Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 6 страница

Рис. 63. Устройство подземного ввода газопровода через фундамент

 

 

В системах газоснабжения имеются соответствующая регулирующая и предохранительная арматура.

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

При изучении отопительных систем было установлено, что основной целью является поддержание требуемого (нормируемого) значения температуры воздуха в помещениях. В большинстве случаев (особенно при панельном и лучистом отоплении) нормируется и температура внутренних поверхностей ограждений.

Вентиляция в зданиях и сооружениях предусматривается для подачи свежего наружного воздуха и удаления воздуха, загрязненного продуктами жизнедеятельности и различными примесями, сопровождающими технологические процессы. В том случае, когда с помощью вентиляционных установок и систем поддерживается и заданное значение температуры воздуха в холодное время года, говорят о воздушном отоплении.

Кондиционирование воздуха включает все перечисленные функции и, кроме того, за счет использования искусственного или естественного холода обеспечивает удаление из помещений избыточной теплоты в теплое время года.

Понимание сущности процессов вентиляции и кондиционирования воздуха основано на знании некоторых термодинамических закономерностей.

Термодинамические уравнения влажного воздуха

В системах вентиляции и кондиционирования воздуха используется, как правило, атмосферный воздух, представляющий собой смесь сухой части и водяного пара. Основными компонентами сухой части являются азот (78 % по объему), кислород (21 %), инертные газы (около 0,96 %) и углекислый газ (0,03 – 0,04). Количество водяного пара в воздухе существенно переменно: его достаточно много в воздухе летом и очень мало зимой. Тем не менее водяной пар всегда присутствует в воздухе, а потому в системах вентиляции и кондиционирования приходится иметь дело с влажным воздухом.

В расчетах влажный воздух с достаточной для практики точностью можно считать идеальным газом и распространять на него закономерности, справедливые для таких газов.

Известно, что смеси идеальных газов подчинятся закону Дальтона, в соответствии с которым сумма парциальных давлений компонентов смеси равна общему давлению. Атмосферный воздух находится под атмосферным давлением В. Тогда

, (33)

где - парциальное давление сухой части воздуха;

- парциальное давление водяного пара;

Если далее воспользоваться уравнением состояния идеальных газов, то для сухой части можно написать:

, (34)

где - масса сухого воздуха, кг;

- объем, занимаемый воздухом, ;

- газовая постоянная сухого воздуха, Дж/кг К;

Т - температура по абсолютной шкале, К.

Известно, что плотность , а 1/ есть не что иное, как удельный объем . Тогда

(35)

При температуре 0 °С и B = 760 мм РТ. ст. =1,293 кг/ ,

а величина = 287 Дж/кг К(29,27 м (°С)).

Важной характеристикой сухого воздуха является энтальпия (теплосодержание) . Обычно её отсчитывают от 0°С. Тогда , (4)

где - удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении, 1,0 кДж/кг К/0,24 ккал /кг °С.

Для водяного пара по аналогии с (3) можно написать

, (36)

где -парциальное давление водяного пара;

- газовая постоянная водяного пара.

Величина газовой постоянной водяного пара =461 кДж/кг К=47,06 м/°С. Удельная теплоемкость водяного пара =1,8 кДж/кг К=0,46 ккал/кг °С.

Пар может находиться в воздухе в насыщенном или перегретом состоянии. В насыщенном состоянии он имеет ту ж температуру , что и вода, с поверхности которой он испаряется. В перегретом состоянии его температура t равна температуре воздуха и, кроме того, t > .

Энтальпия насыщенного водяного пара слагается из энтальпии воды при и удельной теплоты испарения r:

,

где - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/кг К или I ккал/кг °С.

Удельная теплота испарения зависит от температуры и определяется по формулам:

, кДж/кг;

, ккал/кг.

Тогда .

Энтальпия перегретого водяного пара, находящегося в воздухе при температуре t, может быть представлена суммой энтальпии насыщенного пара и дополнительной теплоты, потребной для его перегрева:

, кДж/кг; (37)

или ккал/кг (38).

