Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Рециркуляционный многофункциональный агрегат для производственных помещений

В. Е. Воскресенский, профессор СПбГЛТУ

А. М. Гримитлин, директор ООО НПП «Экоюрус-Венто»

Д. А. Захаров, генеральный директор ООО «ЭкоФильтр»

Изучение состояния микроклимата в рабочей зоне производственных помещений деревообрабатывающих предприятий, образуемого при совместной работе аспирационных пневмотранспортных систем с рециркуляцией воздуха (АсПТСРВ) и систем приточно-вытяжной вентиляции, выявило ряд серьезных недостатков раздельной подачи рециркулируемого и приточного воздуха в производственные помещения этими системами.

Рециркуляционный агрегат для производственных помещений (РА) [1] осуществляет 9 функций, одной из которых является смешение приточного и рециркулируемого воздуха в единый поток, имеющий комфортные для восприятия значения температуры и относительной влажности. Смешанный воздух подается в рабочую зону производственного помещения для создания в ней комфортного микроклимата.

Раздельная подача рециркулируемого и приточного воздуха в производственные помещения образует три группы недостатков, вызывающих:

— ухудшение условий труда в производственных помещениях;

— увеличение эксплуатационных затрат на обслуживание АсПТСРВ и систем приточно-вытяжной вентиляции, расположенных на различных площадках;

— увеличение энергозатрат в системах приточно-вытяжной вентиляции на нагревание и охлаждение приточного воздуха в холодный и теплый периоды года из-за вынужденного ограничения величины относительной влажности приточного воздуха (φ_{пр max} = 0,75).

К недостаткам, вызывающим ухудшение условий труда в производственных помещениях, относятся:

1. Наличие в производственном помещении перекрестных воздушных потоков рециркулируемого и приточного воздуха, образующих сквозняки, сопровождаемые низкой температурой (t_пр = 15 °С) и высокой относительной влажностью (φ_пр = 0,75) приточного воздуха в холодный период года, которые вызывают простудные заболевания и появление миозитов у работающих.

2. Плохое качество смешения свежего приточного воздуха, обогащенного отрицательными аэроионами, которые необходимы для нормального дыхания работающих, и рециркулируемого воздуха, прошедшего глубокую фильтрацию и имеющего нулевое содержание отрицательных аэроионов.

3. Неравномерное распределение приточного воздуха по рабочим местам.

Плохое качество смешения приточного и рециркулируемого воздуха и неравномерное распределение приточного воздуха по рабочим местам образуют дефицит отрицательных аэроионов в рабочей зоне, который вызывает снижение иммунитета и производительности труда, повышение заболеваемости работающих и увеличение числа больничных листов.

Разработанный авторами «Рециркуляционный агрегат для производственных помещений» (РА) [1] укрупненно содержит в одном корпусе высокоэффективный рукавно-картриджный фильтр (РКФ) [2] многоотраслевого применения для трехступенчатой очистки аспирационного воздуха от пыли (Е = 99,99999%) с высоким начальным пылесодержанием С_н (до 50 000 мг/м³) и встроенный смесительный модуль с кондиционером, имеющим гибридную DEC-систему, установкой обратного осмоса для деминерализации водопроводной воды со шкафом управления и насосом высокого давления. РА является многофункциональным агрегатом, осуществляющим следующие функции:

— аспирации рабочей зоны;

— транспортирования отходов механической обработки по трубам от технологического оборудования к РКФ;

— трехступенчатой очистки аспирационного воздуха в РКФ;

— деминерализации водопроводной воды в установке обратного осмоса;

— дозированной подачи деминерализованной воды к адиабатическим увлажнителям кондиционера;

— кондиционирования приточного воздуха с получением параметров (t_к = 15 °С, φ_к = 0,875÷0,825);

— смешения влажного кондиционированного воздуха с параметрами (t_к = 15 °С, φ_к = 0,875÷0,825) с очищенным в РКФ более сухим рециркулируемым воздухом с параметрами (t_рец = 20 °С и φ_рец = 0,5);

— подачи единого потока смешанного воздуха вентилятором (РА) в производственное помещение;

— обеспечения требуемого отрицательного или положительного дисбаланса в воздухообмене производственного помещения за счет регулирования производительности вентиляторов приточной и вытяжной камер кондиционера.

РА заменяет раздельные потоки рециркулируемого и приточного воздуха, вызывающие вышеперечисленные недостатки, на единый поток качественно смешанного кондиционированного приточного и очищенного в РКФ рециркулируемого воздуха с параметрами, обеспечивающими его комфортное восприятие поверхностью тела и органами дыхания работающих.

