт/см2 незначительно в диапа-
зоне 11-28 кГц и различное для разных материалов, что вероятно связано с неодинако-
вым поглощением колебаний этими материалами.
Из рис. 9.12, в следует, что эффективность регенерации при увеличении скорости воз-
духа свыше 20 м/с практически не возрастает. При этом способе регенерации наблюдает-
ся существенное уменьшение разрыва между значениями эффективности регенерации,
оцененной по массе пыли и по сопротивлению материала, что связано с удалением как
вторичного слоя пыли, так и части первичного слоя, состоящего из мелких частиц, обла-
дающих особенно большой удельной поверхностью и, следовательно, интенсивно влия-
ющих на процесс сопротивления материала при фильтрации.
При регенерации нетканых материалов отсосом пыли вакуумом совместно с воздейс-
твием ультразвуковых колебаний (рис. 9.12, г) уже через 0,3 с достигается эффективность
регенерации свыше 90% как по массе пыли, так и по сопротивлению материала.
Интенсифицирующее действие ультразвуковых колебаний при регенерации фильтрующих
материалов объясняется возможно тем, что эти колебания порождают акустическое течение в
слое воздуха, непосредственно прилегающем к волокну с прилипшими частицами пыли.
Представляется интерес исследование фильтрующих свойств нетканых материалов при
многократной регенерации, так как стоимость этих материалов относительно высокая.
Многократное использование регенерируемых фильтрующих материалов позволило
бы снизить в несколько раз необходимый объем производства этих материалов для ком-
плектации фильтров. Это особенно важно, учитывая, что с течением времени рост необ-
ходимого количества фильтрующих материалов резко опережает рост количества выпус-
каемых фильтров, так как необходимо комплектовать фильтрующими материалами как
вновь выпускаемые фильтры, так и фильтры, находящиеся в эксплуатации. Возможность
многократного использования фильтрующих материалов позволила бы существенно
упростить проблему поставки материалов, их хранения и утилизации.
На рис. 9.12, д представлены экспериментальные данные по пылеемкости и эффек-
тивности улавливания пыли неткаными материалами при многократной регенерации.
При исследовании эффективности регенерации нетканых материалов, запыленных стан-
дартной кварцевой пылью с удельной поверхностью 5600 и 11000 см2/г, а также пылью,
собранной с верхних перекрытий в литейном цехе, было установлено, что хуже других
удаляется с материалов кварцевая пыль с удельной поверхностью 11000 см2/г. Поэтому
при многократной регенерации материалы запылялись именно этой пылью.
Регенерацию фильтрующих материалов проводили отсосом пыли вакуумным разря-
жением совместно с воздействием ультразвуковых колебаний. При этом интенсивность
323
324
Рис. 9.12. Комплексные зависимости, описывающие эффективность регенерации филь-
трующих материалов (1, Г — войлок ПВХ из волокон поливинилхлорида;
2, 2’ — материал №53—69 из волокон лавсана; 3, 3’ — материал №50—69Б из
а - зависимость эффективности регенерации по массе пыли (1, 2, 3) и по со-
противлению материала (1 2, 3’) от величины отрывающей силы в единицах
ускорения силы тяжести g.
б - зависимость эффективности регенерации по массе пыли (1, 2, 3) ипосо-
частотой 20 кГц.
противлению материала (Г, 2’, 3) от скорости воздуха на входе в раструб для
отсоса пыли.
отсоса пыли с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний с час-
д - зависимость пылеемкости (1. 2 3) и эффективности улавливания пыли
ультразвуковых колебаний составляла 1,2 — 1,4 Вт/см2, частота 20 кГц, скорость воздуха
на входе отсасывающего раструба 19 — 20 м/с, время отсоса пыли 0,3 с.
Из рис. 9.12, д видно, что эффективность улавливания пыли неткаными материалами
возрастает в течение первых 3—4 циклов регенерации, что связано очевидно с автофиль-
трующим действием слоя неудаленной пыли, накапливающейся в материале. Некоторое
увеличение пылеемкости и снижение эффективности улавливания пыли материалами
после 3-4 циклов регенерации объясняется вероятно растяжением материалов при гоф-
рировании и перемотке их в процессе регенерации.
Анализируя экспериментальные данные, можно сделать вывод о возможности и целесооб-
разности регенерации нетканых фильтрующих материалов из синтетических волокон, предна-
значенных для фильтров в системах кондиционирования воздуха и приточной вентиляции.
9.4.3 Теоретическое обоснование долговечности регенерируемых фильтров. Эта пробле-
ма подробно рассмотрена В.Б. Гореликом, Е.В. Токаревым и А.И. Федоровым [9.7, 9.8],
суть ее кратко заключается в следующем. В основных типах фильтров, используемых для
очистки наружного и приточного воздуха, фильтрующий материал, как уже отмечалось,
после достижения предельной пылеемкости заменяют новым, а отработанный подлежит
уничтожению. В этом случае рост производства фильтрующего материала должен значи-
тельно опережать рост производства фильтров. В связи с этим широкое распространение
нашли установки для регенерации фильтроткани. Однако регенерация исходного мате-
риала фильтра всегда является неполной. Так, например, эффективность регенерации
ткани отсосом воздуха составляет около 94—96% по массе пыли и 91—94% по аэродина-
мическому сопротивлению. Аналогичные зависимости характеризуют и другие способы
регенерации фильтроткани.
Таким образом, регенерированный фильтр или фильтроткань уже обладают некото-
рой начальной запыленностью. Поэтому относительная величина Ат, допустимого уве-
личения массы пыли на фильтре, т.е. запыленность фильтра, при которой его коэффи-
циент очистки и аэродинамическое сопротивление остаются в пределах, допускаемых
325
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г.
техническими условиями после регенерации, оказывается несколько меньшей, чем соот-
ветствующая величина Дт0. Если ввести коэффициент а<1, учитывающий восстановле-
ние фильтра, то можно записать соотношение:
Am, = аАт0.
Исходя из этих предположений, ниже приводятся результаты теоретического иссле-
дования долговечности, т.е. допустимого числа циклов восстановления регенерируемых
фильтров, строится математическая модель процесса их восстановления (регенерации).
Этот процесс является нестационарным, что существенно осложняет его исследование.
Ситуация облегчается тем, что в предшествующей работе авторов [9.8] были установлены
законы распределения времени наработки до первого отказа, связанного с полной запы-
ленностью для двух типов фильтров: ячейковых и рулонных. Было определено, что на-
работка на отказ ячейковых фильтров подчиняется закону распределения с гамма-плот-
ностью Да, v) и параметрами о=Л, v=cAm, а распределение на отказ рулонных фильтров
подчиняется нормальному закону п(Ме, о) со средним Ме=АЛт и дисперсией а^ВДт.
В этих формулах явно выделена зависимость параметров законов от величины Am допус-
тимого увеличения массы пыли на фильтре, а все остальные зависимости (от характерис-
тик фильтра и перемещаемой через фильтр среды) «упрятаны» в числовые коэффициенты
X, А, В, с, подробно описанные в упомянутой работе.
Опуская промежуточные преобразования, приведем только конечный результат — ко-
личество восстановлений (регенераций) пф, которое может выдержать ячейковый или ру-
лонный фильтр при условии, что его наработка на отказ ограничена снизу минимальным
значением Tmin. Искомое число восстановлений определяется из соотношений:
для ячейковых фильтров---,
(9.4)
для рулонных фильтров - ~ 1-а •
Практическое использование этих закономерностей возможно, если задаться вели-
чиной коэффициента восстановления, например а = 0,90-0,95 (см. рис. 9.13), а недо-
стающие величины v, а, Me определить из [9.8]. В результате предложенные зависимости
позволяют оценить ожидаемое количество восстановлений ячейковых и рулонных филь-
тров, при которых интервалы времени между последующими восстановлениями (рабо-
чие циклы) остаются в пределах, регламентированных технической документацией. Эти
же зависимости позволяют определить показатели надежности ячейковых и рулонных
фильтров после заданного числа их восстановлений. Установлено, что процесс неполного
восстановления фильтров не позволяет повысить срок их службы более чем в (1-а)-1 раз,
где а — коэффициент восстановления фильтра. Обращает на себя внимание, что размер-
ности левых частей выражения (9.4) и (9.5) не объяснены и в практическом применении
это вызывает трудности.
9.4.4 Основные свойства атмосферной пыли. Существуют различные виды аэрозолей -
аэродинамических систем, состоящих из твердых или жидких аэрозольных частиц (дис-
персной фазы), взвешенных в воздушной (дисперсной) среде, — пыли, дымы и туманы.
Пылью называют аэрозоли с твердыми частицами диспергационного происхождения,
они образуются при измельчении твердых тел, механической обработке, ветровой эрозии
почвы и в других процессах. Дымом называют аэрозоли с твердыми частицами, образовав-
326
шимися в результате конденсации пересыщенных паров, например, при плавке и сварке,
при горении, возгонке органических и неорганических веществ, а также в результате хи-
мических и фотохимических реакций некоторых веществ. Дым содержит некоторое ко-
личество жидких аэрозольных частиц. Туманом называют аэрозоли с жидкими частицами,
образовавшимися в результате конденсации перенасыщенных паров жидкостей или при
диспергировании жидкостей, например, с помощью форсунок. Термин смог обозначает
смесь дыма (smoke) и тумана (fog) в атмосфере. Иногда аэрозолями называют дисперсные
системы с частицами размером менее 10 мкм. Такое определение основывается на том,
что д ля более крупных частиц взвешенное состояние не является характерным, во всяком
случае в неподвижной воздушной среде.
В инженерной практике, как правило, пылью называют не только среду со взвешен-
ными частицами — аэрозолями, но и сами пылевые частицы различного происхождения.
Пыль обычно содержит более крупные частицы, чем дым и туман. Частицы диспергаци-
онного происхождения представляют собой обломки материала и, как правило, имеют
форму кристаллов, многогранников, пластинок или чешуек, призм, игл, волокон и т.п.
Дисперсность, то есть совокупность размеров всех частиц, является одним из важ-
нейших свойств аэродисперсных систем, определяющим особенности физических зако-
нов их поведения и улавливания.
Размером частиц называют:
• размер в свету наименьших отверстий сита, через которые еще проходят данные час-
тицы (при ситовом методе);
• диаметр сферических частиц или наибольший линейный размер частиц неправиль-
ной формы (при использовании микроскопа);
• диаметр условных сферических частиц, обладающих такой же плотностью и скоро-
стью витания в вязкой среде как данные частицы.
Дисперсность (от 10-4 до 10" мкм) разных пылей, аэрозолей, дымов и туманов, спо-
собы различения частиц и типы фильтров для их очистки можно определить из сводной
таблицы рис. 9.14, составленной по зарубежным источникам.
327
Для сравнительной оценки числа частиц с учетом существенного различия размеров
и разной величины интервалов размеров фракций пыли, например, Аг/я=ЗО—20=10 мкм;
t\drii = 2,0-1,0 =1,0 мкм, Дс/Лэ = 0,2—0,1 = 0,1 мкм удобно пользоваться понятием плотнос-
ти частиц по массе &m/5.dn (гравиметрической) и по числу 5n/5dn (гранулометрической). При
этом приближенный пересчет производят через массу частицы, соответствующую средне-
что учитывает объем и массу частиц, заменяемых сферой). Для сравнительной оценки
соотношений среднеарифметического, среднеквадратического и среднекубического раз-
мера частиц в интервале от dx до А удобно воспользоваться графиком рис. 9.15.
Как следует из результатов расчета, средние размеры частиц, определенные по раз-
ным принципам усреднения при большой ширине интервала существенно различают-
ся. (рис. 2.19).
Пересчет исходной плотности частиц по массе на искомую плотность по числу час-
тиц производят по формуле:
Ли __ 6 Лги 2-Ю9 Лги
Рп^л-р &dn Рп^пср bdn
где рл - плотность исходного материала, принимаемая для всех частиц постоянной,
и пересчитанная из г/см3 на мг/мкм3. Плотности распределения атмосферной пыли по
массе и по частицам принципиально отличаются как кривой распределения, так и его
параметрами (медианой, модой, среднеквадратическим отклонением atoJjj), что поясняет
нижеприводимый пример пересчета.
интервале частиц. Среднеарифметический размер dcf
Пример 9.1. Для тонкодисперсной атмосферной пыли задано процентное рас-
пределение частиц по массе в интервале dn= 0,05...20мкм при среднем диаметре
dcr„~ 0,5мкм в одиннадцати интервалах (см. табл. 9.4). Пересчитать заданное
распределение в соответствующее распределение по числу частиц. Плотность ма-
териала принять рл= 1 г/см3 = 1 мг/мм3 = 1-10~9мг/мкм3. В этом случае для час-
тиц, близких к сфере, принимаем 6/прП~21(11 мкм3/мг. Дальнейшие расчеты ведем
в табличной форме. Сначала определяем плотность распределения частиц по массе
329
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Дот. /Д</; (столбец 4), где процент по массе Тут, отнесен к ширине интервала Ad
(мкм), указанного во втором столбце. Далее для каждого интервала выбран средний
диаметр (столбец 5); если интервалы узкие, то достаточно учитывать среднеа-
рифметическое значение в этом интервале dcp; Для среднего в интервале диаметра
находят объем частицы (vcp/ мкм3, столбец 6), а распределение по массе и объему
частиц при заданной плотности материала будет одним и тем же. Пересчет про-
центной плотности частиц из распределения по массе (объему) на распределение по
числу произведено по формуле (9.6) и записано в столбец 7. После этого процент чис-
ла частиц Туп = (/Xn/7ydn)Tydn, как результат перемножения, записан в столбец 8.
В процессе расчета определено, что в распределении преобладают частицы меньше
0,1 мкм, средний по числу частиц диаметр около dcfn= 0,02 мкм.
Левая ветвь распределения dn/ddn(puc. 9.16, табл. 9.4) неопределима, т.к. частицы
дп<0,05мкм столь малы, что их распределение в условии расчета не представлено.
График плотности распределенных частиц по массе и по числу по результатам
расчета в таблице 9.4 приведен на рис. 9.16. Смещение этих распределений в част-
ности характеризует многократное различие медианных значений ('1Пср т и dnq,n).
Как следствие такого распределения, при высоких требованиях к числу тонко -
дисперсных частиц применяется многоступенчатая очистка в последовательно
установленных фильтрах разных классов.
В атмосфере обычно встречаются системы, содержащие частицы различных размеров и
называемые полидисперсными. Для них очень важно знать распределение массы и числа час-
тиц в разных интервалах диаметров. Пример такого распределения приведен в таблице 9.5.
Таблица 9.4. Таблица пересчета распределений частиц по массе на распределение по числу
частиц (иначе гравиметрического в гранулометрическое) к примеру 9.1
№ D. Ат km./kd. % bn/6d„ Ал
- мкм % % мкм мкм3 %
1 2 3 4 5 6 8
1. <0,05 5 100 0,025 7,8-Ю"6 1,3-107 6,5-Ю5
2. 0,05...0,1 17 340 0,075 2,1-10-* 1,6-106 8,0-10*
3. 0,1...0,2 12 120 0,15 1,7-10-’ 0,7-105 7-10’
4. 0,2...0,3 10 100 0,25 7,8-10-’ 1,2-10* 1,2-Ю3
5. 0,3...0,5 10 50 0,40 3,210-= 1,5-10’ 3,0-102
6. 0,5—1 17 34 0,75 2,1-10-' 1,6-10= 8,0-10'
1...2 12 12 1,7-Ю» 0,7-10' 0,7-10'
8. 2...5 10 2,1-10' 1,5-10-' 4,5-10-'
9. 5...10 5 l,o 2,110» 0,5-10-2 2,5-10-2
10. 10...20 1 0,1 15 1,7-Ю3 0,6-10-* 6,0-10-*
11. >20 1 — — — — -
Всего: 100% d..„. “0,02 мкм
330
Таблица 9.5. Характерное распределение атмосферных частиц в воздухе
большого города при сн=2 мг/м3
Вид распределения частиц Размеры частиц, мкм Всего
<0,5 0,5-1 3-5 5-10 10-30 -
1 2 3 4 5 6 7 8 9
По размеру (гранулометрическое) шт 1,3-10’ 1-108 1,5-10’ 3,3-10‘ 2,4-106 7-10“ 1,4-10’
По массе (гравиметрическое) % 1 2 6 11 52 28 100%
Размеры пылинок меньше 0,1 мкм современными приборами пока не определяют-
ся. Средний по числу пылевых частиц диаметр оказывается в области, где число частиц
пока не определяется, и может быть приближенно вычислен по формуле, предложенной
Ю.Н. Хомутецким:
(к примеру, 9.1).
331
Сотников А. Г.
где размерность сн в мг/м3; п - шт/ м3; def п - мкм. Для вышеприведенных данных
средний по числу частиц размер пылинки оказывается в интервале 0,5—2,5 мкм. В то же
время, судя по распределению в табл. 9.5, средний диаметр должен быть меньше 0,5 мкм.
Кажущееся противоречие объясняется неизученностью распределения очень мелких час-
тиц dn= 0,001-0,1 мкм.
Пример экспериментальных данных о интегральном распределении частиц атмосфер-
ной пыли по числу, площади поверхности и массе показан для условий г. Хельсинки на рис.
9.17, а, а содержание пыли по месяцам и дням недели в этом городе — на рис. 9.17, б.
Исходные данные по пыли обычно задают массой (ся, мг/м3), в то же время требования
к воздушной среде ЧП (чистых помещений) определяются счетным числом частиц (шт/
м3) в разных интервалах размеров. Поэтому важна связь распределений - гранулометри-
ческого и гравиметрического, в которых средние (</фЯ, йфМ) далеко не совпадают и даже
наоборот — находятся на противоположных краях распределений (для данных табл. 9.5 dcp
л<0,5 мкм, dcpU и 7 мкм). Как следствие этого, фильтр грубой очистки (класс G3, эффек-
тивность Ел = 0,50) задерживает около 50% массы частиц крупных фракций атмосферной
пыли (10—30 мкм), практически не изменяя общее число частиц, из которых основная
часть — тонкодисперсные.
При выборе фильтров учитывают закон распределения частиц в спектре:
• для атмосферной пыли — трехмодальное распределение (см. рис. 9.18, а) или прибли-
женно логарифмически-нормальное распределение или распределение числа частиц
по диаметрам, описываемое приближенно кубичной зависимостью суммарного чис-
ла частиц от их размера (d„ > dn);
• для частиц дождя и тумана — формула Юнга:
dd
для многих порошковых материалов - формула Роллера:
m(d)=(\4d-exp(-C2/d)
где Me — медиана распределения, — среднеквадратическое отклонение размера.
При очистке воздуха от промышленных и технологических загрязнений учитывают
такие свойства аэрозолей, как свободная энергия поверхности, неустойчивость аэрозолей,
смачиваемость, слипаемость, адгезия, плотность, скорость витания, электрические свойства,
горючесть, взрывчатость и др. [9.30].
Поскольку частицы попадают в чистое помещение вместе с наружным воздухом, по-
лезно рассмотреть свойства распределений атмосферных аэрозолей.
Многочисленные экспериментальные исследования позволили установить, что фун-
кцию плотности распределения атмосферных аэрозольных частиц по размерам можно
представить в виде кривой, имеющей три характерных максимума (т.н. «трехмодальное»
распределение - рис. 9.18, а). Безусловно, как положение этих максимумов, так и их ве-
личина и ширина могут немного меняться в зависимости от конкретных условий, но об-
щий характер распределения сохраняется.
332
9.4
Основы теории очистки воздуха от аэрозолей
P(dn)>P(dnl)
Рис. 9.17. Пример интегрального распределения частиц атмосферной пыли по числу,
площади поверхности и массе на специальной логарифмически нормальной
Мем — медианный диаметр частиц соответственно по их числу, площади и массе.
Первый (по мере возрастания размеров частиц) максимум соответствует тонкодиспер-
сным частицам, образующимся в атмосфере при конденсации паров различных веществ
и в ходе фотохимических реакций. Для частиц таких размеров характерна коагуляция,
т.е. укрупнение частиц путем образования сложных агломератов.
333
0,001 0,005 0,01
0,05 0,1
Рис. 9.18. График трехмодального распределения частиц атмосферной пыли: Мор Мо2 и
для каждого диапазона размеров (б)
334
центрацией атмосферных частиц и
р. 39—45 (б).
Второй, самый заметный, максимум приходится на частицы субмикронного диапазо-
на размеров. Это связано в первую очередь с тем, что из-за броуновского движения ско-
рость седиментации этих частиц чрезвычайно мала — они присутствуют в воздухе всегда.
В природе генерация частиц субмикронного размера постоянно происходит при распы-
лении капель воды (брызги над поверхностью морей и океанов) и их дальнейшем высы-
хании. Кроме того, эта размерная фракция постоянно пополняется за счет коагуляции и
постепенного укрупнения тонкодисперсных частиц.
Субмикронные частицы не только наиболее многочисленны в атмосферном воздухе.
Именно этому диапазону размеров соответствует область максимальной проницаемости
высокоэффективных фильтров.
Третий максимум в функции распределения находится в области крупных частиц, ко-
торые возникают в ходе природных процессов диспергирования веществ - механическо-
го разрушения материалов, эрозии почвы, дробления и др. К этой же области размеров
относится и большинство микроорганизмов, например, бактерии. Такие частицы недол-
го могут находиться во взвешенном состоянии; они оседают под действием силы тяжести,
легко вымываются из атмосферы дождями, поэтому численные значения счетной кон-
центрации макрочастиц в воздухе обычно невелики, но именно эти частицы определяют
массовую (весовую) концентрацию аэрозолей в воздухе.
9.4.5 Физические механизмы фильтрации частиц. Они объясняют, за счет чего удер-
живаются частицы волоконными фильтрами вообще и в особенности фильтрами класса
Ни класса U(по ГОСТ Р51251-99), подробнее см. далее. Действуют четыре механизма
удерживания частиц:
Эффект сита (рис. 9.19, а), который действует, когда расстояние между двумя волок-
нами меньше диаметра частицы. Этот тривиальный эффект крайне нежелателен в высо-
коэффективных фильтрах: когда поверхность фильтра оказывается блокированной осев-
335
шими частицами, становится затрудненным проникновение частиц глубоко в фильтр и
срок его службы сокращается;
фекта зацепления; в — эффекта инерции; г — эффекта диффузии.
Эффект зацепления (рис. 9.19, б), который проявляется, когда линия тока, по которой
следует частица, проходит так близко к фильтровальному волокну, что частица задевает его;
Эффект инерции (рис. 9.19, в), который проявляется для всех частиц размером более
1 мкм: благодаря большой инерции такие частицы не могут отклониться вместе с линией
тока воздуха, когда они огибают волокно, и таким образом оседают на нем;
Эффект диффузии (рис. 9.19, г), который имеет доминирующее значение для очень ма-
леньких частиц (менее 0,1 мкм) с соответственно небольшой массой: в результате посто-
янного взаимодействия с окружающими их молекулами газа эти частицы совершают хао-
тическое инерционное движение (броуновское движение) в стороны от лини тока. Таким
образом, увеличивается вероятность касания волокна частицей и ее удержание фильтром.
Если частица однажды соприкоснется с волокном, она будет надежно удержана в
этом положении поверхностными силами (силами ван дер Ваальса).
Эффект зацепления и эффект инерции становятся более значимыми с увеличением
диаметра частицы. Противоположным свойством обладает эффект диффузии: подвиж-
ность частиц и, соответственно, коэффициент диффузии и вероятность удержания будут
тем больше, чем меньше размер частицы. Таким образом, для волокнистых фильтров су-
ществует размер частицы, при котором эффективность удерживания является минималь-
ной, а проскок частиц — максимальным (рис. 9.20).
Этот максимум проскока, названный размером частицы с максимальной проникающей
способностью - Most Penetrating Particle Size (MPPS), является функцией скорости тече-
ния воздуха сквозь фильтр. Как правило, MPPS соответствует диаметр частицы 0,1 — 0,5
мкм. Фильтры грубой и тонкой очистки воздуха, т.е. фильтры предварительной очистки в
системах подготовки воздуха чистых помещений, обычно имеют плоский характер кри-
вой в зоне минимума и значение MPPS, близкое к верхнему пределу указанного выше
диапазона значений. С другой стороны, НЕРА и ULPA-фильтры имеют ярко выраженный
336
Основы теории очистки воздуха от аэрозолей
максимум проницаемости в зоне точки MPPS'. для частиц с диаметром вдвое большим
MPPS значение проницаемости (проскока) может быть в пять и более раз меньше, чем
в точке MPPS. Для НЕРА и ULPA фильтров точка MPPS находится в нижней части ранее
показанного интервала примерно между 0,1 и 0,3 мкм.
