Расчет кондиционера воздуха при работе в теплое время года

Исходные данные

г.Батуми

Р=760 мм.рт.ст.=101333 Па

Холодный период t=-1 С ;і=5 кДж/кг

Теплый период t = 29,6 С; i=67,6 кДж/кг

Помещение : цех размола какао (tв=11 С;φв=55%)

Рабочая разность температур :∆t = 4 С

Кратность циркуляции ƒ =0,40

m=1

n=m+3=1+3=4

Qлето=115 кВт

Wлето=11 кг/ч

Qзим= Qлето/2=115/2=57,5 кВт

Wзим= Wлето/3=11/3=3,6 кг/ч

 

Расчет кондиционера воздуха при работе в теплое время года

 

Полезная производительность КВ по сухому воздуху

 

Gп=Qя/С∙∆tр ,                                                         (1)

 

где С=1,006 кДж/(кг∙К)-изобарная теплоемкость воздуха;

      ∆tр- рабочая разность температур;

      Qя- величина явного теплового потока, поступающего в помещение ,кВт.

Величина явного теплового потока складывается из тепловыделений от работающего оборудования, теплопритоков из окружающей среды (Qя'=Qлето=115 кВт) и тепловыделений при работе персонала (Qя''):

 

 

Qя''=qсред∙m+qлег∙n ,                                                 (2)

 

где qсред и qлег – удельные выделения явного тепла при средней и легкой работе, соответственно , Вт/чел

Из Приложения В при   tв=11 С находим qсред=163 Вт и qлег=151 Вт.

Тогда:

Qя''=0,163∙1+0,151∙4=0,77кВт

Qя=115+0,77=115,77 кВт

Gп=115,77/1,006∙4=28,8кг/с=1,03∙105кг/ч

Используя i-d диаграмму находим точки Н и В ,характеризующее, соответственно, параметры наружного и внутреннего воздуха:

Точка В →  (tв=11 С;φв=55%);

Точка Н → (tн = 29,6, С; iн=67,6 кДж/кг);

 

Примем значение удельного скрытого тепловыделения всех источников

(оборудования,персонала)

 

qп=2503 кДж/кг

Энтальпия водяного пара

iп=2503+1,84∙t ,                                                (3)

где t – температура воздуха в помещении ,С

С учетом t= tв=11 С ,получим:

iп=2503+1,84∙11=2523 кДж/кг

Находим выделение скрытого тепла в помещении

Qc=∑W∙ iп ,                                                    (4)

где ∑W- суммарное выделения влаги;

      iп – энтальпия водяного пара;

Суммарное выделение влаги

∑W= Wлето+Wп ,                                               (5)

где Wлето=11 кг/ч (по условию) – выделение влаги  при работе оборудования,

      Wп – выделения влаги персоналом ,

Wп=ωсред ∙m+ωлег ∙n ,                                        (6)

где  ωсред и ωлег – удельные выделения влаги персоналом.

Определяют ωсред и ωлег по типу физической нагрузки.

Из Приложения  В при  t= tв=11 С находим  ωсред=70 г/ч и ωлег=45 г/ч;

Тогда:

Wп=70∙1+45∙4=250 г/ч

∑W=11+0,25=11,25 кг/ч

Qc=(11,25/3600)∙2523=7,9 кВт

Полное тепловыделение в помещении составит:

Qп=Qя+ Qc ,                                                            (7)

Qп=115,77+7,9=123,7 кВт

Определяем угловой коэффициент луча процесса изменения тепловлажностных  параметров воздуха в помещении.

έ= Qп/∑W                                                              (8)

έ=123700/(11,25/3600)=3,9∙107  Дж/кг

Практически έ→ +∞  ,поэтому линия процесса вертикальная прямая.

Согласно исходным данным определяем требуемую температуру приточного  воздуха как:

tп= tв-∆t=11-4=7 С

Полная производительность КВ с учетом 10% потерь

G'п=1,1∙ Gп ,                                                   (9)

G'п=1,1∙1,03∙105=1,13∙105 кг/ч

Холодильная мощность на обработку воздуха в оросительной камере составит:

Qo= G'п∙( iн-iк),                                            (10)

 

Qo=113000/3600∙(67,6-15,0)=1651 кВт

 

Тепловая мощность на второй такой подогрев составит:

Q2= G'п∙( iн-iк1),                                                   (11)

Q2=113000/3600∙(67,6-16,0)=1620 кВт

Схема КВ с первой рециркуляцией

В отличии от прямоточной схемы часть отработанного воздуха не выбрасывается в атмосферу ,а по каналу возвращается на вход КВ.

Полезную производительность КВ определяют аналогично прямоточной  схеме по формулам (1) и (2) и составляет Gп=1,03∙105 кг/ч.

