Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
второй класс — для обеспечения оптимальных санитарных или технологических норм при допускаемых отклонениях в среднем 250 ч/г при
круглосуточной работе или 175 ч/г при односменной работе в Дневное время;
третий класс — для обеспечения допускаемых метеорологических условий, если они не могут быть обеспечены вентиляцией, или промежуточных
условий между допускаемыми и оптимальными нормами при экономическом обосновании; допускаемые отклонения за пределами расчетных
параметров наружного воздуха — 450 ч/г при круглосуточной работе или 315 ч/г при односменной работе в дневное время.
В зависимости от расположения кондиционеров по отношению к обслуживаемым помещениям системы кондиционирования воздуха (СКВ) делятся на
центральные и местные, а по типу кондиционеров — на неавтономные и
автономные [2, 10].
Центральные СКВ имеют в нашей стране наибольшее распространение. Они оборудованы неавтономными кондиционерами, снабжаемыми извне
холодом, теплотой и электрической энергией. Центральные системы кондиционирования воздуха с кондиционерами, которые располагаются вне
обслуживаемых помещений, обслуживают одно большое помещение, несколько зон такого помещения или много отдельных помещений. В некоторых
случаях несколько центральных систем обслуживают одно
помещение больших размеров.
Системы с кондиционерами, устанавливаемыми внутри или в непосредственной близости к обслуживаемым помещениям, называются местными.
Местные СКВ оборудуются неавтономными или автономными кондиционерами; последние снабжаются извне только электрической энергией.
Производительность местных систем по воздуху, как правило, не превышает 20 тыс. м
3
/ч.
Неавтономные системы делятся на воздушные, подающие в обслу-живаемое помещение только воздух, и водовоздушные, подающие воздух и воду,
несущие теплоту или холод в теплообменники, установленные в обслуживаемых помещениях.
По давлению, создаваемому вентиляторами центральных кондици-онеров, СКВ подразделяются на системы низкого давления (до 1000 Па), среднего
давления (от 100 до 3000 Па) и
высокого давления (выше 3000 Па).
По периоду действия СКВ разделяются на круглогодичные, для теплого периода (охладительно-осушительные) и для холодного периода
(нагревательно-увлажнительные) [7].
Системы кондиционирования воздуха могут иметь качественное, : количественное и количественно-качественное регулирование.
Процессы обработки воздуха в системах кондиционирования достаточно подробно рассмотрены как в специальной учебной литературе, так и
конкретно
для предприятий пищевой промышленности.
4. 2. Основные физические свойства влажного воздуха
В системах кондиционирования воздух подвергается различным видам обработки, направленным на изменение его тепловлажностного состояния, т. е.
температуры влажности, теплосодержания.
Атмосферный воздух можно рассматривать как состоящий из сухой части и водяных паров. Сухая часть воздуха является смесью газов. В нее входят
азот (78% по объему), кислород (21%), инертные газы (около 1%), в основном аргон, а также в небольших количествах углекислота и другие газы.
Содержание указанных компонентов в сухом воздухе более или менее стабильно. Количество
же водяных паров в атмосферном воздухе измеряется в
широких пределах и зависит от климатических условий и времени года. Поскольку в атмосферном воздухе имеется то или иное количество водяных
паров, он может рассматриваться как влажный воздух.
Давление влажного воздуха в системах кондиционирования близко к атмосферному, а парциальные давления пара в нем невелики. При этих
параметрах с достаточной степенью точности к влажному воздуху могут быть применены основные законы идеальных газов.
Согласно закону Дальтона атмосферное (барометрическое) давление может быть представлено как сумма давлений сухого воздуха и водяных паров:
Рσ = Рс.в. + Рв.п, (4.1)
где Р с.в. - парциальное давление сухого воздуха, Па; Р в
.п. - парциальное давление водяных паров, Па.
Сухая часть воздуха и водяные пары, входящие в состав влажного воздуха, занимают весь объем и имеют одинаковую температуру.
