Условия, сроки хранения особоскоропортящихся продуктов

Значительная часть продовольственных продуктов поступает в розничную торговую сеть непосредственно с пищевых предприятий, минуя оптовые холодильники. Это мясные, молочные, рыбные, овощные продукты, кондитерские изделия и другие, так называемые особоскоропорятящиеся продукты.

К особоскоропортящимся относятся продукты, срок хранения которых с момента окончания технологического процесса при температуре не выше 6°С составляет от 6 до 72 ч. Эти сроки включают время пребывания продуктов на предприятии-изготовителе, транспортирования и хранения в торговых предприятиях.

 

2.2. Физические основы получения низких температур

В природе осуществляется непрерывный переход тепла от тел с высокой температурой к телам с низкой, т.е. происходит так называемое естественное охлаждение, при котором предельная температура охлаждаемого тела зависит от температуры охлаждающих тел. Охлаждение происходит вследствие теплопередачи, передачи части кинетической энергии теплового движения молекул. В результате естественной теплопередачи кинетические энергии и температуры тел выравниваются. При естественном охлаждении нельзя получить температуру тела ниже температуры источника охлаждения. Это возможно только с помощью искусственного охлаждения, создаваемого специальными устройствами, работа которых осуществляется с затратой энергии.

В основе получения искусственного холода лежат следующие физические явления: изменение агрегатного состояния (фазовые превращения), сопровождающееся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли); расширение сжатого газа с отдачей внешней работы; дросселирование (эффект Джоуля-Томпсона); вихревой эффект (эффект Ренка-Хильша); термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье); размагничивание твердого тела (магнитокалорический эффект); десорбция газов и др.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождения выделением или поглощением соответствующего количества тепла, расходуемого на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. Фазовые превращения происходят при постоянных температуре и давлении, зависящих от физических свойств тел и условий перехода из одного состояния в другое.

При плавлении переход тела из твердого состояния в жидкое происходит при подводе к нему необходимого количества тепла. Количество тепла, поглощенное 1 кг твердого тела при переходе его в жидкое состояние, называется теплотой плавления.

, кДж ,                     (2.1)

где: m – масса (льда), кг;  – теплоемкость  - температура переохлажденного льда, ;  - теплота плавления, кДж/кг; Т – температура теплой воды, отводимой в окружающую среду, ^оК; с – теплоемкость воды, . Плавление льда широко используется при безмашинном охлаждении, однако предельная температура охлаждения составляет . Для получения более низких температур применяют смеси льда с солями. При использовании хлористого натрий и хлористого кальция можно понизить температуру его плавления до 218^oК.

При кипении происходит процесс интенсивного образования пара из перегретой жидкости. Количество тепла, поглощаемое 1 кг жидкого тела при постоянной температуре перехода его в парообразное состояние, называется теплотой парообразования. Температура образующегося пара – температура насыщения – определяется давлением, под которым находится жидкость. При заданном давлении температура насыщения любой жидкости имеет определенное значение и остается неизменной в течение всего времени кипения. Температура кипящей жидкости обычно принимается равной температуре насыщения. В действительности жидкость несколько перегрета:

,                              (2.2)

 - определяется физическими свойствами жидкости и интенсивностью парообразования.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается.

Состояние вещества, в котором обе предельные точки переходной области из жидкости в пар совмещаются в одну с теплотой парообразования, равной нулю, называется критическим. При температурах выше критических, ни при каких условиях невозможен переход паров в жидкость. Теплота парообразования используется для искусственного охлаждения в парокомпрессионных и абсорбционных машинах.

Температуры кипения и плавления зависят от давления и уменьшаются в основном в одном направлении с ним. Кривые плавления и кипения пересекаются в точке, называемой тройной. Тройная точка характеризует состояние, в котором при определенном давлении и температуре имеются три фазы (твердая, жидкая и газообразная) в любых количественных состояниях. Ниже тройной точки вещество находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии.

При сублимации происходит процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в парообразное, минуя жидкую фазу. Количество тепла, поглощаемое 1 кг твердого тела при постоянной температуре перехода его в парообразное состояние, называется тепловой сублимации. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении равна 195 . Теплота сублимации равна сумме теплоты плавления и преобразования.

Дросселированием называется эффект падения давления рабочего вещества в процессе перетекания его через сужение в канале. Физически падение давления в процессе дросселирования обусловлено диссипацией энергии потоком рабочего тела. Энергия расходуется на преодоление местного сопротивления – диафрагмы, вентиля, капилляра.

Процесс дросселирования рабочего вещества в диафрагме, установленной в горизонтальном трубопроводе постоянного сечения рассмотрен на рис. 2.1. В первом приближении будем пренебрегать теплообменом рабочего вещества с окружающей средой (адиабатный процесс).

 

Рис. 2.1. Схема дросселирования рабочего вещества

Пусть масса рабочего вещества, заключенная в данный момент между сечении I-I (до диафрагмы) и II-II (за диафрагмой), перемещается вдоль трубы. Давление, удельный объем и температуру рабочего вещества до диафрагмы и после обозначим соответственно:  и . Площадь сечения трубы - . Тогда за некоторый промежуток времени сечение I-I перемещается на расстоянии , а сечение II-II на расстоянии . Поскольку и давление и плотность рабочего вещества за диафрагмой ниже, то . Для того, чтобы переместить сечение I-I на расстоянии  необходимо совершить работу:

                           (2.3)

Вычислим объем вещества, вытесняемый сечением I-I за рассматриваемый промежуток времени через диафрагму

.                           (2.4)

Или:

,                                      (2.5)

где  - масса вещества, прошедшего через диафрагму. Тогда:

.                            (2.6)

Для перемещения сечения II-II против давления р₂ выполняется работа:

.                               (2.7)

При перемещении рассматриваемой фиксированной массы рабочего вещества  за определенный промежуток времени совершается работа проталкивания:

,                                   (2.8)

которая затрачивается на преодоление сопротивления и, превращаясь в теплоту , подводится к самому рабочему телу. В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой работа может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы, следовательно, имеем:

,                          (2.9)

где:  и - удельные внутренние энергии до и после диафрагмы.

Приравнивая правые части уравнений (2.8) и (2.9) имеем:

,                 (2.10)

или

,                                       (2.11)

где величину  называют энтальпией.

Уравнение (2.10) показывает, что в результате адиабатного дросселирования значения энтальпий вещества до и после местного сопротивления одинаковы. Однако, в самом процессе дросселирования энтальпия переменна. Это объясняется тем, что при протекании через диафрагму поток ускоряется, его кинетическая энергия возрастает и, следовательно, энтальпия уменьшается. За диафрагмой сечение трубы снова увеличивается, поток замедляется, а его кинетическая энергия уменьшается, и энтальпия увеличивается до прежнего значения.

Процесс дросселирования можно изобразить диаграммой в  координатах (рис. 2.2) , где -энтропия рассматриваемого рабочего вещества:

 

Рис. 2.2. Диаграмма процесса дросселирования

Изменение температуры рабочего вещества при дросселировании характеризуется уравнением:

,                              (2.12)

где, на основании термодинамических зависимостей:

  .             (2.13)

Подставляя их в (2.12) и преобразуя, получим выражение для коэффициента дросселирования :

.                  (2.14)

Интегральный дроссельный эффект будет характеризовать изменение температуры:

.                             (2.15)

Проведем анализ полученных выражений (2.14, 2.15). Имеем три случая:

1) если  то ;

2) если  то ;

3) если  то .

Так в случае идеального газа, подчиняющегося уравнению состояния Клайперона-Менделеева , получаем:

 и ,                             (2.16)

т.е. идеальный газ дросселируется без изменения температуры.

Для одного и того же рабочего тела знак  может быть различным в различных областях диаграммы состояния. Состояние  характеризует точку инверсии дросселирования. Дросселирование представляет собой необратимый процесс. Обратное направление движения тела в трубопроводе по-прежнему будет сопровождаться падением давления. Поэтому энтропия рабочего тела при дросселировании возрастает и

S₂>S₁.                                      (2.17)

Из условия (2.17) следует, что при пропускании реального газа, температура которого ниже температуры инверсии, через суженное отверстие всегда происходит понижение его температуры.

При расширении рабочего тела от давления Р₁ до давления Р₂ можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном цилиндре – детандере (рис. 2.3)(а – в):

 

Рис. 2.3. Диаграмма процесса расширения в детандере

Работа, совершаемая за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего тела, как правило, отводится от детандера. Если процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без потерь энергии и без теплообмена с окружающей средой, то энтропия рабочего тела не меняется: , т. е. работа совершается за счет энергии рабочего тела, Тогда температура рабочего тела в процессе расширения всегда понижается (а – в).

Коэффициент обратного адиабатного расширения определяется изменением температуры при постоянной энтропии . Тогда из уравнения цикла:

                        (2.18)

с учетом уравнения Максвелла и выражения теплоемкости:

                   (2.19)

получим для него выражение в виде:

.                         (2.20)

Ранее получено выражение для коэффициента дросселирования (2.14), тогда с его учетом имеем:

.                          (2.21)

Поскольку всегда  и  то:

.                         (2.22)

Таким образом процесс адиабатного расширения с совершением внешней работы более эффективен, чем процесс адиабатного дросселирования ( Тs > Т i).

Охлаждение воздуха способом использования вихревого эффекта осуществляется с помощью вихревой трубы (рис. 2.4).

 

Сжатый газ подводится при температуре окружающей среды в цилиндрическую трубу 3 через сопло 1 по касательной к внутренней поверхности трубы, совершает вращательное движение, одновременно перемещаясь от сопла 1 к дросселю 2. Через диафрагму 4 выходит холодный воздух, а через дроссель 2 – горячий.

При давлении газа 0,3…0,5 мПа температура газа на 30…70^оС ниже начальной температуры газа. Получение в вихревой трубе холода методом необратимого расширения газа заранее предопределяет большие энергетические потери. Достоинство-простота конструкции.

Термоэлектрический эффект применяется в технике давно и достаточно широко. Эффект заключается в возникновении термо-ЭДС в спаянных проводниках, когда места спаев находятся при различных температурах и известен как эффект Зеебека. Обратный заключается в появлении разности температур на спаях пары материалов при прохождении через них электрического тока. Этот эффект носит название Пельтье.

 

Два полупроводника n и m образуют контур (рис. 2.5), по которому проходит постоянный ток от источника питания С. Если температура на холодных спаях Т _x станет ниже, чем температура источника низкой температуры, а температура на горячих спаях Т_г выше, чем температура окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, способной переносить теплоту от источника низкой температуры к окружающей среде. Снижение температуры спая происходит в том случае, когда под действием электрического поля электроны переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом повышение энергии электронов происходит за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов термоэлемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны, проходя на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.

Марнитокалорический эффект и десорбция газов применяются в лабораторной практике для получения температур от 4 К до близких к абсолютному нулю.

2.3. Основы теории холодильных машин

Конструирование и оптимизация техники, реализующей технологии охлаждения основаны на теории термодинамики и теплоотдачи. Холодильную технику часто называют тепловыми насосами, перекачивающими тепло. Принцип работы любой холодильной машины (на каком бы физическом явлении он не был основан) заключается в передаче тепла от одного объекта к другому. Например, в случае охлаждения продуктов: тепло отнимается от продукта и передается в окружающую среду (воздух), в случае охлаждения воздуха тепло отнимается от «внутреннего» воздуха помещения и передается «внешнему» воздуху, за его пределами. Передача тепла из одной точки в другую (а так же преобразование теплоты в работу и, наоборот) в тепловых машинах (холодильники, двигатели внутреннего сгорания, дизели и т.д.) осуществляется посредством переноса его носителем тепла (рабочим теплом).

В зависимости от принципа работы, реализуемого в холодильных машинах, и теплоносителя холодильные машины бывают различными. У холодильных машин компрессионного типа теплоносителями являются хладагенты - газы, жидкости которых кипят при отрицательных температурах. Техника абсорбционного типа так же использует в качестве теплоносителей хладагент - газ аммиак легко растворимый в воде. В технике термоэлектрического типа в качестве теплоносителя выступает электрический ток (направленное движение заряженных частиц).

Холодильная машина - это устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Первые холодильные машины появились в середине 19 века. Одна из старейших холодильных машин - абсорбционная. Ее изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция, 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроению.

Холодильная машина используются для получения температур от –10 °С до –150 °С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Холодильные машины работают по принципу теплового насоса - отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т.д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Работа холодильной машины характеризуется их холодопроизводительностью, которая для современных машин лежит в пределах от нескольких сотен Вт до нескольких МВт.

В холодильной технике находят применение несколько систем холодильных машин: парокомпрессионные, абсорбционные, пароэжекторные, воздушно-расширительные, термоэлектрические.

В парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах для получения эффекта охлаждения используют кипение низкокипящих жидкостей. В воздушно-расширительных холодильных машинах охлаждение достигается за счёт расширения сжатого воздуха в детандере. В термоэлектрических холодильниках роль рабочего тела играет электрический ток, получение холода основано на эффекте Пельтье [1].

Рабочее вещество в циклах холодильных машин участвует в различных термодинамических процессах. От того, как совершаются эти процессы, зависит эффективность холодильных машин.

Задача термодинамического анализа, основанного на первом и втором законах термодинамики, и состоит в том, чтобы выяснить предельно возможную эффективность холодильных машин и указать на те элементы машины, улучшение которых способно более всего повлиять на рост общей эффективности.

Первый закон термодинамики выражается уравнением:

Q = U₂-U₁+A_,                                (2.23)

где: Q -количество тепла, сообщенное системе, Дж; U₁ -значение внутренней энергии в конечном состоянии, Дж; U₂  - значение ее в начальном состоянии, Дж; А - работа, совершаемая системой над другими телами, Дж.

