СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК F24F3/00 

Изобретение относится к способам кондиционирования воздуха и может быть использовано при комфортном и комфортно-технологическим кондиционировании воздуха в теплонапряженных помещениях и на предприятиях промышленности.

Известен способ кондиционирования, включающий подогрев наружного воздуха в холодное время года (первый подогрев), смешение подогретого наружного воздуха с внутренним в переменном количественном соотношении, увлажнение смеси и ее подогрев (второй подогрев) до температуры приточного воздуха, подаваемого в кондиционируемое помещение [1].

В теплый период года первый подогрев не работает. Наружный воздух смешивают с внутренним в постоянном количественном соотношении, затем смесь воздуха проходит влажностную обработку путем охлаждения и осушения до температуры точки росы приточного воздуха, далее охлажденную и осушенную смесь воздуха нагревают во втором подогреве до температуры приточного воздуха.

Таким образом, в данном способе используют первый подогрев для нагревания наружного воздуха, смешение наружного подогретого воздуха о внутренним, увлажнение или охлаждение с осушением смеси и подогрев смеси после влажностной обработки (второй подогрев).

В холодное время используют подогрев наружного воздуха до минимальной положительной температуры (5-7^oC), смешение подогретого наружного воздуха с внутренним в переменном количественном соотношении до энтальпии смеси, равной энтальпии точки росы приточного воздуха, увлажнение смеси до температуры точки росы приточного воздуха, подогрев увлажненной смеси до температуры приточного воздуха.

В теплое время года используют смешение наружного воздуха с внутренним в постоянном количественном соотношении с минимальным количеством наружного воздуха, соответствующим санитарной норме по кислороду, охлаждение и осушение смеси воздуха до температуры точки росы приточного воздуха, подогрев охлажденной и осушенной смеси до температуры приточного воздуха.

Такой способ обработки воздуха обеспечивает круглогодичное полное кондиционирование, т.е. поддержание на заданном уровне двух параметров воздуха в помещении: температуры и относительной влажности. Температура воздуха поддерживается путем изменения расхода теплоты во втором подогреве, а относительная влажность - путем поддержания заданной температуры точки росы приточного воздуха. Температура точки росы в теплое время года поддерживается путем изменения степени охлаждения и осушения смеси, а в холодное время года - путем изменения расхода теплоты в первом подогреве и количественного соотношения наружного подогретого воздуха с внутренним.

Данный способ называется в технике кондиционирования способом кондиционирования с первым подогревом наружного воздуха и вторым подогревом смеси воздуха.

Недостатком известного способа является то, что в нем расходуется теплота в первом и втором подогреве в холодный период года и во втором подогреве в теплый период года, а также имеет место расход холода на охлаждение и осушение смеси в теплый период года. Кроме того, данный способ характеризуется повышенными расходами теплоты и холода на поддержание заданных параметров воздуха в помещениях, т. к. базируется на принципе регулирования относительной влажности путем поддержания постоянной температуры точки росы приточного воздуха.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ тепловлажностной обработки воздуха, который аналогичен по основным признакам вышеописанному способу, но отличается от него тем, что в холодный период года наружный воздух сначала смешивают с внутренним, а затем полученную смесь нагревают в первом подогреве до энтальпии точки росы приточного воздуха. Последующие процессы обработки воздуха остаются аналогичными вышеописанному способу. Данный способ также называется в технике кондиционирования способом кондиционирования с первым и вторым подогревом смеси воздуха [2].

Недостатком данного способа тепловлажностной обработки воздуха является то, что в нем расходуется теплота на нагревание смеси воздуха в первом и втором подогреве в холодное время года, а также расходуется холод в теплое время года на охлаждение и осушение смеси воздуха.

