Учебное пособие: Методические указания для студентов специальности 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» заочной формы обучения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра теплохладотехники

Основы теории кондиционирования

Методические указания для студентов специальности

140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование»
заочной формы обучения

Кемерово 2007

Составители:

Л.М. Архипова, А.Н. Расщепкин

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры теплотехники

Протокол № от

Рекомендовано методической комиссией заочного факультета

Протокол № от

Методические указания содержат задание, рекомендации, справочные материалы для выполнения контрольной работы, список литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Целью учебной дисциплины «Основы теории кондиционирования» является изучение процессов тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования воздуха (СКВ), методики расчета элементов и выбора оборудования СКВ.

При изучении предмета используются знания, полученные в дисциплинах «Термодинамика» и «Тепло- и массообмен».

По учебному плану заочного факультета дисциплина «Основы теории кондиционирования» изучается на 5 курсе. В течение первой сессии читаются лекции по теоретической части предмета. В промежутке между сессиями студенты должны самостоятельно изучить теоретический материал, опираясь на прослушанные лекции, и выполнить одну контрольную работу. Во вторую сессию проводятся практические занятия, после чего необходимо сдать экзамен.

В результате прохождения курса студент должен знать основные процессы обработки влажного воздуха в СКВ, уметь рассчитывать тепловлажностную нагрузку помещения и производительность системы кондиционирования, подбирать оборудование СКВ в зависимости от технологического назначения помещений, расположенных в заданном климатическом районе.

Выполнение контрольной работы

К работе следует приступить после изучения теоретической части предмета. Исходные данные выбираются из таблиц 1 и 2 по последней и предпоследней цифрам учебного шифра студента (две последние цифры номера зачетной книжки). Шифр указывается на обложке тетради. Работы, выполненные не по своему шифру, не рассматриваются.

При оформлении расчетов необходимо соблюдать следующий порядок:

1. Выписать исходные данные.

2. Вычисления выполнять в системе СИ, указывать размерность вычисленных параметров.

3. Расчеты сопровождать кратким пояснением. При использовании формул из литературы и данных, взятых из таблиц или диаграмм, должно быть указано точное библиографическое описание источника. Полный список использованной литературы необходимо привести в конце работы.

Общие справочные данные для выполнения расчетов есть в тексте и в таблицах указаний, подробные данные для конкретной задачи необходимо взять из специальных источников, которые указаны в списке литературы настоящих методических указаний.

1. ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

Для производственного помещения пищевого предприятия определить основные параметры системы кондиционирования для круглогодичной обработки воздуха. Необходимо:

1. Рассчитать составляющие тепловлажностного баланса кондиционируемого помещения.

2. Построить схемы обработки воздуха для теплого и холодного периодов года. Представить процессы на I – в диаграмме влажного воздуха.

3. Составить структурную схему СКВ.

4. Рассчитать производительность СКВ.

5. Определить тепловую нагрузку на воздухонагреватели и воздухоохладители. Найти расход воды на увлажнение и осушение воздуха.

Все расчеты выполнить для теплого и холодного периодов года отдельно.

Исходные данные для расчета.

План этажа, на котором располагается помещение, приведен на рис. 1.

Параметры наружного воздуха выбираются из табл. 1 по последней цифре шифра. Данные о технологическом назначении помещения, конструктивных параметрах здания, а также о тепловой и влажностной нагрузке помещения берутся из табл. 2 по предпоследней цифре шифра.

В табл. 2 обозначено:

а×b× h, - длина, ширина и высота помещения;

N _эл.дв - суммарная мощность установленных электродвигателей;

Q_пр +Q_об - теплопритоки от продукта и технологического оборудования;

W_техн - количество влаги, выделяемой оборудованием и продуктами.

Таблица 1

Параметры наружного воздуха (параметры «Б»)

Таблица 2

2. ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫЙ БАЛАНС КОНДИЦИОНИРУЕМОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Для составления теплового баланса помещения необходимо определить все поступления и потери тепла в помещении.