Этот закон не указывает направления преобразования энергии и не устанавливает условий, необходимых для осуществления того или иного направления преобразования. На направление процессов переноса тепла указывает второй закон термодинамики, который говорит о том, что тепло само собой переходит лишь от тела более нагретого к телу менее нагретому, но не наоборот. Переход тепла от тела с меньшей температурой возможен только с затратой работы:

Q = Q ₀ +А,                          (2.24)

где: Q – количество тепла, переданное нагретому телу, Дж; Q₀ – количество тепла, отнятое от холодного тела, Дж; А – работа, затраченная на передачу тепла, Дж.

В тепловых машинах компрессионного и абсорбционного типов такая теплопередача осуществляется путем периодического изменения состояния рабочего тела (теплоносителя). В результате совершения кругового процесса рабочее тело возвращается в исходное состояние. При этом в ходе процесса оно расширятся и сжимается.

Процесс может продолжаться до необходимого уровня теплоты. Чем большая часть теплоты в прямом цикле (от горячего к холодному) переведена в работу, тем он эффективнее. Экономичность прямого цикла оценивается термическим КПД, который определяется отношением работы, полученной в цикле, к затраченному теплу [1]:

,                          (2.25)

где: A - совершенная работа; Q₁ -подведенное (затраченное) тепло; Q₂ – отведенное тепло.

В обратном цикле к рабочему телу подводится теплота от источника с более низкой температурой Q₂, а отводится с более высокой Q₁. Для совершения цикла затрачивается работа А. Для холодильных машин введено понятие холодильного КПД, определяемого отношением отводимой в обратном цикле теплоты Q₂ к затраченной работе А [1]:

.                               (2.26)

Холодильная машина работает по холодильному циклу и охлаждает какую-либо среду при условии, что теплота от источника низкой температуры Т _и.н.т. (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде Т _о.с.

Рис. 2.6. Рабочие циклы холодильных машин

В процессе 4-1 (рис. 2.6) к рабочему телу от источника низкой температуры подводится теплота q₀, в процессе 1-2 рабочее тело сжимается, в процессе 2-3 происходит отвод теплоты q от рабочего тела к окружающей среде, процесс 3-4 расширение рабочего тела с совершением работы. При этом:

,                          (2.27)

где – работа цикла.

Термодинамическая эффективность холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом ,

.                                   (2.28)

Холодильная машина работает по циклу теплового насоса, если теплота от окружающей среды передается источнику с более высокой температурой Т _и.н.т. В этом случае холодильная машина используется для теплоснабжения. В процессе 4-1 к рабочему телу подводится теплота от окружающей среды. При сжатии рабочего тела (1-2) его энтальпия и температура повышаются впоследствии сообщения ему работы. В процессе 2-3 рабочее тело отдает теплоту q источнику высокой температуры – воде или воздуху, которые используются для отепления помещений, в процессе 3-4 рабочее тело расширяется, совершая работу.

Термодинамическая эффективность цикла теплового насоса определяется отопительным коэффициентом:

,                     (2.29)

откуда .

Комбинированный цикл - такой, в котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры. Процесс 4-1 подведения теплоты q₀ к рабочему телу, 1-2 –сжатия тела; 2-3 отвода теплоты q от рабочего тела к источнику высокой температуры, 3-4 расширения рабочего тела.

При помощи комбинированного цикла получают одновременно и холод и теплоту, а термодинамическая эффективность такого цикла определяется обоими коэффициентами:

 и ,                  (2.30)

где _. -работа 1-b-a-4; -работа b-2-3-a.

Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, могут быть возвращены в первоначальное состояние и при этом какие-то дополнительные изменения нигде не возникают. Процессы, которые не удовлетворяют этим условиям, называются необратимыми. Источниками необратимости в холодильных машинах являются: внутреннее трение частиц рабочего тела, трение в элементах машины; дросселирование; диффузия; передача теплоты, происходящая при конечной разности температур, неравновесные превращения; смешение различных компонентов и др. Необратимость может быть как внешняя, так и внутренняя.

Внутренне обратимым процессом можно считать процесс, в котором соблюдаются условия равновесия внутри тела, отсутствует внутреннее трение и диффузия, не происходит смешения и химических реакций. В том случае, когда выполняются те же условия равновесия между рабочим телом и окружающей средой, процесс называют внешне обратимым. Все без исключения процессы, происходящие в элементах холодильной машины, осуществляющей обратимый круговой процесс необратимы как внутренне, так и внешне.

Для определения величины необратимых потерь процессов в обратимых циклах используется уравнение Гюи-Стодолы:

,                            (2.31)

где:  -увеличение работы цикла, вызванное необратимостью процессов; Т_о.с. -температура окружающей среды;  -суммарное приращение энтропий всех тел, принимающих участие в процессах.

Поскольку энтропия – функция состояния тела, то в замкнутом обратном цикле, совершаемом рабочим телом, его энтропия примет первоначальное значение, а изменение энтропии будет равно нулю. Под  при совершении обратного цикла следует снимать изменение энтропии источников. Для холодильного цикла использование уравнения (2.31) при оценке потерь, связанных с необратимостью, возможно только в том случае, если данный необратимый цикл сравнивается с обратимым, имеющим такую же холодопроизводительность (количество теплоты, получаемое рабочим телом от источника). Такие обратимые циклы называют циклами с минимальной работой, или  циклами-образцами.

В обратных циклах основными необратимыми потерями являются потери, связанные с:

1) теплообменом рабочего тела с источником низкой температуры;

2) с окружающей средой;

3) дросселированием.

Предположим, что необходимо охладить источник низкой температуры от состояния а до состояния b. Это можно сделать при помощи холодильной машины, работающей по циклу 1-2-3-4 (рис. 2.7).

 

Рис. 2.7. Пример холодильного цикла

В этом цикле теплота от рабочего тела отводится к окружающей среде в процессе 2-3 при бесконечной малой разнице температур. Процессы сжатия и расширения 1-2 и 3-4 проходят по линиям  т.е. также обратимы. В цикле один вид необратимости – подвод теплоты к рабочему телу при конечной разности температур в процессе 4-1 цикл 1-2-3-4 построен таким образом, что его удельная холодопроизводительность  равна количеству теплоты, отводимой от источника низкой температуры:

;

.

Работа необратимого цикла равна площади 1 - 2 - 3 - 4. Работа обратного цикла для данного источника равна площади а - c - 3 - b.

Увеличение работы, связанное с необратимым процессом теплообмена вычисляется как разность работ циклов:

Увеличение работы из-за необратимости в процессе теплообмена источника низкой температуры и рабочего тела равно изменению энергии системы рабочего тело – источник низкой температуры , умноженному на температуру окружающей среды T_o.c..

    ,                (2.32)

где: - изменение энтропии источника низкой температуры в процессе а-в;  - изменение энтропии рабочего тела в процессе 4-1.

;                   (2.33)

,                  (2.34)

где: ,  - теплоемкости рабочего тела и источника.

Теперь представим, что процесс отвода теплоты от рабочего тела к окружающей среде идет также при конечной разности температур и цикл холодильной машины будет 1-5-6-4 т.е. появилась еще одна внешняя необратимость и увеличила работу цикла на ,

.

    Количество теплоты, отведенной от рабочего тела в окружающую среду, соответствует площади . С другой стороны, окружающая среда приняла такое же количество теплоты, эквивалентное площади . Здесь точка  поставлена таким образом, чтобы площадь

площади . Тогда, площадь  площади , а ; , где:  - изменение энтропии окружающей среды;  - изменение энтропии рабочего тела.

; . (2.35)

    Общее изменение энтропии из-за наличия разности температур в процессе теплообмена рабочего тела и источников:

.                           (2.36)

Общее увеличение работы:

.                                (2.37)

Работа цикла 1 – 5 – 6 – 4:

 площади  площади .

    Степень термодинамического совершенства такого цикла определяется коэффициентом обратимости:

.                        (2.38)

Таким образом, с ростом необратимых потерь коэффициент обратимости падает, что указывает на уменьшение энергетической эффективности цикла.

    Определим потери в обратном цикле, связанные с наличием внутренней необратимости – дросселированием рабочего тела. Рассмотрим цикл, в котором расширение рабочего тела происходили по  (3-4) необратимо, сжатие 1-2 по линии  - обратимо. Теплообмен рабочего вещества и источников происходит при бесконечно малой разности температур, т.е. также обратимо.

Рис. 2.8. Дросселирование рабочего тела

Работа цикла 1-2-3-4 эквивалента площади 1-2-3-0-1 циклом – обратимым в этом случае будет цикл 1-2-5-4, который внутренне и внешне обратим и его удельная холодопроизводительность равна удельной холодопроизводительности цикла  1-2-3-4. Работа цикла-образца будет выражаться площадью 1-2-5-4. Работа дросселирования эквивалентна площади 1-2-3-0-1-площадь 1-2-5-4 = площади 4-5-3-0.

Рабочее тело в точке 3 обладает потенциальной энергией, эквивалентной площади 0-3-6. В процессе дросселирования эта энергия переходит в кинетическую энергию движущейся среды рабочего тела. За дросселем кинетическая энергия превращается в теплоту трения при торможении рабочего вещества и подводится к самому рабочему веществу площади .

По закону сохранения энергии: площадь площади . Тогда:  эквивалентна площади площади площадь площади  площадь  эквивалентна:

    Для совершения обратного цикла необходимо затратить работу, полученную в прямом цикле. Термический КПД прямого цикла:

,                                 (2.39)

где  - работа цикла теплового двигателя,  – теплота, затраченная в прямом цикле.

    Общая термодинамическая эффективность системы прямой - обратный цикл определяется тепловым коэффициентом

.                          (2.40)

Критерием термодинамического совершенства действительным циклом является:

,                                  (2.41)

где  - действительный тепловой коэффициент, уменьшающий все потери (прямой, обратный циклы, передача работы между циклами).

2.4. Схема и принцип работы компрессионной
холодильной машины

Парокомпрессионные холодильные машины являются наиболее распространёнными и универсальными устройствами. Если рассматривать холодильную технику, задействованную в быту, то парокомпрессионная холодильная машина является главной частью любой установки и называется компрессионным холодильным агрегатом.

Холодильный агрегат компрессионного типа (рис.2.9) предназначен для осуществления главного процесса – охлаждения продуктов, жидкостей или воздуха, т.е. отбора их тепла и передачи его в окружающую среду. Иначе говоря, он предназначен для производства холода.

Компрессионный холодильный агрегат – это замкнутая герметичная система, внутри которой принудительно циркулирует хладагент, рабочее тело холодильной машины.

    В качестве хладагента в современных холодильных установках используют газы, не разрушающие озоновый слой, и являющиеся различными производными углеводородов, как правило, это фреоны. Фреоны – это в нормальных условиях газы, жидкости, которых кипят
при температурах:
–29 ÷ –50°С. Основное назначение хладагента – перенос тепла продуктов во внешнюю среду. При работе агрегата компрессионного типа, вследствие совершения механической работы сжатия, происходит изменение агрегатного состояния хладагента из газа в жидкость, которая, испаряясь, отнимает теплоту продуктов, жидкостей или воздуха, а затем, на этапе конденсации (превращения газа в жидкость), отдает его в окружающую среду.

Поясним, принцип работы холодильного агрегата на примере бытового холодильника для охлаждения продуктов. При включении холодильного агрегата начинает работать мотор-компрессор 1, который представляет собой поршневой насос, приводимый в движение электромотором. Хладагент сжимается поршнем компрессора до давления 8-10 атм. около 50 раз в секунду. Вследствие сжатия, температура хладагента повышается до уровня на 15-20°С выше, чем температура окружающей среды. Из-за малой продолжительности сжатия хладагента, он не успевает отдать это тепло в окружающую среду, т.е. реализуется адиабатное сжатие (процесс, происходящий без изменения внутренней энергии, т.е. без теплообмена с окружающей средой).

Затем сжатый до давления 8-10 атм. и «горячий» (на 15-20°С выше температуры окружающей среды) хладагент попадает в конденсатор 2 - теплообменный аппарат, выполненный в виде трубчатого оребренного змеевика (рёбра необходимы для увеличения площади теплообмена, т.е. повышения его эффективности при минимальных размерах). В теплообменном аппарате происходит охлаждение горячего хладагента, окружающим змеевик воздухом. Из-за чего и происходит конденсация, т.е. превращение хладагента в жидкость (давление в конденсаторе 8-10 атм. на входе и несколько ниже на выходе из него входе , температура на входе на 15-20 °С выше температуры окружающей среды, а на выходе близка к ней). 

Из конденсатора жидкий хладагент, с температурой окружающей среды, попадает в фильтр-осушитель 3. В фильтре-осушителе, заполненном металлическими сетками с гранулами селикогеля, происходит задержание механических примесей и воды, содержащихся в хладагенте. Механические примеси образуются вследствие работы компрессора, а вода из-за химических реакций между хладагентом, маслом и присадками, необходимыми для предотвращения коррозии элементов агрегата.

Из фильтра-осушителя жидкий хладагент попадает в дросселирующий элемент агрегата - капиллярную трубку 4. Капиллярная трубка имеет проходной диаметр 0,8 - 1 мм и длину 5 - 6 м, диаметр капиллярной трубки много меньше, чем диаметр фильтра-осушителя. В ней происходит падение давления жидкого хладагента с 8-10 атм. до 1 атм. за счет трения жидкости о стенки капиллярной трубки. Однако вследствие трения происходит выделение тепла, что приводит к частичному закипанию жидкости (образование пузырьков). Для уменьшения такого нагревания хладагента капиллярная трубка «наматывается» на холодную всасывающую трубку.

Затем жидкий закипающий хладагент попадает в испаритель 5, представляющий собой теплообменный аппарат с диаметром трубки 8-10 мм. Испаритель выполнен в виде отдельной камеры, внутри которой находятся продукты. При испарении, происходит отбор тепла от продуктов, а температура опускается до температуры, близкой к температуре кипения (–18 ÷ –24 ºС). Температура несколько ниже, чем температура кипения хладагента вследствие частичного закипания хладагента в капиллярной трубке и других потерь. При кипении давление хладагента остаётся неизменным, т.е. около 1 атм.

