Кондиционирование воздуха в промышленных зданиях

Использование испарительных устройств охлаждения в системах кондиционирования воздуха в промышленных зданиях

В. П. Коровкин, Е. В. Умнова, С. А. Александров, Норильский индустриальный институт

Введение

Проблема обеспечения качества воздушной среды в производственных условиях, безусловно, относится к разряду технологических, поскольку направлена не столько на обеспечение условий комфортности, сколько нацелена на обеспечение необходимых условий труда работников.

Без преувеличения можно сказать, что требования к системам обеспечения микроклимата рабочей зоны на предприятиях цветной металлургии являются в достаточной степени «экстремальными» — это относится и к отводу тепловыделений, и к обеспечению необходимого газового состава воздуха.

Известно [1], что атмосфера в рабочих зонах предприятий цветной металлургии характеризуется достаточно высокими концентрациями различных газов, оказывающими вредное воздействие на состояние здоровья персонала и, следовательно, осложняющими выполнение им технологических операций.

Необходимость ассимиляции большого объема газовыделений определила особенность организации воздухообмена в производственном пространстве, когда весь его объем по возможности подразделяется на отдельные рабочие зоны, в которых организуются местные отсосы в сочетании с естественной аэрацией пространства. Типичный пример организации такой рабочей зоны представлен на рис. 1.

Обеспечение необходимого воздухообмена в этих условиях осуществляется за счет централизованной подачи и удаления воздуха, приготавливаемого на вентиляторной станции. При этом количество воздуха равно ~106 м³/ч при объемах производственных пространств 350 000—500 000 м³.

	Рисунок 1. (подробнее) Организация рабочей зоны разливочной машины (на фото хорошо видны загазованность и запыленность атмосферы)
	Рисунок 2. (подробнее) Система централизованной вентиляции кабины крана (на фото хорошо видны загазованность и запыленность атмосферы)

Особое место занимают рабочие зоны, которые по функциональному назначению выполняются в виде кабин, наиболее распространенными среди которых являются кабины кранов. Общей чертой рабочих зон этого класса следует считать их замкнутость и относительно малый объем (6—10 м³), а также их расположение вблизи объектов, имеющих интенсивные газо- и тепловыделения, или в верхней части помещения, где концентрация различных газов самая высокая.

Проблема обеспечения необходимого микроклимата в кабине крана в настоящее время решается по крайней мере, в двух направлениях.

К первому направлению можно отнести технические решения, которые обеспечивают микроклимат в кабине путем подачи воздуха от центральной системы вентиляции через подвижный воздуховод (рис. 2). Недостатками такого инженерного решения являются ограничение технологических возможностей крана (кабина не имеет возможности перемещаться вдоль фермы) и снижение производительности системы вентиляции за счет деформации воздуховодов, возникающей в процессе эксплуатации.

Вторым направлением является использование автономных систем кондиционирования воздуха. Примерно с начала 1970-х годов в стандартную комплектацию мостовых кранов включались кондиционеры серии КТА, рассчитанные на производительность 200—400 м³/ч по воздуху. Однако практика их эксплуатации показала, что они очень плохо приспособлены к вибрации (в плане сохранения герметичности контура), и, кроме этого, существенное влияние на их техническое состояние оказывает коррозия, возникающая из-за высокого содержания в воздухе агрессивных газов типа SO₂, HF и др.

Таким образом, в настоящее время стал очевидным тот факт, что автономный кондиционер должен быть оснащен устройством очистки воздуха от вредных газов.

Целью настоящей работы является анализ перспектив использования комплексных автономных систем кондиционирования воздуха, позволяющих наряду с традиционной тепловлажностной обработкой воздуха производить его очистку от вредных газов.

Регенеративно-косвенно-испарительные воздухоохладители в системах комплексной очистки воздуха

Сегодня можно с уверенностью говорить, что основными устройствами, предназначенными для очистки воздуха от вредных газов, являются фильтры химической очистки, представляющие собой колонки, снабженные разнообразными насадками, в которых осуществляется контакт между водным раствором реагента (выбираемого в зависимости от класса поглощаемого газа) и очищаемым воздухом. Эксплуатация этих устройств не требует специальной подготовки персонала, они эффективны, надежны и просты в обслуживании.

