Классификация систем кондиционирования и их применение

 

Системы кондиционирования воздуха можно классифицировать по нескольким признакам.

По назначению системы кондиционирования подразделяются на комфортные, технологические и комфортно-технологические. Первые предназначены для обеспечения оптимальных (комфортных) санитарно-гигиенических условий для людей и применяются в жилых, общественных и промышленных зданиях. Технологические системы должны обеспечивать поддержание в производственных помещениях условий воздушной среды, необходимых для выполнения технологических процессов, надежности работы оборудования, хранения изделий и т. п. В некоторых случаях создают локальные системы технологического кондиционирования, обеспечивающие нужные условия воздушной среды, непосредственно у технологического оборудования или внутри его. Комфортно-технологические системы обеспечивают необходимые параметры воздушной среды для людей и технологического оборудования.

По сезонности обеспечения требуемых параметров воздуха в помещениях системы кондиционирования подразделяются на круглогодичные и сезонные: круглогодичные системы обеспечивают режим во все периоды года, сезонные—в один из периодов (теплый или холодный), в зависимости от климатических особенностей района.

По месту обработки воздуха системы кондиционирования могут быть центральными и местными: в центральных системах воздух обрабатывается в кондиционерах, размещаемых в отдельных помещениях, и по системе воздуховодов подается в обслуживаемые данной системой помещения, в местных—кондиционер располагается в обслуживаемом им помещении.

В больших общественных и промышленных зданиях иногда применяют комбинированные (многозональные) системы. В этом случае первичная обработка воздуха осуществляется в центральных кондиционерах, а приведение параметров приточного воздуха в соответствие с требованиями для каждого помещения—в местных доводчиках. В однозональных системах обработка наружного воздуха до необходимых параметров приточного воздуха осуществляется окончательно в центральном кондиционере. Такая схема применима в случаях, когда во все помещения можно подавать воздух с одинаковыми параметрами.

По принципу централизации систем тепло- и холодоснабжения системы кондиционирования воздуха подразделяются на автономные и неавтономные; в автономных системах каждый кондиционер имеет свою систему тепло- и холодоснабжения, в неавтономных—тепло и холод приготовляются централизованно и по трубопроводам подводятся к кондиционерам.

В зависимости от использования наружного и рециркуляционного воздуха из помещений системы кондиционирования бывают прямоточные и с рециркуляцией воздуха. В прямоточных системах используется только наружный воздух, который обрабатывается в кондиционере, подается в помещения и после отработки в них выбрасывается наружу. В системах с рециркуляцией в кондиционер поступает наружный воздух и воздух из помещений. После обработки смесь подается в кондиционируемые помещения, откуда воздух частично выбрасывается наружу, а частично вновь подается в кондиционер на рециркуляцию. Существуют системы кондиционирования, где используется только рециркуляционный воздух из помещений, который после обработки в кондиционере вновь поступает в них.

Тепло- и массообмен между воздухом и водой в камерах орошения

В системах кондиционирования широкое распространение получила обработка воздуха водой, основанная на том, что при соприкосновении воздуха с открытой поверхностью воды в общем случае происходит перенос массы вещества (влаги) и теплоты, сопровождающийся изменением его тепловлажностного состояния.

Перенос влаги происходит вследствие ее испарения с открытой поверхности воды или конденсации из воздуха у поверхности воды; в соответствии с этим влагосодержание воздуха увеличивается или уменьшается.

Направление переноса влаги зависит от количества водяных паров в воздухе и температуры поверхности воды. При температуре поверхности воды ниже температуры точки росы воздуха последний при соприкосновении с водой охлаждается и водяной пар в нем превращается в конденсат, переходящий (выпадающий) из воздуха в воду. В результате воздух осушается. При температуре поверхности воды выше точки росы воздуха будет происходить обратный процесс, приводящий к испарению воды и увлажнению воздуха.

Обработка воздуха водой в системах кондиционирования осуществляется в специальных камерах, называемых камерами орошения. В них воздух обрабатывается при прохождении через дождевое пространство, образованное разбрызгиванием воды, или через смачиваемый заполнитель.

Преимущественное распространение получили форсуночные камеры, выпускаемые серийно как секции кондиционеров. В таких камерах, представляющих собой емкости в виде параллелепипеда, разбрызгивание воды осуществляется форсунками, монтируемыми на гребенках из двух или трех рядов труб.

