Применение ферментных технологий для повышения экологической безопасности целлюлозно-бумажного производства – тема научной статьи по промышленным биотехнологиям читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Более 90% целлюлозы получают сульфатным способом. Сущность получения целлюлозы состоит в том, что в результате обработки древесной щепы каустической и сульфидной щелочью при температуре 160 – 170 ⁰С в течение трех часов происходит ее делигнификация. Остаточный волокнистый продукт называют целлюлозой и после специальной обработки он является сырьем для получения бумаги.

Древесная щепа (рис.1.1.), предварительно пропитанная паром, транспортирующим потоком черного щелока поступает в варочный котел для делигнификации. Туда же направляют варочный (белый ) щелок, представляющий раствор оборотной каустической и сульфидной серы. После варки древесной щепы остаточная целлюлозная масса подвергается фильтрации с получением черного щелока и целлюлозного волокна. На фильтрах также осуществляется промывка целлюлозы. Целлюлоза после классификации по классу плюс минус 25 мм подвергается очистке и является конечным продуктом целлюлозного производства.

Черный щелок концентрируют на выпарной станции от 9 – 10% до 50-60% а.с.в. Выпарная станция представлена современными 6 – 7 ступенчатыми противоточными выпарными батареями с принудительной циркуляцией. В последнее время стали осваиваться выпарные аппараты с падающей пленкой при смешанной схеме питания раствором корпусов. Упаренный раствор подают в содорегенерационный котлоагрегат (СРК). СРК является многофункциональной установкой. Основная его технологическая функция – регенерация щелочей. Она достигается путем сжигания лигнина и других форм органических соединений, находящихся в растворе черного щелока. После удаления влаги и органической части черного щелока в остатке остается минеральная составляющая черного щелока – карбонаты и сульфаты натрия в виде плава. Последние в условиях высокой температуры и недостатке кислорода восстанавливаются до сульфида натрия. Вторая функция СРК – получение пара высокого давления для выработки теплоты и электроэнергии. Это становится возможным благодаря большому количеству энергии, выделяющейся при сгорании органической части черного щелока. В последнее время с целью повышения эффективности процесса черный щелок перед подачей в СРК дополнительно концентрируют в суперконцентраторе, выполненном в форме выпарного аппарата с падающей пленкой.

Рис.1.1. Принципиальная технологическая схема производства сульфатной целлюлозы

После растворения плава в промывной воде получают раствор натриевых солей, называемый зеленым щелоком. Этот раствор нельзя использовать для варки древесной щепы, так как каустическая щелочь в СРК подверглась карбонизации углекислым газом продуктов сгорания. Для перевода карбонатной щелочи в каустическую раствор обрабатывают оксидом кальция. Этот процесс называют каустизацией. В результате химической реакции получают каустическую щелочь и карбонат кальция. Раствор каустической щелочи и сульфида натрия, называемый белым щелоком, направляют на варку древесной щепы, а карбонат кальция – на декарбонизацию во вращающую печь.

Принципиальная аппаратурно – технологическая схема сульфатцеллюлозного производства представлена на рис.1.2.

Следует отметить, что процесс производства сульфатной целлюлозы является большим потребителем энергии (24 ГДж / т. а.с.ц.). Из этой величины 20 ГДж / т. а.с.ц. относится к органической части черного щелока и 4 ГДж / т. а.с.ц. в виде природного газа на декарбонизацию известняка. При этом лишь 7 ГДж / т. а.с.ц. расходуется на выработку теплоты и электроэнергии. Это свидетельствует в первую очередь о низком термодинамическом совершенстве в теплоиспользующих установках технологии производства целлюлозы.

Рис.1.2. Принципиальная аппаратурно – технологическая схема сульфатцеллюлозного производства:

1 — корообдирочный барабан; 2 — рубительная машина; З — варочный котел; 4— выдувной резервуар; 5 — отбелка целлюлозы; 6— сортировка; 7— формование; 8— прессование; 9 — сушка на пресспате; 10— цепной пресс; 11 — топка для сжигания корьевых отходов; 12 — выпарная станция;13 – содорегенерационный котел; 14— бак-растворитель плава; 15 — цех

каустизации; 16 —регенерационная печь извести.

Получение бумаги.

Из машинных бассейнов (рис.1.3) бумажную массу при концентрации 2,5– 3,5% направляют на бумагоделательную машину. Перед поступлением не машину она разбавляется оборотной водой , очищается от посторонних примесей, узелков и комков массы. Посторонние включения представляют примеси минерального, волокнистого и металлического происхождения. Эти включения ухудшают качество бумаги, вызывают обрыв полотна, увеличивают износ сетки и повреждают отдельные детали машины. Разбавление водой необходимо для повышения эффективности очистки массы от загрязнений и лучшего формования бумаги на сетке бумагоделательной машины. Разбавление зависит от удельной (1 м² ) массы вырабатываемой бумаги и степени помола. Чем меньше удельная масса вырабатываемой бумаги, тем больше разбавление. С повышением степени помола разбавление уменьшают, так как жирная масса при отливе на сетке бумагоделательной машины труднее обезвоживается.

Бумажная масса, подготовленная для отлива, от уловителя примесей поступает в напорный ящик из которого непрерывным потоком вытекает на движущую сетку сеточного стола, где происходит формование и отлив бумажного полотна. Одновременно бумажная масса интенсивно обезвоживается, образуя бумажное полотно, которое передается на прессовую часть машины.

Бумажное полотно с содержанием сухого вещества от 14 до 24% поступает на прессовую часть машины. Путем механического отжима бумажное полотно обезвоживается на прессовой части до 32 – 42% абсолютно сухого вещества (а.с.в.). В процессе прессования бумажное полотно уплотняется. При этом увеличиваются площадь контакта и силы сцепления между волокнами. Повышаются ряд физико – механических свойств бумаги: снижается пористость, воздухопроницаемость, впитывающая способность, увеличиваются объемная масса, механическая прочность на разрыв, излом и др. Прессовая часть работает с максимальной нагрузкой, так как повышение сухости бумажного полотна на 1% снижает расход пара на 5% при уменьшении числа сушильных цилиндров на 4 – 5%. Следует учесть, что обезвоживание бумажного полотна в сушильной части машины на порядок дороже в сравнении с прессовой, и в 60 – 70 раз дороже, чем обезвоживание на сетке. Обезвоживание бумаги на прессах ведут при максимально возможном давлении, обеспечивающем исключение нарушение строения бумажного полотна.

Бумажное полотно обезвоживается до конечной сухости 92 – 95% в сушильной части машины. В процессе сушки удаляется 1,5 – 2,5 кг воды на кг бумаги, что примерно в 50 – 100 раз меньше чем на сеточной и прессовой частях машины. При сушке на ряду с обезвоживанием бумажного полотна происходит дальнейшее уплотнение и сближение волокон. Происходит дальнейшее повышение механической прочности и гладкости бумаги.

Рис.1.3. Принципиальная технологическая схема изготовления бумаги

От режима сушки зависят физико – механические характеристики бумаги: объемная масса, впитывающая способность, воздухопроницаемость, прозрачность, усадка, влагопрочность, степень проклейки и окраска бумаги. Бумажное полотно при поступлении на сушильную часть машины содержит 60 – 70% воды. Вода в бумаге находится в виде свободной, заключенной между волокнами, в порах волокна и связанной, находящейся в стенках волокна. При сушке бумаги в первую очередь удаляется свободная вода. Связанная вода удаляется очень трудно, так как она прочно связана с волокном. Бумагу сушат двумя методами: контактным – на нагретой поверхности сушильных цилиндров и конвективным – теплым воздухом или газом. Контактный метод сушки ведут при непрерывном подводе теплоты. Конвективный метод сушки ведут при прохождении бумажного полотна на свободных участках между сушильными цилиндрами за счет теплоты бумаги и обдувки бумаги горчим воздухом. Процесс сушки бумаги на бумагоделательных машинах является комбинированным контактно – конвекционным. Он состоит из ряда повторяющихся циклов на нагретой поверхности цилиндров (контактная сушка) и свободных участков между цилиндрами (конвективная сушка). Одним конвективным методом (за исключением изготовления картона) сушку не проводят, так как поверхность бумаги коробится. Расход пара на сушку бумаги зависит от ее сухости перед сушильной частью, вида, степени загрузки машины, вентиляции сушильной части. Для большинства видов бумаги расход пара на сушку колеблется от 2 до 4 кг / кг бумаги. При выработке тонкой бумаги (папиросной, копировальной, конденсаторной) расход пара доходит до 5 – 7 кг / кг бумаги, что соответствует 15 – 20 ГДж / т бумаги. При производительности бумагоделательной машины 800 т / сутки количество удаленной влаги составляет более 50 т /ч. Если из зала бумагоделательной машины не удалять влажный воздух и не подавать сухой воздух, процесс сушки замедляется и пар будет конденсироваться в виде тумана из паровоздушной смеси. Обмен воздуха осуществляется с помощью систем вентиляции и кондиционирования с использованием теплоты отходящего воздуха. На бумагоделательной машине большой производительности сушильная часть полностью закрыта колпаком. Применение закрытого колпака позволяет:

– более эффективно регенерировать теплоту отходящего воздуха как для нагрева приточного воздуха, так и для нагрева воды;

– уменьшить отвод теплоты в окружающую среду;

– снизить на 15 – 20% расход пара на сушку бумаги, улучшить условия труда обслуживающего персонала бумагоделательной машины. Бумага после сушки охлаждается на холодильном цилиндре и поступает на машинный каландр

Для повышения лоска, гладкости и объемной массы большинство видов бумаги после сушки подвергают отделке на машинном каландре, состоящем из 5 – 8 горизонтально установленных валов , расположенных в вертикальной плоскости друг над другом. Валы приводятся в движение от нижнего вала, соединенного с приводом. Средние валы полые. Для лучшей отделки бумаги их обогревают паром или охлаждают водой в зависимости от вида бумаги.

После каландра бумагу направляют на накат (барабан), которым она наматывается в рулон.

Аппаратурно – технологическая схема плоскосеточной бумагоделательной машины (рис.1.4) состоит из сеточной, прессовой, сушильной, отделочной частей и привода.

Рис.1. 4. Принципиальная аппаратурно – технологическая схема изготовления бумаги

1 – напускное устройство; 2 – сеточный стол; 3 – пересасывающее устройство; 4 – пресса; 5 – сукносушильные цилиндры; 6 – бумагосушильные цилиндры; 7 – полусырой коландр; 8 – машинный коландр; 9 – накат.