Целью создания заявляемого изобретения является снижение энергозатрат за счет уменьшения расхода холода на охлаждение и осушение смеси воздуха (полного исключения второго подогрева) при обеспечении заданных параметров воздуха в рекомендуемом диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемая способе, включающем смешение наружного воздуха с внутренним в холодное время года с переменным количественным соотношением, а в теплое время года - в постоянном количественном соотношении, смешение в холодное время года осуществляют до температуры смеси, равной температуре приточного воздуха (t_см=t_пр), а в теплое время года смесь охлаждают и осушают до температуры охлаждения, равной температуре приточного воздуха (t_см=t_охл), при этой смешение в теплое время года осуществляют с использованием минимального количества наружного воздуха, отвечающего санитарным нормам по кислороду.

Структурная схема устройства для осуществления заявленного способа кондиционирования воздуха для холодного времени года приведена на фиг. 1; для теплого времени года - на фиг. 2; на фиг. 3 приведена конкретная J-d диаграмма реализации способа-прототипа, а на фиг. 4 - заявленного способа.

Устройство, приведенное на фиг. 1 и 2, включает кондиционируемое помещение 1, клапан рециркуляции 2 внутреннего воздуха, клапан подачи 3 наружного воздуха, смесительную камеру 4, приточный вентилятор 5, узел охлаждения и осушения смеси 6.

Устройство работает следующим образом.

Внутренний воздух из кондиционируемого помещения 1 с помощью клапана рециркуляции 2, обеспечивающего заданное количество внутреннего воздуха, подается в смесительную камеру 4, в которую также подается наружный воздух через клапан подачи 3, обеспечивающий заданное количество наружного воздуха.

При этом в холодное время года смешение внутреннего и наружного воздуха осуществляется с переменным количественным соотношением, а в теплое время - в постоянном количественном соотношении.

Смесь наружного и внутреннего воздуха с температурой, равной температуре приточного воздуха, подается в кондиционируемое помещение, 1 с помощью приточного вентилятора 5 в холодный период, а в теплый период смесь дополнительно проходит через узел 6.

Пример реализации заявленного способа и способа-прототипа для цеха варки окороков мясоперерабатывающего завода (г.Москва).

Определим энергозатраты на обработку воздуха при кондиционировании по способам, изложенным в прототипе и заявляемом изобретении.

В теплонапряженных производственных помещениях мясо- и рыбоперерабатывающих предприятий, масложиркомбинатов и др. предусматривают комфортное кондиционирование с целью уменьшения избыточных тепло- и влаговыделений и обеспечения нормальных условий труда рабочим, выполняющим работу средней тяжести,
Согласно СНиП 204.05-91 ^* "Отопление, вентиляция и кондиционирование" (приложение 2, стр. 34) расчетная температура воздуха на постоянных рабочих местах производственных помещений составляет: оптимальная и допустимая температура t_вт = 22-28^oC в теплый период года и t_вх = 19-24^oC в холодный период года (средние значения). При этом относительная влажность воздуха на постоянных рабочих местах составляет ϕ_опт = 40-60%, ϕ_доп = 75% (для теплого и холодного периодов года).

Принимаем в качестве расчетных параметров внутреннего воздуха для теплого и холодного периодов года t_в = 24^oC, ϕ_в = 50%. Принимаем диапазон отклонения параметров ±2^oC - по температуре и ±10% - по влажности.

Расчетные параметры наружного воздуха (параметры Б) для г.Москвы: температура t_нт = 28,5^oC, t_нх = -26^oC ; энтальпия I_нт = 54 кДж/кг, I_нх = -25 кДж/кг.

Тепловлажностный коэффициент теплонапряженных цехов мясоперерабатывающих предприятий находится в пределах ε = 5000 - 7000 кДж/кг. Принимаем среднее значение ε = 6000 кДж/кг.

Принимаем рабочую разность температур Δt_p = 4^oC исходя из рекомендаций, что перепад температуры на 1 м высоты помещения равен 1^oC. Тогда температура приточного воздуха t_пр = 24-4 = 20^oC. Следовательно, изотерма t = 20^oC характеризует температуру приточного воздуха, подаваемого в кондиционируемое помещение.

