Могилев, Беларусь
Могилев, Беларусь
УДК 697.921.47 Комбинированная, приточно-вытяжная вентиляция
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Цель исследования: проектирование системы удаления конденсата вентиляционной установки машиностроительного предприятия, устранение проблемы обмерзания вытяжного воздуховода при отрицательных температурах наружного воздуха вследствие образования в нем конденсата и, соответственно, снижение расхода электроэнергии, потребляемой вытяжным вентилятором. Задача, решению которой посвящена статья: создание оптимальной методики по определению расхода конденсата для проектирования системы удаления конденсата из вентиляционной установки. Методы исследования: проведен анализ трех методик расчета расхода конденсата: 1) с учетом изменения только температуры удаляемого воздуха; 2) с учетом изменения не только температуры, но и давления с помощью уравнения Клапейрона; 3) с учетом изменения температуры и давления на основе уравнения Ван-дер-Ваальса. Путем системного подхода выполнено математическое моделирование процессов, приводящих к образованию конденсата, на его основе создана оптимальная математическая модель, позволяющая с достаточной точностью для технических расчетов определить объем конденсата, выделившегося при прохождении удаляемого воздуха через утилизатор тепла. Новизна работы: установлен оптимальный алгоритм расчета количества образующегося конденсата в вентиляционной установке. Результаты исследования: с использованием программного пакета mathcad выполнен анализ и построены графики зависимости объема конденсата от влажности и температуры удаляемого воздуха для трех способов, определен оптимальный алгоритм определения расхода конденсата. Выводы: анализ показал, что при проектировании системы удаления конденсата можно использовать упрощенный первый способ расчета с вводом в расчетную зависимость дополнительного коэффициента Ван-дер-Ваальса. Проведенные исследования позволяют не только определить исходные данные для проектирования системы удаления конденсата, но и сформулировать соответствующие рекомендации для создания всей вентиляционной установки.
машиностроение, система вентиляции, рекуператор, энергоэффективность, конденсат
Введение
Многие исследователи и специалисты в области эксплуатации вентиляционных систем отмечают, что при наступлении холодного периода года в вытяжных воздуховодах образуется конденсат, который частично захватывается потоком воздуха и оседает на стенках воздуховодов. В условиях отрицательных температурах происходит обледенение внутренних поверхностей вытяжных воздуховодов, находящихся вне помещения цеха машиностроительного предприятия (рис. 1). Это приводит к уменьшению проходного сечения данных воздуховодов и, соответственно, к увеличению их аэродинамического сопротивления [1, с. 247-265; 2; 3].
Рис. 1. Замерзший конденсат в наружной части вытяжного
воздуховода (колпак снят)
Fig. 1. Frozen condensate in the outer part of the exhaust
duct (hood removed)
В конечном итоге упомянутое явление обуславливает увеличение расхода электроэнергии, потребляемой вытяжным вентилятором. Кроме того, часть конденсата просачивается через щели, собирается в нижней части вентиляционной установки и воздуховодов, а затем попадает на пол помещения цеха. Для устранения данной проблемы многие авторы предлагают утеплять вытяжные воздуховоды [2-8]. Такое решение является малоэффективным, т.к. удаления конденсата не происходит. Ряд авторов предлагают для устранения обмерзания чередовать режимы рекуперации и оттаивания, а также предварительно подогревать приточный воздух [9-20]. Применение данных методов снижает производительность рекуператора и увеличивает энергозатраты и, соответственно, финансовые затраты предприятия. Поэтому, современные вентиляционные системы снабжаются устройствами улавливания и удаления конденсата. Первым этапом при проектировании такой системы является создание методики по определению расхода конденсата в зависимости от расхода воздуха и термодинамических условий работы вентиляционной системы. В статье проанализированы известные методики расчета расхода конденсата и даны рекомендации по выбору оптимальной.
