Структурная схема центральной системы холодоснабжения СКВ В структурной схеме СХС (рис. 1), как и в схеме СТС, три основных части: генератор — источник холода, обычно водоохлаждающая машина, а также охладитель жидкости, трубопроводы, арматура, баки, насосы и др., система транспортировки, связывающая источник, и потребители холода: воздухоохладители центральных СКВ, местные вентиляторные охладители, доводчики-охладители и др. Для классификации СХС СКВ выделяют три основных признака: способ получения холода, способ связи источника и потребителя, способ использования холода. По способу производства холода для СКВ различают использование природных источников (воды, льда), испарительное охлаждение воздуха с учетом психрометрической разницы ∆tН = tН– tНМ, искусственных источников холода (различные хладоны и хладоносители, комбинированные схемы охлаждения, использующие разные источники одновременно или поочередно). По способу связи источника и потребителя холода различают централизованное и местное холодоснабжение, последнее встроено в автономные кондиционеры [8]. По способу применения холода различают непосредственное использование (хладагента) или использование промежуточного хладоносителя (воды, рассола, льда). Приближенная классификация систем холодоснабжения СКВ Системы холодоснабжения СКВ при всем своем различии и многообразии можно различать по таким основным признакам: ❏ расчетной холодопроизводительности, составляющей от нескольких киловатт (комнаты, квартиры, небольшие офисы, кафе, объекты сферы обслуживания населения и др.) до сотен и тысяч киловатт (отдельные многоэтажные здания и их комплексы, многофункциональные здания, производственные цеха и др.); ❏ типу применяемых холодильных машин (и компрессоров): поршневых, винтовых, спиральных, центробежных, абсорбционных, воздушных, термоэлектрических; ❏ по способу управления холодопроизводительностью: изменением оборотов двигателя компрессора, перепуском хладона с возвратом после ТРВ, отключением цилиндров, отключением компрессоров, отключением части хладоновых контуров, управлением направляющим аппаратом в турбокомпрессорах и др.; ❏ по схемным решениям СХС, в частности по аккумуляции холода: с баком-промежуточной емкостью, баком-аккумулятором холодной воды, баком-льдоаккумулятором (со специальным погружным испарителем); ❏ открытой или закрытой СХС; ❏ системам на основе хладонов или хладоносителей; ❏ по виду холодоносителей и хладонов (рис. 2), которые можно разделить на природные (естественные) и искусственные; ❏ по специальным требованиям объекта к одновременному или поочередному использованию холода и теплоты (режим теплового насоса и др.) с учетом сезонных и годовых нагрузок объекта при разных условиях, температурах tн, в рабочее и нерабочее время, к температуре и виду хладоносителя и др.; ❏ по типу аппаратов: поверхностных или контактных (смесительных) для охлаждения–осушения обрабатываемого воздуха; ❏ по способу соединения бака-аккумулятора и нагрузки с холодильной машиной: параллельному или последовательному. Существуют и другие разновидности СХС, но они менее существенны. Сравнительные особенности хладонов и хладоносителей в СХС СКВ При выборе принципиальных решений СХС и типа хладоносителя нужно принимать во внимание многочисленные особенности каждого из них. Хладоны по сравнению с промежуточными холодоносителями: ❏ имеют более низкую температуру кипения и при прочих равных условиях обеспечивают более глубокое охлаждение–осушение воздуха (это важно например, если в помещении с тепло-влаговыделениями требуется поддерживать невысокую относительную влажность φВ = 30–50%), см. табл. 1 [5]; ❏ не влияют на здание и его конструкции при авариях и утечках; ❏ теплосъем с единицы массы при кипении F22, F142 (tкип = 5°C) составляет q = 210–220 кДж/кг; ❏ не позволяют изменять температуру поверхности tF в каждом аппарате при постоянной tкип, разве что при циклическом управлении; ❏ позволяют управлять процессом охлаждения-осушения в релейном и непрерывном режимах; ❏ предъявляют очень жесткие требования к качеству монтажа и герметичности фреонопроводов и их теплоизоляции, места утечек трудноопределимы; ❏ позволяют использовать аппарат для нагрева в режиме теплового насоса; ❏ невозможно обеспечить строго требуемое направление процесса охлаждения–осушения воздуха: в хладоновом воздухоохладителе; ❏ невозможно применение схем СХС с аккумуляцией холода в емкостях с учетом суточной и сезонной неравномерности потребления холода в объекте. Хладоносители — вода и рассолы— имеют такие особенности: ❏ более высокая, но управляемая температура хладоносителя, чем у хладагента; ❏ теплосъем