Табл. 1. Размеры КВУ-С
Габаритные размеры КВУ-С (к таблице)
С уществует несколько основных проблем в работе приточных установок, вызванных крайне низкими температурами. Степень влияния каждой проблемы проявляется только после определенной температуры. Рассмотрим несколько основных проблем, возникающих при использовании оборудования в условиях ниже –30°С.
Смерзание лопаток воздухоприемного клапана
Строго говоря, смерзание лопаток происходит только благодаря наличию избыточной по сравнению с уличной влажности внутреннего воздуха. При идеальной ситуации, когда нет выделений влаги внутри помещения от деятельности людей или технологии, клапан не может обмерзать.
Критический для начала обмерзания лопаток уровень влаги внутри помещения — 0,24 г/кг при tул = –30°С, что соответствует 1,6% влажности при +20°С, но уже для –40°С на улице критическое значение меньше в три раза — 0,08 г/кг или 0,5%. Чтобы почувствовать, насколько это мало, представьте, что это соответствует концентрации влаги после испарения воды, вылитой на пол из стакана 250 г в помещении цеха площадью 300 м2 с потолками 10 м высотой. При –50°С уровень предельно допустимой влажности падает еще в 4 раза до 0,02 г/кг.
Таким образом, в закрытом состоянии клапан смерзается за счет вымораживания естественной влажности из воздуха внутреннего объема помещения, достигающего клапан по воздуховодам, при отключенном вентиляторе. Обеспечить осушку воздуха невозможно и даже вредно для работающих людей и оборудования, в частности, появляется риск разряда статического электричества, выводящий из строя электронное оборудование.
Решение данной проблемы — Мод-01 северного исполнения КЦКП-С, предлагаемого для использования в составе приточных камер эксплуатируемых при температурах до –40°С.
К стандартному набору блоков КЦКП — фильтр/нагреватель/вентилятор — поставляется специальный клапан КВУ-С, который отличается следующими особенностями конструкции:
- подогреваемые ТЭНами примыкания лопаток;
- ТЭНы спрятаны в лабиринтном замке лопаток, что уменьшает время прогрева;
- размер клапана, кроме аналогичных устаревшим КВУ, имеет еще 12 новых значений, представленных в табл. 1;
- оси лопаток клапана имеют латунные втулки скольжения вместо пластиковых;
- лопатки изготовлены из алюминия (!), что полностью исключает коррозию;
- передача усилия вращения на лопатки происходит через тяги, а не пластиковые шестерни, трескающиеся при использовании ниже –30°С;
- привод клапана оснащен специальным греющим элементом, автоматически активирующимся для работы на нагрев при температуре ниже –30°С;
- для работы привода клапана в неотапливаемых помещениях дополнительно устанавливается подогреваемый бокс.
Превышение диапазона регулирования производительности водяных нагревателей
Такой сложной формулировкой описывается наиболее частая причина размораживания нагревателей. По этой же причине сложилось мнение, что использовать водяные калориферы в северных условиях тяжело или невозможно.
Радикальные попытки решения проблемы размораживания полным переходом на электрический нагрев или незамерзающий теплоноситель — решения очень дорогие и не всегда доступные. Если не брать крайние случаи, такие как авария на объекте с полным отключением тепла или электропитания, причина разморозок в следующем.
Температурный график теплоносителя, подаваемого от источника тепла (котельной или ТЭЦ) должен линейно зависеть от уличной температуры, но в действительности график имеет так называемую «срезку» в зоне предельных значений. То есть когда нагревателю нужен максимально горячий теплоноситель, его температура уже не может расти, более того она снижается из-за превышения тепловой нагрузки на нагревателе над мощностью источника тепла.
Решая эту проблему простым завышением греющей поверхности, пользователь олучает перегрев воздуха при «теплой» погоде –(5–0)°С. Именно в это время года (весна/осень) происходит основная масса аварий.
В каждом регионе есть своя температура «срезки», обычно от –20 до –35°С. Решение описанной проблемы — это обеспечение предварительного нагрева воздуха до температуры «срезки», после чего регулирование основного нагревателя становится устойчивым и безопасным. В исполнении КЦКП-С Мод-02 разработаны специальные блоки предварительного нагрева воздуха.
В состав блоков входит уже рассмотреный клапан КВУ-С, а также дополнительный электрический или гликолевый предварительный нагреватель. Для работы гликолевого нагревателя также поставляется специальный теплообменник вода — гликоль, циркуляционный насос и регулирующий клапан. Работой предварительной ступенью нагрева может управлять штатная автоматика приточной камеры.