В связи с тем, что в воздухе всегда присутствует водяной пар, необходимо уметь оценивать это присутствие количественно. Осуществляют такую оценку чаще всего с помощью двух величин: относительной влажности и влагосодержания d.

Относительная влажность есть отношение концентрации водяного пара, содержащегося во влажном воздухе рассматриваемого состояния, к концентрации насыщенного пара при той же температуре.

Концентрация водяного пара является его плотностью и тогда …= (39).

Относительную влажность удобно выражать через отношение парциальных давлений пара. Написав уравнения состояния для пара двух рассматриваемых состояний получим

(40)

(41),

а затем поделив (40) на (41), получим

Следовательно = (42)

Влагосодержанием d называется количество (масс) водяного пара, приходящееся на единицу массы сухой части воздуха. размерность влагосодержания г/кг/кг/кг. Относительная влажность в свою очередь измеряется в процентах или долях.

Относительной влажностью пользуются, характеризуя гигиенические и технологические качества воздушной сферы. Влагосодержание выступает, как правило, в качестве параметра, чрезвычайно удобного и наглядного в расчетах по вентиляции и кондиционированию воздуха.

Влагосодержание и относительную влажность можно связать уравнением, играющим важную роль в термодинамических расчетах с влажным воздухом. Получим это уравнение. Для этого запишем вначале уравнение состояния (5) применительно к количеству водяного пара, приходящегося на 1 кг сухой части воздуха, то есть d

(43)

и поделим (3) на (12):

Отсюда d =

Отношение . Тогда с учетом (1) и (2) получим (44)

Если влагосодержание измеряется в граммах, то

. (45).

При выполнении термодинамических расчетов необходимо уметь вычислять энтальпию влажного воздуха, которая определяется зависимостью: .

Если теперь воспользоваться (4), (6) и (7), можно получить (46)

или . (47)

Полученные выше уравнения позволяют производить различные расчеты, связанные с изменением состояния влажного воздуха, в частности, получать значения остальных параметров по известным (не менее двух).

Пример. Состояние влажного воздуха задано температурой t = 15°С

и относительной влажностью = 60 °С.

Определить парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпию.

Решение. Парциальное давление насыщенного водяного пара при той ил иной температуре находят по специальным таблицам.

Для t = 15 °С – 17,049 ГПа.

Тогда парциальное давление водяного пара

Рn = = 17,049 x 0.6 = 10.229 ГПа.

Влагосодержание вычисляем по формуле (13)

Энтальпия определяется по формуле (15):

кДж/кг.

Y-d диаграмма влажного воздуха

Полученные выше уравнения позволяют проводить самые различные расчеты, однако, требуют выполнения многочисленных вычислений и не отличаются наглядностью. Очень удобной оказалась предложенная в 1918 г. профессором Петроградского политехнического института Л. К. Рамзиным Y-d диаграмма влажного воздуха, которая устраняет отмеченные выше недостатки, имеющие место при пользовании системой уравнений. На рис. 64 изображена

Y-d диаграмма. Не останавливаясь подробно на ее построении, заметим только, что на вертикальной оси в соответсвующих масштабах откладываются энтальпия Y и температура t, а наклонная ось является осью влагосодержания d.

Рис. 64

Линии Y = const таким образом параллельны оси d, а направление изотерм определяется положением прямой t = 0, и они либо почти горизонтальны, либо имеют небольшой наклон к горизонтальной оси. В принципе направление линии t = 0 определяет выбор угла наклона оси d. В координатах Y-d линии = const изображаются семейством кривых, а линия Pn = f(d) представляет собой наклонную прямую, проведенную из точки d=0. масштабная линейка для Pn откладывается обычно справа от линии Pn = f(d).

Рассмотрим теперь порядок отыскания параметров воздуха по известному положению на Y- d диаграмме точки А, характеризующей его состояние. Этот порядок иллюстрируется на рис. 65.