Сеточная часть представлена напускным устройством 1 и сеточным столом 2. Прессовая часть состоит из 2 – 4 прессов. Быстроходные машины снабжены пересасывающим устройством 3. Пересасывающее устройство служит для автоматической передачи полотна бумаги с сетки на прессовую часть машины. Сеточную и прессовую часть машины называют мокрой частью. Сушильная часть состоит из бумагосушильных 6 и сукносушильных 5 цилиндров. Отделочная часть включает полусырой каландр 7, холодильных цилиндров, машинных каландров 8 и наката 9.

Современная бумагоделательная машина расположена на двух этажах. Основная часть бумагоделательной машины размещается на втором этаже, а вспомогательное оборудование на первом.

Процесс получения бумаги характеризуется очень высоким потреблением энергии в форме тепла (до 20 ГДж/т бумаги) и электричества. Решение проблемы энергосбережения в производстве бумаги определяется, главным образом, в повышении степени термодинамического совершенства сушильной части бумагоделательной машины, включая системы вентиляции и кондиционирования, и разработке мероприятий понижения влажности бумаги, удаляемой путем подведения энергии от внешнего источника.

При анализе тепловых схем технологических процессов производства целлюлозы и бумаги, принимался во внимание, главным образом, лишь первый закон термодинамики.

Являясь частным случаем закона сохранения массы и энергии, первый закон термодинамики не может дать ответа о степени термодинамического совершенства как отдельного элемента, так и энерготехнологической системы в целом. В качестве критерия, используемого для оценки степени термодинамического совершенства по этому методу применяют различного рода «тепловые» КПД. Рассмотрим некоторые из них.

η = Q₁ / Q₂ (1.1.)

где η – КПД теплоиспользующего аппарата; Q₁, Q₂ – отведенная и подведенная энергия в технологическом процессе.

Для суждения о степени использования вторичных энергоресурсов рекомендуется «коэффициент использования тепла» с учетом вторичных энергоресурсов.

η = Q₁ Q_и / Q₂ (1.2.)

где Q_и – энергия, использованная для каких либо производственных или бытовых нужд не связанная с технологическим процессом данной установки.

Большое распространение для анализа энерготехнологических систем нашел применение температурный КПД теплообменника.

η = Q_1,2 / Qmax = [Wг (tг₁ – t_г2)] / [Wmin (tг₁ – tх₁)] =

[Wх (tх₂ – tх₁)] / [Wmin (tг₁ – tх₁)]

(1.3.)

где Qmax – максимально возможный тепловой поток, который может быть передан только в идеальном противоточном теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплопередачи, а именно:

Qmax = Wх (tг₁ – tх₁)], если Wх < Wг или Wг (tг₁ – tх₁)], если Wг < Wх

Wг = (w_m ∙ c)_г – водяной эквивалент горячей жидкости;

Wх = (w_m ∙ c)_х – водяной эквивалент холодной жидкости;

w_{m г ,} с_г, w_mх ∙ c_х – массовый расход и теплоемкость горячей и холодной жидкости, соответственно;

Wmin – наименьший водяной эквивалент взаимодействующих потоков.

tг₁, tг₂, tх₁, tх₂ – температура горячей и холодной жидкости на входе и выходе из теплообменника.

Общим недостатком рассмотренных КПД является невозможность оценки степени термодинамического совершенства рассматриваемой энерготехнологической системы. Составленные на основе закона сохранения энергии они лишь определяют степень совершенства теплоизоляции и в некоторых случаях отвод энергии и вещества в окружающую среду.

В сложных химико – технологических системах, каким является целлюлозно – бумажное производство, наблюдается целый ряд процессов с внешней регенерацией теплоты, т.е. таких, в которых часть теплового потока выводится или вводится из процесса для его использования в других установках производственного цикла. При таком подходе молчаливо принимается, что все выходящие из системы тепловые потоки отводятся в окружающую среду, являются потерянными для их дальнейшего полезного использования т.е. не могут совершить полезную работу.

В качестве абсолютной меры степени термодинамического совершенства технологической системы обычно принимается чаще всего удельная (отнесенная к единице конечной или промежуточной продукции) величина подвода энергии от внешнего источника.

При анализе термодинамических систем необходимо учитывать на ряду с первым, второй закон термодинамики. Согласно второму закону термодинамики любой теплопроцесс характеризуется ростом энтропии системы. Следовательно, приращение энтропии системы может явиться

абсолютным критерием термодинамического совершенства анализируемого теплопроцесса. Сумма приращений энтропии по всем теплоиспользующим элементам будет определять подвод энергии от внешнего источника. Приращение энтропии в локальном теплоиспользующем элементе пропорционально перерасходу химической энергии топлива, например, в котле ТЭЦ или другой организованной формы подведенной энергии. Задачей термодинамического анализа является определение перерасхода топлива в каждом локальном теплопроцессе сложной термотехнологической системы, определение КПД этого локального теплопроцесса и его связь с КПД системы.

Метод термодинамического анализа, учитывающий при анализе технологических систем как первый, так и второй закон термодинамики называется эксергетическим.

Рассмотрим основные закономерности этого метода.

В процессе энергетического взаимодействия потоков друг с другом и с окружающей средой имеет место передача энергии материальных потоков с наинизшей температурой в системе окружающей среде. Действительно, согласно второму закону термодинамики эта энергия не может быть передана остальным рабочим телам с большей температурой, т. е. является бесполезной в данной системе и переходит в окружающую среду.

Рассмотрим (рис.1.5.) стационарную закрытую термически изолированную систему, отдающую энергию Q₂ с температурой Т_В (низшая температура в системе) в окружающую среду (с температурой Тх), а также потребляющую извне энергию направленного движения Q₁ и, в общем случае, энергию окружающей среды Q₀ .

Рис. 1.5. Термически изолированная система

По первому закону термодинамики имеем

( 1. 4.)

Далее, по определению энтропии приращение энтропии системы равно

(1. 5.)

Sвх, Sвых – энтропии метериалъных потоков на входе и выходе из системы.

Из (1.4.) и с учетом (1.5.) находим

(1.6)

где Тв^Т – среднетермодинамическая температура (при выборе в качестве точки отсчета тампературы Тх ); Тх – температура холодильника (окружающая среда);

Из полученного выражения видно, что при ТВ^Т = Тх , т. е при обратимом энергообмене с окружающей средой потребляемая извне энергия минимальна ( Qmin ) и компенсирует только потери от внутренней необратимости теплопроцессов в системе, т.е.

(1.7.)

Уравнение (1.7.) выражает закон Гюи – Стодолы.

Потери от внутренней необратимости тепловых процессов Пназываются эксергетическими потерями; величина

(1.8)

определяет потери эксергии от внешней необратимости .

Выведенные соотношения для общих затрат энергии в систему (1.4) и минимальных затрат (1.7) позволяют абсолютно оценить (через подвод энергии от внешнего источника) термодинамическое совершенство системы.

Термодинамический анализ технологических систем диктует необходимость относительной оценки степени термодинамического совершенства, т.е. термодинамического (эксергетического) к.п.д. Он может быть получен с использованием понятия эксергии теплового потока термодинамической системы.

Эксергия теплового потока Еq при температуре Т определяется количеством работы, которое может быть получено или должно быть затрачено в обратимом процессе переноса энтропии, характеризующей данный тепловой поток, на уровень температуры окружающей среды.

Эта термодинамическая функция характеризует не энергию теплового потока, а его максимально возможную работу, которую этот поток может совершить вне рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть, что возможная работа теплового потока не является материальной величиной, поэтому для нее закон сохранения энергии не справедлив. Однако учет потерь от необратимости процессов (эксергетических потерь) позволяет составлять ее баланс и, следовательно, открывает возможность определения эксергетического КПД.

Математическое выражение для эксергии теплового потока в условиях изобарического процесса имеет вид

(1.9.)

Выразим приращение энтропии через среднетермодинамическую температуру потока, тогда

(1.10.)

(1.11.)

где i₁, S₁, ix, Sx, ex – удельная энтальпия, энтропия, эксергия потока при заданных параметрах и параметрах окружающей среды;

Т^Т – среднетермодинамическая температура потока;

Тх – температура холодильника (окружающая среда).

Для анализа блоков термодинамической системы удобно пользоваться приращением эксергии, полученным при термическом взаимодействии материальных потоков.

(1.12)

или с учетом (1.7.)

(1.13.)

где i₁, S₁, i₂, S₂, – энтальпия и энтропия подвода и отвода энергии от материальных потоков в анализируемом блоке системы;

G – массовый расход потока; Тm^T – среднетермодинамическая температура потока (отвода) теплового потока в m – ом блоке термодинамической системы. Абсолютная оценка термодинамического совершенства выражается через эксергетические потери.

Эксергетические потери можно получить вычитанием всех входящих и выходящих в узел эксергий.

(1.14.)

Эксергетических потери – абсолютная мера необратимости процесса. Она также численно равна возрастанию энтропии участвующих в процессе взаимодействия материальных потоков через коэффициент пропорциональности Тх

(1.15.)

где Тх – температура холодильника (окружающая среда) ;

Gк, Sк, G_i , S_i , – расход и соответствующая ему энтропия i – го потока на выходе и входе в узел взаимодействия.

В качестве относительной характеристики термодинамического совершенства процесса выступает эксергетический КПД. Составленный на основе классических законов термодинамики (первого и второго), эксергетический к.п.д. характеризует степень необратимости процессов. Определение эксергетичеоких к.п.д. теплоиспользующих элементов системы позволяет выявить процессы, характеризующие большой необратимостью, наметить пути по уменьшению или ликвидации этой необратимости.

Эксергетический к.п.д. определяется как отношение воспринятой в теплопроцессе пригодной для дальнейшего технического использования энергии к подводимой, при годной для технического использования энергии т.е. как отношение приращения эксергий.

Эксергетический к.п.д. теплообменного аппарата можно выразить

(1.16.)

(1.17.)

где Δех_н , Δех⁰ – приращение эксергии нагреваемого и охлаждаемого потока при энергетическом взаимодействии;

Тт, Тт^I – среднетермодинамическая температура нагреваемого и охлаждаемого потока.

Эксергетичеcкий к.п.д. сложной системы можно определить как отношение суммарного приращения эксергии всех нагреваемых потоков к суммарному приращению всех охлаждаемых потоков.

(1.18.)

Найдем связь η сложной тепловой схемы с η m cоставляющих ее локальных элементов. По определению имеем

Для m – го элемента сложной тепловой схемы

(1.19.)

Для сложной тепловой схемы

(1.20.)

Введем понятие доли затраченной эксергии в m – ом локальном элементе тепловой схемы к суммарным затратам эксергии во всей тепловой схеме – γ m

(1.21)

Тогда из (1.I6.) с учетом (1.17.) после несложных математических преобразований получим

(1.22.)