Холодные пары хладагента по всасывающей трубке 7 попадают в компрессор, и цикл продолжается пока он работает. Температура на входе всасывающей трубки –18 ÷ –24 ºС, а на выходе +15 ÷ +20⁰С. Повышение температуры во всасывающей трубке происходит вследствие ее теплообмена с капиллярной трубкой.

Таким образом, пока работает компрессор, продукты охлаждаются. Экономия электроэнергии достигается отключением компрессора, что приводит к медленному повышению температуры продуктов из-за теплообмена с окружающей средой. Как только эта температура повышается до установленного терморегулятором предела, компрессор вновь включается и температура понижается, т.е. автоматически организуется экономичная прерывистая работа компрессора.

Преимущества:

-простота конструкции;

-технологичность изготовления и ремонта;

-экономичность при работе;

-простота эксплуатации;

-долговечность.

Недостатки:

-наличие трущихся частей в компрессоре;

-шум при работе, который возрастает при длительной эксплуатации.

2.5. Абсорбционные бытовые холодильные машины

В абсорбционных холодильных машинах холодильный агрегат, как и в компрессионных, является замкнутой герметичной системой, в которой циркулирует многокомпонентный хладагент. Абсорбция  – это поглощение одного вещества другим (например, газа жидкостью). В абсорбционных холодильных агрегатах для того, чтобы заставить циркулировать хладагент, затрачивается не механическая работа (сжатие), а затрачивается тепло (от электронагревателя, от газовой горелки, пара или от солнца) [2].

Многокомпонентный хладагент абсорбционного агрегата состоит из, собственно, хладагента – аммиака, абсорбента – воды, водорода, способствующего ускорению движения хладагента и химических веществ, препятствующих коррозии металлов. Абсорбент – жидкость, поглощающая газ. Аммиак – это легкокипящая жидкость, с температурой кипения -32 °С. Аммиак хорошо поглощается водой, поэтому при выпаривании (подогреве) воды вместе с ней испаряется и аммиак, содержащийся в воде. Горячий пар, поднимающийся вверх, конденсируется в конденсаторе (жидкий аммиак отделяется от жидкой воды, т.к. вода конденсируется раньше). При испарении конденсата аммиака в испарителе происходит отбор тепла от продуктов, а пары аммиака вновь поглощаются водой.

Преимущества:

-отсутствие механических трущихся частей;

-отсутствие шума при работе.

Недостатки:

-большая инерционность (медлительность) при выходе на рабочий режим (в несколько раз дольше, чем у компрессионных);

-вследствие инерционности холодильник должен работать, хотя и с разной степенью энергопотребления, но постоянно, следовательно, он не столь экономичен;

-сложность при изготовлении и ремонте;

-резкий запах, возникающий при разгерметизации агрегата.

Применение абсорбционных машин весьма выгодно на предприятиях, имеющих вторичные энергоресурсы (отработанный пар, горячая вода, отходящие газы промышленных печей и т.д.). Абсорбционные холодильные машины бытового назначения вследствие их недостатков практически не применяются.

2.6. Термоэлектрические холодильные приборы

Термоэлектрический эффект был открыт в 1834 году французским физиком Ж. Пельтье. Эффект заключается в том, что если пропускать электрический ток через спай двух специально подобранных материалов (назовем среди них висмут и сурьму или индий), то один из них нагревается, а другой – охлаждается. Это явление и побудило создать такой термоэлектрический модуль, у которого при пропускании электрического тока одна сторона нагревается до температуры выше атмосферной, а другая – охлаждается ниже ее.

Таким образом, с одной стороны модуля можно отбирать тепло, а с другой – холод. Типичные термоэлектрические модули представлены на рис. 2.10 [4].

Широкое применение во всех сферах человеческой деятельности холодильных установок с фреоносодержащими смесями явилось одной из причин серьезного нарушения экологического баланса земной атмосферы, связанного с нарушением озонового слоя. Лучшей альтернативой парокомпрессионным и абсорбционным холодильным системам является термоэлектрический метод охлаждения, при котором роль хладагента выполняют электронные и дырочные токи в полупроводниках.

Термоэлектрические охладительные системы отличает высокая надежность, стойкость к механическим нагрузкам и вибрации относительно парокомпрессионных охладительных систем, у которых при больших механических нагрузках возникает утечка фреона. В отличие от парокомпрессионных, термоэлектрические системы не нуждаются в систематических ремонтных работах. Приобретая термоэлектрическое устройство не надо заботиться о расходах на его обслуживание в будущем.

Термоэлектричество, вытесняя традиционные охладительные системы, все активнее начинает использоваться в самых разных сферах: медицина, железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, авиационная и космическая техника, промышленная электроника и энергетика, коммутационное и компьютерное оборудование, бытовая техника [3].

Основные преимущества термоэлектрических систем:

1) компактность;

2) широкий диапазон рабочих температур;

3) высокая надежность, устойчивость к ударам и вибрации;

4) возможность работы в условиях невесомости или перегрузок;

5) возможность переключения от охлаждения к нагреву при изменения полярности питания;

6) отсутствие движущихся частей;

7) экологическая чистота (не используются газы и хладагенты);

8) нет эксплуатационных расходов.

На рис. 2.11 схематично показано поперечное сечение термоэлектрического холодильника объемом 65 дм³, способного поддерживать температуру холодильной камеры на 10 °С ниже температуры окружающей среды. Подобные холодильники применяются на судах и рассчитаны на хранение шести тонн замороженных или охлажденных продуктов. В верхней части устройства расположены 72 термоэлемента, обеспечивающие охлаждение, которые потребляют большую часть из 135 Вт электроэнергии, необходимой для работы холодильника. Съем тепла с термоэлектрического модуля и отдача его в окружающую среду производится принужденной вентиляцией - обдувом. В канале обдува воздухом расположены специальные ребра для лучшего теплообмена с обдуваемым воздухом, а в камере установлены специальные пластины для увеличения поверхности теплообмена с охлаждаемыми продуктами.

Термоэлектрический модуль является уникальным устройством по преобразованию электрической энергии в тепловую и наоборот. Он находит широкое применение в различных областях техники. В бытовой сфере термоэлектрические модули применяют в конструкциях переносных холодильников и морозильников различного объема и назначения, охладителях питьевой воды и тонизирующих напитков, охладителях для вина и пива, охлаждающих коробок и шкафов для магазинов, кафе и т.п.

 

 

Рис. 2.11. Схема термоэлектрического бытового холодильника:

1 – охлаждающие ребра; 2 – вентилятор; 3 – жалюзи; 4 – термоэлементы;

5 – тепловая изоляция; 6 – холодные пластины (ребра)

3. техника и Технологии обеспечения
микроклимата в помещениях

3.1. Факторы загрязнения воздушной среды

В жилых помещениях из-за жизнедеятельности людей, компьютерной и радиотехники, бытового оборудования и машин, состав воздуха со временем ухудшается. Уменьшается количество кислорода в воздухе, увеличивается содержание углекислоты, пыли, смолистых веществ. Техника при работе выбрасывает в воздух помещения тепло, различные ароматические вещества, а зачастую и вредные соединение. Кроме того, в воздухе витают частицы пыли, пыльцы растений, грязевые клещи, ворсинки шерсти домашних животных и т.д.

Особо опасными загрязнителями являются: химические вещества, испарения жиров, масел и дым.

Для улучшения качества воздуха используется следующие технологии:

· кондиционирование воздуха (удержание заданных параметров воздуха в помещении);

· очистка воздуха с помощью фильтров;

· обеззараживание воздуха, т.е. уничтожение микроорганизмов и простейших, обитающих в воздухе;

· увлажнение и ионизация воздуха.

Для реализации данных технологий существуют следующие приборы: кондиционеры; воздухоочистители (включая обеззараживатели); увлажнители воздуха; вентиляторы; тепловентиляторы; масляные батареи и нагреватели; инфракрасные нагреватели; конвекторы.

Взвешенные частицы – пыль, являются приоритетным загрязнителем атмосферного воздуха для большинства современных городов России. В соответствии с инструктивными документами всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) риск для здоровья при ингаляционном воздействии взвешенных веществ определяется размерами частиц взвесей. Существуют примерные предположения о стандартном процентном соотношении разных частиц пыли в воздухе урбанизированной территории. Так, в соответствии с данными Б.А. Ревича примерная доля фракции РМ10 (размером около 10 мкм) в общем содержании атмосферной пыли урбанизированной среды составляет 55%.

В соответствии с данными ВОЗ увеличение среднегодовой концентрации пыли (общая пылевая фракция) на 10 мкг/м³ приводит к возрастанию частоты заболеваний бронхитом у детей на 11%. При увеличении среднесуточной концентрации пылевых частиц размером менее 10 мкм (РМ10) на 10 мкг/м³ частота симптомов со стороны верхних дыхательных путей возрастает на 3,5%, обращаемость и госпитализация по поводу респираторных заболеваний – на 0,84%, частота применения бронходилятаторов – на 2%, смертность от заболеваний органов дыхания - на 1,2%, смертность от сердечно-сосудистых заболеваний – на 0,8% [5].

По данным надзорных органов атмосферный воздух Санкт-Петербурга наиболее загрязнен пылью, а также двуокисью азота и бензапиреном - их среднегодовые концентрации превышают санитарные нормы. Данные наблюдений за атмосферой в Санкт-Петербурге свидетельствует о высоком уровне загрязнения. За последние годы снизилось загрязнение воздуха фенолом, диоксидом азота, диоксидом серы.

Основным источником загрязнения атмосферного воздуха является автотранспорт. Выбросы загрязняющих от автотранспорта составляют более 75 % от общего выброса вредных веществ в атмосферный воздух.

3.2. Параметры состояния воздуха

    В термодинамических расчетах рассматривается влажный воздух. Его параметры определяются как параметры смеси двух компонентов: сухого воздуха и водяных паров. Причем под сухим воздухом понимают всю смесь газов с примесями. Физические свойства влажного воздуха характеризуются параметрами состояния (температурой t, влагосодержанием d, относительной влажностью  и энтальпией i), а также другими физическими величинами: абсолютной влажностью , удельным весом  (или плотностью r ), парциальным давлением водяного пара Р_П, температурой течки росы t _P. Для определения всех величин, как правило, достаточно знать хотя бы два параметра.

    Согласно закону Дальтона для смеси двух идеальных газов барометрическое давление влажного воздуха:

,                            (3.1)

где:  - парциальное давление сухого воздуха,  - парциальное давление водяного пара.

    Влагосодержанием влажного воздуха d называется весовое количество водяных паров, содержащихся в воздухе, сухая часть которого весит 1 кгс. При кондиционировании влагосодержание воздуха изменяется, количество же сухого воздуха остается постоянным. В расчетах за единицу измерения веса влажного воздуха принимают вес такого его количества, в котором сухого воздуха содержится неизменно 1 кгс:

.                        (3.2)

При неизменном давлении паровоздушной смеси  влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяных паров.

    Абсолютной влажностью воздуха  называют весовое количество водяного пара в 1 м³ влажного воздуха.

    В зависимости от состояния водяных паров во влажном воздухе он называется ненасыщенным, насыщенным или перенасыщенным. Когда водяные пары находятся в перегретом состоянии, воздух ненасыщенный, парциальное давление водяных паров ниже, чем давление насыщенного пара с той же температурой. Парциальное давление водяных паров в насыщенном воздухе равно давлению насыщенного пара той же температуры. Всякое дополнительное поступление пара в помещение с насыщенным воздухом вызывает немедленную конденсацию избытка влаги в виде росы.

    Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщения  при той же температуре:

.                         (3.3)

    Энтальпия влажного воздуха является суммой энтальпий сухого воздуха и водяного пара.

    Если понижать температуру ненасыщенного воздуха, то содержащиеся в нем пары при некоторой температуре  станут насыщенными (  − точка росы) .

    Параметры состояния влажного воздуха измеряются психрометрическим методом, гигроскопическим методом, методом точки росы, весовым методом.

    Для практических расчетов систем кондиционирования параметры воздуха определяют по таблицам и диаграммам (рис. 3.1). Основными расчетными параметрами влажного воздуха являются энтальпия , влагосодержание . Энтальпия зависит от влагосодержания:

.                             (3.4)

    В диаграмме  (рис. 3.1) применяется косоугольная система координат.

 

Изменение состояния воздуха в процессе кондиционирования можно проследить с помощью  диаграммы (рис. 3.2).

 

Пусть воздух состояния (1) подвергается охлаждению, соприкасаясь с поверхностью, имеющей низкую температуру. Охлаждение воздуха от начальной его температуры  до температуры точки росы  происходит без конденсации паров, т.е. при постоянном влагосодержании . Относительная влажность воздуха возрастает от  до . Энтальпия воздуха снижается от до  за счет удаления из воздуха тепла.

    При дальнейшем охлаждении t₃<t_P в воздухе начинается конденсация паров (точка 3). Этот воздух будет содержать в себе насыщенные пары с температурой t₃ и взвешенную влагу с той же температурой. Состояние насыщенного воздуха определяется (×)3’ в которой температура остается равной t₃, а относительная влажность . Разность влагосодержаний  показывает весовое количество сконденсировавшейся влаги из каждых ( ) кгс обрабатываемого воздуха. Энтальпия смеси воздуха и влаги при состоянии 3 равна . Энтальпия насыщенного воздуха при состоянии 3’ равна . Энтальпия  меньше энтальпии  на величину энтальпии сконденсировавшихся паров при той же температуре t_3,

.

При параметрах воздуха, с которыми приходится иметь дело при кондиционировании, разность энтальпий  мала. Поэтому принято считать, что точки 3 и 3^’ лежат на одной линии , совпадающей в области тумана с изотермой .