Вместе с тем, у этих устройств все же имеются определенные недостатки в плане обеспечения качества воздуха в ограниченном пространстве. Так, в процессе поглощения вредных газов, в результате прямого контакта водного раствора реагента и воздуха, осуществляется адиабатное увлажнение воздуха. В действительности же достигаемое результирующее влагосодержание очищенного воздуха оказывается больше, чем по параметрам адиабатного увлажнения. Причина этого явления заключается в том, что процесс увлажнения воздуха стимулируется теплом, поступающим через стенки фильтра, и теплом, выделяемым при химической реакции.

Так, при параметрах воздуха, соответствующих d ~ 10 г/кг, и температуре воздуха на отметке забора t ~ –40°С, параметры адиабатно увлажненного воздуха будут соответствовать t_а ~ 22°С и d ~ 16 г/кг, что при производительности фильтра в 200 м³/ч соответствовало бы расходу раствора 1,55 л/ч или 12 л за смену продолжительностью 8 ч. В действительности за указанный период фильтр испаряет 18—20 л, при этом большие значения расхода соответствуют более высоким концентрациям вредных газов в воздухе.

При указанных параметрах химический фильтр должен иметь достаточный запас воды для компенсации испарения и поддержания требуемой концентрации раствора, что, безусловно, ухудшает массогабаритные характеристики устройства и в некоторых условиях (электролизное производство) оказывается вовсе недопустимым.

Увлажненный таким образом воздух имеет энтальпию I₀ = 60 кДж/кг, при собственном тепловыделении крановщика 100—120 Вт, а также при тепловыделениях от оборудования порядка 100 Вт, температура воздуха внутри кабины устанавливается на уровне 25—27 °С, что, очевидно, не соответствует условиям комфортности.

Более того, при проектировании кабины основное внимание уделяется удобствам, связанным с обеспечением технологических задач управления, в то время как теплозащитные свойства ограждающих конструкций имеют второстепенное значение. В результате этого при выполнении технологических операций с разливом металла поверхность кабины оказывается под интенсивным (до 1 000 Вт/м²) воздействием радиационного теплового потока, что при продолжительности процесса до 5 минут вызывает значительное (до 10 °С) изменение температуры непроницаемых ограждающих элементов конструкции.

Таким образом, непосредственное применение фильтров химической очистки с орошаемыми насадками, независимо от эффективности очистки, не позволяет решить проблему обеспечения условий, соответствующих известным санитарным нормам.

Одним из путей решения указанной проблемы может быть применение предварительной тепловлажностной обработки загрязненного воздуха, позволяющей увлажнять его в процессе контакта с водным раствором реагента при химической очистке. Такой результат может быть достигнут, если поток воздуха, подаваемого на очистку, и поток реагента привести предварительно в состояние термодинамического равновесия при температуре, соответствующей температуре «точки росы» очищаемого воздуха. Технически эта цель может быть достигнута путем предварительной обработки воздуха в регенеративном косвенно-испарительном воздухоохладителе (РКВ) [2, 3].

Схема комплексного фильтра очистки воздуха на основе РКВ представлена на рис. 3.

Рисунок 3. (подробнее) Схема комплексной системы кондиционирования воздуха: 1 — вентилятор; 2 — теплообменник; 3 — камера орошения; 4 — химический фильтр; 5 — испаритель фреоновой холодильной машины; 6 — циркуляционный насос; 7 — конденсатопровод; 8 — воздуховод

