CC BY
106
УДК 677.697
Б.С.Сажин, О.С.Кочетов, Л.Я.Живайкин, М.В.Чунаев, А.В.Костылева, Е.В. Орешкина Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРОМ
In work the design procedure of parameters heat recyclors is submitted, on the basis of the devices of a boiling layer established in forced-air and exhaust devices of systems of ventilation and an air conditioning. Calculation of a central air of air was carried out for crest of scratched shops of Open Society « Troitskaya kamvol-naya factory », taking place in Troitsk the Moscow area. The area of shop the sum heat of receipt from all sources for the warm period of year IQ = 1004397 кЩ/ch, total size heart of loss IQ = 21 016 ^/ch, superfluous heat in shop in summertime IQn =1025413 кЩ/ch makes 2122 m2.
В работе представлена методика расчета параметров теплоутилизаторов, на базе аппаратов кипящего слоя, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Расчет системы кондиционирования воздуха выполнялся для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», находящегося в г. Троицке Московской области. Площадь цеха составляет 2122 м2, сумма теплопоступлений от всех источников для теплого периода года EQ = 1004397 кДж/ч, суммарная величина теплопотерь EQ = 21 016 кДж/ч, избыточное тепло в цехе в летнее время EQ =1025413 кДж/ч.
Рассмотрим методику расчета теплоутилизатора для систем вентиляции и кондиционирования воздуха на примере производственного цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика». Расчет системы кондиционирования воздуха выполнялся для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», находящейся в г. Троицке Московской области. Площадь цеха составляет 2 122 м , высота - 3,2 м. На продольной стене цеха, обращенной на юг, имеются 32 окна, на восток - 10 окон, с двойным остеклением в деревянных переплетах, размером 1,8x1,4 м. Технологическое оборудование состоит из 54 ленточных и гребнечесальных машин мощностью электродвигателей 2,8 кВт. В цехе одновременно работают 47 человек.
Находим сумму теплопоступлений в цех: теплопоступления от машин составят: Ql = 3600Куст хксп р кв = 489 888 кДж/ч; где Куст - номинальная мощность электродвигателей в кВт/ч; кспр- коэффициент спроса, характеризующий отношение мощности, фактически потребляемой оборудованием, к установленной мощности электродвигателей; кв-коэффициент выделения тепла в помещение; теплопоступления от людей составили: Q2 = 37 600 кДж/ч; теплопоступления от солнечной радиации учитывались с южной и восточной сторон: Q3 = 59 202 к Дж/ч; теплопоступления с чердака: Q4 = 57 707 кДж/ч; теплопоступления от искусственного освещения: Q5 = 360 000 кДж/ч. Сумма теплопоступлений от всех источников для теплого периода года будет равна
ЭД = 489888 + 37600 + 59202 +57707+360 000 =1004397 кДж/ч. Примем расчетные параметры Б наружного воздуха для г.Троицка [1]: 1н = 28,5°С, 1н = 54 кДж/кг. Внутренние параметры принимаем равными 1В=25 °С при ф = 50 %.
Цех находится на верхнем этаже, в связи с чем теплопотери будут через наружные стены, окна и потолок. Подсчитав теплопотери по каждому ограждению в отдельности и просуммировав их, получим общую величину теплопотерь в цехе: ЭД = 21 016 кДж/ч. Таким образом, избыточное тепло в летнее время составит: =1025413 кДж/ч
Количество воздуха, которое необходимо подавать в цех, определим по формуле
Ьм =
I О,
1025413
(А/_ -Мвен ) • Кэ (3,2 - 0,8) -1,15
=222916 кг/ч
(1)
или 182000 м3/ч.
Теплопотери для холодного времени года считается аналогичным способом. Подсчитав теплопотери по каждому ограждению в отдельности и просуммировав их, получаем общую величину теплопотерь, равную 276204 кДж/ч. Теплопоступления в цехе от машин и людей в зимнее время остаются те же, что и летом, а поступления тепла от солнечной радиации и с чердака не будет. В то же время часть тепла будет теряться через ограждения здания. Таким образом, избыточное тепло в зале в зимнее время составит
% =( 01 +02 +05" 0пот) =489 888 + 37600 +360 000 -276 204 = 611284 кДж/ч.
Затем был построен процесс на ^-диаграмме, из которого следует, что первый подогрев воздуха в кондиционере не нужен и нет надобности в установке секции первого подогрева. Связующий эффект по теплу в этом случае будет равен А1зала = 1в - 1к = 38,9-28,9=10 кДж/кг. Учитывая, что нагрев воздуха в вентиляторе равен около 0,8 кДж/кг, связующий эффект будет составлять А1зала = 10-0,8=9,2 кДж/кг.
А
«шиш
Рис.1. Система вентиляции и кондиционирования воздуха с утилизатором тепла кипящего слоя: 1-еплообменник системы вентиляции и кондиционирования воздуха, 2-теплообменник первого подогрева, 3,7-аппараты кипящего слоя, 4,8-насосы, 5,6-вентиляторы.
Производительность установки для кондиционирования воздуха будет равна , I Он 611284
ЬМ =—=-=-= 86133 кг/ч (2)
М А/ • Кэ 9,2 -1,15
зала
или 71184 м3/ч.
Следовательно, зимой кондиционер должен работать с несколько уменьшенной производительностью. При выборе кондиционера будем учитывать параметры, рассчитанные для лета. Принимаем к установке кондиционер типа КТ-200 расчетной производитель-
3 3
ностью 182000 м /ч при номинальной производительности 200000 м /ч.
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одним из основных принципов функционирования современного промышленного производства. Рассчитаем систему вентиляции и кондиционирования воздуха с утилизатором тепла кипящего слоя, представленную на рис.1, для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика». Система вентиляции с утилизатором тепла работает следующим образом. Подаваемый вентилятором 5 наружный воздух сначала нагревается в теплообменнике 1, а затем догревается в теплообменнике первого подогрева 2 и поступает в аппарат 3, где происходит адиабатное охлаждение и увлажнение приточного воздуха водой, рециркуляция которой осуществляется насосом 4. Удаленный из помещения воздух вентилятором 6 подается в аппарат 7 кипящего слоя, служащий теплоутилиза-тором. Насос 8 предназначен для циркуляции воды, играющей роль промежуточного теплоносителя. Аппараты с виброкипящим слоем широко применяют в системах оборотного водоснабжения (для охлаждения рециркулирующей воды) в хлебопекарной промышленности и на предприятиях общественного питания.
№
......, г
V/
г* J а. ... 1 1 1: ■! 4|
Рис. 2. Кривая идеального псевдоожижения двухфазной системы.
" V
Рис. 3. Кривая реального псевдоожижения двухфазной системы (монодисперсный материал).
Однако наиболее эффективно их использование в вентиляционных системах тех предприятий, где по технологическим требованиям необходимо поддержание в течение всего года повышенной относительной влажности воздуха, что характерно для производственных цехов текстильных предприятий, так как при повышенной влажности воздуха уменьшается вероятность обрыва нитей, и, следовательно, повышается в целом производительность технологического процесса. При использовании аппарата с кипящим слоем сокращается до 50 % расхода теплоты на нагрев приточного воздуха и достигается охлаждение его в летний период, что обеспечивает достаточно малый срок окупаемости необходимых капитальных вложений. Рассмотрим расчет гидродинамики данного аппарата. Имеется определенная область существования кипящего слоя, ограниченная с одной стороны критической скоростью псевдоожижения, а с другой - скоростью уноса тонкой фракции. Состояние псевдоожижения начинается после определенной скорости сжижающего агента, которую называют критической скоростью псевдоожижения ипс. Состояние двухфазной системы псевдоожиженного слоя наглядно изображается в виде кривой псевдоожижения. Последняя выражает зависимость полного перепада давления АР от скорости сжижающего агента и, рассчитанной на полное
сечение аппарата (рис. 2). Восходящая ветвь ОА соответствует движению сжижающего агента через неподвижный слой. Излом кривой в точке А соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние, а абсцисса точки А выражает скорость начала псевдоожижения икр, являющуюся нижним пределом интервала псевдоожижен-ного состояния, т.е. первой критической скоростью. Начало псевдоожижения соответствует равенству подъемной силы и силы тяжести частицы.
Для всего аппарата полный перепад давления
АР = О / £ (3)
а перепад давления в слое
АР = %Р -р)(1 -в) (4)
где О, И — масса и высота слоя; Б — полное сечение аппарата; рч, рг — плотность частицы материала и газа; в - порозность слоя.
Кривая реального псевдоожижения для монодисперсного материала несколько отличается от идеальной. Прежде всего, для реальной кривой псевдоожижения (рис. 3) характерно наличие пика давления АР в момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние, что объясняется необходимостью дополнительной затраты энергии на преодоление сил сцепления частиц. Для полидисперсных систем псевдоожижение не может характеризоваться только одной критической скоростью икр. Следует отметить, что подвижность мелких частиц между более крупными частицами делает течение нестационарным. Степень же подвижности и доли частиц, которые могут перемещаться, зависят от распределения частиц по размерам. Для полидисперсных систем считается характерным наличие переходной области между областями с режимами фильтрации и псевдоожижения. На рис. 4 показана примерная зависимость АР от и для этого случая.
При некоторой скорости и=ин начинает теряться устойчивость слоя и перестают двигаться мелкие частицы. Полное псевдоожижение всего слоя и ар=сопб1 наблюдаются при более высокой скорости газа и>ин. В переходной области ин<и<ик все большая доля частиц переходит во взвешенное состояние, и сопротивление слоя медленно возрастает АР ~ ип (п = 0,1-0,2).
Кипящий слой характеризуется следующими параметрами: порозностью слоя в (относительный объем пустот в слое), скоростью на живое сечение и/в, числом псевдоожижения W=u/uкр, высотой слоя И, скоростью витания частиц ивит и показателем полидисперсности 1 (отношение диаметров частиц крупной и мелкой фракций).
Рис. 4. Кривая псевдоожижения полидисперсных систем
Рис. 5. Кривая идеального вытеснения
Для случая идеального перемешивания твердого материала в кипящем слое кривая распределения концентраций по времени пребывания газовой фазы приближается к
кривой идеального вытеснения (рис.5). Этот случай реализуется при малых размерах слоя и примерно одинаковой его протяженности в различных направлениях. Для описания гидродинамики кипящего слоя в условиях различных режимов обтекания частиц наиболее применима интерполяционная формула Тодеса (для шарообразных частиц)
те = Лг
" = (1400 - 5.22)4Тг (5)
Им же предложена обобщенная полуэмпирическая зависимость для описания всего интервала существования взвешенного слоя
ЛГ5475
^ =-/=777 (6)
Л + Вл1Лга
где А = 18 и В = 0,61 - константы.
Выражение (6) при в= 0,4 превращается в формулу (5) для определения критической скорости псевдоожижения, а при в = 1,0-скорости витания
Яе = Лг
е'д = 18 + 0.61>А (7)
Неудобство такого метода расчета состоит в том, что в левой и правой частях уравнения содержится одна и та же величина ёч, которая входит в критерий Рейнольдса Яе и Архимеда Аг. Поэтому в настоящее время вместо Яе используют производный от него критерий Лященко Ьу
,3 . 3 тЗ ,2 3
ьУ=—=.3 : ,л= .._,. ,л (8)
= и^ур, = ура
Лг V3р - ра) Vр - рЦ) где ёч - диаметр частиц; V- кинематическая вязкость среды.
Таким образом, зависимость Яе=Г(Аг) изменяется зависимостью Ьу = ^Аг), причем и =Г(ёч).
Зависимость Ьу =ДАг) представлена графически [2], а область существования псевдоожиженного слоя лежит между кривыми порозности в= 1 и в=0,4.
Выводы:
В работе рассмотрена методика расчета параметров теплоутилизаторов, на базе аппаратов кипящего слоя, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции и кондиционирования воздуха с учетом параметров существования взвешенного слоя полидисперсных систем. Расчет системы кондиционирования воздуха выполнен для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», находящегося в г. Троицке Московской области. Рекомендован кондиционер типа КТ-200 расчетной производительностью 182000 м /ч.
Список литературы
1.Сажин Б.С., Кочетов О.С. Научные основы создания систем жизнеобеспечения для текстильных производств. М., МГТУ, 2004.-318 с.
2. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.
3.Удалов, Владимир Павлович. Расчет и проектирование теплоутилизаторов отходящих газов: Учеб. пособие к курсовому проектированию по дисциплине: "Использование ВЭР теплотехнол. установок" для студентов специальности 100800; техн. ун-т.- Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т , 1999 - 50 с.
4.Павлова, Галина Анатольевна. Теплоутилизационные аппараты: Учеб. пособие Г.А. Павлова, А.В. Вачаев; М-во образования Рос. Федерации. Магнитог. гос. техн. ун-т им. Г.И. Носова .- Магнитогорск : МГТУ им. Г.И. Носова , 2000 - 68 с.