Мощность, требуемая для работы предварительного нагревателя, в 3–5 раз ниже всей нагрузки, соответственно затраты на обвязку нагревателя также ниже.
Повышенный перепад давлений воздуха внутри и снаружи здания
Данный перепад давления может быть вызван ветром, значительной разницей в плотности воздуха снаружи и внутри не из-за низкой температуры, а в том числе большой высоты здания.
Высотные здания, выше 100 метров с расположением оборудования вентиляции на последнем этаже уже попадают в данную категорию задач. В условиях Приполярья возникают постоянные ураганы со скоростью ветра значительно выше 100 км/ч; кроме того, при низких температурах плотность уличного воздуха отличается более чем в 1,5 раза от внутренней и составляет более 1,7 кг/м3 при –70°С.
При таком воздействии воздуха, изнутри или снаружи, на приемный клапан КВУ-С давление может превышать 2000 Па. Гарантировать в таких условиях абсолютную герметичность системы и даже механическую жесткость, особенно при больших размерах клапана, уже нельзя.
Для повышения герметичности на выходе блока предварительного нагрева устанавливается второй отсечной клапан. Такое конструктивное решение заложено в КЦКП-С Мод-03. Габариты и состав блока аналогичны Мод-02, плюс установлен второй клапан КВУ-С.
Размораживание нагревателей вследствие аварийных условий
Несмотря на защитную автоматику, полностью застраховаться от разморозки не всегда возможно, в частности, приточные установки большой мощности — от 50 тыс. до 5 млн м/ч — слишком дорого переводить на гликоль или электронагрев. Кроме этих примеров есть случаи, когда решение должно быть максимально простым и надежным, даже при высокой стоимости.
Такое решение найдено — это неразмораживаемый теплообменник НТО-243. Испытания данной конструкции проводились с 2002 по 2004 гг., в настоящее время конструкция запатентована заводом «Веза». Принципы проектирования и расчета отличаются от стандартного теплообменника ВНВ-243, поэтому осуществляются только на заводе.
Секрет сохранения конструкции от разрушения довольно прост. При замерзании воды в трубках калорифера лед образуется в начале только на стенках трубок, постепенно закрывая проход. Давление, нарастающее внутри трубок, может достичь критических значений — 200–250 атм, после чего давление воды, а не льда, разрывает трубки.
При сбросе давления в специальную систему лед постепенно заполняет весь объем трубок, не вызывая разрушений калорифера. Необходимая система отведения избыточного давления и сброса обратно в тепловую сеть и является основой новинки НТО-243. Испытания конструкции проводились на специально построенном лабораторном стенде в течение двух зим.
Серии из многократно повторенных циклов размораживание/оттаивание показали полную надежность решения НТО-243. Данное решение — безусловный эксклюзив среди всех водяных калориферов, их производство тысячами или сотнями в месяц невозможно по технологическим ограничениям. Тем не менее, до 50 изделий в месяц могут выпускаться по предварительному заказу.
К достоинствам НТО-243 стоит добавить все положительные качества теплообменника ВНВ-243. Благодаря идеально гладким медным трубкам качества М1 и высокой 0,5–2,0 м/с скорости теплоносителя засорения трубок грязью с последующей их закупоркой не происходит. Построение специальной «прямоточной» схемы питания трубок теплоносителем обеспечивает дополнительную надежность работы.
Самый яркий пример безупречной работы медно-алюминиевых калориферов — комбинат «Норильский никель». Почти 100% стальных калориферов на заводах предприятия заменены на медно-алюминиевые, это более 50 тыс. шт. Периодичность замены — не чаще одного раза в 3–5 лет, а ранее используемые стальные калориферы работали менее одного сезона.
В больнице города Норильска более 10 лет без замены проработали калориферы конструкции аналогичной ВНВ-243 и были разморожены только при полном отключении электропитания.
В производственной программе завода «Веза» есть много другого оборудования, разработанного специально для применения в северных условиях, в т.ч. со специальными требованиями по взрывозащите. Кроме требований, предъявляемых к конструкционным материалам, которые должны сохранять свои свойства без проявления хрупкости, основные требования относятся к электромоторам вентиляторов.
К примеру, двигатели климатического исполнения ХЛ-2 применяются для общепромышленных и дымоудаления крышных вентиляторов с выбросом потока в стороны и вверх (ВКРС-С, ВКРВ-С, ВКРСС-ДУ, ВКРВ-С-ДУ).