Для влажного воздуха и входящих в его состав сухого воздуха и водяных паров могут быть составлены следующие характеристические уравнения
идеальных газов:
для сухой части воздуха Р
с.в. V = G с.в. R с.в. Т, (4.2)
для водяных паров Рв.п. V = Gв.п. Rвп., (4.3)
для влажного воздуха Р в.в. V = Gв.в. R вв. Т, (4.4)
где Р в.в. давление влажного воздуха, которое принимается равным
атмосферному давлению;
G с.в. - масса сухой части воздуха;
R
C.B.
- газовая постоянная сухой части воздуха, Дж/(кгхК)
(Rс.в. =287 Дж/(кг * К));
G
в.в.
— масса водяного пара;
R
в.п.
. — газовая постоянная водяных паров, Дж/(кгхК) (R
в.п.
=463 Дж/(кгхК));
G
в.в.
— масса влажного воздуха;
R
в.в.
— газовая постоянная влажного воздуха, Дж/(кг х К); V — объем влажного воздуха; Т — температура, К. Газовая постоянная для влажного воздуха
определяется из выражения:
Относительная влажность ф (в %) показывает степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражает отношение абсолютной влажности воздуха
е при данном состоянии к абсолютной влажности его при полном насыщении при
тех же значениях температуры и давления е
mах
. изменяется
количество водяных паров, содержащихся в воздухе, содержание же сухого воздуха остается постоянным. Поэтому при расчетах процессов, связанных
с увлажнением и осушкой воздуха, удобно пользоваться единицей измерения влажности, которая бы выражала отношение переменного количества
водяных паров к неизменной массе сухого воздуха.
Такой единицей является влагосодержание d', которое отражает количество водяных паров,
кг, приходящееся на 1 кг сухой части влажного воздуха.
(4.5)
Применяют следующие характеристики влажности воздуха. Абсолютная влажность атмосферного воздуха е (в г/м
3
), или плотность водяного пара,
представляет собой массу водяных паров, содержащихся в единице объема атмосферного воздуха при определенных давлении и температуре.
Абсолютную влажность можно определить из характеристического уравнения для водяных паров, приняв V=l м
3
. Тогда масса водяных паров,
определенная из этого уравнения, выражает величину абсолютной влажности:
Относительная влажность может быть также выражена отношением парциального давления водяных паров при данном состоянии р к парциальному
давлению этих паров при полном насыщении воздуха Рн (в %):
При обработке в системах кондиционирования влажного воздуха
(4.6)
где
рσ — полное барометрическое давление, Па.
Численные значения d' обычно являются малой величиной, поэтому в практических расчетах удобнее пользоваться влагосодержанием (в г влаги на 1
кг сухой части влажного воздуха), для которого предыдущая формула приобретает вид:
d= 1000 d' = 623 р
в.п.
/ (Pσ - Рв.п.).
Относительная влажность воздуха с достаточной точностью (2-3% в сторону уменьшения) может быть вычислена как отношение действительного
влагосодержания d к влагосодержанию при полном насыщении d
H
:
Удельную теплоемкость сухого воздуха с
с.в.
и удельную теплоемкость водяного пара с
в.п.
в обычном для кондиционирования воздуха диапазоне
температур можно считать постоянными и равными: с
с.в.
= 1,005 кДж/(кг°С) и с
в.п.
= 1,8 кДж/(кг°С).
Энтальпия влажного воздуха — количество теплоты, необходимое для нагревания от 0 °С до данной температуры такого количества влажного воздуха,
сухая часть которого имеет массу 1 кг.
Удельную энтальпию сухого воздуха при t=0 °C принимают равной нулю. При произвольном значении температуры
J
с.в
. = С
с.в.
х t Теплота парообразования для воды при t=0 °С равна г = 2500 кДж/кг. Энтальпия пара J
в.п.
во влажном воздухе при этой температуре
рав-на г. При произвольной температуре:
J
в.п.
. = 2500+ l,8t. (4.7)
Энтальпия влажного воздуха J складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров. Энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг
сухой части влажного воздуха, при произвольной температуре t и влагосодержании d' равна:
(4.8)
Введем в данную формулу характеристику теплоемкости влажного воздуха с
в
= l,005t + l,8d/1000. В результате получим:
(4.9)
В результате конвективного теплообмена воздуху передается явная теплота, температура воздуха повышается и, соответственно, увеличивается его
энтальпия.