Общий теплоприток (∑Q ), поступающий в помещение:

∑Q = ± Q_огр ± Q_пр + Q_эл + Q_л + Q_проч (1)

где Q_огр , Q_пр , Q_эл , Q_л , Q_проч теплопритоки, поступающие соответственно через ограждающие конструкции, от продуктов, от электродвигателей, от людей, прочие теплопритоки (от осветительных приборов, оргтехники и т.п.), Вт.

Общий влагоприток (∑W ), поступающий в кондиционируемое помещение:

∑W=± W_oгр ± W_пр ± W_ап +W_л + W_исп , (2)

где W_oгр , W_пр , W_ап , W_л , W_исп - влагопритоки соответственно через ограждающие конструкции, от продуктов, технологических аппаратов, людей, а также поступающий вследствие испарения влаги со смоченных поверхностей пола и оборудования, кг/ч.

Для увеличения надежности значения общего тепло- и влагопритока, полученные после сложения всех составляющих, обычно увеличивают на 10 %.

2.1. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРИТОКОВ

2.1.1. Теплопритоки и теплопотери через ограждающие
конструкции помещений

Тепло в помещение может поступать: от разности температур наружного и внутреннего воздуха (трансмиссионное тепло); от солнечной радиации (инсоляция); в результате инфильтрации воздуха:

Q _огр = Q _{огр. t} + Q _{огр. с} + Q_инф (3)

Теплопритоки через массивные и светопрозрачные (световые проемы) части ограждающих конструкций рассчитываются отдельно.

Теплопритоки в результате разности температур вычисляют через каждый элемент ограждающих конструкций и остекления по уравнению теплопередачи:

Q _{огр. t} = k F ( t _н – t _в ), (4)

В летний период теплопритоки через массивные ограждения (стены) проникают в помещение с запаздыванием на 7…10 часов. В связи с этим теплоприток через наружные ограждения в теплый период рассчитывают по формуле:

Q _{огр . t} = k F (t _н – A_t /2 – t _в ) , (5)

где k - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м² ·К); F - площадь поверхности ограждения, м² ; A_t - амплитуда суточного колебания температуры, ºС;
t _н - расчетная температура наружного воздуха для теплого периода года по параметрам «Б»; °С; t _в - расчетная температура внутреннего воздуха, °С.

Расчетные параметры воздуха в рабочей зоне кондиционируемых и смежных помещений приведены в таблице 3. Назначение смежных помещений выбрать самостоятельно.

Таблица 3

Расчетные параметры воздуха в помещениях предприятий
мясоперерабатывающей и молочной промышленности

При расчете теплопередачи следует помнить, что коэффициенты теплопередачи оконных проемов и стен различны. Коэффициенты теплоотдачи, теплопроводности и термические сопротивления, необходимые для определения коэффициента теплопередачи, приведены в таблице 4. Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

, (6)

где ΣR - суммарное термическое сопротивление теплопередачи, (м² ·К)/Вт;
α _н - коэффициент теплоотдачи с наружной стороны ограждения, Вт/(м² ·К);
α _в - коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны ограждения, Вт/(м² ·К);
δ _i – толщина слоя, м; λ _i - коэффициент теплопроводности строительных слоев конструкции, Вт/(м∙К).

В данной работе можно принять:

- для стен - толщина: кирпичной кладки 640 мм, сэндвич-пакета 160 мм, наружной штукатурки (цементно-песчаного раствора) 15 мм, внутренняя поверхность стены состоит из слоя штукатурки толщиной 15 мм, облицованной керамической плиткой толщиной 5 мм;

- для перекрытий - толщина железобетонной плиты 200 мм, керамзитовой засыпки пола и потолка 200…300 мм.

- разность температур при определении теплопритоков: через пол 1 этажа (не охлаждаемый подвал без окон) составляет 60 %, потолка последнего этажа - 70 % от расчетной разности температур для наружных стен.

