829

В соответствии с санитарно – гигиеническими требованиями в объектах обитания системы кондиционирования воздуха должны создавать заданные внутренние условия – температуру, относительную влажность, газовый состав, чистоту и подвижность воздуха. Система организации воздухообмена в помещении должна исключать существование застойных зон и зон повышенной подвижности, обеспечивать равномерность распределения температуры, влажности и подвижности воздуха в рабочей зоне. Уровень шума от работающего оборудования не должен превыше допустимых значений.

Строительно – монтажные требования включают в себя: сокращение площадей помещений для оборудования систем кондиционирования воздуха и их элементов; эстетическую увязку элементов систем кондиционирования с интерьером помещений, обеспечение минимальных затрат времени на монтаж, испытания и наладку систем; звуко – и виброизоляцию движущегося оборудования от элементов строительных конструкций, а также противопожарные мероприятия.

В эксплуатационные требования входит: доступность обслуживания и ремонта модульных систем; герметичность воздуховодов, запорнорегулирующих устройств и других элементов; индивидуальное поддержание в каждом из обслуживаемых помещений требуемых параметров воздушной среды; установка оборудования в ограниченном числе мест;

Экономические требования определяются стоимостью конструкции и расходных материалов; затратами на монтаж и эксплуатационными расходами.

8.2. Процессы обработки воздуха в кондиционерах

8.2.1. Очистка воздуха

Ватмосферном воздухе и в воздухе внутри объектов могут содержаться различные нежелательные примеси как естественного, так и искусственного происхождения. Это обуславливает необходимость осуществлять в системе кондиционирования очистку воздуха от пыли, неприятных запахов, болезнетворных микробов, от токсичных газов и паров, в том числе и от отравляющих веществ.

Всвязи с этим рассмотрим наиболее общие свойства систем, состоящих из газов, взвешенных твердых и жидких частиц. Такие системы, как известно, называют а э р о з о л я м и.

Всоответствии с общепринятой классификацией аэрозоли делят на две

группы:

91

– аэрозоли д и с п е р с и о н н ы е, образующиеся при диспергировании (измельчении, распылении) твердых веществ и при их переходе во взвешенное состояние под действием воздушных потоков;

– аэрозоли к о н д и ц и о н и р о в а н н ы е , образующиеся при объемной конденсация пересыщенных паров в результате газовых реакций, ведущих к образованию летучих продуктов.

Различие между этими двумя группами аэрозолей, помимо их происхождения, заключается в том, что дисперсионные аэрозоли в большинстве случаев грубее, чем конденсационные, обладают большим разнообразием частиц по размерам и форме. Например, игловая форма частиц асбеста сохраняется вплоть до размеров ниже разрешающей способности электронного микроскопа. Длина игл асбеста может превышать их диаметр в несколько сот раз. В конденсационных аэрозолях твердые частицы весьма часто представляют собой рыхлые агрегаты очень большого числа первичных частиц, имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форму. Различают три основных вида аэрозолей: пыль, дым, туман.

Пыль представляет собой дисперсионную аэрозоль с твердыми частицами независимо от их размера. В инженерной практике пылью называют не только среду со взвешенными частицами, но и сами пылевые частицы, составляющие дисперсную фазу аэрозоли. Это упрощение сохранено в дальнейшем изложении.

Дымом называют конденсационную аэрозоль с твердыми частицами независимо от их размера.

Туманы - аэрозоли дисперсионные и конденсационные с жидкими частицами.

Наиболее существенными свойствами аэрозолей являются:

– усиление химической и физической активности вещества вследствие резкого увеличения суммарной внешней поверхности при его диспергировании;

–преломление и рассеивание света;

–способность проникать через мельчайшие отверстия и неплотности. Кроме того, отдельным видам аэрозолей присущи такие свойства, как ток-

сичность, радиоактивность, наличие болезнетворных бактерий на твердых частицах и другие свойства, определяемые составом вещества частиц, составляющих дисперсную фазу аэрозоли.