с единицы массы при ∆tW = 1°C, q = cW∆tW = 4,19 кДж/кг, у рассолов меньше; ❏ возможность использования аппарата для попеременного охлаждения или нагревания воздуха, впрочем, этим качеством обладают и центральные VRV-системы холодоснабжения с переменным расходом хладона; ❏ возможность обеспечения разных tWсм, режимов охлаждения и разных (переменных) значений ξВО; ❏ возможность применения холодной воды в контактных аппаратах; ❏ возможность аккумуляции холода, снижения расчетной холодопроизводительности при такой аккумуляции тепла, снижения капитальных затрат и использования «ночного» тарифа; ❏ дополнительный эффект снижения расхода жидкости при tWH < tWсм в 2–3 раза в зависимости от условий; ❏ использование бака в режимах одновременного потребления теплоты и холода; ❏ сравнительное удобство трансформации схемы, добавлений и изменений в ней; ❏ легко определяемые места утечек воды в системе холодоснабжения, но опасность «залить» нижерасположенные помещения при авариях; ❏ ограниченность глубокого охлаждения–осушения воздуха водой, и то, впрочем, достигается рассолами tЖН > –10°C; ❏ дополнительный контур преобразования (передачи) холода от хладона к хладоносителю и лишняя мощность, используемая в этом контуре; ❏ уменьшение или исключение дополнительного расхода холода на осушение воздуха в помещениях при использовании местных доводчиков; ❏ хорошо запроектированная и смонтированная СХС с промежуточным хладоносителем обычно надежнее и долговечнее системы с непосредственным кипением хладона. Для эффективного использования природных (естественных) источников холода — артезианской воды, водопроводной воды, испарительного охлаждения воздуха за счет разности tН – tНМ, льда, почвы и др. нужно учитывать такие соображения: ❏ совпадение или несовпадение во времени источника и режима его использования (периода года, месяца, времени суток и т.п.); ❏ достаточность потока холода, массы и температурного уровня для использования в СКВ при охлаждении–осушении воздуха; ❏ выполнение термодинамических условий, например условия поддержания в помещении tВ ≤ tВдоп, а также φВ ≤ φВдоп при использовании данного способа охлаждения–осушения. Предельным при допустимых сочетаниях параметров воздуха (tВ = 28°C; φВ = 65%) можно считать значение iНМ = 60 кДж/кг (иначе tНМ = 21°C) для использования испарительного охлаждения наружного воздуха. Мы предлагаем комплексно учитывать этот эффект, как произведение часо-градусов психрометрической разности температур tН – tНМ в теплое время года в данном пункте; для Москвы оно составляет примерно 800 (ч•°C)/год, тогда как в городах Средней Азии эта величина около 2000 (ч•°C)/год. Приведенное перечисление сравнительных достоинств и недостатков хладоносителей и хладонов скорее приведет читателя в уныние, чем поможет выбрать тот или иной носитель. Поэтому на практике из множества «плюсов» и «минусов» выбирают только главные и, ориентируясь на них, а также на реальное качество монтажа, делают выбор. Опыт специалиста должен помочь ему выбрать наиболее важные качества. Влияние начальной температуры хладоносителя на СХС СКВ Очень важной характеристикой системы холодоснабжения является температура воды после испарителя tWH, зависящая от температуры кипения tкип и холодильного цикла. С другой стороны потребители (аппараты СКВ, местные вентиляторные доводчики) предъявляют свои требования к температуре воды в зависимости от протекающих процессов (охлаждение, охлаждение– осушение, устранение конденсации водяного пара из рециркуляционного воздуха и исключение лишнего расхода холода). Поэтому для охладителей кондиционера может потребоваться tWсм = 5–7°C, а для местных рециркуляционных доводчиков-охладителей tWсм ≈10–12°C в зависимости от φВ и tНМ в помещении. Чем более холодная вода подается в аппарат, тем меньше его эффективность θВ, расчетный расход холодной воды, поверхность и рядность аппарата. На рис. 3 показаны основные комплексные зависимости, характеризующие систему холодоснабжения при разных температурах холодной воды tWH или рассола. При потребителях, требующих разную температуру tWH для центральной СХС, выбирают наинизшую, а в объектах, требующих постоянной влажности и зимой при влаговыделениях и десорбции стен (в старинных музеях, культовых объектах, исторических зданиях), для осушения воздуха требуется не вода, а рассол. Комплексный характер взаимосвязанных зависимостей на рис. 3 не позволяет сделать единого, пригодного для всех случаев вывода. Многое зависит от условий объекта и средств заказчика. С понижением tWH стоимость одной и той же водоохлаждающей машины не меняется, но сокращается объем бака-аккумулятора, сечения