Холодильная техника и кондиционирование воздуха

Раздел: Бытовая техника

Большинство людей очень мало знают об основных принципах кондиционирования воздуха, вероятно, потому, что применение его началось только в 1920 г. В это время стали широко использовать кондиционирование воздуха в поездах и театрах. Установки кондиционирования воздуха внедрялись для создания комфортных условий в помещениях, где находится больщое количество людей. В то же время создавалось ошибочное мнение, что кондиционирование воздуха означает только охлаждение воздуха.

Процесс кондиционирования включает циркуляцию воздуха, его охлаждение, Осушение и очистку. Другие процессы осуществляются во время нагрева.

Определение

Принятым определением термина «кондиционирование воздуха» является: одновременное механическое регулирование температуры, влажности, чистоты и движения воздуха. Если все эти условия не регулируются, термин «кондиционирование воздуха» не может быть отнесен к данной системе или данному оборудованию. Необходимо отметить, что регулирование температуры может означать охлаждение или нагрев воздуха. Регулирование влажности означает увлажнение или осушение воздуха. Так, промышленная система, которая поддерживает в помещении условия 66 °С по сухюму термометру при 75 % относительной влажности, может называться системой кондиционирования воздуха, так же как и система, предназначенная для поддержания в помещении 26,7 °С по сухому термометру и 50 % относительной влажности. Однако система, которая только охлаждает пространство, но не регулирует относительную влажность, чистоту и движение воздуха, не может называться системой кондиционирования воздуха. Система кондиционирования воздуха может поддерживать любое состояние воздуха независимо от колебаний состояния окружающей атмосферы.

Комфортные условия

Двумя основными причинами кондиционирования воздуха являются необходимость улучшения условий промышленного процесса и поддержания комфортных условий. Условия, которые необходимо поддерживать в процессе производства, обусловливаются технологией процесса или обрабатываемыми материалами. В системе комфортного кондиционирования воздуха, однако, поддерживаемые условия обусловливаются требованиями человеческого организма. Поэтому знание важнейших функций человеческого организма необходимо для понимания адов кондиционирования воздуха.

Комфортные условия зависят от того, с какой скоростью организм человека теряет тепло. Организм человека можно сравнить с отопительным агрегатом, который потребляет пищевые продукты в качестве топлива. Пищевые продукты состоят из углерода и водорода. Энергия топлива, в данном случае пищевых продуктов, высвобождается в процессе окисления. Используемый в процессе окисления кислород поступает из воздуха, и основными продуктами сгорания являются углекислота и водяной пар. Врачи называют это процессом метаболизма.

Организм человека можно рассматривать как машину с постоянной температурой. Внутренняя температура организма человека равна 36,6 °С и поддерживается тонким механизмом регулирования. В связи с тем что ррганизм человека всегда вырабатывает больше тепла, чем ему требуется, отвод тепла является постоянным процессом. Основное назначение процесса кондиционирования воздуха заключается в регулировании интенсивности охлаждения в любое время года. Летом задача заключается в повышении интенсивности охлаждения, а зимой — в ее понижении.

От организма человека тепло отводится конвекцией, излучением, испарением. В большинстве случаев организм человека охлаждается под воздействием всех трех факторов одновременно.

Конвекция. В конвективном процессе воздух, который находится ближе к поверхности тела, становится теплее воздуха, находящегося на большом расстоянии от поверхности кожи. В связи с тем что теплый воздух легче прохладного, он поднимается. Этот теплый воздух замещается более холодным воздухом, и процесс конвективного охлаждения является непрерывным, процессом. По мере нагрева замещающий воздух также поднимается. Несмотря на то что температура внутри организма человека остается на уровне 37 °С, температура его кожи колеблется в диапазоне от 4,4 до 40 °С в зависимости от температуры, влажности и интенсивности потока окружающего воздуха. Если температура окружающего воздуха понижается, температура кожи также понижается.

Излучение. Тепло излучается непосредственно от человеческого тела к любой более холодной поверхности так же, как лучи солнца проходят через пространство и нагревают поверхность земли. Тепло может передаваться от кожи человека к любой поверхности или предмету с более низкой температурой. Этот процесс не зависит от конвективного теплообмена. Температура воздуха между человеком и более холодной поверхностью не влияет на процесс излучения. Этот принцип действителен и в том случае, когда человек греется у костра. Haj гревается тот бок человека, который ближе к огню, а другой бок остается холодным. Температура воздуха между человеком и огнём костра равна температуре воздуха на другой стороне человека.