Таблица 4

Теплопритоки от солнечной радиации складываются из теплопритоков через массивные ограждения (стены, кровли, покрытия) и теплопритоков через световые покрытия:

. (7)

Теплоприток от солнечной радиации через массивные ограждения учитывается только для летнего периода и рассчитывается по формуле:

(8)

где F - площадь ограждения, м² ; Δt _с - избыточная разность температур от действия солнечной радиации, °С (см. табл. 5).

Таблица 5

Избыточная разность температур (Δt _с , ºС) при ориентации

по сторонам горизонта

Теплоприток от солнечной радиации через световые проемы рассчитывается для теплого и холодного периодов года по формуле:

, (9)

где q _р - количество теплоты, поступающей от солнечной радиации через 1м² светового проема, Вт/м² ; F _с.п - площадь светового проема, м² ; с_з - коэффициент солнцезащиты.

Количество теплоты от солнечной радиации зависит от рода и структуры материала ограждений, состояния и цвета их поверхности, угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность, ориентации поверхности по сторонам горизонта местности и времени года. Удельный теплоприток q_р от солнечной радиации через окно с одинарным остеклением в деревянных рамах, приведен в таблице 6. Коэффициент солнцезащиты (с_з ) в зависимости от конструктивного оформления для некоторых типов светового проема приведен в табл. 7.

Таблица 6

Удельный теплоприток от солнечной радиации q _{р ,} Вт/м²

ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные в таблице 6 величины следует умножить на поправочный коэффициент: для окон с двойным остеклением и деревянными рамами - 0,62; для окон с двойным остеклением и металлическими рамами - 0,7; для окон с одинарным остеклением и витрин в металлических переплетах - 1,25.

Таблица 7

Коэффициент солнцезащиты

Теплопритоки от инфильтрации. Расход теплоты на подогрев инфильтрующегося воздуха можно не учитывать, если при работе СКВ обеспечен избыточный подпор воздуха в помещении и в случае установки герметичных стеклопакетов и специальных уплотнений. В связи с технологическими рекомендациями для цехов, где предъявляются повышенные требования по очистке подаваемого воздуха, необходимо обеспечить избыточный подпор с целью соблюдения заданной степени чистоты и качества воздуха.

Теплоприток, поступающий в результате инфильтрации воздуха через проемы внутренних дверей, соединяющих кондиционируемые помещения со смежными производственными помещениями, определяется по формуле:

, (10)

где - теплоприток через дверной проем, Вт; q _дв - тепловой поток, поступающий в помещение при открывании дверей, отнесенный к 1 м² площади пола, Вт/м² (см. табл. 8); F _пол - площадь пола, м² .

Таблица 8

Тепловой поток через дверные проемы производственных помещений q _дв , Вт/м²

Теплоприток (кВт) через открытые дверные и технологические проемы в коридор определяется по формуле:

(11)

где F _дв - площадь дверного проема, м² ; ω _дв – средняя скорость воздуха в дверном проеме, принимаем минимальное значение 0,05 м/с; ρ - плотность воздуха, м³ /кг; I _кор , I _в - энтальпия воздуха в коридоре и внутреннего воздуха соответственно (находят по I – в диаграмме), кДж/кг; 0,5 - коэффициент, учитывающий уменьшение теплопритока при установке пластиковой шторы.

2.1.2. Тепловыделения от людей

Тепловыделения от людей зависят от интенсивности выполняемой работы и параметров окружающего воздуха. Тепло, выделяемое людьми, складывается из ощутимого (явного), т.е. передаваемого в воздух помещения путем конвекции и лучеиспускания, и скрытого тепла, затрачиваемого на испарение влаги с поверхности кожи и из легких. Соотношение между количеством ощутимого и скрытого тепла зависит от интенсивности мускульной работы, производимой человеком, и от параметров окружающего воздуха. Тепловыделения от людей определяются по формуле:

Q _л = q _л · n _л , (12)

где q _л - количество полной теплоты, выделяемой одним человеком, Вт; n _л - число людей.