Результаты исследований
Существуют три способа расчета объема конденсата, выделившегося при прохождении удаляемого воздуха (УВ) через утилизатор тепла [21]. Первый способ является упрощенным, т.к. учитывает только изменение температуры удаляемого воздуха, предполагая, что объем УВ не изменяется из-за наличия термодинамических процессов в утилизаторе. Второй способ основан на использовании уравнения Клапейрона, которое учитывает взаимозависимость температуры, давления и объема. Вместе с тем известно, что уравнение Клапейрона описывает состояние идеального газа, которым влажный воздух не является. Более точно этот процесс описывает уравнение Ван-дер-Ваальса, на котором базируется третий способ. Однако из-за сложности решения данной задачи с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса этот способ практически не применяется. Проведем оценку этих способов с точки зрения точности расчетов по определению количества конденсата.
На входе в утилизатор тепла масса парообразной воды mп.вх (г) в объеме Vвх определяется с помощью известной зависимости:
, (1)
где Vвх – объем УВ, м3; ρн.вх – абсолютная влажность насыщенного УВ на входе в утилизатор, г/м3; φвх – относительная влажность УВ на входе в утилизатор.
Из-за теплообмена с приточным воздухом в утилизаторе УВ охлаждается и максимально возможное количество пара в нем уменьшается. В зависимости от величины охлаждения выходящий из утилизатора УВ может находится в трех состояниях пересыщения, насыщения и ненасыщения. В первом случае в УВ будет конденсат, а φвых = 1. Во втором случае φвых = 1, но конденсата не будет. В третьем случае УВ останется ненасыщенным, а φвых < 1.
Масса пара mп.вых (г) в объеме Vвых УВ при выходе из утилизатора определяется аналогично (1):
, (2)
где ρн.вых и φвых – абсолютная и относительная влажности насыщенного УВ на выходе из утилизатора, соответственно.
Масса конденсата mк при этом определяется следующим образом, условно считая φвых = 1:
(3)
или
(4)
Оценка результатов расчетов по формуле (4) следующая. При mк = 0 УВ после прохождения через утилизатор достиг состояния насыщения, но конденсат в нем не образовался. Когда mк > 0, то появился конденсат, а УВ на выходе насыщенный. При mк < 0 состояние насыщения не наступило, а |mк| – это масса паров, которыми необходимо пополнить УВ до насыщенного состояния. Данный подход позволяет определить не только объем конденсата, но и оценить состояние УВ на выходе из утилизатора.
В известных учебниках и справочниках, стандартах ISO 7183:2007 [22] и ГОСТ 24484-80 [23] зависимость ρн от температуры точки росы Тр приведена в виде таблиц, что усложняет процесс автоматизации расчетов. Для устранения данной проблемы в программной среде Excel произведена аппроксимация известных табличных данных и получено соответствующее уравнение регрессии:
где k1, k2, k3, k4, k5– коэффициенты уравнения регрессии: k1 =0,1021∙105; k2 = 0,9563∙103; k3 = 0,3362; k4 = 52,5592; k5 = 3093,0814; Тр – температура точки росы влажного воздуха, К.
Уравнение (5) получено для диапазона температур Тр от -60 до +35 ºС (233,15…308,15 К), что примерно соответствует температурам работы утилизатора. Уравнению регрессии соответствует полином 4-го порядка, т.к. величина достоверности при этом случае достигает 0,99991.
Тогда
(6)
Зависимости, заключенные в круглые скобки в уравнении (6), будут одинаковыми при расчете mк тремя упомянутыми выше способами. Обозначим их
.
При расчете mк первым способом необходимо приравнять Vвх= Vвых. Тогда уравнение для расчета mк (6) примет вид:
Как отмечалось выше, из-за теплообмена в утилизаторе происходит охлаждение УВ. Кроме того, в утилизаторе происходит уменьшение давления УВ, что обусловлено наличием аэродинамических потерь. Разница давлений на входе и выходе из утилизатора равна потерям в нем давления. Эти изменения температуры и давления означают, что Vвх не будет равен Vвых.
Величину этого изменения объема УВ можно оценить с помощью уравнения Клапейрона, на котором основан второй способ т. е:
(8)
где рвх и рвых – абсолютное давление удаляемого воздуха на входе в утилизатор и выходе из него, соответственно, Па.
