Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 4.3. Изображение на J-d-диаграмме процессов изменения состояния воздуха при нагревании без подвода и отвода влаги (линия 1-2), нагревании с
одновременным увлажнением (линия 1-3), увлажнении без подвода и отвода теплоты (линия 1-4), охлаждении без подвода и отвода влаги (линия 1-5),
охлаждении с одновременным осушением (линия 1-6), осушении без подвода и отвода теплоты (линия 1-7).
Луч процесса изображается
вертикальной прямой, параллельной линии d=const, и направлен снизу вверх (рис. 4.3). Точка 1 соответствует начальному
состоянию воздуха, точка 2 — конечному.
Величина тепловлажностного (углового) коэффициента при J
2
> J
1
будет равна:
2. Влажный воздух поглощает одновременно тепло и влагу (т. е. нагревается и увлажняется).
Если начальное состояние воздуха определяется теми же параметрами J
1
и d
1
(точка 1), а конечное состояние будет определяться параметрами J
3
и d
3
,
то при J
3
>J
1
и d
3
>d
1
направление луча процесса будет характеризовать отношение:
что соответствует направлению луча процесса 1-3 (рис. 4.3).
Такое изменение параметров влажного воздуха обычно происходит в обслуживаемых помещениях. В этом случае воздух, обработанный в кондиционере
с параметрами J
1
, d
1
, поступает в помещение,
где в результате ассимиляции теплоты и влаги приобретает параметры J
3
, d
3
3. Влажный воздух поглощает влагу (d
4
>d
1
) при неизменной энтальпии (J
4
=J
1
).
Так, если процесс происходит при постоянной энтальпии, то луч, характеризующий это изменение состояния, должен быть параллелен линии J=const.
Величина углового коэффициента искомого луча будет равна:
Данное выражение показывает, что процесс протекает по линии j
1
= J
4
=const (прямая 1-4). Такие процессы называют адиабатными, т. е.
протекающими при постоянной энтальпии воздуха. Адиабатное увлажнение, т. е. повышение влагосодержания воздуха при постоянной энтальпии,
широко применяется в системах кондиционирования. Процесс осуществляется в оросительной камере, где с помощью форсунок производится
распыление воды.
Воздух усваивает около 3% распыленной воды. Остальная часть падает в поддон камеры
и насосами вновь подается к форсункам. Температура воды
постепенно устанавливается равной температуре воздуха по мокрому термометру. Воздух, находясь в контакте с водой, имеющей температуру мокрого
термометра t
M
, теряет явную теплоту, которая затрачивается на испарение воды. В то же время воздух получает такое же количество скрытой теплоты
с водяными парами.
Энтальпия воздуха остается постоянной, поскольку притока теплоты со стороны практически нет, J
1
=J
4
=const.
Процесс изображен на J-d-диаграмме (рис. 4.3). Точка 1 показывает начальное состояние воздуха. Изменение состояния происходит по линии J=const
и может теоретически идти до точки 4, расположенной на линии ф =100%. Однако практически в камерах орошения воздух удается увлажнить до
значения ф =90-95%. Этому состоянию соответствует точка 4.
4. Влажный воздух отдает теплоту (J
5
<J
1
) при неизменном влаго-содержании (d
1
=d
5
= const), т. е. процесс, как и в первом случае, будет
характеризоваться лучом, параллельным линии d=const, но направление его будет от точки 1 не вверх, а вниз. Значение тепловлажностного
коэффициента будет равно:
Охлаждение воздуха при d=const, как и нагревание, может быть осуществлено в поверхностных теплообменниках. Луч процесса охлаждения
направлен из точки 1 вертикально вниз к точке 5. При дальнейшем охлаждении луч может быть вертикально продолжен до точки росы 5,
расположенной на линии ф =100%. Дальнейшее охлаждение будет идти по линии насыщения и сопровождаться конденсацией водяных паров и
осушкой воздуха. Охлаждение влажного воздуха при d=const может осуществляться лишь до точки росы.