    В конденсаторе (рис. 3.3) влажный воздух из помещения поступает в воздухоохладитель (точка 1), состоящий из батарей труб, внутри которых проходит испаряющийся хладагент (при постоянном давлении и температуре). Пусть стенки труб воздухоохладителя имеют постоянную температуру  

Небольшая часть воздуха вступает в непосредственный контакт со стенками труб. Пусть температура . Температура воздуха снижается от  до  температуры точки росы. Процесс охлаждения идет по линии  при . Дальнейшие изменения состояния воздуха, находящегося в контакте со стенкой трубы, идет по линии насыщения  до достижения температуры . В этом процессе из воздуха выделяется сконденсировавшаяся влага. Далее охлажденный воздух смешивается с остальным воздухом и параметры смеси определяются точкой 2 и процесс повторяется. Состояние воздуха, уходящего из воздухоохладителя, зависит от его количества, обрабатываемого в единице времени, формы и расположения поверхности труб. Чем меньше количество воздуха, проходящего через аппарат, и чем большую охлаждающую поверхность омывает воздух на своем пути, тем ниже температура и влагосодержание холодного воздуха. Если температура стенок труб воздухоохладителя ниже температуры точки росы, то воздух в аппарате будет осушаться даже в том случае, если его температура на выходе будет выше точки росы. Это объясняется тем, что часть воздуха, входящая в контакт с поверхностью труб, снизит свою температуру почти до температуры стенки и в ней произойдет конденсация паров. Процесс охлаждения воздуха без его осушения можно осуществить только при условии t_ст ≥ t_p.

 

 

Процесс сухого нагревания воздуха без изменения его влагосодержания осуществляется при помощи воздухонагревателей. Количество влаги, содержащейся в воздухе, при нагревании меняться не будет, и процесс пойдет по линии d=const, сопровождаясь понижением относительной влажности j (процесс 1−2 на рис. 3.4).

 

Положение точки 2 определяется приращением энтальпии ∆i. При нагревании воздуха в воздухонагревателях его относительная влажность может снизиться до недопустимо низкого значения (комфортные условия в помещении j=50%, что при t=20^оС соответствует d=0,0075 кгс/кгс).

Для увлажнения воздуха (рис. 3.5) в случае его нагревания используют пар и воду. Пусть к воздуху, состояние (^.)1 добавляется пар с энтальпией i_n.

 

Количество пара таково, что влагосодержание воздуха d₁ возрастает на величину ∆d и становится равным d₂. Энтальпия увлажненного воздуха равна: i₂=i₁+i_n∆d .

Линия 1−2 на диаграмме (рис. 3.5) называется линией увлажнения.

Отношение изменения энтальпии воздуха к изменению его влагосодержания в процессе называют характеристикой процесса кондиционирования:

, .                           (3.5)

Если в процессе обработки воздуха его влагосодержание d не изменяется (∆d=0), а энтальпия возрастает (процесс нагрева), то:

∞.

Если воздух охлаждается поверхностями, имеющими температуру выше точки росы, то ∆d=0, но энтальпия убывает, то:

∞.

Если воздух адиабатически увлажняется водой с t_вод=0, то энтальпия воздуха при этом не меняется ∆i=0, температура снижается, а влагосодержание d возрастает, то:

.

При, увлажнении воздуха паром, имеющим температуру воздуха t₀, температура воздуха остается постоянной, влагосодержание возрастает на , а энтальпия на , то:

,

где: r − теплота парообразования, с − теплоемкость воды.

Если известно какое количество выделяющегося в помещение тепла Q должно быть отведено кондиционером за 1 час и количество влаги W, которое должно быть сконденсировано за то же время, то характеристика процесса:

называется тепловлажностным отношением.

3.3. Системы вентиляции воздуха

    Слово вентиляция происходит (от латинского ventilatio - проветривание). Сейчас под этим понятием понимают - регулируемый воздухообмен в помещении благоприятный для человека, а так же совокупность технических средств обеспечивающих такой воздухообмен.

В обычных жилых помещениях воздухообмен происходит через открытые двери и окна, а также при их не плотном закрытии, такой воздухообмен называют неорганизованным. Под организованным воздухообменом понимают – систему вентиляции.

Вентиляцией называется совокупность мероприятий и устройств, используемых при организации воздухообмена для обеспечения заданного состояния воздушной среды в помещениях и на рабочих местах в соответствии со СНиП (строительными нормами и правилами). Системы вентиляции обеспечивают поддержание допустимых метеорологических параметров в помещениях различного назначения.

    При всем многообразии систем вентиляции, обусловленном назначением помещений, характером технологического процесса, видом вредных выделений и т.п., их можно классифицировать по следующим характерным признакам:

- по способу создания давления для перемещения воздуха: с естественным побуждением и с искусственным (механическим) побуждением;

- по назначению: приточные, вытяжные, приточно-вытяжные;

- по зоне обслуживания: местные; общеобменные;

- по конструктивному исполнению: канальные, бесканальные

3.4. Естественная вентиляция

    Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит:

· вследствие разности температур наружного (атмосферного) воздуха и воздуха в помещении, так называемой аэрации;

· вследствие разности давлений «воздушного столба» между нижним уровнем (обслуживаемым помещением) и верхним уровнем - вытяжным устройством (дефлектором), установленным на кровле здания, т.е. конвекции;

· в результате воздействия так называемого ветрового давления.

    Аэрацию применяют в цехах со значительными тепловыделениями, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30% предельно допустимой в рабочей зоне. Аэрацию не применяют, если по условиям технологии производства требуется предварительная обработка приточного воздуха или если приток наружного воздуха вызывает образование тумана или конденсата.

    В помещениях с большими избытками тепла воздух всегда теплее наружного. Более тяжелый наружный воздух, поступая в здание, вытесняет из него более легкий теплый воздух. При этом в замкнутом пространстве помещения возникает циркуляция воздуха, вызываемая источником тепла, подобная той, которую вызывает вентилятор, т.е. конвекция.

В системах с естественной вентиляцией, в которых перемещение воздуха создается за счет разности давлений воздушного столба, минимальный перепад по высоте между уровнем забора воздуха из помещения и его выбросом через дефлектор должен быть не менее 3 метров. При этом рекомендуемая длина горизонтальных участков воздуховодов не должна быть более 3 м, а скорость воздуха в воздуховодах - не превышать 1 м/с.

Воздействие ветрового давления выражается в том, что на наветренных (обращенных к ветру) сторонах здания образуется повышенное, а на подветренных сторонах, а иногда и на кровле, - пониженное давление (разрежение).

Если в ограждениях здания имеются проемы, то с наветренной стороны атмосферный воздух поступает в помещение, а с заветренной - выходит из него, причем скорость движения воздуха в проемах зависит от скорости ветра, обдувающего здание, и соответственно от величин возникающих разностей давлений.

Достоинства системы естественной вентиляции обусловлены ее простотой, не требуют сложного дорогостоящего оборудования и расхода электроэнергии. Однако зависимость эффективности этих систем от переменных факторов (температуры воздуха, направления и скорости ветра), а также небольшое располагаемое давление не позволяют решать с их помощью все сложные и многообразные задачи в области вентиляции.

3.5. Механическая вентиляция

В механических системах вентиляции (рис. 3.6) используется оборудование и приборы (вентиляторы, электродвигатели, воздухонагреватели, пылеуловители, управляющие устройства и др.), позволяющие принужденно перемещать воздух на значительные расстояния. Затраты электроэнергии на их работу могут быть довольно большими. Такие системы могут подавать и удалять воздух из локальных зон помещения в требуемом количестве, независимо от изменяющихся условий окружающей воздушной среды. При необходимости воздух подвергают различным видам обработки (очистке, нагреванию, увлажнению и т.д.), что практически невозможно в системах с естественным побуждением.

 

Рис. 3.6. Блок механической вентиляции

Следует отметить, что в практике часто предусматривают так называемую смешанную вентиляцию, то есть одновременно естественную и механическую вентиляцию. В каждом конкретном проекте определяется, какой тип вентиляции является наилучшим в санитарно-гигиеническом отношении, а также экономически и технически более рациональным.

Приточные системы вентиляции служат для подачи в вентилируемые помещения чистого воздуха взамен удаленного. Приточный воздух в необходимых случаях подвергается специальной обработке (очистке, нагреванию, увлажнению и т.д.)

Вытяжная вентиляция удаляет из помещения (кухни, ванны или туалета) загрязненный или нагретый отработанный воздух. В общем случае в помещении предусматриваются как приточные, так и вытяжные системы. Их производительность должна быть сбалансирована с учетом возможности поступления воздуха в смежные помещения или из смежных помещений.

В помещениях может быть также предусмотрена только вытяжная или только приточная система. В этом случае воздух поступает в данное помещение снаружи или из смежных помещений через специальные проемы или удаляется из данного помещения наружу, или перетекает в смежные помещения. Как приточная, так и вытяжная вентиляция может устраиваться местная или общеобменная.

Местной вентиляцией называется такая, при которой воздух подают на определенные места (местная приточная вентиляция) и загрязненный воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция).

Местная вентиляция требует меньших затрат, чем общеобменная. В производственных помещениях при выделении вредностей (газов, влаги, теплоты и т.д.) обычно применяют смешанную систему вентиляции - общую для устранения вредностей во всем объеме помещения и местную (местные отсосы и приток) для обслуживания рабочих мест.

К местной приточной вентиляции относятся воздушные души (представляющие собой сосредоточенный приток воздуха с повышенной скоростью). Они должны подавать чистый воздух к различным местам, снижать в их зоне температуру окружающего воздуха и обдувать людей, подвергающихся интенсивному тепловому облучению.

К местной приточной вентиляции относятся воздушные оазисы - участки помещений, отгороженные от остального помещения передвижными перегородками высотой 2-2.5 м, в которые нагнетается воздух с пониженной температурой [6].

Местную приточную вентиляцию применяют также в виде воздушных завес (у ворот, печей и т.д.), которые создают как бы воздушные перегородки или изменяют направление потоков воздуха.

Местную вытяжную вентиляцию применяют, когда места выделения вредных веществ и выделений в помещении локализованы и можно недопустить их распространения по всему помещению, например кухни, квартиры. Местная вытяжная вентиляция обеспечивает улавливание и отвод вредных выделений: газов, дыма, пыли и частично выделяющегося от кухонного оборудования тепла.

Местные вытяжные системы вентиляции, как правило, весьма эффективны, так как позволяют удалять вредные вещества непосредственно от места их образования или выделения, не давая им распространиться в помещении. Благодаря значительной концентрации вредных веществ (паров, газов, пыли), обычно удается достичь хорошего санитарно-гигиенического эффекта при небольшом объеме удаляемого воздуха.

Общеобменные системы вентиляции, как приточные, так и вытяжные, предназначены для осуществления вентиляции в помещении в целом или в значительной его части. Общеобменные вытяжные системы относительно равномерно удаляют воздух из всего обслуживаемого помещения, а общеобменные приточные системы подают воздух и распределяют его по всему объему вентилируемого помещения.

Общеобменная приточная вентиляция устраивается для ассимиляции избыточного тепла и влаги, разбавления вредных концентраций паров и газов, не удаленных местной и общеобменной вытяжной вентиляцией для обеспечения расчетных норм и свободного дыхания человека в вентилируемой зоне.

При отрицательном тепловом балансе, то есть при недостатке тепла, общеобменную приточную вентиляцию устраивают с подогревом всего объема приточного воздуха. Как правило, перед подачей воздух очищают от пыли. При поступлении вредных выделений в воздух цеха количество приточного воздуха должно полностью компенсировать общеобменную и местную вытяжную вентиляции.

Простейшим типом общеобменной вытяжной вентиляции является отдельный вентилятор (обычно осевого типа) с электродвигателем на одной оси (рис. 3.7. а)), расположенный в окне или в отверстии стены.

Такая установка удаляет воздух из ближайшей к вентилятору зоны помещения, осуществляя лишь общий воздухообмен. В некоторых случаях установка имеет протяженных вытяжной воздуховод. Если длина вытяжного воздуховода превышает 30-40 м и соответственно потери давления в сети составляют более 30-40 кгс/кв.м., то вместо осевого вентилятора устанавливается вентилятор центробежного типа.

Системы вентиляции либо имеют разветвленную сеть воздуховодов для перемещения воздуха (канальные системы), либо каналы-воздуховоды могут отсутствовать, например, при установке вентиляторов в стене, в перекрытии, при естественной вентиляции и т.д. (бесканальные системы).

Главным агрегатом систем вентиляции являются вентиляторы, как правило, осевые или радиальные (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Вентиляторы: а) центробежный и б) осевой

 

3.6. Упрощенный расчет систем вентиляции помещений

Основное требование к вентиляционной системе - обеспечить необходимый уровень обмена воздуха в помещении при соблюдении определенных климатических параметров внутри помещения, именно от объема обработанного вентиляционной системой воздуха зависит и ее эффективность.

Необходимый объем приточного воздуха в помещение будет зависеть от количества людей в помещении. Принято считать, что норма расхода свежего воздуха на одного взрослого человека составляет 30 м³/час, а на ребенка - 20 м³/ч. Эти значения подобраны почти опытным путем и закреплены в соответствующих документах, регламентирующих проектирование вентиляционных систем.

Объем жилых помещений в нашей стране определен нормой в 3 м³ на кв.метр жилой площади. Поскольку точно определить количество людей в комнате невозможно, то это величина принимается нормативной для жилой площади на одного человека.

Кроме подачи свежего воздуха вентиляция производит удаление отработанного, который содержит в себе все вредные примеси, выделяемые внутри помещения. В жилых помещениях это могут быть различные химические вещества - от радиоактивного радона до ядовитых испарений современных моющих средств, содержащих в своем составе хлор.