Тогда Vвых равен:
(9)
В результате для расчета mк вторым способом уравнение (6) примет вид:
(10)
Как известно, уравнение Клапейрона описывает состояние идеального газа, и не учитывает размеры и взаимодействие между собой молекул воздуха. Для более точного описания двух состояний УВ, который является реальным газом, зачастую применяют уравнение Ван-дер-Ваальса:
(11)
где а – постоянная (коэффициент) Ван-дер-Ваальса, характеризующая силы межмолекулярного притяжения: а = 0,138 Па∙м6/моль2 [8]; b – коэффициент, учитывающий объем, который занимают молекулы: b=0,3183∙10-4 м3/моль [8]; n – количество молей в объеме V при нормальных условиях, моль.
|
56 |
Для определения mк третьим способом необходимо уравнение (11) решить относительно Vвых= f (pвх, pвых, Vвх, Твх, Твых, n, a, b). Преобразуем уравнение (11).
T вых p вх n 2 V вх 2 V вх T вх p вых n 2 V вых 2 V вых 
(12)
Обозначим:
После несложных преобразований уравнение (12) примет вид:
или
x 3 1 n b x 2 p n 2 A n 3 p n 3 
(13)
Обозначим:
; 
; 
.
Для решения уравнения (13) с помощью формулы Кардано [24] приведем его к виду:
(14)
где 
Решение уравнения (14) имеет вид:
(15)
или
(16)
а
(17)
Окончательно уравнение (6) при расчете mк третьим способом примет вид:
Объем конденсата можно определить по известной зависимости:
где ρв – плотность воды, кг/м3.
|
57 |
(20)
При расчете Qк первым способом Qуд.вх= Qуд.вых, вторым способом: Qуд.вых= Qуд.вх (рвхТвых/ рвыхТвх). Для третьего способа Qуд.вых=1/х.
Определим количество конденсата для вентиляционной системы машиностроительного цеха с помощью трех изложенных выше способов. Количество молей УВ определяется при нормальных условиях (атмосферное давление ратм=101325 Па, температура Т=273,15 К=20 0С). Для Vвх=1 м3 УВ n = 44,64 моль [25].
Рассмотрим типовую вентиляционную установку (рис. 2).
Рис. 2. Типовая схема современной установки для вентиляции
цеха машиностроительного предприятия
1 – корпус; 2, 3 – вентиляторы; 4 – утилизатор тепла;
5, 6 – фильтры; 7 – влагоотделитель; 8 – конденсатная емкость,
9 – устройство дополнительного нагрева
приточного воздуха; 10 – заслонки; 11 – трубопровод для
удаления конденсата; 12 – труба канализации
Fig. 2. Typical diagram of a modern installation
for ventilation of a workshop of a machine–building
enterprise 1 – case; 2, 3 – fans; 4 – heat exchanger;
5, 6 – filters; 7 – moisture separator; 8 – condensate tank,
9 – device for additional heating of supply air; 10 – dampers;
11 – pipeline for condensate removal; 12 – sewer pipe
Известно, что избыточное давление УВ на входе в рекуператор будет равно сумме потерь давления в утилизаторе 4, влагоотделителе 7, заслонках 10 и вытяжном воздуховоде от вентиляционной установки до выхода в атмосферу. Как правило, эти потери составляют 800…900 Па [26 ‒ 29]. Принимая атмосферное давление нормальным, получим, что абсолютное давление удаляемого воздуха на входе в рекуператор рвх будет равно 102125…102225 Па. В расчетах примем среднее значение рвх=102175 Па. Аэродинамическое сопротивление пластинчатых рекуператоров Δррк, как правило, не превышает 400 Па [29, 30]. Тогда абсолютное давление удаляемого воздуха на выходе из рекуператора будет меньше на величину Δррк, т.е. в среднем будет равно рвых=101775 Па.
|
58 |
С помощью уравнений (7), (10) и (18) с использованием программного пакета Mathcad выполнен анализ зависимости объема конденсата Vк от φвх и Твых при прохождении Vвх=1 м3 для трех описанных выше способов.