В исходные данные входит дополнительно минимальный обьем наружного воздуха, требуемый по санитарным нормам (GH),

Так как

ƒ =Gp/Gп,                                                         (12)

где Gп,= Gp+ GH, то обьем  рециркуляционого воздуха в нашем варианте       (ƒ =0,40)

Gp= Gп∙ƒ=1,03∙105 ∙0,4=0,41∙105  кг/ч

А наружного воздуха:

GH= Gп, - Gp=(1,03-0,41)∙ 105=0,62 ∙105 кг/ч

Положение точки С на прямой находим на точке пересечения этой прямой с линией i=const=ic=49,4 кДж/кг

ic= Gp∙iв1+ GH∙iн/( Gp+ GH),                                 (13)

ic=0,41∙22,0+0,62∙67,6/(0,41+0,62)=49,4 кДж/кг

С учетом неизменности полной производительности КВ по сухому воздуху  G'п=1,65∙10 кг/ч находим холодильную мощность на обработку воздуха в оросительной камере в схеме 1-ой рециркуляцией.

 

Qo(1)= G'п∙( iс-iк),                                           (14)

 

Qo(1)=113000/3600∙(49,4-15,0)=1080 кВт

Вывод: Экономия энергии  для производства холода в КВ с первой рециркуляцией , по сравнению с прямоточной схемой , в теплый период года составляет.

Эт=1651-1080/1651∙100%=35%

 

Расчет КВ для работы в холодное время года

Прямоточная схема

В холодный период года наружный воздух подогревается в прямоточном кондиционере в воздухонагревателях первого подогрева ,затем подается  в оросительную камеру ,где увлажняется до требуемого значения.

Производство по сухому воздуху КВ оставим неизменным  по отношению к теплому периоду.

Определяем полные тепловыделения в помещении по формулам (3) и (7) с учетом исходных данных (Qзим=57,5кВт Wзим=3,6 кг/ч).

 

∑W=3,6+0,25=3,85 кг/ч

Qc=3,85/3600∙2523=2,7 кВт

Qя=57,5+0,77=58,3 кВт

Qп=58,3+2,7=61 кВт

Находим έ из уравнения (8)

έ=610000/(3,85/3600)=6,1∙107 Дж/кг

Так как  έ→ +∞ ,то линия процесса ПВ является вертикальной прямой.

Определяем температуру приточного воздуха:

tп=tв - Qя/ (С∙ Gп) ,                                       (15)

tп=11- 58,3/(1,006∙103000/3600)=9 С

Тепловая мощность калориферов первого подогрева

Q1= G'п∙( iт-iн),                                                    (16)

Q1=113000/3600 ∙ (14,0-5)=282,5 кВт

Тепловая мощность калориферов второго подогрева

Q2= G'п∙( iп-iк1),                                                 (17)   

Q2=113000/3600 ∙ (21,5-16,5)=157 кВт

Суммарная тепловая мощность в прямоточном КВ в холодный период года

∑Qпрям= Q1+ Q2=282,5+157=439,5 кВт

 

Схема КВ с первой рециркуляцией

 

Находим на ВН точку С ,определяющую параметры воздуха после смешения (подогрев воздуха в рециркуляционном вентиляторе в холодное время года не учитывается).

 

Для этого вычисляем энтальпию смеси

 

ic= iн ∙Gн+iв∙Gр/( Gp+ GH),                               (18)

 

ic=5∙0,62+21,5∙0.41/(0,62+0,41)=11,5 кДж/кг

 

Тепловая мощность на первый подогрев

Q1= G'п∙( iт-iс),                                         (19)     

Q1= 113000/3600 ∙ (14,0-11,5)=78,5 кВт

Процесс в оросительной камере проходит без затрат тепла и холода.

Тепловая мощность на второй подогрев аналогична первому случаю (Q2=157кВт)

Суммарная тепловая мощность в КВ с первой рециркуляцией  в холодный период года:

 

 

∑Qрец= Q1+ Q2=78,5+157=235,5 кВт

Вывод: Экономия энергии при работе КВ с первой рециркуляцией , по сравнению с прямоточной схемой ,в холодный период года составит.

 

 

Эх=439,5-235,5/439,5∙100%=46%

 

 

 

Выбор типа кондиционера

Для выбора типа КВ проводим пересчет значений полной массовой производительности в обьемную производительность по формуле :

 

Vп= G'п ∙ pв,                                                       (20)

где  pв – плотность влажного воздуха на входе приточного вентилятора

Плотность влажного воздуха вычисляем  в условиях с минимальной температурой.

В нашем случае это теплый период года : tп=9 С;dп=6,5 г/кг

 

Парциальное давление водяного пара в этих условиях:

 

Рп=Рв∙d/622+d ,                                                  (21)

 

где Рв – барометрическое давление ,Па

Для города Батуми выбираем из Приложения А  Рв=101333 Па

Тогда  Рп=101333∙6,5/622+6,5=1013 Па

 

Плотность «сухой» части воздуха 

 

рс= μс/R ∙Рв- Рп/Т ,                                           (22)

 

рс=29/8314 ∙ 101333-1013/273+9=1,228 кг/м

Плотного водяного пара

рп=μп /R∙ Рп/Т ,                                           (23)

 

рп=18∙1014/8314∙(273+9)=0,008 кг/м

Плотность влажного воздуха

 

рв= рс+ рп,                                                     (24)

рв=1,228+0,008=1,236 кг/м

 

из формулы (20)

 

Vп=113000/3600∙1,236=38,8 м/с =1,4 ∙105  м/ч

 

Из Приложения Е выбираем один кондиционер типа КТ-30 с суммарной номинальной производительностью 0,30 ∙103  м/ч.