5. Влажный воздух отдает теплоту (J
6
<J
1
) и влагу (d
6
<d
1
), т. е. происходит охлаждение и осушка воздуха.
Значение углового коэффициента в этом случае будет равно:
В этом случае приращение энтальпии и приращение влагосодер-жания имеют отрицательные знаки, поэтому направление процесса изменения
состояния будет характеризоваться лучом 1-6, имеющим направление от точки 1 к точке 6.
Такой процесс может происходить как в камере орошения кондиционера, так и в других установках для обработки воздуха. Для охлаждения и осушки
воздуха в оросительной
камере должна установиться температура ниже точки росы, что достигается подачей к распылительным форсункам
охлажденной воды (от холодильной установки или артезианской скважины).
6. Влажный воздух, имеющий параметры J
1
, d
1
, отдает влагу (d
7
<d
1
) при постоянной энтальпии (J
7
= J
1
=const), т. е. воздух изоэнтальпически
осушается. При этом тепловлажностный коэффициент равен:
Так, приращение влагосодержания будет отрицательным, но направление луча процесса будет от точки 1 к точке 7.
Процесс осушки воздуха при J=const можно осуществить при помощи абсорбентов, например концентрированных растворов солей хлористого кальция
(СаС1
2
), хлористого лития (LiCl), бромистого лития (LiBr) и др., а также при помощи адсорбентов (силикагель —
Si0
2
, алюмогель — А1
2
0
3
и др.). Применение твердых влагопогло-тителей — адсорбентов — позволяет получить почти абсолютно сухой воздух.
Особенно рекомендуется применять их в тех случаях, когда воздух требуется осушить и одновременно нагреть.
В результате перехода воздуха из одного состояния в другое энтальпия и влагосодержание изменяются, причем отклонение энтальпии AJ и
влагосодержания могут быть положительными, отрицательными и
равными нулю.
В зависимости от знака ∆J и ∆d область возможных процессов изменения состояния воздуха в J-d-диаграмме можно разделить на 4 сектора (рис. 4.3).
В секторе 1 значения ∆J и ∆d могут быть только положительными; как частный случай на границе с сектором II ∆J=0 (адиабатный процесс) и на
границе с сектором IV ∆d=0 (нагрев воздуха при
постоянном влагосодержании).
В секторе I осуществляются процессы нагревания воздуха с одновременным его увлажнением; тепловлажностный коэффициент изменяется в пределах
0 ≤ e
1
≤ +∞ ; в данном секторе температура воздуха может повышаться (луч 1-2) и понижаться (луч 1-4).
Процессы могут происходить при контакте воздуха с водой, имеющей температуру выше температуры воздуха по мокрому термометру:
t
w
>
t
m
В секторе II ∆J со знаком минус, ∆d со знаком плюс, т. е. увлажнение воздуха сопровождается снижением его энтальпии и температуры. Значения
тепловлажностного коэффициента составляют -∞ ≤ e
2
≤ 0.
Процесс можно осуществить, увлажняя воздух водой с температурой выше точки росы, но ниже температуры мокрого термометра:
t
p
< t
w
< t
m
В секторе III ∆J и ∆d со знаком минус, т. е. в этом секторе происходят процессы охлаждения воздуха с одновременным его осушением.
Температура воздуха повышается (луч 1-7) или понижается (луч 1-5).
Процесс происходит при контакте воздуха с водой, имеющей температуру ниже точки росы:
t
w
< t
p
Значения тепловлажностного коэффициента e
3
всегда положительны 0 ≤ e
3
≤ ∞.
В секторе IV значение ∆J положительное, ∆d — отрицательное, кроме частных случаев на границах с секторами III и I, когда они, соответственно,
равны нулю.
Таким образом, в данном секторе происходит осушка воздуха при одновременном повышении энтальпии и температуры.