На рис. 3 приведены графики зависимости объема конденсата Vк = f1(Твых) для Vвх=1 м3 и различных значений φвх при расчете тремя рассмотренными выше способами.
Рис. 3. Графики зависимости Vк на выходе утилизатора,
выделившегося при прохождении Vвх= 1 м3 воздуха, от Твых и φвх.
Fig. 3. Graphs of the dependence of Vк at the outlet
of the utilizer, released during the passage of Vвх = 1 m3 of air, on Твых and φвх.
Объем конденсата значительно зависит от Твых, особенно в диапазоне температур Твых от -20 0С до + 5 0С. Проведем анализ полученных графиков при расчете третьим способом (с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса), т. к. этот способ наиболее точный. Так при Vвх= 1 м3, Твых = -20 0С и φвх = 1 в этом случае образуется примерно 14,3 см3 конденсата, если Твых= 5 0С, то всего Vк = 4,66 см3. Примерно при Твых = 12 0С образование конденсата не происходит, но УВ на выходе рекуператора остается насыщенным. При Твых > 12 0С УВ становится ненасыщенным. Когда УВ на входе в рекуператор имеет φвх < 1, то происходит снижение объема конденсата, а данная зависимость стремится к линейной.
При расчете объема конденсата 1-м и 2-м способами различие в величине Vк незначительно. Расчет 3-м способом дает несколько меньшую величину Vк, что связано с более точным расчетом Vвых. Так при Твых = 0 0С и φвх = 0,6 объем конденсата равен 4,7 см3, 4,1 и 5,0 см3 для 1-го, 2-го и 3-го способов расчета, соответственно. Дальнейший анализ показывает, что при проектировании системы удаления конденсата можно использовать упрощенный 1-й способ расчета с вводом в расчетную зависимость (7) дополнительного коэффициента. Назовем его коэффициент Ван-дер-Ваальса kвдв [27]. В среднем можно принят kвдв= 0, 92. Тогда с учетом (19) получим:
(21)
а
(22)
При проведении расчетов необходимо помнить, что использование коэффициента Ван-дер-Ваальса kвдв допустимо только при определении объема конденсата в системах вентиляции. Для вычисления объема конденсата в случае сжатия воздуха в пневмосистемах машиностроительных предприятий целесообразно использовать уравнение Вукаловича – Новикова, т.к. это обеспечивает получение более точных результатов.
Следует отметить, что при проектировании системы удаления конденсата и подборе дренажных труб производят выбор ближайшего большего диаметра dтр к расчетному [37]. Разбежка в диаметрах дренажных труб по сортаменту весьма значительна (50 мм, 75 мм, 100 мм и т.д.), поэтому особо высокая точность в расчетах Vк не требуется.
Определим расход выделившегося конденсата Qк при работе вентиляционной установки машиностроительного предприятия (цеха) в холодный период года при категории работ IIб. Подача УВ равна Qуд.вх = 50∙103 м3/ч = 13,89 м3/с. Рекуператор снижает температуру удаляемого воздуха с Твх = +18 0С = 291,15 К до Твых = -5 0С = 269,15 К [30]. Относительная влажность удаляемого воздуха φвх = 60 %. Значения Твх и φвх приняты в соответствии с требованиями [31–33] для рабочих мест предприятий машиностроения. Для расчетов используем уравнение (22). В результате получим, что расход конденсата равен довольно значительной величине: Qк = 288,7 л/ч. Очевидно, что данный конденсат необходимо удалять, в противном случае будет происходить его замерзание в вентиляционном канале на выходе из цеха (рис. 2).
Заключение
Охлаждение УВ при прохождении его через рекуператор вентиляционной установки цеха машиностроительного предприятия до температур ниже 0 0С приводит к образованию конденсата. Расход конденсата зависит от температуры и относительной влажности УВ, а также от величины воздухообмена и температуры на выходе рекуператора. С достаточной точностью для инженерных расчетов данный расход можно определять по упрощенной зависимости (22) с вводом в нее коэффициента Ван-дер-Ваальса kвдв = 0,92. Для удаления конденсата самотеком необходимо рекуператор устанавливать так, чтобы поток удаляемого воздуха в нем был нисходящим. После рекуператора в обязательном порядке необходимо устанавливать каплеуловитель.