При использовании РА совместно с разветвленным воздуховодом переменного сечения, размещаемым в производственном помещении, равномерно раздающим смешанный рециркулируемый и приточный воздух непосредственно по рабочим местам, с выходом смешанного воздуха в рабочую зону через низкоскоростные воздухораспределители «Арктос» типа 1ВНК или 1ВНУ, устанавливаемые на полу и обеспечивающие принцип вытесняющей вентиляции, создается комфортный микроклимат в рабочей зоне производственных помещений.

При этом устраняются всасывающий и приточный воздуховоды в производственном помещении.

В статье приводится описание конструкции рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1] и дается алгоритм с формулами для расчета параметров по зонам тепловлажностного состояния приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров (с гибридной [1] и классической [3] DEC-системами) в холодный и теплый периоды года. Приводится расчет повышения энергетической эффективности гибридной DEC-системы по сравнению с классической DEC-системой [3].

Описание конструкции рециркуляционного агрегата для производственных помещений РА

Базовым агрегатом РА является модульный рукавно-картриджный фильтр (РКФ) [2], который выпускается ООО «ЭкоФильтр» с линейной производительности от 20 000 до 100 000 м³/ч и набираемый из модулей производительностью 10 000 м³/ч. В зависимости от производительности в базовый агрегат РА встраивается один или два смесительных модуля для кондиционирования приточного воздуха и его смешения с очищенным в РКФ рециркулируемым воздухом.

ООО «ЭкоФильтр» готовит для запуска в производство две модификации РА.

Модификация РА1 производительностью от 20 000 до 50 000 м³/ч. РА1 будет содержать один РКФ и один смесительный модуль.

Модификация РА2 производительностью от 60 000 до 100 000 м³/ч. РА2 будет содержать два РКФ и два смесительных модуля.

На рис. 1 приведена конструкция рециркуляционного агрегата для производственных помещений [1] модификации РА2.

Рециркуляционный агрегат модификации РА2 (рис. 1) состоит из двух рукавно-картриджных фильтров (РКФ) и двух встроенных модулей 21 кондиционирования приточного воздуха и его смешения с рециркулируемым дополнительно очищенным воздухом. Каждый РКФ содержит модуль двухступенчатой очистки воздуха 1 и модуль дополнительной очистки воздуха 2. Модуль двухступенчатой очистки воздуха 1 содержит входную пылеосадочную камеру 3 с входным патрубком загрязненного воздуха 4, основную пылеулавливающую камеру 5 с секциями каркасных фильтрующих рукавов, основной бункер 6 с разгрузителем и шлюзовым затвором 7, камеру очищенного воздуха 8.

Модуль дополнительной очистки воздуха 2 содержит камеру дополнительного пылеулавливания 11 с секциями фильтрующих картриджей, дополнительный бункер 12 с разгрузителем и шлюзовым затвором 13, разгружающим мелкодисперсную пыль в контейнер 14, и камеру дополнительно очищенного воздуха 15.

При этом модули двухступенчатой очистки воздуха 1 установлены зеркально, а входные пылеосадочные камеры 3 и камеры очищенного воздуха 8 соединены попарно с примыканием друг к другу через вертикальные разделительные перегородки. Кроме этого, модули двухступенчатой очистки воздуха 1 установлены в рециркуляционном агрегате между модулями дополнительной очистки воздуха 2 с обеспечением поступления в них двух противоположно направленных потоков очищенного воздуха через входные окна 10, а встроенные модули 21 кондиционирования приточного воздуха и его смешения с рециркулируемым дополнительно очищенным воздухом размещены по краям рециркуляционного агрегата с охватом задних торцовых стенок камер дополнительного пылеулавливания 11 и дополнительно очищенного воздуха 15. При этом вертикальная разделительная перегородка между камерами очищенного воздуха 8 снабжена центральной дверью, обеспечивающей совместно с сервисными дверьми в передних и задних торцовых стенках камер дополнительно очищенного воздуха 15 и сервисными решетчатыми трапами через входные окна 10 для очищенного воздуха сквозной сервисный проход по всей длине рециркуляционного агрегата, а шлюзовые затворы 7 основных бункеров 6 снабжены собирающим тройником 9, обеспечивающим выгрузку уловленных механических примесей из основных бункеров 6 в одно транспортное средство 26 для удаления механических примесей. Дополнительно очищенный воздух через выпускные патрубки 18 и собирающий коллектор 19 подается центробежным вентилятором 20 в воздуховод 25 для смешения кондиционированного приточного и дополнительно очищенного рециркулируемого воздуха.

Водопроводная вода подается в установку обратного осмоса 23 для ее деминерализации, из которой деминерализованная вода подается насосом высокого давления в адиабатические увлажнители кондиционера 22 для распыления через форсунки методом высокого давления humi Fog (Carel).

Описание конструкции встроенного смесительного модуля

На рис. 2 приведена конструкция встроенного смесительного модуля для кондиционирования приточного воздуха и его смешения с дополнительно очищенным рециркулируемым воздухом.

Центробежный вентилятор 20 встроенного смесительного модуля 21 подает дополнительно очищенный в РКФ воздух в рециркуляционный воздуховод 27, который снабжен двумя встроенными в него односторонними тройниками с прямой врезкой 28 и 35, первый из которых по ходу воздушного потока 28 выполнен раздающим, а второй 35 — собирающим, и воздуховодом 25 для смешения кондиционированного приточного и дополнительно очищенного воздуха, соединенным на выходе с выпускным двусторонним патрубком 36 для единого потока смешанного кондиционированного приточного и рециркулируемого дополнительно очищенного воздуха.

Свежий наружный воздух поступает во входной патрубок 33 приточной камеры 30 кондиционера 22. Прямая врезка раздающего одностороннего тройника 28 рециркуляционного воздуховода дополнительно очищенного воздуха 27 соединена воздуховодом 37 с входным патрубком 31 вытяжной камеры 29 кондиционера 22, а выпускной патрубок 34 приточной камеры 30 кондиционера 22 соединен воздуховодом 38 с прямой врезкой собирающего одностороннего тройника 35 рециркуляционного воздуховода 27 дополнительно очищенного воздуха. Отработанный в кондиционере вытяжной воздух выбрасывается через выпускной патрубок 32 вытяжной камеры 29 в атмосферу. При одинаковой производительности вентиляторов приточной 30 и вытяжной 29 камер объемный расход воздуха, выходящего из двустороннего патрубка 36, будет равен объемному расходу дополнительно очищенного воздуха (м³/ч) в рециркуляционном воздуховоде 27 на выходе из центробежного вентилятора 20. Рециркуляционный воздуховод 27 снабжен управляемыми воздушными клапанами 39 и 40. Клапан 39 выполнен нормально закрытым, а клапан 40 нормально открытым.

При открытом воздушном клапане 39 и закрытом клапане 40 дополнительно очищенный воздух выбрасывается в атмосферу через отверстие 41.

Описание принципиальной схемы кондиционера с гибридной DEC-системой

Принципиальная схема кондиционера с гибридной DEC-системой приведена на рис. 3.

Гибридная DEC-система 43 состоит из двух рекуператоров — адсорбционного роторного рекуператора 45 и пластинчатого трехкаскадного рекуператора V-образного исполнения 46 с волнообразными вставками между пластинами, адиабатических увлажнителей приточного 49 и вытяжного 51 воздуха и нагревателя 52 вытяжного воздуха.

Суммарная эффективность рекуперации теплоты пластинчатым трехкаскадным перекрестноточным рекуператором V-образного исполнения с волнообразными вставками между пластинами определялась по формуле

 

 

где n — число пластинчатых теплообменников с волнообразными вставками в трехкаскадном рекуператоре V-образного исполнения; n = 3; Φ_c_Ri— сухая эффективность рекуперации теплоты пластинчатым рекуператором с волнообразными вставками. Для теплообменников компании Klingenburg Φ_c_Ri = 0,7.

Расчетную мощность N_p, кВт, воздухонагревателя вытяжного воздуха 52 определяют по формуле

 

 

 

где G_c — массовый поток сухого вытяжного воздуха, кг/ч; С_рс — удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, кДж/кг; С_рс = 1,005; Δt_9,8_Ηmax— максимальный перепад температур на нагревание вытяжного воздуха в нагревателе кондиционера в холодный и теплый периоды года, °С. Определяется из выражения

 

 

 

где t₈, t₉ — температура вытяжного воздуха на входе и на выходе из нагревателя, °С; 3600 — коэффициент перевода кДж в кВт.

Зависимость перепада температур на нагревание вытяжного воздуха Δt_9,8_Η в кондиционере от относительной влажности приточного воздуха φ₅

 

 

 

С целью экономии энергозатрат на кондиционирование приточного воздуха его нагревание в кондиционерах производственных помещений обычно ведут до t₅ = 15 °C.