Количество наружного воздуха, соответствующее санитарной норме по кислороду, вполне достаточно для таких цехов в размере 10% от общего количества циркулирующего воздуха.

Исходя из расчета теплового баланса данного цеха общее количество циркулирующего воздуха V = 10.000 м³/час. Следовательно, V_н = 0,1 V = 1.000 м³/час. Такое минимальное количество наружного воздуха можно подавать в цех. Именно это количество наружного воздуха подают в помещение (не больше) в теплое время года для того, чтобы были обеспечены минимальный расход холода и минимальные размеры холодильной установки.

Выполняем построение процессов кондиционирования при обработке воздуха по способам - прототипу и заявляемому изобретению
Способ (прототип)
Способ кондиционирования с первым подогревом смеси и вторым подогревом смеси (фиг. 3).

Холодный период года
Наружный воздух с параметрами t_нх = -26^oC, I_нх = -25 кДж/кг смешивается с внутренним воздухом (t_в = 24^oC; ϕ_в = 50%), например, то температуры Полученная смесь нагревается в первом подогреве до энтальпии I_1под = I_т.р. = 31 кДж/кг. При этом конечная температура воздуха, прошедшего через первый подогрев, соответствует энтальпии 31 кДж/кг и составляет t_1под = 19^oC (Δt_1под = 19-1 = 18^oC). Затем подогретая смесь увлажняется при I_т.р. = 31 кДж/кг до параметров точки росы t_т.р. = 11^oC, ϕ_т.р = 90%, I_т.п. = 31 кДж/кг. Увлажненная смесь нагревается во втором подогреве до 20^oC и подается в помещение. Параметры приточного и внутреннего воздуха соответствуют параметрам t_пр = 20^oC; ϕ_пр = 51%; t_в = 24^oC; ϕ_в = 50%.

Теплый период года
Наружный воздух с параметрами t_нт = 28,5^oC и I_нт = 54 кДж/кг смешивается с внутренним (t_в = 24^oC, ϕ_в = 50%) в количественном соотношении: 10% наружного воздуха (V_нт = 1.000 м³/час) и 90% внутреннего воздуха (V_вт = 9.000 м³/час). Полученная смесь = 49 кДж/г, = 25^oC) охлаждается и осушается до параметров точки росы: t_т.р. = 11^oC, ϕ_т.р = 90% и I_т.р. = 31 кДж/кг. Охлажденная и осушенная смесь нагревается во втором подогреве от температуры t_т.р. = 11^oC до температуры приточного воздуха t_пр = 20^oC (Δt_2под = 9^oC). Нагретая смесь подается в помещение. Параметры приточного и внутреннего воздуха, такие же как и в холодном периоде года t_пр = 20^oC; ϕ_пр = 51%; t_в = 24^oC; ϕ_в = 50%.

Способ (заявляемое изобретение)
Предлагаемый способ кондиционирования - без первого и второго подогрева (фиг. 4)
Холодный период года
Наружный воздух с параметрами t_нх = -26^oC, I_нх = -25 кДж/кг смешивается с внутренним воздухом помещения (средние параметры внутреннего воздуха t_в = 24^oC; ϕ_в = 50%) до температуры смеси, равной температуре приточного воздуха = 20^oC). Полученная смесь подается в помещение. При этом параметры приточного воздуха равны = 58%, I_cмх = 41 кДж/кг. Параметры внутреннего воздуха t_в′= 24,2^°C; ϕ_в′= 52%. Полученные параметры внутреннего воздуха входят в рекомендуемый диапазон: t_в = 24 ± 2^oC; ϕ_в = 50 ± 10%.