Рис 65.

Как видно на рис. 65 с помощью Y- d диаграммы можно отыскать восемь параметров, характеризующих состояние воздуха:

- энтальпию ;

- влагосодержание ;

- относительную влажность ;

- температуру ;

- парциальное давление водяного пара в воздухе ;

- парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре

- ;
- температуру точки росы ;

- температуру смоченного термометра .

Последние два параметра нуждаются в пояснениях.

Под температурой точки росы понимают такую температуру, при которой количество водяного пара, находящегося в воздухе, становится насыщенным. Такое определение делает очевидным порядок отыскания температуры точки росы на Y- d диаграмме: необходимо опуститься по линии d = const до кривой насыщения = 1 и определить температуру, соответствующую точке пересечения названных линий.

Температура точки росы - очень важный термодинамический параметр. При контакте влажного воздуха с поверхностями, имеющими температуру ниже , на них из воздуха выпадает конденсат. Последнее обстоятельство широко используется в установках кондиционирования для осушения воздуха.

Температура смоченного термометра представляет собой параметр термодинамического равновесия жидкости (воды) и газ (воздуха) при их контакте. Нетрудно сказать, что этим параметром является температура точки пересечения изоэнтальпы, соответствующей состоянию воздуха, с кривой насыщения (рис. 65). Измеряется эта температура термометром, термочувствительный элемент которого смачивается чаще всего с помощью влажной ткани. Отсюда и название параметра.

Важность температуры смоченного термометра определяется тем, что при обработке воздуха водой, рециркулирующей в аппаратах, где имеет место непосредственный контакт воды с обрабатываемым воздухом, последний точно так же, как и вода, стремится принять температуру , т. е. процесс изменения его состояния характеризуется линией Y = const. При этом воздух увлажняется и охлаждается. Такие процессы называются процессами адиабатного (так как Y = const) увлажнения воздуха и широко используется в технике вентиляции и кондиционирования воздуха по причинам своей простоты, экономичности и отсутствия потребности в искусственном холоде.

Для того, чтобы изобразить на Y-d диаграмме точку, характеризующую то или иное состояние влажного воздуха, необходимо знать два параметра, не выражающиеся друг через друга (t- , t-Y, Y-d и др., но не d- , d-Pn). Процессы нагревания и охлаждения воздуха изображаются на диаграмме прямыми вертикальными линиями, парллельными оси J (рис. 66)

Рис. 66.

При этом количество теплоты Q, подведенное к воздуху или отведенное от него, при количестве последнего (в килограммах) легко определить из очевидных уравнений:

(49)

 

или

(50)

 

При изменении и влагосодержания (например, процесс на (рис. 66) использование формулы (49) исключается, так как она приводит к недопустимым погрешностям.

Довольно часто в вентиляции и кондиционировании приходится сталкиваться со смешением двух и более количеств воздуха. Процессы смешения (для простоты - двух количеств) изображаются Y-d диаграмме прямой линией, соединяющей точки, характеризующие состояние количеств воздуха, участвующих в смешении (рис.64).При этом параметры смеси (точки С) находят из соотношения

т. е. точка смеси С делит прямую АВ на отрезки, длина которых обратно пропорциональна количествам воздуха, участвующим в смешении (рис. 64)

Не следует думать, что Y-d диаграмма является единственным способом графической интерпретации термодинамических уравнений влажного воздуха. В США, Австралии, в меньшей степени в странах Европы для расчетов и изображения процессов изменения состояния воздуха используется психрометрические диаграммы. Они менее удобны, чем Y-d диаграмма, но в силу традиций применяются в тех странах фирмах, где впервые получили применение.

Более подробно с процессами изменения состояния воздуха будет необходимо ознакомиться при рассмотрении различных способов его обработки в установках кондиционирования.