Проведенный анализ способов определения расхода конденсата позволяет определить исходные данные для проектирования системы удаления конденсата.
1. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. СПб: АВОК Северо-Запад, 2005. 399 с.
2. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Математическая модель рекуперации теплоты в условиях образования инея. Вестник НГИЭИ. 2017. №6 (73) С. 68-77.
3. Mariani P. Теплоизоляция воздуховодов. АВОК. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3079 (дата обращения: 14.03.2021).
4. Miseviciute V., Martinaitis V. Analysis of ventilation system's heat exchangers integration possibilities for heating season. Pap. of the 8th International Conference «Environmental Engineering», 2011. May 19-20. Vilnius: Lithuania, 2011. Vol. 2. Pp. 781-787.
5. Ромейко М.Б. О применении отражающей изоляции в системах вентиляции и кондиционирования. Вестник МГСУ. 2011. №7 С.331-335.
6. Основные принципы защиты от замерзания вентиляционных установок Remak. URL: https://www.remak.eu/ru/osnovnye-principy-zashchity-ot-zamerzaniya-ventilyacionnyh-ustanovok-remak (дата обращения: 03.03.2021).
7. Белоногов Н.В. Обмерзание и конденсация водяного пара в перекрестноточных пластинчатых рекуператорах. С.О.К. 2005. № 11. С. 24-29.
8. Бурцев С. И., Цветков Ю. Н. Влажный воздух. Состав и свойства. СПб.: СПбГАХПТ, 1998. 146 с.
9. Игнаткин И.Ю. Система рекуперации теплоты с адаптивной рециркуляцией вытяжного воздуха. Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2019. №1 (33). С. 100-103.
10. Игнаткин И.Ю., Бондарев А.М., Курячий М.Г., Путан А.А., Архипцев А.В. Опыт внедрения системы рекуперации тепла вентиляционного воздуха в систему поддержания микроклимата. Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4 (9). С 256-261.
11. Свердлов А.В., Волков А.П., Рыков С.В., Волков М.А. Реверсивная струйная вентиляция и рекуперация как новое энергоэффективное проектное решение для крупных многоуровневых автостоянок. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2016. №1. С. 9-16.
12. Миронов Е.Б., Шишарина А.Н. Анализ приточно-вытяжных установок с рекуперацией тепла. Вестник НГИЭИ. 2014. №1. С.58-64.
13. Вишневский Е.П. Рекуперация тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. С.О.К. 2004. №11. С. 90 - 101.
14. Dylewski R., Adamczyk J. Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments. Energy and Buildings. 2012. № 54. С. 88-95. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.07.021.
15. Gorshkov A., Vatin N., Nemova D., Shabaldin A., Melnikova L., Kirill P. Using life-cycle analysis to assess energy savings delivered by building insulation. Procedia Engineering. 2015. № 1 (117). С. 1085-1094.
16. Баканова С.В., Баранов П.О. Оценка экономической целесообразности установки в системе вентиляции здания пекарни рекуператора. Образование и наука в современном мире. Инновации. Пенза: Изд-во Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. 2018. №2 (15) С. 139-145.
17. Галюжин С.Д., Лобикова Н.В., Лобикова О.М. Экономическая выгода мероприятий повышения энергетической эффективности систем вентиляции. Казахстан-Холод 2019: Сб. докл. межд. науч.-техн. конф. (20-21 февраля 2019г.) = Kazakhstan-Refrigeration 2019: Proceedings of the Conference (February 20-21, 2019). Алматы: АТУ, 2019. С. 104-110.
18. Игнаткин И.Ю. Теплоутилизационная установка с адаптивной рециркуляцией. Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического университета. 2016 № 10 (65). С.102-110.