При поступлении водяного пара от внешних источников в воздух передается теплота парообразования и энтальпия воздуха возрастает. Изменение
энтальпии водяного пара в этом случае происходит за счет увеличения его массы. Температура воздуха при этом остается
неизменной.
При температуре воздуха ниже 0 °С энтальпия его имеет отрицательное значение.
4.3. Диаграмма J-d влажного воздуха
Расчет изменения состояния атмосферного воздуха с помощью уравнений для идеального газа требует выполнения громоздких вычислений. Более
простым и удобным является расчет с помощью J-d-диаграммы, предложенной Л. К. Рамзиным в 1918 году. В координатах J-d наносят зависимости
основных параметров
влажного воздуха: температуры, влагосодержания, относительной влажности, энтальпии и парциального давления водяных
паров при заданном барометрическом давлении (рис. 4.1). По оси ординат откладывают энтальпию на 1 кг сухого воздуха, а по оси абсцисс —
влагосодержание воздуха (в г на 1 кг сухого воздуха). J-d-диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом между осями 135 °С. Такая
система позволяет расширить на диаграмме область ненасыщенного влажного воздуха, что делает ее удобной для графических построений. В
настоящее время в проектной практике широко используется J-d-диаграмма с углом между осями 150°. Диаграммы с таким углом наиболее удобны при
графоаналитическом решении задач кондиционирования воздуха. Линии постоянной энтальпии (J=const) проходят под углом 135° (150°) к ординатам,
а линии
постоянного влагосодержа-ния (d=const) располагаются параллельно оси ординат.
Рис. 4.1. J-d-диаграмма влажного воздуха.
В связи с тем, что область диаграммы, расположенной между горизонталью, проведенной из начала координат, и осью абсцисс, не представляет
интереса для расчетов с влажным воздухом, ее в диаграмме обычно не приводят. Значение влагосодержания d переносят с оси абсцисс на
вспомогательную горизонтальную координатную ось и называют ее условно осью
абсцисс.
Масштабы для J, d как независимых переменных могут быть выбраны произвольно. На полученной таким образом сетке, состоящей из
параллелограммов, строят линии изотерм t=const, линии постоянных относительных влажностей ф =const и линии парциальных давлений водяного
пара Р
вп
.
Для построения изотерм пользуются уравнением:
J = 2,5d + l,005t + l,8 * l0
-3
td,
которое является уравнением прямой линии. Таким образом, изотермы представляют собой прямые линии и могут быть построены по двум точкам,
например при d = 0 и d
макс
. Изотермы не параллельны между собой, так как угол их наклона к горизонтальной оси различен. При низких температурах
непараллельность изотерм почти незаметна.
Кривую с относительной влажностью ф = 100% строят по данным таблиц насыщенного воздуха. Область диаграммы выше этой кривой относится к
области ненасыщенного влажного воздуха, а область диаграммы ниже кривой насыщения (ф =100%)
характеризует состояние перенасыщения
влажного воздуха. В этой области насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой среде (туман). Так как эта часть диаграммы не
представляет интереса при расчетах, связанных с влажным воздухом, ее не строят. В этой части диаграммы обычно наносят линию парциального
давления пара.
Значения парциального давления пара откладывают на
вспомогательной прямой в правой части диаграммы. Каждая точка на поле диаграммы
соответствует определенному состоянию воздуха. Положение точки определяется любыми двумя из пяти (J, d, t, ф, р
п
) параметрами состояния.
Исключение составляет сочетание параметров р
п
и d, которые имеют однозначную взаимосвязь. Остальные три параметра могут быть определены по J-
d-диаграмме как производные. Когда состояние влажного воздуха характеризуется точкой А (рис. 4.2), лежащей выше кривой ф = 100%, водяной пар
в воздухе находится в перегретом состоянии. Если состояние влажного воздуха характеризуется точкой A
1
(на кривой насыщения ф = 100%), то
водяной пар в воздухе находится в насыщенном состоянии. И, наконец, если заданная точка А
2
лежит ниже кривой насыщения, то температура
влажного воздуха ниже температуры насыщения и в воздухе находится влажный пар, т. е. смесь сухого насыщенного пара и капелек воды.
Рис. 4.2. Схема определения параметров воздуха с помощью J-d-диаграммы.
