Охлаждение воздуха в центральном кондиционере

Объекты

Охлаждение воздуха в центральном кондиционере

В настоящее время рынок климатических систем стал настолько насыщен и разнообразен, что становится сложным остановить свой выбор на каком-то конкретном оборудовании. Но, тем не менее, традиционный способ поддержания климатических параметров в помещении с использованием центральных систем кондиционирования остается на первом месте.

Центральный кондиционер — это агрегат, который предназначен для обработки и транспортировки воздуха, но он не является автономным, т.е. для его работы необходимы источники электропитания, источники тепла и источники холода.

В комплексе процессов обработки воздуха в центральном кондиционере особое место занимает процесс охлаждения воздуха, который может быть решен совместно с влажностной обработкой в оросительных камерах или пористых поверхностных теплообменных устройствах. Во многих случаях для охлаждения воздуха в центральном кондиционере применяются поверхностные «сухие» воздухоохладители. Конструкция этих воздухоохладителей зависит от используемого хладоносителя. Либо это водяные теплообменники, если в качестве хладоносителя используется вода или гликолевые смеси (рис.1.1). Такие воздухоохладители характеризуются следующими параметрами.

Минимальная температура рабочей среды (вода),°С…………………………..+3.
Максимальное рабочее давление рабочей среды, МПа…………………………1,6.
Гидравлическое сопротивление, кПа…………………………………………………5-30.
Все водяные воздухоохладители проходят испытания
на заводах-производителях при нагрузке, МПа…………………………………..2,1.

Либо это фреоновые теплообменники прямого испарения, где в качестве хладоносителя используется фреон (хладон) (рис. 1.2). Фреоновые воздухоохладители характеризуются следующими параметрами:

Минимальная температура кипения фреона,°С……………………………………………………+2.
Максимальное рабочее давление рабочей среды, МПа…………………………………………2,2.
Фреоновые воздухоохладители испытываются на прочность с нагрузкой, МПа……2,9.

Конструкция фреоновых теплообменников охладительных секций центральных кондиционеров отличается от калориферов наличием узлов распределения жидкого фреона по трубкам теплообменника и сборными коллекторами газовой фазы фреона, для возврата в холодильную машину. При скоростях обрабатываемого воздуха выше 2,5 м/с за секцией охлаждения в центральном кондиционере устанавливаются, как правило, эффективные сепараторы (каплеуловители). На рис. 1.3 представлена одна из возможных конструкций каплеуловителя, собранного из специальных спрофилированных пластин, которые размещены вертикально в кожухе из нержавеющей стали. Скорость воздуха должна находиться в диапазоне от 2,5 до 5,0 м/с. Потери давления при этом составляют до 16 Па.

Способ охлаждения воздуха поверхностными воздухоохладителями оказывается весьма эффективным и менее дорогим. В качестве источников холода для центральных кондиционеров с поверхностными воздухоохладителями используются холодильные машины различных типов. Выбор типа холодильной машины зависит от многих факторов. Для центрального кондиционера с водяным теплообменником в качестве источника холода используется холодильная машина — чиллер. (см. схему на рис. 1.4) Применение этой схемы позволяет осуществить плавное регулирование температуры подаваемого воздуха, практически не лимитировать расстояние от холодильной машины до секции охлаждения центрального кондиционера, обеспечить хладоснабжение нескольких кондиционеров различной мощности от одной холодильной машины и создать наиболее «мягкие» условия ее работы при переменных нагрузках. Для обеспечения циркуляции хладоносителя устанавливается гидравлический модуль (насос или насосная станция).

В тех случаях, когда нет необходимости плавного регулирования холодильной мощности, схема охлаждения воздуха может быть еще более упрощена путем использования в воздухоохладителях непосредственно фреона, а в качестве холодильной машины — компрессорно-конденсаторного блока (рис.1.5). На соединительном жидкостном трубопроводе необходимо установить перед входом в теплообменник соединительный комплект, состоящий из следующих элементов: фильтр-осушитель, смотровое стекло, электромагнитный клапан, терморегулирующий вентиль.

Теплообменники секций охлаждения на фреоне могут быть одно- и двухконтурными, последние в одном корпусе объединяют два одноконтурных теплообменника. Использование двухконтурного теплообменника с двухконтурным компрессорно-конденсаторным блоком позволяет частично компенсировать основной недостаток рассматриваемой схемы — регулирование холодильной мощности, т.к можно перейти от работы в режиме Qx=max к режиму позиционного регулирования Qx=0,5 max.

Указанный недостаток наиболее простой и наиболее дешевой схемы холодоснабжения с фреоновым воздухоохладителем часто бывает не столь существенным при условии правильного подбора мощности холодильной машины.

Процесс обработки воздуха в «сухом» поверхностном воздухоохладителе происходит за счет контакта потока воздуха с поверхностью, имеющей более низкую температуру. Допуская, что вблизи поверхности теплообмена слой воздуха охлаждается до температуры близкой к температуре поверхности теплообменника, можно сказать, что в летний период эти температуры ниже температуры точки росы и практически всегда охлаждение воздуха сопровождается конденсацией из него влаги.