Количество пыли в атмосферном воздухе может быть весьма различным. В местности со сплошным зеленым массивом, над озерами и реками количество пыли в воздухе составляет менее 1 мг/м3, в промышленных городах – 3…10 мг/м3, в городах с неблагоустроенными улицами – до 20 мг/м3. Размеры частиц колеблются от 0,02 до 100 н. Количество частиц размером 0,5 н и более в воздухе сельской местности достигает 30 • 106 шт./м3, в крупных городах – 125 • 106 шт./м3, в промышленных центрах – 250• 106 шт./м3. Из всех пылинок, находящихся в атмосферном воздухе, частицы размером 0,5 н и меньше составляют более 22% общего числа частиц, а по массе – около 1%.

92

Санитарные нормы России ограничивают среднесуточную предельно допустимую концентрацию нетоксичной пыли в атмосферном воздухе объектов обитания величиной 0,15 мг/м3.

Форма и линейные размеры частиц, составляющих дисперсную фазу аэрозолей, различные. Так размер пыльцы растений равен 10 … 80 н, частиц цементной пыли – 6…80 н, атмосферного тумана – 10…50 н, угольной пыли

– 10 … 35 н, сахарной пудры – 3…8 н, бактерий 0,3…10 н, черного дыма котельных установок 0,25…I н, табачного дыма – 0,01…0,1 н, вирусов –

0,01… 0,1 н.

В зависимости от количества и размеров частиц, отделяемых от воздуха, различают три степени очистки: грубую, среднюю и тонкую.

Грубая очистка применяется при высокой (более 500 мг/м3) начальной запыленности воздуха, при этом конечная концентрация пыли не заедается. Грубая очистка является предварительной или первой ступенью перед средней очисткой. При грубой очистке из воздуха в основном удаляются частицы крупнее 1 мк.

Средняя очистка позволяет задержать частицы крупнее 100 н, Остаточная концентрация обычно составляет 30 … 50 мг/м3.

Тонкая очистка применяется для улавливания самых мелких фракций пыли. Остаточная концентрация пыли – 1…2 мг/м3.

Существует большое количество аппаратов, позволяющих отделить твердые и жидкие частицы от воздуха. Различаются они, прежде всего, природой сил, используемых при удалении частиц, а именно: сил тяжести, инерции и электрического поля, кроме того, молекулярной и турбулентной диффузии.

При удаления крупнодисперсных аэрозолей предпочтение в применении отдают циклонам, сепараторам, лабиринтным пылеосадочным или магнитным камерам и т.п.; при средней и тонкой очистках используются ф и л ь т р ы.

Фильтр (от гр. filtrum – войлок) – устройство для разделения разнородных систем, содержащих газообразную, жидкую и твердую фазы. В практике кондиционирования воздуха наиболее распространенными яв-

ляются пористые фильтры. К пористым фильтрам относят:

– фильтры насыпные и набивные, в них фильтрующий слой образуется из различных материалов (гравий, кокс, металлическая стружка, рези новая крошка, фарфоровые или металлические кольца, синтетические волокна, тонкая проволока и др.), засыпаемых или набиваемых в кассеты;

– сетчатые фильтры, в кассеты которых укладываются металлические перфорированные листы, стальные проволочные сетки и сетки из синтетических материалов, нередко смачиваемые водой или специальными сортами масел;

– волокнистые фильтры, к которым относит большую группу фильтрующих элементов, снаряженных различными тканями, бумажными или волокнистыми материалами природного либо синтетического происхождения. Волокна в фильтрующих слоях пропитаны связующими веществами или связаны в прочный слой в процессе изготовления. Волокнистые слои могут иметь различную структуру – от очень плотной, типа бумаги или картона до едва свя-

93

занной структуры типа ваты или ватина. Эффективность волокнистых слоев также колеблется в очень широких пределах.

