Разработка нового метода проведения процессов и многофункционального аппарата в системах кондиционирования воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Чунаев, Михаил Викторович

• Чунаев, Михаил Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чунаев, Михаил Викторович

Введение

Условные обозначения

Глава 1. Состояние исследуемого вопроса и задача исследования

1.1. Основные процессы в системах кондиционирования воздуха

1.2. Технико-экономические показатели оборудования в системах кондиционирования воздуха

1.3. Новые технические решения - аппараты со встречными закрученными потоками

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. Разработка метода и рациональной схемы комплексной обработки воздуха для повторного использования тепла

2.1. Схема утилизации тепла и влаги при комплексной обработке воздуха

2.2. Разработка новых процессов обработки воздуха и их изображение на i-d диаграммах

2.3. Снижение затрат на обработку воздуха способами вытеснителыюй вентиляции

Глава 3. Разработка и расчет многофункционального аппарата ВЗПМ

3.1. Математические модели аппаратов ВЗП

3.2. Новая конструкция многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ

3.3. Экспериментальные исследования и расчет многофункционального аппарата ВЗПМ

Глава 4. Математическое моделирование расчета теплопоступлений и тепло потерь

4.1. Математическая модель конвективного теплообмена в помещении

4.2. Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции

Математическая модель теплопередачи через заполнение светового проема

Учет внутреннего оборудования в тепловом балансе помещения

Глава 5. Разработка методов и средств снижения виброакустической активности систем вентиляции и кондиционирования

5.1. Методика расчета виброизолирующих оснований под центробежные агрегаты

5.2. Расчет и проектирование виброизолирующих оснований под вентиляционные установки

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка нового метода проведения процессов и многофункционального аппарата в системах кондиционирования воздуха»

В технологических процессах химической, текстильной и других отраслей промышленности находят возрастающее применение аппараты со встречными закрученными потоками (ВЗП). Высокая эффективность и маневренность аппаратов ВЗП позволяет успешно применять их для самых различных технологических процессов.

Одной из важных задач в действующих и проектируемых производствах является совершенствование систем кондиционирования воздуха (СКВ) производственных помещений. В данной работе была решена актуальная научная задача разработки нового метода проведения процессов увлажнения и смешения пылегазовых потоков с одновременным обеспыливанием в СКВ на базе аппаратов ВЗП и создания многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками ВЗПМ.

Цель работы заключалась в разработке нового метода и рациональной технологической схемы для процессов увлажнения, смешения и обеспыливания воздуха применительно к задаче кондиционирования воздуха производственных помещений с применением аппаратов ВЗП, обеспечивающих возможность повторного использования тепла, в том числе при сильно запыленном воздухе. Также в работе представлена разработка методики снижения виброакустического воздействия вентиляторов, входящих в технологическую схему.

Новый метод тепловлажностной обработки воздуха с использованием аппаратов ВЗП, позволяет создать энергосберегающую технологию применительно к задачам кондиционирования воздуха производственных помещений и имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими решениями.

В разработанной схеме для подготовки наружного воздуха используется малогабаритная установка, а основная масса используемого повторно воздуха обрабатывается в аппаратах ВЗП.

Возможность использования повторно тепла и влаги сильно запыленного воздуха производственного помещения (более 50 мг/м3), позволила для обработки свежего наружного воздуха применить установку, производительностью 104

15% от общего объема воздуха, при этом циркуляционный воздух очищается и увлажняется с помощью аппаратов ВЗП, обеспечивающих степень очистки (в том числе и от волокнистых пылей) до 97%. Аппарат ВЗП, впервые примененный для увлажнения воздуха, установленный за пылеуловителем, выполняет также функцию мокрого пылеуловителя и смесителя двух потоков воздуха, что обеспечивает очистку воздуха до санитарных норм.

Разработанная схема позволяет достичь параметров приточного воздуха в более широком диапазоне влажности, понизив тем самым его объем, что дает возможность применения менее мощного климатического оборудования.

Основными преимуществами данного метода является высокая эффективность обработки воздуха, возможность использования повторно тепла и влаги удаляемого воздуха, существенное снижение стоимости оборудования и сокращение производственных площадей, простота эксплуатации и более стабильная работа всей системы в целом, связанная, в частности, с отсутствием ненадежных фильтров.

Новый метод позволяет избежать выпадения конденсата и его обледенения на стенках лопатки воздушных клапанов, регулирующих поступление холодного воздуха в камеру смешения.

При разработке технологической схемы, возникла необходимость в аппа-ратурно-техническом оформлении аппаратов ВЗП в соответствии с требованиями схемы. На основании данных теоретических и экспериментальных исследований был разработан аппарат ВЗПМ со встроенной камерой смешения, обеспечивающий производительность по воздуху до 100000 м3/ч при диаметре рабочей камеры 2000 мм.