На входе и выходе из камеры устанавливаются сепараторы, предназначенные для выравнивания потока воздуха на входе, улавливания капель воды на выходе, а также для защиты рабочего объема камеры от облучения калориферами, которые в кондиционере монтируются по концам камеры. Сепараторы представляют собой набор зигзагообразных пластин, между которыми проходит воздух. Камеры оборудуются системами трубопроводов, запорной и регулирующей арматурой, обеспечивающими работу на заданном режиме.

Эффективность работы камеры обеспечивается расчетом и зависит от числа рядов форсунок, количества распыляемой воды, тонкости распыления, вида процесса, осуществляемого в камере. В типовых форсуночных камерах коэффициент эффективности составляет 75—99 %.

Нужная начальная температура воды обеспечивается регулированием смешивания циркуляционной воды из поддона и воды, подводимой извне, с температурой, обеспечивающей получение требуемой температуры смеси.

Тепло- и массообмен в поверхностных воздухоохладителях

Поверхностные водоохладители по своей конструкции и принципу действия аналогичны калориферам. В них, как и в калориферах, обрабатываемый воздух проходит между трубами. Охлаждающая среда, отводящая от воздуха теплоту и поддерживающая температуру поверхности труб на нужном уровне, движется внутри труб. В качестве охлаждающей среды в поверхностных воздухоохладителях используются холодная вода, растворы солей или жидкости, кипящие при низкой температуре (фреоны и др.).

В системах кондиционирования воздуха применяются воздухоохладители, трубы которых имеют оребрение, выполненное из стали, меди или алюминия. Поверхностные воздухоохладители имеют некоторые конструктивные отличия от калориферов (размеры, шаг ребер и др.). Однако в качестве воздухоохладителей могут использоваться обычные калориферные секции при подаче в них холодной воды.

В системах кондиционирования воздуха применяются неорошаемые и орошаемые воздухоохладители. В неорошаемых воздухоохладителях могут осуществляться процессы обработки воздуха двух видов: охлаждение без изменения влагосодержания и охлаждение с осушением.

Охлаждение без изменения влагосодержания происходит, если средняя температура охлаждающей поверхности выше температуры точки росы воздуха. Если средняя температура охлаждающей поверхности воздухоохладителя ниже температуры точки росы воздуха, то вместе с охлаждением воздуха будет происходить осушение за счет выпадения на рабочей поверхности труб воздухоохладителя конденсата из воздуха. Таким образом, процесс обработки воздуха будет осуществляться в результате его контакта с водой, стекающей по трубам воздухоохладителя.

В орошаемых воздухоохладителях вода разбрызгивается из форсунок на рабочую поверхность охладителя и, стекая по ней в поддон, получает ту же температуру, что и рабочая поверхность. Поэтому орошение поверхности труб можно производить циркуляционной водой из поддона.

В орошаемых воздухоохладителях можно получить те же процессы обработки воздуха, что и в камерах орошения. Для этого необходимо в трубы подавать холодоноситель нужной температуры. При необходимости получения адиабатического процесса подача холодоносителя в трубы не производится.

Центральные однозональные системы кондиционирования воздуха

Такие системы кондиционирования воздуха применяются для обслуживания одного или нескольких помещений с одинаковыми нормативами температурно-влажностных параметров.

Центральные кондиционеры, в которых осуществляется обработка воздуха, собираются на месте из отдельных типовых секций, изготовляемых на заводах. Они имеют производительность по воздуху до 250 тыс. м.куб./ч. Намечаются к выпуску кондиционеры производительностью до 500 тыс. м.куб./ч.

Кондиционеры производительностью сотни тысяч кубических метров в час имеют длину десятки метров и высоту до 5—6 м. Для монтажа секций таких кондиционеров поставляются отдельные их элементы, причем корпуса некоторых секций выполняются на месте из монолитного железобетона и отделываются кафелем или другим материалом.

В центральных кондиционерах используют различные схемы тепловлажностной обработки воздуха. В соответствии с этим кондиционеры могут быть прямоточными, обрабатывающими только наружный воздух, а также с одной или двумя рециркуляциями—обрабатывающими смесь наружного и рециркуляционного воздуха.

Наружный воздух через открытый утепленный клапан поступает в промежуточную секцию, очищается от пыли в фильтрах, в холодный период года подогревается в секциях первого подогрева, затем обрабатывается в камере орошения, при необходимости подогревается в секциях второго подогрева и вентилятором направляется в помещения. Секции подогрева имеют калорифер со сдвоенным (двухпроходным) клапаном около него, позволяющим регулировать теплосъем с калорифера путем изменения расхода воздуха через калорифер и через байпас в обход калорифера.

В секции фильтров для очистки воздуха от пыли устанавливаются часто самоочищающиеся масляные фильтры (особенно при большей запыленности воздуха). Промежуточные секции кондиционера предназначены для обслуживания рабочих секций.

Системы кондиционирования с первой рециркуляцией применяются при необходимости снижения требуемой теплоотдачи калориферов первого подогрева в холодный период, а также холодопроизводительности камеры орошения в теплый период года. Применение рециркуляции целесообразно в холодный период, если обеспечивается существенное снижение теплопроиз-водительности калориферов, и в теплый период—если теплосодержание внутреннего воздуха ниже, чем наружного.

Применение в системах кондиционирования второй рециркуляции позволяет в ряде случаев избежать необходимости постановки калориферов второго подогрева.

Кроме рассмотренных выше кондиционеров, применяются и другие: с байпасом, замкнутые, двухступенчатые.

Схема с байпасом может использоваться для прямоточного кондиционера и кондиционера с первой рециркуляцией. При такой схеме калориферы второго подогрева не предусматриваются и подогрев камерного воздуха осуществляется теплым воздухом, пропускаемым по байпасу в обход камеры.

В замкнутой системе используются только рециркуляционный воздух из помещений, который проходит обработку в кондиционере и вновь подается в помещения. При этом отпадает необходимость в калорифере первого подогрева.

При двухступенчатой схеме, применяемой для летнего кондиционирования, охлаждение воздуха осуществляется в две ступени: предварительное нерегулируемое охлаждение в камере I орошения или в поверхностном охладителе и окончательное регулируемое охлаждение в камере II орошения с последующим доведением камерного воздуха до состояния приточного по обычным схемам. При этом холодная вода из системы холодоснабжения подается в камеру II, а предварительное охлаждение в первой ступени осуществляется отработавшей водой из второй ступени. В результате происходит более глубокое охлаждение.

Центральные многозональные системы

Многозональные системы применяются при необходимости подачи в отдельные кондиционируемые помещения приточного воздуха с различными температурно-влажностными параметрами. Такая необходимость возникает в случае разных требований к воздушной среде в помещениях, а иногда даже и при одинаковых требованиях—в помещениях с разной ориентацией по сторонам света или расположенных на разной высоте в высотных зданиях и др.

В многозональных системах воздух, обработанный в центральном кондиционере, окончательно доводится до нужных параметров непосредственно перед поступлением в отдельные зоны или в помещения с разными требованиями к воздушной среде.

Применяется несколько схем многозональных СКВ. Простейшая из них—многозональная система с регулированием расхода воздуха. Она рассчитывается на максимальные расходы приточного воздуха для каждой зоны, но с учетом коэффициента одновременности этих расходов. Регулирование параметров приточного воздуха осуществляется изменением его расхода в каждой зоне. От датчиков температуры, установленных в кондиционируемых помещениях, командный импульс поступает на исполнительные механизмы, регулирующие степень открытия воздушных клапанов.

В многозональных системах с позонным подогревом или охлаждением приточного воздуха в каждой зоне устанавливается доводчик—нагреватель или охладитель воздуха. Регулирование степени подогрева (охлаждения) воздуха осуществляется изменением количества циркулирующего через доводчик теплоносителя (хладоносителя). Объем приточного воздуха в этом случае остается постоянным.

В многозональных двухканальных системах имеется два центральных кондиционера. В одном из них приготовляется горячий воздух, в другом — холодный, подаваемые самостоятельными воздуховодами к специальным смесительным устройствам. Терморегуляторы, устанавливаемые в помещениях, обеспечивают получение смеси необходимой температуры.

Холодоснабжение систем кондиционирования воздуха

Для холодоснабжения систем кондиционирования воздуха используются естественные и искусственные источники холода. К естественным источникам относятся артезианские воды, воды холодных рек и озер; лед; естественное испарение воды в устройствах испарительного охлаждения.

Лед для использования в системах кондиционирования намораживается толщиной 2,5—3 м в зимний период и закрывается слоем теплоизоляции для сохранения на теплое время года. В системах кондиционирования воздуха при помощи льда охлаждается вода, подаваемая в кондиционер для охлаждения воздуха. Охлаждение воды льдом осуществляется в специальных теплообменниках или танках, через которые пропускается охлаждаемая вода.