Наглядное представление результатов эксергетического баланса можно получить из эксергетических диаграмм.

В качестве примера рассмотрим простую термодинамическую систему с регенеративным контуром (рис.1.6). Жидкость с расходом : G₁, Т₁ поступает в рекуперативный теплообменник регенеративного контура, где нагревается до температуры Т₂ , после чего догревается до температуры Т паром ТЭЦ с температурой Т₂ в рекуперативном теплообменнике активного контура.

Рис.1.6. Термодинамическая система с регенеративным контуром и ее эксергетическая диаграмма

На рис.1.6. приведена диаграмма эксергетичеких потоков рассматриваемой системы. На этой диаграмме

(Δех_з^р Δех_з^а) / Δех_з

относительная величина суммы приращений затраченных эксергий в регенеративном Δех_з^ри Δех_з^а активном контурах;

γ_р , γ_а – доля затраченной эксергии в регенеративном и активном контуре к суммарному приращению эксергии в системе, соответственно;

λр, λ а – доля приобретенной эксергии в регенеративном Δех_п^р и активном (Δех_п^а) контуре к суммарному приращению эксергии в системе, соответственно.

ηр, ηа, ηс –эксергетический к.п.д. регенеративного, активного контуров и термодинамической системы, соответственно;

Основные соотношения метода эксергетического анализа на диаграмме представлены в виде

(1.23.)

•

(1.24.)

Таким образом, диаграмма эксергетических потоков позволяет в наглядной форме представить степень термодинамического совершенства отдельных теплоиспользующих узлов, а также их удельный вклад в общий к.п.д. системы.

Некоторые вопросы практического использования эксергетического анализа в технологических процессах.

Одним из основных параметров в расчетах по определению эксергетического КПД теплопередачи является среднетермодинамическая температура нагрева (охлаждения) материальных потоков в процессе их энергетического взаимодействия. Среднетермодинамическая температура равна отношению изменения (приращения) энтальпии нагреваемого (охлаждаемого) потока к соответствующему приращению энтропии этого потока.

В большинстве практических случаев при термодинамическом анализе тепловых схем технологических процессов среднетермодинамические температуры отдельных потоков могут быть выражены через их истинные температуры следующими приближенными формулами:

для процессов без фазовых превращений

(1.25)

для процессов при фазовом переходе первого рода (конденсация)

(1.26)

где Тн, Тк — температуры потока в начале и конце теплового процесса; Т s— температура фазового перехода.

Относительные погрешности по приближенным формулам, полученные путем разложения в ряд Тейлора точных формул, равны: для формулы (1.25) и

(1.27)

(1.28)

для формулы 1.26) с учетом фазовых переходов при наличии перегрева пара и переохлаждения конденсата. В этой формуле С₁, С₂ теплоемкость конденсата и перегретого пара; ΔТ₂, ΔТ₁ — перегрев пара и переохлаждение конденсата; r — удельная теплота фазового перехода.

В теплообменниках рекуперативного типа при определении эксергетического к. п. д. определение приращения эксергии нагреваемых и охлаждаемых потоков не представляет труда. Некоторое затруднение вызывает определение приращения эксергии в процессах, осложненных массообменом. Можно привести тепловой процесс с массообменом к процессу в рекуперативном теплообменнике и идеальном смесителе (разделителе),

которые работают последовательно. Эта условная схема (при сохранении материальных и энергетических балансов) позволяет относительно просто рассчитать приращения эксергий материальных потоков в тепловом процессе, осложненном массообменом.

Рассмотрим типовые процессы в типичных теплоиспользующих установок производства целлюлозы и бумаги, где тепловые процессы осложнены массообменом.

Теплообменник смешения. Пусть имеется теплообменник смешения (рис. 1.7.), в котором рабочее тело нагревается теплоносителем (насыщенный пар).

На рис. 1.7. приняты следующие обозначения: G₁,c₁ с Т₁ — соответственно расход, удельная теплоемкость и температура нагреваемого потока на входе в теплообменник; G₂,c₂, Т₂ — расход, удельная энтальпия, температура охлаждаемого потока на входе в теплообменник;

Рис. 1. 7. Тепловые схемы теплообменника смешения:

а – структурная; б — эквивалентная

G₃,c₃, Т₃ – расход, удельная теплоёмкость, температура потока на выходе; с_в — удельная теплоемкость воды.

Для приведения рассматриваемого процесса теплообмена (рис. 1 а) к процессу в рекуперативном (поверхностном) теплообменнике условно разобьем выходной (нагретый) поток (рис. 1,7 – б) на два: один по массе, равной нагреваемому потоку, другой – по массе, равной охлаждаемому. При этом для обоих потоков Т₃ – idem. Так как при определении приращения эксергии используются балансы массы и энергии потоков, практически удобно, нагретый поток разделить не по массам, а по их водяным эквивалентам.

Эксергетический К. П. Д. такого процесса равен:

(1.29)

где Т_Т , Т_Т¹ – среднетермодинамическая температура нагрева воды при превращении ее в водяной пар и охлаждении нагретого потока.

Адиабатический самоиспаритель. Другим типичным теплоиспользующим элементом, предназначенным для концентрирования и охлаждения алюминатного раствора, является адиабатический самоиспаритель (рис.1.8).

Процесс в этом элементе относится к процессу дросселирования перегретого алюминатного раствора с внутренним энергообменом. Эти самоиспарители нашли широкое применение в аппаратурно-технологических схемах варки щепы в производстве целлюлозы, производстве бумаги, в котельной практике в качестве расширителей продувки и других теплоиспользующих процессах.

Для приведения теплопроцесса (рис. 1.8 – а) к процессу в рекуперативном теплообменнике разобьем (условно) выходящий поток на два: один по массе равен нагреваемому потоку (пару), другой – охлаждаемому.

Рис. 1.8. Тепловые схемы адиабатического самоиспарителя:

а — структурная; б – эквивалентная ; в-совмещенная эквивалентная

а/и — адиабатический испаритель; т/о — рекуперативный теплообменник; G₁^и ,с₁^и ,Т₁^и — соответственно расход, удельная теплоемкость и температура перегретого раствора на входе в испаритель; G₂^и ,с₂^и ,Т₂^и — то же, на выходе из испарителя; G₃^и , i, Ts – _соответ ственно расход, удельная энтальпия и температура пара вскипания раствора.

Так как Т₁^и > Т₂^и, то возможность приведения рассматриваемого теплопроцесса к процессу в поверхностном теплообменнике не очевидна. Тогда представим, что условно разбитые материальные потоки обмениваются энергией в рекуперативном подогревателе (т/о №1) и в рекуперативном холодильнике (т/о №’2) (рис. 1.8 – 6). Однако, для практических целей такая локализация процесса не нужна. Нетрудно видеть, что, совместив т/о №. 1 и т/о №2, эквивалентную схему (по рис. 2 6) легко привести к эквивалентной схеме ( рис. 2 в). Последняя и представляет интерес для практического анализа; К. П. Д, такого процесса

( 1.30)

где Т_Т, Т_Т¹ – среднетермодинамическая температура нагрева воды при превращении ее в водяной пар и охлаждения нагретого потока.

Выпарной аппарат. Выпарной аппарат является основным теплообменным устройством для концентрирования растворов в производстве целлюлозы. В этом аппарате протекают процессы теплообмена с массообменом. В общем случае удаление воды из раствора происходит за счет как внутреннего энергообмена (адиабатического дросселирования перегретого раствора), так и внешнего – путем теплопередачи энергии пара к раствору через теплообменную поверхность.

Пусть имеем изотермический процесс концентрирования черного щелока, поступающего в выпарной аппарат при температуре кипения в нем (рис.1.9.).

Рис.1.9. Тепловая схема выпарного аппарата:

G₁^в ,с₁^в ,Т₁^в— соответственно расход, удельная теплоемкость и температура черного щелока, поступающего.в выпарной аппарат; g, iп^в, ts^в — расход, удельная энтальпия и температура пара испарения; D, iп^г, ts^г — расход, удельная энтальпия, температура фазового перехода конденсации греющего пара.

С целью приведения рассматриваемого теплового процесса к процессу в рекуперативном теплообменнике входной поток разделим на два: один — равный по массе образующемуся вторичному пару, другой — равный по массе концентрированному раствору. Тогда (рис.1.9 – б) процесс выпаривания может быть приведен к процессу в рекуперативном теплообменнике. Так как поток с (G₁^в с₁— g с_в) и Т₁^в проходит через теплообменник, не претерпевая никаких изменений, то имеют место два потока: один нагреваемый, который превращается из воды с температурой Т₁^в Т в водяной пар, другой — охлаждаемый, энергия фазового перехода которого используется для выпаривания. Теперь нетрудно определить эксергетический к. п. д. такого процесса:

(1.31)

где Тт, Тт¹ среднетермодинамическая температура образования пара испарения и конденсации греющего пара.

Задачу обоснования технологического процесса с минимальными затратами энергии можно сформулировать как достижение максимального эксергетического КПД при оптимально определенных из технико-экономических соображений технологических, термических и конструктивных параметрах.

Определение эксергетических потерь в отдельном элементе энерготехнологической системы пропорционально расходу топлива в энергетическом котле, но не совпадает с ним. Это связано с тем, что возникшие эксергетические потери в локальной части термодинамической системы можно компенсировать затратами энергетического топлива, если учесть все преобразования энергии топлива (эксергетические потери) от его сжигания до этого элемента. Однако, часто приходится оценивать эксергетические потери в локальной части термодинамической системы в условиях ограниченной информации от предыдущих преобразований энергии топлива.

Эксергетические потери от энергетического котла до рассматриваемого теплоиспользующего элемента определяются в основном потерями от необратимости при теплообмене продуктов сгорания и производством водяного пара. С учетом этого примем допущение, о том, что остальные эксергетические потери, возникающие в котельном агрегате и по пути к рассматриваемому элементу отсутствуют.

Аппаратурно-технологические схемы процессов целлюлозно – бумажного производства следует рассматривать как комбинированную энерготехнологическую систему совместно с работой ТЭЦ. Пар, вырабатываемый котлами ТЭЦ, направляют в паровую турбину, где путем изменения его внутренней энергии совершается работа (выработка электроэнергии).

Отборы пара турбин используют для предварительного нагрева питательной воды, поступающей в котел, на другие собственные нужды ТЭЦ, а также для снабжения технологического потребителя. В этом случае расход топлива в энерготехнологическую систему, для поддержания непрерывного ее функционирования, определяет количественное выражение энергии, которую необходимо подвести в систему от внешнего источника для компенсации необратимости теплопроцесса и работы, совершаемой системой.