В разработанном комбинированном многофункциональном аппарате ВЗПМ в рабочем пространстве первой ступени образуются, как и в классическом аппарате ВЗП, два закрученных в одну сторону, но встречно направленных потока: восходящий - в центральной части камеры и нисходящий - в периферийной части. Для обработки воздуха в камеру подается вода, распыляемая центробежными тангенциальными форсунками. Под действием центробежных сил капли воды, отбрасываются на вертикальные стенки аппарата и по ним стекают в нижнюю часть камеры. Затем увлажненный воздух выводится из камеры через выхлопной патрубок, расположенный в верхней части аппарата, и поступает в камеру смешения. Часть наружного воздуха, заранее подготовленная в СКВ, через тангенциальный закручиватель подается в камеру смешения, где поток увлажненного воздуха смешивается с наружным. Увеличение диаметра камеры смешения относительно первой ступени аппарата, где происходит увлажнение и мокрое обеспыливание, обеспечивает падение скорости воздуха в поперечном сечении аппарата и, как следствие, не создавая существенного дополнительного аэродинамического сопротивления, способствует предотвращению каплеуноса. На выходе из аппарата установлен раскручиватель.

Разработанный аппарат позволяет осуществлять адиабатное и политропное увлажнение воздуха с последующим его смешением с воздухом других параметров. Использование аппарата ВЗПМ применительно к задачам кондиционирования дает возможность отказаться от использования камеры орошения и камеры смешения в том виде, в каком они представляются в традиционных СКВ, что является большим преимуществом, так как сокращает металлоемкость оборудования и площадь, занимаемую кондиционером, позволяет осуществлять подготовку рециркуляционного воздуха автономно от СКВ. Очистка циркуляционного воздуха с помощью вихревого пылеуловителя ВЗП, способствует более стабильному протеканию процессов увлажнения и смешения.

Производственный корпус текстильного производства представляет собой сложную архитектурно-конструктивную систему с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса теплоты.

Под действием разности температур наружного и внутреннего воздуха и солнечной радиации помещение через ограждающие конструкции в зимнее время теряет, а в летнее получает теплоту. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися цехами и к его фильтрации через поры материалов и неплотности ограждений. Перетекание воздуха из одного производственного цеха в другой является крайне негативным фактором, поскольку воздух содержит в себе не только большое количество пыли, но и различные химические добавки, образующиеся, например, при химической отделке ткани. В то же время атмосферные осадки, тепло- и влаговыделения, образованные от оборудования и технологических процессов, повышенная разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение их теплозащиты. Эти факторы негативным образом влияют на работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также затрудняют оценить эффективность утилизации тепла, оптимизировать работу климатической установки и предотвратить возможность установки климатического оборудования завышенной производительности.

Для описания и расчета процессов, вызванных перечисленными факторами, диссертантом представлены математическая модель конвективного теплообмена в помещении, модель теплопередачи через ограждающие конструкции и заполнение светового проема, а также учет внутреннего оборудования в тепловом балансе помещения. Данные модели позволяют более точно оценить изменение температуры воздуха во внутреннем объеме помещения, что имеет большое значение при применении методов по утилизации тепла и влаги.

Разработанная рациональная схема с аппаратами ВЗП и ВЗПМ, для обеспечения эффективной обработки воздуха в необходимом объеме, включает в свой состав центробежные вентиляторы, являющиеся серьезными источниками шума и вибрации и нарушающими санитарную обстановку на рабочих местах. В связи с этим возникла необходимость в разработке методики по борьбе с шумом вентиляторов с различной скоростью вращения рабочего колеса и смещенным относительно оси центром.

В работе представлены технические решения и методика расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации центробежных вентиляторов. Это позволит уменьшить динамические нагрузки на строительные конст7 рукции, а также снизить шум в смежных и отдаленных помещениях, возникающий вследствие передачи вибрации на строительные конструкции. Разработанная методика предусматривает применение виброизоляции в опорном варианте.

В результате проведенной работы удалось:

- разработать новый метод и принципиально новую схему обработки воздуха, позволяющую с помощью аппаратов со встречными закрученными потоками в отличие от традиционных тканевых фильтров, обеспечить степень очистки воздуха с запыленностью свыше 50 мг/м3 и решить ряд задач по увлажнению, санитарной очистке и смешению воздуха, с целью повторного использования тепла и влаги;

- разработать новый многофункциональный двухступенчатый аппарат со встречными закрученными потоками ВЗПМ, совмещающий процессы увлажнения, мокрой очистки от тонкой пыли и смешения воздуха, отличающийся высокими технико-экономическими показателями;

- разработать математические модели конвективного теплообмена в производственных помещениях применительно к новой технологической схеме с аппаратами ВЗПМ с учетом тепловыделений технологического оборудования и теплопередачи через ограждающие конструкции производственного корпуса;

- создать методику расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации центробежных вентиляторов, входящих в технологическую схему.