При этом важным параметром вентиляционных систем является кратность воздухообмена. Нормативные требования по тому параметру сводятся к 0,5 - 1 кратному обмену воздуха за час в жилых помещения и 3-х кратному на кухнях. Недостатком данной нормы является то, что она не учитывает количество людей в помещении и степень загрязнения внутреннего воздуха.

Из практики известно, что при кратности воздухообмена в помещении менее 0,5, человек ощущает духоту в жилом помещении (или номере гостиницы). В рабочем офисе комфортное состояние обеспечивается при кратности воздухообмена в пределах от 3 до 8. Так в табл. 3.1, приведены рекомендованные значения кратности воздухообмена стандартом ASHRAE, DIN 1946, используемом в мировой практике для определения объема вентиляции V. Объем вентиляции V=n∙V_p , где n – кратность воздухообмена; V_p – объем помещения.

Таблица 3.1

Кратность воздухообмена

Виды помещений Кратность воздухообмена, n (1/час) Офисные помещения 3 – 8 Школьный класс 3 – 8 Театр, кинотеатр 4 – 6 Торговое помещение 4 – 8 Хозяйственное помещение (склад) 1 – 2 Ресторан 8 – 12 Бар 10 – 15 Кухня 10 – 30 Универсальный магазин 3 – 6 Гостиничный номер 4 – 6 Серверная 5 – 10

 

Расчет на количество людей, которые могут одновременно находиться в помещении в комфортных условиях, зависит от нормы наружного воздуха и объема помещения. Объем вентиляции V = m ∙V_i , где m - количество человек; V_i - норма наружного воздуха на одного человека. Нормы объема наружного воздуха на одного человека приведены в табл. 3.2.

Следует отметить, что значения, приведенные в табл. 3.1 приводят к значительно большему объему вентиляции, чем тому, который бы получился при расчете от значений V_i по табл. 3.2.

Таблица 3.2

Нормы наружного воздуха на одного человека

Тип помещения Vi , м3 на человека Рекомендуемые Минимальные Театры, кинозалы, конференцзалы (курение запрещено) 40 20 Кафе, рестораны (курение разрешено) 60 40

 

Например, примем для офисного помещения, среднее рекомендованное значение воздухообмена 5,5 крат (см. табл. 3.1). Предположим что в помещении площадью 100 кв.м и высоте потолков 3 м работают около 10 человек (10 кв.м. на человека - достаточно плотно, при учете всей площади офиса). Тогда, отталкиваясь от расчета по табл. 3.2, необходимый объем вентиляции: 10∙40=400 м³/час, а если отталкиваться от рекомендаций по табл. 3.5, то получается - 100∙3∙5,5 = 1750 м³/час, что в несколько раз больше. Различие объясняется тем, что рекомендации по табл. 3.5 составлены на основании усредненного учета всех параметров внутренней среды помещения, определяющих комфортные условия для находящихся там людей, т.е. с учетом температуры, влажности, запахов, параметров движения воздуха, температуры ограждений (стен, потолка и т.п.), что и приводит к наибольшим оценкам.

Для того чтобы наружный воздух попал в помещение необходима приточная установка, обрабатывающая поступающий воздух, и система воздуховодов для его раздачи его по помещению. Для обеспечения санитарных норм необходимого для дыхания воздуха его объем определяется из расчета на одного человека. Для того чтобы подать этот воздух необходимо его очистить от пыли и, при необходимости, довести его температуру до нормальной температуры в помещении. Если вентиляционная система не только проветривает, что следует из определения, но и меняет параметры наружного воздуха для поддержания комфортных климатических условий в помещении, то такую систему называют системой кондиционирования воздуха.

3.7. Системы кондиционирования воздуха

Системы кондиционирования обеспечивают автоматическое поддержание заданной температуры воздуха в помещении, очистку воздуха от пыли, его вентиляцию, изменение влажности воздуха, изменение скорости и распределения воздушных потоков в объеме помещения, обеспечивающие, в некоторых случаях, воздухообмен с окружающей средой.

Все системы кондиционирования, с некоторой долей условности, можно разделить на бытовые и промышленные. К бытовым обычно относят кондиционеры мощностью до 7-8 кВт, применяемые для небольших помещений (площадью до 80 кв.м.). Промышленные кондиционеры используются для больших площадей, например, для централизованного охлаждения целых зданий. Выделяют также большой класс кондиционеров, занимающих промежуточное положение между бытовыми и промышленными системами - полупромышленные кондиционеры. При мощности от 7 до 25 кВт, они могут использоваться как в бытовых условиях - коттеджах, многокомнатных квартирах, так и в офисных помещениях, торговых залах, на предприятиях и т.п.

По характеру обеспечения метеорологических факторов воздуха, кондиционеры делятся на неавтономные, т.е. получающие тепло или холод извне, и автономные, генерирующие тепло или холод самостоятельно. Наибольшее распространение получили автономные кондиционеры.

По конструктивному исполнению все кондиционеры можно разделить на два больших класса - моноблочные, состоящие из одного блока (оконные, мобильные) и сплит-кондиционеры или, как их называют, сплит-системы, состоящие из двух и более блоков (настенные, канальные, кассетные и т.п.).

Оконные кондиционеры в недавнем прошлом были самым распространенным типом бытовых кондиционеров (серия БК). И сейчас практически все производители кондиционеров выпускают оконные кондиционеры мощностью от 1,5 до 6 кВт. Типовой оконный автономный, моноблочный кондиционер представлен на рис. 3.4.

Основными недостатками оконного кондиционера являются повышенный шум и сложность монтажа в оконный проем. Достоинство - невысокая стоимость (цена от 200 - 250 долларов). Благодаря невысокой цене оконные кондиционеры занимают второе место, по популярности, после спит-систем настенного типа.

 

Рис. 3.9. Типовой оконный автономный,
моноблочный кондиционер

Мобильный или напольный кондиционер - единственный тип кондиционера, который любой пользователь может установить самостоятельно. Мобильные кондиционеры устанавливаются на полу и имеют небольшие колесики, что позволяет легко перемещать их из комнаты в комнату. Для установки мобильного кондиционера достаточно вывести гибкий воздуховод длиной 0,5 - 1,5 метра на улицу через форточку или специально выполненное отверстие в стене. Через этот воздуховод удаляется горячий воздух. Недостатками напольных кондиционеров являются повышенный шум от компрессора, ограниченная мощность (обычно не более 3–4 кВт), а также их высокая цена, сравнимая со стоимостью сплит-систем. Заметим, что при мощности мобильного кондиционера более 3 кВт к основному блоку добавляется небольшой наружный блок с вентилятором. Наружный блок вывешивается за окном и подсоединяется к мобильному кондиционеру с помощью быстроразъемных соединений (защелок). Установка таких кондиционеров несколько сложнее. Конструктивно такой кондиционер немногим отличается от оконного или сплит-системы.

Кондиционер типа «сплит-система» состоит из наружного и внутреннего блоков, которые соединены между собой электрическим кабелем и медными трубами, по которым циркулирует хладагент. Благодаря такой конструкции наиболее шумная и громоздкая часть кондиционера, содержащая компрессор, вынесена наружу. Внутренний блок можно разместить практически в любом удобном месте квартиры или офиса. Все современные сплит-системы снабжены пультом дистанционного управления (ДУ) с жидкокристаллическим дисплеем. С его помощью можно: задавать температуру в помещении с точностью до 1-2 градусов, устанавливать таймер для автоматического включения и выключения кондиционера в заданное время, регулировать направление воздушного потока и многое другое. Внутренние блоки имеют фильтры тонкой и грубой очистки для фильтрации воздуха от пыли, табачного дыма, пыльцы растений и т.п.

Мупьтисплит-система является разновидностью сплит-систем. Ее отличие в том, что к одному внешнему блоку подключается несколько внутренних - обычно от 2 до 4 , 5 штук. При этом внутренние блоки могут быть не только разной мощности (обычно от 2 до 5 кВт), но и разных типов. Такое конструктивное решение позволяет экономить место на наружной стене здания и не так сильно портить внешний вид наружными блоками. При этом, вопреки распространенному мнению, замена нескольких сплит-систем на одну мультисплит-системой не приводит к выигрышу в цене, поскольку стоимость оборудования примерно такая же, а трудоемкость и стоимость монтажа - в 1,5 - 2 раза выше из-за более длинных коммуникаций. Кроме этого, при выходе из строя внешнего блока мультисплит-системы перестают работать все внутренние блоки - с этой точки зрения надежность нескольких сплит-систем выше. Поэтому мультисплит-системы обычно используют только при невозможности размещения нескольких внешних блоков на наружной стене дома.

Еще одним преимуществом сплит- и мультисплит-систем является большой выбор различных типов внутренних блоков. Среди них выделяют следующие модификации: настенный, канальный, кассетный, подпотолочный и колонный кондиционер. При этом бытовые сплит-системы бывают только настенного типа, все остальные кондиционеры - полупромышленные.

Самый распространенный и наиболее доступный по цене (от 400-500 долларов) – настенный кондиционер или сплит-система настенного типа. Иногда его еще называют просто бытовой кондиционер, поскольку в бытовых помещениях чаще всего применяются именно они. Настенный кондиционер можно установить в любом небольшом помещении - офисе, квартире, магазине. Их мощность (2-7 кВт) позволяет охлаждать от 15 до 70 кв.м. Внутренние блоки настенных кондиционеров обычно устанавливают в верхней части стены, недалеко от окна, а наружные - под окном. Такое размещение позволяет сократить расстояние между блоками и длину межблочных коммуникаций, которая обычно не превышает 5-7 метров.

Канальный кондиционер (его иногда, не совсем правильно, называют центральным кондиционером) устанавливается за подвесным или подшивным потолком, который полностью скрывает внутренний блок. Распределение охлажденного воздуха осуществляется по системе теплоизолированных воздуховодов, которые также размещаются в межпотолочном пространстве. Благодаря такой конструкции, канальный кондиционер может охлаждать сразу несколько помещений. Типичная мощность этих кондиционеров составляет 12-25 кВт, что достаточно для охлаждения небольшого офиса или 4-5 комнатной квартиры. Принципиальное отличие канального кондиционера от остальных сплит-систем - в возможности подачи свежего воздуха в объемах, необходимых для полноценной вентиляции кондиционируемых помещений. Таким образом, использование одного канального кондиционера позволяет решить задачи как вентиляции, так и кондиционирования целого офиса, квартиры или коттеджа. Нужно только позаботиться о правильном расчете воздухообмена, подборе кондиционера по мощности охлаждения и статическому давлению.

Для установки кассетного кондиционера, также как и для канального, необходим подвесной потолок. Однако в отличие от канального кондиционера, «кассетник» распределяет охлажденный воздух через нижнюю часть блока. Соответственно, нижняя часть такого кондиционера имеет размер стандартный потолочной плитки - 600 х 600 мм, а при большой мощности вдвое больше - 1200 х 600 мм и закрывается декоративной решеткой с распределительными жалюзи.

Основное достоинство кассетного кондиционера - незаметность, поскольку видна только декоративная решетка. Еще одно его преимущество - равномерное распределение воздушного потока по четырем направлениям, что позволяет использовать всего один кассетный кондиционер для охлаждения большого помещения (при использовании настенных сплит-систем для достижения аналогичного эффекта пришлось бы использовать 2-3 кондиционера меньшей мощности).

Если в помещении нет подвесного потолка, то альтернативой кассетному кондиционеру может стать напольно-подпотолочный кондиционер (или просто потолочный кондиционер). Эти кондиционеры отличаются небольшой глубиной - 18-25 сантиметров. Устанавливаются они, как следует из названия, либо внизу стены, либо на потолке. При этом поток воздуха в первом случае направляется вверх, во втором - горизонтально вдоль потолка. Такая конструкция позволяет равномернее распределять охлажденный воздух по всем четырем направлениям, причем мощность потока регулируется отдельно для каждого направления. Такой кондиционер может успешно использоваться в помещениях сложной формы, не имеющих подвесного потолка.

Колонный кондиционер используется там, где требуется большая холодопроизводительность и нет жестких требований к дизайну помещения. Эти кондиционеры по габаритам напоминают холодильник, имеют большой вес и устанавливаются на полу. Колонные кондиционеры требуют сравнительно большой площади для своего размещения, поскольку создают сильный поток охлажденного воздуха, который не позволяет находиться в непосредственной близости от кондиционера.

3.8. Схема и принцип работы сплит-кондиционеров

Наибольшее распространение получили двухблочные сплит-кондиционеры. Типовые сплит-кондиционеры состоят из двух блоков [7]:

-наружного, устанавливаемого на стене здания снаружи;

-внутреннего, устанавливаемого обычно на стене внутри помещения.

Схема работы типового сплит-кондиционера изображена на рис. 3.5.

Сплит-кондиционер может работать в трёх режимах:

-в режиме вентиляции воздуха в помещении;

-в режиме охлаждения воздуха;

-в режиме нагревания воздуха (тепловентилятор).

В режиме вентиляции работает только электровентилятор внутреннего блока, который создает поток воздуха, проходящий через неработающий испаритель, электронагреватель, через направляющие пластины и сетчатый фильтр, затем воздух попадает в помещение. Вентиляция необходима для того чтобы выравнивать температуру в разных зонах помещения путём перемешивания воздуха.

В режиме тепловентилятора, так же осуществляется вентиляция, но включается в работу электронагреватель, подогревающий проходящий через него воздух. Нагревание происходит до момента достижения воздухом помещения заданной температуры. Температура определяются с помощью датчика, расположенного на корпусе внутреннего блока, вне зоны движения воздуха. Управляет включением, выключением, вентилятором внутреннего блока и электронагревателем система управления, осуществляющая автоматическое поддержание температуры воздуха в помещении. Работу системы управления программируют с помощью пульта управления.

