Разработка нового метода проведения процессов и многофункционального аппарата в системах кондиционирования воздуха

В технологических процессах химической, текстильной и других отраслей промышленности находят возрастающее применение аппараты со встречными закрученными потоками (ВЗП). Высокая эффективность и маневренность аппаратов ВЗП позволяет успешно применять их для самых различных технологических процессов.

Одной из важных задач в действующих и проектируемых производствах является совершенствование систем кондиционирования воздуха (СКВ) производственных помещений. В данной работе была решена актуальная научная задача разработки нового метода проведения процессов увлажнения и смешения пылегазовых потоков с одновременным обеспыливанием в СКВ на базе аппаратов ВЗП и создания многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ.

Цель работы заключалась в разработке нового метода и рациональной технологической схемы для процессов увлажнения, смешения и обеспыливания воздуха применительно к задаче кондиционирования воздуха производственных помещений с применением аппаратов ВЗП, обеспечивающих возможность повторного использования тепла, в том числе при сильно запыленном воздухе. Также в работе представлена разработка методики снижения виброакустического воздействия вентиляторов, входящих в технологическую схему.

Новый метод тепловлажностной обработки воздуха с использованием аппаратов ВЗП, позволяет создать энергосберегающую технологию применительно к задачам кондиционирования воздуха производственных помещений и имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими решениями.

В разработанной схеме для подготовки наружного воздуха используется малогабаритная установка, а основная масса используемого повторно воздуха обрабатывается в аппаратах ВЗП.

Возможность использования повторно тепла и влаги сильно запыленного воздуха производственного помещения (более 50 мг/м3), позволила для обработки свежего наружного воздуха применить установку, производительностью 104.

15% от общего объема воздуха, при этом циркуляционный воздух очищается и увлажняется с помощью аппаратов ВЗП, обеспечивающих степень очистки (в том числе и от волокнистых пылей) до 97%. Аппарат ВЗП, впервые примененный для увлажнения воздуха, установленный за пылеуловителем, выполняет также функцию мокрого пылеуловителя и смесителя двух потоков воздуха, что обеспечивает очистку воздуха до санитарных норм.

Разработанная схема позволяет достичь параметров приточного воздуха в более широком диапазоне влажности, понизив тем самым его объем, что дает возможность применения менее мощного климатического оборудования.

Основными преимуществами данного метода является высокая эффективность обработки воздуха, возможность использования повторно тепла и влаги удаляемого воздуха, существенное снижение стоимости оборудования и сокращение производственных площадей, простота эксплуатации и более стабильная работа всей системы в целом, связанная, в частности, с отсутствием ненадежных фильтров.

Новый метод позволяет избежать выпадения конденсата и его обледенения на стенках лопатки воздушных клапанов, регулирующих поступление холодного воздуха в камеру смешения.

При разработке технологической схемы, возникла необходимость в аппа-ратурно-техническом оформлении аппаратов ВЗП в соответствии с требованиями схемы. На основании данных теоретических и экспериментальных исследований был разработан аппарат ВЗПМ со встроенной камерой смешения, обеспечивающий производительность по воздуху до 100 000 м3/ч при диаметре рабочей камеры 2000 мм.

В разработанном комбинированном многофункциональном аппарате ВЗПМ в рабочем пространстве первой ступени образуются, как и в классическом аппарате ВЗП, два закрученных в одну сторону, но встречно направленных потока: восходящий — в центральной части камеры и нисходящий — в периферийной части. Для обработки воздуха в камеру подается вода, распыляемая центробежными тангенциальными форсунками. Под действием центробежных сил капли воды, отбрасываются на вертикальные стенки аппарата и по ним стекают в нижнюю часть камеры. Затем увлажненный воздух выводится из камеры через выхлопной патрубок, расположенный в верхней части аппарата, и поступает в камеру смешения. Часть наружного воздуха, заранее подготовленная в СКВ, через тангенциальный закручиватель подается в камеру смешения, где поток увлажненного воздуха смешивается с наружным. Увеличение диаметра камеры смешения относительно первой ступени аппарата, где происходит увлажнение и мокрое обеспыливание, обеспечивает падение скорости воздуха в поперечном сечении аппарата и, как следствие, не создавая существенного дополнительного аэродинамического сопротивления, способствует предотвращению каплеуноса. На выходе из аппарата установлен раскручиватель.