Такой процесс может быть осуществлен при применении веществ, поглощающих воду из воздуха с одновременным
нагревом воздуха. ' Угловой
коэффициент изменяется в пределах -∞ ≤ e
4
≤ 0.
. Значения е позволяют количественно оценить процессы изменения состояния воздуха. Большие абсолютные значения е характеризуют тепловые
процессы, а небольшие — влажностные.
На поле J-d-диа-граммы линии процессов изменения состояния воздуха наносят путем непосредственного построения, с помощью транспортира
углового масштаба (рис. 4.4) и используя значения угловых коэффициентов г, нанесенных на полях J-d-диаграммы (рис
. 4.1). Для нанесения на J-d-
диаграмму линии заданного процесса изменения состояния воздуха методом непосредственного построения (прямая Н-В, см. рис. 4.4) необходимо
предварительно определить значение тепловлажностного коэффициента е по формуле:
Рис. 4.4.
где а и b являются приращением координат энтальпии и влагосодер-жания относительно точки Н. Их можно выбрать произвольно, но отношение
должно быть постоянным и равным е / 1000. На поле J-d-диаграммы наносят линии постоянной энтальпии J
B
и
постоянного влагосодержания d
в
, отстоящие от точки Н соответственно на расстоянии ∆J=a и ∆d=b. На пересечении линий J
B
и d
B
находят точку В.
Линия Н-В является графическим выражением искомого луча, характеризующего заданное направление изменения тепловлажност-ного состояния
воздуха.
Для облегчения нанесения лучей на поле J-d-диаграммы рекомендуется применять транспортиры углового масштаба. На транспортире отмечены
деления с указанием численных значений е от -∞ до +∞, а также отношение масштабов энтальпий и
влагосодержания, которому соответствует данный
транспортир. При нанесении заданного направления луча процесса с помощью транспортира углового масштаба необходимо, чтобы отношение
масштабов, отмеченное на транспортире, соответствовало отношению масштабов энтальпии и влагосодержания на J-d-диаграмме.
Нанесение на поле J-d-диаграммы линии процесса с тепловлаж-ностным коэффициентом е = 18000 кДж/кг из заданной точки П с помощью
транспортира
углового масштаба приведено на рис. 4.4.
Для того чтобы провести на J-d-диаграмме луч процесса, можно также использовать нанесенные на полях диаграммы деления (риски) угловых
коэффициентов. Все они сходятся в начале координат — точке О. Изменения состояния воздуха с одинаковыми тепловлажност-ными отношениями
изображаются на J-d-диаграмме параллельными линиями.
Если известны тепловлажностные отношения е и начальные параметры воздуха, то для построения луча процесса необходимо данное деление (риску)
соединить с началом координат и перенести линию углового коэффициента параллельно самой себе до встречи с точкой, которая характеризует
начальные параметры воздуха.
Смешивание воздуха с различными параметрами
При расчете системы вентиляции и кондиционирования воздуха
часто приходится определять параметры смеси воздуха, например наружного воздуха с
рециркуляционным и т. п.
J-d-диаграмма позволяет графически определить параметры, характеризующие состояние смеси воздуха различных состояний.
На рис. 4.5 показана методика нахождения параметров смеси. Точка С, характеризующая параметры смеси, лежит на прямой, соединяющей точки,
соответствующие параметрам смешанного воздуха (Н и В).
Рис. 4.5. Схема определения параметров смеси воздуха при расположении точки смеси С выше линии ф =100%.
Если смешиваемые количества воздуха равны по массе, то точка С будет находиться на равном расстоянии от точек Н и В, т. е. посередине отрезка НВ.