Тепло-и влаговыделения от людей (в расчете на 1 человека) приведены в таблице 9.

Таблица 9

Количество теплоты и влаги, выделяемой взрослыми людьми

2.1.3. Теплопритоки от электродвигателей, продуктов
и технологического оборудования

Часть электрической энергии при работе электродвигателей, превращается в теплоту. В помещениях, где установлены машины с мощным электроприводом (волчки, куттеры, фаршемешалки, автоматы по розливу молока, пастеризаторы и др.) необходимо учитывать теплоприток от электродвигателей, который определяют по формуле:

Q _эл = N _эл η ₁ η ₂ η ₃ , (13)

где N _эл - общая мощность установленных электродвигателей, кВт; η ₁ - коэффициент одновременности работы электродвигателей, η ₁ = 0,6…0,8; η ₂ - коэффициент, учитывающий переход электроэнергии в тепловую, η ₂ = 0,4…0,6; η ₃ - КПД электродвигателей (обычно принимают η ₃ = 0,9).

Теплоприток от продуктов и технологического оборудования приведен в таблице 2. Поступление теплоты от мяса при его обработке отрицательное, если перерабатывается охлажденное мясо. Кроме того, необходимо учитывать теплоту, расходуемую на таяние льда, добавляемого к мясному сырью.

2.1.4. Теплопритоки от осветительных приборов

Средняя удельная нагрузка от системы освещения производственных помещений (q _осв ) составляет 5…15 Вт/м² . Общий теплоприток от системы освещения рассчитывается по формуле:

Q _осв = q _осв · F _пол (14)

где q _осв - тепловой поток, отнесенный к 1 м² площади пола, Вт/м² ; F _пол – площадь пола, м² .

2.1.5. Определение суммарной тепловой нагрузки

Тепловой баланс кондиционируемого помещения составляют для летнего и для зимнего периодов года, так как отдельные составляющие теплового баланса входят как со знаком плюс, так и со знаком минус. Полученное значение теплопритока увеличивают на 10% (∑Q = 1,1∑Q_расч ).

Результаты расчета теплопритоков в теплый и холодный периоды года занести в таблицу, примерная форма которой дана в табл. 10. В таблице должны быть все составляющие теплового баланса помещения.

Таблица 10

2.2. РАСЧЕТ ВЛАГОПРИТОКОВ

Источниками влаговыделений в помещениях кроме людей и влагопритоков через ограждения, являются: открытые водные пространства, влажные материалы, утечки пара через неплотности оборудования, химические реакции, смоченные поверхности оборудования и полов (приведены в табл. 2). Баланс влаги в помещении определяют по формуле (2), учитывая повышающий коэффициент (∑W = 1,1∑W_расч ).

Влагопритоки через ограждающие конструкции помещений. Инфильтрационный воздух может содержать как большее, так и меньшее количество влаги, чем внутренний воздух в помещении.

Если в помещении предусмотрен избыточный подпор воздуха и в случае установки герметичных стеклопакетов, пришедшая с ним влага (W_огр ) не учитываются в расчетах.

Влагоприток (кг/ч) через технологические проемы находится по формуле:

W _пр =3,6 f _пр ω _пр ρ ( d _в – d _см ) (15)

где f _пр - площадь технологического проема, м² ; ω _дв – средняя скорость воздуха, м/с; ρ - плотность воздуха, м³ /кг; d _см , d _в - влагосодержание воздуха в смежном помещении и внутреннего воздуха рабочей зоны соответственно (находят по I –d диаграмме), г/кг.

Влаговыделения от людей. Влаговыделения от людей зависят не только от интенсивности мускульной работы, но и от температуры воздуха, его подвижности, а также температуры окружающей среды. Общее количество влаги, поступающей в помещение от людей, определяется по формуле:

W _л = w_1чел · n _л , (16)

где w_1чел - количество влаги, поступающей от одного человека (см. табл. 9), кг/с; n _л - число людей.