19. Сазонова А.А., Кельвина К.В. Применение рекуператоров тепла в системах обеспечения микроклимата. Научный альманах. 2016. №4-З. (18) С.178-181. DOI:https://doi.org/10.17117/na.2016.04.03.178.
20. Самарин О.Д. О новом подходе к учету конденсации водяных паров при тепловом расчете воздухоохладителе. Известия высших учебных заведений. Строительство. Новосибирск: Изд-во Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, 2016, №2 (686) С. 67-73.
21. Галюжин С.Д., Лобикова Н.В., Лобикова О.М. Определение исходных данных для проектирования устройства удаления конденсата из рекуператора вентиляционной установки. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2019. № 7. С.63-71. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5d35d0b6901803.57308546.
22. ISO DIN 7183:2007 (e). Compressed-air dryers - Specifications and testing Edition 2.
23. ГОСТ 24484-80. Промышленная чистота. Сжатый воздух. Методы измерения загрязненности (актуализация 01.01.2021).
24. Решение кубических уравнений. Формула Кардано URL: https://www.resolventa.ru/spr/algebra/cardano.htm (дата обращения: 06.03.2021).
25. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Химический факультет МГУ. URL: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/realgases/chap1%283%29.html (дата обращения: 18.11.2020).
26. Аэродинамический расчет системы вентиляции. URL: https://www.promventholod.ru/tekhnicheskaya-biblioteka/aerodinamicheskiy-raschet-sistemy-ventilyatsii.html (дата обращения: 09.03.2021).
27. Галюжин А.С., Галюжин С.Д. Определение объема конденсата при сжатии воздуха с использованием уравнений Клапейрона и Ван-дер-Ваальса. Вестник Белорусско-Российского университета. 2018. №4. С. 110-119.
28. Потери давления каплеуловителей по воздуху. URL: https://ventilator.kiev.ua/aerostar/pdf/kapleuloviteli_DC.pdf (дата обращения: 09.03.2021).
29. Потеря давления в системе. URL: https://cyclonespb.ru/stati/article_post/poterya-davleniya-v-sisteme (дата обращения: 09.03.2021).
30. Каталог оборудования Klingenburg. Рекуперация тепла пластинчатыми теплообменниками. URL: https://www.c-o-k.ru/library/catalogs/klingenburg/10825 (дата обращения: 01.12.2021).
31. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
32. Санитарные нормы и правила. Требования к контролю воздуха рабочей зоны, утв. Пост. Мин-ва здравоохранения РБ от 11 октября 2017 г. №92. URL: http://www.ohrana-truda.by/topic/5546-utverzhdeny-novye-sanitarnye-normy-i-pravila-t/ (дата обращения: 10.01.2021).
33. Гигиенические нормативы «Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны». утв. Пост. Мин-ва здравоохранения РБ от 11 октября 2017 г. №92. URL: https://www.ohrana-truda.by/topic/5546-utverzhdeny-novye-sanitarnye-normy-i-pravila-trebovaniya-k-kontrolyu-vozduha-rabochey-zony/ (дата обращения: 10.01.2021).
34. Лобикова Н.В. Проектирование энергосберегающего вентиляционного оборудования здания с учетом многокритериальной оптимизации параметров. Сборник научных работ студентов Республики Беларусь «НИРС2019» / редкол.: И. А. Старовойтова (пред.) [и др.]. Минск: Изд. центр БГУ, 2020. С. 129-133.
35. Лобикова Н.В., Лобикова О.М. Методический подход к проектированию системы вентиляции зимнего сада при формировании элементов городской среды. Проблемы, факторы и особенности развития инновационной экономики: Материалы международной научно-практической конференции. Москва. 23 апреля 2019 г. - М.: Изд-во АНО ВО «Институт бизнеса и дизайна», 2019. С. 252-262.
36. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Вильнер Я. М. [и др.]; под общ. ред. Б. Б. Некрасова. Минск: Выш. шк., 1985. 382 с.
37. Лобикова Н.В., Галюжин С.Д., Лобикова О.М. Гидравлический расчет системы удаления конденсата вентиляционной установки. Вестник Белорусско-Российского университета. 2020. №2. С.60-67.