,МКМ
табл. 9.5, соответствует размеру частиц с максимальной проникающей спо-
собностью MPPS.
9.4.6 Уравнение фильтрации аэрозольных частиц. Многочисленные эксперименталь-
ные исследования фильтров [9.46] в нестационарной стадии фильтрации показали, что с
накоплением минералогической пыли в волокнистых фильтрах эффективность очистки
возрастает, а сопротивление фильтров увеличивается.
В процессе накопления пыли на волокнах фильтра диаметр волокон и плотность
упаковки увеличивается. С другой стороны, эффективность фильтров из тонких воло-
кон выше, чем из толстых. Такое противоречие можно объяснить только тем, что с на-
коплением пыли на волокнах увеличивается поверхность волокон и поверхность пыли, с
которыми контактирует в процессе фильтрации пылевоздушный поток. Таким образом,
в уравнении улавливания частиц структура материала должна характеризоваться суммар-
ной поверхностью волокон и пыли. До этого уравнение улавливания частиц выводилось
многими авторами, однако они не учитывали суммарную поверхность.
На практике качество фильтра оценивается степенью выноса пыли из фильтра, рав-
ной отношению частиц, пропущенных фильтром, к массе частиц, поступивших на него с
воздухом. Рассмотрим связь между степенью выноса пыли, суммарным коэффициентом
захвата частиц nj единицей длины волокна в слое фильтра с площадью фронтальной по-
верхности ^=1 м2 и поверхностью волокон.
Примем, что фильтрующий слой имеет одинаковую плотность упаковки, состо-
ит из волокон одного диаметра, равномерно расположенных перпендикулярно потоку.
Составим дифференциальное уравнение баланса пыли, осевшей на волокно и убывшей
из воздушного потока при прохождении через фильтр:
где улфр-средняя скорость воздуха во фронтальном сечении фильтра; v'B фр = увфр (1 р )-
то же между волокнами фильтра (р - т.н. плотность упаковки, соотношение плотности
фильтрующего материала р,} и волокон материала рД; - суммарный коэффициент за-
хвата частиц единицей длины волокна в фильтре под влиянием всех механизмов осаж-
дения; dB — диаметр волокна; с — концентрация частиц; SZ — суммарная длина волокон;
Рфр — фронтальная поверхность фильтра; dPZl/F^^dZJ^nd^, где FB — удельная суммарная
поверхность волокон в элементарном слое фильтра.
Подставляя значение ilCdl/F^) в уравнение баланса осевшей и убывающей пыли, по-
лучаем:
Принимая 1 - р »1, после сокращения и интегрирования получаем:
или в конечном виде получаем выражение для коэффициента проскока Р'.
Из последнего уравнения следует, что показатель степени экспоненциальной фун-
кции равен произведению суммарного коэффициента захвата частиц на суммарную по-
верхность волокон в элементарном слое фильтра. Таким образом, в основном уравнении
фильтрации структура материала характеризуется одним показателем — поверхностью
волокон. Суммарная поверхность из однородных волокон для волокнистого фильтра при
единичной фронтальной поверхности (^=1 м2) определяется зависимостью:
Tid^U Г-'фр= 4plmdll/ndB-4ph/dfl,
где h — толщина фильтрующего материала. Для материалов, изготовленных из раз-
личных волокон, диаметр волокна dB определяют как средневзвешенный по поверхнос-
ти: dBP =Y.dBFB, Диаметры волокон и плотность упаковки определяются техни-
ческими условиями на изготовление фильтрующего материала. Для материалов с извес-
тной дисперсией распределение размеров волокон состава смеси определяют оптичес-
кими методами. Общую плотность упаковки и толщину материала определяют обмером
и взвешиванием образца.
В процессе эксплуатации фильтров протекают вторичные (временные) процессы.
Практика показала, что даже при постоянной начальной запыленности воздуха и его
скорости коэффициент проскока, аэродинамическое сопротивление и пылеемкость
фильтра изменяются во времени т. Такие исследования проводились многими автора-
ми. Так, Ламмер и Дрезин предложили экспоненциальную зависимость коэффициента
проскока от времени:
338
где Ро - начальный коэффициент проскока «чистого» фильтра в начальный момент
т=0; s — некоторая постоянная, зависящая от типа фильтра и скорости воздуха во фрон-
тальном сечении. В.Н. Ужов и Б.И. Мягков [9.43] описали изменение коэффициента про-
скока уравнением:
Р(9')=Р(|ехр(-<в?'),
где а> — коэффициент накопления, характеризующий поверхность захвата осажден-
ных частиц, м2/частиц; q — число частиц, накопленных на единице поверхности фильтра:
ч' ~ (частиц/м2), где сн-начальная концентрация частиц, Еср—средняя эффектив-
ность фильтра за период Ат, vB — скорость воздуха. Изменение сопротивления фильтра в
начальной стадии накопления пыли пропорционально числу осажденных частиц и коэф-
фициенту сопротивления отдельной частицы. Недостаток приведенных зависимостей -
весьма сложное определение коэффициентов и отсутствие прямой связи показателей
фильтрации со структурой материала. Процесс фильтрации аэрозолей волокнистыми
фильтрами можно рассматривать (по Л.В. Радушкевичу) в течение двух периодов:
первичного, когда процесс осаждения частиц идет непосредственно на чистое волокно;
« вторичного, когда осаждение частиц происходит также и на осевшие частицы. Под
вторичными процессами кроме соосаждения понимают и другие: капиллярные яв-
ления, деструкция фильтров, утечка или нейтрализация электрического заряда филь-
тров, эффективность столкновения частиц с волокном и, наконец, вторичный вынос
уловленных частиц из фильтрующего материала. В книге Ю.П. Хлебникова [9.46] по-
казано, что для фильтров СКВ и СВ этими явлениями — вторичными процессами -
можно пренебречь.
Теоретический анализ основных показателей фильтрации в нестационарных усло-
виях эксплуатации фильтра показывает, что эффективность очистки, пылеемкость и со-
противление волокнистых фильтрующих материалов зависят от суммарной поверхнос-
ти волокон и осевшей на волокне пыли. Для повышения эффективности фильтрующего
материала 1 йходимо увеличить его поверхность, но для этого нужно иметь волокно
меньшего диаметра или большую плотность упаковки и толщину материала. При этом
будет возрастать сопротивление фильтрующего материала. Если же применять профиль-
ное волокно*, то при том же эквивалентном (или расчетном) диаметре, плотности упа-
ковки и толщине суммарная поверхность волокон увеличивается, а следовательно, при
том же сопротивлении повысятся эффективность очистки и пылеемкость. Оптимизацию
структуры материала, то есть определение плотности упаковки, толщины материала, диа-
метра и профиля волокон, выполняют на основе математических моделей фильтрации.
Критерием оптимальности является пылеемкость фильтрующего материала при задан-
ной эффективности очистки и аэродинамическом сопротивлении. Для удобства анализа
структуры материала с различными профилями волокон их математические модели при-
водят к одинаковому виду, в основу которого положен круглый профиль волокна.
9.4.7 Требования к подсистеме очистки наружного и приточного воздуха. На систему
очистки и устанавливаемые в ней фильтры возлагают следующие задачи [9.30]:
а) поддержание в чистых производственных помещениях (предприятий точного прибо-
ростроения, электронной, фармацевтической, пищевой промышленности, в операционных
и др.) специальных технологических требований к содержанию аэрозолей и микрофлоры;
339
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
б) уменьшение содержания пыли в воздухе, подаваемом в помещения, особенно если
концентрация пыли в месте забора воздуха превышает предельно допустимую величину,
установленную санитарными нормами (см. табл. 9.6). В случаях когда запыленность на-
ружного или рециркуляционного воздуха, подаваемого в производственное помещение,
не превышает 30% ПДК в рабочей зоне (2-4 мг/м3), воздух может не подвергаться очист-
ке, если необходимость в ней не обусловлена другими требованиями;
Таблица 9.6 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в составе
аэрозолей воздуха рабочей зоны помещений (по прил. 2 ГОСТ12.1.005-88
«Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»)
мещений
Преимущест-
венное
Железорудные окатыши
Керамика
602
‘ ПДК для общей массы аэрозоля
918
смешанные асбестопородные пыли при
б) асбестопородные пыли при содержании
Величина
ПДК,
содержании в пыли от 10 до 70%
Марганец в сварочных аэрозолях при его
Микробный аэрозоль животноводческих
а) зерновые
б) мучная, древесная
Пыль растительного и животного проис-
льняная, шерстяная, пуховая и др,
кремния более 10%)
Селикатсодержащие пыли, селикаты,
340
920
1104
от 5% до 10%
в) асбестоцемент неокрашенный и цвет-
ной при содержании в нем диоксида мар-
ганца не более 5%, оксида хрома не более
глина, шамот каолиновый
ж) углеродные волокнистые материалы
А - вещества, способные вызывать аллергические заболевания в производственных условиях;
д) слюды (флагопит, мусковит), тальк,
талькопородные пыли, содержащие до
10% свободного диоксида кремния
е) искусственные минеральные волокна
силикатные и алюмосиликатные стек-
стекловата, вата минеральная и шлаковая,
з) силикаты стеклообразные
(туфы, пемза, перлит)
и) цеолиты (природные и искусственные)
Синтетические моющие средства «Лотос»,
Углерода пыли:
а) коксы каменноугольный, пековый, н
в) другие ископаемые угли с содержанием
свободного диоксида кремния:
е) сажи черные и промышленные с содер-
в) защита теплообменного и другого оборудования кондиционеров и приточных ус-
тановок от отложения пыли, ухудшения теплотехнических и аэродинамических характе-
ристик и др.;
г) предохранение ценной внутренней отделки, оборудования и обстановки помеще-
ний от загрязнения отложениями мелкодисперсной пыли, содержащейся в воздухе, по-
даваемом в помещение;
д) уменьшение запыленности воздуха в системах воздушного душирования или пода-
чи его в шлемы, маски и щитки, защищающие лица работников.
341
Процессы, аппараты и с
Очистка воздуха от пыли всегда сопряжена с существенными затратами: капитальны-
ми - на приобретение фильтров, особенно не регенерируемых, и на установку, включая
стоимость занимаемой ими полезной площади, и эксплуатационными - на замену филь-
трующего материала, платы за установочную мощность и потребление электроэнергии на
перемещение воздуха через фильтр.
Системы централизованной пылеуборки занимают особое место в современных боль-
ших квартирах, коттеджах, мотелях, гостиничных и др. зданиях. Такая централизованная
система в отличие от известных бытовых является многофункциональной и очищает от
пыли и микроорганизмов не только поверхности полов, ковров и мебели, но и воздух в
помещениях. Переносной бытовой пылесос после первичной очистки воздуха от пыли
выбрасывает этот воздух в помещение, при централизованной же пылеуборке — наружу.
При этом учитывают, что вредный для человека табачный дым с размерами частиц до 4
мкм и самые мелкие частицы копоти размером 0,05—1 мкм опасны для человека и могут
вызвать легочные и онкологические заболевания.
Система централизованной пылеуборки (рис. 9.21) в квартире, на этаже или в здании
состоит из следующих элементов:
• силовой фильтровентиляционный агрегат (рис. 9.21, а), устанавливаемый во вспомо-
гательном помещении, кладовой, стенном шкафу, балконе или лоджии, подвале и пр.
имеет воздухопроизводительность 50—100 л/с, в зависимости от числа пневморозе-
ток, и разрежение на всасывании 25—30 кПа, допускает протяженность трубопрово-
дов до 30-80 м и может обслуживать помещение площадью от 200 до 1700 м2;
• разводка трубопроводов (рис. 9.21,6) — пластиковых воздуховодов от вентиляционно-
го агрегата по этажам и помещениям при диаметре труб 50 мм и скорости всасывания
около 25 м/с. Воздуховоды систем пневмоуборки в строящихся зданиях располагают
над подвесным потолком, в полу или стенах, а в существующих зданиях — у плинту-
сов или под потолком в декоративном коробе. Трубопроводы соединяют, склеивая
составные элементы из поливинилхлорида. Правильно расположенные пневморо-
зетки позволяют обслуживать площадь 50-60 м2 каждая. Конструкция воздухопри-
емника такова, что отдельные предметы скорее застрянут в шланге диаметром 29 мм
или повороте воздуховода, чем в последующем прямом участке диаметром 50 мм;
• пневморозетки для подключения гибких шлангов длиной до 15 м к централизован-
ной системе пылеуборки.
Очистка воздуха в такой системе производится в циклонном фильтре (рис. 9.21, а),
задерживающем 96—98% частиц, мельчайшие частицы дыма, сажи, бактерий, после чего
воздух отводится по воздуховоду на улицу. Там эти частицы рассеиваются и перестают
быть опасными для человека. Объем пылесборника зависит от модели агрегата и может
составлять 20—50 л, рассчитан на работу в течение 4—5 месяцев.
9.4.8 Классификация фильтров для очистки воздуха. В соответствии с ГОСТ Р51251-99
она согласована с общепринятой в Европе и США. Всего имеется 17 классов фильтров,
среди них:
• G1...G4 — фильтры грубой очистки,
• 75...79 — фильтры тонкой очистки,
• Н10...Н\4 — фильтры высокой эффективности,
• 1715...1717 — фильтры сверхвысокой эффективности.
Первые две группы относятся к фильтрам общего назначения и применяются в любых
системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Фильтры высокой и сверхвысокой
342
эффективности обеспечивают выполнение специальных требований к чистоте воздуха, в
том числе в чистых помещениях.
В этом ГОСТе применяют следующие термины с соответствующими определениями:
3.1. Фильтр очистки воздуха; фильтр воздушный — устройство, в котором с помощью
фильтрующего материала или иным способом осуще гделение аэрозольных
частиц от фильтруемого воздуха.
3.2. Фильтрующий материал для воздушных фильтров — материал, предназначенный
д ля улавливания аэрозольных частиц из воздуха.
3.3. Частица - по ГОСТ Р50766.
343
3.4. Размер частицы — по ГОСТ Р50766.
3.5. Счетная концентрация частиц — по ГОСТ Р50766.
3.6. Массовая концентрация частиц — масса аэрозольных частиц в единице объема
воздуха.
3.7. Класс фильтра - характеристика эффективности фильтра, выраженная условным
обозначением.
3.8. Коэффициент проскока (Р, %): проницаемость — характеристика фильтра или
фильтрующего материала, равная процентному отношению концентрации частиц после
фильтра пк к концентрации частиц до фильтра ля: Р=(пк/п1) х 100.
3.9. Эффективность (Е, %) — характеристика фильтра или фильтрующего материала,
равная процентному отношению разности концентраций частиц до пн и после фильтра пк
к концентрации частиц до фильтра: £=(ля-лл) х 100/и„.
3.10. Размер наиболее проникающих частиц — размер частиц, соответствующий ми-
нимальной эффективности фильтрующего материала.
3.11. Производительность фильтра, расход воздуха — объем воздуха в единицу време-
ни, проходящего через фильтр.
3.12. Номинальная производительность фильтра; номинальный расход воздуха — про-
изводительность фильтра, при которой его характеристики определяются изготовителем
(поставщиком).
3.13. Аэродинамическое сопротивление, перепад давлений на фильтре - разность
полных давлений до и после фильтра при определенной производительности фильтра.
3.14. Начальное аэродинамическое сопротивление фильтра — аэродинамическое со-
противление незагрязненного фильтра при номинальной производительности.
3.15. Конечное аэродинамическое сопротивление фильтра — аэродинамическое со-
противление фильтра, при котором он подлежит замене или регенерации.
3.16. Пылеемкость фильтра — масса пыли, уловленной фильтром и накопившейся в
нем при достижении значения конечного аэродинамического сопротивления.
Фильтры классифицируют по назначению и эффективности на:
• фильтры общего назначения — фильтры грубой очистки G и фильтры тонкой очистки
F (см. таблицу 9.7);
Таблица 9.7. Классификация фильтров грубой и тонкой очистки
Группа фильтров фильтра Средняя эффективност ь,%
Ег ЕЛ Ек
Фильтры грубой очистки G1 Е<65 — 35<£к
G2 65<£<80 — 35<Fr<50
G3 80<Е<90 — 50<£/60
G4 — 6О<£/70
Фильтры тонкой очистки F5 — 40<£/60 70<£/80
F6 — 80<Е/90
F7 — 80<£,<90 90<£’/95
F8 — 95<F/98
F9 — 95<£, £*>98
Обозначения: Ес — эффективность, определяемая по синтетической пыли весовым методом (по разности массовой концентрации частиц до и после фильтра); ЕЛ - эффективность, определя- емая по атмосферной пыли. эффективность, определяемая по кварцевой пыли согласно «Руководству по испытанию и оценке воздушных фильтров для систем приточной вентиляции и кондиционирования в, ;уха», ЦНИИПромзданий Госстроя СССР, М.: 1979.
344
фильтры высокой эффективности Н и фильтры сверхвысокой:
нишной очистки приточного воздуха (см. таблицу 9.8).
фильтры многоступенчатой очистки, обеспечивающие специальные требования к чис-
тоте воздуха, на практике устанавливают последовательно-параллельно в потоке на-
ружного, рециркуляционного и приточного воздуха
>сти U для фи-
Таблица 9.8 Классификация фильтров высокой и сверхвысокой эффективности
Труппа фильтра Интегральное значение Локальное значение
тра эффективности, % коэффициента проскока, % эффектив- ности, % коэффициента проскока, %
Фильтры высокой эффектив- НЮ 85 15 - -
ни 95 5 — -
Н12 99,5 0,5 97,5 2,5
Н13 99,95 0,05 99,75 0,25
Н14 99,995 0,005 99,975 0,025
Фильтры U15 99,9995 0,0005 99,9975 0,0025
эффектив- U16 99,99995 0,00005 99,99975 0,00025
U17 99,999995 0,000005 99,9999 0,0001
Характерные области применения фильтров грубой и тонкой очистки по материалам
зарубежных публикаций производителей современных фильтров представлены в табл. 9.9.
icmu прил,
i и тонкой очистки
грубой очистки
По Turovent4/5 aASHRRAE 52-76
фильтра
по массе, %
Эксплуатационная характеристика фильтров
G1
30...50
- относительно неэффективен для дыма,
оседающей пыли и пыльцы
50...70
G2
- улавливает текстильные волокна
- в некоторой степени (менее чем на 70%)
улавливает крупную пыльцу
- относительно неэффективен для дыма,
а также загрязняющих частиц (техн, уголь, нефть)
(как правило, на 85% и больше)
- в некоторой степени эффективен
для дыма и затемняющих частиц
- улавливает крупную пыльцу
— в некоторой степени эффективен
для дыма и затемняющих частиц
Фильтры
G4 90...95 - улавливает в воздухе мелкую пыль и пыльцу 40...70 F5
— значительно сокращает количество
загрязняющих и затемняющих частиц
345
.... ; • . .
от загрязняющих и затемняющих частиц;
и нефтяного дыма:
ными методами фильтры, предназначенные для
фильтры используются для улавливания ядови-
фильтрации воздуха «чистых» комнат и рабочих
помещении.
В практических расчетах требуется определить время по истечении которого нужно
заменить либо регенерировать фильтр или фильтрующий материал, если известны:
• начальное ЕРфи (Па) и конечное ДР#|[ (Па) сопротивление фильтра;
* расход очищаемого наружного или приточного воздуха Ьи (м3/ч);
• начальная концентрация пыли перед фильтром сн (мг/м3), определяемая через про-
изведение проскоков предшествующих фильтров П (1 - Е^},
• удельная пылеемкость материала т=Мп/Е, (г/ м2) до достижения заданного конечно-
го сопротивления фильтра;
• площадь поверхности фильтра/^(м2);
• средняя эффективность очистки данного фильтра Ел на атмосферной пыли. По дан-
ным А.И. Пирумова, для учета влияния разной начальной запыленности сн (мг/м3) на
коэффициент очистки пористого фильтра предлагается расчетная формула:
(9.18)
где Ео — средняя эффективность фильтра при с/;=1 мг/м3. Формулой можно пользо-
ваться [9.30] при концентрации пыли в воздухе от 0,15 до 3 мг/м3.
Искомое время «работы» данного фильтра определяют по зависимости:
тдГ,-103
при этом удельная пылеемкость материала тп определяется в зависимости от конеч-
ного сопротивления АР#л. фильтра, которое в свою очередь выбирается по технико-эко-
346
Основы теории очистки воздуха от аэрозолей
номическим соображениям, давлению приточного вентилятора, допустимой мощности
двигателя, допустимому колебанию производительности и другим мотивам.
Комплексные зависимости, характеризующие фильтрующий материал, приведены на
графике рис. 9.22.
R — зависимость аэродинамического сопротивления образца от пылеемкости
мосферной пыли от пылеемкости; линия Ес — зависимость коэффициента эф-
Дифференциальные (локальные) коэффициенты очистки Ел =Rdn) являются основой
расчета эффекта очистки при такой полидисперсной структуре, как атмосферная пыль.
Такие данные приводятся на рис. 9.23. На этой зависимости построена многоступенчатая
очистка, в процессе которой задерживаются сначала более крупные частицы, например
фильтром G3 или G4, а затем — все более мелкие. Ориентируясь на данные рис. 9.23, при
стандартной атмосферной пыли после фильтра F5 практически не останется частиц раз-
мером dn> 5 мкм, а после фильтра /8 — dn> 2 мкм. Функции дальнейшей очистки от более
мелких частиц при необходимости выполняют фильтры классов НкИ.
Пример сводной характеристики технических испытаний фильтротканей разных
классов приведен в табл. 9.10.
347
Таблица 9.10. Технические характеристики фильтров предварительной
очистки по результатам испытания в фирме-производителе
АО «Вайхтоилма» (Финляндия)
№ Результаты технических Класс фильтра
G3 G4 F5 F7
1 Расход воздуха 2009 2009 900 2700
2 Эффективная площадь фильтра м2 0,37 0,37 1,0 7,6
з Начальное сопротивление фильтра при номинальном расходе Па 25 55 20 70
4 Предельно допустимое (конечное) сопротивление фильтра Па 200 200 400 400
5 Коэффициент очистки на синтетической пыли, Ес - 0,68 0,81 0,91 0,95
6 Средний коэффициент очистки по массе - 0,85 0,90 0,95 <0,85
7 Средний коэффициент очистки по числу частиц - <0,20 <0,20 <0,21 0,63
8 Пылеемкость г/м2 590 620 281 580
9 Способ связки волокон - СМОЛОЙ смолой терми- терми- ческая
10 Термическая стойкость °C 100 100 100 100
11 Возможность регенерации - мывка мывка нерегене- рируемый нерегене- рируемый
348
При выборе фильтров для «обычных» условий работы в СКВ, СВ и предварительной
очистки для чистых помещений будет полезна таблица 9.11. В силу различного распреде-
ления числа частиц по массе (гравиметрического) и по числу (гранулометрического) для
одного и того же фильтра эффективность очистки будет существенно разной. Например,
фильтр G3 задерживает до 90% по массе и в то же время только до 40% по числу частиц.
Так, при начальной концентрации си= 2 мг/м3 после фильтра концентрация по массе
будет: ск =(1-Ел ^сн = (1—0,90)-2 = 0,2 мг/м3. При счетной концентрации частиц пи=
= 1012 шт/м3 после фильтра она будет пк = (1 -Е, ^пн = (1—0,4)-1012 шт/м3. Последнее чис-
ло указывает на необходимость многоступенчатой очистки в СКВ чистых помещений.