При раздельной подаче приточного и рециркулируемого воздуха в производственное помещение относительную влажность приточного воздуха при t₅ = 15 °C устанавливают равной φ₅ ≤ 75 %. Однако при смешении влажного приточного и более сухого рециркулируемого воздуха величину относительной влажности приточного воздуха φ₅ можно повысить и получить при этом энергосбережение.

Выбор величины относительной влажности приточного воздуха φ₅ осуществлялся по результатам расчета параметра Δt_9,8_Η, характеризующего величину энергозатрат, в зависимости от величины φ₅, которые приведены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что при заданной температуре приточного воздуха t₅ = 15 °C и параметрах наружного воздуха (t₁ = -30 °C, φ₁ = 0,83) увеличение относительной влажности приточного воздуха φ₅ с 0,75 до 0,825 приводит в кондиционере с гибридной DEC-системой и эффективностью рекуперации теплоты пластинчатым трехкаскадным рекуператором  Φ_t_R2 к снижению перепада температур на нагревание вытяжного воздуха  Δt_9,8_Η  с 57,7 до 12,3 °С, и дефицита влаги Δd^5,4 c 5,71 до 3,84 г/кг сух.возд. При этом температура приточного воздуха на выходе из адсорбционного роторного рекуператора t₂ уменьшается с 85,6 до 48,8 °С, а температура вытяжного воздуха на выходе из нагревателя t₉ уменьшается с 135,1 до 57,5 °С.

Дальнейшее увеличение относительной влажности приточного воздуха φ₅ с 0,825 до 0,85 при t₁ = -30 °C приводит к уменьшению значений температуры t₂ и t₉ и ухудшению качества регенерации адсорбента, которым покрыты ячейки матрицы адсорбционного ротора. Поэтому для диапазона температур наружного воздуха t₁ = 0÷(-30) °C и t₅ = 15 °C следует рекомендовать величину относительной влажности приточного воздуха φ₅ = 0,825.

Параметры приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров с DEC-системой в холодный период года

Значения параметров приточного и вытяжного воздуха в сравниваемых кондиционерах с гибридной и классической DEC-системами в холодный период года приведены в табл. 2.

В сравниваемых кондиционерах используются:

— в качестве рекуператора № 1 в гибридной и классической DEC-системах адсорбционное колесо Hoval;

— в качестве рекуператора № 2 — в гибридной DEC-системе — пластинчатый трехкаскадный рекуператор V-образного исполнения, а в классической DEC-системе — роторный рекуператор-теплообменник.

Рассчитанные в табл. 2 значения температур вытяжного воздуха на выходе из нагревателя 52 (t₉), °С, сравниваемых кондиционеров обеспечиваются за счет регулирования мощности N_расч нагревателя 52, которая определяется по формуле (2).

В расчет температуры вытяжного воздуха t₉ (табл. 2) для сравниваемых кондиционеров в холодный период года заложены значения относительной влажности приточного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя φ₅, обеспечивающие получение температуры вытяжного воздуха на выходе из нагревателя t₉ > 55 °С, которая гарантирует хорошее качество регенерации адсорбента в адсорбционном колесе Hoval в диапазоне температур наружного воздуха t₁ = 0÷(-30) °С.

Параметры приточного и вытяжного воздуха сравниваемых кондиционеров с DEC-системой в теплый период года

В теплый период года в кондиционере с гибридной DEC-системой работает только один адиабатический увлажнитель вытяжного воздуха 51, а в кондиционере с классической DEC-системой [3] оба адиабатических увлажнителя приточного 49 и вытяжного 51 воздуха.

Параметры приточного и вытяжного воздуха в сравниваемых кондиционерах в теплый период года, рассчитанные по формулам табл. 2, приведены в табл. 3.

Температура t_см и относительная влажность φ_см смешанного кондиционированного и рециркулируемого воздуха

Построение процесса смешения кондиционированного приточного и рециркулируемого воздуха в холодный период года осуществлялось по стандартной методике [5] на i—d-диаграмме при следующих параметрах кондиционированного (к) и рециркулируемого (рец) воздуха:

 

 

 

При этом массовые потоки сухого воздуха составляют:

— для рециркулируемого воздуха

 

 

 

 

— для кондиционированного воздуха

 

 

 

 

Коэффициент смешения составил m = 54 000:6047 ≈ 9.