Разработанный аппарат позволяет осуществлять адиабатное и политропное увлажнение воздуха с последующим его смешением с воздухом других параметров. Использование аппарата ВЗПМ применительно к задачам кондиционирования дает возможность отказаться от использования камеры орошения и камеры смешения в том виде, в каком они представляются в традиционных СКВ, что является большим преимуществом, так как сокращает металлоемкость оборудования и площадь, занимаемую кондиционером, позволяет осуществлять подготовку рециркуляционного воздуха автономно от СКВ. Очистка циркуляционного воздуха с помощью вихревого пылеуловителя ВЗП, способствует более стабильному протеканию процессов увлажнения и смешения.

Производственный корпус текстильного производства представляет собой сложную архитектурно-конструктивную систему с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса теплоты.

Под действием разности температур наружного и внутреннего воздуха и солнечной радиации помещение через ограждающие конструкции в зимнее время теряет, а в летнее получает теплоту. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися цехами и к его фильтрации через поры материалов и неплотности ограждений. Перетекание воздуха из одного производственного цеха в другой является крайне негативным фактором, поскольку воздух содержит в себе не только большое количество пыли, но и различные химические добавки, образующиеся, например, при химической отделке ткани. В то же время атмосферные осадки, теплои влаговыделения, образованные от оборудования и технологических процессов, повышенная разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение их теплозащиты. Эти факторы негативным образом влияют на работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также затрудняют оценить эффективность утилизации тепла, оптимизировать работу климатической установки и предотвратить возможность установки климатического оборудования завышенной производительности.

Для описания и расчета процессов, вызванных перечисленными факторами, диссертантом представлены математическая модель конвективного теплообмена в помещении, модель теплопередачи через ограждающие конструкции и заполнение светового проема, а также учет внутреннего оборудования в тепловом балансе помещения. Данные модели позволяют более точно оценить изменение температуры воздуха во внутреннем объеме помещения, что имеет большое значение при применении методов по утилизации тепла и влаги.

Разработанная рациональная схема с аппаратами ВЗП и ВЗПМ, для обеспечения эффективной обработки воздуха в необходимом объеме, включает в свой состав центробежные вентиляторы, являющиеся серьезными источниками шума и вибрации и нарушающими санитарную обстановку на рабочих местах. В связи с этим возникла необходимость в разработке методики по борьбе с шумом вентиляторов с различной скоростью вращения рабочего колеса и смещенным относительно оси центром.

В работе представлены технические решения и методика расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации центробежных вентиляторов. Это позволит уменьшить динамические нагрузки на строительные конст7 рукции, а также снизить шум в смежных и отдаленных помещениях, возникающий вследствие передачи вибрации на строительные конструкции. Разработанная методика предусматривает применение виброизоляции в опорном варианте.

В результате проведенной работы удалось:

— разработать новый метод и принципиально новую схему обработки воздуха, позволяющую с помощью аппаратов со встречными закрученными потоками в отличие от традиционных тканевых фильтров, обеспечить степень очистки воздуха с запыленностью свыше 50 мг/м3 и решить ряд задач по увлажнению, санитарной очистке и смешению воздуха, с целью повторного использования тепла и влаги;

— разработать новый многофункциональный двухступенчатый аппарат со встречными закрученными потоками ВЗПМ, совмещающий процессы увлажнения, мокрой очистки от тонкой пыли и смешения воздуха, отличающийся высокими технико-экономическими показателями;

— разработать математические модели конвективного теплообмена в производственных помещениях применительно к новой технологической схеме с аппаратами ВЗПМ с учетом тепловыделений технологического оборудования и теплопередачи через ограждающие конструкции производственного корпуса;

— создать методику расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации центробежных вентиляторов, входящих в технологическую схему.

Проведенные исследования показали, что применение разработанной технологической схемы с вытеснительной вентиляцией позволяет более чем в 2 раза сократить требуемую производительность приточных и вытяжных систем по сравнению с известными ранее решениями. Комплекс разработанных технических решений позволяет уменьшить расход теплоносителя для нагрева наружного воздуха до 50%.

Предложенные решения приняты к реализации на ряде промышленных химических и текстильных предприятий («Мосшелк», «Новоивановская мануфактура», «Московский ткацко-отделочный комбинат» и др.).