9.4.9 Интегральные коэффициенты очистки фильтров G и F с учетом полидисперсного
распределения частиц. Здравый смысл и общие соображения подсказывают, что локальные
коэффициенты очистки E(dJ на частицах разных размеров для фильтров предваритель-
ной (G3,64) и тонкой очистки (F5.../B) недостаточны для представления об интегральных
характеристиках — средних коэффициентах очистки таких фильтров с учетом всей со-
вокупности частиц в спектре. Для решения такой задачи были выполнены специальные
расчеты*. В их основе использовано предположение о том, что в диапазоне размеров час-
тиц <1=0,1...5 мкм эту часть генерального распределения (рис. 9.24) можно приближенно
описать логарифмически нормальным законом с медианой Ме(<Г) и среднеквадратичес-
ким отклонением . В результате расчетов определены средние интегральные коэффи-
циенты очистки по числу частиц для известного (заданного) распределения на примере
фильтров G3, F5 и ^8; графическая интерпретация полученных зависимостей представле-
на на сводном графике рис. 9.24, а, б, в. Поясним методику использования полученных
1висимостей примером.
Пример 9.2. Оценить средние по числу частиц коэффициенты очистки наружно-
го воздуха в фильтрах G3, F5 и F8, если начальное распределение частиц одина-
ковое и приближенно описывается логарифмически-нормальным законом с пара-
метрами Ме=1 мкм и <зы_ =0,7. Оценить по результатам расчета ожидаемые
коэффициенты очистки по массе.
На графиках рис. 9.23, а, б, в отмечаем значения Ме=1 мкм на горизонтальной
оси и аМл =0,7 — на вертикальной. В точке пересечения интерполяцией меж-
ду линиями Е^ = const определяем, что для фильтра G3 средний коэффициент
очистки составит -0,17, для фильтра F5— 0,50, а для фильтра F8 — 0,95. Если
весьма приближенно перевести эти данные в коэффициент очистки по массе
(табл. 9.4, 9.5, 9.11), то для фильтра G3 он составит ~ 0,7...0,8, а для других
окажется близким к единице. По этому показателю без учета конечного сопро-
тивления сравниваемых фильтров и соотношения «цена/пылеемкость» коэффи-
Описанный расчет среднеинтегральной эффективности очистки для разных филь-
тров и распределений пыли по размерам можно проводить графоаналитическим методом
по номограмме (рис. 9.25).
" Разработано при активном участии Н. Громова (СПб ГУНПТ).
349
Таблица 9.11 Сравнительная эффективность очистки атмосферного воздуха в фильтрах европейской и
американской классификации по массе и числу частиц
В)
Предварительно в поле номограммы для каждого фильтра, от G3 до J8, нанесена ха-
рактеристика E(d). При этом размеры частиц dn показаны в логарифмическом масштабе,
а интегральная функция вероятности P(d„ >d^)~ в масштабе логарифмически-нормаль-
ного распределения, трансформированного в таком масштабе в «обычное» нормальное
(Гауссово); плотность dPlddn имеет свой масштаб. Естественно, что в таких координатах
эти функции E(d) оказались не прямыми линиями, хотя в средней части такая линеари-
зация возможна. В этом масштабе график интегрального логарифмически-нормального
распределения изображают прямой линией. Для этого по известным параметрам Me и о|1Ч
на графике ставят две точки: точка 1 при rf = Me и Р=0,50; точка 2 при записи в логарифми-
ческом масштабе. Это соответствует: In d„ = In(Afe)+а, по вертикальной оси Р = 0,83. На
этой линии ставят несколько точек, в которых читают исходную плотность частиц dPI dd„
и по ним строят линию. Почленным умножением на E(d:) получают плотность числа задер-
351
Рис. 9.25. Номограмма для графоаналитич
тиц по размерам. КЛЮЧ: Распределение пылевых частиц описывается такими данными: Me = 0,85мкм, In Me = -0,175, сг|П(/ = 0,35. Построить кривые
интегрального и дифференциального распределения пылевых частиц, распределенных в спектре логарифмически нормально. Интегральную кривую в мас-
штабе логарифмически нормального графика строим по двум точкам: точка 1 при Me = 0,85мкм иР = 0,50, точка 2 при In Me+0^ =0,175, Р = О,83.
Дифференциальную кривую строим по нескольким точкам Г,2'-2",3'-3", как это показано в ключе на поле данной номограммы. Общая и локальная
площади между этой кривой и горизонтальной осью пропорциональны доле числа частиц в спектре по отношению к общему числу.
жанных частиц. После деления площади под полученной и начальной кривой определяют
средний коэффициент очистки данного фильтра при данном дисперсном составе.
9.4.10 Исследование комплексных характеристик фильтрующих материалов. На стен-
де ВНИИКондиционер выполнены исследования [9.46] с фильтрующими материалами,
имеющими различные параметры структуры, поэтому полученные закономерности име-
ют обобщающий характер. В исследованиях определяли следующие величины: аэродина-
мическое сопротивление ДР, среднюю эффективность очистки Еср и пылеемкость М.
Клееные материалы исследовали на кассете 300 х 300 мм с расположением поверх-
ности фильтрующего материала перпендикулярно воздушному потоку. Иглопробивные
материалы исследовали на кассете размером 300 х 300 х 100 мм с развитием фильтрующей
поверхности в 2,7 раза по сравнению с фронтальным сечением. Всего было исследовано
70 образцов фильтрующих материалов, изготовленных как из волокон одного диаметра,
так и из волокон различных диаметров. Материалами фильтрующих тканей были лавсан,
нитрон, полипропилен, полихлорвинил, капрон и хлорин, диаметр волокон 13 — 68 мкм.
Толщина фильтрующих материалов составляла от 2,7 до 38 мм, плотность упаковки р — от
0,0069 до 0,072. Исследования проводили на кварцевой пыли с удельной поверхностью
11...12 тыс. см2/г при удельной воздушной нагрузке на фронтальное сечение кассеты 10
тыс. м3/(м2-ч), конечное сопротивление принимали 300 Па. У фильтрующих материалов
замеряли толщину, массу, объем и объемную массу.
По результатам исследований проведена обработка данных и построены характер-
ные зависимости. График экспериментально определенного коэффициента захвата от
диаметра волокна показан на рис. 9.26 в полулогарифмических координатах как прямая
линия, т.е. имеет экспоненциальный характер; здесь же приведена для сравнения ана-
логичная зависимость, построенная по двум точкам для более крупной пыли с удельной
поверхностью 5600 см2/г и медианным диаметром частиц 10 мкм.
го диаметра волокна dcp: • — объемные клееные нетканые материалы; квар-
цевая пыль, 11 тыс. см2/г; о — иглопробивные фильтрующие материалы,
10—11 тыс. см2/г; ® — объемный клееный нетканый фильтрующий материал,
5,6 тыс. см2/г; о - иглопробивной фильтрующий материал, 5,6 тыс. см2/г.
Зависимость средней эффективности очистки от суммарной поверхности волокон
при исследовании фильтрующих образцов показана на рис. 9.27, а.
353
Из графика видно, что эффективность очистки иглопробивных материалов несколь-
ко выше, чем клееных. Это объясняется тем, что образцы иглопробивных материалов
были изготовлены из волокон несколько меньших диаметров и с более высокой плотнос-
тью упаковки. При этом характер изменения кривой эффективности в зависимости от
суммарной поверхности волокон одинаковый. Вначале кривая имеет крутой рост, а затем
в диапазоне суммарной поверхности волокон 30...40 имеется перегиб и далее замедлен-
ный рост. Из рис. 9.27, в видно, что сопротивление образцов фильтрующих материалов
прямо пропорционально увеличению суммарной поверхности волокон, поэтому наибо-
лее оптимальная суммарная поверхность оказывается в диапазоне значений 35...45 м2 для
любых диаметров волокон, плотности упаковки и толщин фильтрующих материалов.
Аэродинамическое сопротивление обеих групп фильтрующих материалов было рав-
ным, поэтому исследования пылеемкости проводили до одинакового конечного сопро-
тивления. На рис. 9.27, б показана зависимость удельной пылеемкости от суммарной по-
верхности волокон. Из графика видно, что с увеличением поверхности удельная пылеем-
кость уменьшается экспоненциально.
Так как оптимум суммарной поверхности соответствует 35-45 м2, то для повыше-
ния пылеемкости без увеличения суммарной поверхности нужно повысить толщину
волокон: для иглопробивных материалов предельная толщина составляет 10 мкм, а для
клееных — не более 40 мкм.
При создании новых фильтрующих материалов большой практический инте-
рес представляет возможность теоретического определения основных показателей
фильтрации для заданных условий работы волокнистого фильтра. Известно, что эф-
фективность очистки, пылеемкость и аэродинамическое сопротивление фильтрую-
щих материалов зависят от скорости движения воздуха, дисперсного и минерало-
гического состава пыли, влажности воздушной среды и самого материала, элект-
рического заряда частиц пыли, волокон материала и др. Однако в большей степени
названные показатели фильтрации зависят от параметров, характеризующих струк-
туру волокнистого материала. Экспериментальные исследования фильтрующих ма-
териалов во многих случаях являются единственным способом получения основных
показателей фильтрации и выбора структуры материала для заданных условий ра-
боты фильтра. Однако такие эксперименты требуют больших временных и матери-
альных затрат как на изготовление образцов, так и на проведение их испытаний. Во
ВНИИКондиционер разработана методика расчета характеристик фильтров и выяв-
ления профиля волокна, обладающего лучшими пылеулавливающими свойствами.
В основу таких исследований положена математическая модель материалов из про-
филированных волокон [9.47, 9.48]. Анализ этих исследований позволил выбрать
структуру фильтрующего материала из волокон трехлепесткового профиля, являю-
щейся лучшей по своим пылезадерживающим свойствам. Образец такого фильтру-
ющего материала с расчетными параметрами был изготовлен и затем испытан на
специальном стенде. Сопоставление расчетных показателей такого фильтра с экс-
периментальными данными представлено на рис. 9.28. Из этих данных следует, что
эксперименты удовлетворительно согласуются с расчетами, это подтверждает пра-
вильность разработанной методики.
9.4.11 Комплексные характеристики эффективности фильтров. В инженерной работе
сравнение фильтров разных классов производят весьма упрощенно, выбирая из несколь-
ких характеристик одну, чаще всего это коэффициент очистки. Естественно, что такое
354
решение является как далеко неполным, так и неубедительным. Кроме того, нужно осоз-
нать, что от фильтра требуется не столько задержать частицы, сколько не пропустить их в
систему. Поэтому сравнивать следует не коэффициенты очистки фильтров, а коэффици-
енты проскока. Например, поясняя эту мысль, обратим внимание, что фильтры Е4 и F1
по массовым коэффициентам очистки (Е = 0,5 и Е = 0,9) отличаются не более чем в два
раза, однако по пропущенной массе частиц (Р = 0,5 и Р = 0,1) отличаются пятикратно.
Ряд фильтров класса Ни Uпостроен так, что по величине среднего проскока смежные
отличаются на порядок (в 10 раз) — см. табл. 9.8, столбец 4.
При оптимизации фильтровальных тканей из стекловолокна и др. материалов нужно до-
стичь компромисса по четырем противоречивым параметрам, а именно желаемая эффектив-
ность фильтрации должна быть достигнута при наименьшем перепаде давления, при возмож-
но большей пылеемкости фильтра и минимальной его стоимости. Это сочетание желаемой
эффективности фильтрации с длительным сроком службы и минимальными стоимостью
и затратами энергии является решающим фактором в определении экономической целе-
сообразности применения данного фильтра.
Помимо частных технических характеристик фильтрующих материалов и фильтров
(Ел, F, Му, ЛРт1а, существуют и комплексные характеристики. Так, А.И. Пирумов
[9.30] предложил безразмерный комплекс, одновременно учитывающий эффективность
очистки и аэродинамическое сопротивление фильтра:
(9.20)
к nlog£^
к AlogAP(My)’
где и - показатель степени в зависимости аэродинамического сопротивления филь-
тра АР от массы уловленной пыли Му Чем ниже показатели эффективности и пылеем-
кости (сопротивления) фильтра, тем больше Недостатком такого комплекса являет-
ся отсутствие учета невозобновляемости основных типов фильтров, их стоимости за год
работы и платы за электроэнергию. Поэтому рассмотрим энергетически-стоимостной
комплекс Еф в виде отношения удельных годовых затрат к массе задержанной фильтром
пыли, отнесенной к 1 м3/с расчетного расхода воздуха в системе:
(АКа + Ag3 + АСЭ
(9.21)
где: ЬКф — удельные годовые затраты на фильтры или фильтроткани фирмы-произво-
дителя, если они не возобновляемые (это практически все фильтры, кроме Gl, G2 и неко-
торых G3); ЬКЭ — годовая плата по тарифу за установочную (заявленную) электрическую
мощность, отнесенная к сопротивлению фильтра; ДСЭ - годовая плата за потребляемую
электроэнергию, отнесенная к сопротивлению фильтра и с учетом КПД вентагрегата;
А7у/£ш - удельная пылеемкость фильтра, отнесенная к секундному номинальному рас-
ходу перемещаемого воздуха. Отдельные составляющие энергетически-стоимостного
комплекса можно вычислить по нижеприводимым формулам:
8766\|/с1
(9.22)
где — время «работы» фильтра, определяемое по формуле (9.19); — коэффи-
циент сменности работы фильтра (системы): 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 при одно-, двух-, трех-
сменной и непрерывной работе; LHm — номинальный или фактический расход воздуха
355
ДР, Па
100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
М, г/м2
357
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
через фильтр в м3/с. Эффективность и затраты сильно зависят от принятой начальной
концентрации пыли (мг/м3) перед фильтром данной ступени очистки, распределения
частиц по фракциям (рис. 9.18), запыленности наружного воздуха (табл. 9.5) и конеч-
ного сопротивления фильтра.
Удельная плата по двухставочному тарифу за установочную электрическую мощность
на преодоление сопротивления фильтра:
&КЭ = 12*;----. (9.23)
Годовая плата по двухставочному тарифу за потребляемую электроэнергию, затрачи-
ваемую на преодоление сопротивления фильтра:
дсэ=-
-8766,
(9.24)
где к'э - помесячная плата за установочную (заявленную) электрическую мощность,
руб/мес; Lm - номинальный или фактический удельный секундный расход приточного
воздуха, м3/с; к^^ — текущий или перспективный курс рубля к у.е; АРти (кПа) — мак-
симальное или среднее аэродинамическое сопротивление фильтра в зависимости от на-
личия или отсутствия автоматической стабилизации производительности вентилятора;
сэ (руб/кВт-ч) — тариф за потребляемую электроэнергию; ЛШ=П«Т1„,’11А,"П,„Р — общий
КПД вентагрегата.
Пример 9.3. Сравним по этой методике показатели фильтров разных классов,
последовательно установленных в системе предварительной очистки наруж-
ного воздуха G3-F5-F7-F9 при стандартном распределении частиц, начальной
массовой концентрации частиц сИ=2 мг/м3 и номинальном расходе воздуха че-
рез одну ячейку Ьнт=3600м3/ч=1 м3/с. Примем уси=1,0 (непрерывная работа),
двухставочный тариф за заявленную мощность и потребляемую электроэнер-
гию: к'э=60 руб/кВт-месяц, с'э=0,6 руб/кВт ч; КПД вентагрегата — 0,70, курс
рубля к у.е кюб/у =30руб/у.е. Система (СКВ) оснащена автоматической стаби-
лизацией производительности с учетом изменяющегося во времени сопротивле-
ния всех четырех фильтров. Условная схема, объясняющая последовательность
и результаты расчета вариантов многоступенчатой предварительной очист-
ки наружного воздуха, показана на рис. 9.29.
Результаты расчета по формулам (9.22)—(9.24) приведены в табл. 9.12. Как
видно основные затраты приходятся на замену фильтров или фильтрующих ма-
териалов (последнее дешевле, хотя несовершенная установка материала может
привести к увеличению коэффициента проскока). Этот вывод о затратах от-
носится только к первому и второму фильтрам, для последующих существенна
плата за электроэнергию.
В более общем случае годовые капитальные затраты на смену фильтров предвари-
тельной очистки наружного воздуха в зависимости от количества и последовательности
установки фильтров разных классов от G3 до /9 из расчета на 1 м’/с очищаемого наруж-
ного воздуха и коэффициенты проскока показаны на рис. 9.30.
358
Рис. 9.29. Условная схема, объясняющая последовательность и результаты расчета вариантов многоступенчатой предварительной очист-
ки наружного воздуха в СКВ ЧП (к примеру 9.3) на стандартной пыли.
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Таблица 9.12 Сводная таблица технико-экономических показателей фильтров четырех
гха при их последовательной установке
в системе кондиционирования воздуха ЧП
Технические характеристики Размерность Технико-экономические показатели фильтров при их последовательной установке в системе предварительной очистки наружного воздуха
G3 F5 П Р9
Исходные данные: сн (концентрация) Му (пылеемкость) ЕЛ (эффективность) (стоимость) АР (сопротивление) Па 2 0,5 78 250 0,6 140 400 0,4 0,85 205 600 0,06 9,4 0,95 350 600
Затраты на фильтры ЕКф у.е/год 1000 600 230 70
Плата за установочную мощность ЬКЭ у.е/год 10 15 20 20
Плата за электроэнергию ДСЭ у.е/год 65 100 150 150
Энергетически-стоимостной комплекс Рф год -кг/(м3!с) 450 170 50 35
Всего: 700 , У,, з , . год-кг/(м /с)
9.4.12 Приближенная оптимизация выбора конечного сопротивления фильтра предвари-
тельной очистки наружного воздуха. Конечное сопротивление фильтра влияет на ряд взаи-
мосвязанных технико-экономических параметров системы очистки:
• продолжительность ^использования фильтра;
• частоту замены фильтра предварительной очистки и капзатраты;
• повышение звуковой мощности вентилятора (на 7 дб) при двукратном повышении
давления и увеличение длины глушителя;
• давление вентилятора, мощность и стоимость двигателя;
• заявленную электрическую мощность и помесячную плату за нее;
• потребляемую двигателем электроэнергию, плату за нее и др.
Рассмотрим задачу выбора конечного сопротивления ДР^ фильтра из условия мини-
мизации комплекса приведенных годовых затрат на фильтры предварительной очистки:
Ы1Ф = (Л + °Л + Лсэ + Д£э = min, (9-25)
где ЕИ- отраслевой нормативный коэффициент экономической эффективности, об-
ратный сроку окупаемое i дополнительных капитальных затрат, Ен=0,15; 0,18 — сумма
амортизационных отчислений, затрат на ремонт и общеобъектные расходы в долях от ка-
питальных затрат.
По этой методике в конкретных условиях можно проверить, насколько обосновано
рекомендуемое ГОСТ Р51251-99 конечное сопротивление ДРтгх=0,25 кПа или наобо-
рот экономически эффективное конечное сопротивление значительно выше, например
ДРт1х=0,50 или 0,70 кПа. Для этого введем в формулы параметр р = ДР^ /0,25.
360
Рис. 9.30. Зависимости удельных (на 1 м3/с очищаемого воздуха) годовых капитальных
затрат на смену фильтров предварительной очистки наружного воздуха от
числа и последовательности установки фильтров разных классов (G3...F9) с
одновременным указанием для каждого варианта его коэффициента проскока
Р = П(1 - Еа )= 1(Г’...3 • 10“2 (П — оператор перемножения проскоков).
Проанализируем основные составляющие приведенных затрат согласно уравнению
(9.25). Капитальные затраты на двигатель зависят от его мощности и по данным произво-
дителей могут быть представлены как
А£,„ «100 + 65^ = 100 + 65£" °’25(АР"» +^~)Z(°’25 +.
(9.26)
аппроксимированные в интервале мощности двигателя Na=2...2O кВт. Общий КПД
вентустановки можно принять p8f~0,70.
Годовые капитальные затраты на замену фильтров в течение года их работы:
8766уа
(9.27)
8766ут7.я3600ся£у1
^(Л^/0,25) 106'
Приближенно принимаем линейную зависимость сопротивления фильтра от его пы-
леемкости М^к^- удельная стоимость (у.е) ячейки фильтра данного класса при единич-
ном расходе L=\ м3/с.
Годовая плата за электроэнергию, расходуемую на преодоление сопротивления филь-
тра при стабилизации производительности вентилятора:
(9.28)
361
Годовая плата по месячному тарифу за заявленную электрическую мощность:
Пример 9.4. Определить составляющие годовых приведенных затрат на подсис-
тему предварительной очистки наружного воздуха в ячейке фильтра G4 (нево-
зобновляемой) в функции от переменного конечного сопротивления и таких
данных: 1И= 1 м/с; Ся= 2мг/м3; ЕЛ = 0,50; 4/,= 0,25 и 1,0 (односменная и непре-
рывная работа), ку=30у.е/(м3/с), пылеемкость Мп= 1 кг при ДРт= 0,25 кПа;
з\„_у = 0,70; = 35 руб/у.е, с'э = 1 руб/кВт-ч, к'э = 100руб/(кВтмес), Рм=
= 0,50 кПа (без фильтров).
Стоимость двигателя вентагрегата в условиях данного примера зависит от ко-
нечного сопротивления фильтра по приближенной формуле (9.26):
ВКЛ = 100 + 65^^[Af°"+0,5'| = 100 + 2зГ^« +0^ = !00 + 2з[1р^М + 0,6?].
0,7 0,75 ) <0,75 ) L3V°.25j J
Время достижения фильтром пылеемкости Ми = 1 кг и сопротивления ^Рт„~
= 0,25кПа при ти6= 110в/(1-3600-2-0,5) = 280ч а 12суток.
Годовые капитальные затраты на замену фильтра предварительной очистки на-
ружного воздуха по формуле (9.27):
Ag^io-i876^ 1'3600-2;0’^^
® 1(ДРто/0,25)-106
Годовая плата за электроэнергию, расходуемую на преодоление конечного сопро-
тивления фильтра по формуле (9.28):
,у.е/год.
АСЯ =1-8766\рСЛ
Годовая плата по тарифу за заявленную электрическую мощность по формуле (9.29):
ДК3 =12-100-
,у.е/год.
В результате расчета отдельных составляющих выражение для годовых приве-
денных затрат может быть записано в виде:
ДПФ =100 + 23
+»Ж,
В условиях данного примера основной составляющей приведенных затрат является
годовая стоимость фильтров или филътроткани, и именно ее нужно снижать.
Для определения условия экстремума функции ДПф(ДРтах/0,25) вычислим первую
производную от предыдущего выражения и приравняем ее нулю:
*_950V„
rf(AP_/0,25) 3
Итак, условие, соответствующее минимуму приведенных затрат на фильтр
предварительной очистки, как решение вышезаписанного уравнения таково:
^р„«/0’25 =3при^а=1и ВР^/0,25 = 2,6 при v„= 0,25.
+ 90Vol
362
Выполненный расчет экономически-эффективного конечного сопротивления
фильтра по критерию минимума приведенных затрат показал, что его сопро-
тивление не соответствует рекомендуемому в ГОСТ’е и превышает его в 2,5—3
раза. Более подробнее обсуждаемая зависимость &Лф =f(^Pmm) показана на гра-
фике рис. 9.31. При трехкратном перспективном увеличении тарифа за элект-
роэнергию по сравнению с принятым в расчете конечное сопротивление фильтра
уменьшается и становится равным -250Па.
Рис. 9.31. График зависимости приве-
денных годовых затрат на предвари-
тельную очистку воздуха от конечного
сопротивления фильтра: 1 — при не-
прерывной работе; 2 — при односменной
пективном тарифе на электроэнергию
с'э—3 руб/кВт-ч.
Некоторые фирмы - производители фильтров и вентиляционного оборудования
предлагают комплексные зависимости для оценки продолжительности работы филь-
тров разных классов при разной начальной запыленности наружного воздуха и разных
начальном и конечном сопротивлении фильтра. Как пример, на рис. 9.32 представлены
данные производителя - компании IV- PRODUKT (Швеция) для условий применения
фильтра класса F7.
9.4.13 Расчет суммарных затрат рабочего цикла за время эксплуатации фильтров. То,
что за рубежом называют стоимостью рабочего цикла (Life Cycle Cost), — это полная стои-
мость оборудования [9.15] на протяжении всего срока его службы от момента установки
до окончательного прекращения эксплуатации и демонтажа. Расчет суммарных затрат на
подсистему очистки наружного (приточного) воздуха, т.е. стоимости рабочего цикла на-
пример за 10 лет эксплуатации фильтров заключается в определении суммы:
^К^К^+с'^х^ + БК^ + БК,
где: Ккгт - капитальные затраты на установку фильтров, руб.; с' - тариф на электроэнер-
гию, руб/кВт-ч; — мощность, потребляемая двигателем вентилятора на преодоление пе-
ременного сопротивления фильтра при переменном или стабилизируемом расходе воздуха
(производительности вентилятора) и суммарном КПД вентилятора, передачи и электро-
двигателя; храб - время работы системы за период рабочего цикла, ч; RKtapi — затраты на заме-
ну фильтров за период рабочего цикла, руб.; — затраты на демонтаж фильтров.