 

В режиме охлаждения воздуха включается в работу компрессионный холодильный агрегат кондиционера, т.е. сетчатый испаритель, через который продувается очищенный воздух. Проходя сквозь него воздух охлаждается и смешивается с воздухом помещения. Нагреватель в это время не работает.

Компрессор, конденсатор и испаритель соединены медными трубами и образуют холодильный контур, внутри которого циркулирует смесь фреона и небольшого количества компрессорного масла.

Процесс работы кондиционера в режиме охлаждения подобен холодильному агрегату компрессионного действия. На вход компрессора из испарителя поступает газообразный фреон под низким давлением в 3-5 атмосфер и температурой 10-20°С. Компрессор сжимает фреон до давления 15-25 атмосфер, в результате чего фреон нагревается до 70-90°С, после чего поступает в конденсатор.

Благодаря интенсивному обдуву конденсатора специальным вентилятором, фреон остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую (конденсируется) с выделением тепла. Соответственно, воздух, проходящий через конденсатор, нагревается.

На выходе конденсатора фреон находится в жидком состоянии, под высоким давлением и с температурой лишь на 10-20°С выше температуры атмосферного воздуха. Из конденсатора теплый фреон поступает в терморегулирующий вентиль (ТРВ), который, в простейшем случае, представляет собой капилляр (длинную тонкую медную трубку, свитую в спираль). На выходе ТРВ давление и температура фреона существенно понижаются, часть фреона при этом может испариться.

После ТРВ смесь жидкого и газообразного фреона с низким давлением поступает в испаритель. В испарителе жидкий фреон переходит в газообразную фазу с поглощением тепла, соответственно, воздух, проходящий через испаритель, остывает. Далее газообразный фреон с низким давлением поступает на вход компрессора и весь цикл повторяется.

Этот процесс лежит в основе работы любого кондиционера и не зависит от его типа, модели или производителя.

Одна из наиболее серьезных проблем в работе кондиционера возникает в том случае, если в испарителе фреон не успевает полностью перейти в газообразное состояние. В этом случае на вход компрессора попадает жидкость, которая, в отличие от газа, несжимаема. В результате компрессор просто выходит из строя. Причин, по которым фреон не успевает испариться, может быть несколько, самые распространенные - загрязненные фильтры (при этом ухудшается обдув испарителя и теплообмен) и включение кондиционера при отрицательных температурах наружного воздуха (в этом случае в испаритель поступает слишком холодный фреон).

В результате охлаждения воздуха на сетке испарителя происходит конденсация водяных паров, содержащихся в воздухе помещения, этот конденсат (вода) по трубке выводится наружу. При этом воздух в помещении осушается и с течением времени его нужно увлажнять, т.к. это сказывается на органах дыхания человека.

Для уменьшения размеров конденсатора и испарителя они выполняются в виде змеевиков оребрённых пластинами.

Для ускорения процессов теплообмена в наружном блоке находится и работает при включении холодильного агрегата электровентилятор, захватывающий воздух с боковых поверхностей наружного блока и прогоняющий через конденсатор.

В дорогих кондиционерах для поддержания уровня влажности воздуха в помещении перед выходом из кондиционера воздух увлажняется. Например, воздух продувается через блок синтетических сеточек, на которые попадает вода из дозатора. В эту воду часто добавляют ароматизаторы, например, запах лаванды, который располагает к труду и высокой производительности труда.

Важным параметром кондиционера, как прибора устанавливаемого в жилом помещении, гостиничном номере, спальне и т.п. является уровень шума. Уровень шума измеряется в децибелах (дБ) - относительных единицах, показывающих во сколько раз один звук громче другого. За 0 дБ принят порог слышимости человеческих органов слуха (заметим, что звуки с уровнем менее 25 дБ фактически не слышны). Уровень шепота составляет интенсивность в 25-30 дБ, шуму в офисном помещении, как и громкости обычного разговора, соответствует интенсивность в 35-45 дБ, а шум оживленной улицы или громкого разговора - 50-70 дБ.

Для большинства бытовых кондиционеров уровень шума внутреннего блока лежит в диапазоне 26-36 дБ, наружного блока - 38-54 дБ. Можно заметить, что шум работающего внутреннего блока не превышает уровень шума офисного помещения. Поэтому обращать внимание на уровень шума кондиционера имеет смысл, только если вы планируете установить его в тихом помещении (спальня, личный кабинет и т.д.).

Основным источником шума внутреннего блока кондиционера является поток воздуха, проходящего через вентилятор, радиатор и распределительные жалюзи. При закрытых окнах, а иначе эксплуатировать кондиционер не допускается, шум наружного блока практически не слышен. Но этот шум хорошо слышен окружающим, если у них самих не установлен кондиционер и все окна открыты. В большинстве конструкций кондиционеров шум создаваемый внутренним блоком имеет монотонный характер и напоминает естественный шум ветра, а к такому шуму легко привыкнуть.

3.9. Центральные кондиционеры

Центральные кондиционеры это промышленные кондиционеры (рис. 3.11), которые применяются для обработки воздуха в общественных зданиях и в технологических помещениях. Центральные кондиционеры представляют собой неавтономные кондиционepы, снабжаемые извне холодом (подводом холодной воды от чиллера или фреона от компрессорно-конденсаторного блока), теплом (подводом горячей воды или пара от системы отопления) и электроэнергией для привода вентиляторов, насосов, запорнорегулирующих аппаратов на воздушных и жидкостных коммуникациях.

Центральные кондиционеры могут использоваться для обслуживания нескольких помещений или одного большого помещения. Иногда несколько центральных кондиционеров обслуживают одно помещение больших размеров (театральный зал, закрытый стадион, производственный цех и т.п.).

Этот тип промышленных кондиционеров выпускается в секционном исполнении. Центральные кондиционеры состоят из унифицированных типовых секций, предназначенных для: подачи и перемещения воздуха, смешивания, нагревания, охлаждения, очистки, осушки, увлажнения воздуха.

Центральные кондиционеры имеют существенные преимущества перед другими типами промышленных кондиционеров, а именно, возможность эффективного поддержания заданной температуры, влажности и подвижности воздуха в помещениях большого объема, возможность подачи свежего воздуха в помещения.

Но, вместе с тем, центральные кондиционеры имеют и заметные недостатки, основным из которых является необходимость проведения сложных монтажностроительных работ, прокладка по зданию протяженных коммуникаций (воздуховодов и трубопроводов). Также следует отметить невозможность задания различной температуры для помещений, если эти помещения обслуживаются одним центральным кондиционером, что делает неудобным использование этого типа промышленных кондиционеров для обработки воздуха в офисных, и тем более в жилых помещениях.

Центральный кондиционер состоит из отдельных типовых секций, герметично соединенных между собой. Корпус кондиционера исполнен на базе каркаса из алюминиевых профилей, к которым крепятся постоянные и съемные (для доступа к агрегатам) панели.

Панели состоят из наружного и внутреннего оцинкованных листов, между которыми устанавливается теплоизоляционная прокладка из минеральной ваты.

С целью облегчения подхода к узлам установки предусмотрены открываемые смотровые двери или съемные панели со стороны обслуживания.

Компоновка шкафного кондиционера полностью зависит от требований к параметрам кондиционируемого воздуха, поэтому набор секций может быть весьма разнообразен. Секции могут быть скомпонованы в двухъярусном исполнении или с учетом рельефов помещений, в которых устанавливается кондиционер.

Кроме стандартных типовых компоновок существует возможность создания собственной уникальной компоновки кондиционера.

Основные типы центральных кондиционеров можно представить схемой (рис. 3.12).

Прямоточные центральные кондиционеры обрабатывают только наружный воздух. Кондиционер с теплоутилизацией – это прямоточный кондиционер с центральным теплоутилизатором, в котором нет смешения потоков наружного и рециркуляционного воздуха, а передача тепла от удаляемого воздуха к наружному происходит в специальном теплообменнике.

Кондиционеры с рециркуляцией обрабатывают смесь наружного и рециркуляционного (вытяжного) воздуха.

1-я рециркуляция представляет собой подмешивание рециркуляционного воздуха к наружному перед теплообменником 1-гo подогрева, что значительно снижает потребление тепла на 1-й подогрев.

2-я рециркуляция представляет собой подмешивание рециркуляционного воздуха к наружному воздуху, прошедшему обработку в воздухоохладителе или камере орошения перед вентилятором. При этом отпадает необходимость включения в работу теплообменника 2-го подогрева в летний период.

Возможны также различные комбинированные системы на базе центральных кондиционеров.

В системах кондиционирования, совмещенных с воздушным отоплением здания или помещения и предназначенных для круглогодичной эксплуатации, устанавливается, как правило, не менее двух кондиционеров производительностью по 50% общей производительности системы, при этом секция нагрева должна иметь тепло производительность, достаточную для отопления помещений.

 

Центральные кондиционеры, работающие с рециркуляцией, комплектуются смесительной камерой, позволяющей подавать переменные объемы наружного (свежего) и рециркуляционного воздуха. В этом случае для рециркуляции (отбора из помещения) воздуха рекомендуется применять самостоятельный вентилятор.

Использование в центральном кондиционере рециркуляции и теплоутилизации позволяет существенно сократить затраты тепловой энергии, связанные с обогревом воздуха в холодное время года.

Если рециркуляция воздуха недопустима в связи с технологическими особенностями обслуживаемого помещения, то применяют центральную прямоточную схему кондиционера.

Выбор той или иной компоновки центрального кондиционера зависит от многих факторов. В первую очередь, от назначения и режима использования помещений, конструктивных особенностей здания, а также от санитарно-гигиенических, архитектурных, эксплуатационных и экономических требований.

Секция охлаждения представляет собой водяной или фреоновый теплообменник, изготовленный из медных трубок (от 4 до 8 рядов) с алюминиевыми ребрами. В качестве хладагента (рабочей среды) может использоваться: охлажденная вода, смесь воды и гликоля, фреон (например, R-22).

Хладагент, в зависимости от типа рабочей среды, может поступать от чиллера, градирни, артезианской скважины и т.п. Коллекторы выполнены из стальной оцинкованной (или с антикоррозийным покрытием) трубы. Входные и выходные патрубки коллектора имеют наружную резьбу. Стандартно коллекторы оснащаются дополнительными патрубками для спуска хладагента и отведения воздуха.

Распределительный и обратный коллектор фреоновых теплообменников изготавливают из медных трубок.

Патрубки коллекторов выведены наружу секции. Воздухоохладитель имеет кожух из оцинкованной стали. Кожух может быть оборудован специальными транспортными держателями, облегчающими демонтаж и транспортировку.

Стандартно в секцию охлаждения устанавливается поддон для конденсатной воды, сделанный из нержавеющей листовой стали. Поддон оснащается выведенным наружу сливным патрубком, к которому присоединяется переливной сифон (водяной затвор который поставляется вместе с секцией охлаждения).

Водяные воздухоохладители оснащаются противозамораживающими термостатами.

При скоростях обрабатываемого воздуха выше 2,5 м/с, за секцией охлаждения в центральном кондиционере устанавливаются эффективные сепараторы (каплеуловители).

Нагрев воздуха может быть реализован с помощью встроенной секции воздухонагревания. Для этих целей могут использоваться водяные, паровые или электрические нагреватели.

Конструктивно водяные и паровые воздухонагреватели центральных кондиционеров выполнены, как и воздухоохладители, из медных трубок с алюминиевым оребрением. Коллекторы и патрубки диаметром до 25 мм выполнены из медных трубок, а диаметром более 32 мм – из стальных трубок с антикоррозийным покрытием.

Стандартно коллекторы оснащаются дополнительными патрубками с резьбой, предназначенными для спуска воды и отвода воздуха. Патрубки коллекторов выведены наружу. Концы патрубков подающего и обратного коллектора также имеют резьбу. Кожух теплообменников имеет специальные транспортные держатели, облегчающие демонтаж и транспортировку.

Электрические нагреватели выполнены в форме прямоугольного параллелепипеда с укрепленными в корпусе греющими элементами в виде спирали или оребренных ТЭНов. Электрические нагреватели подключаются в электрической сети: 3/380 В/50 Гц.

Нагреватель имеет термостат безопасности, ограничивающий чрезмерный рост температуры внутри системы, а также отключение нагревателей в случае прекращения подачи воздуха.

Увлажнение воздуха может осуществляться двумя способами, в секции оросительного увлажнения водой (форсуночной камере) или секции парового увлажнения.

Камера орошения состоит из корпуса, в который установлены трубные гребенки, поддон и насос. В форсуночной камере происходит адиабатическое увлажнение воздуха циркуляционной водой, которая поступает из поддона. Воздух вступает в непосредственный контакт с поверхностью капель воды, распыляемой с помощью форсунок. Распыляясь, вода превращается в густой туман мелких капель, сквозь который движется воздух, поглощая водяные пары.

Производительность форсунок зависит от диаметра выходного отверстия, давления и температуры воды перед форсункой. Установка форсунок в поперечном сечении форсуночной камеры выполняется на трубных гребенках, к которым циркуляционным насосом подается вода из поддона. Поддон выполняет функции резервуара запасной емкости воды, обеспечивающего плавную работу насоса. Циркуляционный насос размещен возле поддона на кронштейне. На всасывающем патрубке насоса расположен сетчатый фильтр.

Конструкцию форсуночной камеры дополняют два сепаратора-каплеуловителя, предотвращающие унос капель воды к после дующим секциям центрального кондиционера. Один работает на выходе из секции как сепаратор, другой является направляющим для выравнивания потока воздуха на входе. Эти сепараторы являются высокоэффективными элементами оборудования.

Вследствие уноса воды с воздухом в процессе увлажнения, необходимо восполнять потери воды. Подпитка водой регулируется с помощью поплавка, который помещен на питательном патрубке, а циркуляционная выпускается ручным шаровым клапаном, размещенным на нагнетательной стороне насоса.

Кожух секции увлажнения изготавливается из нержавеющего листа, что полностью исключает коррозию, имеет окно для контроля и освещения внутреннего объема.