Загрязненный вредными газами воздух с параметрами t₁, d₁ и расходом G₀ кг/ч проходит через поверхностный теплообменник 2, в котором в процессе d = const отдает свое тепло воде и охлаждается до температуры t₂ = t_р «точки росы». Подогретая в теплообменнике вода расходом S кг/ч и температурой t₁ поступает в контактный аппарат 3, куда одновременно подается и часть G₁ воздуха (регенеративный поток) после его охлаждения. В результате тепломассообмена между потоками в контактном аппарате 3 температура воды снова понижается до температуры «точки росы» t_р. На выходе из контактного аппарата поток воды разделяется, его часть расходом S₀ поступает на вход поверхностного воздухоохладителя, а другая часть поступает в теплообменник фильтра химической очистки, поддерживая постоянную температуру всех его элементов. На вход фильтра химической очистки подается также и полезный поток воздуха расходом G₀ – G₁. Поскольку все элементы фильтра оказываются термостатированными при температуре точки росы и очищаемый поток воздуха имеет это же значение температуры в процессе химической обработки в фильтре, то удается избежать ненужного испарения, приводящего к ухудшению качества очищенного воздуха.

Описанная схема представляет собой так называемое устройство термостатированной очистки воздуха: независимо от изменений значений t₁, d₁ воздуха его химическая очистка всегда будет осуществляться при соответствующей температуре «точки росы», т. е. состояние между потоками в процессе очистки (а именно тепломассообмена воздух — водяной пар), будет близко к состоянию термодинамического равновесия.

Поскольку основной задачей РКВ в предложенной схеме является обеспечение условий термостатирования, то обеспечение требуемых параметров микроклимата в кабине достигается применением дополнительного охладителя-доводчика 5 (рис. 3).

В том случае, когда влагосодержание наружного воздуха превышает 15 г/кг (что может наблюдаться при работе крана в зоне охлаждения отливок, которое осуществляется путем испарения технологической воды), обеспечиваемое РКВ охлаждение наружного воздуха может оказаться недостаточным для достижения требуемых параметров микроклимата. В этом случае снижение температуры воздуха осуществляется поверхностным теплообменником 5, в качестве источника холода в этой ситуации используется фреоновая холодильная машина.

Дополнительное качество, которое приобретает термостатирующий фильтр в случае использования второй ступени охлаждения с помощью охладителя-доводчика 5, заключается в образовании конденсата и осушке воздуха, поступающего в кабину. Образованный в процессе охлаждения конденсат по магистрали 7 (рис. 3) поступает в контактный аппарат, уменьшая расход жидкости на испарение.

Таким образом, комбинирование РКВ, химического фильтра в сочетании с дополнительной ступенью охлаждения позволяет построить схему термостатированной системы очистки воздуха, наиболее полно отвечающую требованиям, предъявляемым к автономным системам кондиционирования воздуха на предприятиях цветной металлургии.

Методика расчета системы термостатирования фильтра химической очистки

Основные процессы обработки воздуха в термостатированном фильтре очистки с достаточной наглядностью могут быть изображены в I-d диаграмме. На рис. 4 представлены эти процессы для идеального случая, т. е. в данном случае предполагается, что площади поверхности теплообмена неограниченно велики, а количество испаряемой в контактном аппарате воды, ∆S, мало по сравнению с ее расходом, S, циркулирующим через теплообменник 2 (рис. 3).

Рисунок 4. (подробнее) Изменения состояния воздушных потоков в идеальном РКИ

Процесс 1—2 (рис. 4) изображает процесс охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике РКВ. Процесс 2—3 отображает изменение состояния регенеративного потока, насыщающегося влагой в процессе тепломассообмена в контактном аппарате. Количество тепла, Q₀, в указанных процессах перераспределяется с учетом соответствующих расходов согласно следующим соотношениям:

(1)

где c_b = c_p + c_nd₁, c_w — теплоемкость влажного воздуха и воды соответственно;

I(t₁, d) = c_pt + I_v(t)d — энтальпия влажного воздуха.

Комбинируя первые два члена равенства, можно найти соотношение между расходами воды и воздуха в виде:

(2)

Полученное соотношение показывает, что для обеспечения нормальной работы «сухого» теплообменника РКВ 2 (рис. 3) в идеальном случае расход жидкости должен составлять, например, 34 л/ч при расходе воздуха 100 м³/ч.