363
АРф.н Начальное падение давления, Па
Рис. 9.32. Комплексные зависимости для оценки продолжительности работы фильтров
разных классов при разной начальной запыленности наружного воздуха и раз-
ных начальном и конечном сопротивлении фильтра F7. Условные обозначения:
ном сечении фильтра уфр = 3,3 м/с, начальном сопротивлении фильтра ДР^=
= 150 Па и конечном сопротивлении = 290 Па ожидаемый срок службы
фильтра класса F7 в условиях большого города составит т = 270 ч.
Ниже приведена известная методика Я. Густавссона [9.15], скорректированная нами в
части неоднозначного определения мощности на преодоление сопротивления фильтра с
учетом наличия или отсутствия системы стабилизации производительности вентилятора
при загрязнении фильтра (рис. 9.33).
Рис. 9.33. График совместной характеристики венти-
1Я рабочего:
показано перемещение рабочей точки 1 при
стабилизации производительности вентиля-
тора в точку 2 и без стабилизации - в точку
фильтрах). Дополнительные линии в поле гра-
том при угле поворота его лопаток о.; г — ха-
364
Особенностью этих расчетов является то, что суммы, которые будут затрачены через
какое-то время в будущем, по ценностному эквиваленту станут заметно отличаться от
такой же суммы, затраченной в начале периода рабочего цикла («сегодня»). Среди мно-
гочисленных затрат, учтенных формулой (9.30), некоторые будут происходить регулярно
каждый месяц (электроэнергия, текущий ремонт). Другие затраты происходят не так час-
то, через больший промежуток времени чем месяц и даже год, например, замена воздуш-
ных фильтров или фильтротканей. Для текущего значения отдельные составляющих за-
трат (Ср можно приближенно вычислить размер этой составляющей через и лет рабочего
цикла по формуле сложных процентов:
где п — число лет (номер года) рабочего цикла; р — увеличение цены; i — процентная
ставка (ставка банка или ожидаемая процентная ставка по инвестициям внутри компа-
нии). Величина в правой части выражения (9.31) рассчитывается для каждого года или
периода времени и называется фактором дисконтирования.
Сложность расчета стоимости рабочего цикла системы очистки состоит в том, что
нужно определить все параметры установки очистки: срок эксплуатации, стоимость обо-
рудования и работ, плату за электроэнергию для управляемого или неуправляемого вен-
тагрегата, учесть влияние инфляции и процентных ставок, а также изменение расценок
и тарифов. Кроме того, приходится учитывать разные типы фильтров с различными тех-
ническими характеристиками, разные условия применения и производственные возмож-
ности. В расчетах различаются начальные концентрации пыли, спектральный, обычно
неизвестный, состав частиц, расходы наружного и рециркуляционного воздуха, конечное
сопротивление фильтров и другие параметры. Поясним методику расчета рабочего цикла
системы очистки наружного воздуха примером.
Пример 9.5. Определить суммарные затраты на подсистему очистки наруж-
ного воздуха за 10 лет их эксплуатации. Исходные данные: расход воздуха —
1 м3/с, время работы — 4400 ч/год, КПД всей вентустановки г| = 0,70, тариф на
электроэнергию с' = 2 руб/кВт ч с ростом 2% в год (р = 0,02), процентная ставка
6% (i=0,06). Стоимость фильтра 2000руб., замена фильтра 1400руб; срок экс-
плуатации 1,43 года; число замен 7за Юлет, средний перепад давлений при неуп-
равляемом вентагрегате =300Па при ЬРИ=100 Па и 6РК=500Па, при этом
производительность вентилятора меняется от LH= 1,2 м?/с до LK = 1,0 м3/с.
Мощность, затрачиваемая на перемещение воздуха через «чистый» фильтр 6ПН=
= KPHLH/r\ =0,1-1,2/0,7=0,17кВт, через загрязненный фильтр йП^&РД^/ц =
= 0,5-1/0,7 = 0,71 кВт, при среднем за цикл работы фильтра сопротивлении
КРср=300 Па и соответствующей производительности Lc = 1,1 м/с средняя
мощность составит: КПер= 0,31,1/0,7= 0,43 кВт.
Суммарная стоимость электроэнергии за 10 лет работы фильтров с учетом
фактора дисконтирования, вычисленного при р = 0,02 и i = 0,06 и составившего
при суммарном факторе дисконтирования за этот период 8,11 равна:
C,=C',6N,P 'г* /фактора дисконтирования^ОАЗ-ААОО^ИЮ-3 =30,5 тыс.руб.
Стоимость всех фильтров за 10-летний период их эксплуатации, включаятеку-
щие затраты при росте платежей на 3% в год (р = 0,03) и суммарном факторе
дисконтирования 4,53 составит: АК = (2000+1400-4,53)10~3 = 8,3 тыс. руб.
365
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Стоимостью демонтажа фильтров из-за малости по сравнению с другими за-
тратами пренебрегаем. В результате расчета годового цикла из общих пример-
но 38,8 тыс. руб. затрат большая часть пришлась на плату за электроэнергию.
Кроме разного конечного сопротивления фильтров на эту составляющую затрат
влияет неизменность (стабилизация) или переменность производительности
вентилятора, что, к сожалению, в методике [9.15] никак не учтено.
9.4.14 Основные виды и конструкции фильтров для очистки наружного, рециркуляцион-
ного и приточного воздуха. Конструкции фильтров разнообразны (рис. 9.34), они учитыва-
ют функциональное назначение, последовательность очистки, различные расходы очи-
щаемого воздуха, условия установки (в кондиционере, приточной камере, воздуховоде,
приточном коллекторе, перед воздухораспределительным устройством и др.), свободное
место, удобство обслуживания и другие соображения. Фильтро-ткани разделяют на одно-
разового применения и регенерируемые (грубой очистки 63, G4).
Ячеистые - фильтры разных размеров и моделей (рис. 9.34, а) классов G3, 64, F5 со-
стоят из рамы, ограничивающей сетки и полотна. Они являются основой для конструи-
рования бульших фильтров кратных размеров.
Плоские (поверхностные) фильтры (рис. 9.34, б) состоят из общей рамы и отдельных
ячеек с размещенными в них фильтрами. Сечение такого фильтра нормально движению
воздуха в кондиционере.
Клиновидные фильтры (рис. 9.34, в) в отличие от плоских имеют систему ячеек, рас-
положенных под углом. Это позволяет увеличить удельную воздушную нагрузку на фрон-
тальное сечение.
Канальные фильтры (рис. 9.34, г) как и клиновидные, образованы системой ячеек,
размещенных под углом, что более компактно, чем при плоской установке.
Выдвижные фильтры (рис. 9.34, д) — это обычные ячейковые фильтры, перемещаемые
в горизонтальном направлении, что упрощает замену фильтрующего материала.
Мешочные фильтры (рис. 9.34, е), иногда называемые еще карманными, имеют раз-
витую структуру поверхности, через которую со всех сторон выходит воздух, в результате
скорость во фронтальном сечении возрастает.
Фильтры со сматываемым материалом (рис. 9.34, ж) имеют несколько модификаций
и систему перемотки ткани (горизонтальную, вертикальную) для перемещения (замены)
материала при повышенном перепаде давлений.
В последние десятилетия наблюдается тенденция к созданию рулонных фильтров с
развитой фильтрующей поверхностью. Вопрос увеличения поверхности фильтрующего
материала не новый, но требует дополнительного анализа. При постоянной скорости на-
бегающего на фильтр потока и постоянном конечном сопротивлении с увеличением по-
верхности материала снижается скорость фильтрации, а следовательно:
• уменьшается сопротивление чистого фильтра и увеличивается полезно используемый
перепад давлений;
• увеличивается пылеемкость фильтрующего материала и всего фильтра;
• увеличивается эффективность очистки за счет снижения скорости фильтрации и воз-
можности использования более плотных материалов с меньшим диаметром волокна.
Самый простой способ увеличения поверхности материала — это его гофрирование в
поперечном и продольном направлениях. При поперечном гофрировании ширина филь-
трующего материала равна ширине фильтра, как и при плоском расположении материала
366
в проточной части фильтра. Преимуществом поперечного гофрирования является то, что глубина гофр практически выбирается толь-
ко его конструктивным решением, поэтому скорость фильтрации можно снижать во много раз. При заданной глубине гофр для каж-
дого фильтра существует предельный шаг между двумя выступами, при котором сопротивление фильтра минимально. Дальнейшее
уменьшение шага нецелесообразно, так как местное сопротивление на входе в фильтр растет быстрее, чем снижается сопротивление
за счет увеличения поверхности фильтрующего материала. Эти соображения непременно учитывают при разработке конструкции
клиновидных и канальных фильтров.
Основные технические характеристики фильтров предварительной очистки наружного и рециркуляционного воздуха представ-
лены в таблице 9.13.
Таблица 9.13. Основные технические характеристики некоторых ячейковых фильтров разных классов
очистки воздуха (по материалам ТЯОХ)
№ Обозначения По ГОСТ Размеры F Эффективность очистки Сопротивление Цена Характеристики фильтра и фильтрующего материала
Ес ЕЛ
- - - ММ м2 г - - м’/с м/с Па Па У.е
1- №-3 G3 592x592x360 2,8 2400 0,86 0,50 0,95...1,2 2,6...3,3 30 250 78 Фильтры грубой очистки материал - стекло- волокно, смоченное
2. £У-4 64 592x592x360 2,8 2800 0,90 0,52 0,95...1,2 2,6...3,3 40 250 83 вяжущим средством, или химволокно
3. EU-5 F5 592x592x650 4,3 1400 0,96 0,60 0,95...1,2 2,6...3,3 70 400 140 Фильтры тонкой очистки Материал - нетканый из
4. EU-6 F6 592x592x700 7,6 1000 0,78 0,65 0,95...!,2 2,6...3,3 80 600 160 синтетического волокна с неупорядоченным
5. EU-1 EU-S F1 К 592x592x700 800 0,95 0,85 0,95 0,95... 1,2 2,6.. ,3,3 100 600 205 240 расположением волокон (J5), целлюлозная бумага (/6), стекловолоконная
7. EU-9 F) 592 х 592 х 700 9,4 700 0,99 0,95 0,95...1,2 2,6...3,3 150 600 350 бумага (/7, /9), целлюлозная бумага (J9)
Процессы, аппараты и системы конди
368
и приточного воздуха от атмосферных аэрозолей в
г — выдвижной канальный фильтр; д — выдвиж-
9.4.15 Многослойные пылеемкие фильтры для тонкой очистки воздуха. Такие конструк-
ции разработаны для увеличения пылеемкости или, что то же самое, срока службы лис-
товых фильтрующих материалов за счет двухступенчатой тонкой очистки воздуха [9.22].
В первой ступени такого фильтра применяют насадку в виде объемного слоя беспорядоч-
но спутанных грубых лавсановых или стеклянных волокон, уложенных с определенной
плотностью. Во второй ступени очи, говой материал из ультратонких
волокон марки ФП. В фильтрах, рассчитанных на небольшую производительность, объ-
емную насадку и листовые материалы размещают в одном корпусе. При очистке большо-
го количества воздуха насадочные фильтры и фильтры из тонких волокон изготовляют в
самостоятельном исполнении и устанавливают последовательно. Таким образом, рыхлый
волокнистый слой, расположенный первым по ходу запыленного воздуха, снижает пыле-
вую нагрузку на ткань ФП, что приводит к увеличению срока ее службы.
Однако однородная объемная насадка лишь частично решает вопрос увеличения пы-
леемкости. Делать ее очень рыхлой нецелесообразно, так как она будет обладать малой
эффективностью и, следовательно, много пыли будет проходить на ткань ФП. Высокая
пылеемкость волокнистого слоя при незначительном росте сопротивления в данном слу-
чае неблагоприятно скажется на режиме работы второй ступени очистки. Выполняя же
насадку значительной плотности, обладающей достаточной эффективностью, можно
увеличить срок службы ткани ФП. Однако в этом случае пыль будет плохо проникать в
толщу слоя и через некоторое время начнет накапливаться лишь на поверхности насадки,
что приведет к резкому увеличению ее сопротивления.
Поэтому применение многослойной конструкции волокнистой насадки с различной
плотностью слоев дает значительное увеличение пылеемкости при сравнительно неболь-
шом росте сопротивления и высокой эффективности очистки. Более рыхлые слои такой
конструкции располагаются первыми по ходу движения воздуха. Они обладают невысокой
эффективностью, но большой пылеемкостью. Толщину первого слоя выбирают в пределах
369
Процессы, аппараты и <
50...60% от общей толщины насадки. Самый последний слой делают значительной плот-
ности и небольшой толщины. Его основное назначение — создание высокой эффективнос-
ти очистки фильтра в целом. При такой многослойной конструкции частицы задержива-
ются в основном в первом слое, значительно меньше - во втором и очень мало — в третьем.
В данной конструкции общее сопротивление фильтра будет расти медленно и в основном
за счет первого слоя. Такой конструкции фильтра соответствует упрощенная модель пы-
лезадержания в виде последовательного ряда одинаковых сеток, расположенных перпен-
дикулярно движению потока. Из такой модели следует, что каждый условный ряд сеток
является по существу самостоятельным фильтром, причем эффективность каждого ряда
одинакова. Тогда общая эффективность очистки воздуха определяется формулой:
где Et — коэффициент очистки одной сетки, п — число условных рядов сеток:
и = / 8, где h — толщина слоя насадки в м, 8 — диаметр волокна в м, р — относительная
плотность насадки, определяемая отношением абсолютной плотности к плотности во-
локна. Применяя формулу (9.32) для волокнистого многослойного фильтра, следует учи-
тывать, что число условных рядов волокон п зависит от толщины насадки, ее плотности и
диаметра волокна; эта величина рассчитывается, а не задается.
Коэффициент очистки многослойного волокнистого фильтра был определен эмпи-
рически. В результате формула (9.32) приобрела следующий вид:
где Ь — эмпирический коэффициент, зависящий от свойств аэрозоля и волокна, а так-
же от скорости во фронтальном сечении фильтра (Ь = 1,11О10 для атмосферного аэрозоля
и хлоринового волокна, 5 = 25-10"6 м, р = 1470 кг/м5 при т#= 0,2 м/с).
В последнюю формулу величина скорости воздуха не входит неслучайно. С увели-
чением скорости эффективность осаждения крупных частиц (более 1 мкм) возрастает
вследствие инерционного эффекта. Однако это возрастание происходит неодинаково для
фильтров с разной плотностью насадки. Скорость 0,2 м/с является оптимальной с точки
зрения условий фильтрации и экономической эффективности. Поэтому именно для этой
скорости и определено численное значение коэффициента Ь.
Результаты экспериментальных исследований отражают комплекс зависимостей
(рис. 9.35, а, б, в, г). Опыты проводились на кварцевой пыли следующего дисперсного
состава по числу/массе частиц: <3 мкм - 50%/6,4%, 3...5 мкм — 35%/26%, 5—9 мкм -
10%/31,1%, 9-13 мкм - 5%/36.5%.
По результатам испытаний разработаны рекомендации по замене однородной лавса-
новой насадки многослойной. Существующие фильтры с однородной насадкой работают
без замены от двух недель до двух месяцев, многослойная насадка позволила увеличить
срок их службы в несколько раз. Однако полученные результаты по пылеемкости и эф-
фективности не являются пределом. Увеличивая общую толщину слоя при одновремен-
ном развитии поверхности фильтра, подбирая плотность и тип фильтрующего материала,
можно создать фильтр, рассчитанный на более длительный срок эксплуатации.
9.4.16 Эффективность улавливания пыли в камерах орошения (побочный эффект).
Специалисты обращают внимание на дополнительный эффект очистки воздуха от пыли
при использовании в кондиционерах камер орошения.
370
9.4
Рис. 9.35. Комплекс зависимостей, характеризующих исследованные многослойные
фильтры [9.22]:
а - зависимость логарифма проскока частиц в фильтре от его толщины h при
относительной плотности насадки Р = 0,0034 (линия 1), Р = 0,0068 (линия 2),
Р = 0,0136 (линия 3) р = 0,0272 (линия 4), р = 0,0544 (линия 5);
плотности насадки р при разной толщине слоя насадки: h=0,01 м (линия 1),
пыли при разной относительной плотности р: Р = 0,0544 (линия 1), р = 0,0272
(линия 2), р = 0,0136 (линия 3), Р = 0,0068 (линия 4);
г — зависимость эффективности очистки фильтров от массы накопленной
пыли при разной относительнойплотности р: Р = 0,0544 (линия 1), Р = 0,0272
371
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Для приближенной оценки этого эффекта Ю.Н. Кигур [9.19] принял, что улавлива-
ние частиц происходит в основном под действием инерционных сил на многочисленных
каплях воды (порядка 3-107 шт/с-форс при d~5 мм и Pt= 150 кПа) и пластинах каплеот-
делителей, а осаждением частиц на стояках, форсунках и стенках камеры можно пре-
небречь. Аналогично пренебрегают улавливанием частиц за счет турбулентной и броу-
новской коагуляции и термофореза [9.45] в силу кратковременности пребывания частиц
в камере. Принимается, что капли воды и частицы пыли имеют сферическую форму и
равномерно распределены по потоку. Электростатические и гидродинамические силы
взаимодействия малы по сравнению с силами инерции; при каждом столкновении час-
тица пыли захватывается каплей. Эффективность улавливания пыли в камерах ороше-
ния определяется по уравнению:
(9.34)
где Gv — расход распыляемой воды, м3/с; Lnp — расход приточного воздуха, м3/с;
dK — диаметр капли, м; hK — высота камеры орошения, м; т] — коэффициент захвата, как
отношение числа осажденных на капле частиц к числу частиц, центры которых прошли
бы через каплю, если бы двигались все время прямолинейно. Эта величина определяется
в зависимости от критерия Стокса.
По результатам расчета процесса улавливания пыли при коэффициенте орошения
p=Gw/Lvp=\ (безразм.) и при среднем диаметре капель ds=4-10'4 м, что приблизительно
соответствует распылу воды тангенциальными форсунками с диаметром сопла d =4 мм и
избыточном давлении 200 кПа, получены зависимости, представленные на рис. 9.36.
Рис. 9.36. Зависимость эффективности улавливания аэрозолей разных размеров в ка-
v=3 м/с; 3 —в волнообразном каплеотделителе; 4 —в типовом каплеотделите-
ле отечественных центральных кондиционеров КД и КТ ХЗК.
372
Фильтрация воздуха в СКВ для чистых помещений и технологий
Оценка эффективности улавливания частиц пыли в каплеотделителях произведена по
зависимости, предложенной Кальвертом с учетом критерия Стокса, шага между пласти-
нами каплеотделителя и сумм углов поворота его канала. По результатам расчета можно
сделать вывод, что частицы больше 15 мкм улавливаются почти все, в то же время при улав-
ливании высокодисперсной пыли менее 1 мкм камеры орошения малоэффективны.
9.5 Фильтрация воздуха в СКВ для чистых помещений и технологий
9.5.1 Основные объекты (к началу XXI века), использующие чистые технологии.
Наряду с «обычными» требованиями к чистоте воздушной среды все большее число
современных производств и технологий предъявляют специальные повышенные требо-
вания. Желаемый результат может быть обеспечен [2.21] только при выполнении ком-
плекса архитектурно-планировочных, строительных, технологических решений, выбора
местоположения объекта, асфальтировании дорог, герметизации и минимизации объема
чистой зоны, удалении выбросов в атмосферу, специальной одежде и обуви персонала,
минимизации расхода наружного воздуха, комплексной многоступенчатой очистке воз-
духа и др. По мере развития и совершенствования техники и технологии круг объектов,
где используются чистые технологии и чистые помещения, будет несомненно расши-
ряться. В период написания этой книги повышенная чистота воздушной среды требуется
в основном в нижеперечисленных объектах (производствах).
Производство лекарственных средств (фармацея) основано на соблюдении стандарта
РД 64-125-91 «Правила организации производства и контроля качества лекарственных
средств» (GMP), Минмедпром СССР, М.: 1991 — 5 с. Чистота воздушной среды является
неотъемлемой частью технологического процесса и в конечном счете определяет эффек-
тивность лекарственных средств. Число зарегистрированных в стране к началу 2002 г. пре-
паратов превысило 18 тысяч наименований и темпы регистрации новых лекарственных
средств растут. При этом сохраняется и тенденция роста показателей брака, что объясня-
ют недостаточным уровнем производства, в большинстве случаев не отвечающим требо-
ваниям международных норм GMP. Согласно определению, данному в проекте стандарта
ISO, «Чистое помещение или чистая зона — это пространство, в котором контролируется
концентрация аэрозольных частиц и которое построено и используется для того, чтобы ми-
нимизировать попадание, генерацию и удержание загрязнений, и в котором контролируются
такие параметры, как температура, влажность, перепад давления». Чистые помещения
являются главным потребителем и составной частью системы подготовки воздуха. Воздух
является одним из источников и поставщиков загрязнения продукта, т.е. ухудшения его
качества; в наружном воздухе может содержаться до 109 — 10“ частиц/м3 при размерах от
0,01 до 30 мкм (см. рис. 9.18). Возможные источники загрязнений и выделения частиц в
воздух можно оценить по рис. 9.37.
На пищевых предприятиях гигиенические требования к чистоте воздуха и по контро-
лю за условиями труда (СанПиН 2.3.4/2.2.1.0.13-99) формулируются так:
3.12. При создании новых пищевых предприятий (цехов), при внедрении на действующих
предприятиях новых пищевых технологий, оборудования в целях обеспечения безопасности
пищевых продуктов конечные этапы производства кондитерских изделий, молочных продук-
тов, кулинарии, детских и диетических продуктов, а также операции нарезки, фасовки, рас-
кладки пищевых продуктов в общественном (индивидуальном) питании и в торговле следует
организовать в обеспыленной среде с использованием так называемых чистых зон согласно
ГОСТР507.766-95 «Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации».
373
пГшт/мас1[шт/м2с1
1 — износ аппаратов для обработки воздуха; 2 — износ воз-
ние шумоглушителей: 5 — персонал; 6,7— технологичес-
кий процесс и машины (по литературным источникам).
Производство микроэлектроники (поколения ЧИП, НАН-технологии и будущие —
молекулярные) требует повышенной чистоты в боксах, укрытиях и в рабочей зоне при
определенных технологических операциях. Так, например, в технологическом процессе
изготовления масок, фотолитографии и химического осаждения регламентируется содер-
жание аэрозолей до 350 шт/м3 размером >0,1 мкм, при оксидировании — 3500 шт/м3 и т.д.
(см. ОСТ 11.14.3302-87 «Изделия электронной техники. Общие требования электронной
гигиены к чистым помещениям»).
Одной из наиболее важных характеристик, определяющих уровень технологии мик-
роэлектронного производства, являются дефекты, привносимые в формируемую струк-
туру прибора. Устойчивая тенденция уменьшения размеров элементов (0,2—0,5 мкм в
опытных разработках, 0,8—1,2 мкм в серийном производстве к середине 90-х годов) в
сочетании с ростом степени интеграции до 107 элементов на кристалл приводит к необ-
ходимости контроля загрязняющих частиц размером до 0,03-0,05 мкм и обеспечению
плотности дефектов в полном цикле обработки не более 0,05—0,1 деф/см2. Существенную
роль начинают играть полевые эффекты переноса загрязняющих частиц, которые несут
заряд, а в технологическом оборудовании реализуются значительные поля (до 106 В/см).
В космической технике изделия «капсулируют», стараясь избежать попадания микро-
организмов в объекты, т.к. в космосе возможны их мутации, что ставит под угрозу тех-
нику. Так, в печати есть упоминания о случаях, когда мутирующие микробы «разъедали»
иллюминатор космического объекта.