Тогда для рассматриваемой энерготехнологической системы

B∙ Q_Н^Р= Пк Псн L Σ Пim

( 1.32)

где В, Q_Н^Р — расход, низшая теплота сгорания топлива; Пк, Псн, Σ Пim — эксергетические потери в котле, при передаче энергии в форме тепла на собственные нужды ТЭЦ (регенеративный подогрев питательной воды, потери от не изоэнтропического расширения пара в турбине и др.), при передаче энергии в теплопроцессах технологического потребителя; L — работа, совершаемая в турбине (выработка электроэнергии).

Анализ эксергетических потерь на ТЭЦ и в теплопроцессе технологического потребителя показывает, что основная составляющая расхода топлива — эксергетические потери в котельной установке (Пк) и обусловлены большой необратимостью теплопроцесса при передаче энергии от продуктов сгорания к водяному пару.

При выработке только электроэнергии на ТЭЦ составляющая расхода топлива должна быть полностью отнесена к выработке электроэнергии, при снабжении технологического потребителя от централизованной котельной — к технологическому потребителю.

При комбинированной выработке тепла и электроэнергии на ТЭЦ, очевидно эксергетические потери в котле должны быть распределены пропорционально эксергетическим потерям возникающим в теплопроцессах технологического потребителя и полезной работе совершенной системой по выработке электроэнергии. Так как эксергетические потери определяют разностью подведенной и отведенной эксергий, эксергетические потери в котле приближенно можно выразить

Пк = Q’ – Q [1 – Tх / Т] ;

(1.33)

Q = B∙ Q_Н^Р ∙ φ = Dп (i _п – i_{п в});

(1.34)

Q’ = B∙ Q_Н^Р

(1.35)

где Т — среднетермодинамическая температура парообразования (приближенно температура насыщения водяного пара при давлении в котле); Тх— термодинамическая температура окружающей среды; iп, iпв — расход пара из котла, энтальпия перегретого водяного пара и питательной воды; Q’— химическая энергия топлива, затраченная в котельном агрегате; φ — коэффициент отвода теплового потока к окружающей среде.

Тогда уравнение (1.32) с учетом уравнений (1.33 – 1.35) приводится к виду:

B∙ Q_Н^Р ∙ φ ∙ (1 – Tх / Т) =Псн L Σ Пim

(1.36)

B∙ Q_Н^Р =( Псн L) / (1 – Tх / Т) ∙ φ

Σ Пim / (1 – Tх / Т) ∙ φ

(1.37)

Распределение основной составляющей топливно-энергетических затрат (эксергетические потери от необратимости процесса в котельной установке) на выработку электроэнергии и технологию позволяет научно обоснованно подойти к энергетической оценке технологического процесса при ограниченной информации о термодинамической системе источника теплоснабжения.

Смесь сухой части воздуха с некоторым количеством водяных паров называется влажным воздухом. Атмосферный воздух также представляет собой влажный воздух или воздушно-паровую смесь. Сухая часть влажного воздуха (без водяных паров), в свою очередь, является смесью нескольких типовых газов, а также может содержать характерные для данного района компоненты. Типовой состав сухой части атмосферного воздуха приведен в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Типовой состав сухой части воздуха

С достаточной для технических расчётов точностью, рассматривая воздух как бинарную смесь сухой части и водяного пара, можно считать, что как отдельные компоненты (сухой воздух, водяной пар), так и их смесь (влажный воздух) подчиняются законам идеальных газов. Тогда, на основании уравнения Клапейрона-Менделеева, можно записать:

для сухого воздуха

или зная, что

, откуда (2.1)

для водяного пара

или зная, что

, откуда . (2.2)

В выражениях (2.1) и (2.2), соответственно: и , и , и , и , и – парциальное давление, плотность, удельный объём, температура и газовая постоянная сухого воздуха и водяного пара.

Газовая постоянная может быть определена из универсальной газовой постоянной и составляет соответственно:

для сухого воздуха

, Дж/(кг К); (2.3)

для водяного пара

, Дж/(кг К). (2.4)

В выражениях (2.3) и (2.4) соответственно: 8314 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная; кг/кмоль и кг/кмоль – молекулярная масса сухого воздуха и водяного пара.

Представляют практический интерес численные значения плотности сухого воздуха и водяного пара при нормальных условиях, т.е. при барометрическом давлении = 760 мм.рт.ст. и температуре t = 0 °С. Расчёт производится на основании выражений (2.1) и (2.2) и их значения составляют:

для сухого воздуха

, кг/м3; (2.5)

для водяного пара

, кг/м3 . (2.6)

В выражениях (2.5) и (2.6) соответственно: 0,76 – барометрическое давление, м рт.ст.; 13600 – плотность ртути, кг/м3; 9,81 – ускорение свободного падения, м/с²; 273 – абсолютная температура по шкале Кельвина, соответствующая температуре 0 °С.

Барометрическое давление атмосферного воздуха в соответствии с законом Дальтона равно сумме парциальных давлений сухой части воздуха и водяного пара

. (2.7)

Смесь, которая состоит из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, насыщенным влажным воздухом.

Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха

, кг/м3 , (2.8)

где – плотность водяного пара, кг/м3; – парциальное давление водяного пара, Па; = 461 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для водяного пара; – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность в насыщенном состоянии при данной температуре называется влагоёмкостью воздуха

, кг/м3 , (2.9)

где – плотность водяного пара в насыщенном состоянии, кг/м3; – парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии (упругость водяных паров) , Па.

Относительная влажность воздуха представляет собой отношение концентрации водяного пара в ненасыщенном воздухе к концентрации водяного пара в насыщенном состоянии при одинаковых температурах и давлениях. Величина относительной влажности определяется в долях или процентах и может быть выражена

(2.10)

Парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии при данной температуре может быть определено по справочным таблицам, с помощью специальной диаграммы или аналитически по известным эмпирическим зависимостям.

Влагосодержание влажного воздуха представляет собой отношение массы водяного пара к единице массы сухого воздуха, содержащегося в смеси

, г/кг . (2.11)

Подставив в выражение (2.11) значения и из уравнений (2.1) и (2.2), величину можно выразить

, г/кг. (2.12)

Выразив величину парциального давления сухого воздуха из уравнения (2.7) и подставив её в уравнение (2.12), можно записать

, г/кг . (2.13)

Если массу водяного пара выразить в кг, то влагосодержание принято обозначать буквой , и тогда выражение (2.13) принимает вид

, кг/кг . (2.14)

Теплосодержание влажного воздуха представляют как сумму теплосодержания сухой части воздуха и водяного пара

, кДж/кг . (2.15)

При этом теплосодержание сухой части воздуха при известной температуре , °С можно выразить

, кДж/кг , (2.16)

где – теплоёмкость сухого воздуха, кДж/(кг °С).

Теплосодержание водяного пара при известной температуре , °С и известном влагосодержании , г/кг выражается

, кДж/кг , (2.17)

где – скрытая теплота парообразования водяного пара, кДж/кг; Сп- теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг °С).

Для практических инженерных расчётов можно приблизительно принять: = 1,0 кДж/(кг °С); 1,8 кДж/(кг °С); 2500 кДж/кг. Тогда выражение (1.17) можно записать

, кДж/кг . (2.18)

1.2. Принципы построения диаграммы влажного воздуха

Л. К. Рамзин, используя выражение (2.18), предложил диаграмму, которая широко применяется в расчётах сушки, вентиляции, кондиционирования воздуха и других расчётах, связанных с изменением состояния влажного воздуха. Эта диаграмма выражает графическую зависимость основных параметров воздуха, таких как , , , , при заданном барометрическом давлении.

Общий вид диаграммы приведен на рис.1.1. диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом между осями и 135°. На оси абсцисс в соответствующем масштабе откладываются значения влагосодержаний, через которые проводятся вертикальные линии постоянного влагосодержания .

По оси ординат в соответствующем масштабе откладывают значения теплосодержаний. Через полученные точки проводятся линии постоянных теплосодержаний под углом = 135° к линиям .

На полученной таким образом сетке, состоящей из параллелограммов, строятся линии изотерм и кривые постоянных относительных влажностей .

Анализ выражения (2.18) показывает, что при зависимость основных параметров воздуха и от температуры является линейной. Следовательно, изотермы являются прямыми линиями, лежащими на поле диаграммы. Для построения изотермы принимают два крайних состояния влажного воздуха при и . При соответствующих значениях температуры по уравнениям (2.18) и (2.13) для принятого барометрического давления рассчитывают численные значения и . Эти значения наносят на поле диаграммы в виде отдельных точек, которые соединяют между собой прямой линией. Эти линии и являются изотермами. Крайние левые точки этих линий (при ) соответствуют состоянию абсолютно сухого воздуха ( ), крайние правые точки (при ) – состоянию полного насыщения влажного воздуха при данной температуре.

Соединив плавной кривой точки, соответствующие состоянию полного насыщения влажного воздуха при различных значениях температур, получим линию относительной влажности или нижнюю пограничную кривую.

Для построения кривых относительной влажности при других значениях предварительно определяют влагосодержания, отвечающие соответствующему насыщению при различных температурах влажного воздуха, а затем соединяют точки с одинаковыми значениями плавными кривыми. При этом численное значение парциального давления водяного пара для данной температуры рассчитывается на основании выражения (2.10)

, (2.19)

где – текущее значение величины относительной влажности, выраженное в долях; – парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии при данной температуре, определяемое по справочным таблицам.

Для построения линии парциального давления пара с правой стороны диаграммы на линии, параллельной оси ординат, наносится шкала парциальных давлений, начиная с до величины возможного значения в диапазоне данной диаграммы. Масштаб этой шкалы выбирается возможно крупным, но с таким расчётом, чтобы линия не пересекалась с кривой .

На вертикалях по линии , проходящих через точки пересечения прямых с кривой , откладываются в принятом масштабе отрезки, соответствующие по величине парциальным давлениям водяных паров, насыщающих воздух при данных температурах. Соответствующие значения парциальных давлений определяются из таблиц. Соединив плавной кривой верхние точки отложенных отрезков, строят искомую кривую парциального давления водяного пара.

Кроме этого, на поле диаграммы строятся линии температур “мокрого” термометра, а по её периметру – значения угловых коэффициентов, основные представления о которых изложены в последующих параграфах.

Изменение состояния влажного воздуха характеризуется термовлажностным соотношением или угловым коэффициентом. Осуществляемый процесс в диаграмме изображается прямыми линиями (лучами), проходящими через точки, соответствующие начальному и конечному состоянию влажного воздуха.

Рассмотрим произвольный процесс, изображённый на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Графическая интерпретация выражения углового

коэффициента.