4. 1 ТРЕБОВАНИЯ К ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ПОМЕЩЕНИЙ

Воздушная среда помещений должна удовлетворять требованиям, которые предъявляются, во-первых, людям, находящимися в них, во-вторых, осуществляемыми в помещениях технологическими процессами, работающим оборудованием, хранящимся имуществом. Первые принято называть санитарно-гигиеническими, вторые - технологическими.

Санитарно-гигиенические требования к воздушной среде зависят в основном от характера деятельности людей в помещении. У нас в стране уровень санитарно-гигиенических требований постоянно растет.

Технологические требования определяются характером технологических процессов, степенью точности изготовления различных видов изделий, условий хранения тех или иных видов имущества, предметов искусства и т. д, причем они также не остаются незменными и совершенствуются по мере совершенствования технологии, появления новых технологических процессов, оборудования. Это в первую очередь относится к современным производствам: радиоэлектронике, вычислительной технике, производству оптических приборов, кино и фото - пленки, большинства видов синтетических волокон, некоторых видов продукции текстильной промышленности и т. д.

Заметим, что не всегда санитарно-гигиенические и технологические требования совпадают. В таких случаях задача обеспечения приемлемых для людей условий воздушной среды существенно усложняется.

Все факторы воздушной среды действуют на человека и оборудование комплексно. Однако их можно подразделить на следующие основные группы:

- требования к газовому составу воздуха – регламентируют различные отклонения в содержаний основных газов, входящих в состав воздуха;

- требования к чистоте воздуха – определяют содержание в воздухе различных посторонних примесей (твердых или жидких частиц, газов, паров, микроорганизмов);

- требования к метеорологическим параметрам воздуха (к микроклимату помещений). Под метеорологическими параметрами понимают температуру, влажность, скорость движения (подвижность). Все эти факторы воздействуют совместно с так называемым радиационным фактором - температурой поверхностей ограждений, мебели, оборудования.

Перечисленные выше требования достаточно подробно излагаются в различных общегосударственных и ведомственных нормах, основными из которых являются:

- Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий (СН-245-71);

- ГОСТ 12.1.005-76. Воздух рабочей зоны промышленных предприятий;

- Строительные нормы и правила (СНиП 2.04.05-84. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха).

В некоторых случаях нормируются степень ионизации воздуха, запахи.

 

Требования к газовому составу воздуха.

Из всех газов, составляющих воздух, важнейшими для жизнедеятельности людей являются кислород и углекислый газ. Они принимают участие в газообмене человека с окружающей средой, который осуществляется главным образом в легких в процессе дыхания. Процесс дыхания сопровождается выделением теплоты (метаболизм) и углекислого газа и поглощением кислорода. Наилучшие условия для усвоения кровью кислорода имеют место при его парциальном давлении 160 мм рт. ст., что при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. соответствует нормальному процентному содержанию кислорода в атмосферном воздухе, т. е. 21 %.

Благодаря способности человеческого организма приспосабливаться, нормальное дыхание может наблюдаться и при меньшем содержании кислорода. Если уменьшение содержания кислорода происходит за счет азота и инертных газов, то возможно значительное, до 12 % уменьшение его количества.

Однако в помещениях с пребыванием людей снижение доли кислорода происходит з счет нарастания концентрации углекислоты. Поэтому в нормативных документах эта доля не допускается ниже 17 – 18 % по объему.

Количество углекислого газа () в атмосфере постоянно растет. Связано это в первую очередь со сжиганием органического топлива и ростом промышленного производства. Если в начале века его содержание соответствовало 0,03 %, то теперь оно составляет около 0,035 %. В воздухе крупных городов его обычно больше. Для расчетов принимают содержание в атмосферном воздухе 0,04 %.

В воздухе помещений без каких-либо вредных последствии могут быть допущены концентрации углекислого газа, существенно превышающие 0,04 %. При кратковременном пребывании людей в помещениях с концентрацией 1 – 2 % каких-либо нарушений в организме, как правило, не наблюдается.

