Системы кондиционирования воздуха для помещений искусственных катков

3.3 Системы кондиционирования воздуха для помещений искусственных катков

1. Положения.

Закрытые помещения с искусственными катками требуют применения СКВ, назначением которых является: обеспечение отсутствия тумана у поверхности ледяной арены; отсутствия конденсата на строительных и ограждающих конструкциях помещений катков; обеспечение санитарно-гигиенических параметров воздушной среды в зонах помещения, где находятся люди. Исходя из этих трех основных задач рационально устройство трех по назначению СКВ: обслуживающих зону ледяной арены; обеспечивающих температуру внутренних поверхностей строительных и ограждающих конструкций зданий искусственного катка выше температуры точки росы окружающего внутренние поверхности воздуха, что предотвратит образование конденсации водяных паров из окружающего внутренние поверхности воздуха; создающих требуемые санитарно-гигиенические параметры воздуха в зонах нахождения людей.

Рассмотрим основные отличия  формирования теплового режима в помещениях искусственных катков. Ледяная арена для проведения игр и тренировок по хоккею с шайбой имеет стандартные размеры 60 х 30 м с наличием закруглений у всех четырех углов ледяной арены. Расчетную поверхность льда можно принимать по размерам но длине и ширине арены, что для стандартного хоккейного поля составит 60 х 30 = 1800 м². Искусственное ледяное поле создается путем заливки и намораживания льда на плите катка, в которой заложены змеевики для циркуляции холодоносителя

В зависимости от вида мероприятий, проводимых на ледяной арене, поддерживается различная температура льда [26]: для проведения игр по хоккею требуется жесткий лед, что обеспечивается при температуре поверхности льда от —6,5 до —5,5°С, и при температуре воздуха в зоне ледяной арены порядка б—10°С; Для фигурного катания температура поверхности льда от —4 до —3°С при температуре воздуха в зоне ледяной арены 10—13 °С; Для развлекательного катания температура льда от —3 до — 2°С при температуре воздуха до 15 °С. Для катков спортивного скоростного катания температура поверхности льда требуется от —0,5 до —2°С (мягкий лед). Температура воздуха допускается до 15°С [26].

СКВ для обслуживания ледяной арены проектируется на условия поддержание рекомендуемой температуры воздуха в зоне нахождения людей на ледяной арене. Тепловой режим в зоне нахождения людей на ледяной арене определяется теплопритоками прежде всего обусловленными низкими температурами поверхности льда £_л, °С.

 

Конвективный приток тепла  определяется по формуле

где аКОн5 Вт/(м2* град) — коэффициент  конвективного потока тепла может быть вычислен по формуле, рекомендуемой в работе

где У_л — скорость воздуха над поверхностью льда (м/с).

 

В работе [26] скорость воздуха  над поверхностью льда рекомендуется ограничить 0,25 м/с. В формуле (3.10) не учитывается градиент температур между воздухом t_B и температурой поверхности льда t_n. Это можно объяснить малым влиянием градиента температур при схеме конвективной передачи тепла к холодной горизонтальной поверхности по направлению сверху вниз. Примем рекомендуемое значение скорости воздуха над поверхностью льда У_л = 0,25 м/с, по формуле (3.10) вычислим

Принимаем t_BJl = 10°С, и 1_Л = —6°С, т. е. 'At = 16 °С.

Стандартная поверхность  ледяного поля в помещениях со зрителями составляет = 60 х 30 = 1800 м². Тогда по формуле (3.9) конвективный приток тепла от воздуха к поверхности льда составит

Второй составляющей притока  тепла к поверхности льда является лучистое тепло, поступающее от ограждающих конструкций и поверхностей, имеющих более высокую температуру £_пов по сравнению с температурой поверхности льда. В работе [22] представлена графическая зависимость удельных потоков лучистого тепла <7_Рад в зависимости от температуры льда £_л и температуры поверхности £_пов, которая показана па рис. 3.4. Приток лучистого тепла от потолка к поверхности льда вычисляется по формуле

Отражательная способность поверхности потолка (3_0тр зависит цвета поверхности. При окраске потолка алюминиевой краской А>тр — 0,6. Наибольшее отражение от поверхности потолка над ледяным полем достигается при покрытии поверхности потолка изоляционными матами с поверхностью из алюминиевой фольги Ротр = 0,1. Наибольшее влияние радиационные потери холода имеют место в теплый период года, когда температура поверхности потолка при наличии солнечной радиации на кровлю потолка может иметь температуру до 28 °С. Примем, что на ледяном поле проходит соревнование по хоккею и t_n = — 6 ^еС. Тогда по графику на рис. 3.4 находим д_рад = 85Вт/м². Поверхность потолка покрыта матами изоляции с наружной поверхностью из алюминиевой фольги, что обеспечит коэффициент отражения /3_отр = 0,1.