Пылезадерживающая способность большинства пористых фильтров основана на осаждении и удержании находящихся в воздухе твердых частиц при соприкосновении с поверхностями элементов, составляющих фильтрующий слой. Процесс задержания твердых частиц в пористых фильтрах объясняется проявлением следующих основных эффектов:

–лабиринтного эффекта, который обнаруживается при поворотах запыленного воздушного потока в извилистых каналах фильтрующего слоя;

–ударного эффекта, проявляющегося при ударе твердых частиц о стенки каналов;

–ситового эффекта, проявляющегося в том, что частицы, имеющие размеры больше входных отверстий канала, застревают;

–электростатического эффекта взаимодействия зарядов, образующихся на волокнах пористого фильтра, с аэрозолями. Заряженное волокно создает вокруг себя неоднородное электрическое поле. Частицы поляризуются этим полем и притягиваются к поверхности волокна. Электрические заряды на волокнах в большинстве случаев нестабильны и быстро исчезают вследствие проводимости волокна и под влиянием влажности.

В конструктивном отношении волокнистые фильтры подразделяются на две труппы: ячейковые и рулонные.

Ячейковые волокнистые фильтры бывают плоские, карманные и складчатые. Плоские фильтры заполняются рыхлыми волокнистыми материалами, в карманных фильтрах променяют материалы с повышенным сопротивлением и, соответственно, с повышенной эффективностью. В складчатых фильтрах используют еще более плотные материалы, которые укладываются в фильтр так, что образуют развитую фильтрующую поверхность. Как правило, фильтрующий материал после использования выбрасывают, однако имеются материалы, которые можно использовать по- вторю после очистки их путем отряхивания, промывки или продувки.

Движение воздуха в процессе фильтрации через слой тонковолокнистого

фильтрующего материала ламинарное, поэтому при расходе воздуха в количестве 36 м3/(м2 • ч) со скоростью фильтрации 1 см/с сопротивление чистого слоя составляет 15… 20 Па. При расходе воздуха 150 м3(м2 • ч) сопротивление чистого слоя повышается до 150…460 Па. Сопротивление загрязненного фильтра принимают в два раза большим, чем сопротивление ЧИСТОГО фильтра, но

не выше 400 … 600 Па. Пылеемкость тонковолокнистого материала невелика и составляет около 10 г на 1 м2 фильтрующего материала..

К существенным недостаткам пористых фильтров относится их сравнительно небольшая пылеемкость, в связи с чем возникает необходимость заменять и регенерировать фильтрующей материал.

Характеристики некоторых фильтров приведены в Приложении, табл. 9.

8.2.2. Тепловлажностная обработка воздуха

94

Такой процесс обработки воздуха, когда одновременно происходит приращение или потеря тепла и влаги, называется т е п л о в л а ж - н о с т н о й обработкой.

На рис. 8.1 этот процесс изображен лучом, соединяющим точки А и Б, характеризующие начальное и конечное состояния воздуха. Наклон

при разных угловых коэффициентах, рис. 8.2.

П е р в ы й с л у ч а й . Воздух, характеризуемый точкой А, доводится до состояния с параметрами в точке Б, При этом воздухом поглощается одновременно теплота и влага, причем i Б > i А И dБ > dА. В ЭТОМ случае направление искомого луча процесса будет характеризоваться отношением

.

и соответствовать нагреванию и увлажнению воздуха.

95

Ч е т в е р т ы й с л у ч а й . Воздух (точка Д) отдает теплоту и влагу

(i Д i А И dД dА ) т. е. проходит процесс охлаждения и осушения воздуха. Направление луча процесса

Так как приращения теплоты и влагосодержания имеют отрицательные значения, то направление луча процесса будет от точки А к точке Д.

П я т ы й с л у ч а й. Воздух (точка Е) отдает влагу (dЕ dА ) при постоянной энтальпии (i Е i А ), т. е. протекает процесс осушки воздуха при помощи абсорбентов. Направление луча процесса

Но так как приращение влагосодержания будет отрицательным, то направление луча процесса будет от точки А к точке Е.