При смешивании неравных количеств воздуха точку С можно найти из условия, что она делит отрезок НВ на части, обратно пропорциональные массам
смешиваемого воздуха. Это правило вытекает из уравнения теплового баланса при смешивании воздуха состояния Н с воздухом состояния В:
G
н
J
н
+ G
в
J
в
= (G
H
+G
B
)J
C
,
(4.16)
где G
H
и G
B
— масса воздуха состояний Н и В, кг;
J
H
и J
B
— энтальпия воздуха состояний Н и В, кДж/кг. Уравнение баланса влаги:
G
H
d
H
+ G
B
d
B
= (G
H
+G
B
)d
c
, (4.17)
где d
H
и d
B
— влагосодержание воздуха состояний Н и В, г/кг; d
c
— влагосодержание смеси воздуха, г/кг. Из уравнений теплового баланса и баланса по
влаге определяют энтальпию и влагосодержание смеси
(4.18)
(4.19)
При перенасыщении влагой смеси воздуха линия смешения может пересекать пограничную кривую ф = 100% (линия Н-В на рис. 4.6). Тогда точка С,
характеризующая параметры смеси, попадает в область тумана. Тогда при смешивании происходит конденсация водяных паров и выпадение
конденсата из воздуха, который уносит теплоту, соответствующую его энтальпии. Выделяющаяся при конденсации теплота испарения
приводит к
незначительному подогреву воздуха.
Рис. 4.6. Схема определения параметров смеси воздуха при расположении точки смеси С ниже линии ф =100%.
Действительное состояние смеси воздуха характеризуется точкой С", лежащей на линии ф = 100%. Энтальпию и влагосодержание точки С" определяют
с помощью уравнений:
J
с
" = J
c
+ ∆i, (4.20)
d
с
" = d
c
+∆W, (4.21)
где J
c
, J
с
"— энтальпия воздуха состояний С и С", кДж/кг; ∆i — энтальпия сконденсировавшейся влаги, кДж/кг; d
c
, d
с
"— влагосодержание воздуха
состояний С и С"; ∆W — количество сконденсировавшейся влаги, кг/кг;
∆i = c
w
t
w
∆W. (4.22)
Откуда
(4.23)
Данное уравнение можно решить методом подбора точки на линии ф =100% (параметры J
с
", d
с
", t
w
), которой характеризуют действительное состояние
воздуха после смешивания.
Практически количество выпадаемой влаги настолько незначительно, что можно пренебречь различием в значениях J
c
и J
с
" и за точку,
характеризующую конечное состояние смеси, принять точку С', лежащую на пересечении линий J
c
=const и ф =100%.
4.4. Тепло- и влагообмен между воздухом и водой
В системах кондиционирования для обработки воздуха непосредственным контактом с водой используются оросительные форсуночные камеры и
орошаемые насадки, которые позволяют изменить параметры воздуха в широком диапазоне. В зависимости от времени года принимаются следующие
характерные случаи изменения параметров воздуха: в холодный период — адиабатное
увлажнение, контактный нагрев и увлажнение; в теплый период
— охлаждение с осушкой, охлаждение при постоянном влагосодержании, охлаждение с увлажнением.
Процессы тепломассообмена в установках кондиционирования в основном зависят от явлений, теплопроводности, диффузии и конвекции. Лучистый
теплообмен в связи с незначительным влиянием обычно не учитывается. Перенос теплоты и массы будет происходить при различии
потенциалов в
разных точках среды. Разность температур отдельных точек среды определяет перенос теплоты, а различие парциальных давлений — перенос массы.
Изменения температур и парциальных давлений протекают различно как в пространстве, так и во времени. На практике с целью упрощения обычно
принимают, что процессы переноса протекают стационарно.
В контактных аппаратах изменение состояния воздуха будет зависеть от температуры воды.
В том случае, когда температура воды ниже температуры воздуха по мокрому термометру, но выше температуры точки росы, температура воздуха при
контакте с водой будет понижаться. В результате испарения влаги влагосодержание воздуха будет увеличиваться, а теплосодержание понижаться.
Уменьшение теплосодержания объясняется тем, что количество скрытой теплоты, поступающей в воздух с водяными парами, будет меньше, чем
количество явной теплоты, отданной воздухом при контакте с водой на повышение температуры не-испарившейся воды.
В том случае, когда температура воды ниже температуры точки росы охлажденного воздуха, воздух будет охлаждаться и осушаться.
И наконец, когда температура воды
равна температуре точки росы воздуха, не насыщенного водяными парами, будет происходить охлаждение без
влагообмена. В этом случае не будет происходить увлажнение воздуха или выпадение конденсата, так как отсутствует потенциал для переноса влаги
(парциальное давление водяных паров в воздухе и в пограничном слое над поверхностью воды одинаково). В J-d- диаграмме такой процесс
обработки
воздуха изображается прямой, направленной по линии d=const.
Когда воздух обрабатывается рециркуляционной водой, вода через некоторое время приобретает постоянную температуру, равную температуре
мокрого термометра. Это объясняется тем, что теплота, отданная воздухом, полностью расходуется на испарение воды. Пары воды, поступающие в
воздух, возвращают ему эту теплоту, но только в скрытом виде. Процесс обработки
воздуха на J-d-диаграмме изображается прямой, направленной по
линии J=const.
В этом случае воздух понижает температуру, отдавая явную теплоту при контакте с водой, и увлажняется. Теплосодержание в этом процессе остается
практически постоянным, поэтому такой процесс тепловлагообмена принято называть адиабатным.
Уравнение теплообмена между воздухом и водой при непосредственном контакте
В камерах орошения кондиционеров
при отсутствии теплообмена с окружающей средой должен соблюдаться тепловой баланс между количеством
теплоты, отданной воздухом, и количеством теплоты, воспринятой водой. Уравнение теплового баланса можно записать в виде:
(4.24)
где G
K
— количество воздуха, проходящего через оросительную камеру, кг/ч;
J
1
, J
2
— энтальпия воздуха до и после камеры орошения, кДж/кг; W — количество воды, вступающей в контакт с воздухом, кг/ч; c
w
— массовая
теплоемкость воды, кДж/кг-°С; t
wh
, t
wk
— температура воды, подаваемой в камеру орошения и отводимой из нее, °С. Разделив обе части уравнения
(4.24) на G
k
, получим:
>
(4.25)
Отношение W/G
K
называется коэффициентом орошения. Коэффициент орошения ц показывает, какое количество воды, разбрызгиваемой в камере
орошения, приходится на 1 кг воздуха, проходящего через камеру.
Тогда
(4.26)
При расчете систем кондиционирования воздуха принимают во \ внимание также зависимость теплосодержания воздуха от температу- 1 ры его по
мокрому термометру. Учитывая указанную зависимость, ] уравнение теплового баланса (4.24) можно представить в следующем 1 виде:
(4.27)
где t
M1
, t
M2
— температура воздуха по мокрому термометру на входе в камеру орошения и на выходе из нее, °С.
Из уравнений (4.24) и (4.27) следует, что интенсивность теплообмена между разбрызгиваемой водой и воздухом зависит от разности температур
воздуха по мокрому термометру и воды. Чем больше разность между температурами воздуха и воды, тем больше теплоты отдает
или принимает воздух.
Полное количество теплоты, обмененное между водой и воздухом и отнесенное к 1 м
2
поверхности контакта, кДж/(м
2
ч), равно q
n
=q
я
+q
c
, где q
n
—
полное количество теплоты, q
я
— количество явной теплоты, q
c
— количество скрытой теплоты.
Передача теплоты при явном теплообмене может происходить при разности температур путем теплопроводности, конвекции и излучения. Поскольку
воздух обладает малой теплопроводностью, а теплообмен путем излучения в камерах орошения незначителен, эти два вида передачи теплоты в
практических расчетах не учитываются. Под явным теплообменом, происходящим в камерах, понимается только теплота, переданная путем конвекции.
Скрытый теплообмен определяется теплотой парообразования и происходит в результате поглощения воздухом или выделения из него влаги
вследствие разности парциальных давлений.