 

Запас по производительности составит:

 

 

30000-14000/30000 ∙ 100%=53%

 

Расчет и выбор элементов кондиционера

Расчет оросительных камер

Расчет оросительных камер проводим для КВ с первой рециркуляцией для теплого периода года.

Начальная температура воздуха tн = 29,6 0С,конечная tк=16 0С.Метод расчета  предполагает нахождение теоретической температуры процесса увлажения.

Под теоретической  температурой понимают температуру точки Т, которая является пересечением  кривой φ=100% с продолжением линии процесса СК.

Предварительно задаем значение диаметра выходного отверстия форсунок из диапазона 3,5…5,5 мм (в последствии значение диаметра уточняется).Выбираем d=4,5 мм

Находим коэффициент эффективности теплообмена в оросительной камере

 

Е=( tн- tк)/( tн-tт)=(29,6-16)/(29,6-6,5)=0,588                     (25)

 

Находим  значение массовой скорости воздуха в оросительной камере

 

Vор= (G'п /2)/Fор ,                                               (26)

где Fор – площадь живого сечения для прохода воздуха (в нашем случае из Приложения Ж находим для кондиционера КТ-30 Fор=25,8 м2)

 

Vор=(113000/2)/(3600∙25,8)=0,6 кг/(м3∙с)

Расчет коэффициента орошения  проводим с помощью формулы Баркалова Б.В., полученной на основании обработки результатов экспериментальных исследований различных авторов

 

μ=2,92∙y∙x (Vор)-0,535 (lg 1/1-Е)1,175 ,                                (27)

 

где y – коэффициент, зависящий от диаметра  выходного отверстия форсунки (принимаем по таб.4.1 с методички);

      x – поправочный  коэффициент, учитывающий сектор  диаграммы ,в котором проходит процесс обработки воздуха в оросительной камере (в процессах одновременного осушения и охлаждения воздуха x=0,86).

 

В нашем случае по счет по формуле (27) дает следующее значение коэффициента орошения

μ=2,92∙1∙0,86∙(0,6)-0,535 (lg 1/1-0,588) 1,175=1,02

Определяем общую массу разбрызгиваемой воды а оросительной камере

W=μ∙ G'п=1,02∙113000/2=0,05∙106 кг/ч                                              (28)

Принимаем  плотность расположения форсунок 18 штук в ряд (Приложение Е)

Количество форсунок nф=72 штук

Расход разбрызгиваемой  воды в одной форсунке

qф= W/ nф = 0,05∙106 /72=694 кг/ч

Давление воды перед форсункой определяем из эмпирического соотношения

Р=0,98∙( qф/d1,38∙38,5)2,083,бар                                     (29)

где qф -  производительность форсунки,кг/ч

      d – внутренний диаметр форсунки,принимаем 4,5 мм

Р=0,98∙( 694/4,51,38∙38,5)2,083=1,05бар

Значение давления входит в  пределы оптимального диапазона1..2 бар.

Расчет секции первого подогрева

В качестве теплоносителя для секции  первого подогрева принимаем воду с постоянными  температурами на входе (τн=600С) и выходе (τк=40 0С).

Предварительно принимаем типовую трехрядную секцию подогрева для кондиционера КТ-30 с свободным каналом и следующими техническими характеристиками (Приложение Ж и Приложение З):

а) площадь поверхности теплообмена Fw=123,8м2;

б)площадь живого сечения для прохода воздуха ƒж.с.=1,09 м2;

в)живое сечение хода греющей воды для полутораметрового базового теплообменника ƒтр=0,00381 м2.

Массовую скорость воздуха в живом сечении секции первого подогрева находим по формуле:

V= G'п/ ƒж.с.=  (113000/2)/1,09∙3600=14,4кг/(м2∙с)                       (30)

Расход греющего теплоносителя определяем как:

Wт=Q1/Ст∙( τн- τк);                                                 (31)

где Q1 =2505/2кВт – тепловая мощность в одном кондиционере на первый подогрев в схеме  с первой рециркуляцией;

Ст – теплоемкость воды (принимаем Ст=4,19 кДж/(кг∙К)).

Wт=(2505/2)/4,19(60-40)=14,9 кг/с=53,6 ∙103кг/ч

Скорость греющей воды определяем по уравнению:

ω= Wт/ρ∙ ƒтр ,                                                        (32)

где ρ – плотность воды (принимаем ρ=1000кг/м3).

 

ω=14,9/(1000∙0,00381)=3,91 м/с

Значение коэффициента теплопередачи секции первого подогрева находим по Приложению И  в зависимости от скорости воздуха  в трубах и массовой скорости воздуха  в живом сечении.