В медицинских объектах требуется сведение к нулю аэрозольных частиц и микрофлоры,
влияющих на проникновение инфекций во время операции и в послеоперационный пери-
од. Требования к чистоте воздуха зависят от назначения помещения (табл. 9.14). Критерием
чистоты служит число колониеобразующих единиц (КОЕ) в 1 м3 воздуха. Для удобства про-
374
Фильтрация воздуха в СКВ для чистых помещений и технологий
вотирования, аттестации и текущего контроля целесообразно пользоваться понятием «кон-
центрация частиц в воздухе», от которой зависит число колониеобразующих единиц. Это
позволяет применять хорошо известные и отработанные решения техники чистых поме-
щений, закрепленные в отечественных и международных стандартах, добиваться нужного
результата при минимуме затрат. Кроме того, счетчики частиц позволяют получать данные
о загрязненности воздуха непосредственно при отборе проб, что удобно при проведении
экспресс-анализа и при текущем контроле. В зависимости от концентрации в воздухе час-
тиц различного размера определяется класс чистого помещения.
Классы Предельно допустимое Предельно допустимое число частиц в 1 м3 воздуха Наименование
(зоны) число КОЕ в 1 м3 воздуха и более и более помещения
0 1 3500 30 -
1 10 35000 300 Высокоасептическая операционная
2 100 350000 3000 Экстренная операционная Асептическая операционная
Операционный зал Стерилизационная
3 500 3500000 30000 Кабинет малой хирургии Предоперационная Послеоперационная Комната для микробио- логического анализа Реанимационная палата Изолятор
Неклассифицируемые помещения Чистота воздуха обеспечивается установкой соответствующих фильтров очистки воздуха
Требования к чистоте помещений относятся к эксплуатируемому (функциониру-
ющему) состоянию. Для чистых зон с однонаправленным потоком (класс 0) проверка
соответствия чистоты зоны требованиям таблицы 2.3 может производиться только для
оснащенного состояния.
В наиболее ответственных случаях внутри чистых помещений (зон) классов 1 и 2 ор-
ганизуются зоны класса 0 с однонаправленным потоком воздуха (зоны операционного
стола и стола для инструментов, палаты интенсивной терапии для больных, перенесших
операцию трансплантации костного мозга и т.д.). Средняя скорость однонаправленного
потока воздуха составляет 0,25—0,4 м/с (измеряется в плоскости, параллельной поверх-
ности фильтра или распределителя воздуха, на расстоянии 30 см от нее). Могут приме-
няться как системы с вертикальным, так и с горизонтальным потоками воздуха.
375
Кроме перечисленных выше технологических объектов, требующих повышенной
чистоты, встречаются и другие, например, в машиностроении при окраске кузовов авто-
мобилей Volvo, при выращивании мицелия (грибницы) и др.
9.5.2 Частицы в воздухе чистых помещений. Частицы — это мельчайшие твердые или
жидкие объекты с четко выраженными размерами, т.е. имеющие четко определяемый
контур. Важным подклассом частиц являются микроорганизмы, иначе называемые жиз-
неспособными частицами: одноклеточные микроорганизмы, способные размножаться
при благоприятных условиях, т.е. при наличии воды, питательной среды и при температу-
ре окружающей среды, способствующей их росту. В этих условиях способны размножать-
ся бактерии, плесень и дрожжи, которые таким образом и являются наиболее важными
классами микроорганизмов с точки зрения технологии чистых помещений.
Тремя важнейшими источниками взвешенных в воздухе частиц, влияющими на тех-
нологию чистых помещений, являются атмосферный воздух, система воздухоподготовки
и генерация частиц при работе в этих помещениях.
Атмосферный воздух содержит диспергированные в нем частицы - так называемый
аэрозоль. Он содержит частицы, образовавшиеся в результате как природных процессов,
так и деятельности человека. В природе аэрозольные частицы образуются в ходе атмос-
ферных процессов, влияющих на погоду, при ветровой эрозии, при извержениях вулка-
нов, при лесных пожарах и из других многочисленных источников. В природных аэрозо-
лях преобладают мелкие частицы: концентрация частиц диаметром больше 0,1 мкм в 1000
раз превышает концентрацию частиц диаметром больше 1 мкм. Промышленное произ-
водство и плотность населения оказывают очень существенное влияние на концентра-
цию частиц в воздухе, при этом доминирующими источниками являются транспортные
потоки (в особенности дорожное движение), воздушные и тепловые выбросы предпри-
ятий. Результатом действия всех этих факторов является то, что в зависимости от таких
обстоятельств, как погода и плотность населения, в одном кубическом метре атмосфер-
ного воздуха содержится от 10 миллионов до 10 миллиардов (а иногда и более) частиц раз-
мером более 0,5 мкм. Кроме того, атмосферный воздух переносит микроорганизмы, кон-
центрация которых может достигать 1000 КОЕ/м3 (КОЕ — колониеобразующие единицы,
т.е. способные к размножению бактерии, плесень и дрожжи) даже в сельских районах.
В системах воздухоподготовки генерация частиц обусловлена изнашиванием меха-
нических компонентов. Кроме того, — и потенциально это значительно более опасно —
микроорганизмы могут размножаться на влажных элементах этих систем (поддоны под
воздухоохладителями и увлажнителями, градирни и др.) и впоследствии попадать в поток
кондиционируемого воздуха.
В рабочих помещениях значительное количество частиц образуется в ходе различ-
ных процессов. В особенности важным источником является человек: даже в спокойном
состоянии он выделяет в минуту 100 000 - 500 000 частиц размером более 0,3 мкм и 1000
колониеобразующих единиц!
9.5.3 Источники микрозагрязнений в помещении. Окружающий нас воздух содержит боль-
шое количество как живых, так и неживых частиц, отличающихся по своей природе и разме-
рам. Микрозагрязнения выделяются персоналом, ограждающими конструкциями, обору-
дованием, проникают в чистое помещение из окружающей среды. В систематизированном
виде выделения частиц в производственных помещениях представлены ранее на рис. 9.37.
В среднем вчистомпомещении 70-80% микрозагрязнений приходятся на человека, 15-20% -
376
на оборудование, 5—10% - на окружающую среду. Д ля микроэлектроники данные немного
отличаются. На технологический процесс приходится 25% микрозагрязнений, на оборудо-
вание 25%, технологические газы и химикаты — 8%, воздух — 8%, персонал - 35%.
Из этих данных видно, что проблема чистых помещений носит комплексный харак-
тер. Недостаточно создать собственно чистое помещение, которое обеспечивает нужный
класс чистоты при отсутствии технологического оборудования и персонала. Нужно одно-
временно применять оборудование, выделяющее минимум загрязнений или не выделяю-
щее их вообще, одеть людей в «непылящую» одежду и т. д. Иначе значительные затраты на
создание чистых помещений попросту бессмысленны.
Основным источником загрязнений в чистом помещении является человек. Это объ-
ясняется структурой кожи человека и динамикой ее изменения. Наружный покров кожи
человека состоит из множества пластинок (чешуек) размером примерно в единицы и десят-
ки микрон. Они постоянно отделяются с поверхности кожи таким образом, что каждые не-
сколько дней наружный кожный покров полностью обновляется. Отделившись, они дро-
бятся на более мелкие частицы. В спокойном, неподвижном состоянии человек выделяет в
минуту примерно 200 тыс. частиц размером 0,5 мкм и более. Даже небольшие движения и
трение тела об одежду приводят к резкому увеличению сброса частиц до нескольких мил-
лионов в минуту. При интенсивном движении человек выделяет примерно 10 млн частиц в
минуту. В среднем человек выделяет около 3,5 кг частиц за год или 10 г в день.
При движении в чистых помещениях люди в халатах и лабораторной одежде выделя-
ют в окружающую среду в среднем:
• два миллиона частиц размером 0,5 мкм и более,
• триста тысяч частиц размером 5 мкм и более,
• 160 частиц, на которых находятся микроорганизмы.
9.5.4 Стандарт - «Чистые помещения» (ГОСТ Р 50766-95). Он распространяется на
чистые помещения (ЧП) и чистые зоны (43). Стандарт устанавливает классы чистоты ЧП
и 43 в зависимости от аэрозольного и, при необходимости, от микробного загрязнения
воздуха в них. Стандарт устанавливает также основные требования, порядок и периодич-
ность аттестации и текущего контроля 4П и 43 по загрязнению воздуха аэрозольными
частицами, при необходимости - по микробному загрязнению и по другим параметрам,
состав и требования к которым устанавливаются другими нормативными документами
(НД) в соответствии с настоящим стандартом. Стандарт не распространяется на оборудо-
вание и средства оснащения, которые используются в 4П. Стандарт также не нормирует
требования и классы 4П по физическим, химическим, радиологическим свойствам час-
тиц и не устанавливает связи между количеством аэрозолей и количеством живых мик-
роорганизмов в воздухе. Требования стандарта могут дополняться в ведомственных НД в
зависимости от требований конкретных технологий пользователя 4П.
В настоящем стандарте применяют следующие термины:
3.1. Чистое помещение (ЧП) — помещение (комната), в котором(ой) счетная концен-
трация аэрозольных частиц и, при необходимости, число микроорганизмов в воздушной
среде поддерживаются в пределах не выше заданного, соответствующего определенному
классу чистоты и которое может содержать одну или несколько 43.
Примечания:
1. Помещение может иметь одну или несколько чистых комнат.
2. В зависимости от назначения ЧП и требований технологий ЧП может характеризо-
ваться рядом других параметров, требований к которым устанавливаются другими НД.
377
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
3.2. Чистая зона (43) - ограниченное пространство, в котором счетная концентрация
аэрозольных частиц и, при необходимости, число микроорганизмов в воздушной среде
поддерживаются в пределах не выше заданного, соответствующего определенному клас-
су чистоты; 43 может быть открытой или замкнутой и может как содержаться, так и не
содержаться внутри ЧП.
3.3. Частица - твердый, жидкий или многофазный объект, в том числе микроорга-
низм, с размерами от 0,005 до 100 мкм. Для классификации ЧП рассматриваются частицы
в диапазоне размеров от 0,1 до 5 мкм.
3.4. Счетная концентрация частиц - среднестатистическое количество отдельных аэ-
розольных частиц определенного размера, содержащихся в единице объема воздуха.
3.5. Размер частицы — максимальный линейный размер частицы в плоскости наблю-
дения оптического или электронного микроскопа или эквивалентный диаметр частицы,
определенный средствами измерений. Эквивалентный диаметр — диаметр сферической
частицы с известными свойствами, оказывающей такое же воздействие на средство изме-
рения, что и измеряемая частица.
3.6. Микробное загрязнение — количество жизнеспособных микроорганизмов (далее —
микроорганизмов), содержащихся в единице объема воздуха.
3.7. Класс чистоты чистого помещения (чистой зоны) — характеристика запыленности
воздуха ЧП (43), задаваемая классификационным числом N, определяющим допусти-
мую счетную концентрацию аэрозольных частиц определенного размера в 1 м3 воздуха в
соответствии с 4.1, и, при необходимости, допустимым микробным загрязнением в соот-
ветствии с 3.6 и обозначаемая в соответствии с 4.2.
3.8. Построенное ЧП - завершенное строительством ЧП с необходимыми инженерны-
ми системами в рабочем состоянии, но без технологического оборудования и персонала.
3.9. Оснащенное ЧП — построенное ЧП, полностью укомплектованное определенным
работоспособным или действующим оборудованием, но без персонала.
3.10. Функционирующее ЧП - оснащенное ЧП, полностью укомплектованное дейс-
твующим оборудованием, с персоналом, выполняющим свои производственные функ-
ции согласно требованиям технологии.
3.11. Однонаправленный поток воздуха - поток воздуха с параллельными, как правило,
струями (линиями тока), проходящими в одном направлении с одинаковой в поперечном
сечении скоростью.
3.12. Неоднонаправленный поток воздуха - поток воздуха, который не соответствует
определению однонаправленного потока.
Примечание: Термины «ламинарный» и «турбулентный поток» для характеристик
потоков воздуха в ЧП применять не рекомендуется.
3.13. Аттестация ЧП (43) на класс чистоты - процедура проверки соответствия факти-
ческого значения счетной концентрации частиц и, при необходимости, микробного загряз-
нения в воздухе ЧП (43) нормам, установленным для этого класса настоящим стандартом.
3.14. Технологическая одежда — комплект одежды и обуви, предназначенный для ра-
ботающих в 4П и предохраняющий изделия, оборудование, инструмент и рабочее место
от вносимых работающим загрязнений и статического электричества.
4. Классы чистоты
4.1. Предельно допустимая счетная концентрация аэрозольных частиц с . с размерами
равными и большими, чем определенный размер D для классификационного числа Nза-
дается выражением:
378
9.5
Фильтрация воздуха в СКВ для 1
и округляется до целого числа.
Здесь d — размер частиц в мкм,
0,1 — постоянная с размерностью мкм.
В таблице 1 приведены соответствующие значения с„ для целых классификационных
чисел Nr определенных значений размеров частиц d.
Таблица 1
Классифика- ционное число N Предельно допустимая счетная концентрация частиц сп (частиц/м* 3) раз- мером равным и превышающим d (мкм) МК
0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 5,0
0 1 нд нд НД нд нд нд
1 10 нд нд нд нд
2 100 24 10 4 нд нд
1000 237 102 35 g нд нд
4 10000 2365 1018 352 83 нд
5 100000 23651 10176 3517 832 29 5+
1000000 236514 101763 35168 8318 293 50
НК нк нк 351676 83176 2925 100
8 НК нк нк 3516757 831764 29251 500
9 нк нк нк 35167572 8317638 292511 нк
1,0 4,23 9,83 28,44 120,23 3418,67
МК —пред!
5+ - класс Р 5 (100) ЧП с i
I (класс Р 5 (100) МК) по i
4.2 Класс чистоты ЧП (43) обозначается следующим образом:
класс РХ (XXX) XX МК (X)
1 — обозначение класса по настоящему стандарту; 2 — классификационное число;
3 — обозначение по 4.2.2; 4 — минимальный размер частиц в мкм, по которому определя-
лась счетная концентрация частиц; 5 — МК — элемент, обозначающий проведение конт-
роля микробного загрязнения; 6 - обозначение подкласса А или В (только для класса Р 5
(100) МЕК)
Например: Класс Р( 100) 0,3 МК (А).
4.2.1. Классификационное число задаст границу класса в соответствии с выражени-
ем 4.1. Оно может быть определено из выражения
и равно десятичному логарифму от допустимой среднестатической счетной концент-
рации сп аэрозольных частиц размером равным и превышающим d мкм, содержащихся в
одном кубическом метре воздуха ЧП (43), умноженной на коэффициент q. Коэффициент
q определяется следующим выражением:
379
I и вентиляции
В последней строке таблицы 1 приведены соответствующие указанным d значения
коэффициента q, округленные до второго знака после запятой.
4.2.2. После классификационного числа в скобках может добавляться ранее принятое
обозначение класса ЧП в соответствии с ОСТ 11.14.3302 (см. таблицу А1 приложения А).
4.2.3. Минимальный размер частиц (в мкм), по которому определяется счетная кон-
центрация частиц, выбирается из ряда 0,1, 0,2, 0,3, 0,5. Например, «класс Р4 (10) 0,2»;
этот элемент обозначения опускается, если счетная концентрация определялась только
по частицам с минимальным размером 0,5 мкм.
4.2.4. МК — элемент, обозначающий проведение контроля микробного загрязнения,
используется в обозначениях классов чистоты ЧП, аттестуемых сначала по счетной кон-
центрации аэрозольных частиц, затем по микробному загрязнению воздуха, например,
«класс чистоты Р 6 (1000) 0,3 МК» обозначает, что счетная концентрация аэрозольных
частиц размером равным и больше 0,3 мкм не превышает 101763 частиц в 1 м3 воздуха
данного ЧП, а количество микроорганизмов — не более 50 в 1 м3 воздуха. Этот элемент
опускается в обозначениях классов чистоты помещений, аттестуемых только по счетной
концентрации аэрозольных частиц, например, «класс чистоты Р 4 (10) 0,2» обозначает,
что в 1 м3 воздуха данного ЧП счетная концентрация аэрозольных частиц размером рав-
ным и большим 0,2 мкм не превышает 2365 частиц/м3, по количеству микроорганизмов
помещс ше не аттестовывалось.
4.2.5. Индексы А и В используются только в классе Р 5 (100) МК, для определения
его на подклассы А и В по максимально допустимому количеству микроорганизмов в со-
ответствии с рекомендациями PIC, см. таблицу 1, например «класс чистоты Р 5 (100) 0,3
МК(А)» или «класс чистоты Р 5 (100) 0,3 МК(В)».
4.3. Значения классификационных чисел следует выбирать из ряда целых чисел от
0 до 9. Допускается применение классификационных чисел с шагом 0,5, например, «класс
Для каждого класса чистоты из ряда по 4.3 среднее арифметическое значение счетной
концентрации аэрозольных частиц и при необходимости, микробное загрязнение, изме-
ренные в соответствии с 6.3 и 6.4 в каждой точке пробоотбора, не должны превышать зна-
чений, задаваемых формулой из 4.1 и значений МК из таблицы 1, соответственно. Кроме
того, при количестве точек пробоотбора, не превышающем десяти, среднестатистическое
значение счетной концентрации аэрозольных частиц, усредненное по всему ЧП и опре-
деленное с вероятностью 0,95 не должно превышать этих значений.
Требования к системам вентиляции и кондиционирования воздуха ЧПП
В 4.1. Производственные помещения обеспечиваются эффективной системой при-
точной и вытяжной вентиляции с системой контроля и управления микроклиматом.
Система контроля обеспечивает измерение температуры, влажности, скорости воздуш-
ного потока, эффективности фильтрации, перепада давления на фильтрах и перепада
давления между соседними ЧП.
В 4.2. Класс чистоты воздуха и кратность его обмена в ЧП задаются технологически-
ми требованиями.
В 4.3. При определении места забора наружного воздуха необходимо учитывать су-
ществующие и возможные источники аэрозольных и газообразных загрязнений (дымо-
вые трубы, автотранспорт, газообразные промышленные выбросы, цветущие растения).
В 4.4. Система подачи воздуха в ЧП классов чистоты Р0-Р6 (1000), как правило, должна
обеспечивать организацию воздухообмена вертикальным однонаправленным потоком. Для
380
класса Р 6 (1000) возможно использование неоднонаправленного воздушного потока. Для
классов Р 7 (100000) — Р 9 (1000000) применяется неоднонаправленный воздушный поток.
В 4.5. Скорость воздушного потока в сечении ЧП или 43, перпендикулярном направ-
лении потока, рекомендуется выбирать в диапазоне от 0,7 до 0,06 м/с, в зависимости от
класса чистоты.
В 4.6. Требуемые параметры температуры и влажности в ЧП должны обеспечиваться
системами кондиционирования воздуха.
В 4.7. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха для ЧП должны быть обо-
рудованы звукопоглощающими и виброгасящими устройствами, снижающими уровень
шума и вибрации для заданных пределов.
В 4.8. В ЧП рекомендуется использовать рециркуляцию воздуха, кроме технически
обоснованных случаев, учитывающих токсичность и взрывоопасность применяемых ма-
териалов и технологических сред.
В 4.9. Покрытия воздуховодов и их конструкций, подходящих к чистым комнатам, а
также покрытия фильтровальных камер и их конструкций должны допускать периоди-
ческую обработку дезинфицирующими растворами. Это требование обязательно для ЧП
с контролируемым микробным загрязнением.
В 4.10. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха должны иметь автома-
тическое регулирование температуры и влажности, блокировку, дистанционное управле-
ние, сигнализацию.
В 4.11. В чистых комнатах с однонаправленным вертикальным потоком количество и
расположение отверстий, отводящих воздушные потоки из чистой комнаты, выбирается
в соответствии с необходимостью обеспечить вертикальность воздушных потоков.
В 5. Требования к оборудованию чистых помещений.
В 5.1. Пригодность дл >вания в ЧП определяется следующими критериями:
- величиной привносимой дефектности объекта производства за технологический
цикл обработки и величиной привносимого аэрозольного загрязнения рабочего объема
ЧП при работе оборудования;
- высокой надежностью и малым временем восстановления;
— экологической безопасностью.
В 5.2. Оборудование, предназначенное для установки в ЧП, должно соответствовать клас-
су чистоты помещения, в котором оно будет эксплуатироваться по количеству выделяемых в
помещение частиц и по уровню вносимых возмущений в обтекающий воздушный поток.
В 5.3. Требования к конструкции оборудования.
В 5.3.1. Конструкция оборудования для ЧП должна обеспечивать:
отсутствие на внешней поверхности полостей, карманов и других труднодоступных
для очистки мест;
уплотнение и отсутствие зазоров в стыках панелей, обшивок, кожухов и т.п.;
обтекаемые формы для обеспечения пылеуборки, устранения зон завихрений в кото-
рых могут скапливаться загрязнения;
герметичность энергетических магистралей.
9.5.5 Принципиальные решения и схема СКВ для чистых помещений. Схемные решения
СКВ для чистых помещений разнообразны, одна из возможных схем показана на рис. 9.38.
Обычно в такой СКВ используют постоянный и минимальный расход наружного
воздуха, так как он более «грязный», особенно в промышленных зонах крупных городов
(на несколько порядков), чем рециркуляционный.
381
382
Это требует предварительной двух-трехступенчатой его очистки прежде всего от срав-
нительно крупных фракций. Может потребоваться предварительная очистка рециркуля-
ционнного воздуха до содержания частиц, близких к тому, которые имеет очищенный
наружный воздух. Аэродинамическая схема СКВ разработана с учетом числа чистых зон
и чистых помещений. На ней изображены несколько последовательно-параллельно уста-
новленных вентиляторных агрегатов. Все они снабжены устройствами управления произ-
водительностью, а в ответвлениях предусмотрены воздушные клапаны для подрегулиров-
ки местных (зональных) расходов. На схеме указаны места установки и класс фильтров
для очистки воздуха согласно ГОСТ Р 51251-99 «Фильтры очистки воздуха», например,
6’1-G4 для грубой очистки, F5 Р) - тонкой очистки, /710-7/14 - высокой эффектив-
ности и (715—1717 — сверхвысокой эффективности. Каждый фильтр снабжен измерителем
перепада давлений, а для фильтров классов F.H«U-tf сигнализацией.
Класс очистки фильтра возрастает по мере движения наружного и приточного воздуха
через систему. Таким образом, каждый предшествующий защищает последующий от более
крупных частиц, продлевая его работу. В процессе эксплуатации сопротивление всех филь-
тров меняется от начального до конечного, при котором его регенерируют или заменяют
(рис. 9.39). ГОСТ Р 51251-99 рекомендует конечные сопротивления фильтров принимать
следующими: 250 Па для фильтров грубой очистки; 450 Па - для фильтров тонкой очист-
ки, 600 Па - для фильтров высокой и сверхвысокой эффективности. Если подходить более
строго, то конечное сопротивление каждого из фильтров определяется как решение опти-
мизационной задачи, которая приведена ранее. В результате сложно опио
нения сопротивления каждого фильтра (рис. 9.39) и их суммы будет изменяться производи-
тельность каждого из вентиляторов и условия их совместной работы.
Чтобы этого избежать, применяют стабилизацию полного давления на нагнетании
вентиляторов, а значит производительности каждого из вентагрегатов. Когда фильтры
чистые - направляющий аппарат прикрыт, а частотный вариатор работает на понижен-
ной частоте. По мере загрязнения фильтров, т.е. увеличения их сопротивления, направ-
ляющий аппарат все больше открывается, а частотный вариатор увеличивает обороты
(рис. 9.39), повышая (стабилизируя) уменьшающуюся производительность вентагрегата.
Кроме очистки в несколько ступеней в схеме СКВ предусмотрены аппараты для теп-
ловлажностной обработки наружного воздуха - нагревания, охлаждения-осушения и ув-
лажнения так, чтобы после смешения с рециркуляционным воздухом он принял состоя-
ние приточного воздуха. Общий воздухообмен, определенный по скорости ламинарного
потока, и относительно небольшие теплоизбытки приводят к малой рабочей разности
температур, вследствие чего приточный воздух надо еще охлаждать и затем нагревать.