Испарение. Регулирование теплоты испарения является процессом человеческого организма, который поддерживает его жизнь вне кондиционируемого пространства. Во время этого процесса происходит отдача влаги в виде пота через поры кожи. Когда эта влага испаряется, она поглощает тепло из организма человека и тем самым охлаждает его. Действие испарения более ощутимо, если смазать кожу спиртом, так как спирт легче испаряется и быстрее поглощает тепло. Процесс испарения превращает влагу в пар низкого давления и это происходит в виде непрерывного процесса. Когда на коже появляются капли пота, это означает, что тело производит больше тепла, чем может отвести с нормальной интенсивностью.

Условия, влияющие на комфортное состояние

Нет всеобъемлющего правила на оптимальные условия для всех людей. При одинаковых параметрах окружающей атмосферы здоровому молодому человеку может быть несколько теплее, чем ему хотелось бы, а пожилому человеку — несколько холоднее.

Тремя условиями, влияющими на способность человеческого организма отдавать тепло, являются температура воздуха, его относительная влажность и движение. Изменение любого из этих условий ускоряет или замедляет процесс охлаждения.

Температура воздуха. Воздух температурой ниже температуры кожи ускоряет конвективный процесс. Чем ниже температура воздуха, тем больше тепла отводится от организма конвекцией. Тепло всегда течет от более теплого места к более холодному. Чем больше разность температур, тем интенсивнее тепловой поток. Если разность температур очень велика, человеческий организм начинает отдавать тепло быстрее, чем он должен это делать, и человек ощущает определенный дискомфорт.

Если температура воздуха выше температуры кожи, происходит обратный конвективный процесс и тело нагревается. Совершенно очевидно, что температура воздуха оказывает большое влияние на комфортные условия. Опыт показывает, что для большинства людей комфортная температура воздуха находится в диапазоне от 22,2 щ 26,7 °С.

Температура окружающих поверхностей также является важным фактором, так как она влияет на интенсивность излучения тепла организмом. Чем ниже температура поверхности, тем больше организм излучает тепла. Интенсивность излучения понижается с уменьшением разности температур между окружающей поверхностью и телом. Процесс излучения реверсируется, если температура окружающей поверхности выше температуры тела. Когда это происходит, организм человека должен отдавать больше тепла посредством конвекции и испарения.

Относительная влажность. При изменении относительной влажности регулируется количество тепла, которое организм человека может отдавать посредством испарения. Относительная влажность является мерой измерения влагосодержания воздуха. Она показывает способность воздуха поглощать влагу. Относительная влажность является одной из основ кондиционирования воздуха.

Для определения величины относительной влажности необходимо разделить величину фактической влажности воздуха на величину содержания влаги в насыщенном воздухе при той же температуре ( 329). Результат показывает, что относительная влажность равна 50 %. Относительная влажность обозначает действительное содержание влаги в воздухе по сравнению с количеством влаги, которое воздух мог бы содержать при той же температуре. Относительная влажность меняется с изменением температуры.

Например, температура воздуха повышена до 33,3 °С без добавления влаги. Из таблицы влажности воздуха определяем, что 1 м3 воздуха при 33,3 °С содержит 16 г водяного пара в состоянии насыщения. В этом примере относительная влажность равна 4 г, деленным на 16 г, или 25 % ( 330).

Если воздух, окружающий человека, имеет низкую относительную влажность, организм человека отдает больше тепла за счет испарения. Если воздух вокруг человека характеризуется высокой относительной влажностью, организм человека

отдает меньше тепла за счет испарения. Разумно комфортным является кондиционированный воздух с температурой 26,7 °С и относительной влажностью 50 %.

Движение воздуха. Повышение интенсивности испарения пота с поверхности кожи человека является результатом движения воздуха. Испарение зависит от способности воздуха поглощать влагу. При движении по поверхности кожи воздух, насыщенный влагой, замещается более сухим воздухом и испарение влаги с поверхности кожи продолжается. Если воздух остается в неподвижном состоянии, то воздух на поверхности кожи поглощает влагу, и по мере приближения к точке насыщения процесс испарения замедляется. Влага начинает испаряться медленнее. Затем, прц достижении точкй насыщения, процесс испарения прекращается и человек чувствует себя в дискомфортных условиях.

Движение воздуха ускоряет конвективный процесс. Это возможно из-за того, что теплый воздух на поверхности кожи замещается более холодным и тело отдает тепло воздуху.

При движении воздух отводит тепло также и от стен, потолков и других предметов, окружающих человека, ускоряя таким образом процесс излучения. Необходимо помнить, что движение воздуха является одним из условий, влияющих на комфортное состояние человека.