В проектной практике J-d-диаграмму используют не только для определения параметров состояния воздуха, но и для построения изменения его
состояния при нагревании, охлаждении, увлажнении, осушении, смешении, при произвольной последовательности и сочетании этих процессов. На J-d-
диаграмме могут быть построены еще два параметра, которые широко используются при расчетах вентиляции и кондиционирования воздуха, —
температура точки росы t
p
и температура мокрого термометра t
M
.
Температурой точки росы воздуха t
p
называется температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при
сохранении постоянного влагосодержания. Для определения температуры точки росы необходимо на поле J-d-диаграммы из точки, характеризующей
заданное состояние влажного воздуха, провести прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с кривой Ф = 100%. Изотерма, пересекающая в
этой точке кривую насыщения, будет
характеризовать температуру точки росы t
p
.
Температурой мокрого термометра t
M
является такая температура, которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и
сохранении постоянной энтальпии воздуха, равной начальной. Для определения температуры мокрого термометра необ-
ходимо на поле J-d-диаграммы через точку, соответствующую состоянию влажного воздуха, провести линию J=const до пересечения с кривой ф
=100%. Изотерма, проходящая через точку пересечения, соответствует значению температуры воздуха по мокрому термометру.
Процессы изменения термовлажностного состояния воздуха на J-d-диаграмме
Процессы изменения термовлажностного состояния воздуха происходят постоянно в атмосфере, помещениях, а также в системах вентиляции и
кондиционирования. Воздух подвергается нагреванию, охлаждению, увлажнению, осушке, происходит смешивание влажного воздуха различных
параметров.
Нас интересуют процессы изменения состояния влажного воздуха, связанные с его обработкой и перемещением в системах вентиляции и
кондиционирования, а также процессы, происходящие в помещениях, обслуживаемых этими системами.
Все эти процессы могут быть изображены и прослежены на J-d-диаграмме.
Рассмотрим в общем виде переход воздуха из начального состояния 1 (параметры J
1
и d
1
) в конечное состояние 2 (параметры J
2
и d
2
).
Параметры, характеризующие конечное состояние воздуха, определяются из уравнений:
(4.11)
(4.12)
где Q — количество теплоты, поглощенной или выделенной воздухом, кДж;
G
c
в
— масса сухого воздуха, кг;
W — масса влага, поглощенной или выделенной воздухом, кДж/кг; i
w
— энтальпия влаги, поглощаемой или выделяемой воздухом, кДж/кг;
d'
1
, d'
2
— влагосодержание воздуха состояний 1 и 2, кг/кг; i
w
= с
w
t
w
где c
w
— удельная теплоемкость воды, кДж/кг°С; t
w
— температура воды, °С.
Изменение энтальпии и влагосодержания воздуха рассчитывают по уравнениям:
(4.13)
(4.14)
Откуда:
(4.15)
Данное выражение является общим уравнением, описывающим переход воздуха из одного состояния в другое.
Процессы перехода воздуха из одного состояния в другое на поле J-d-диаграммы изображаются прямыми линиями (лучами), проходящими через точки,
соответствующие начальному и конечному состоянию влажного воздуха.
Уравнение перехода представляет собой уравнение пучка прямых, положение которых на J-d-диаграмме определяется
точкой начального состояния
воздуха 1 (J
1
, d
1
) и величиной тепловлажностного коэффициента е, представляющего собой отношение изменения энтальпии воздуха к изменению его
влагосодержания:
где е — тепловлажностный коэффициент линии процесса, характеризующий изменение состояния воздуха, кДж/кг.
Характер изменения состояния воздуха определяется значением тепловлажностного коэффициента е. Рассмотрим характерные случаи изменения
состояния влажного воздуха и их изображение на J-d-диаграмме.
1. Влажный воздух, имеющий начальные параметры J
1
, d
1
подвергается нагреванию при неизменном влагосодержании, т. е. d
1
= d
2
=const.
Нагревание при постоянном влагосодержании осуществляется, например, в воздухоподогревателях. При нагревании воздуха повышается его
температура, энтальпия, понижается относительная влажность. Изображение процесса нагревания в J-d-диаграмме наиболее просто.