Теплый период года
Наружный воздух с параметрами t_нт = 28,5^oC, I_нт = 54 кДж/кг смешивается с внутренним воздухом помещения (средние параметры внутреннего воздуха t_в = 24^oC; ϕ_в= 50%) в количественном соотношении 10% наружного и 90% внутреннего воздуха. Полученная смесь имеет параметры 49 кДж/кг (параметры смеси воздуха в теплый период года для обоих способов являются одинаковыми). Смесь проходит охлаждение и осушение до температуры охлаждения, равной температуре приточного воздуха, и подается в помещение. При этом параметры охлажденного (приточного) воздуха составляют: температура t_охл= t_пр″ = 20^oC; относительная влажность ϕ_охл= ϕ_пр″ = 60%; энтальпия I_охл= I_пр″ = 43 кДж/кг. Таким параметрам приточного воздуха соответствуют следующие параметры внутреннего воздуха: температура t_в″ = 25,5^oC, относительная влажность ϕ_в″ = 58%. Полученные значения параметров внутреннего воздуха входят в рекомендуемый диапазон.

Из рассмотренных способов кондиционирования можно сделать следующие выводы:
способ-прототип в течение всего года обеспечивает постоянные параметры воздуха в помещении, так как при обработке воздуха использованы процессы, позволяющие обеспечить постоянное поддержание и температуры, и влажности внутреннего воздуха;
способ по заявляемому изобретению в течение всего года обеспечивает постоянную температуру приточного воздуха путем поддержания постоянной температуры смеси в холодный период года и постоянной температуры охлаждения смеси в теплый период года. При этом температура и относительная влажность в помещении изменяются от 24 до 25,5^oC и от 52 до 58% и соответствуют рекомендуемому диапазону. Отклонения значений температуры и влажности воздуха в помещении от средних заданных значений незначительны, не выходят за пределы рекомендуемого диапазона и указывают на целесообразность внедрения предлагаемого способа, так как обработка воздуха по этому способу значительно проще, и, следовательно, имеет большую практическую надежность в работе, чем предыдущие способы (известные).

В табл. 1 приведены удельные расходы теплоты и холода на обработку 1 кг воздуха по способам прототипа и заявляемого изобретения.

В табл. 2 приведены расходы теплоты и холода на обработку воздуха по способам прототипа и заявляемого изобретения с учетом всего количества циркулирующего воздуха.

В табл. 3 приведены годовые расходы теплоты и холода на обработку воздуха по способам прототипа и заявляемого изобретения,
Данные, приведенные в табл. 3, показывают, что расход теплоты в предлагаемом способе в течение всего года отсутствует; расход холода примерно в 3 раза меньше, чем расход холода при традиционных способах обработки воздуха. При этом достигаются внутренние параметры в помещении, полностью удовлетворяющие требованиям СНиПа.

Источники информации
1. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляция и кондиционирования воздуха. - М.: "Высшая школа", 1971, стр. 188, рис. 69б, стр. 206, рис. 74б.

2. Там же, стр. 188, рис. 69б, стр. 201, рис. 73б.

Способ может быть использован при комфортно-технологическом кондиционировании воздуха в теплонапряженных помещениях и на предприятиях промышленности. Способ кондиционирования воздуха теплонапряженных помещений включает смешение наружного и внутреннего воздуха в холодное время года с переменным количественным соотношением, а в теплое время года - в постоянном количественном соотношении. Смешение в холодное время года осуществляют до температуры смеси, равной температуре приточного воздуха, а в теплое время года смесь охлаждают и осушают до температуры охлаждения, равной температуре приточного воздуха, при этом смешение в теплое время года осуществляют с использованием количества наружного воздуха, отвечающего санитарным нормам по кислороду. Техническим результатом является снижение энергозатрат за счет уменьшения расхода холода на охлаждение и осушение смеси воздуха. 4 ил., 3 табл.

Способ кондиционирования воздуха теплонапряженных помещений, включающий смешение наружного и внутреннего воздуха в холодное время года с переменным количественным соотношением, а в теплое время года - в постоянном количественном соотношении, отличающийся тем, что смешение в холодное время года осуществляют до температуры смеси, равной температуре приточного воздуха, а в теплое время года смесь охлаждают и осушают до температуры охлаждения, равной температуре приточного воздуха, при этом смешение в теплое время года осуществляют с использованием количества наружного воздуха, отвечающего санитарным нормам по кислороду.