Ш е с т о й с л у ч а й . Воздух (точка Ж) подвергается нагреванию в калориферах при постоянном влагосодержании (dЖ = dА ).

Так как i Ж > i А , ТО направление луча процесса

96

В этом случае приращение энтальпии положительное, отсюда, направление луча процесса будет вверх от точки А.

Следовательно, направление луча наглядно характеризуют процесс тепловлажностной обработки воздуха в системе кондиционирования.

Расчет тепловлажностной обработки воздуха с использованием id – диаграммы упрощается, если на нее нанесен так называемый у г л о в о й м а с ш т а б.

Угловой масштаб – это нанесенный на id – диаграмму расходящийся из точки со значениями i = 0 и d = 0 пучок линий с известными угловыми коэффициентами.

Рис. 8.3. Процессы обработки воздуха

97

3) воздух нагревается и увлажняется одновременно, процесс АБ. Различные варианты тепловлажностной обработки воздуха подробно

рассмотрены в .

Температура воздуха при обработке изменяется как за счет теплопередачи в теплообменном аппарате, так и за счет теплоты фазового перехода при испарении или конденсации водяных паров.

В кондиционерах роль теплообменных аппаратов для нагрева воздуха выполняют калориферы (см. с. 51). Для охлаждения воздуха используются теплообменники с низкотемпературным теплоносителем, в основном это испарители паровых компрессорных холодильных машин. Кроме ПКХМ в кондиционерах возможно использование и других способов снижения температуры воздуха.

При обработке воздуха при кондиционировании наиболее сложными в технологическом плане являются процессы осушки и увлажнения.

Очистка воздуха от паров воды называется осушкой. При осушке уменьшается влагосодержание влажного воздуха. В самом общем случае для объектов приемлемы два способа осушки: первый – охлаждением воздуха до температуры ниже температуры точки росы, и второй – использованием веществ, поглощающих водяные пары.

Первый способ реализуется в аппаратах контактного типа или с использованием поверхностных воздухоохладителей. В кондиционерах к аппаратам контактного типа относят так называемые камеры орошения. Их функционирование определяется задачами обработки воздуха. Например, в одной из них навстречу движущемуся воздуху впрыскиваются капли воды с температурой ниже температуры точки росы воздуха. При контакте с такими каплями воздух будет осушаться. Но в данном случае ограничена глубина осушки, Так, чтобы снизить влагосодержание воздуха с 10…12 г/кг до 5…6 г/кг, температура воды должна быть около 00С.

Если воздух омывает поверхность теплообменника с температурой как правило ниже 00 С, то пары воды из воздуха конденсируются на поверхности и кристаллизуются, образуя иней (осуществляется процесс вымораживания).

Достоинством рассмотренного способа является универсальность его оборудования, обеспечивающего не только осушку, но и другие процессы обработки воздуха. К недостаткам относят необходимость последующего нагрева воздуха при подаче в объект.

Второй способ осушки воздуха может быть осуществлен с о р б е нт а

м и.

Сорбентами называются вещества, способные при соприкосновении с воздухом поглощать из него в значительных количествах водяные пары.

Для осушки воздуха в сорбционных установках применяют четыре вида поглотителей:

98

1)жидкие поглотители (абсорбенты) – вещества, изменяющиеся физически или химически при осушке воздуха (растворы хлористого кальция, хлористого лития, бромистого лития, также диэтиленгликоль);

2)твердые поглотители (адсорбенты) – вещества, не изменяющиеся физически в процессе осушки воздуха. К твердым сорбентам относятся различные гели (силикагель, алюмогель, феррогель и т.д.), активированный уголь и др.;

3)твердожидкие поглотители – вещества, которые в процессе осушки воздуха и поглощения воды из него переходят из твердого состояния в жидкое (хлористый кальций и хлористый литий). Процесс поглощения влаги у таких сорбентов протекает сначала, как у твердых, а затем, после изменения их агрегатного состояния, как у жидких сорбентов. В практике кондиционирования и технологической осушки воздуха твердожидкие сорбенты применяются очень редко;

4)гигроскопические волокнистые материалы.