трубопроводов, растет эффективность осушения, снижается требуемая эффективность (поверхность, рядность) воздухоохладителей центральной СКВ. Если за получаемый холод принять относительный комплекс: Сравнение поверхностных воздухоохладителей с контактными Охлаждение–осушение воздуха можно производить не только в поверхностных, но и контактных аппаратах, например камерах орошения с форсунками, желательно грубого распыла, что уменьшает влияние испарения в воздух мелких капель и его доувлажнения. Каждый из этих аппаратов имеет свои многочисленные особенности, но сравнивать их не будем, потому что по ряду причин такие камеры орошения сейчас выпускаются ограниченно и только для изоэнтальпийного увлажнения. Сравнительные возможности камер орошения отечественных конструкций по отношению к поверхностным воздухоохладителям можно оценить по графику рис. 4. При его разработке принимали, что в обоих аппаратах обеспечивается одинаковое конечное состояние при равных расходах воздуха, хладоносителя и температуре холодной воды tWH. Нельзя забывать, что в аппаратах другой конструкции результат аналогичного сравнения будет другим. Исследования Б.И. Бялого убедительно показали, что можно прогнозировать характеристики процессов охлаждения–осушения в реально выпускаемых камерах орошения и известных характеристиках форсунок на основе известного коэффициента изоэнтальпийного (адиабатического) увлажнения [1–4]. Мы в нашем цикле к этому еще вернемся, а пока нетерпеливому читателю предложим самому разобраться по литературным источникам. Результат будет весьма интересным: камеру орошения для увлажнения воздуха можно использовать при некоторой реконструкции для его охлаждения– осушения в теплый период года. В этом случае поверхностный воздухоохладитель оказывается избыточным. Низкая относительная влажность, глубокое осушение обрабатываемого воздуха, достигаемое низкой температурой охлаждающей воды (tWH = 3–4°C) и рассолов (tЖН = 0...–10°C), требуется согласно данным [5] в производствах, указанных в табл. 1. Механизм инееобразования в поверхностных воздухоохладителях Для глубокого осушения воздуха в СКВ и поддержания низкой влажности в помещении применяются рассолы; в этом случае при охлаждении влажного воздуха на оребренной поверхности с отрицательной температурой образуется слой инея. Инееобразование меняет характер течения воздуха через аппарат, изменяет состояние наружной поверхности теплообмена, создает дополнительное термическое и аэродинамическое сопротивление. Увеличение слоя инея и изменение его теплофизических свойств приводит к нестационарному характеру процесса тепломассообмена в охладителе. Знание закономерностей инееобразования [6] (рис. 5) является обязательным при проектировании подобных эффективных охладителей– осушителей воздуха и выборе оптимальных условий их эксплуатации. Большинство исследований процесса инееобразования носит экспериментальный характер, а их результаты — частный характер. Скорость роста инея является важнейшим параметром для расчета процесса и выбора шага ребер и режима оттайки. Вывод: cовременные системы холодоснабжения центральных и автономных СКВ требуют подробного и детального изучения с целью повышения эффективности их применения и эксплуатации в промышленных и гражданских зданиях.
1. Б.И.Бялый.Обобщенные характеристики центробежных форсунок кондиционеров воздуха. — Вентиляция и кондиционирование воздуха. Рига,РПИ,1983. 2. Б.И.Бялый. Прогнозирование теплотехнических характеристик горизонтальных камер орошения. — Вентиляция и кондиционирование воздуха. Рига,РПИ,1983. 3. Б.И.Бялый, А.В.Степанов. Прогнозирование теплотехнических характеристик камер орошения центральных кондиционеров.— Кондиционеростроение. Вып. 12, ВНИИ кондиционер, Харьков, 1983. 4. Б.И.Бялый.О взаимосвязи коэффициентов эффективности адиабатического и политропического процессов тепловлажностной обработки воздуха.Процессы теплообмена в сжиженных и отвердевших газах. — Киев: «Наукова думка», 1980. 5. В.Н. Богословский, А.И.Пирумов, В.Н.Посохин и др. Внутренние санитарно-технические устройства. ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1.Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И.Шиллера.Изд. 4, перераб. и доп. — М.: «Стройиздат», 1992. 6. А.А.Поляков, В.А.Канаво.Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений (экономия топлива и электроэнергии). М.: «Стройиздат», 1989. 7. А.А.Рымкевич. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха.— Изд. 1, М.: «Стройиздат» 1990; Изд. 2. С-Пб. 2003. 8. А.Г.Сотников.Автономные и специальные системы кондиционирования воздуха. С-Пб.:AT-Publishing, 2005, 240 c.