Результаты расчета влагопритоков в теплый и холодный периоды года занести в таблицу, примерная форма которой аналогична табл. 10. В таблице должны быть все составляющие баланса влаги в помещении.

3. ОБРАБОТКА ВОЗДУХА В ЦЕНТРАЛЬНОМ КОНДИЦИОНЕРЕ

После расчета тепло- и влагопритоков определяют тепловлажностные коэффициенты (ε ) кондиционируемого помещения для теплого и холодного периодов года и строят схемы обработки воздуха на I-d диаграмме. Тепловлажностные коэффициенты (лучи процесса) определяются по формуле:

(17)

3.1. Построение схемы обработки воздуха на I-d диаграмме

Построение начинают с процессов для теплого периода года как наиболее теплонапряженного. Исходными данными для построения являются: расчетные параметры наружного ( t _н , I _н ) и внутреннего ( t _в , φ_в ) воздуха; величина тепловлажностного отношения (луча процесса); рабочей разности температур (Δt _р ).

Рабочая разность температур зависит от назначения помещения и выбора устройств для распределения воздуха. Если воздух подается непосредственно в рабочую зону, то Δt _р = 2…3 °С; на высоту 3 м и выше - Δt _р = 4…6 °С;

Температура приточного воздуха (t _п ) определяется из формулы:

Δt _р = t _в − t _п , (18)

Температура воздуха, удаляемого СКВ, отличается от температуры внутреннего воздуха и зависит от высоты помещения, избытков явного тепла в помещении и схемы вентилирования помещения. В работе можно принять, что воздух удаляется из рабочей зоны, т.е. температура уходящего воздуха равна температуре внутреннего воздуха (t _у = t _в ).

Пример построения процесса обработки воздуха в теплый и холодный периоды года приведен на рис. 2.

На схеме обработки воздуха для теплого периода года (см. рис. 2а) показаны процессы: НО - процесс охлаждения и осушения воздуха в воздухоохладителе; ОП - нагрев воздуха в воздухоподогревателе второй ступени; ПВ - изменение состояния воздуха в помещении. Для холодного периода года (см. рис. 2б) показаны процессы: линия НК характеризует нагревание воздуха при первом подогреве; линия КО - изоэнтальпийное увлажнение воздуха в оросительной камере; ОП - нагревание воздуха в воздухонагревателе второго подогрева; линия ПВ - изменение состояния воздуха в помещении.

Термодинамические параметры узловых точек (в рабочей зоне, приточного, наружного, после оросительной камеры, после обработки в воздухонагревателе и т.д) занести в таблицу 11.

Таблица 11

3.2. Составление структурной схемы СКВ

В контрольной работе необходимо составить и описать структурную схему СКВ. Выбор той или иной компоновки центральных кондиционеров зависит от многих факторов, в первую очередь, от назначения и режима использования помещений, конструктивных особенностей здания, а также от санитарно-гигиенических, эксплуатационных и экономических требований. Кроме стандартных типовых компоновок существует возможность создания собственной уникальной компоновки кондиционера Пример технологической компоновки центрального кондиционера представлены на рис. 3 и в литературе [1,4,5,9].

4 . РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СКВ.

Определение расхода воздуха из условий ассимиляции тепло и влагопритоков. Расход воздуха определяется из условий ассимиляции теплопритоков в теплый период года по формуле:

, (19)

Расход воздуха из условий ассимиляции влагопритоков определяется по формуле:

, (20)

где L - объемный расход воздуха, м³ /с; Σ Q - количество полного тепла, подлежащего удалению, кВт; ρ - плотность воздуха кг/м³ ; I _в , I _п - энтальпия соответственно воздуха в рабочей зоне и приточного воздуха, кДж/кг; ΣW - избыток влаги в помещении, кг/с; d _в , d _п - влагосодержание соответственно воздуха в помещении и приточного воздуха, кг/кг.