Предположим, что начальное состояние влажного воздуха характеризуется точкой М₁ с параметрами и , а конечное – точкой М₂ с параметрамии . Тогда отношение разности теплосодержаний к разности влагосодержаний в указанных точках обозначается и называется угловым коэффициентом

, кДж/кг влаги . (2.20)

Тригонометрическое выражение углового коэффициента состоит в следующем. Проведя через точку М₁ линию , а через точку М₂ линию , получим треугольникМ₁М₂К. В этом случае величину углового коэффициента можно выразить

. (2.21)

Применив теорему синусов, выражение (2.21) можно записать в следующем виде:

. (2.22)

Так как 135° , то угол можно выразить через угол

. (2.23)

Подставив (2.23) в (2.22), окончательно можно записать

. (2.24)

Наиболее характерные процессы изменения состояния влажного воздуха и изображение их на диаграмме представлены на рис. 2.3.

Процесс 1-2 характеризуется нагревом влажного воздуха при постоянном влагосодержании Величина углового коэффициента при составит

. (2.25)

Процесс 1-3 характеризуется нагревом влажного воздуха и его дополнительным увлажнением, т.е. протекает при одновременном поглощении теплоты и влаги. Величина углового коэффициента при и составит

. (2.26)

Процесс 1-4 протекает при постоянном теплосодержании с одновременным поглощением влаги . Луч этого процесса проходит по линии , а сам процесс называется адиабатическим. Величина углового коэффициента составит

. (2.27)

Рис. 2.3. Характерные процессы изменения состояния влажного

воздуха

Процесс 1-5 характеризуется охлаждением влажного воздуха при постоянном влагосодержании . Величина углового коэффициента при составит

. (2.28)

Процесс 1-6 характеризуется охлаждением воздуха и его осушением, т.е. протекает при одновременном выделении теплоты и влаги. Величина углового коэффициента при и составит

. (2.29)

На рис.2.4 изображен процесс смешивания двух потоков воздуха с различными параметрами.

Рис.2.4. Изображение на диаграмме процесса смешивания

воздуха двух различных состояний

Предположим, что первый поток в количестве характеризуется параметрами точки А на поле диаграммы: , , ; второй – в количестве соответствует положению точки В с параметрами , , . При этом соотношение

,

т.е. 1 кг воздуха состояния, соответствующего точке А, смешивается с кг воздуха состояния, соответствующего точке В. Теплосодержание смеси в количестве кг будет равно

, (2.30)

откуда

. (2.31)

Аналогичным образом выражение влагосодержания можно представить в следующем виде

. (2.32)

Из выражений (2.31) и (2.32) можно записать

, (2.33)

. (2.34)

Разделив (2.33) на (2.34), получим уравнение прямой линии, проходящей через точки А и В и точку с координатамии :

. (2.35)

Из выражения (2.35) следует, что точкаС, характеризующая состояние смеси двух потоков, лежит на прямойАВ. Ее положение на этой прямой можно определить следующим образом.

Рассмотрим два треугольника АСД иСВГ. Исходя из подобия этих треугольников, можно записать

. (2.36)

Из выражения (2.33) следует, что

. (2.37)

Тогда, подставив (2.37) в (2.36), получим

. (2.38)

Выражение (2.38) показывает, что точка С делит прямуюАВна отрезки, обратно пропорциональные количествам воздуха, вступающим в смесь.

Аналитически основные параметры смеси двух потоков различного состояния можно определить следующим образом:

, (2.39)

, (2.40)

, (2.41)

Одним из важнейших параметров влажного воздуха, позволяющим при известной температуре определить все остальные параметры, является относительная влажность . Существует несколько способов определения относительной влажности:

а) химический;

б) способ наблюдения точки росы;

в) способ волосяного гигрометра;

г) психрометрический.

Приборы, при помощи которых производят измерения первыми тремя способами, называются гигрометрами, а по четвёртому способу – психрометрами.

Химический способ заключается в следующем. При помощи аспиратора медленно отбирают некоторый объём воздуха, влажность которого измеряют. Перед входом в аспиратор воздух проходит через несколько U – образных трубок, заполненных веществом, активно поглощающим водяные пары. Таким веществом может быть хлористый кальций CaCl₂ или фосфорный ангидрид P₂O₅. По приросту массы трубок до и после опыта можно подсчитать по специальной методике количество водяных паров в I м³ воздуха, а следовательно и его относительную влажность.

Этот способ связан с достаточно большими техническими трудностями, а кроме того, необходимо знать начальную концентрацию водяных паров, что требует дополнительных измерений. Поэтому этот метод, как правило, не применяется.

Прежде чем перейти к рассмотрению способа наблюдения точки росы, необходимо выявить её физическую сущность. Температурой точки росы называется та температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания. Графическая интерпретация этого понятия представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Определение температуры точки росы с помощью диаграммы

Предположим, что параметры влажного воздуха определяются положением точки А на поле диаграммы. При этом температура воздуха соответствует изотерме , а его влагосодержание – . Если из точки А провести луч процесса по линии до пересечения с пограничной кривой и провести через точку пересечения изотерму , то она и будет соответствовать значению температуры точки росы для состояния влажного воздуха при данных условиях.

При известной температуре влажного воздуха и температуре точки росы на основании выражения (2.10) величина относительной влажности может быть определена

, % , (2.42)

где – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре точки росы ; – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха .

Численные значения и определяются по диаграмме как отрезки под линией парциального давления водяного пара в насыщенном состоянии при соответствующих температурах и .

Рис. 1.6. Волосяной гигрометр

Принцип действия волосяного гигрометра основан на свойстве человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Общий вид волосяного гигрометра приведен на рис. 2.6.

Один конец волоса укреплён неподвижно в точке 1, а другой обёрнут вокруг валика 2 и натянут грузом 3. К валику прикреплена стрелка 4, которая перемещается по шкале делений относительной влажности 5. Предварительная градуировка шкалы производится для каждого прибора отдельно путём помещения его в среду, относительная влажность которой известна. Обычно такой прибор применяется в быту или производственных помещениях, не требующих высокой точности измерений параметров воздушной среды.

Прежде чем перейти к рассмотрению психрометрического способа

определения относительной влажности воздуха, необходимо установить физическую сущность понятия температуры мокрого термометра, которая имеет большое значение в технике вентиляции и кондиционирования воздуха.

Если ненасыщенный воздух приходит в соприкосновение с поверхностью тонкой плёнки воды, то в результате процессов тепло- и массообмена будет происходить как перенос теплоты, так и перенос влаги (массы вещества) в направлении более низкого потенциала. При температуре ненасыщенного воздуха выше температуры воды, а температуре воды – выше температуры точки росы, перенос теплоты будет происходить от воздуха к поверхности воды, а перенос влаги – от поверхности воды в воздух.

При этом температура воздуха понижается, а отдаваемая им явная теплота будет затрачиваться на частичное испарение влаги. Испарившаяся за счёт явной теплоты воздуха влага поступает обратно в воздух, в результате чего увеличивается его влагосодержание и парциальное давление водяных паров. Вследствие этого увеличивается и теплосодержание влажного воздуха практически до его первоначального уровня. Такие процессы называются адиабатическими, т.е. протекающими при постоянном теплосодержании. Изображение процесса в диаграмме приведено на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Определение температуры мокрого термометра с помощьюдиаграммы

Предположим, что параметры влажного воздуха определяются положением точкиА на поле диаграммы. При этом температура воздуха соответствует изотерме (температура сухого термометра), а его влагосодержание –.Если из точки Апровести луч процесса по линии до пересечения с пограничной кривой и провести через точку пересечения изотерму ,то она и будет соответствовать значению температуры мокрого термометра для состояния влажного воздуха при данных условиях. При этом величина будет соответствовать влагосодержанию воздуха в насыщенном состоянии, а – температуре точки росы.

Таким образом, температурой мокрого термометра является такая температура, которую принимает насыщенный влажный воздух в процессе испарения при условии сохранения постоянного теплосодержания воздуха, равного начальному. Следует иметь в виду, что строгость этого соотношения справедлива только для температуры воздуха = 0 °С. Во всех остальных случаях равенство теплосодержаний не соблюдается, т. е. надиаграмме линии температур мокрого термометра не совпадают в полной мере с линиями постоянного теплосодержания. Но расхождение это невелико и в практических инженерных расчётах это обстоятельство можно не учитывать.

Разность температур между показаниями сухого и мокрого термометров называется психрометрической разностью.

По её величине можно однозначно судить о состоянии влажного воздуха. Чем меньше эта разность, тем воздух более насыщен влагой. При психометрическая разность , т. е. воздух находится в насыщенном состоянии ( = 100 %).

На основе принципа определения психрометрической разности разработаны приборы для определения величины относительной влажности воздуха – психрометры. Наиболее распространённая конструкция прибора представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Психрометр Рис. 2.9. Аспирационный

психрометр Асмана

Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, закреплённых на общей рамке 1. Один из этих термометров 2 служит для измерения температуры воздуха и называется сухим термометром. Другой термометр 3 предназначен для измерения температуры воздуха по мокрому термометру. Ртутный резервуар этого термометра обёрнут батистовой тканью 4, непрерывно смачиваемой водой, находящейся в колбе 5. На основании измеренных величин и определяют относительную влажность с помощьюдиаграммы, специальных градуировочных таблиц или графиков.

Данная конструкция психрометра широко применяется для контроля воздушной среды в помещениях различного назначения, но обладает большой инерционностью и значительной погрешностью при измерении температур. При необходимости быстрого и более точного определения состояния воздуха используется психрометр Асмана, показанный на рис. 2.9.

Принцип его действия аналогичен, но сухой и мокрый термометры заключены в специальные металлические трубки, через которые принудительно продувается воздух с помощью вентилятора с механическим приводом, расположенного в верхней части прибора. При этом интенсивность процесса испарения влаги значительно увеличивается, что позволяет более точно определить температуру мокрого термометра, а металлические трубки защищают термометры от воздействия внешних излучателей.

Психрометры Асмана используются обычно при выполнении научных исследований состояния воздушной среды, наладке систем вентиляции и т.п. В качестве примера на рис. 2.10 приведена номограмма для определения величины относительной влажности по показаниям сухого 14 °С и мокрого 10 °С термометров.

Рис. 2.10. Номограмма для определения величины относительной

влажности воздуха

Из точки пересечения изотермы мокрого термометра (горизонтальная линия) с изотермой сухого термометра (наклонная линия) опускается перпендикуляр на шкалу относительной влажности, где и фиксируется её значение, равное в рассматриваемом примере

Основные тепловыделения в помещение составляют:

– от работающего оборудования с электрическим приводом

, Вт , (3.1)

где – установленная мощность привода электродвигателя в расчёте на единицу оборудования, кВт, – количество единиц оборудования (электродвигателей); – коэффициент использования мощности электродвигателя; – коэффициент одновременности работы оборудования;

– от освещения для тёплого и холодного периода года

, Вт , (3.2)

где – поверхность пола в помещении, м² ; = 40 Вт/м² – норма освещенности 1м² пола в соответствии со СНиП; – коэффициент одновременности работы осветительных установок.