Распределение воздуха

Воздух, подаваемый в кондиционируемое пространство, должен распределяться таким образом, чтобы была минимальная разность температур между полом и потолком, от уровня пола до высоты 1,8 м, а также между внутренними и наружными стенами. Соответствующее количество воздуха может быть направлено в различные зоны помещения при тщательном учете потребностей в охлаждении и нагреве. Однако эти потребности должны удовлетворяться не при помощи сквозняков. Вообще воздух со скоростью от 4,6 до 7,5 м/мин может рассматриваться в качестве неподвижного, а движение воздуха со скоростью 19,8 м/мин большинство людей считают сильным.

Требования к вентилятору. Вентиляторы, используемые в современных установках кондиционирования воздуха, подразделяются на два класса в зависимости от направления потока воздуха через них. К первому классу относится осевой вентилятор, через который поток воздуха течет параллельно валу вентилятора. Этот тип вентилятора обычно известен как винтовой вентилятор ( 331). Он состоит из двух или большего количества лопастей, которые укреплены на валу. Каждая лопасть изогнута или скручена для образования требуемого шага. Лопасти часто изготавливают из листового металла, но иногда для этой цели используют отливки или их формуют из пластмассы. Этот тип вентилятора наилучшим образом отвечает требованиям при необходимости перемещения большого объема воздуха при низком сопротивлении, например при эксплуатации воздушных конденсаторов, увлажнителей и градирен.

Ко второму классу относится центробежный вентилятор, через который поток воздуха течет наружу от вала вентилятора. Этот поток воздуха образуется под действием центробежной силы. Поэтому такой тип вентилятора известен как центробежный вентилятор. Он состоит из ряда лопастей, смонтированных по окружности, с расположением вала в центре. Лб- пасти установлены параллельно валу и могут быть изогнуты вперед или назад ( 332). Вентилятор с лопастями, изогнутыми вперед, работает с более низкой частотой вращения, чем вентилятор с лопастями, изогнутыми назад, той же производительности. Однако вентилятор с лопастями, изогнутыми назад, обычно не перегружается, а вентилятор с лопастями, изогнутыми вперед, перегружается при уменьшении давления и увеличении объема циркулирующего воздуха. Поэтому, если не сделан тщательный расчет рабочего давления, существует опасность перегрузки электродвигателя и его выхода из строя при работе вентилятора с лопастями, изогнутыми вперед.

Рабочее колесо центробежного вентилятора не может создать достаточного потока воздуха. Корпус вентилятора используется для сбора или направления потока воздуха после лопастей. Спиральная камера корпуса ( 333) обычно имеет небольшое сечение после нагнетательного отверстия, и оно прогрессивно увеличивается по окружности корпуса и достигает максимального размера у выпускного отверстия. Эта часть корпуса называется улиткой. Воздух подается к рабочему колесу через патрубки на одной или обеих сторонах корпуса. Дйа-_ метр их патрубков должен быть максимальным, но не больше внутреннего диаметра рабочего колеса вентилятора.

Центробежные вентиляторы предназначены для подачи большого объема воздуха при значительном сопротивлении. Именно по этой причине их выбирают в первую очередь в системах кондиционирования воздуха и в вентиляционных системах при необходимости преодоления сопротивления воздушных фильтров, испарителей, теплообменников, воздуховодов и выпускных отверстий.

Шум от вентилятора. Вентиляторы должны подавать в помещение необходимое количество воздуха при требуемой скорости движения его потока. Однако недостатком вентиляторов в установках кондиционирования воздуха является то, что они шумят. Уровень шума зависит от амплитуды и частоты волн воздуха, создаваемых лопастями вентилятора, и турбулентности потока воздуха при принудительной подаче через систему. Вибрирующие лопасти вентилятора также являются источником небольшого шума. Этот шум, однако, относительно слабый по сравнению с шумом, создаваемым быстроходным вентилятором. Шум от вентилятора напоминает небольшую сирену. Громкость и тембр звука зависят от окружной скорости вентилятора, формы лопастей, их количества и угла наклона. Таким образом, существует определенная зависимость между уровнем шума и количеством подаваемого воздуха. Для того чтобы удовлетворять требованиям, система кондиционирования воздуха должна подавать соответствующее количество воздуха при минимальном шуме от вентилятора.

Камера нагрева. В большинстве систем кондиционирования воздуха следующим устройством, куда поступает воздух, явля

ется камера нагрева ( 334). В зависимости от конструкции системы это могут быть теплообменник с газовым нагревом, электронагревательный элемент, паровой змеевик или змеевик горячей воды. I В этом устройстве происходит нагрев воздуха во время отопительного сезона. По- г вышение температуры зависит от тепло- притока в воздух. Во время сезона охлаждения воздуха это устройство не вырабатывает тепло.