- Отвод явной теплоты охлаждения воздуха до параметров насыщения (ф=100%) без конденсации (процесс 1-2). Явная теплота — это теплота, которая отводится от воздуха без изменения его агрегатного состояния, т.е. изменяется только температура, а влагосодержание остается без изменения.
- Отвод явной и скрытой теплоты конденсации от воздуха при охлаждении его до температуры поверхности теплообмена (процесс 2-3). Скрытая теплота — это теплота, которая отводится от воздуха с изменением его агрегатного состояния, т.е. помимо изменения его температуры изменяется и его влагосодержание. Точки 2 и 3, лежащие на <р=100%, называются температурами точки росы. Температура точки росы обозначает влагосодержание воздуха. При изменении температуры точки росы происходит изменение влагосодержания воздуха, т.е. процесс 2-3 влечет за собой конденсацию влаги на поверхности воздухоохладителя.
- Смешение «полностью» охлажденного до температуры поверхности теплообмена воздуха (точки 3) и некоторой части транзитного воздуха (точки 1) с начальными параметрами (процесс 3-4).Это означает, что не весь объем воздуха, проходящего через воздухоохладитель, изменяет свое состояние до параметров точки 3. Существует некоторая часть воздуха (транзитная часть), которая по каким-либо причинам не изменила своего первоначального состояния. Соотношение количества исходного транзитного воздуха и воздуха, охлажденного до средней температуры поверхности теплообменника составляет 0,1-0,15.

То есть процесс охлаждения воздуха представляется как некоторый условный процесс 1-4.

Построив процесс охлаждения воздуха в I-d диаграмме можно рассчитать необходимую холодильную мощность секции воздухоохлаждения в центральном кондиционере:

где L — расход воздуха, (м³ /ч ); р — плотность воздуха при t=20°C (р =1,2 кг/м3); I — энтальпия воздуха (кДж/кг).

При определении установочной мощности секции воздухоохлаждения и холодильной машины полученное расчетное значение холодопроизводительности Qхол рекомендуется увеличить на 15-20% на компенсацию тепловых потерь и возможность кратковременного повышения влажности и температуры исходного воздуха.

Большинство используемых для конструирования поверхностных воздухоохладителей аналитических и графоаналитических методик расчета были разработаны для конкретных конструкций теплообменников, что делает эти методики практически непригодными для расчета иных теплообменников, отличающихся плотностью компоновки труб, высотой и степенью оребрения, материалом и др. В настоящее время фирмы-производители имеют свои программы расчета, конструирования и компоновки центральных кондиционеров. Расчет воздухоохладителей производится исходя из величины требуемой холодильной мощности, скорости движения воздуха, расчетной температуры и давления хладоносителя. На примере каталога VTS CLIMA рассмотрим различные компоновки центральных кондиционеров, (рис. 1.7 -1.10).

На рис. 1.7 представлен центральный кондиционер, работающий полностью на обработке наружного воздуха. Процессы обработки воздуха в I-d диаграмме показаны на рис. 1.7а. Наружный воздух очищается от загрязнений в секции фильтра, нагревается (зимой) в секции нагревателя (водяного или электрического) рис. 1.7а (процесс 1-2) или охлаждается (летом) в поверхностном воздухоохладителе (водяном или фреоновом) рис. 1.7а (процесс 3-5′) и с помощью вентилятора подается в помещение. При такой компоновке центрального кондиционера влажность воздуха, подаваемого в помещение, не поддерживается.

Часто для экономии энергоресурсов используют центральные кондиционеры, работающие на смеси наружного и рециркуляционного воздуха (рис. 1.8). Процессы обработки воздуха в таком кондиционере показаны на рис. 1.8а, 1.8б.

Зимой наружный воздух (рис. 1.8а, точка 1) смешивается с частью удаляемого из помещения воздуха (рис. 1.8а, точка 2). Параметры смеси этих двух потоков показаны на рис. 1.8а точкой 3. Ее положение на линии 1-2 зависит от отношения расходов этих воздушных потоков.

Далее воздух очищается в секции фильтра и нагревается в калорифере до параметров, показанных точкой 3′ (рис. 1.8а процесс 3-3′).

Точка 3′ определяет параметры воздуха, поступающего в помещение. Большая температура и меньшая влажность приточного воздуха по сравнению с воздухом в помещении, позволяют покрыть потери теплоты и снять избытки влажности, возникающие там.

Летом наружный воздух (рис. 1.86 точка 4) смешивается с частью удаляемого из помещения воздуха (рис. 1.86 точка 5). Полученная смесь с параметрами точки 6 (рис. 1.86) проходит через фильтр и попадает в поверхностный воздухоохладитель, где температура воздуха понижается. Вместе с охлаждением происходит осушение воздуха, т.к. часть водяных паров конденсируется при соприкосновении с поверхностью охладителя, имеющего температуру ниже температуры точки росы воздуха (рис. 1.86 процесс 6-7). Далее воздух с параметрами точки 7 подается в помещение при помощи вентиляторной секции.

Попадая в помещение,, воздух (рис. 1.86 точка 7) за счет теплоизбытков, возникающих в помещении, нагревается до параметров близких к точке 5 (удаляемый воздух). При применении такой схемы в центральном кондицинере также не поддерживается влажностный режим в обслуживаемом помещении.

Если в обслуживаемом помещении необходимо поддерживать и температурный и влажностный режимы, возможно применение центрального кондиционера с секциями увлажнения. На рис.1.9 показан центральный кондиционер, укомплектованный дополнительным устройством — парогенератором.

Зимой наружный воздух (рис. 1.9а точка 1) очищается в секции фильтра, подогревается в секции воздухоподогревателя (рис. 1.9а процесс 1-2) до параметров точки 2, далее вентиляторная секция подает воздух в сеть воздуховодов, по которым он поступает в помещение.

Для повышения влажности подогретого до параметров точки 2 воздуха в воздуховод после секции вентилятора устанавливается парораспределительное устройство, снабжаемое необходимым количеством пара от самостоятельного агрегата парогенератора. Процесс увлажнения воздуха (рис. 1.9а процесс 2-3) идет без изменения температуры воздуха, и воздух с параметрами точки 3 подается в обслуживаемое помещение.

Летом наружный воздух (рис. 1.96 точка 4) очищается в секции фильтра, охлаждается в поверхностном воздухоохладителе (рис. 1.96 процесс 4-5). Процесс охлаждения сопровождается выпадением конденсата, т.к. температура поверхности теплообменника ниже температуры точки росы охлаждаемого воздуха. Требуемые параметры приточного воздуха (рис. 1.96 точка 6) достигаются в нагревателе второй ступени (рис. 1.96 процесс 5-6). При помощи вентиляторной секции приточный воздух с параметрами точки 6 подается в обслуживаемое помещение (рис. 1.9б).

На рис. 1.10 показан центральный кондиционер с оросительной (форсуночной) камерой, позволяющей увлажнять обрабатываемый воздух. Процессы обработки воздуха в этом кондиционере показаны на рис. 1.10а, 106.

Зимой наружный холодный воздух (рис. 1.10а точка 1) очищается от загрязнений в фильтре и нагревается в калорифере I ступени (рис. 1.10а процесс 1-2) до параметров точки 2. Далее воздух увлажняется и охлаждается в оросительной камере (рис. 1.10а процесс 2-3) до параметров точки 3 (адиабатный процесс -1 — const). Каждый кг воздуха поглощает Ad кг воды, Конечная точка процесса увлажнения может лежать на линии ф=90-95%. Значительно увлажненный воздух поступает в нагреватель II ступени (рис. 1.10а процесс 3-4), где происходит его нагрев при постоянном влагосодержании d=const до параметров точки 4. Точка 4 определяет параметры воздуха, поступающего в помещение.

Летом наружный воздух (рис. 1.106 точка 5) проходит через фильтр и попадает в «сухой» охладитель, где температура воздуха падает. Вместе с охлаждением воздуха происходит его осушение, т.к. часть водяных паров конденсируется при соприкосновении с поверхностью теплообменника, имеющего температуру ниже температуры точки росы воздуха (рис. 1.106 процесс 6-7). Точка 7 характеризует параметры воздуха, поступающего в обслуживаемое помещение.

Мы рассмотрели несколько возможных компоновок центрального кондиционера, пользуясь каталогом оборудования фирмы VTS CLIMA. Каталог позволяет выбрать любую приточную, вытяжную, приточно-вытяжную установку, если необходимо, то с рециркуляцией, а также с утилизацией теплоты при помощи перекрестноточного, вращающегося или гликолевого теплообменника. Каталог содержит более 2000 различных комплектов. Выбрав из каталога для своего объекта оптимальный вариант комплектации центрального кондиционера, следует произвести технический расчет каждой входящей в его состав секции. Для расчета секций кондиционера необходима компьютерная программа ClimaCAD. Прежде чем приступить к расчетам в компьютерной программе, необходимо построить процесс обработки воздуха в I-d диаграмме, определить расчетные параметры наружного и обработанного в центральном кондиционере воздуха, указать параметры тепло- и хладоносителей, указать необходимый расход обрабатываемого воздуха и необходимый напор вентилятора.

По результатам расчета, выполненного в программе ClimaCAD, мы получаем компоновочный чертеж с указанием габаритных размеров установки и технические данные каждой секции, входящей в состав центрального кондиционера.

Рассчитав необходимую холодопроизводительность центрального кондиционера, определившись с местом установки оборудования, приступаем к выбору холодильной машины.

Компания «МПК Инжиниринг» основана в 2009 году.