– от обслуживающего персонала для холодного и тёплого периодов года рассчитываются из выражения

, Вт , (3.3)

где – число работников; – явные тепловыделения от одного человека, кДж/ч; кДж/кг – энергия фазового перехода;

– влаговыделение от одного человека, г/ч.

– через внешние ограждения

, Вт , (3.4)

где – поверхность внешнего ограждения за вычетом поверхности остекления, м², – коэффициент теплопередачи через ограждения, Вт/(м² ·°С); и – расчётная температура наружного воздуха и воздуха внутри помещения, °С.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с учётом всех термических сопротивлений

, Вт/(м² °С) , (3.5)

где и , соответственно, коэффициент теплоотдачи от воздуха внутри помещения к стене и от наружной поверхности стены к наружному воздуху, Вт/(м­­²·°С); – толщина отдельных слоев, составляющих стену, м; – коэффициент теплопроводности материалов, из которых выполнена стена, Вт/(м ·°С).

Для других случаев выделения теплоты расчёт производится в соответствии со специально рекомендуемыми методиками или по общеизвестным закономерностям.

Для составления теплового баланса помещения все имеющиеся теплопоступления суммируются.

Рассчитываются только для холодного периода года. Основные составляющие отвода энергии в форме теплоты помещением:

– через остеклённые световые (оконные) про­ёмы

, Вт , (3.6)

где – поверхность остекленных оконных проемов, м²; – коэффициент теплопередачи через оконные проёмы, Вт/(м² ·град.); и – соответственно, расчетная температура внутреннего и наружного воздуха, °С.

– через внешние ограждения (стены, полы, потолки)

, Вт (3.7)

где – поверхность ограждения (за вычетом поверхности оконных и дверных проёмов), м²; – коэффициент теплопередачи через ограждение, Вт/(м²·°С); – эмпирический поправочный коэффициент.

Некоторые наиболее распространенные конструкции ограждений приведены на рис. 2.1.

– на подогрев инфильтрующего наружного воздуха рассчитывается по выражению

, Вт , (3.8)

где – количество воздуха, поступающего через 1 м длины щели в секунду, кг/(м·с); – длина щели, м; – теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С); – эмпирический поправочный коэффициент;

– на нагревание материалов и транспортных средств, поступающих в помещение

, Вт , (3.9)

Рис. 3.1. Наиболее распространенные конструкции ограждений:

а – боковые стены; б – кровля; в – межэтажные перекрытия; г – полы

где – продолжительность нахождения материалов и транспорт­ных средств в помещении, ч; – суммарная масса поступив­ших извне материалов, кг; – теплоёмкость материалов, кДж/(кг·°С); – температура материала, поступающего в помещение, °С; – эмпирический коэффициент.

Для возможных других случаев тепловые потоки рассчитыва­ются по специальным методикам.

Для составления баланса энергии помещения все статьи энергии в форме тепла суммируются.

Количество влаги, испаряющейся с открытых водных поверхностей, может быть рассчитано по эмпирической зависимости

, кг/с , (3.12)

где – эмпирический коэффициент; – скорость движения воздуха над испаряющейся поверхностью, м/с; ,Р₂ – парциальное давление (упругость) водяных паров в воздухе при его температуре и относительной влажности и на линии насыщения (при 100%) при температуре поверхности испаряющейся воды, Па; – барометрическое давление в помещении, Па; – поверхность зеркала испарения, м².

Для тёплого периода года, когда влагосодержание наружного воздуха больше, чем влагосодержание воздуха внутри помещения, количество влаги, поступающей с инфильтрующим воздухом, определяется из выражения

, кг/с,(3.13)

где – количество воздуха, поступающего через 1м длины щели в секунду, кг/(м·с); – длина щели, м; и – соответственно влагосодержание наружного и внутреннего воздуха, г/кг.

Возможны и другие виды влагопоступлений в помещение, характерные для конкретных технологических процессов. В этом случае влаговыделения определяются специальными методиками или опытным путём.

Если в помещении имеются влагопоглощающие установки или материалы, то необходимо учесть количество поглощённой влаги. Тогда баланс влажности в помещении

(3.14)

Системы вентиляции можно классифицировать по нескольким основным признакам.

По способу перемещения воздуха различают системы естественной и механической (принудительной) вентиляции. При естественной вентиляции воздух перемещается под действием гравитационного давления, возникающего за счет разности плотностей холодного и нагретого воздуха и под действием ветрового давления. Естественные системы вентиляции могут быть неорганизованными и организованными.

В неорганизованных системах естественной вентиляции смена воздуха в помещении происходит через щели, отверстия и другие не плотности в ограждающих конструкциях. По-другому этот способ воздухообмена называют естественным проветриванием.

В организованных системах естественной вентиляции смена воздуха в помещении осуществляется за счёт открывания форточек, оконных фрамуг, специальных фонарей и т.п. По-другому этот способ воздухообмена называют аэрацией. Такие системы могут быть выполнены как без специальной сети воздуховодов (бесканальные системы), так и с применением специальных воздуховодов (канальная система).

При механической вентиляции воздух перемещается под действием вентилятора (принудительно). Нередко применяют и смешанные системы.

По способу подачи и удаления воздуха системы делятся на приточные и вытяжные. Приточные системы предназначены для подачи свежего воздуха в помещение, а вытяжные – для его удаления.

Вытяжные системы вентиляции в зависимости от места удаления вредных выделений, а приточные в зависимости от места подачи свежего воздуха подразделяются на местные, общеобменные и комбинированные.

При местной вытяжной вентиляции отработавший воздух удаляется непосредственно от источника загрязнения (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схемы конструктивных решений местной вытяжной вентиляции:

а – вытяжной шкаф; б – кожух-отсос от заточного станка; в – двухбортовой отсос от технологических ванн; г – местный отсос от сварочного поста; д – зонт над термической печью

При местной приточной вентиляции свежий воздух подаётся локально, непосредственно на рабочее место (рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Схемы конструктивных решений местной приточной

вентиляции:

а – воздушный душ; б -воздушная завеса.

Организация воздухообмена зависит от характера распределения вредных выделений, архитектурно-планировочных решений помещения, его назначения. При общеобменной вентиляции необходимо, чтобы весь подаваемый воздух участвовал в поглощении вредных выделений и удалялся после того, как их концентрация достигнет расчётных значений. Воздух должен равномерно распределяться по помещению, что обеспечивается взаимным расположением приточных и вытяжных отверстий. Наиболее характерные принципиальные схемы воздухообмена приведены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Принципиальные схемы организации воздухообмена:

а – сверху – вниз; б – сверху – вверх; в – снизу – вверх;

г – снизу – вниз

.

Схемы «сверху-вниз» и «сверху-вверх» целесообразно применять, если приточный воздух в холодный период года имеет температуру ниже температуры воздуха в помещении, что наблюдается при наличии теплоизбытков.

Схемы «снизу-вверх» и «снизу-вниз» целесообразно использовать при отсутствии теплоизбытков в помещении.

В общем случае расчёт воздухообмена производится исходя из обеспечения нормируемых параметров путем удаления из помещения вредных выделений. Основными видами вредных выделений являются газовые выделения, пыль, теплота и влага.

Расчёт воздухообмена при выделении вредных газов осуществляется из выражения

м³/ч , (4.1)

где – количество вредных газов, мг/ч; – предельно допустимая концентрация вредных газов в воздухе помещения, мг/м³; – концентрация вредных газов в приточном воздухе, мг/м³.

Расчёт воздухообмена при выделении избыточной теплоты осуществляется по формуле

м³/ч , (4.2)

где – избыточная теплота, выделяющаяся в помещении, кДж/ч; -теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С); – плотность воздуха, кг/м³; и – соответственно, температура удаляемого и приточного воздуха, °С.

Температура в рабочей зоне принимается по СНиП.

Расчёт воздухообмена при наличии избыточных влаговыделений в помещении осуществляется по формуле

м³/ч , (4.3)

где – количество влаги, выделяющейся в помещении, г/ч; и – соответственно, влагосодержание удаляемого и приточного воздуха, определяемое по диаграмме, г/кг.

Если в помещении имеются различные виды вредных выделений, то воздухообмен рассчитывается по каждому из них отдельно и в качестве расчётного принимается максимальный воздухообмен.

Воздух, подаваемый в помещение на вентиляцию, необходимо нагреть до определённой температуры, соответствующей температуре приточного воздуха в зависимости от принятой схемы воздухообмена, назначения помещения, интенсивности выделения теплоты и влаги и т.п. Предварительный подогрев воздуха осуществляется в калориферных установках. Для определения теплопроизводительности калориферных установок производится расчёт тепловой нагрузки на вентиляцию. Расчет тепловой нагрузки осуществляется для холодного периода года.

Вт , (4.4.)

где – количество вентиляционного воздуха, кг/ч; – теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С); и – температура приточного и наружного воздуха в холодный период года.

При известной тепловой нагрузке на вентиляцию рассчитывается требуемая поверхность нагрева калориферных установок

м² , (4.5)

где – коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м²·град); – полезный температурный напор, °С.

Некоторые возможные схемы присоединения калориферных установок представлены на рис. 4.5 и 4.6.

Расчет калориферных установок обычно выполняют в следующей последовательности. Предварительно задаются величиной массовой скорости воздуха в пределах 8-12 кг/(м²·с). Определяют для выбранной модели калорифера проходное сечение по воздуху

м² . (4.6)

Затем выбирают номер калорифера и схему его включения, предварительно определив из величины требуемой поверхности нагрева (см. выражение 4.7) количество калориферов, . После этого определяют истинное значение и при принятом и выполняют уточненный расчет при фактической массовой скорости . Сопоставляют расчётную величину поверхности нагрева калориферной установки с фактически принятой. Решение считается правильным, если расчётная величина поверхности нагрева превосходит фактическую не более, чем на 20 %.