В помещениях жилых и общественных зданий в качестве нормативных можно принять следующие концентрации углекислого газа: при постоянном пребывании людей – 0,1 (жилые помещения) и 0,07 % (лечебные и детские учреждения); в помещениях с периодическим пребыванием людей (учреждения, учебные заведения) – 0,125; в помещениях с кратковременным пребыванием людей (кинотеатры, концертные залы и т. п.) – 0,2 %.

Требования к чистоте воздуха

Посторонние примеси у воздуху принято называть вредностями. Наибольшее количество вредностей, как правило, поступает в воздух производственных помещений. Полное их устранение из воздуха не всегда возможно в основном из-за ограниченных технических возможностей средств очистки воздуха. Поэтому часто приходится допускать присутствие в нем некоторого количества вредностей, но не более так называемых предельно-допустимых концентраций (ПДК). Концентрация вредных веществ определяется обычно в мг/ . В качестве нормативной ПДК той или ной вредности применяется такая ее максимальная концентрация, при которой даже после длительного воздействия на людей не возникает каких бы то ни было объективных признаков ухудшения их самочувствия и здоровья.

Не останавливаясь на описание вредностей (их более 5000), встречающихся в помещениях различного назначения, дадим только краткую характеристику пыли.

Минеральная и органическая пыль - самая распространенная вредность, встречающаяся в самых различных помещениях. Если пыль составляет токсические вещества, то ее ПДК ими и определяется.

Но даже если пыль не ядовита – она вредна, так как обладает фиброгенным действием, связанным с прониканием в легкие и повреждением весьма нежной легочной ткани.

В помещениях общественных зданий предельно-допустимые концентрации пыли колеблются от 0,15 до 2,0 мг / . Меньше значения относятся к детским и лечебным учреждениям. Особой очистке подвергается воздух, подаваемый в хирургические отделения больниц.

Требования к метеорологическим параметрам воздушной среды.

Создание поддержание в помещениях с требуемой степенью точности наперед заданных метеорологических параметров воздуха в помещениях является важнейшей задачей систем кондиционирования. Требования к этим параметрам вырабатывается на основе изучения энергетических балансов человеческого организма и теплообмена между телом человека и окружающей его средой.

Тепловая энергия, вырабатываемая в организме за счет так называемого метаболизма, т. е. биологических процессов, которые ведут к образованию теплоты, тратится главным образом на поддержание температуры тела на определенном уровне (около 37 °С). Последняя в значительной степени зависит от теплопередачи с поверхности тела, которое целиком определяется условиями окружающей среды.

Тепловой баланс человек - окружающая среда принципиально выглядит так, как на формуле:

, (51)

где М – теплопродукция, или полное количество теплоты, вырабатываемое в организме за счет метаболизма;

- теплота, отдаваемая от поверхности тела конвективным путем;

- теплота, отдаваемая в окружающую среду излучением;

- расход теплоты на испарение влаги с поверхности кожи и легких;

- расход теплоты на работу, совершаемую человеком;

- теплота, необходимая для нагревания вдыхаемого воздуха;

- избыток или недостаток теплоты в организме.

и в правой части управления всегда положительны.

Знак остальных членов определяется метеорологическими условиями воздушной среды. При этом обязательным для удовлетворительного состояния человека является равенство = 0. Но даже тогда, когда это равенство имеет место хорошее самочувствие (состояние комфорта) наблюдается лишь при условии, если организму не приходится напрягать механизм терморегуляции.

Одинаковое тепловое состояние человека может иметь место при различных комбинациях метеорологических параметров. Например, повышение температуры воздуха может компенсироваться ротом подвижности (скорости) воздуха. Возможны и другие комбинации.

Тепловые ощущения людей зависят и от психологической нагрузки, характера выполняемой работы, возраста, индивидуальных особенностей. Но в среднем для большинства можно получить общие закономерности, отражающее сознательное состояние, когда тепловой комфорт или дискомфорт определяет не только ощущения, но и работоспособность.