Охлаждение воды в системах испарительного охлаждения (брызгальные бассейны, градирни, камеры орошения) происходит за счет отдачи скрытого тепла при ее испарении в воздухе. Охлажденная таким образом вода используется в системе кондиционирования.

В брызгальных бассейнах охлаждаемая вода разбрызгивается под давлением из труб через форсунки вверх в виде фонтана. При движении капель воды в воздухе происходит ее испарение и, следовательно, охлаждение. Охлажденная вода собирается в бассейне и подается для использования. Брызгальные бассейны эффективно работают при небольшом ветре, увеличивающем интенсивность испарения.

В градирнях вода в виде пленки и капель стекает сверху вниз по развитой поверхности и испаряется. Развитая поверхность внутри градирни образуется путем установки многочисленных решеток из дерева или другого материала, перекрывающих многими ярусами внутренний объем градирни. По внешнему виду градирня представляет собой параллелепипед, усеченный конус или усеченную многоугольную пирамиду, в верхнюю часть которой на решетчатое заполнение подается теплая вода. Охлажденная вода собирается в нижней части градирни. Для увеличения интенсивности испарения, а следовательно, и охлаждения, производят продувку воздуха через градирню вентилятором. В этом случае градирня называется вентиляторной.

Камеры орошения для охлаждения воды работают в режиме возможно большего испарения воды, что достигается подбором соответствующих расходов воздуха и воды, а также тонкости распыления воды форсунками.

Системы испарительного охлаждения эффективны в районах с сухим и жарким климатом. Однако охлаждения воды, достигаемого в рассматриваемых системах, обычно недостаточно для ее использования при кондиционировании для непосредственного охлаждения воздуха до нужных параметров. Поэтому системы испарительного охлаждения обычно используются в сочетании с системами искусственного холодоснабже-ния для отвода теплоты от конденсаторов холодильных машин. Воду, подаваемую в кондиционер, охлаждает в этом случае холодильная машина.

В качестве искусственных источников холодоснабжения для систем кондиционирования воздуха используются компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные холодильные установки.

Наиболее широкое распространение для холодоснабжения систем кондиционирования воздуха имеют компрессионные холодильные машины.

В качестве холодильных агентов используются жидкости, кипящие в испарителе при температуре, обеспечивающей охлаждение среды, от которой должна быть отведена теплота, до нужной температуры. К таким жидкостям относятся фреон, аммиак и др. Наибольшее распространение для систем кондиционирования воздуха получили фреоновые холодильные машины. В случае применения аммиачных машин в силу ядовитости аммиака должно применяться двухконтурное охлаждение. В испарителе, в котором находится аммиак, должен охлаждаться промежуточный холодоноситель (вода, соляной раствор). Охлаждение холодоносителя, используемого непосредственно для охлаждения воздуха в системе кондиционирования, производится в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом в системе холодоснабжения.

Отепленная в кондиционерах вода собирается в бак отепленной воды, из которого насосами холодильной установки подается в испарители холодильных машин. Из них охлажденная вода направляется в бак холодной воды, являющийся аккумулятором холода, из которого по мере необходимости насосами кондиционеров подается в камеры орошения или воздухоохладители для обработки воздуха.

В систему холодоснабжения часто включают несколько холодильных установок, что обеспечивает возможность работы их на оптимальных режимах в зависимости от требуемой хо лодопроизводительности в различные периоды, а также лучшие условия эксплуатационного содержания.

Аккумулятор холода в системе холодоснабжения необходим для экономической работы холодильных машин. В этом случае холодильные машины могут работать периодически на наиболее оптимальных режимах, создавая запас холода в аккумуляторе на некоторый период работы кондиционеров. Управление работой систем холодоснабжения, как и кондиционеров, осуществляется системой автоматики.

Выводы

Для поддержания необходимых метеорологических условий микроклимата в производственных и жилых помещениях применяются системы кондиционирования. Они обеспечивают необходимые параметры воздушной среды для людей и технологического оборудования. В системах кондиционирования эта задача решается по принципу общеобменной вентиляции с регулированием количества и параметров приточного воздуха в соответствии с режимом его изменения в помещениях. Кондиционеры широко применяются в жилых, общественных и промышленных зданиях.

 

 

Литература

 

1. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; Под общ. ред. С.В. Белова. – М.: Высш. шк., 1999.

2. Прохоров В.И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. – М.: Стройиздат, 1980.

3. Атек - вентиляция, кондиционирование, центральные кондиционеры, промышленные кондиционеры http://www.atek.ru.

4. Кондицинирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. Справочник. http://www.lennox.ua.