Рис. 4.4. Схемы присоединения калориферных установок при использовании в качестве теплоносителя водяного пара: а – одноходовая параллельная однорядная схема; б – одноходовая параллельная двухрядная схема; I – паропровод, 2 – паровой вентиль, 3 – конденсатный вентиль, 4 – гидрозатвор, 5 – сливная пробка, 6 -конденсатопровод

Рис. 4.5. Схемы присоединения калориферных установок при использовании в качестве теплоносителя горячей воды: а – двухходовая последовательная однорядная схема;

б – многоходовая последовательная двухрядная схема; I – прямая линия сетевой воды, 2 и 5 -водяные вентили, 3 -калач, 4 -сливная пробка, 6 -обратная линия сетевой воды

В качестве примеров естественной вентиляции рассмотрены схемы канальной вытяжной вентиляции без организованного притока воздуха и приточно-вытяжной канальной схемы с организованным притоком воздуха, приведенные на рис. 4.6 и 4.7.

Расчёт систем с естественной вентиляцией сводится к сопоставлению расчетного гравитационного давления и суммарного сопротивления по тракту движения воздуха в вентиляционных каналах. Расчетное гравитационное давление определяется при температуре наружного воздуха 5 °С и предполагается, что все оно расходуется на преодоление сопротивления по тракту вытяжного канала.

Рис. 4.6. Схема устройства вытяжнойвентиляции без организованногопритока воздуха

Рис. 4.7. Принципиальная схема приточно-вытяжной вентиляции с организованным притоком воздуха:

1-воздухоприёмник; 2-калорифер;3-приточные каналы; 4–жалюзийные решетки; 5 – вытяжные каналы; 6 -сборный канал; 7 –шахта

Гравитационное давление рассчитывается по формуле

, Па , (4.7.)

где м/с² – ускорение свободного падения; – вертикальное расстояние от центра оконного проёма соответствующего этажа до устья вытяжной шахты, м; и – соответственно, плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м³.

Расчёт сети каналов осуществляют для каждого участка отдельно и обычно начинают с ветви, для которой расчётное гравитационное давление имеет наименьшее значение, т.е. для каналов верхнего этажа здания. При расчёте сети воздуховодов жилых и общественных зданий прежде всего производят ориентировочный выбор их проходных сечений, исходя из допустимых скоростей движения воздуха. При этом скорость воздуха в каналах верхних этажей принимается м/с, в каналах нижних этажей и сборных каналах на чердаке м/с, в вытяжной шахте м/с.

По ориентировочно принятым размерам каналов на участках сети воздуховодов при принятых скоростях воздуха определяют суммарные потери давления на трение и местные сопротивления.

Как отмечалось выше, в системах естественной вентиляции движение воздуха осуществляется в основном за счёт гравитационного давления. Для его увеличения в устье вытяжной шахты устанавливают специальные насадки-дефлекторы. Усиление тяги происходит благодаря разрежению, возникающему при обтекании дефлектора ветром.

Рис. 4.8. Конструкция дефлектора:1 -цилиндрический патрубок; 2 -диффузор;3 -кольцо; 4 -зонт

Разрежение, создаваемое дефлектором, и количество удаляемого воздуха зависят от скорости ветра, конструкции дефлектора, скорости воздуха в патрубке дефлектора. Одна из конструкций дефлектора приведена на рис. 4.8.

В качестве примеров принудительной вентиляции рассмотрены некоторые типовые схемы организации воздухообмена в помещениях различного назначения

.

Рис. 4.9. Схема приточно-вытяжной принудительной вентиляции здания общественного назначения:

I – вытяжная шахта, 2 – вытяжной вентилятор, 3 – сборный канал, 4 -приточные решётки, 5 – вытяжные решётки, 6 -вытяжные каналы, 7 – воздухоприёмная шахта, 8 -приточные воздуховоды, 9 – приточный вентилятор, 10 -регулирующий клапан, 11 – калорифер

Как правило, приточные вентиляционные камеры с установкой необходимого оборудования располагаются в подвальном помещении, а вытяжные – на чердаке. Воздуховоды в таких помещениях обычно выполняют из неметаллических материалов.

Одна из схем организации воздухообмена в здании производственного назначения приведена на рис.4.10.

Рис. 4.10. Схема приточно-вытяжной принудительной вентиляции здания производственного назначения:

1 и 2 -приточные венткамеры, 3 -приточные шахты, 4 -калориферы, 5 -приточные центробежные вентиляторы, 6 -приточный воздуховод, 7 -приточные решетки, 8 -жалюзийные решетки, 9 -вытяжные осевые вентиляторы

На рис. 4.9. приведена схема приточно-вытяжной принудительной системы вентиляции здания общественного назначения

Схемы вентиляции зданий производственного назначения очень разнообразны и зависят, прежде всего, от характера выполняемых работ и типа установленного оборудования. Воздуховоды в таких помещениях обычно выполняют металлическими круглой, прямоугольной или квадратной формы в соответствии со стандартом.

Одна из схем вентиляции цеха бумагоделательной машины представлена на рис. 4.11.

Приточный воздух забирается с улицы, проходит теплоуловитель второй ступени 2 , где частично нагревается за счёт теплоты удаляемой паровоздушной смеси. Затем часть воздуха после дополнительного подогрева в калорифере 3 вентилятором подаётся в чердачное помещение, откуда через потолочные плафоны 5 сбрасывается в цех. Другая часть приточного воздуха посредством системы воздухораспределения подаётся в рабочую зону через специальные колонки 6.

Рис. 4.11. Принципиальная схема вентиляции цеха бумагоделательной машины:

1 – воздухозаборная решётка; 2, 7 – соответственно, теплоуловитель второй и первой ступени; 3, 8 – калориферы; 4, 9, 11 -вентиляторы; 5 – потолочные плафоны; 6 –воздухораспределительные колонки; 10 – буммашина

Воздух на технологические нужды забирается из цеха, проходит первую ступень теплоуловителя 7 и после дополнительного подогрева в калорифере 8 вентилятором 9 подаётся под колпак машины 10 на сушку бумажного полотна. Удаляется паровоздушная смесь осевым вентилятором 11 в атмосферу.

Расчёт систем приточной и вытяжной вентиляции производится по общепринятой методике на основании расчётной схемы. В качестве примера на рис. 4.12 приведена одна из схем приточной системы принудительной вентиляции.

Рис. 4.12. Расчётная схема приточной системы принудительной вентиляции: 1-4 –номера участков; – объёмы воздуха для соответствующего участка; — скорости движения воздуха на соответствующем участке;

├ – тройник на проходе; > – конфузор; ВП -воздухораспределитель

Схема составляется для наиболее протяжённой ветви сети воздуховодов, а её расчёт начинают с наиболее удаленного участка. Целью аэродинамического расчёта является определение потерь напора (сопротивления) системы распределения воздуха и сопоставление этих потерь со свободным давлением вентилятора.

Потери напора на трение и местные сопротивления рассчитываются по известным методикам для каждого участка отдельно, а затем суммируются.

5.1. Классификация систем кондиционирования воздуха и их основные элементы

Системы кондиционирования воздуха по назначению можно подразделить на комфортные, технологические и комфортно-технологические. В первом случае обеспечиваются нормируемые параметры воздушной среды для человека, во втором случае – параметры технологического процесса, третий случай предполагает обеспечение нормируемых параметров технологического процесса в условиях постоянного пребывания обслуживающего персонала.

По принципу централизации их функций системы кондиционирования различают: центральные, местные, неавтономные и автономные.

В центральных системах источники холода и теплоты централизованы. Распределение воздуха по отдельным помещениям производится с помощью разветвлённых сетей воздуховодов.

Местные неавтономные системы имеют централизованные источники холода и теплоты. Обработка воздуха производится в местных кондиционерах, которые располагают непосредственно в обслуживаемых ими помещениях. В этом случае система распределительных воздуховодов отсутствует. Питание местных неавтономных кондиционеров теплоносителем и хладоносителем производится с помощью трубопроводов, соединяющих эти кондиционеры с центральными источниками теплоты и холода.

Автономные системы отличаются тем, что в каждом кондиционируемом помещении устанавливают автономные кондиционеры с индивидуальными, встроенными в общий корпус кондиционера, холодильными машинами.

По режиму работы кондиционеры подразделяются на круглогодичные, поддерживающие требуемые параметры воздуха в течение всего года, и сезонные, осуществляющие для холодного периода нагрев и увлажнение, а для теплого периода – охлаждение и осушение воздуха.

По давлению, развиваемому вентилятором, системы кондиционирования воздуха различают: низкого давления ( кПа), среднего давления ( кПа), и высокого давления ( кПа).

По схеме обработки воздуха системы кондиционирования бывают прямоточными, характерные тем, что обработке в кондиционере подлежит только наружный (свежий) воздух, и рециркуляционные, характеризующиеся обработкой в кондиционерах смеси наружного и части рециркуляционного (отработавшего) воздуха.

Основными элементами систем кондиционирования воздуха являются: 1) воздушные фильтры, предназначенные для очистки наружного и рециркуляционного воздуха от пыли; 2) воздухонагреватели (калориферы), обеспечивающие необходимый подогрев воздуха; 3) оросительная камера, включающая в себя систему трубопроводов с форсуночными устройствами, предназначенную для разбрызгивания воды; 4) форсунки.

.

В общем случае, расчёт систем кондиционирования воздуха производится на основе избыточных тепловыделений, влаговыделений, содержания вредных газов или пыли. В данном случае, рассматривается вариант расчёта, основанный только на избыточных тепловыделениях.

Прямоточные схемы обычно применяют в тех случаях, когда по условиям запылённости или загазованности использование рециркуляционного воздуха не допускается, и кондиционеры работают только на наружном воздухе. Принципиальная схема прямоточной системы кондиционирования воздуха приведена на рис. 5.1.

В тёплый период года наружный воздух в полном количестве проходит через фильтр, где осуществляется его очистка, поступает в оросительную камеру, в которой разбрызгивается охлажденная вода, имеющая температуру ниже температуры точки росы.

Рис. 5.1. Принципиальная схема прямоточнойсистемы кондиционирования воздуха

При контакте воздуха с капельками воды он охлаждается и осушается, приобретая в конце оросительной камеры заданное влагосодержание при насыщении, обычно равном 95 %. Так как при этом температура воздуха становится ниже необходимой температуры приточного воздуха, то для доведения до указанной температуры воздух после оросительной камеры направляется в калорифер второго подогрева, в котором он нагревается до заданной температуры.

Во избежание механического выноса капель воды на выходе из оросительной камеры устанавливается жалюзийная решётка (каплеуловитель). Обработанный воздух вентилятором подаётся в помещение.

Вода, собирающаяся в поддоне оросительной камеры, поступает в холодильную машину, где она охлаждается до необходимой температуры, и насосом по системе трубопроводов подаётся в форсунки, расположенные в оросительной камере.

В холодный период года наружный воздух в полном количестве поступает в калорифер первого подогрева, в котором он подогревается до той температуры, при которой его теплосодержание будет соответствовать расчётному теплосодержанию адиабатического процесса увлажнения. Затем воздух поступает в оросительную камеру, где происходит адиабатический процесс увлажнения, в результате которого воздух получает заданное влагосодержание при относительной влажности 95 %.