Определение минимального расхода наружного воздуха. Количество воздуха, необходимое по гигиеническим требованиям определяется по формуле:

L _н = n _л · L ₁ ; (21)

где n _л - число людей в помещении; L ₁ - минимальный расход воздуха на одного человека, м³ /с.

Минимальный расход воздуха для производственных помещений (L ₁ ) принять равным 60 м³ /ч на 1 чел.

Для определения производительности системы, полученные по формулам (19 - 21) значения сравнивают и в качестве расчетного принимают наибольшее. Полная производительность СКВ (L ) определяется с запасом в 10…15%.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ И РАСХОДА ВОДЫ

После построении процессов обработки воздуха определяют расход холода Q _о в воздухоохладителе и расход теплоты Q _н в воздухонагревателях по формулам:

Q _о = G × ∆ I = L · ρ × ∆ I , (22)

Q _н = L · ρ ·с_в ∆ t , (23)

Осушающая способность воздухоохладителя и расход воды на подпитку оросительной камеры определяют по формуле:

W = G ∆ d = L · ρ ∆ d , (24)

где G - массовый расход воздуха, кг/с; L - объемный расход воздуха (производительность СКВ), м³ /с; ρ - плотность воздуха, м³ /кг; ∆ I - изменение энтальпии в соответствующем процессе, кДж/кг; ∆ t - изменение температуры в соответствующем процессе, ºС; ∆ d - изменение влагосодержания в соответствующем процессе, кг/кг; с_в - теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К).

Оформление контрольной работы

Контрольная работа должна содержать:

Задание.

Расчеты теплового баланса помещения с итоговой таблицей.

Расчет баланса влаги в помещении с итоговой таблицей.

Схемы обработки воздуха в выбранной СКВ. Все расчеты и схемы приводятся отдельно для холодного и теплого периодов года.

Схему компоновки СКВ с указанием составляющих частей системы.

Расчет нагрузки на оборудование системы кондиционирования.

Список использованной литературы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика: Учебное пособие. - М.: «Евроклимат», изд во «Арина», 2000 - 416 с.

2. Бражников А.М., Малова Н.Д. Кондиционирование воздуха на предприятиях мясной и молочной промышленности. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 265 с.

3. Краснов Ю.С., Борисоглебская А.П., Антипов А.В. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке. - М.: ТермоКул, 2004. - 373 с

4. Малова Н.Д. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию для предприятий пищевой промышленности. - М.: ТермоКул, 2005. - 304 с.

5. Расщепкин А.Н., Архипова Л.М. Основы теории кондиционирования: Учебное пособие. - Кемерово, 2006. – 88 с.

6. Строительные нормы и правила. Отопление, вентилящия и кондиционирование воздуха. СНиП 41-01-2003 - М.: Изд-во ЦНТИ, 2004.

7. Строительные нормы и правила. Строительная климатология. СНиП 23-01-99 - М.: Изд-во ЦНТИ, 2000.

8. Строительные нормы и правила. Строительная теплотехника. СНиП II-3-79* - М.: Изд-во ЦНТИ, 1998.

9. Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. - 3-е изд., перераб. - М.: Агропромиздат, 1989. - 223 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 3

1. Задание к контрольной работе. 4

2. Тепловлажностный баланс кондиционируемого помещения. 6

2.1. Расчет теплопритоков. 6

2.1.1. Теплопритоки и теплопотери через ограждающие конструкции помещений 6

2.1.2. Тепловыделения от людей. 11

2.1.3. Теплопритоки от электродвигателей, продуктов и технологического оборудования. 12

2.1.4. Теплопритоки от осветительных приборов. 13

2.1.5. Определение суммарной тепловой нагрузки. 13

2.2. Расчет влагопритоков. 14

3. Обработка воздуха в центральном кондиционере. 14

3.1. Построение схемы обработки воздуха на I-d диаграмме. 15

3.2. Составление структурной схемы СКВ.. 16

4. Расчет производительности СКВ. 17

5. Определение тепловой нагрузки и расхода воды.. 17

Оформление контрольной работы.. 18

Список литературы.. 19