9.5.6 Методика подбора фильтров последних (финишных) ступеней очистки. В сис-
теме ЧП (рис. 9.38) предполагается установка нескольких ступеней очистки воздуха в
фильтрах с коэффициентами очистки 7?р Ev Ev Ev с соответствующими коэффициен-
тами проскока Pt = \-Et; Р2 — 1-Е2; Р, = 1—Ё2; Р4 = 1-Et, с коэффициентами пересчета
Av А2, А,, с гравиметрической (по массе) эффективности на гранулометрическую (по
частицам) в случае, если отсутствуют подробные данные о локальных коэффициентах
очистки для частиц разного размера. Последовательность очистки воздуха от аэрозолей
можно представить себе как изменение плотности частиц dmn/ddn по массе для разных
фракций (рис. 9.40). Так, фильтры предварительной очистки задерживают в основном
относительно крупнодисперсные фракции (dn> 1 мкм), фильтры тонкой очистки эф-
фективны при меньших фракциях.
383
в ЧП нормируется п при dn><jn.
ни очистки, плотность числа частиц, заданная по ГОСТ Р 50766-95 предельно
Концентрация частиц перед фильтром финишной очистки сн по правилу смеси час-
тиц в очищаемом наружном воздухе (три ступени) и смеси с рециркуляционным (четвер-
тая ступень):
5, = <Д Я(1 - 4Д,) + (1 - £ДСд + (JW. + М2) !LV ](1 - ),
где П - операторперемножения коэффициентов проскока в фильтрах, предшеству-
ющих финишному; Д,- относительный расход наружного воздуха в смеси; с - счетная
концентрация аэрозолей в выбранном интервале Д в наружном воздухе, опре, (по
опытным данным и с учетом того, что c=(dnJdd^^Adn, то есть выражена через плотность
распределения и интервал, в котором рассчитывают процесс очистки; св=с - нормиру-
емая счетная концентрация аэрозолей в рабочей зоне (табл. 1 ГОСТ Р 50766-95), равная
концентрации в приточном воздухе после финишных фильтров ce = (dnjdd^&d,;, М —
выделение аэрозолей в технологическом процессе и от людей в помещении в интервале
&dn, шт/с; М, — выделение аэрозолей от оборудования кондиционеров и воздуховодов в
интервале Edn, шт/с.
Если число ступеней очистки наружного, рециркуляционного и приточного воздуха
другое, то в формулу (9.35) вносят коррективы.
385
Процессы, аппараты и i
Счетную концентрацию частиц после последней ступени очистки в каждом интерва-
ле размеров вычисляют по формуле:
(9.36)
‘ - dd„
и сравнивают с нормируемым ее содержанием в том же интервале. Искомый коэф-
фициент очистки финишных фильтров должен быть не меньше, чем Е, >1-св/сЯг,апро-
9.5.7 Пример подбора фильтров финишной очистки в ЧП.
Пример 9.6. Выбрать тип фильтров четвертой (финишной) очистки приточного
воздуха для ЧП с классификационным числом N3 (1000 шт/м3 размером больше
0,1 мкм). Нормируемая плотность числа частиц в помещении для класса N3
ЧП составляет 2-104 шт/(мкм-м3) при d = 0,1 мкм, 2,2-10' шт/(мкм-м3) при
d = 0,2 мкм и т.д. (данные записаны в табл.9.14). СКВ имеет производитель-
ность L = 18000м?/ч = 5м/с, расход наружного воздуха /„ = 900м3/ч (1„ = 0,05),
расход рециркуляционного воздуха L = 17100 м3/ч (Lp =1-1„ = 0,95). Массовая
концентрация аэрозолей в наружном воздухе с = 2 мг/м3, а распределение их по
массе (%) приведено в таблице 9.15. При пересчете плотности по массе (грави-
метрической) на плотность по размерам частиц (гранулометрической) принять
плотность материала р = 2 г/см3, а средний размер частиц в каждом интервале
определять приближенно как среднеарифметический.
Технологические выделения пылевых частиц в ЧП принять:
• от персонала (20 человек) — 2-106 шт/с;
> от технологического оборудования — 10s шт/с, всего М,ы 10s шт/с или в пере-
счете на расход приточного воздуха т, = М/Ет = 10s/5 = 2-Ю7 шт/м3.
Выделения пылевых частиц в элементах системы кондиционирования принять по
даннымрис. 9.37следующими:
при износе поверхности аппаратов тепловлажностной обработки воздуха в
СКВ—107 шт/с;
при износе поверхности воздуховодов площадью 600м2: 600-10,= 6106 шт/с;
при истирании приводных ремней вентагрегата - 106 шт/с;
при истирании шумоглушителя площадью 20м2 — 20- 10s— 2- 10 sшт/с.
Всего в элементах СКВ выделяется около М2 = 1,9 -Ю ' шт/с или в пересчете
на расход приточного воздуха т2 = М2 /L — 1,9 • 107/5 ® 0,4- К) шт/м3. Общее
поступление пылевых частиц в приточный воздух составляет т,+ т2= 2 -107+
Для предварительной очистки наружного воздуха (первая ступень) применим
фильтр грубой очистки G4 (коэффициент эффективности на синтетической
пыли Е =0,80, коэффициент пересчета на атмосферную пыль А = 0,22) и фильтр
тонкой очистки F6 со средним коэффициентом эффективности ЕА = 0,70. После
этого смесь очищенного наружного и забираемого из помещения (рециркуляцион-
ного) воздуха очищается в фильтре тонкой очистки F8 со средним коэффициен-
Вычисляем концентрацию частиц (шт/м3) перед финишным фильтром или группой
фильтров в интервале dn = 1...2мкм, учитывая, что плотность частиц в наружном
386
воздухе 2,7-Ю7 шт/(м3-мкм), а в помещении нормируется 5-10° шт/(м3-мкм), - см. табл. 9.15. Для вычисления коэффициентов
эффективности выбранных фильтров предварительной очистки воспользуемся данными, что при размерах частиц <1=1...2мкм
коэффициенты эффективности составляют: для G4Ea «0,15; для F6ЕЛ » 0,55; для F8Ea «0,95. По правилу смеси вычислим
содержание частиц данного размера после трех ступеней очистки перед финишным фильтром cHt :
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
={2,7 107(2-1)-0,05(1-0,15)(1-0,55)+0,95[5 10°(2-1)+2107 + 0,4-10’]}
(1-0,95)=(5,2-10! + 2,4-107)-0,05 = 1,2-106шт/.и3.
Сравнение первого и второго слагаемых показывает, что они несоизмеримы и
большее внимание следовало бы уделять очистке рециркуляционного воздуха.
Однако оставим все как есть, потому что в другом интервале результат будет
иным. Определим искомый коэффициент проскока, требуемый от фильтров фи-
нишной очистки в интервале размеров б=1...2мкм:
Приближенно определенный без учета предварительной очистки воздуха коэффи-
циент проскока в этом интервале (строка 6 табл. 9.15) оказался ниже (210~7).
Повторим расчет финишной очистки для частиц в интервале d = 0,1...0,2 мкм,
в котором (dn„/ddn)H=7-10" шт/(мкм-м3), а нормируемая в этом интервале
плотность числа частиц в ЧП (dnn/dda)=5-103 шт/(мкм-м3). Коэффициенты
эффективности фильтров предварительной очистки примем: для G4 ЕЛ = 0; для
F6EA2 и0,15; для F8eA) =0,60.
Определим концентрацию частиц пыли d =0,1—0,2 мкм после трех ступеней
предварительной очистки:
ся< ={7-1011 (0,2 - 0,1) 0,05(1-0)(1-0,15) + 0,95[5103 (0,2-0,1) + 2-10’+ 0,4-10’]}
(1-0,60) = (3 -10’ + 2,3-107)- 0,40 »1,2 -ГО’шт/л?.
В расчетах принято с запасом, что выделяемая в помещении и в системе кон-
диционирования пыль имеет частицы в данном интервале. Во втором варианте
расчета результат сопоставления содержания частиц в наружном и рециркуля-
ционном воздухе противоположный предыдущему: из-за большой плотности чис-
ла частиц в наружном воздухе и низкой эффективности его очистки от тонко-
дисперсных частиц (d=0,1...0,2мкм) содержание частиц даже в 5% наружного
воздуха на два порядка выше, чем после очистки 95% рециркуляционного воздуха.
Искомый коэффициент проскока финишных фильтров для очистки от частиц
d=О,1...0,2 мкм составляет:
Сравнивая результаты расчета коэффициентов проскока финишных фильтров
при разных фракциях частиц, выбираем наименьший: Р=4-10~‘. Для очистки
можно применить два фильтра НИ (Р=510~2) и Н13 (Р=510~4) или один фильтр
U14 (Р=5-10~3). Каждый из вариантов отличается разной пылеемкостью, сто-
имостью, конечным сопротивлением, требуемым давлением вентилятора, мощ-
ностью двигателя и расходом электроэнергии. Наилучшее решение можно найти
на основе многовариантного технико-экономического расчета, но основному ус-
ловию — минимальное конечное сопротивление — соответствует фильтр U14.
388
j в СКВ для1
Для фильтров высокой (Ш0—Н14) и сверхвысокой (675 7,-77; эффективности поня-
тием пылеемкости для расчета срока службы не пользуются. Последний при правиль-
ной компоновке и эксплуатации системы очистки зависит от сменности и составляет
несколько лет; о необходимости замены судят по аэродинамическому сопротивлению.
Количество и комбинацию таких фильтров обычно принимают минимальной, при ко-
торой сопротивление, затрачиваемая мощность и стоимость фильтров оказываются на-
именьшими. Расчет эффекта очистки для таких фильтров специалисты рекомендуют вес-
ти для диапазона размеров (d„ = 0,12 мкм и 0,30 мкм), в которых коэффициент проскока
фильтра оказывается наибольшим (в 5—10 раз превышает средний).
Пример 9.7. Оценить необходимый класс фильтра высокой или сверхвысокой эф-
фективности для СКВ ЧП при условиях: LH=O,lLiip, Кпн/1м1=108 шт/(м3-мкм)
(при d =0,30 мкм), Lr=O,9L^ txnr//xd=3-10s шт/(м3-мкм) в том же интерва-
ле. Для третьего класса ЧП регламентируется Длл /М=7-К)2 шт/(м3-мкм) —
см. табл. 1 ГОСТ Р50766-95. Интервалом частиц выбран тот, в котором фильтр
имеет наибольший проскок.
Определяем требуемый коэффициент проскока частиц в заданном диапазоне
размеров:
Ориентируясь на вычисленный максимальный коэффициент проскока (табл.
9.15), выбираем фильтр сверхвысокой эффективности U15 с Ртах=2,5'КРз т.е.
9.5.8 Переходный процесс изменения концентрации частиц в чистом помещении. Такая
инженерная задача, иначе называемая расчетом переходного процесса очистки при сдаче
ЧП в эксплуатацию, имеет аналоги при расчете переходного температурного (без учета
аккумуляции теплоты), влажностного и газового режима помещений. Покажем, что в
определенных допущениях при известных начальных условиях и в сосредоточенных па-
раметрах (относительно среднего числа частиц в единице объема) переходный процесс
описывается традиционной экспоненциальной зависимостью. Рассмотрим ЧП площа-
дью F^, объемом / , в которое согласно схеме рис. 9.41 подается приточный воздух в
количестве L^, (м3/с), доля наружного воздуха LH=LH/Lv, подсос воздуха из окружающих
помещении L Л (м3/с).
На наружном, рециркуляционном и приточном воздухе установлены фильтры с об-
щими коэффициентами эффективности ЕИ, Ер, ЕП при данной дисперсной структуре час-
тиц (Еп не известно). Содержание частиц данного размера (от dn до dn) в наружном воз-
духе объемом 1 м3 составляет сЯ], в воздухе, подсасываемом в помещение (что в принципе
недопустимо) слЛ, содержание частиц в помещении в начальный момент сва, изменяю-
щаяся во времени концентрация са(т). концентрация частиц в установившемся режиме
ся(°о). В помещении в единицу времени выделяется ;У(шт/с) частиц; из-за утечек воздуха
в помещение через неплотности поступает L^c^ частиц (шт/с).
Изменение концентрации частиц в объеме помещения за время Ат составляет:
389
где кс - коэффициент, учитывающий распределение концентрации пылевых частиц в
объеме ЧП, аналогично известным коэффициентам воздухообмена, — по температуре (к),
влагосодержанию (fc,), концентрации вредного вещества - связывает соответствующие
значения параметров воздуха на входе и выходе из помещения и в нижней (рабочей) зоне.
Рис. 9.41. Принципиальная схема СКВ и системы очистки наружного и рециркуляционного
воздуха в задаче расчета переходного процесса изменения концентрации св (шт/
м3) в рабочей зоне ЧП с указанием вторичных циркуляционных потоков, перено-
сящих аэрозоли, выделяемые в помещении в количестве N шт/с.
Для упрощения записи вводятся обозначения:
(9.38)
После интегрирования выражения (9.37) с учетом выражений (9.38)-(9.39) при на-
чальных условиях т=0, c„=cso получаем выражение для определения закономерности из-
менения концентрации частиц заданного размера во времени т:
Комплекс имеет смысл известной постоянной времени (7) экспоненциаль-
ного переходного процесса изменения кош прации частиц после включения в рабо-
ту системы многоступенчатой очистки воздуха, подаваемого в чистое помещение. При
малой доле наружного воздуха эта величина без учета аккумуляции теплоты и влаги
ограждениями помещения равна кратности воздухообмена в помещении, как и для дру-
гих переходных процессов: /г(т),
Установившееся за длительное время значение концентрации частиц получают из
выражения (9.40) при г—>оо:
с,(оо)=(У + 4:2)/*1. (9.41)
Если оно существенно больше чем нормируемое, то это указывает на необходимость
установки на приточном воздухе фильтров финишной очистки с общим проскоком на
данной дисперсности частиц:
390
где П - оператор перемножения проскоков последовательно установленных филь-
тров разных ступеней.
Поясним примером методику расчета переходного процесса очистки воздуха в ЧП
при запуске СКВ в работу.
Пример 9.8. В чистом производственном помещении нужно обеспечить содер-
жание частиц размером 0,1...0,3 мкм cBdo„ = 2 \tf шт/м3. Площадь помещения
Fu=250m2, объем У^ЮООм3, расчетный расход приточного воздуха Бщ=10000
м3/ч =2,8 м3/с, доля наружного воздуха LH=0,05, содержание частиц указанных
размеров в наружном воздухе сИ=10'г шт/м3, эффективность фильтров пред-
варительной очистки при указанной дисперсности Ен=0,50; выделения частиц
указанных размеров в производственном помещении N=1CP т/с. Коэффициент
очистки фильтра на рециркуляции Е=1—10~4. Коэффициент воздухообмена —
распределения частиц в помещении кс=1. Подсосом «грязного» воздуха снаружи и
из соседних помещений пренебречь (Lnoik=0).
Оценить необходимость фильтров финишной очистки, обеспечивающих заданное
содержание частиц, определить инерционность процесса изменения концентра-
ции частиц при включении СКВ и системы очистки в работу при начальной кон-
центрации сво=1О13 шт/м3.
Предварительно определяем комплексы к, и к2, соответствующие условиям очис-
тки воздуха фракционным размером dn=0,1...0,3мкм.
Л, = 1 • 2,8[1 - (1 - 0,05) (1 -1+10"*)] = 2,»м3/с;
кг = 0,05(1 - 0,50)- 2,8 -1012 = 0,7 Го" шт/с.
Без установки финишных фильтров в СКВ при бесконечно долгом вентили-
ровании (годами) и очистке воздуха в сугубо стационарных условиях данно-
го примера концентрация частиц в воздухе будет приближаться к св (х) =
= (10 7+0,7-10")/2,8 а 2,5 10ю шт/м3, что существенно больше заданного содер-
жания частиц (2-104 шт/м3) в воздухе чистого помещения. В этих условиях необхо-
димые финишные фильтры должны иметь общий коэффициент проскока не более
ПРЛ = П()-Ел)=сВюд1 св, ) = 2-1О4/2,5-1О10 ~10“6, что потребует после-
довательной установки двух фильтров Н12 и Н14 или одного фильтра U16.
Традиционно применяемая для оценки инерционности экспоненциальных тепло-
вых переходных процессов постоянная времени при условии идеального и мгно-
венного перемешивания потоков (что недопустимо в ЧП в принципе!) равна:
Т= Vm/(k;3600) = 1000/(2,8-3600) = 0,1ч.
Эта величина, не учитывающая условно ламинарный однонаправленный харак-
тер движения приточного воздуха, может служить для сугубо ориентировоч-
ной оценки переходного процесса. При однонаправленном движении первичного
потока, его верхней подаче и нижнем удалении инерционность можно оцени-
вать временем транспортного запаздывания т0 = !Xh/vB, составляющим менее
минуты. Наконец, по нашему мнению, наиболее правильно учитывать инерци-
онность процесса временем вращения вторичного потока воздуха (рис. 9.41),
приводимого в движение первичными струями. В этом случае под кратностью
циркуляции нужно понимать число оборотов такого вихря за час. При установ-
ке финишного фильтра учтем изменение коэффициента к2, который станет
равным k2= 0,710s, шт/с.
391
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
Сотников А. Г
Покажем в качестве примера расчета, что концентрация св = ЗЮ4 шт/м3 не-
сколько выше требуемой св(а>)= 2104 шт/м3 при начальной св0= 10,s шт/м3 по-
требует снижения концентрации в 1№,/(3—2)-10'=10"раз, чему соответствует
2,Зеи^2,3-6Т04= 1,4-103ивремя достижения такойконцентрациит: = Т-2,3-е " =
= 0,Т1,4103 ~ 1,4-104 ч (больше 1,6 года при непрерывной работе СКВ!). И чем
меньшей концентрации нужно достичь или чем выше начальная концентрация
частиц, тем потребуется большее время работы системы очистки.
9.5.9 Контроль за загрязнением воздуха в чистых помещениях. Снижение уровня за-
грязнений в воздухе может осуществляться различными путями. С экономической точки
зрения основное внимание должно быть обращено на те действия, в результате которых
предотвращается генерация частиц или их поступление извне:
• концептуальные и конструкторские меры, относящиеся к технологическому обору-
дованию и отдельным аппаратам;
• ограждения вокруг технологических элементов, генерирующих частицы;
• улавливание пыли непосредственно в месте ее образования;
• использование персоналом одежды д ля чистых помещений.
Таким образом, задача технологии чистых помещений сводится к тому, чтобы регу-
лировать и контролировать уровень загрязнения воздуха, который получается уже после
того, как исчерпан потенциал всех перечисленных выше действий. Для реализации этой
задачи в технологии чистых помещений используют сочетание трех принципиальных
подходов: фильтрацию воздуха, соответствующую организацию воздушных потоков в
чистых помещениях и обеспечение перепада давления между помещениями.
Для контроля аэрозольных микрозагрязнений в чистых помещениях используют-
ся оптические (в том числе лазерные) счетчики частиц - фотоэлектрические приборы,
определяющие количество частиц, прокаченных через измерительный объем прибора,
путем подсчета количества импульсов света, рассеянного каждой отдельной частицей
при ее пролете через световой луч.
Обобщенная оптическая и пневматическая схема такого прибора представлена
на рис. 9.42.
Тонкая струя аэрозоля прокачивается через сфокусированный луч света от источника
излучения (например, лазера), причем диаметр струи подбирается таким образом, что-
бы в луче находилось как правило не более одной аэрозольной частицы. Для предотвра-
щения распространения частиц внутри измерительной камеры аэрозольная струя обду-
вается коаксиальным потоком чистого воздуха. Свет, рассеянный частицей, собирается
оптической системой и направляется на фотоприемное устройство. Опорный фотодиод
используется для стабилизации уровня излучения источника света. Световые импульсы
преобразуются фотоприемником в электрические импульсы, амплитуда которых про-
порциональна геометрическому размеру частиц.
Одновременно прибор измеряет объем воздуха, прошедшего через измерительный
объем, что позволяет путем простого арифметического действия (осуществляемого обыч-
но электронным блоком прибора без вмешательства оператора) определить значение
счетной концентрации частиц.
В зависимости от обработки сигнала фотоэлектрические аэрозольные приборы делят
на две группы:
392
• приборы, в которых подсчитывается общее число импульсов, амплитуда которых
превышает заданную величину (т.е. определяется число частиц с диаметром больше
заданного), называются оптическими счетчиками частиц аэрозолей;
• приборы, в которых измеряется амплитуда каждого импульса (т.е. определяется раз-
мер каждой частицы) и осуществляется построение гистограммы размеров частиц
или дифференциального спектра распределения частиц по размерам, называются оп-
тическими спектрометрами аэрозолей.
В современных оптических спектрометрах аэрозолей, как правило, в качестве источ-
ника света используется лазер. В таком случае общепринятым является название лазер-
ный спектрометр аэрозолей.
Название «спектрометр аэрозолей» не совсем удачно, однако является общеупотре-
бимым и прочно вошло в специальную литературу, поэтому следует помнить, что имеется
в виду не оптический спектрометр для определения химического состава веществ, а при-
бор для измерения спектра размеров частиц аэрозолей.
9.5.10 Анализ аэродинамического режима герметизации чистого помещения. В ряде от-
раслей промышленности (электронная, радиотехническая, приборостроительная и др.)
технологические процессы осуществляются в помещениях с особо чистой воздушной
средой. Для ее создания предъявляются определенные требования к строительным конс-
трукциям и организации технологического процесса, производится многоступенчатая и
тонкая очистка приточного воздуха, выполняются специальные требования к одежде и
поведению персонала. С помощью систем кондиционирования воздуха (СКВ) органи-
зуется избыточное давление (подпор) воздуха для предотвращения поступления неочи-
щенного наружного воздуха и воздуха из смежных помещений с менее чистой воздушной
средой. В результате создания подпора из помещений происходит эксфильтрация возду-
ха. Воздушный баланс помещения в этом случае описывается уравнением:
Избыточное давление в помещении АРгя должно быть больше или равно максималь-
ному перепаду давлений, действующему на ограждение, через которое возможна инфиль-
393
Процессы, аппараты и системы конди
трация наружного воздуха [9.24]. Обычно такое ограждение — наружная стена, подверга-
ющаяся максимальному внешнему ветровому и гравитационному давлению в расчетном
режиме, т.е. при расчетной температуре наружного воздуха и скорости ветра в холодный
период года.
Расчет аэродинамической системы, частью которой являются герметизируемое по-
мещение и его каналы связи с остальными помещениями здания, основан на решении
с помощью ЭВМ системы нелинейных уравнений [9.5, 9.33]. Графики, построенные по
результатам такого расчета на ЭВМ, дают возможность анализировать воздушный режим
отдельного помещения или всего здания не только при расчетных условиях (принятой
скорости ветра, температурах наружного и внутреннего воздуха, принятого сопротивле-
ния фильтров СКВ и т.д.), но и при изменении режима работы СКВ, систем вытяжной
вентиляции и ветрового давления на наружные ограждения.
Графическое представление расчетов позволяет облегчить работу при наладке и экс-
плуатации систем для решения ряда задач.
Рассмотрим предлагаемые графики (рис. 9.43) на примере герметизируемого поме-
щения с двумя наружными стенами со световыми проемами (наветренной и заветренной
стороны) в одноэтажном здании.
При составлении расчетной схемы учитывают воздухопроницаемость только свето-
вых проемов и дверей; воздухопроницаемостью стен, пола и перекрытия из-за малости
пренебрегают. Расчетное внутреннее давление APW, на середине окна, предотвращающее
инфильтрацию, выражается уравнением:
(9.44)
где ДР,.,,—гравитационное давление, Па; кн—аэродинамический коэффициент навет-
ренной стены здания; vH — зимняя расчетная скорость ветра, м/с; Др=ря-рю — разность
плотностей воздуха при расчетной наружной температуре для отопления и при внутрен-
ней температуре, кг/м3; ДЛ — максимальная разность отметок неплотностей в наружных
ограждениях (принята равной высоте окна), м; g - ускорение силы тяжести, м/с2.
На графике рис. 9.43, а показаны характеристика приточного вентилятора и рабо-
чая точка А на пересечении с характеристикой сети з2 при текущем загрязнении фильтра.