При адиабатическом процессе испарения температура воздуха на выходе из оросительной камеры достаточно близка к температуре мокрого термометра, которая обычно ниже заданной температуры приточного воздуха, поэтому для доведения температуры воздуха до заданной он подвергается дополнительному нагреву в калорифере второго подогрева.

Узел охлаждения и подачи воды в оросительную камеру работает в требуемом режиме. Обработанный воздух вентилятором подаётся в помещение.

Построение процесса обработки воздуха осуществляется на основе принятой прямоточной системы кондиционирования воздуха. Последовательность построения процессов в диаграмме для теплого периода года рассмотрена на рис. 5.2.

Наносится на поле диаграммы точка 1, соответствующая расчетным параметрам наружного воздуха для теплого периода при известной температуре и относительной влажности . Затем наносится точка 2, соответствующая расчетным параметрам внутреннего воздуха при известной температуре и относительной влажности . Анализ взаимного расположения точек 1 и 2 на диаграмме показывает, что общее направление процесса обработки воздуха в теплый период сводится к его охлаждению и осушению. Этот процесс реализуется в камере орошения кондиционера за счет разбрызгиваемой воды, температура которой должна быть ниже температуры точки росы обрабатываемого воздуха.

Рис. 5.2. Процесс обработки воздуха в тёплый период года

При этом следует учитывать два обстоятельства: во-первых, для предотвращения механического уноса капель влаги в систему воздуховодов на выходе из оросительной камеры величина относительной влажности не должна превышать = 95 %; во-вторых, влагосодержание обрабатываемого воздуха на выходе из оросительной камеры должно соответствовать расчетному влагосодержанию воздуха внутри помещения (в точке 2), так как в помещении отсутствуют влаговыделения. Учет этих факторов позволяет на поле диаграммы нанести точку 0, характеризующую параметры воздуха на выходе из оросительной камеры.

Для этого сначала осуществляют построение линии нижней пограничной кривой = 100 % и линии относительной влажности = 95 %. Точка 0 будет находиться на пересечении луча , проведенного из точки 2 вертикально вниз, и линии относительной влажности = 95 %. Соединив точки 1 и 0 прямой линией, получают луч процесса охлаждения и осушения воздуха в оросительной камере кондиционера. Продлив луч процесса 1 – 0 до пересечения с линией = 100 %, определяют точку , температура в которой с известным приближением принимается в качестве конечной температуры охлаждающей воды на выходе из оросительной камеры .

Затем определяют температуру приточного воздуха в помещение. За счет имеющихся в помещении теплоизбытков температура воздуха в рабочей зоне будет повышаться, что дает основание принимать температуру приточного воздуха на 4-6 °С ниже, чем расчетная температура воздуха в помещении. Параметры приточного воздуха характеризуются положением точки 3, расположенной на линии и отстоящей от точки 2 по значению температуры на 4-6 °С.

В теплый период года за счет более высокой температуры окружающего воздуха происходит естественный подогрев воздуха в воздуховодах и самом вентиляторе. Величина этого подогрева оценивается в 1,5-2 °С. Это позволяет определить положение точки 4, характеризующей параметры воздуха на выходе из калорифера второго подогрева. Точка 4 расположена на линии и отстоит от точки 3 по значению температуры на 1,5-2 °С.

Таким образом, окончательно процесс обработки воздуха в теплый период года для прямоточной системы кондиционирования воздуха при наличии в помещении только теплоизбытков осуществляется по линии 1 – 0 – 4 – 3 – 2, где 1 – 0 – процесс охлаждения и осушения наружного воздуха в оросительной камере кондиционера; 0 – 4 – процесс подогрева воздуха в калорифере второго подогрева; 4 – 3 – процесс естественного подогрева воздуха в воздуховодах и вентиляторе; 3 – 2 – естественный подогрев воздуха в помещении за счёт имеющихся там теплоизбытков.

Последовательность построения процесса обработки воздуха в диаграмме для холодного периода года рассмотрена на рис. 5.3.

Наносится на поле диаграммы точка 1, соответствующая расчетным параметрам наружного воздуха для холодного периода года при известной температуре и относительной влажности . Затем наносится точка 2, соответствующая расчетным параметрам внутреннего воздуха при известной температуре и относительной влажности . Анализ взаимного расположения точек 1 и 2 на диаграмме показывает, что общее направление процесса обработки воздуха в холодный период сводится к его нагреванию и увлажнению.

Рис.5.3. Процессы обработки воздуха в холодный период года

Этот процесс реализуется в камере орошения кондиционера за счет разбрызгиваемой воды, температура которой должна быть выше температуры точки росы обрабатываемого воздуха. При этом в оросительной камере кондиционера осуществляется процесс адиабатического увлажнения воздуха.

Процесс адиабатического увлажнения характеризуется равенством между количеством теплоты, полученным поверхностью жидкости от окружающего воздуха, и количеством теплоты, затраченным на испарение. Поступающая к поверхности жидкости от наружного воздуха явная теплота полностью затрачивается на испарение части жидкости, переходя при этом в скрытую теплоту водяных паров. Образовавшиеся водяные пары поступают в окружающий воздух, увеличивая его влагосодержание и теплосодержание. Тем самым воздуху компенсируется снижение его теплосодержания в связи с расходом явной теплоты на испарение. Таким образом, для практических расчетов можно предполагать, что адиабатический процесс увлажнения воздуха осуществляется по линии постоянного теплосодержания .

С учетом условий рассматриваемого варианта на поле диаграммы наносят точку 0, характеризующую параметры воздуха на выходе из оросительной камеры. Для этого сначала осуществляют построение линии нижней пограничной кривой =100% и линии относительной влажности =95 %. Точка 0 будет находиться на пересечении луча , проведенного из точки 2 вертикально вниз, и линии относительной влажности =95 %. Проведя через точку 0 луч процесса адиабатического увлажнения по линии , а через точку 1 линию луча процесса нагревания воздуха в калорифере первого подогрева, получают точку 4 пересечения этих линий, параметры которой определяют состояние воздуха на входе в оросительную камеру.

Затем определяют температуру приточного воздуха в помещении. За счет имеющихся в помещении теплоизбытков температура воздуха в рабочей зоне будет повышаться, что дает основание принимать температуру приточного воздуха на 4 – 6 °С ниже, чем расчетная температура воздуха в помещении. Параметры приточного воздуха характеризуются положением точки 3, расположенной на линии и отстоящей от точки 2 по значению температуры на 4-6 °С. В холодный период года естественного подогрева воздуха в воздуховодах не происходит.

Таким образом, окончательно процесс обработки воздуха в холодный период года для прямоточной системы кондиционирования воздуха при наличии в помещении только теплоизбытков осуществляется по линии 1-4-0-3-2, где 1-4 – процесс нагрева наружного воздуха в калорифере первого подогрева; 4-0 – процесс адиабатического увлажнения воздуха в оросительной камере кондиционера; 0-3 – процесс нагрева воздуха в калорифере второго подогрева; 3-2 – естественный процесс подогрева воздуха в помещении за счет имеющихся там теплоизбытков.

При наличии в помещении только теплоизбытков массовый расход кондиционируемого воздуха для теплого и холодного периодов года можно рассчитать по выражению

кг/с , (5.1)

где – избыточная теплота в помещении, соответственно, для теплого или холодного периода года, Вт; 1.005 – теплоемкость воздуха, кДж/(кг·°С); и – соответственно расчетная температура воздуха внутри помещения для теплого или холодного периода и температура приточного воздуха в соответствующий период (см. диаграммы, рис. 5.2 и 5.3).

Объемный расход кондиционируемого воздуха составит по периодам года

м³/ч (5.2)

где – плотность воздуха, кг/м³.

Холодопроизводительность кондиционера рассчитывается по наиболее напряжённому режиму работы холодильной установки, т.е. для тёплого периода года:

кВт (5.3)

где – массовый расход кондиционируемого воздуха в тёплый период, кг/с; и – соответственно, теплосодержание наружного воздуха и воздуха на выходе из оросительной камеры, кДж/кг (см. диаграмму, рис. 5.2.).

Теплопроизводительность калорифера первого подогрева, работающего только в холодный период года, рассчитывается из выражения

, кВт , (5.4)

где – массовый расход кондиционируемого воздуха в холодный период года, кг/с; и – соответственно, теплосодержание воздуха после калорифера первого подогрева и на входе в него, кДж/кг (см. диаграмму, рис. 5.3)

Теплопроизводительность калорифера второго подогрева, работающего и в тёплый, и в холодный периоды года, рассчитывается раздельно и составляет:

для тёплого периода года

, кВт , (5.5)

где и – соответственно, теплосодержание на выходе и входе калорифера, кДж/кг (см. диаграмму, рис 4.6);

для холодного периода года

, кВт , (5.6)

где и – соответственно, теплосодержание на выходе и входе калорифера, кДж/кг (см. диаграмму, рис. 5.3).

Количество влаги, удаляемой из приточного воздуха в тёплый период года при его осушении, составит

· 10^-3 , кг/с , (5.7)

где и – соответственно, влагосодержание воздуха на входе и выходе оросительной камеры, г/кг (см. диаграмму, рис.5.2).

Количество влаги, поглощаемой приточным воздухом в холодный период года при его увлажнении, составит

· 10^-3 , кг/с , (5.8)

где и – соответственно, влагосодержание воздуха на входе и выходе оросительной камеры, г/кг (см. диаграмму, рис. 5.3).

Кратность воздухообмена по периодам года рассчитывается

ч^-1 , (5.9)

где – объём кондиционируемого помещения, м³.

Мощность электрического двигателя для привода вентилятора рассчитывается из выражения

кВт , (5.10)

где – производительность одного вентилятора, м³/ч; -плотность воздуха, кг/м³; – располагаемый напор вентилятора, Па; – коэффициент полезного действия электродвигателя; – коэффициент запаса.

Требуемый расход воды на орошение определяется из уравнения теплового баланса

кВт , (5.11)

где – холодопроизводительность одного кондиционера, кВт; – массовый расход воды на орошение, кг/с; – температура воды на выходе из оросительной камеры, определяемая по диаграмме (рис. 5.4. температура в точке ), °С; – температура воды на входе в оросительную камеру (на выходе из холодильной машины), принимается на 4 – 6 ^ОС ниже чем , но не ниже 5 °С; = 4,19 – теплоёмкость воды, кДж/(кг·ºС).

Массовый расход воды на орошение может быть выражен

, кг/с . (5.12)

Объёмный расход воды составляет

м³/ч (5.13)

где – плотность воды, кг/м³