Эффективность увлажнения в секции такого типа составляет около 90%.

В состав секции парового увлажнения входят:

· кожух секции;

· инжекционное сопло;

· серводвигатель в стандартном исполнении, напряжением питания 220 В и сигналом управления 0-10 В.

Тип парогенератора подбирается в зависимости от необходимого расхода пара. В конструкцию секции входит также распределительная паровая труба из нержавеющей стали с инжекционными соплами, фильтр пара, термодинамический конденсатоотводчик, а также электронные устройства регулирования уровня воды и автоматической продувки.

Увлажнение воздуха сухим перегретым паром имеет множество достоинств:

· быстрое смешивание водяных паров с воздухом и легко регулируемое количество впрыскиваемого пара позволяет очень точно регулировать влажность воздуха;

· сухой перегретый пар не содержит минеральных частиц и бактерий;

· минимальные эксплуатационные расходы;

· консервация парового увлажнителя сведена к минимуму.

При необходимости обеспечения фильтрации повышенного качества в компоновку центрального кондиционера могут быть включены две секции: первичной и вторичной фильтрации. Фильтры размещаются в тех частях кондиционера, через которые проходит весь обрабатываемый воздух, и так, чтобы защитить от пыли возможно большее число секций кондиционера.

В секцию первичного фильтрования могут быть вмонтированы сетчатые фильтры класса EU 1 или корзинчатые фильтры класса EU3. Сетчатые фильтры – это тканевые фильтры с развернутой поверхностью, уложенной в «зигзаг». Ткань армирована алюминиевой сеткой и смонтирована в кожухе, исполненном из оцинкованных стальных листов.

Фильтр закреплен в установке с помощью направляющих, которые позволяют его легко демонтировать.

Корзинчатый фильтр собирается из нескольких фильтрующих элементов со стандартными размерами.

Количество и размеры фильтрующих элементов, применяемых в установке, зависят от ее модели.

Фильтрующие элементы корзинчатых фильтров закреплены в рамках с помощью пружинных прихватов, обеспечивающих герметичность, а также легкую и быструю смену.

Фильтрующая ткань исполнена из супертонких синтетических волокон, не гигроскопичных, кислотоустойчивых и стойких к большинству органических растворителей. Все фильтры могут работать при температуре до 60 ^o С.

Среднее значение эффективности фильтрации, обозначающее процентную долю задержанной пыли, для фильтров класса EUl составляет до 60%, для класса EU3 до 80-90%.

В секции вторичного фильтрования применены корзинчатые фильтры класса EU5-EU9.

Размеры и количество фильтрующих элементов также зависят от модели установки. Тип фильтрующей ткани, а также элементы крепления аналогичны секции первичного фильтрования. Эти фильтры также могут работать при температуре до 60^oС.

Секция шумоглушения предназначена для снижения уровня шума, создаваемого центральным кондиционером

Внутри секции шумоглушения закреплены звукопоглощающие пластины, которые изготавливаются, например, из нескольких слоев минеральной ваты специально подобранной плотности. Внешняя поверхность минеральной ваты усилена стекловолокнистым покрытием.

Секции шумоглушения производятся нескольких типоразмеров (от 0,5 до 2,0 м) с разными количествами звукопоглощающих пластин.

Если по условиям технологической компоновки непосредственно перед секцией шумоглушения необходимо установить вентиляторную секцию, то требуется применять специальную секцию (проставку) с рассекателями воздуха, позволяющую выровнять скорость и направление потоков воздуха в поперечном сечении секции шумоглушения.

Вентиляторная секция предназначена для забора воздуха в центральный кондиционер и его подачи в обслуживаемые помещения. В кондиционерах применяются радиальные (центробежные) вентиляторы одностороннего и двухстороннего всасывания низкого и среднего давления.

В зависимости от требуемой производительности и напора используются вентиляторы с рабочими лопатками, загнутыми вперед, или с лопатками, загнутыми назад, что обеспечивает легкое регулирование параметров сети. Вентиляторы характеризуются высоким КПД и позволяют регулировать производительность изменением числа оборотов.

Колесо вентилятора кондиционера вращается электродвигателем через ременную передачу. В зависимости от мощности используются клиновидные ремни различного типа.

Вентилятор с двигателем и ременной передачей размещен на общей раме внутри секции, образуя вентиляторную группу. Вся группа монтируется на пружинных или резиновых амортизаторах (виброизоляторах) на салазках и перемещается на салазках внутри корпуса. Амортизаторы демпфируют колебания и предупреждают передачу шума.

Напорный патрубок вентилятора отделен от кожуха эластичной вставкой, которая обеспечивает герметичность и предотвращает перенос вибрации.

Возможна поставка вентиляторной группы во взрывобезопасном исполнении.

При проектировании вентиляции и кондиционирования для экономии тепла и холода целесообразно использовать тепловые вторичные энергетические ресурсы, такие как:

· тепло воздуха, удаляемого системами вентиляции и кондиционирования воздуха из помещения, когда рециркуляция;

· воздуха недопустима;

· тепло и холод технологических установок, пригодные для использования в системах вентиляции и кондиционирования.

Для использования тепла удаляемого из помещений воздуха применяются утилизаторы тепла, которые подразделяются на три типа:

· перекрестноточные (рекуперативные) теплообменники;

· вращающиеся (регенеративные) теплообменники;

· система с промежуточным теплоносителем, состоящая из двух теплообменников.

Тип теплоутилизатора определяет и типсоответствующей секции центрального кондиционера.

Перекрестноточный теплообменник (рис. 3.13) изготовлен из алюминиевых пластин, создающих систему каналов для протекания двух потоков воздуха. В теплообменнике происходит теплопередача между этими тщательно разделенными потоками с различной температурой. Вытяжной, удаляемый из помещения воздух, протекает в каждом втором канале между пластинами теплообменника, нагревая их. Приточный, кондиционируемый воздух протекает через остальные каналы теплообменника и поглощает тепло нагретых пластин.

 

Благодаря турбулентному течению воздуха в каналах теплообменника, добиваются высокой эффективности утилизации тепла при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении.

В связи с возможностью конденсации влаги из удаляемого воздуха, за теплообменником установлен сепаратор со сливным поддоном и отводом конденсата через сифон.

Вращающийся теплообменник - это устройство, в котором теплообмен происходит в результате аккумуляции тепла вращающейся регенеративной «насадкой» (рис. 3.14).

Насадка представляет собой гофрированный стальной лист, свернутый так, чтобы были созданы каналы для горизонтального протекания воздуха. Изготовленная в форме колеса, она вращается двигателем с редуктором и ременной передачей.

Вытяжной удаляемый воздух, имеющий высокую температуру, проходит через насадку, нагревая ее. Вращаясь, насадка оказывается в потоке холодного приточного воздуха, где происходит передача тепла от насадки к приточному воздуху

Регулирование эффективности теплоутилизации производится путем изменения числа оборотов двигателя.

Вращающиеся теплообменники имеют самую высокую эффективность утилизации тепла - до 80% .

Однако основным их недостатком является наличие взаимного перетекания воздушных потоков, что делает их непригодными там, где требуется полное разделение приточного и вытяжного воздуха.

Система с промежуточным теплоносителем (рекуператор) (рис. 3.15) состоит из двух теплообменников с алюминиевыми трубками и алюминиевым оребрением. Теплообменники могут быть закреплены в одном кожухе или каждый теплообменник устанавливается в отдельной секции.

Теплообменники соединяются системой трубопроводов, заполненных теплоносителем, который чаще всего представляет собой 40%-ный раствор этиленгликоля в дистиллированной воде. Теплоноситель, нагревшись в теплообменнике-теплоприемнике, обдуваемом теплым вытяжным воздухом, переносит это тепло в теплообменник-теплопередатчик, расположенный в потоке приточного воздуха. Работа осуществляется в замкнутом контуре. Такую схему можно использовать в системах кондиционирования помещений с высокими требованиями к чистоте воздуха, а также в случае большого расстояния между приточной и вытяжной установкой. Эффективность рекуперации тепла доходит до 60%.

Регулирование количества воздуха (наружного и рециркуляционного), поступающего в центральный кондиционер, осуществляется воздушными клапанами. Регулирование осуществляется с помощью электропривода, устанавливаемого на клапане.

Основным недостатком центральных систем кондиционирования является то, что температура, поддерживаемая центральным кондиционированием + увлажнение воздуха - создают благоприятные условия для развития микробной среды в загрязненных каналах (рис. 3.16).

 

а)

б)

Рис. 3.16. Загрязнения каналов центральной системы
кондиционирования воздуха:

а)-внешний вид каналов; б) - микроорганизмы при многократном увеличении

 

Второй недостаток связан с тем, что системы кондиционирования, имеют разветвленную систему трубопроводов, проложенных в здании и обеспечивающих перенос тепла посредством циркуляции по ним фреона. В случае неграмотного монтажа системы кондиционирования существует вероятность утечки фреона из системы кондиционирования.

3.10. Воздухоочистители

Воздухоочистители предназначены для удаления вредных примесей - пыли, сигаретного дыма, газовых выделений из строительных материалов, пылевых клещей, пыльцы растений и т.п. Существует распространенное мнение, что функцию очистителей могут выполнять кондиционеры с угольным и электростатическим фильтром. Однако основная функция кондиционеров - охлаждать и нагревать воздух, а функция очистки реализована не на высоком уровне. В технической документации на кондиционеры почти никогда не приводятся данные о результатах тестов по очистке воздуха от различных примесей, для очистителей же воздуха – это основной параметр, характеризующий эффективность их работы. Поэтому для очистки воздуха в номерах гостиниц, квартирах и офисах обычно используют специализированные воздухоочистители.

Принцип действия воздухоочистителей состоит в продувании электровентилятором воздуха помещений (или внешнего) через фильтр или несколько фильтров. Основой любого очистителя воздуха являются фильтры. Как правило, в воздухоочистителях применяется несколько фильтров разных типов, предназначенных для нейтрализации различных загрязнителей. По принципу действия все фильтры можно разделить на следующие группы:

· механические фильтры (фильтры грубой очистки);

· ионизаторы или электростатические фильтры;

· угольные (адсорбционные) фильтры;

· фильтры типа НЕРА;

· фотокаталитические фильтры.

Механические (пылевые) фильтры используются для предварительной очистки воздуха и представляют собой обычную мелкую сетку. Пылевые фильтры представляют собой специальную ткань из различных волокон, способных задерживать частицы пыли размером от 0,3 микрона и выше. Принцип их работы достаточно прост: воздух вентилятором прогоняется через ткань и тем самым освобождается от частиц пыли. Фильтры предназначены для удаления крупных пылевых частиц, насекомых, шерсти животных. Такие фильтры устанавливаются практически на любом оборудовании, требующем пылевой защиты и защищают не только людей, но и внутренности самих приборов. Эти фильтры являются многоразовыми - для очистки от пыли их достаточно пропылесосить или промыть в теплой воде.

По сравнению с сетчатыми фильтрами, электростатические фильтры позволяют удалять из воздуха более мелкие частицы - вплоть до 0,01 мкм. Принцип их действия основан на притяжении электрических зарядов разной полярности. Загрязненный воздух проходит через ионизационную камеру, в которой частицы загрязнения приобретают положительный заряд, после чего они оседают на отрицательно заряженных пластинах. Для очистки этого фильтра (пластин) достаточно промыть его мыльной водой. Ионизирующие очистители, или электрофильтры, хорошо очищают воздух от пыли и копоти, абсолютно не освобождая от таких токсичных загрязнителей как окись углерода, окислы азота, формальдегид и других вредных органических соединений, присутствующих в воздухе бытовых и производственных помещений. Кроме того, в процессе работы ионизационные очистители сами генерируют окислы азота и крайне опасный газ озон, который в 5 раз токсичнее, чем угарный газ. Причиной образования озона является использование в ионизационной камере воздухоочистительного прибора электрического напряжения в несколько тысяч вольт.

Ионизационные фильтры используются в ряде моделей воздухоочистителей фирм Bionaire (Канада) и Honeywell (США). Сегодня на отечественном рынке имеются модели воздухоочистителей, укомплектованных ионизационными фильтрами, фирмы Daikin (Япония) и российская модель «Супер-Плюс». Следует отметить, что при использовании воздухоочистителя «Супер-Плюс», озон в атмосфере помещения появляется практически сразу после начала его работы, т.е. даже при незагрязненном «заземлителе».

К воздухоочистительным приборам, использующим принцип ионизации воздуха, относится и популярная в нашей стране «Люстра Чижевского». Ее отличие от вышеупомянутого ионизационного фильтра в том, что осаждающей поверхностью в схеме воздухоочистки, служат потолок и стены помещения. Данный принцип очистки воздуха от пыли был бы незаменим в угольной шахте, но в случае «комнаты с белым потолком» результаты деятельности этого воздухоочистителя не замедлят проявиться в виде черного пятна над «Люстрой» и необратимого посерения потолка и стен.

Основой угольных или дезодорирующих фильтров является активированный уголь. Активированный уголь может поглощать (адсорбировать) вредные газы - на этом свойстве основано действие противогазов. Таким образом, угольные фильтры предназначены для удаления неприятных запахов и газовых примесей. Как правило, такие фильтры применяются в дополнении к фильтрам других типов. Восстановлению угольные фильтры не подлежат и после выработки ресурса их необходимо заменить новыми.

Фильтры типа НЕРА (High Efficiency Particulate Arrestance - Высокоэффективная Задержка Частиц) применяются не только в быту, но и в медицинских учреждениях и лабораториях - там, где предъявляются повышенные требования к чистоте воздуха. НЕРА-фильтры изготавливаются из специального пористого материала на основе стекловолокна. Благодаря разветвленной сети мельчайших пор эти фильтры эффективно задерживают частицы размером до 0,3 мкм. Степень очистки воздуха НЕРА фильтрами составляет 85%-95%. Фильтры TRUE НЕРА, являющиеся дальнейшим развитием технологии НЕРА, улавливают до 99,97% аллергенов и загрязнителей. Единственный недостаток этих фильтров - высокая стоимость и невозможность регенерации.