По формуле (3.11) вычисляем  притоки лучистого тепла к поверхности льда:

Над ледяным полем устанавливаются светильники. По усредненным данным удельные тепловыделения от светильников составляют q_OCB = 35,7 Вт/м . До 40% выделяющего от светильников тепла воспринимается удаляемым вытяжным воздухом СКВ в зоне катка, тогда теплопритоки к поверхности льда от осветительных приборов вычисляются по формуле

)

Или для рассматриваемого примера по формуле (3.12) получим

Теплопритоки от людей  при тяжелой работе в зоне катка  составляют

Общие теплопритоки в зоне поверхности льда определяется суммой геплопритоков:

Для рассматриваемого примера  по формуле (3.13) получим

.

Для намораживания льда за сутки на поверхности катка 30 х 60 = 1800 м² требуется охладительная мощность холодильных машин порядка 600 кВт. Поэтому существующая мощность холодильных машин будет с большим запасом достаточным для обеспечения поддержания поверхности льда с требуемой температурой. Оставшаяся мощность холодильных машин может служить источником охлаждения приточного воздуха в СКВ.

Рассмотрим особенности  СКВ для климата Москвы для круглогодичного обеспечения требуемых параметров воздуха в трех зонах помещения катка.

Рис. 3.4. Теллопритоки удельные лучистого тепла к поверхности  ледяного шля от окружающих поверхностей

 

2. Зона ледяного поля.

При игре в хоккей в зоне ледяного поля могут находиться до 50 человек, выполняющих тяжелую работу, что определяет тепло и влаговыделения при £_вл = 10°С: по явному теплу 180Вт/чел; по влаге 170г/(чел • ч). По санитарным нормам для спортсменов и судей необходима подача /_Пн = 80м³/(чел*ч) свежего приточного наружного воздуха, что составит

От людей явные тепловыделения составят

По влаге:

К воздуху над ледяным  полем поступает конвективное тепло, величина которого вычисляется по формуле (3.9), и для рассматриваемого примера выше найдено Q_t.koh =123840 Вт. Для сохранения качества жесткого льда t_n = —6 °С необходимо предотвратить конденсацию водяных паров из воздуха. Это достигается тем, что конвективное тепло расходуется на охлаждение воздуха у поверхности льда до температуры £_в._л = 10°С и <р_вл = 70%. Принятые параметры воздуха у поверхности льда выше температуры точки росы, равной £_р._в.л = 6°С. Для выполнения этих требований необходимо после охлаждения и осушки приточного воздуха до параметров t_ox = 6,5 °С, (р₀х — 92%, d_ox = 5,8 г/кг нагреть приточный воздух до температуры притока, которая вычисляется по формуле

Расход приточного воздуха L_n определяется условиями равномерного заполнения ледяного поля приточными струями и созданием условий для понижения по длине струи температуры t_n до t_BSl. Наилучшие условия обеспечения требуемого воздух распределения достигаются подачей с высоты над ледяным полем приточного воздуха через сопла. Сопла закрепляются на приточных воздуховодах, располагаемых по обе стороны длиной стороны ледяного поля в 60 м. На рис. 3.5 представлена схема подачи приточного воздуха через два приточных воздуховода 1 над ледяным полем, через сопла 2 типа JD 110 производства французских фирм1) с присоединительным диаметром к приточному воздуховоду 250 мм и выходом сопла 140 мм. Приточные струи 3 из сопел 2 поступают под углом 20° и обеспечивают перекрытия зоны ледяного поля 4 шириной 30 м. В каталоге приведены конструктивные размеры и номограммы для выбора типа сопел и режимов их работы. По санитарно-гигиеническим и технологическим условиям расширение струи на ее длине L_r должно обеспечить требуемую скорость воздуха у поверхности ледяного поля Уд = 0,25 м/с. По номограммам в каталоге находим, что при расходе через сопло 800м³/ч при. точного воздуха при рабочей длине струи L_T = 25 м достигается требуемая скорость воздуха У_п = 0.25 м/с и одна струя перекрывает половину ширины ледяного поля в 15 м. Отепленный воздух после соприкосновения струй над поверхностью льда поступает в верхнюю зону к вытяжным отверстиям 5 в вытяжном воздуховоде 6. Количество вытяжного воздуха L_BT для сохранения воздушного баланса в зоне ледяного ноля принимается примерно равным расходу приточного воздуха L_n. В целях снижения поступления радиационного тепла к ледяному полю на перекрытие катка 7 с внутренней стороны закреплена изоляция 8 с наличием фольги на ее внутренней поверхности.

 

 

Рис. 3.5. Принципиальная схема .заполнения приточным воздухом зоны ледяного поля размером 60 х 30 м (для  игры в хоккей)

 

Проверкой в плане перекрытия ледяного поля приточными струями получено, что рационально с ка ладой стороны установить а приточных воздуховодах 21 сопло JD110 с диаметром каждого шла 140 мм. Это обеспечит приток с длинной стороны ледяного поля следующее количество приточного воздуха:

п целях повышения надежности работы СКВ принимаем два приточных агрегата при производительности L_n = L_BT = 17000 м³/ч. По формуле (3.14) вычисляем требуемую температуру приточного воздуха:

Поступающий на вытяжку воздух воспринимает влаговыделения от людей

 

Кроме этих влаговыделений возможны поступления в вытяжной воздух испарений с поверхности  ледяного поля. Общие поступления влаговыделений в вытяжной воздух оцениваем в 1г/кг и тогда: d_BT — 5,8 + 1 = 6.8г/кг. Поднимающийся вверх вытяжной воздух воспримет 40% тепловыделений от светильников, что повысит температуру вытяжного воздуха на величину

К вытяжному воздуху будет  эжектироваться часть теплого воздуха с потолка и из приточной струи, и температуру вытяжного воздуха принимаем t_BT = 14,5 °С. Остальные параметры точки Вт (см. рис. 3.6): d_BT = 6,8г/кг, /_вт = 31кДж/кг. В кондиционер

на охлаждение и осушку поступает смесь Ь_вр = 15000 м³/ч рециркуляционного вытяжного воздуха и L_IIH = 2000 м³ / ч наружного приточного воздуха. Энтальпия смеси вычисляется по уравнению

По формуле получим:

На рис. 3.6 приведено построение на I—d диаграмме режимов изменения параметров воздуха в кондиционере и в зоне ледяного поля. Смесь рециркуляционного и наружного воздуха (точка См)

Рис. 3.6. Построение на I—d диаграмме расчетного режима работы СКВ обслуживания зоны ледяного поля в здании искусственного катка: Н-См-Вт — смешение в блоке смешивания кондиционера сан нормы наружного воздуха и вытяжного воздуха из верхней зоны над ледяным полем; См-Ox — охлаждение в теплообменнике приточного агрегата смеси приточного воздуха до требуемого влагосодержания приточного воздуха; Ох-П — нагрев в калорифере приточного агрегата; П-В л — охлаждение приточного воздуха от конвективного теплообмена с поверхностью ледяного поля; Вл-Вт — поглощение влаго- и тепловыделений от светильников по высоте помещения над зоной ледяного поля вытяжным воздухом должна быть осушенная до d_n = 5,8 г/кг.

 

Процесс охлаждения и осушения воздуха в поверхностном воздухоохладителе  при (р_ох = = 92% [7], что отвечает параметрам точки Ox: t_ox = 6,5 °С; d₀x ⁵⁵ = 5,8 г/кг; /_ох = 21 кДж/кг; £_р._ох = 6°С.

Процесс охлаждения и осушения воздуха при построении на диаграмму принято изображать линией, соединяющей точку См (начальное состояние) и точку Ох (конечное состояние).

Продолжение этой прямой до пересечения с кривой ip = 100% дает точку отвечающую tf средней температуре наружной поверхности воздухоохладителя

При проведенном на рис. 3.6 построении получена величина

Для оценки требуемой эффективности  воздухоохладителей производим построение условно-сухого режима охлаждения при одинаковом перепаде энтальпий (7_См—Л>х) заданному процессу охлаждения и осушения [7,8]. На рис. 3.6 на вертикали df = 5,4г/кг в местах пересечения с энтальпиями /_см = 34 кДж/кг и /_ох = = 21 кДж/кг получены условные температуры сухого охлаждения

соответственно: t₁= 21 °С,t₂+⁼ 7,5 °С. В испарителе холодильной машины можно охлаждать воду до t_wxi = 2°С. Тогда требуемая эффективность режима охлаждения определяется по выражению

Или для варианта использования  холодной воды с t_wxi = 2°С по выражению (3.16) получим:

Использование в воздухоохладителе  охлажденного антифриза с начальной температурой = —2 °С позволит получить более низкую требуемую эффективность воздухоохладителя:

Полученное значение эффективности  воздухоохладителя значительно ниже, что позволит сократить рядность и требуемую наружную поверхность воздухо охлаждающего теплообменника. Мощность холодильных машин, используемых для намораживания льда, составляет порядка 600 кВт. Для поддержания требуемой температуры поверхности льда при проведении хоккейного матча требуется холод для компенсации теплопритоков конвекцией и лучистого тепла, что вычисляется по уравнению (3.13) и для рассматриваемого примера составляет Yh _Qt-л.пов = 259,5 кВт. Количество свободного холода составляет:

Для охлаждения приточного воздуха в двух кондиционерах, обслуживающих зону ледяного поля, требуется холода

Имеющийся запас мощности холодильных машин вполне достаточен для обеспечения холодом в виде антифриза t_афi = — 2°С двух кондиционеров зоны ледяного поля. Для нагрева приточного воздуха в расчетных условиях теплого периода года потребуется тепла

В конденсаторе холодильной  машины вполне возможно получение теплоты  в форме горячей воды с начальной  температурой £_кон = = 50°С. Рационально использовать это тепло в калориферах приточных агрегатов. Требуемая теплотехническая эффективность калорифера вычисляется по выражению