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ОКФь ОКФ2- ОКФ КТЦ 2−10 исн.1. dc=9 мм и исп.2. dc=9 мм соответственно h/D — отношение высоты форсунок на боковой поверхности аппарата к его диаметру (Хф0 — угол наклона форсунок ев, е — отношение расходов воды и расхода воздуха по вводам соответственно V=V (x, y, z, f) — скорость движения воздуха ITj-k — тензор плотности потока импульса.

— единичный и «вязкий» тензор соответственно ц и Ъ, — коэффициенты вязкости о — завихренность, круговая частота вынуждающей силы ((0=2n-f), Гцфункция тока Vx и Vy — проекции скорости на оси ОХ и OY Р — коэффициент объемного расширения воздуха Т*- температура фазового перехода вода-лед, °С L — льдистость материала, доли единицы w — весовая влажность материала, доли единицы Wi — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.

— Т*) — дельта-функция Дирака JF — расход воздуха через единицу поверхности ограждения, кг/(м *ч) Qsou — удельная мощность источников тепла в ограждении, Вг/м Lr расход воздуха через i-ую ограждающую конструкцию.

Pho, PhR ~ наружное и внутреннее статическое давление на высоте соответственно h м, Па hEQj — коэффициент конвективного теплообмена между поверхностью оборудования, имеющей номер i, и внутренним воздухом, Вт/(м2х°С).

TEQ, TR, Tj — соответственно температура поверхности оборудования, внутреннего воздуха и «окружающих» поверхностей, °С.

FEQ i, FEQj — соответственно поверхности оборудования, участвующие в конвективном теплообмене, м.

Фукоэффициент облученности f0 — ближайшая собственная частота перекрытия к f, Гцf — частота вынужденной силы, Гц m=PCT0/q, М — масса виброизолируемой установки и фундамента соответственно, кг.

Fx, Fy, Fz — амплитуды вынужденных сил в направлении соответствующих осей, кг.

Мх, Му, Mz — амплитуды вынужденных моментов относительно соответствующих осей, кг.

К<�рХ, К<�рУ, K.

Кх, Ку, Kzсуммарные жесткости виброизоляторов в направлении соответствующих осей, кг/м.

Kz= n><Kz-суммарная жесткость виброизоляторов в вертикальном направлении (побщее количество виброизоляторов) — ах> 3y> Эгкоординатные точки, А относительно центра тяжести установки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан новый метод и принципиально новая схема обработки воздуха для химических, текстильных и других предприятий с повышенным пылевыделением, позволяющая с помощью аппаратов со встречными закрученными потоками в отличие от традиционных тканевых фильтров, обеспечить степень очистки воздуха с запыленностью свыше 50 мг/м3 и решить ряд задач по увлажнению, санитарной очистке и смешению воздуха, с целью повторного использования тепла и влаги, содержащихся в удаляемом из производственного цеха воздухе.

2. Разработан новый многофункциональный двухступенчатый аппарат со встречными закрученными потоками ВЗПМ, совмещающий процессы увлажнения, мокрой очистки от тонкой пыли и смешения воздуха, отличающийся высокими технико-экономическими показателями. Использование разработанной схемы с аппаратом ВЗПМ, позволило сократить габариты оборудования, существенно сократить затраты теплоносителя на нагрев наружного воздуха (до 20%) и эксплуатационные затраты.

3. Разработаны математические модели конвективного теплообмена в производственных помещениях применительно к новой технологической схеме с аппаратами ВЗПМ с учетом тепловыделений технологического оборудования и теплопередачи через ограждающие конструкции производственного корпуса.

4. Создана методика расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации, имеющихся в схеме центробежных вентиляторов.

5. Проведенные исследования показали, что применение разработанной технологической схемы с вытеснительной вентиляцией позволяет более чем в 2 раза сократить требуемую производительность приточных и вытяжных систем по сравнению с известными ранее решениями. Комплекс разработанных технических решений позволяет уменьшить расход теплоносителя для нагрева наружного воздуха до 50%.

6. Предложенные решения приняты к реализации на ряде промышленных химических и текстильных предприятий («Мосшелк», «Новоивановская мануфактура», «Московский ткацко-отделочный комбинат» и д.р.).