В отличие от других фильтров, накапливающих разнообразные загрязнения, фотокаталитические фильтры расщепляют органику, запахи и вредные химические соединения до безвредных веществ. Благодаря этому, очиститель с фотокаталитическим фильтром никогда не станет источником загрязнения, каким может стать обычный очиститель, если вовремя не заменить отработанный фильтр. Принцип действия основан на том, что на поверхности катализатора под действием ультрафиолетового излучения происходит окисление всех органических веществ до безвредных компонентов чистого воздуха. Кроме этого, ультрафиолетовое излучение убивает микроорганизмы. На сегодняшний день, этот метод является, наиболее эффективным и экономичным. Как считают ученые, он станет в XXI веке основным методом молекулярной очистки воздуха.

3.11. Фотокаталитические воздухоочистители

Современное понятие «фотокатализ» звучит как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ - фотокатализаторов, которые в результате поглощения ими квантов света способны вызывать химические превращения участников реакции, вступая с последними в промежуточные химические взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий».

Сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения диапазона А (с длиной волны немногим более 300 нм). Реакция протекает при комнатной температуре, и при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов воздуха - до двуокиси углерода, воды и азота.

Любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным ТiО₂-фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух.

TiO₂ (двуокись титана)- полупроводниковое соединение, в котором электроны могут находиться в двух состояниях: в свободном и связанном. В первом случае, электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti₄+ и анионами кислорода О₂-. Во втором случае, в основном электроны связанны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного в свободное состояние необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длинной волны l <390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы TiO₂ рождаются свободный электрон и электронная вакансия. В физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой.

Электрон и дырка -достаточно подвижные образования. Двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Принцип действия полупроводникового фотокатализатора

 

 

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон - это вероятно, Ti₃₊ на поверхности, а дырка локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О-, Таким образом на поверхности оксида образуются чрезвычайно реакционноспособные частицы. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности TiO₂ характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ~ – 0.1 эВ, потенциал дырки ~ +3 эВ относительно нормального водородного электрода.

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН-радикалы. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом. Дырка реагирует либо с водой: либо с любым адсорбированным органическим (в некоторых случаях и неорганическим) соединением OH – радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. Таким образом, поверхность TiO₂ под действием света становиться сильнейшим окислителем.

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии и вирусы, адсорбируются на поверхности фотокатализатора ТiО₂, нанесенного на пористый носитель - фотокаталитический фильтр. Под действием света от УФ лампы, диапазона А, они окисляются до углекислого газа и воды, OH-радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO₂ под действием света становится сильнейшим окислителем.

Эффективность действия фотокаталитического очистителя можно продемонстрировать следующим опытом. Очиститель помещается в замкнутый объем (около 190 л), туда же добавляется ацетон, аммиак и угарный газ. Наблюдение ведется по убыли ацетона и накоплению СО₂. Кинетические кривые этого процесса представлены на рис. 3.18.

 

 

Схема, поясняющая принцип работы и конструкцию фотокаталитического воздухоочистителя представлена на рис. 3.19.

Внешний вид фотокаталитического прибора «Севеж-45» представлен на рис. 3.20.

 

 

Рис. 3.19. Схема работы фотокаталитического
воздухоочистителя «Севеж-45»

 

 

Рис. 3.20. Фотокаталитический воздухоочиститель
«Севеж-45», серии «Аэролайф»

3.12. Малошумная местная приточно-очистительная
вентиляция «Sonair A+» фирмы «Innosource»

Одной из современных систем очистки, воздухообмена и поддержания равномерного температурного баланса в жилых и бытовых помещениях является система Sonair A+ (рис. 3.21), важным достоинством которой является малая шумность. Установка может работать в трех режимах [9]:

1. Очистка наружного воздуха. Наружный воздух, через воздуховод в стене и сетку против насекомых, засасывается центробежным малошумным вентилятором и, проходя через фильтры, очищаясь, попадает в помещение (закрыта заслонка перед вентилятором, перекрывая подачу внутреннего воздуха).

2. Приток наружного воздуха, смешивание его с внутренним и очистка. Центробежный вентилятор засасывает и внешний и внутренний воздух, в камере вентилятора происходит  смешивание, обмен теплом, а затем фильтрация.

 

3. Очистка воздуха в помещении, без притока внешнего воздуха (закрыта заслонка перед воздуховодом), т.е. работа в режиме внутреннего воздухоочистителя.

Скорость притока или циркуляции воздуха изменяется регулятором скорости вентилятора на лицевой панели установки. Приборы «Sonair А+» комплектуются тремя видами фильтров, обеспечивающими как грубую, так и тонкую очистку угольными фильтрами.

3.13. Увлажнители воздуха

Работа бытового оборудования связана с выделением в окружающую среду тепла, которое приводит к нагреванию воздуха и снижению его относительной влажности. Применение кондиционеров для охлаждения воздуха также значительно снижает его влажность вследствие конденсации влаги на сетке испарителя и отвода ее за пределы помещения. 

При значительном осушении воздуха в помещении начинает ухудшаться самочувствие людей, появляется кашель, возможно обострение хронических заболеваний органов дыхания, вырастает риск получения заболеваний легких из-за увеличения концентрации легких пылевых частиц, витающих в воздухе.

Технология увлажнения воздуха состоит в принудительном интенсивном испарении воды посредством тепла (паровые увлажнители), обдува воздухом дисков, бумажных фильтров, синтетических сеточек к которым подается вода или ультразвуковых колебаний, приводящих и к локальному нагреву воды, и к высокочастотным колебаниям поверхностной пленки воды, а значит и к облегчению процесса отрыва молекул воды от жидкости. Помимо увлажнения увлажнители частично решают и вопрос очистки воздуха помещений от витающей пыли.

Традиционные увлажнители забирают сухой воздух помещения, прогоняют его через синтетические диски или увлажненные фильтры и возвращают его в комнату увлажненным и очищенным. Они автоматически обеспечивают комфортный уровень влажности и не требуют дополнительных приборов контроля. Типовая конструкция увлажнителя, представленная на рис. 3.22.

Ультразвуковые увлажнители - наиболее эффективные из существующих увлажнителей воздуха. Пар в таких увлажнителях создается за счет колебаний при помощи ультразвуковой мембраны. В отличие от паровых и традицион ных моделей, их преимуществами является точный контроль влажности («нормальная» температура выходящего пара не более 40°С) и низкий уровень шума. Например, в 2003 году фирма «General» выпустила модели с цифровым управлением, снабженные встроенным датчиком влажности в помещении, позволяют задавать желаемый уровень влажности, включать автоматический режим или режим «сон».

Увлажнители серии UHH (см. рис. 3.23) имеют дополнительную особенность - предварительный нагрев воды. Перед попаданием на ультразвуковую мембрану вода в специальном отсеке нагревается до температуры 80 градусов и при этом в ней погибают все бактерии и микроорганизмы. Однако в отличие от паровых увлажнителей, температура пара на выходе не превышает 40°С. Таким образом, в этих моделях совмещены все достоинства паровых и ультразвуковых увлажнителей воздуха - эффективность, гигиеничность, небольшое энергопотребление и безопасность.

3.14. Обогреватели воздуха

Для сохранения комфортных условий работы и отдыха человека важное значение имеет температура воздуха, а точнее ее поддержание в заданном диапазоне. В холодное время года в периоды аварий на теплосетях и т.п. необходимо дополнительное отопление помещений. Кроме того, неэффективная работа систем отопления или ее отказ могут потребовать дополнительный нагрев воздуха в помещении. Для этих целей применяют приборы обогрева воздуха, такие как тепловентиляторы, масляные радиаторы, инфракрасные нагреватели, конвекторы и др.

Выбор оптимального обогревательного оборудования зависит от многих факторов, в том числе:

· площади помещения (~1 кВт на 10 кв.м.);

· назначения помещения (жилая комната, спортивный зал, цех и т.д.);

· высоты потолка;

· теплопотерь (открытая дверь, плохая теплоизоляция и т.п.).

При обогреве небольшого помещения (например, жилой комнаты, гостиничного номера, офисного помещения) важно обеспечить:

· быстрый и равномерный прогрев воздуха;

· поддержание заданной комфортной температуры;

· невысокую стоимость обогревателя.

Оптимальным обогревателем для помещений площадью до 30 кв.м. является масляный обогреватель или тепловентилятор.

Внешний вид масляного обогревателя и схема, поясняющая принцип его работы представлены на рис. 3.24.

 

Рис. 3.24. Внешний вид современного масляного обогревателя
и схема, поясняющая принцип работы:

1 – трубчатый электронагреватель; 2 – минеральное масло (теплоноситель);

3 – воздушный объём для компенсации расширения масла.

 

Масляные обогреватели или радиаторы представляют собой герметичный корпус, в котором электронагревателем нагревается теплоноситель – минеральное масло. Принцип действия основан на естественной циркуляции теплоносителя внутри корпуса. Вокруг нагревателя возникает нагретый слой масла, который, поднимаясь вверх, нагревает корпус, отдающий тепло окружающему его воздуху. Часть энергии уходит в помещение в виде теплового излучения. Оставшееся масло опускается вниз к нагревателю, процесс повторяется. Батареи имеют несколько ступеней регулировки по мощности нагрева и устройство автоматического отключения нагревателя.

В последнее время активно используются и появляются на рынке устройства, в которых собирается конвертор на базе 2-х или нескольких масляных радиаторов, т.е. роль экранов играет корпус батареи. Для ускорения процесса нагрева в части устройств применяют электровентилятор для принудительной вентиляции конвертора.

Тепловентиляторы – это устройства, обеспечивающие помимо циркуляции (перемещения) воздуха в помещении, еще и его подогрев. При определенных условиях и низких температурах воздух в помещении начинает расслаиваться, т.е. теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается к полу. Это приводит к дискомфортной ситуации, снижающей производительность труда на производстве из-за простудных заболеваний, вызываемых именно переохлаждением частей тела человека. Для перемешивания слоев воздуха и повышения его температуры используются тепловентиляторы, большинство из которых имеют устройство автоматического отключения нагревателя и вентилятора. Это позволяет в пожаробезопасном режиме поддерживать заданную температуру. Внешний вид промышленного тепловентилятора и схема его работы представлены на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Внешний вид тепловентилятора для ремонтных
работ в квартирах и схема его работы:

1 – корпус; 2 – вентилятор; 3 – электронагреватель.

 

Излучающие (радиационные, инфракрасные) приборы – камины, рефлекторы, предназначены для местного обогрева, направленным тепловым излучением. Поток тепла создается одним или несколькими нагревателями, концентрируются специальными отражателями и направляются на нагреваемый объект. Нагрев объекта происходит из-за поглощения электромагнитного излучения в инфракрасной области (потока тепла). Чистый воздух не нагревается, нагревается только объект (в т.ч. и человек).

Для помещений с очень высокими потолками, плохой теплоизоляцией и открытых площадок прогрев всего объема воздуха до комфортной температуры экономически очень невыгоден, а часто и невозможен. В этом случае также целесообразно использовать инфракрасные обогреватели.

Инфракрасные лучи способны проходить большие расстояния с минимальными потерями энергии. Именно поэтому данные приборы особенно эффективны для полного или выборочного обогрева:

· помещений с высокими потолками (закрытые стадионы, производственные помещения);

· локального обогрева (рабочие места в больших помещениях);

· обогрева открытых площадок (стадионы, открытые кафе).

Использование инфракрасных обогревателей позволяет достичь огромного энергосбережения по сравнению с другими способами обогрева больших помещений. Инфракрасные обогреватели являются единственным видом обогревательных приборов, позволяющим осуществлять зональный или точечный обогрев. В случае зонального обогрева в разных частях помещения могут поддерживаться режимы с разной температурой. Точечный обогрев достигается путем размещения приборов над отдельными рабочими местами без обогрева всего помещения, см. рис. 3.26.

Рис. 3.26. Схема работы инфракрасного  обогревателя
и распределение энергетической освещенности
в плоскости источника

В качестве источников теплового излучения инфракрасные обогреватели используют лампы накаливания, вольфрамовые нити, галогенные и карбоновые лампы, источником излучения которых является кварцевая колба, в которую непосредственно заключен нагревательный элемент.

Эффективность работы такого нагревателя зависит от спектра излучения и распределения теплового потока на радиационную и конвективную составляющие.

Наиболее эффективные по этим показателям - карбоновые нагреватели (с угольным нагревательным элементом, заключенным в кварцевую колбу с разреженным воздухом), спектр которых находится в наиболее благоприятном для человека диапазоне 2,5-13,5 нм, а радиационная составляющая теплового потока достигает, при максимальной мощности нагревателя, 78 %. Энергетическая освещенность точек пространства карбоновым нагревателем в три раза больше, чем спиральным вольфрамовым.

Конвекционные приборы (электро- или просто конвекторы) предназначены для нагрева воздуха и создания условий его быстрого нагрева. Принцип действия заключается в следующем: воздух, нагреваемый электронагревателем (или другим источником тепла), поднимается в пространстве ограниченном плоскостями конвектора. Поднимается он быстрее, чем в обычных условиях (за счет отсутствия потерь на завихрения и турбулизацию воздуха при движении), при этом отдаёт тепло ограничивающим поток воздуха поверхностям и в результате имеют место два механизма нагрева воздуха в помещении:

1. Активное перемешивание (конвекция) нагретого и холодного воздуха.

2. излучение тепла ограничивающими поток экранами.

Схема работы электроконвектора представлена на рис. 3.27.

Рис. 3.27. Схема нагрева воздуха электроконвектора:

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: