CC BY
32
УДК 697.9
Бройда В.А. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: broida@mail.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
РАСЧЕТ НАГРУЗКИ ТЕПЛООБМЕННИКА ФЭНКОЙЛА С УЧЕТОМ УСТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ
АННОТАЦИЯ
Итерационным способом рассчитывается состояние влажного воздуха в помещении. Учитываются поступления теплоты и влаги, подача приточного воздуха и характеристики теплообменника фэнкойла. Соответственно найденному состоянию воздуха определяется нагрузка теплообменника фэнкойла и характеристики его работы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фэнкойл, теплообменник, состояние воздуха.
Broyda V.A. - candidate of sciences, assistant professor
Kazan State University of Architecture and Engineering
LOAD CALCULATION OF FANCOIL'S HEAT EXCHANGER WITH CONSIDERATION OF STEADY AIR CONDITIONS IN THE ROOM
ABSTRACT
Conditions of the humid inside air are calculated iteratively. The feed of heat and moisture, supply air and characteristics of the fan coil's heat exchanger are considered. According to the previously found air conditions, load of fan coil's heat exchanger and his operation characteristics are determined.
KEYWORDS: fan coil, heat exchanger, air conditions.
Введение
Кондиционирование воздуха в многокомнатных зданиях может осуществляться многозональными системами с вентиляторными кондиционерами-доводчиками - фэнкойлами. В помещения подается минимальный расход обработанного наружного воздуха, обычно определяемый по санитарной норме. Часто состояние приточного воздуха, подаваемого центральной системой кондиционирования, определяется из условия поглощения выделений влаги в помещениях. Такие системы не предназначены для точного поддержания влажности воздуха, они обеспечивают лишь не превышение границы нормативной влажности. Точное поддержание заданных температур в отдельных помещениях осуществляется охлаждением воздуха в теплообменниках фэнкойлов.
При подборе фэнкойлов исходят из их необходимой холодопроизводительности, которая должна покрывать избытки теплоты в помещении. Задаются температурой и относительной влажностью (или температурой по мокрому термометру tM) внутреннего воздуха в пределах оптимальных норм, выбирают типоразмер фэнкойла и уточняют с помощью таблиц, номограмм или коэффициентов пересчета его явную и полную холодопроизводительности, расход холодной воды и другие характеристики.
Имеются компьютерные программы для подбора фэнкойлов, с помощью которых находятся все необходимые характеристики. Но результаты расчета по программе, так же, как и ручного подбора, зависят от состояния воздуха в помещении, которым задаются.
Температурно-влажностные условия в помещении устанавливаются в результате выполнения балансов поступления теплоты и влаги в помещение, подачи воздуха с определенным состоянием и охлаждения и осушения воздуха в теплообменнике фэнкойла. Поэтому равновесное состояние влажного воздуха может отличаться от принятого вначале.
В свою очередь, характеристики работы теплообменника фэнкойла также зависят от состояния воздуха. Задачу, увязывающую устанавливающееся состояние воздуха с характеристиками теплообменника, имеющиеся программы подбора не решают.
Существуют методы расчета теплообменников для процессов охлаждения и осушения воздуха («мокрого» охлаждения), основывающиеся на эмпирических зависимостях для коэффициентов явной и полной теплопередачи [1 и др.]. Другой подход [1, 2 и др.] - это замена процесса «мокрого» охлаждения в теплообменнике на эквивалентный процесс «сухого» охлаждения. Могут дополнительно привлекаться закономерности для числа единиц переноса ЫТи и другие зависимости. Обычно разработчики программ подбора фэнкойлов не раскрывают конкретных положений расчета.
Целью данной работы является построение способа расчета, который позволяет находить устанавливающееся равновесное состояние воздуха в помещении и определять характеристики работы теплообменника фэнкойла при этих условиях.
Основная часть
Для достижения поставленной цели применяются:
- закономерности состояния влажного воздуха (они общеизвестны [3] и здесь не приводятся);
- один из способов для описания теплопередачи в теплообменнике, работающем в режиме охлаждения и осушения воздуха;
- необходимые балансовые уравнения (некоторые из них приводятся ниже).
Балансы помещения по явной и полной теплоте выражаются уравнениями (1-2). Предполагается раздельная подача потока воздуха, подготовленного в центральном кондиционере, и потока воздуха, обработанного в фэнкойле (в фэнкойл воздух забирается из помещения). Считается, что параметры воздуха в объеме помещения одинаковы. Оба эти положения не обязательны, они принимаются для определенности рассматриваемой задачи.
ЛQЯ - Оп • с • (гв - гп) - 0ФЯ = о, (1)
ЬОп -Оп • (гв - 1п)-Офп = 0, (2)
где , Ы^п - избытки явной и полной теплоты в помещении, кДж/ч; QФЯ , QФП - явная и полная холодопроизводительности теплообменника фэнкойла, кДж/ч; Оп - расход приточного воздуха, подаваемого в помещение от центрального кондиционера, кг/ч; гв , 1В - параметры воздуха в помещении: температура, энтальпия, 0С, кДж/кг; гп, гп - параметры приточного воздуха, 0С, кДж/кг; с =1,005 кДж/(кг-К) - удельная теплоемкость воздуха.
В данном решении используется способ, основанный на применении эмпирических зависимостей для коэффициентов явной кя и полной кп теплопередачи (Вт/(м2-К)) [1]
к я = А • (ур )т1 • ^ • Тр\ (3)
кп = Л2 • (ур)т2 • wn2 • Тр2, (4)
Qфя = 3,6 • кя • ^ -Лгот, (5)
Qфп = 3,6 • кп • ^ •лгсл, (6)
где (ур), w - массовая скорость воздуха в теплообменнике фэнкойла и скорость воды в его трубках, соответственно кг/(м2-с), м/с; Т = (гв - гм )/(гв - гх 1) - температурный параметр; Л¡, А2, ть т2, пь п2, р1,, р2 - эмпирические константы; Е - площадь теплопередачи теплообменника, м2; гх 1 -температура холодной воды, 0С; Лгсл = (ЛгБ - Лгм )/1п(ЛгБ / Лгм) - средняя логарифмическая разность температур воздуха и воды, 0С; ЛгБ , Лгм - наибольшая и наименьшая разности температур воздуха и воды на входе и выходе теплообменника фэнкойла, 0С.
Параметры воздуха (температура и энтальпия) после обработки в теплообменнике фэнкойла:
гф = гв -Qфя /(с• Ов), (7)
!ф = г в - ^п / Ов, (8)
Температура обратной отепленной воды
гх 2 = гх 1 + QФП / СШ • ОШ , (9)
где Ов, Ош - расход воздуха, расход холодной воды, проходящих через теплообменник фэнкойла, кг/ч; сш =4,187 кДж/(кг-К) - теплоемкость воды.
Решение задачи находится итерационным способом. Задаются: состояние наружного и внутреннего воздуха, расход приточного воздуха, избытки явной (полной) теплоты и выделения влаги в помещении. Предварительно определяется состояние приточного воздуха, поступающего от воздухоохладителя центрального кондиционера, достаточное для удаления влаговыделений, оцениваются необходимые температуры холодной воды [4, 5].
Путь решения следующий:
- находятся избытки явной теплоты, с учетом подачи охлажденного приточного воздуха, выбирается фэнкойл с теплообменником, который обеспечивает достаточную явную холодопроизводительность;
- определяются параметры воздуха после обработки в теплообменнике, температура уходящей отепленной воды;
- уточняется состояние воздуха в помещении, установившееся в результате применения выбранного теплообменника - этим завершается первый шаг итерации;
- при уточненных условиях находятся новые характеристики работы теплообменника (коэффициенты теплопередачи, средняя логарифмическая разность температур, холодопроизводительности по явной и полной теплоте, температура уходящей отепленной воды);
- итерационный процесс повторяется до требуемой сходимости результатов. Обычно достаточно до нескольких десятков итерационных шагов. В некоторых случаях, когда первоначальные приближения далеки от устанавливающегося равновесного состояния, может потребоваться большее число итераций. Начиная со 2 шага, ручные вычисления и трудоемки, и неточны, поэтому используется компьютерная программа, которая разработана для описанной модели расчета.
Пример
Исходные данные. Наружный воздух: температура =30,0 0С, энтальпия IН =65,0 кДж/кг. Внутренний воздух: температура 1В =25,0 0С, относительная влажность (рВ =60 % (йВ=11,98 г/кг, IВ =55,6 кДж/кг, =19,4 0С). Избытки явной теплоты AQЯ =4000 Вт (14400 кДж/ч), выделения влаги Ж =900г/ч (0,9 кг/ч), избытки полной теплоты AQП = ЩЯ + Ж ■ г = 14400+0,9-2500= 16650 кДж/ч (4625Вт), где г =2500 кДж/кг - скрытая теплота парообразования. Расход наружного воздуха, подаваемого центральным кондиционером ОП =580 кг/ч, его влагосодержание, необходимое для ассимиляции влаги ёП = ёВ - Ж /ОП = 12,98 - 900/580=10,4 г/кг. Температура приточного воздуха определяется по методикам [4, 5] IП =16,77 0С ( гП =43,23 кДж/кг). Температуры холодной воды и отепленной воды, достаточные для охлаждения и осушения [4, 5] 1Х1 =9 0С, 1Х 2 =14 0С.
Решение
1. Требуемая явная холодопроизводительность теплообменника фэнкойла равна избыткам явной теплоты с учетом подачи охлажденного приточного воздуха
QФЯ = AQЯ - ОП ■ с ■ (ГВ - IП )=14400-5804,005^(25- 16,8)=9603 кДж/ч=2667 Вт.
Такой холодопроизводительности отвечает теплообменник с площадью поверхности теплопередачи Е =18,38 м2, площадью сечения для прохода воздуха ЕВ =0,08425 м2, площадью сечения трубок для прохода воды =0,0002688 м2. При массовой скорости воздуха ур =3,5 кг/(м2-с) и скорости воды в трубках w =0,8 м/с, температурном факторе Т = (25 - 19,4)/(25 - 9)=0,35, коэффициенты теплопередачи (значения эмпирических констант приведены в [1]) составляют:
кЯ = 11,05 ■ (3,5)0 56 ■ 0,80 2 ■ 0,350 25 =16,40 (Вт/(м2-К), кП = 10,25 ■ (3,5)0'29 ■ 0,80'22 ■ 0,35-0,6 = 27,68 (Вт/(м2К)
Предварительно принимается температура воздуха на выходе из теплообменника tФ = 16 0С, вычисляются: AtБ =25-14=11 0С и AtМ =16-9=7 0С, AtСЛ = (11 - 7)/1п(11/7) =8,85 0С.
Холодопроизводительности теплообменника составляют: явная QФЯ = 16,4 ■ 18,38 ■ 8,85 = = 2667 Вт=9603 кДж/ч, полная QФП = 27,68 ■ 18,38 ■ 8,85 =4502 Вт=16209 кДж/ч.
Расход воздуха через теплообменник Ов = 3600 • ур • Ев = 3600 • 3,5 • 0,08425=1061,5 кг/ч, расход холодной воды Ош = 3600 • рш • w • Е№ = 3600 • 1000 • 0,8 • 0,0002688 =774 кг/ч.
2. Состояние воздуха на выходе из теплообменника определяется по формулам (7, 8): гф = 25 - 9603/(1,005 • 1061,5) =16,0 0С, гф = 55,6 - 16209/1061,5=40,3 кДж/кг, его влагосодержание ёф =9,57 г/кг.
В теплообменнике происходит охлаждение и осушение воздуха. В помещении устанавливаются иные параметры воздуха, которые можно определить, решая совместно (2 и 7): 1 = ЛQ я + С • (Оп • гп + Ов • гф ) = 14400 + 1,005 • (580 • 16,77 + 1061,5 • 16) = 25^С в с • (Оп + Ов) с • (580 +1061,5) '
и аналогично решая (1 и 8):
ЛQП + Оп • гп + Ов • гф 16650 + 580 • 43,2 + 1061,5 • 40,3 Г1 г „ ,
г в =-=-= 51,5 кДж/кг,
О п + О в 580 + 1061,5
чему отвечает влагосодержание воздуха в помещении й в = 10,4 г/кг. Соответственно
несколько изменяются условия теплопередачи в теплообменнике (гм , Т , кп , кя , Лгсл).
3. С помощью компьютерной программы реализуется итерационный процесс. Равновесное устанавливающееся состояние воздуха в помещении: гв =24,4 0С, (рв =50,6 %, йв =9,77 г/кг, г в =49,42 кДж/кг, гм =17,2 0С - заметно отличается от принятого вначале. Состояние воздуха после теплообменника фэнкойла: гф =15,13 0С, йф =8,67 г/кг, гф =37,12 кДж/кг - также изменилось. При этом меняются промежуточные расчетные величины, такие как: перепады температур, коэффициенты теплопередачи, холодопроизводительности, температура отепленной воды. Окончательные значения холодопроизводительностей: QФЯ = 2757 Вт, QФП =3627 Вт. Температура отепленной воды гх 2 =13,03 0С, в теплообменнике также происходит процесс охлаждения и осушения воздуха.
4. Выше рассмотрено нерегулируемое охлаждение воздуха в фэнкойле. Выбранный теплообменник соответствовал первоначально принятым условиям, но при уточненных условиях его холодопроизводительность оказалась немного выше требуемой и в помещении устанавливается температура ниже заданной. Поддержание заданной температуры воздуха в помещении может осуществляться регулированием, например двухпозиционным регулированием подачи холодной воды с помощью трехходового клапана. При таком регулировании расходы воздуха и воды через теплообменник не изменяются, но теплообменник работает только часть времени.
Расчет регулируемого процесса для тех же исходных условий дает следующие результаты. Состояние воздуха в помещении: гв =25,0 0С, (рв =49,5 %, ёв =9,85 г/кг, гв =50,2 кДж/кг, гм =17,46 0С. Состояние воздуха после теплообменника в периоды его работы: гф =15,35 0С, ёф =8,72 г/кг, гф =37,47 кДж/кг. Холодопроизводительности теплообменника в периоды работы: QФЯ = 2859 Вт, QФП =3753 Вт; средние по времени - QФЯ = 2667 Вт, QФП =3501 Вт; температура отепленной воды гх 2 =13,17 0С. Изображения рассмотренных процессов показаны на рис. 1.
5. Типоразмерные ряды фэнкойлов ограничены, поэтому обычно невозможно подобрать фэнкойл, точно соответствующий требуемой холодопроизводительности, и выбирается немного более мощный аппарат.
По условиям предыдущего примера выбран фэнкойл с более производительным теплообменником: поверхность теплопередачи Е =21,14 м2, площадь сечения для прохода воздуха Ев =0,09686 м2, площадь сечения трубок ¥ш =0,000309 м2. При тех же скоростях воздушного и
водяного потоков расходы воздуха и воды составят: О в = 1220,8 кг/ч, Ош = 890,4 кг/ч. При тех же
температурных условиях его начальная явная холодопроизводительность на 15 % выше требуемой. На рис. 2 показаны процессы, проходящие в таком теплообменнике.
Рис. 1. Процессы охлаждения и осушения воздуха в теплообменнике фэнкойла
Точками показаны начальные и конечные состояния воздуха: Т1 -нерегулируемый процесс в начальной фазе расчета, Т2 - нерегулируемый процесс в конечной фазе расчета, Т3 -процесс при регулировании в конечной фазе расчета; П - состояние приточного воздуха
Рис. 2. Процессы охлаждения и осушения воздуха в теплообменнике фэнкойла большей производительности Точками показаны начальные и конечные состояния воздуха: Т1 -нерегулируемый процесс в начальной фазе расчета, Т2 - нерегулируемый процесс в конечной фазе расчета, Т3 -процесс при регулировании в конечной фазе расчета; П - состояние приточного воздуха
Начальные расчетные состояния воздуха на входе и выходе теплообменника совпадают с рассмотренными ранее. В режиме без регулирования при работе такого теплообменника устанавливаются заметно более низкая температура в помещении (1В =23,3 0С) с несколько меньшим влагосодержанием (ёВ =9,60 г/кг), его холодопроизводительности: QФЯ = 2939 Вт , QФП =3881 Вт. В режиме регулирования параметры работы близки к параметрам менее мощного аппарата.
Таким образом, в результате итерационного расчета определяются: состояние воздуха в помещении, состояние воздуха, обработанного в теплообменнике фэнкойла, явная и полная холодопроизводительности теплообменника и другие характеристики его работы в режимах без регулирования и в режимах поддержания заданной температуры.
Заключение
Предложен итерационный способ расчета состояния влажного воздуха в помещении, который учитывает избытки теплоты и влаги, состояние подаваемого приточного воздуха, характеристики теплообменника фэнкойла. Способ может базироваться на имеющихся методах расчета таких теплообменников и предполагает компьютерную реализацию. В результате определяется нагрузка и характеристики работы теплообменника, соответствующие устанавливающемуся состоянию воздуха в помещении. Предложенный способ позволяет точнее определять расчетное состояние воздуха в помещении и затраты холода и энергии на работу системы кондиционирования воздуха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1982. - 312 с.
2. Бялый Б.И. Тепломассообменное оборудование воздухообрабатывающих установок ООО «Веза». -М.: ООО «Инфорт», 2005. - 278 с.
3. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.
4. Белова Е.М. Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фэнкойлами. - М.: Евроклимат, 2006. - 398 с.
5. Бройда В. А. Системы кондиционирования воздуха, использующие чиллеры и фэнкойлы: Учебн. пособие. - Казань: КГАСУ, 2009. - 211 с.