Сочетание первого и последнего членов равенства (1) позволяет оценить необходимое количество воздуха, расходуемое на регенерацию G₁. Полный расход воздуха определяется уравнением:

(3)

Дополнительным параметром, определяющим в том числе допустимость использования выводов идеальной модели, является количество жидкости ∆S, испаряемое в «мокром» теплообменнике 3 РКВ (рис. 3). Выводы модели будут справедливыми в том случае, если выполняется соотношение:

(4)

Заметим, что если начальное влагосодержание воздуха, d₁, не превышает 5x10 г/кг, то значение температуры воздуха, при которой величина ∆S / S 1 будет соответствовать 70 °С. В то же время ∆S / S 0,1 уже при температуре 34 °С при сохранении остальных параметров.

Поскольку РКВ является одним из примеров теплоиспользующих установок, то показателем его эффективности будет являться тепловой коэффициент, представляющий собой отношение холодопроизводительности устройства к количеству затраченного тепла. Пользуясь этим определением, найдем:

(5)

На рис. 5 представлены результаты расчетов коэффициента деления воздушного потока по уравнению (3). Точки излома на кривых, соответствующих постоянному значению коэффициента деления, указывают на положение линии насыщения j = 100 %. Согласно расчетам значение коэффициента деления воздушного потока меняется в диапазоне от 5 до 60 % расхода. При этом наибольшая величина расхода регенеративного потока соответствует относительно низким значениям температур и влагосодержаний наружного воздуха. В то же время диапазон влагосодержаний, внутри которого выполняется условие (4), оказывается значительно более широким (d1 ≤ 150 г/кг), чем это встречается на практике.

	Рисунок 5. (подробнее) Коэффициент деления воздушного потока в зависимости от параметров наружного воздуха
	Рисунок 6. (подробнее) Зависимость теплового коэффициента от параметров наружного воздуха

На рис. 6 приведены результаты расчетов теплового коэффициента в том же интервале изменения параметров наружного воздуха. Точки излома на рис. 6, так же как и в предыдущем случае, отвечают ситуации, когда температура поступающего воздуха совпадает с температурой его точки росы.

Несмотря на то что результаты, представленные на рис. 6, благодаря определению (5) во многом предсказуемы (на основании данных, представленных на рис. 5), зависимости показывают существенную отличительную особенность РКВ по сравнению с другими типами теплоиспользующих установок, которая весьма редко отмечается в литературе. Дело в том, что эффективность РКВ увеличивается с ростом температуры и влагосодержания входного потока воздуха и в идеальном случае может достигать значений z = 0,8—0,9. Для сравнения: у абсорбционных холодильных машин, которые также относятся к теплоиспользующим установкам, значение теплового коэффициента не превосходит 0,4—0,5.

Проектирование реальных термостатирующих фильтров на основе РКВ

Как уже было отмечено выше, идеальная модель РКВ пригодна лишь для анализа влияния параметров состояния наружного воздуха на показатели эффективности системы термостатирования фильтра очистки воздуха и не позволяет дать представление о массогабаритных характеристиках элементов системы.

Реальные поверхностные и контактные аппараты обладают ограниченными площадями поверхности контакта потоков, а потому позволяют лишь в пределе получить конечные состояния потоков, рассмотренные выше.

Согласно [3], эффективность работы каждого из теплообменных аппаратов, входящих в систему термостатированного фильтра, может быть оценена с помощью показателя эффективности E, представляющего отношение изменения температуры потока воздуха от входа до выхода к максимально возможному ее изменению. Например, для теплообменника 2 (рис. 3) «сухого» канала данное определение можно записать в виде:

(6)

В отличие от идеального аппарата, для которого значение E = 1, в реальности E < 1, что приводит к изменению хода основных процессов (рис. 7). Точка 2, соответствующая конечной температуре охлаждения воздуха, не достигает своего предельного состояния (т. 6), а поэтому конечная температура охлаждения воды (т. 4) будет соответствовать температуре «мокрого» термометра, определяемой линией I₂ = const. Выходные параметры регенеративного потока также будут отличаться от температуры воды, поступающей в «мокрый» канал на охлаждение, которая также будет определяться по условию «мокрого» термометра.

Рисунок 7. (подробнее) Основные процессы изменения состояния потоков в реальном РКИ

Все эти особенности позволяют, пользуясь известными методиками [4], построить линию, отображающую изменение состояния регенеративного потока и охлаждения воды как процессы 2—3 и 5—4 соответственно.