Нижняя правая часть графика рис. 9.43, б построена в координатах БРВН — избыточное
давление в помещении, ось ординат, расход эксфильтрационного воздуха — ось абс-
цисс. Оси абсцисс графиков рис. 9.43, а, б (т.е. Gnp и Gec#) связаны между собой общей ли-
нейной зависимостью, которая определяет соотношение их масштабов. Величина этого
соотношения находится предварительными расчетами на ЭВМ. Для конкретных условий
величине вэксф соответствует определенное значение Gnp, поэтому начало оси абсцисс гра-
фика рисунка 9.43, б совпадает с этим значением Gpp.
В рассмотренных координатах на графике рисунка 9.43, б наносится кривая аэроди-
намической характеристики помещения (АХП) по результатам расчетов на ЭВМ. График
АХП имеет ряд характерных участков различной кривизны.
Кривая А,Б представляет собой зависимость при изменении внутреннего дав-
ления от ДР до ДРВЯ = -АР,, + ЛР„,, при котором д1ксф= 0 при данном Gnp. Кривая А3Б2
определяет зависимость величины Сци^=ДДРвя) через наветренную стену. При ДРВЯ ниже
точки Б (или /> .) через оба ограждения происходит инфильтрация воздуха. При давлениях
ЛРВН, больше чем в точке Л. (или Л,), через обе стены происходит эксфильтрация воздуха
при данном расчетном давлении.
394
' и технологий
'. Аэродинамический режим герметизируемого помещения:
а — характеристики вентилятора и сетей воздуховодов с различными филъ
б - аэродинамическая характеристика помещения (АХП) для определения вели-
чины эксфильтрации;
в — перепады давления на ограждениях помещения и часть АХП для опреде-
(ЬР„ - на наветренных ограждениях, ДР - на заветренных ограждениях);
Рпр —расчетное значение давления приточного вентилятора; Gdnn — производи-
тельность приточного вентилятора при загрязненных фильтрах, допустимая
(внутреннее) давление воздуха в помещении; ЛРг) — ветровое давление на навет-
;АХП— аэродинамич!
Если сверху к оси ординат \РВ графика рисунка 9.43, б пристроить еще одну ось абс-
цисс ДРоф, то получится дополнительный график 9.43, в, позволяющий определять вели-
чины избыточных давлений на любое ограждение помещения от максимальных на завет-
ренной стороне до минимальных на наветренной в зависимости от избыточного давле-
ния в помещении ЬРВН. Этот дополнительный график дает возможность провести анализ
допустимых давлений на дверные проемы в любом ограждении.
395
Использование полученных графиков при наладке СКВ производится в два этапа. На
первом этапе определяется соответствие фактической характеристики вентилятора (гра-
фик 9.43, а) и АХП (график 9.43, б), принятым в расчете на ЭВМ. С этой целью необходи-
мо построить реальную характеристику вентилятора и создать в помещении внутреннее
давление ЬРВН> ^Ррасч, измеряя расход подаваемого воздуха на подпор. Если полученная
точка на графике 9.43, б с координатами АРЮ/, вэксф окажется на кривой АХП, то «гермети-
зация» помещения соответствует принятой по проекту. При меньшей степени герметиза-
ции следует уплотнить щели, а если это не удается, то необходимо провести новый расчет
на ЭВМ для реальной «герметизации», т.е. для реальной АХП помещения. На следующем
этапе наладки необходимо довести расход приточного воздуха до обеспечения расчетной
эксфильтрации при работе всех вытяжных установок и реальном ветровом давлении.
Использование графиков АХП при наладочных работах позволяет сократить их тру-
доемкость и повысить надежность при обеспечении требуемых параметров воздуха.
9.5.11 Компьютерное моделирование аэродинамики и переноса загрязнений в чистых поме-
щениях. Создание ЧП высокого класса чистоты ставит задачу обеспечения в рабочей зоне
микроклимата с жесткими ограничениями концентрации загрязнений, температуры и
влажности воздуха. Для этого, в частности, необходима организация такой структуры тече-
ния воздуха в ЧП, при которой снижается вероятность попадания частиц в рабочую зону и
предотвращается снос воздуха от источников теплоты, влаги и загрязнений в направлении
рабочей зоны. Для решения этой задачи весьма успешно используется метод численного
моделирования аэродинамических процессов [9.1], его эффективность определяется опе-
ративностью и дешевизной получения практического результата. Программный комплекс
CRAFT (Clean Room Air Flows with Turbulance — течения воздуха в чистом помещении с учетом
турбулентности) разработан для численного моделирования двух- и трехмерного течения
воздуха внутри помещения с размещенным в нем оборудованием.
Опуская теоретическую часть и систему уравнений нестационарного движения
Навье-Стокса, модели турбулентности и уравнения баланса энергии воздуха и концент-
рации загрязнений, остановимся на нескольких решениях практических задач.
Задача 1: Расчет отклонения от вертикали нисходящего потока приточного воздуха
в ЧП. На рис. 9.44 показан разрез чистого помещения с верхней равномерной подачей
приточного воздуха со скоростью vn = 0,4 м/с и удалением воздуха через пять решеток в
полу вблизи блоков оборудования.
Линии тока в помещении без оборудования и с оборудованием различаются, что ха-
рактеризует роль оборудования в формировании картины течения воздуха. Для выравни-
вания поля скоростей можно увеличить число и равномерность вытяжных решеток.
Задача 2: Расчет переноса загрязнений в чистом помещении (рис. 9.45), где размещен
блок оборудования с локальным отсосом (ve = 0,4 м/с), перегородка и два тела, возмуща-
ющие поток воздуха.
Подача воздуха со скоростью vn = 0,4 м/с производится через фильтры в потолке,
между фильтрами расположены лампы. Кроме локального отсоса в блоке отбор воздуха
производится также решеткой в стене под блоком. Относительная концентрация загряз-
нений в местах расположения их источников (около ламп и возмущающих тел) с = 1. На
рис. 9.45, б изображены изолинии функции тока, а на рис. 9.45, в, г изолинии концентра-
ции загрязнений, полученные с учетом и без учета турбулизации потока воздуха. Видно,
что при относительно слабом отличии в сравниваемых вариантах распределений средней
скорости в помещении, распределения концентрации загрязнений разнятся значительно.
396
Этот результат является одним из примеров более слабого влияния турбулизации потока
на поле средней скорости, чем на эффективную диффузию и теплопроводность.
ишшишшшишшшщшш
а) г( /2П П П П
ии под фальшполом (2): а — раз-
в — то же в помещении с оборудованием.
Задача 3: расчет течения в чистом производственном помещении при наличии тепло-
выделяющего оборудования. На рис. 9.46, а изображен разрез помещения со стоящим на
фальшполу блоком оборудования, над которым расположена лампа, частично прикрытая
колпаком.
Воздух подается равномерно через потолок (глр=0,4 м/с), удаляется через решет-
ки в полу. Величины избыточной температуры объектов в чистом помещении равны:
лампа - 250 °C, колпак — 50 “С, блок оборудования, стены и фальшпол — ноль. На рис.
9.44, б, в показаны изолинии функции тока (б) и изолинии избыточной температуры АГ.
Видно, что шлейф нагретого воздуха распространяется вдоль всего блока оборудования и
изменяет температурный режим на рабочем месте.
Задача 4: Расчет трехмерного течения с рециркуляцией воздуха в чистом помещении,
фрагмент которого показан на рис. 9.47, а. Воздух подается в помещение через воздухо-
распределители (vt= 0,4 м/с) с фильтрами тонкой очистки. Пройдя через фальшпол, воз-
дух через боковые каналы снова поступает к распределителю. На рис. 9.47, б изображено
распределение скоростей в поперечном сечении и видна зона возвратно-циркуляцион-
ного течения воздуха под потолком в области между плафонами.
397
Подводя итог, отметим, что разработчикам ЧП высокого класса (с детализацией их
конструктивных элементов и оборудования) необходимо иметь средства визуализации
воздушных течений в помещении и его частях.
9.5,12 Сводная номограмма характеристик аэрозолей, классов чистых помещений и
фильтров финишной очистки. В основу предлагаемой номограммы (рис. 9.48) положена
возможность совместного анализа характеристик аэрозолей, нормируемой счетной кон-
центрации в ЧП (при dn > dj и проскока в фильтрах классов Н и U во всем диапазоне
размеров частиц, пока ограниченном значениями dn - 0,1,„50 мкм, с дальнейшим расши-
рением на меньшие размеры (<7 <0,1 мкм).
Учитывалось, что как счетное число частиц в атмосферном воздухе, так и нормируемое
число частиц в воздухе ЧП определяется по фракциям (размерам). Поэтому в качестве ос-
новной характеристики здесь рассматривается плотность числа частиц kn/bdn (шт/мкм-м3)
в наружном воздухе (или после предварительной очистки) и в воздухе ЧП. Например, по
данным замеров, наружный воздух при dn=0,7... 1 мкм может содержать 0,940’ шт/м3, тогда
398
Фильтрация воздуха в СКВ для чистых помещений и технологий
плотность числа частиц составит bn/kdn= 0,9-107/(1-0,7) = ЗЮ7 шт/(мкм-м3). Поскольку
эта величина в наружном воздухе может достигать 108 шт/(мкм-м3), а нормируемая в воздухе
ЧП — составлять порядка 10_| шт/(мкм-м3), то по вертикальной оси, как и по горизонталь-
ной принят логарифмический масштаб откладываемых величин. На левой вертикальной
шкале находят плотность числа частиц, на правой — интегральные нормируемые коэффи-
циенты проскока фильтров Н10-Я14, (715-1717 и массы частиц разного диаметра. Последнее
нужно для пересчета плотности по массе (гравиметрической) на плотность по числу частиц
(гранулометрическую) при ря = 2 и 4 г/см3 или другой. В поле номограммы нанесены нор-
мируемые и пересчитанные в плотность значения Для /Д^ д ля чистых помещений классов
N2—7V6 с общим нормируемым содержанием частиц от 10 \N2) до Ю6(Я6) шт/м3. Например,
для ЧП класса 7V3 при dn = 0,7—1 мкм, средняя плотность нормируется 101 шт/(мкм-м3). По
этим данным легко определить требуемый коэффициент проскока финишных фильтров не
более:Р = II /I 1 = 10‘/3-107 =3,3-10'5,чтотребуетсовмесгиойустаиовкифильтра
ЯП Рп = 5-10 2 и фильтра Я13 Р|3= 5-10 4. Результирующий проскок в этом случае составит
Рп'Ра = 5-10-2-5-10”4= 2,5-КН, что удовлетворяет условиям расчета.
деляющим оборудованием: а — разрез помещения; 1 — фалыипол, 2 — оборудо-
вание, 3 — лампа; 4 — колпак; высота потолка 4,2м; фальшпола — 0,6м; шири-
Искомый коэффициент проскока определяют на основе анализа взаимного положе-
ния линий плотности числа частиц в интервале dn = ОД...З мкм. Пусть линия плотности
числа частиц в наружном воздухе изменяется, но не очень сильно: на один-два порядка.
Нормируемая в ЧП плотность сильно переменна (в 5-Ю3 раз) и на графике оказывается
крутопадающей. Это позволяет оценить тот интервал частиц, в котором коэффициент
проскока группы финишных фильтров окажется наименьшим.
399
Для линий, показанных на рис. 9.48, наименьший коэффициент проскока ока-
зывается в интервале du = 0,2...0,3 мкм. При классе ЧП Л'2 (102 шт/м3) он будет равен:
Pmi = 2-101/4-107= 5107. Для этого случая можно предложить несколько комбинаций из
типов и числа фильтров высокой и сверхвысокой эффективности.
Пример 9.9. Проанализировать на основе номограммы рис. 9.48результаты из-
мерения числа частиц в одном из помещений медицинского факультета RWTH в
г. Аахене (Германия), по данным С. Леммена, и определить класс чистоты
воздушной среды при таких данных: при dn > 0,3 мкм пп = 1,5'106 шт/м3; при
dn > 0,5 мкм пп = НО- шт/м3; при <1П > 5 мкм пп = 340 шт/м3; при dn > 10 мкм
пп = 20 шт/м3.
400
Фильтрация воздуха в СКВ для1
Представим данные замеров по интервалам и определим плотность числа частиц в них:
1. В интервале npud,=0,3...0,5мкмдпс=0,4мкм, 53=0,2мкм, 2зп=1,4-106шт/м3
и 5nn/Kd„ = l,410s/0,2 = 7106 шт/мкмм3.
2. В интервале при d = 0,5...5мкм dncpits= 4мкм, 5d = 4,5мкм, Sn= 1-Ю5 шт/м3
uSnn/Sd = 1-10!/4,5 = 2,2104 шт/мкмм3.
3. В интервале при d = 5...10мкм d = 7,5мкм, Sd = 5мкм, 5п= 320 шт/м3 и
Snn/Sd = 320/5= 64 шт/мкм-м3.
Попарные значения dncf и Snn/Sdp наносим на поле номограммы рис. 9.48.
Расположение трех точек (1,2,3) относительно линий, соответствующих клас-
сам чистоты H2...N9, показывает, что содержание аэрозолей в данном помеще-
нии можно отнести к классу ЧПмеждуПб и N8.
9 .5.13 Многовариантный выбор системы очистки воздуха на основе компьютерной про-
граммы. Применяемый «ручной», во многом субъективный и произвольный, выбор сис-
темы очистки воздуха, тем более системы сложной и многоступенчатой, в итоге не позво-
ляет инженеру ответить на ряд основополагающих вопросов:
• Как влияет начальное «не стандартное» распределение частиц в наружном воздухе на
процесс его очистки и технико-экономические показатели?
• Какую комбинацию фильтров предварительной очистки классов G и Р считать для
данного распределения частиц наиболее целесообразной?
• Какое конечное сопротивление каждого из фильтров наиболее обосновано по техни-
ко-экономическим соображениям?
• Каким характеристикам фильтров при сравнении вариантов очистки следует отдавать
предпочтение: эффективности, проскоку, капитальным затратам, энергетическим
затратам или приведенным затратам, отнесенным к одному кг массы уловленной
пыли или др.?
• Какую комбинацию фильтров (класса N и U) при одинаковом проскоке наиболее эф-
фективно использовать для финишной очистки воздуха в СКВ для данного класса ЧП?
• Для какого размера частиц, соответствующих наибольшей проницаемости (MPPS), с
учетом нормируемой плотности в ЧП разного класса следует вести расчет (например
при </„=0,12 мкм или г/„=0,30 мкм) и др. вопросы.
Разработанная программа*, помимо ответа на эти вопросы, делает возможным мно-
гократно рассчитать процесс очистки для разных фракций частиц. Традиционный рас-
чет на стандартной пыли неправомерен и при других фракциях дает новые результаты.
Например, если в распределении много крупных частиц, то все фильтры предваритель-
ной очистки будут иметь высокий коэффициент очистки и при их сравнении на первое
место выходят другие показатели: пылеемкость, удельные капитальные, энергетические
и приведенные затраты на 1 кг уловленной пыли.
Рассмотрим на примере возможности и некоторые выводы из результатов сравнитель-
ного компьютерного расчета весьма популярной предварительной очистки наружного воз-
духа. Сравнительного в том смысле, что за основу принято некоторое начальное распре-
деление частиц, существенно отличающегося от т.н. стандартного, на котором проводят
испытания и определяют характеристики фильтров. Предполагается одиночная установка
фильтров предварительной очистки от <?3 до /8, а также комбинация фильтров G4 и F7.
' При участии И.Н. Богомолова (СПбГУНПТ)
401
Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции
402
i в СКВ для чистых помещений и технологий
Рис. 9.48. Сводная номограмма дисперсных характеристик аэрозольных частиц в атмос-
фикационным числом N2—N9 (левая шкала), и коэффициенты проскока Р филь-
тров высокой (Н10-Н14) и сверхвысокой (U15-U17) эффективности, масса
частиц (в мг/шт) при разном размере dn и плотности материала р (г/см3).
В верхней части номограммы показана гипотетическая кривая плотности чис-
Пример 9.10. Начальное распределение частиц в атмосферном воздухе значи-
тельно отличается от стандартного (см таблицу к рис. 9.49). Расход наруж-
ного воздуха LH = 1 м3/с, начальная концентрация частиц сИ= 2 мг/м3, средний
по массе размер частиц (медиана) dn cp m= 7мкм, режим работы круглосуточный,
с/ = 1 руб/кВт ч, к' = бОруб/кВт мес.
Стоимость фильтров Кф1 и их пылеемкость М принята для одного из отечест-
венных производителей. Требуется выполнить для данных условий компьютерный
расчет системы очистки и оценить технико-экономические показатели филь-
mpoeG3, G4,F5...F8uG4+F7auMeHHo:
• коэффициент очистки ЕА и соответственно проскок Р = 1—ЕА;
• годовые капитальные затраты на фильтры Кф;
• удельные приведенные затраты F& отнесенные к 1 кг массы пыли, уловлен-
ной единичным расходом воздуха при разном конечном сопротивлении фильтра
1хРк=250и 450Па.
Результаты компьютерного расчета для заданных условий и характеристик
фильтров разного класса представлены на сводном графике рис. 9.49. Для срав-
нения здесь же нанесены коэффициент эффективности бРКст на стандартной
пыли, стоимость одиночного фильтра Кф1 данного типа и его пылеемкость М при
достижении конечного сопротивления ЬРК = 250 Па. Анализ полученных расче-
том по программе зависимостей позволяет сделать такие выводы:
• коэффициент очистки Ел всех фильтров для заданной крупнодисперсной пыли
значительно выше, чем для стандартной, и приближается к единице;
• по капитальным затратам самый дешевый вариант — фильтры G3 и G4;
• по удельным приведенным затратам Рф наиболее эффективные фильтры F7 и
F8 в силу их большой пылеемкости по сравнению со стоимостью.
В подобных ситуациях и неоднозначном ответе инженер должен сам выбрать наилуч-
шее решение, но обычно здесь существенно неизвестное начальное распределение частиц
в спектре. Если пыль будет наоборот очень тонкодисперсной, то фильтры G3 и G4 будут
практически бесполезны из-за малого коэффициента очистки и массы уловленной пыли.
Результаты наших исследований хорошо корреспондируются с данными Я. Густавссона
[9.15], описавшего низкую эффективность установки фильтров предварительной очистки
класса G. В частности, цитируем его комментарии на эту тему:
403
Процессы, аппараты и системы конди
и тонкой (F5...F8) очистки, их комбинаций (G4+F7) для «крупной» атмосфер-
ной пыли (dncp№ 7мкм, сн=2мг/м3):МП - стандартная пылеемкость (г) при до-
стижении конечного сопротивления &РК=250Па; ЕА ст — коэффициент очист-
ки фильтра, указанный в ГОСТ Р51251-99на стандартной атмосферной пыли;
ной» атмосферной пыли; F. — комплексный технико-экономический пока-
затель годовых затрат на фильтры, отнесенный к 1 кг уловленной пыли при
Ln = 1м3/с, при конечном сопротивлении фильтра &Рк=250и450Па; К.—годовые
капитальные затраты (руб/год) на фильтр при круглосуточной работе СКВ и
сн=2 мг/м3; Кф] — стоимость одиночного фильтра (руб), Кэ — годовая плата за
гию, руб/год. В нижней, части графика указано начальное распределение частиц
в % для исследованной крупнодисперсной атмосферной пыли.
«Низкоэффективные предварительные фильтры, которые продлевают срок служ-
бы высокоэффективных фильтров, очень распространены, но обычно их наличие не
очень хорошо отражается на стоимости рабочего цикла, как это можно увидеть из сле-
дующего примера.
404
Предположим, что мы хотим защитить фильтр класса F7 (предыдущие расчеты) путем
использования более дешевого предварительного фильтра стоимостью 8 Евро. Все остальные
данные оставим такими же, как и в предыдущем примере расчета с фильтром F7, работа-
ющем до предельного перепада давления, равного 150 Па. Как видно, расчет для цепочки из
двух фильтров дает стоимость рабочего цикла, равную 5226 Евро. Таким образом, предва-
рительный фильтр увеличил полную стоимость рабочего цикла с 3297 до 5226 Евро. В итоге
затраты на фильтр класса F7уменьшатся, но только энергетические затраты на предвари-
тельный фильтр будут выше, чем снижение затрат на второй фильтр.
В большинстве случаев затраты на предварительный фильтр много больше, чем получен-
ная экономия на более эффективном фильтре, хотя для обеспечения гигиенических условий и
защиты вентиляционного тракта в системах воздухоподготовки обычно всегда рекомендуется
делать двухступенчатую фильтрацию. Таким образом, в качестве первого фильтра на входе
системы следует устанавливать также фильтр класса F7. Второй фильтр должен быть та-
кого же класса или выше. Его следует устанавливать после оборудования для воздухоподготов-
ки и перед входом в систему воздуховодов, распределяющих воздух по помещениям».
Подводя итог изложению главы об очистке воздуха, отметим сложность, вариабель-
ность и многофакторность процессов очистки как по расчетным зависимостям, так и по
широкому спектру средств такой очистки.
9.5.14 Оценка надежности подсистемы очистки воздуха. Кроме общих соображений
о надежности оборудования и систем (СКВ, СВ), изложенных в п. 1.7 гл. 1 тома I,
учтем специфические требования к надежности подсистемы очистки воздуха, особен-
но в т.н. чистых помещениях, изложенных в Руководстве [9.34]. Надежность работы
систем очистки воздуха является важнейшим показателем ее качества, поэтому оце-
нивать ее целесообразно на стадии проектирования. Под надежностью подсистемы
очистки воздуха понимают ее безотказность, т.е. способность непрерывно находиться
в работоспособном состоянии и выполнять заданные функции в течение установлен-
ного времени, сохраняя значения установленных эксплуатационных показателей в
заданных пределах, соответствующих принятым режимам и условиям эксплуатации и
технического обслуживания.
Надежность работы фильтровр и других видов оборудования оценивается по формуле:
где т — необходимая продолжительность работы оборудования, ч; — интенсивность
отказов, т.е. нарушения работоспособности фильтра или всей подсистемы очистки, ч-1;
Л.= 1/70, где Го - наработка на отказ данного вида оборудования, ч. По своим характерис-
тикам отечественные рулонные фильтры имели нормируемое время наработки на отказ
3000...4000 ч, интенсивность отказов X = (25...33)105, ч-1, средний ресурс до первого капи-
тального ремонта не менее 18—21 тыс. ч, средний срок службы не менее 12-15 лет.
В системах с рециркуляцией воздуха и в системах вентиляции, совмещенных с отоп-
лением, время т принимается не менее продолжительности отопительного периода. В по-
мещениях, где к чистоте воздуха предъявляются повышенные требования, время т при-
нимается равным общей продолжительности работы фильтров. Надежность подсистемы
многоступенчатой очистки воздуха, в состав которой входят несколько последовательно
установленных фильтров, определяется по формуле:
(9.46)
405
гдер,(т:),р2(т)...р11(1) - надежность каждого из фильтров, последовательно установлен-
ных в системе очистки.
Расчетную надежность фильтров рекомендуется выбирать:
• для предприятий, на которых прекращение очистки воздуха вызывает необходимость
останавливать технологический процесс, не ниже надежности технологического обо-
рудования - 0,95-0,99;
• в случаях, когда отказ фильтров вызывает существенное снижение температуры воз-
духа в помещении, в частности, в результате засорения теплообменников, — не ниже
0,80;
• в других случаях в зависимости от последствий прекращения очистки воздуха, но не
ниже 0,50;
• самая высокая надежность работы фильтров должна быть обеспечена в чистых поме-
щениях и чистых технологиях, где возможен брак очень дорогой продукции или это
связано с обеспечением жизни людей.
...Завершая изложение этой части двухтомника, автор надеется на полезность и познава-
тельность предложенного материала, возможность его практического применения в освоении
профессии и проектировании таких сложных подсистем СКВ и СВ, как утилизация теплоты,
увлажнение воздуха и его очистка. До новой встречи на страницах последней части...
406
___________________
ПРИЛОЖЕНИЕ 9.1.
Физико-химические свойства характерных газо-
и парообразных вредных веществ
Ниже описаны (по данным [9.51])основные свойства вредных веществ, выделяющихся
в производственных помещениях и удаляемых системами механической вентиляции*.