Число частей на адиабате 1–2 1 + m = 1 + 9 = 10.

Точка 1 строится на пересечении изотермы t_к = 15 °С и линии влагосодержания d_к = 8,79 г/кг сух. возд., а точка 2 — на пересечении изотермы t_рец = 20 °С и линии влагосодержания d_к = 7,29 г/кг сух. возд.

От точки 1 откладывают отрезок, пропорциональный G_рец (9 частей) и получают точку 3, по которой определяются все параметры смеси (рис. 4):

— температура 19,2 °С

— влагосодержание 7,5 г/кг сух. возд.

— относительная влажность 0,525.

Установленная мощность воздухонагревателя вытяжного воздуха кондиционера

Расчетная мощность нагревателя вытяжного воздуха для кондиционера с гибридной DEC-системой составит

 

 

 

Δt_9,8_Ηmax — максимальный перепад температур на нагревание вытяжного воздуха в нагревателе 52, °С Δt_9,8_Ηmax = 16,6 °С (табл. 2).

Установленная мощность нагревателя составит N_у = 35 кВт.

Заключение

1. Рециркуляционный агрегат для производственных помещений (РА) [1] является многофункциональным агрегатом, так как выполняет девять функций.

2. РА является агрегатом многоотраслевого применения и создан методом агрегатирования с применением в качестве базового агрегата рукавно-картриджного фильтра (РКФ) многоотраслевого применения.

3. Применение в РА кондиционера с гибридной DEC-системой по сравнению с кондиционером, имеющим классическую DEC-систему [3], обеспечивает повышение энергоэффективности гибридной DEC-системы Ф_DEC, %:

• в холодный период года в диапазоне температур t₁ = 0÷(-30) °С на ~ 43%;

• в теплый период года в диапазоне температур t₁ = 11÷30 °С на 61,8÷62,8%.

4. Смешение кондиционированного влажного приточного воздуха с параметрами (t_к = 15 °С и φ_к = 0,875÷0,825) с более сухим рециркулируемым воздухом, имеющим параметры (t_рец = 20 °С и φ_рец = 0,5), обеспечивает получение единого потока смешанного воздуха с параметрами (t_см = 19÷19,2 °С и φ_см = 0,53÷0,52).

5. РА обеспечивает снижение эксплуатационных расходов на техническое обслуживание РКФ, кондиционера и установки обратного осмоса для деминерализации воды с насосом высокого давления за счет расположения указанного оборудования в одном корпусе РА.

6. При использовании РА совместно с разветвленным воздуховодом переменного сечения, размещаемым в производственном помещении и равномерно раздающим смешанный рециркулируемый и приточный воздух непосредственно по рабочим местам с выходом смешанного воздуха в рабочую зону через низкоскоростные воздухораспределители «Арктос» типа 1ВНК или 1ВНУ, устанавливаемые на полу и обеспечивающие принцип вытесняющей вентиляции, создается комфортный микроклимат в рабочей зоне производственных помещений.

7. Применение в РА рукавно-картриджного фильтра (РКФ) с эффективностью очистки аспирационного воздуха Е = 99,99999% и кондиционера с гибридной DEC-системой позволяет отнести РА к «экологически чистым» системам, которые отвечают требованию «обеспечения устойчивости среды обитания», предъявляемому международными рейтинговыми программами LEED, BREEM, DGNB к инженерным системам ОВК нового поколения.

Литература

1. Патент РФ на изобретение № 2569245. Рециркуляционный агрегат для производственных помещений / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.

2. Патент РФ на изобретение № 2539156. Фильтр рукавно-картриджный для очистки воздуха от механических примесей / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 10.01.2015. Бюл. № 1.

3. Воскресенский В. Е., Гримитлин А. М. Адиабатическое увлажнение воздуха в кондиционерах с DEC-системой. Расчет величины косвенного охлаждения // Инженерные системы АВОК «Северо-Запад». № 4. 2015. С. 16–21.

4. Справочник по проектированию, монтажу и эксплуатации. Ротационные теплообменники для рекуперации тепловой энергии в вентиляционных установках. Hoval, 27 c. hoval-rekuperaciyatepla.ru/zoolu-website/media/document/ 4640/.

5. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика: в 2 т. Т. 2, ч. 2: Системы вентиляции: учебное пособие. СПб.: АВОК «Северо-Запад». 2012. 704 с.: ил.

 

Скачать статью в pdf-формате: Рециркуляционный многофункциональный агрегат для производственных помещений