Процесс поглощения влаги твердыми сорбентами называют а д с о р б ц и е й, жидкими сорбентами – а б с о р б ц и е й.

Особыми требованиями, определяющими пригодность сорбентов для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, являются:

– химическая нейтральность к углекислому и другим газам, которые могут находиться в осушаемом воздухе;

– неагрессивность по отношению к металлам, исключающая возможность их коррозии;

– нетоксичность, а также отсутствие резких и неприятных запахов сорбента н его паров;

– легкость регенерации для восстановления начальных свойств после насыщения влагой.

Кроме того, применение сорбентов экономически может быть оправдано лишь при их невысокой стоимости н незначительных эксплуатационных расходах, сравнительно с другими способами осушения.

Исходя из этих требований, в системах вентиляции и кондиционирования при осушке воздуха широко используется твердый сорбент – силикагеь.

Силикагель, высушенный гель поликремневой кислоты. По химическому составу силикагель – двуокись кремния Si O2 (кремнезем), по структуре – высокопористое тело, образованное мельчайшими сросшимися сферическими частицами. Получают силикагель следующим образом: действуют на раствор силиката натрия или калия (жидкое стекло) соляной или серной кислотой, а затем затвердевший продукт дробят на куски, промывают водой, сушат, измельчают, фракционируют и прокаливают для удаления влаги. Объемная масса силикагеля колеблется а пределах 640…750 кг/м3 Для осушения воздуха применяется силикагель с размером зерен 1… 3 мм.

Важным свойством, определяющим адсорбционную способность силикагеля, является его сильно развитая капиллярная структура. Объем капилляров в зерне составляет 40 – 50 % oт его общего объема, а поверхность капилляров в 100 раз больше наружной поверхности зерна. Степень осушки силикагелем высокая – может понизить влагосодержание воздуха до температуры

99

точки росы – 500 С, а 1 кг силикагеля может адсорбировать до 450 г водяных паров. Применять силикагель рекомендуется при температуре воздуха не выше 35 °С, так как при более высоких температурах поглотительная способность силикагеля снижается. Температура регенерации силикагеля 100…120 0С, срок эксплуатации – около 10 лет.

8.2.3. Ионизация и озонирование воздуха

Для улучшения микроклимата в обитаемых объектах желательно использовать ионизацию и озонирование воздушной среды. Воздух, обогащенный легкими отрицательными ионами, благоприятно сказывается на жизнедеятельность человека, продуктивность животных и птицы,.

Сухой атмосферный воздух имеет весьма стабильный химический состав. Отрицательные а э р о и о н ы образуются в результате захвата электрона при взаимном столкновении нейтральных атомов или молекул газов, находящихся в воздухе. Из всех газов, присутствующих в воздухе, в значительной концентрации имеется кислород, который способствует в образовании аэроионов. Атомы и молекулы кислорода образуют отрицательные ионы О- и О2-. Наиболее вероятным является присоединение свободного электрона к молекуле О2, менее вероятен этот процесс для О3 и О. Молекула углекислого газа способна образовывать только положительные ионы. Молекула воды не способна образовывать устойчивые отрицательные ионы после разрыва связей НО—Н и О—Н, что подтверждают экспериментальные данные. Доля остальных газов в атмосферном воздухе, и, следовательно, вероятность образования их ионов мала.

Концентрация в атмосфере легких аэроионов обеих полярностей зависит от местности, где расположен объект обитания. На рис. 8.2 показана

Рис. 8.4. Зависимость концентрации аэроионов от расположения объекта:

1 – в горах; 2 – в сельской местности; 3 – в городских поселках; 4 – в крупных городах

100