Камера охлаждения. После камеры нагрева воздух проходит через камеру охлаждения. Процесс охлаждения осуществляется в испарителе. Однако процесс охлаждения может быть осуществлен также и посредством змеевика с охлаждающей водой. Во время процесса охлаждения температура воздуха понижается. Ерли в воздухе имеется избыточное количество влаги, часть ее отводится с целью понижения влажности воздуха. Спускной трубопровод предназначен для слива конденсата. Влагосодержание воздуха должно быть на низком уровне для создания условий эффективного охлаждения. Камера охлаждения не используется во время отопительного сезона, хотя воздух все-таки проходит через нее.

Увлажнитель. Когда воздух выходит из камеры охлаждения, он поступает в зону, где расположен увлажнитель ( .335). Увлажнитель имеется не во всех системах. Увлажнитель предназначен для добавления влаги в воздух во время отопительного сезона. При выходе из камеры нагрева воздух характеризуется более низкой относительной влажностью. Этот теплый и сухой воздух должен быть увлажнен с точки зрения комфортных условий и здоровья человека. В зависимости от типа увлажнителя требуемая влага добавляется в воздух испарением или разбрызгиванием влаги непосредственно в потоке воздуха. Эти аппараты обычно не используются во время процесса охлаждения воздуха, так как отвод влаги является частью этого процесса. Добавление влаги при охлаждении — нежелательный и дорогостоящий процесс.

Каналы подачи воздуха. Воздух затем направляется через ряд труб, называемых каналами подачи воздуха, через которые он поступает в требуемую зону. Эта система каналов должна быть соответствующим образом сконструирована для создания удовлетворительных условий эксплуатации. Выпускное отверстие должно быть правильно расположено для требуемого распределения воздуха в кондиционируемом пространстве. Каналы подачи воздуха Изолированы для предотвращения потери тепла во время отопительного сезона и поглощения тепла при охлаждении воздуха. Изоляция должна включать пароизоля- ционный слой для предотвращения- конденсации влаги на более холодной поверхности во время процесса охлаждения ( 336). Система каналов подачи воздуха используется при нагреве и охлаждении воздуха.

Выходное устройство. На конце канала подачи воздуха в кондиционируемое пространство имеется выходное устройство ( 337). Это устройство используется для соответствующего распределения воздуха в помещении. Одни устройства применяют для вентиляции, а другие —для подачи воздуха в виде струйного потока. Некоторые устройства используют также для регулирования направления потока воздуха. Регулирование направления подачи воздуха, а также расположение и количество выходных устройств в значительной мере способствуют удовлетворительной работе системы и созданию комфортных условий.

Кондиционируемое пространство. Кондиционируемое пространство— одно из самых важных частей системы распределения воздуха. Если бы не было закрытого пространства, невозможно было бы регенерировать воздух и циркуляция кондиционируемого воздуха стала бы невозможной. Именно поэтому такое важное значение имеет кондиционируемое пространство. Используемые материалы и строительное искусство также играют важную роль при сооружении кондиционируемого

пространства, так как они способствуют снижению теплоприто- ков в это пространство (),

Впускное устройство. Впускное устройство предназначено для впуска воздуха из кондиционируемого пространства в воздушный всасывающий канал. Это устройство обычно расположено напротив выходного устройства (). Оно должно быть соответствующего размера для входа воздуха из помещения при минимальном сопротивлении.

Воздушные всасывающие каналы. Воздушные всасывающие каналы предназначены для соединения кондиционируемого пространства с оборудованием для обработки воздуха ( 340). Эти каналы рассчитаны на меньшее сопротивление потоку воздуха, чем каналы подачи. Это делается для возврата достаточного количества воздуха к вентилятору. Всасывающие каналы иногда имеют теплоизоляцию. Если канал должен проходить через высоко- или низкотемпературное пространство, он должен быть изолирован для предотвращения потери тепла или тепло- притока в воздух внутри канала.

Фильтры. Фильтры расположены на входе в вентилятор для предотвращения попадания частиц пыли в оборудование ( 341). Фильтры предназначены только для очистки воздуха. Они всегда должны быть расположены таким образом, чтобы защитить вентилятор, камеры нагрева и охлаждения от частиц пыли. Если пыль попадает в оборудование, она постепенно накапливается на поверхностях и снижает интенсивность потока воздуха, что отрицательно действует на работу системы. Фильтры изготавливаются из различных материалов, например из штампованного стекловолокна или пластмассы. Более эффективные фильтры имеют электронное регулирование.