Сернистый газ (5О2) - диоксид серы (сернистый ангидрид), бесцветный газ с рез-
ким запахом; температура плавления /га = 75 °C, температура кипения tmn= 10,5 °C; при
обычной температуре сжижается под давлением 0,4—0,5 МН/м2. Получают обжигом суль-
фидных руд (например, пирита). Применяется главным образом в производстве серной
кислоты, а также как восстановитель, отбеливатель, консервант, хладагент и др. Ядовит.
Один из основных промышленных газов, загрязняющих воздух.
Серный ангидрид (50.) - триоксид серы (трехокись серы), при температуре воздуха
t„= 18—22 °C бесцветная жидкость; tKun = 44,7 °C; твердый серный ангидрид существует в
нескольких модификациях (1ш = 16,8—95 °C). Во влажном воздухе «дымит» (испаряясь,
образует капельки серной кислоты). Получают окислением сернистого газа. Служит для
производства серной кислоты, олеума, многих органических продуктов.
Окись азота (NO) - монооксид азота, бесцветный газ, несолеобразующий окисел,
физиологически активен, плохо растворим в воде, солях и органических соединениях.
Однако с солями двухвалентного железа, меди, марганца, никеля и другими образует
комплексные соединения, легко разрушаемые при нагревании. Применяется как полу-
продукт в производстве азотной кислоты. В выделениях и выбросах присутствует, как
правило, одновременно с двуокисью азота. Нарушает деятельность сердечно-сосудистой
и центральной нервной системы человека.
Двуокись азота (NO2) - диоксид азота (бурый газ, при обычных условиях смесь за-
киси и четырехокиси азота), физиологически активен, образуется в результате окисле-
ния оксида азота кислородом. С водой легко образует азотную кислоту. Используется
как нитрующий агент. Нарушает деятельность сердечно-сосудистой и центральной не-
рвной системы человека.
Окись углерода (СО) - монооксид углерода (угарный газ). Газ без цвета и запаха; плот-
ность рг = 1,250 мг/см3, tm= 191,5 °C. Образуется при неполном сгорании веществ, со-
держащих углерод. Входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и пере-
работки черных и цветных металлов, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания,
газов, образующихся при взрывных работах и т.д. Сырье основного органического синте-
за. Высокотоксичен, нарушает деятельность центральной нервной и сердечно-сосудис-
той систем человека.
Двуокись углерода (СО2) - диоксид углерода, угольный ангидрид, углекислый газ, бес-
цветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом, рг = 1,980 мг/см3. Охлаждая СО2
при обычном давлении, получают при tr = —78,515 °C твердую снегообразную массу («су-
хой лед»). Растворимость 0,88 объема газа в одном объеме воды при tv = 20 °C; в водном
ГН 2.2.5.1313-03 — 245 с.;
нормативы ГН 2.2.5.1314-03 - с. 274-335.
я (ОБУВ) вредныхвеществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические
407
растворе в присутствии щелочей образуют соли угольной кислоты. Как продукт полного
окисления углерода поступает в воздух при сжигании топлива и при дыхании. Двуокись
углерода входит в состав атмосферы Земли (в среднем 0,03% по объему). Получают при
обжиге известняка, окислении углеводородов и различных видов топлива. Применяют в
производстве соды, при газировании вод, в огнетушителях.
Фосфорный ангидрид (Р4О10 или Р2О5) — оксид фосфора. Известно несколько модифика-
ций (бесцветный кристаллический порошок, снегоподобная масса и т.д.). Получают сжи-
ганием фосфора в избытке сухого воздуха. Применяют как осушитель газов и жидкостей,
в органическом синтезе и др.
Фосфористый водород (РН3) — фосфин, бесцветный газ с неприятным запахом,
=87,4 °C. Сильный восстановитель. Известен жидкий фосфин, называемый дифосфи-
ном PJHf, = 56 °C. Самопроизвольно воспламеняется в воздухе, ядовит.
Мышьяковистый ангидрид (As2O3) — окисел (оксид) мышьяка, встречается в природе
(минералы — арсенолит, клоделит); бесцветное кристаллическое вещество, мало раство-
римое в воде. Идет на осветление стекла, консервирование меха, синтез фармацевтичес-
ких препаратов, ядовит.
Мышьяковый ангидрид (4.s2O5) - окисел (оксид) мышьяка, белая стеклообразная мас-
са, расплывающаяся на воздухе и хорошо растворимая в воде, ядовит.
Углеводороды — органические соединения, молекулы которых построены только
из атомов углерода и водорода. Различают ациклические и алуфатические (этан, изо-
бутилен и др.) и изоциклические или карбоциклические (циклогексан, бензол и др.).
Углеводороды — важнейшие компоненты нефти, природного газа, продуктов их перера-
ботки, широко используемые как сырье для получения многих химических продуктов,
топлива и др. Ядовиты.
Пары летучих растворителей: бензина — смеси легких углеводородов (tm = 30—200 °C),
прозрачной жидкости (рж= 700-780 кг/м3), получаемой главным образом перегонкой
или крекингом нефти и используемой как топливо для карбюраторных авто- и авиадвига-
телей, экстрагент и растворитель жиров, смол, каучуков; спиртов - алкоголей, гликолей,
глицеринов, этиленгликолей, циклогексанолов, эфиров, получаемых окислением углево-
дородов, гидратацией олефинов, брожением пищевых продуктов, гидролизом раститель-
ных материалов и другими способами и используемых в качестве растворителей сырье-
вых материалов в производстве красителей, синтетических смол, моющих и лекарствен-
ных веществ; бензола - простейшего ароматического углеводорода, бесцветной жидкости
(tm= 80,1 °C), образующейся при коксовании каменного угля и при химической пере-
работке нефтяных фракций, применяемой для получения анилина, фенола, стирола,
капролактама, взрывчатых веществ, инсектицидов, используемой также как раство-
ритель; толуола (метилбензола) — ароматического углеводорода, бесцветной жидкости
(/„= 110,6 °C), содержащейся в больших количествах в каменноугольной смоле и в про-
дуктах нефтепереработки, применяемой для получения красителей, фармацевтических
препаратов, взрывчатых веществ и используемой также как растворитель; сероуглерода
(С52) — бесцветной летучей жидкости с эфирным отвратительным запахом (/,„=46,26 °C),
малоактивной при обычной температуре, ядовитой и огнеопасной, применяемой как
растворитель жиров, масел, смол, каучуков, серы, йода и используемой в производстве
вискозы и фунгицидов, для вулканизации каучука и как экстрагент, и др. Например, для
толуола.
Пары ртути содержатся в выделениях и в выбросах предприятий цветной металлур-
гии, теплоэнергетики, химических комбинатов. Ртуть применяется в производстве хлора
408
Приложение 9.1
Физико-химические свойства характерных газо- и парообразных вредных веществ
и едкого натра (как катод). Пары, сплавы ртути с металлами (амальгамы) и многие соеди-
нения ртути ядовиты.
Сероводород (H2S) — сернистый водород, бесцветный газ с запахом тухлых яиц;
t = 85,6 °C, tm= 60,38 °C; при 0 °C сжижается под давлением 1 МН/м1. Восстановитель.
Побочный продукт при очистке нефтепродуктов, коксовании угля и др. Образуется при
разложении белковых веществ. Содержится в некоторых минеральных водах и лечеб-
ных грязях, в природном газе, в нефтяных и коксохимических газах. Применяется в
производстве серы, серной кислоты, сульфидов, в органическом синтезе, химическом
анализе, при выпарке целлюлозных щелоков, при производстве волокон, целлофа-
на, корда и др. Выделения и выбросы, содержащие H2S, очень коррозионно-активны.
Сероводород ядовит.
Меркаптаны — тиоспирты, органические соединения, содержащие сульфгидрильную
(меркапта) группу, связанную с углеводородным радикалом. Ароматические меркаптаны
называют тиофенолами, все меркаптаны имеют крайне неприятный запах. Применяется
в синтезе лекарственных препаратов, инсектицидов, для ингибирования радикальных
реакций, для одоризации бытового газа и др.
Фтор и его соединения. Фтор (F) — галоген, бледно-желтый газ с резким запахом,
Zm= 219,6 °C, tm= 188,1 °C, pr= 1,69 кг/м3. Самый активный неметалл: реагирует практи-
чески со всеми элементами. Взаимодействие фтора со многими веществами легко пере-
ходит в горение и взрыв. Фториды - соединения фтора с другими элементами. Фториды
металлов — твердые вещества, фториды неметаллов — жидкости или газы. Фториды ис-
пользуются для получения фтора, алюминия, урана. Фтористоводородная (плавиковая)
кислота взаимодействует с силикатными материалами, используется для травления стек-
ла, удаления песка с металлического литья. Фтороводород (HF) — бесцветная легкопод-
вижная, дымящая на воздухе жидкость с резким запахом. Смешиваясь с водой, образует
фтористоводородную кислоту. Применяется в производстве фтора, его соединении крио-
лита для выплавки алюминия, очень ядовит.
Фтороорганические соединения - смазочные масла, гидравлические жидкости, фторо-
пласты, фторкаучуки, фреоны, красители.
Хлор и его соединения. Хлор (С/) — галоген, газ желто-зеленого цвета с резким запа-
хом: tm = 101 ’С, tm = 34 °C; при обычной температуре легко сжижается под давлением
0,6 МН/м2. Химически очень активен (окислитель). Главные минералы — галит (каменная
соль), сильвинит, карналлит. Применяется в производстве хлорсодержащих органических
соединений, неорганических веществ, для отбелки целлюлозы и тканей, для санитарных
нужд и об, раживания воды. Токсичен. Оксиды хлора - окись хлора С12О (желто-корич-
невый газ), двуокись хлора СЮ2 (зеленоватый газ), трехокись хлора С12О6 (темно-коричневая
жидкость), хлорный ангидрид С12О2 (бесцветная жидкость). Сильные окислители, взрыво-
опасны. СЮ - отбеливатель целлюлозы, тканей, муки. Хлорамины — ароматические соеди-
нения, бесцветные кристаллы; tM~ 175-185 °C. Отбеливатели, дегазирующие и дезинфици-
рующие вещества. Хлораты — соли хлорноватой кислоты, кристаллические вещества. При
обычной температуре устойчивы, при нагревании взрывоопасны. Хлораты калия, натрия и
магния применяются как окислители, гербициды и дефолианты, ядовиты. Хлор-бензол -
галогенсодержащий углеводород, бесцветная жидкость, tm = 131,7 °C. Применяется для
получения фенола, инъскгицидов и как растворитель. Хлориды - соединения хлора с дру-
гими элементами. Хлориды металлов — кристаллические вещества, соли соляной кислоты;
хлориды неметаллов — жидкости или газы. Соляная (хлористо-водородная) кислота (НО) -
раствор хлористого водорода в воде; сильная кислота. Бесцветная, дымящая навоздухе жид-
409
кость. Применяется в гидрометаллургии и гальванопластике, для очистки поверхности ме-
таллов при паянии и лужении, для получения хлоридов металлов. Хлористый водород (НО) —
бесцветный, дымящий на воздухе газ с резким запахом; = 114 °C, = 85 °C. Хорошо
растворяется в воде с образованием соляной кислоты. В промышленности получают син-
тезом из элементов и как побочный продукт при хлорировании органических соединений.
Используется в производстве НС1 и органических хлорсодержащих веществ, в том числе по-
лимеров. Хлористый сульфурил - бесцветная, резко пахнущая жидкость, на воздухе дымит;
= 54 °C, = 69 °C. В органическом синтезе хлорирующий агент; растворитель. Хлориты -
соли хлористой кислоты. Кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде; в твер-
дом состоянии при нагревании и ударе взрываются. В кислой среде сильные окислители.
Применяются для отбеливания тканей, целлюлозы, бумаги. Хлорная известь — известь бе-
лильная, образуется при взаимодействии хлора с гашеной известью. Зернистый белый по-
рошок с резким запахом. Применяется для отбеливания целлюлозы и тканей, для дезин-
фекции и дегазации. Хлорная кислота — сильная кислота, в свободном состоянии бесцвет-
ная жидкость, со временем темнеет и становится взрывоопасной. Применяется при разло-
жении сложных руд, при анализе минералов, в качестве катализатора. Хлорноватистая кис-
лота (НСЮ) — образуется при растворении хлора в воде, неустойчива, сильный окислитель.
Кислота и соли применяются как отбеливающие и дезинфицирующие средства. Хлоропрен—
ненасыщенный галогенсодержащий углеводород; бесцветная жидкость; tm =59,4 °C. Сырье
для получения хлоропреновых каучуков. Хлорсульфоновая кислота—сульфурилоксихлорид,
бесцветная, резко пахнущая жидкость; /ш=80°С, tm= 156 °C. Очень реакционноспособна.
Применяется при производстве красителей, моющих и лекарственных веществ. Ядовита.
Монохлоруксусная кислота — бесцветные кристаллы; t = 61 °C. Применяется для получе-
ния красителей, карбоксиметилцеллюлозы, гербицидов.
Канцерогенные вещества - химические вещества, воздействие которых на организм
при определенных условиях вызывает рак и другие опухоли. Поступают в воздух с про-
дуктами сгорания топлива, а также с выделениями и выбросами нефтеперерабатываю-
щих, коксохимических и асфальтобетонных заводов, обогатительных фабрик, террико-
нов угольных и сланцевых шахт. Это в первую очередь 3,4-бензопирен, обнаруживаемый
в саже, дымовых газах, в выхлопе автомобилей; пирен, флоуранзен и др.
Смолы - фенолформальдегидные, полиэфирные, алкидные и др. - синтетические
полимеры, продукты поликонденсации фенола с формальдегидом, кислот со спиртами
или гликолями. Используется при производстве пластмасс, лаков, клеев, герметиков, для
отбелки тканей, бумаги, фенопластов, стеклопластиков и др.
Литература к гл. 9
9.1. А.А. Аксенов и А.В. Гудзовский. Численное моделирование аэродинамики и переноса
загрязнений в чистых производственных помещениях. — Технология чистоты. 1992,
№1, с. 31-35.
9.2. Г. Бенндорф. Атмосферное электричество. М.—Л., 1934.
9.3. С.И. Бурцев, В.Д. Коркин, А.А. Дударев. Жизнь в задыхающихся домах. / Конди-
ционирование, вентиляция, отопление и водоснабжение. Профессиональное при-
ложение к еженедельнику «Стройка». РКОдвижение, №4,2002, с. 34 - 41.
9.4. Л.Л. Васильев. Влияние атмосферных ионов на организм. Л.: 1960.
410
Э.Я. Гинцбург. Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ. -
М.: Стройиздат, 1979.
9.6. ГН 2.2.5.1313—03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в
воздухе рабочей зоны. 2003.
В.Б. Горелик, Е.В. Токарев. Теоретическое исследование долговечности регенериру-
емых фильтров. - В кн.: Кондиционерностроение. Сб. № 17 ВНИИКондиционер,
Харьков, 1988, с. 28 - 30.
9.8. В.Б. Горелик, Е.В. Токарев, А.И. Федоров. Ресурсные характеристики фильтров цент-
ральных кондиционеров. /Проблемы прочности. 1987, т. 27, с. 83 — 87.
9.9. Ю.Г Грачев. Очистка воздуха зданий от вредных веществ (Учебное пособие). ПГТУ,
Пермь. 1996, - 280 с.
9.10. Ю.Д. Губернский, М.Т. Дмитриев. Атмосферный озон и ионы - основные компо-
ненты свежести воздуха. //«Природа». - 1976, №9, с. 21-31.
9.11. Ю.Д. Губернский, Д.И. Исмаилова. Гигиеническая значимость ионно-озонного ком-
плекса в условиях жилых и общественных зданий. /Вестник АМН СССР, 1978, №8,
с. 49 - 53.
9.12. Ю.Д. Губернский, М.Т. Дмитриев. Озонно-ионный режим жилых и общественных
зданий и его роль в обеспечении воздушного комфорта. // Водоснабжение и сани-
тарная техника, 1979, №1, с. 17 - 18.
9.13. Ю.Д. Губернский, М.Т. Дмитриев. К проблеме кондиционирования воздуха. //
«Жилищное строительство», 1974, №4.
9.14. Ю.Д. Губернский, М.Т. Дмитриев. Состояние воздушной среды в кондиционируе-
мых многоэтажных административных зданиях. // Водоснабжение и санитарная
техника. 1975, №4.
9.15. Я. Густавссон. Воздушные фильтры и стоимость рабочего цикла. - Арктический
СНиП, 2002, №4 (12), с. 9 - 12.
9.16. А.А. Дударев, Г.Я. Крупкин, В.И. Турубаров. С.И. Бурцев, В.В. Карцев, В.И. Никитина,
Л.С. Дубейковская, О.Л. Маркова. Комплексный подход к гигиенической оценке и
управлению качеством воздушной среды современных офисных помещений. // Ме-
дицина труда и промышленная экология. 2004, № 1, с. 37 — 40.
9.17. А.А. Дударев, В.И. Турубаров. Актуальные проблемы гигиенического нормирования
ионов в воздухе. // Медицина труда и промышленная экология. 2002, №9, с. 35 - 39.
9.18. А.А. Дударев, В.И. Турубаров, А.В. Червинская. Новые подходы к дозиметрии аэроио-
нов. // Медицина труда и промышленная экология. 2004, №6, с. 22 — 27.
9.19. Ю.Н.Кигур. Приближенная оценка эффективности улавливания пыли в форсуночных
камерах кондиционеров. // Водоснабжение и санитарная техника, 1973, №9, с. 10.
9.20. Ю.Н. Кигур. Проблемы дезодорации в системах кондиционирования воздуха. -
В кн.: Проектирование отопительно-вентиляционных систем. Информационный
выпуск, ГОССТРОЙ СССР, М.: 1968, с. 59 - 67.
411
9.21. Кислородные радикалы в химии, биологии и медицине. Сборник научных статей.
Рига, РМИ. 1988.
9.22. Д.В. Коптев, Т.С. Пречистенская, В.И. Емельянова. Высокоэффективные пылеемкие
фильтры для тонкой очистки воздуха от пыли. // Водоснабжение и санитарная тех-
ника. 1970, №6, с. 27 - 29.
9.23. ПА. Коузов, А.Д. Мальгин, Г.М. Скрябин. Очистка от пыли газов и воздуха в химичес-
кой промышленности. — Л.: Химия — 1982, — 255с,
9.24. Г.Я. Крупкин, Е.В. Чупрынин, ЮЛ. Хомутецкий. Методика наладки и контроля
герметизации специальных помещений электронной промышленности. — В кн.:
Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондициониро-
вания воздуха. ЛДНТП. Л.: 1987, с. 42 — 46.
9.25. Г.С. Куликов, Б.И. Вялый, ЮЛ. Хлебников, В.Д. Шевченко. Исследования регенера-
ции нетканых фильтрующих материалов. // Водоснабжение и санитарная техника.
1971, №11, с. 18-20.
9.26, А.А. Минх. Ионизация воздуха и ее гигиеническое значение. Госмедиздат, Москва, 1963.
9.27. А.А. Минх, Ю.Д. Губернский, М.Т. Дмитриев. Гигиенические закономерности физи-
ко-химических характеристик кондиционированного воздуха. Вестник Академии
медицинских наук СССР, 1973, №10.
9.28. Оборудование для санитарной очисткигазов:Справочник/И.Е.Кузнецов,К.И.Шмат,
С.И.Кузнецов. Под общей ред. И.Е.Кузнецова. Киев. «Техника». 1983 — 304 с.
9.29. С.П. Павлов. Искусственная ионизация чистого воздуха помещений. // Водоснабже-
ние и санитарная техника. 1982, №6, с. 19 — 21.
9.30. АЛ. Пирумов. Обеспыливание воздуха. — М.: Стройиздат, 1981, -296 с.
9.31. Проблемы ионификации. Труды ЦНИЛИ. /Под ред. проф. А.Л.Чижевского. Т. 1-4.
«Коммуна», Воронеж, 1933.
9.32. АЛ. Родионов, ЮЛ. Кузнецов. В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. Оборудование, сооруже-
ния, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосфе-
ры от промышленных выбросов. - М: «Химия», 1985 — 352 с.
9,33. И.А. Романовская. Программа расчета на ЭВМ ЕС—1022 теплопотерь за счет ин-
фильтрации наружного воздуха в промышленных и гражданских зданиях. Сер. 18
А—14. БелНИИНТИ, 1980.
9.34. Руководство по проектированию очистки воздуха от пыли в системах приточной
вентиляции и кондиционирования. /Изд. 2-е, перераб. и доп., ЦНИИПромзданий. —
М.: Стройиздат, 1984, — 79 с.
9.35. Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха произ-
водственных и общественных помещений. СГН 2152-80,1980.
9.36. СанПиН 2.2.4.1294-03. Гигиенические требования к аэроионному составу воздуха
производственных и общественных помещений. Санитарно-эпидемиологические
правила и нормативы. 2003.
412
9.37. В.П. Скипетров. Аэроионы и жизнь. Саранск, «Красный Октябрь», 1997.
9.38. А.М. Скоробогатова, Г.М. Тарасова, Г.Ф. Чумаков. Оценка функционального состо-
яния сердечно-сосудистой системы у работающих в условиях различного режима
аэроионизации. // Гигиена и санитария. 1981, № 11.
9.39. Справочник по пыле- и золоулавливанию./Под ред. А.А. Русанова. - М.:
Энергоатомиздат, 1983 — 312 с.
9.40. В. Страус. Промышленная очистка газов. — М.: «Химия», 1981 - 616 с.
9.41. ПН. Тверской. Атмосферное электричество. - Л., 1949.
9.42. В.Н. Ужов и др. Очистка промышленных газов от пыли. - М.: «Химия», 1981 - 392 с.
9.43. В.Н. Ужов, Б.И. Мягков. Очистка промышленных газов фильтрами. - М.: «Химия»,
1970.-320 с.
9.44. А.Е. Федотов. Проект норм на чистоту воздуха в больницах. АСИНКОМ. // «Техно-
логия чистоты», №2,1999, с.16 — 19.
9.45. Н.А. Фукс. Механика аэрозолей. АН СССР, - М., 1955.
9.46. Ю.П. Хлебников. Фильтры систем кондиционирования воздуха и вентиляции. - М.:
Стройиздат, 1990. — 128 с.
9.47. Ю.П. Хлебников, В.Г. Усатенко, Г.Р. Качусов. Исследование фильтрующих материа-
лов из профилированных волокон. - В кн.: Кондиционеростроение. Вып. 12.
ВНИИКондиционер, Харьков, 1983, с. 29 — 33.
9.48. Ю.П. Хлебников, Г.Г. Качусов. Теоретическое исследование новых фильтрующих ма-
териалов из профилированных волокон. — В кн.: Проблемы совершенствования и
развития оборудования для кондиционирования воздуха и вентиляции. Тезисы до-
кладов II Всесоюз. научно-техн, совещания. - Харьков: ВНИИКондиционер, 1979,
9.49. А.Л. Чижевский. Аэронификация в народном хозяйстве. - М.: Госпланиздат.
1960. - 758 с.
9.50. А.Л. Чижевский. Аэроионы и жизнь. Беседы с Циолковским. - М. «Мысль»,
1999,-514 с.
9.51. Е.А. Штокман. Очистка воздуха. АСВ, — М.: 1999, - 318 с.
9.52. K.H. Kingdon. Interaction of atmospheric ion with biological material. /Phys Med Biol.
1960 Jul; 5:1-10.
9.53. A.P.Krueger, E.J.Reed. /Science. - 1976. Vol. 193. - P. 1209-1231.
9.54. P.Langevin. Sur les ions de 1’atmosphere. /Comptes rendus, des sftances de 1’Academie des
sciences. Paris, 1905. Vol. 140.
413
ДЛЯ ЗАМЕТОК
Замеченные опечатки
С. 22,12 строка снизу, напечатано: "По сравнению с аппаратами регенеративного типа...1',
Следует читать: "По сравнению с аппаратами рекуперативного типа..."
С. 112, рис. 7.62,д, по горизонтальной оси цифры правее 0°С принимать отрицательными.
С. 200, 18 строка сверху, напечатано: "пневмоаккустический",
следует читать: "пневмоакустический".
А. Г. Сотников
S
ПРОЦЕССЫ, АППАРАТЫ
СИСТЕМЫ
КОНДИЦИОНпЯЛЬ ВАНИЯ
BW ЗДУХА
И ВЕНТИЛЯЦИИ