Дополнение идеальной модели реальными процессами с ограниченной эффективностью позволяет получить соотношение для определения числа единиц переноса «сухого» и «мокрого» каналов в виде:

	(7)
	(8)

На основании приведенной методики был произведен расчет и конструкторская проработка термостатирующего фильтра химической очистки воздуха, предназначенного для использования на кабине мостового крана (рис. 8).

Рисунок 8. (подробнее) Компоновка термостатирующего фильтра: 1 — теплообменник; 2 — камера орошения; 3 — насадка (типа кольца Рашига)

Конструктивно фильтр выполнен в виде цилиндрического корпуса диаметром 560 мм и высотой 980 мм. Внутри наружного корпуса расположен цилиндрический канал диаметром 320 мм, внутри которого укреплен «сухой» теплообменник пластинчатого типа площадью 12 м². В нижней части «сухого» канала его сечение уменьшается и охлажденный воздух разделяется на два потока с коэффициентом деления 25—30 %, что соответствует максимально возможной температуре воздуха 40 °С при влагосодержании до 30 г/кг. Часть регенеративного потока проходит через кольцевой канал, образованный корпусом «сухого» канала, и корпусом фильтра через керамическую насадку, и в дальнейшем удаляется через выходные отверстия в корпусе.

Насадка «мокрого» канала орошается водой из «сухого» теплообменника, которая поступает в ее верхнюю часть, и, пройдя насадку, собирается в средней части корпуса, откуда впоследствии насосом подается в теплообменник химического фильтра и затем снова в «сухой» канал.

Канал основного потока заканчивается перфорацией в месте расположения насадки химического фильтра, пройдя которую очищенный воздух через канал в верхней части насадки фильтра подается в кабину.

Устанавливаемая производительность вентилятора составляет 220 м³/ч при напоре 250 Па, что позволяет обеспечивать производительность по полезному воздуху 150—180 м³/ч.

Заключение

Обеспечение микроклимата в рабочих зонах предприятий цветной металлургии связано с решением ряда специфических проблем, обусловленных не только высоким уровнем тепло- и влаговыделений, связанным с определенными технологическими процессами, но также высоким уровнем загазованности атмосферы. Используемые традиционно методы централизованной вентиляции требуют применения больших кратностей воздухообмена, что не всегда бывает оправданно с экономической и экологической позиций, а в ряде случаев создает неразрешимые технические проблемы, что в полной мере относится к обеспечению микроклимата в кабинах подвижных объектов.

Известные технические решения в области очистки воздуха от вредных газов, основанные на использовании химических методов, сами по себе не в состоянии обеспечить требуемые санитарные нормы воздушной среды, т. к. побочным фактором является сопутствующее увлажнение воздуха и снижение его ассимиляционных свойств.

Поэтому решение указанной проблемы возможно на основании комбинированного использования предварительной тепловлажностной обработки воздуха с целью достижения равновесия в плане обмена теплом и влагой между потоками в области химического взаимодействия.

Примером реализации этой идеи является комбинированное использование регенеративно-косвенно-испарительных воздухоохладителей и орошаемых химических фильтров, позволяющее создавать термостатированные системы автономной очистки воздуха.

Оценка показателей эффективности устройств этого класса (так же как их малогабаритные и экологические показатели) позволяет надеяться на возможность создания автономных систем кондиционирования воздуха, наиболее полно отвечающих требованиям «экстремальных» условий рабочих зон предприятий цветной металлургии.

Литература

1. Лях Г. Д., Смола В. И. Кондиционирование воздуха в кабинах транспортных средств и кранов. М.: Металлургия, 1982.

2. Циммерман А. Б., Майсоценко В. С., Пегерская И. М. Водоснабжение и санитарная техника. 1977. № 3.

3. Кокорин О. Я. Установки кондиционирования воздуха. Основы расчета и проектирования. М.: Машиностроение, 1978.

4. Сосин И. П. Контактные воздухоподогреватели. М.: Стройиздат, 1974.

Тел. (3919) 42-16-22