Проведенные исследования показали, что применение разработанной технологической схемы с вытеснительной вентиляцией позволяет более чем в 2 раза сократить требуемую производительность приточных и вытяжных систем по сравнению с известными ранее решениями. Комплекс разработанных технических решений позволяет уменьшить расход теплоносителя для нагрева наружного воздуха до 50%.

Предложенные решения приняты к реализации на ряде промышленных химических и текстильных предприятий («Мосшелк», «Новоивановская мануфактура», «Московский ткацко-отделочный комбинат» и др.).

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ОКФь ОКФ2- ОКФ КТЦ 2-10 исн.1. dc=9 мм и исп.2. dc=9 мм соответственно h/D - отношение высоты форсунок на боковой поверхности аппарата к его диаметру (Хф0 - угол наклона форсунок ев, е - отношение расходов воды и расхода воздуха по вводам соответственно V=V(x,y,z,f) - скорость движения воздуха ITj;k - тензор плотности потока импульса

- единичный и «вязкий» тензор соответственно ц и Ъ, - коэффициенты вязкости о - завихренность, круговая частота вынуждающей силы ((0=2n;f), Гц; функция тока Vx и Vy - проекции скорости на оси ОХ и OY Р - коэффициент объемного расширения воздуха Т*- температура фазового перехода вода-лед, °С L - льдистость материала, доли единицы w - весовая влажность материала, доли единицы Wi - удельная теплота фазового перехода, Дж/кг

- Т*) - дельта-функция Дирака JF - расход воздуха через единицу поверхности ограждения, кг/(м *ч) Qsou - удельная мощность источников тепла в ограждении, Вг/м Lr расход воздуха через i-ую ограждающую конструкцию

Pho, PhR ~ наружное и внутреннее статическое давление на высоте соответственно h м, Па hEQj - коэффициент конвективного теплообмена между поверхностью оборудования, имеющей номер i, и внутренним воздухом, Вт/(м2х°С)

TEQ, TR, Tj - соответственно температура поверхности оборудования, внутреннего воздуха и «окружающих» поверхностей, °С

FEQ i, FEQj - соответственно поверхности оборудования, участвующие в конвективном теплообмене, м

Фу- коэффициент облученности f0 - ближайшая собственная частота перекрытия к f, Гц; f — частота вынужденной силы, Гц m=PCT0/q, М - масса виброизолируемой установки и фундамента соответственно, кг

Fx, Fy, Fz - амплитуды вынужденных сил в направлении соответствующих осей, кг

Мх, Му, Mz - амплитуды вынужденных моментов относительно соответствующих осей, кг

К<рХ, К<рУ, K<pZ- суммарные угловые жесткости виброизоляторов относительно осей, кг/м

Кх, Ку, Kz- суммарные жесткости виброизоляторов в направлении соответствующих осей, кг/м.

Kz= n><Kz-суммарная жесткость виброизоляторов в вертикальном направлении (п -общее количество виброизоляторов); ах> 3y> Эг- координатные точки А относительно центра тяжести установки

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Чунаев, Михаил Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан новый метод и принципиально новая схема обработки воздуха для химических, текстильных и других предприятий с повышенным пылевыделением, позволяющая с помощью аппаратов со встречными закрученными потоками в отличие от традиционных тканевых фильтров, обеспечить степень очистки воздуха с запыленностью свыше 50 мг/м3 и решить ряд задач по увлажнению, санитарной очистке и смешению воздуха, с целью повторного использования тепла и влаги, содержащихся в удаляемом из производственного цеха воздухе.

2. Разработан новый многофункциональный двухступенчатый аппарат со встречными закрученными потоками ВЗПМ, совмещающий процессы увлажнения, мокрой очистки от тонкой пыли и смешения воздуха, отличающийся высокими технико-экономическими показателями. Использование разработанной схемы с аппаратом ВЗПМ, позволило сократить габариты оборудования, существенно сократить затраты теплоносителя на нагрев наружного воздуха (до 20%) и эксплуатационные затраты.

3. Разработаны математические модели конвективного теплообмена в производственных помещениях применительно к новой технологической схеме с аппаратами ВЗПМ с учетом тепловыделений технологического оборудования и теплопередачи через ограждающие конструкции производственного корпуса.

4. Создана методика расчета виброизолирующих оснований для снижения шума и вибрации, имеющихся в схеме центробежных вентиляторов.

5. Проведенные исследования показали, что применение разработанной технологической схемы с вытеснительной вентиляцией позволяет более чем в 2 раза сократить требуемую производительность приточных и вытяжных систем по сравнению с известными ранее решениями. Комплекс разработанных технических решений позволяет уменьшить расход теплоносителя для нагрева наружного воздуха до 50%.

6. Предложенные решения приняты к реализации на ряде промышленных химических и текстильных предприятий («Мосшелк», «Новоивановская мануфактура», «Московский ткацко-отделочный комбинат» и д.р.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чунаев, Михаил Викторович, 2005 год

1. Сажин Б.С. Аппараты с активными гидродинамическими режимами для сушки дисперсных волокнообразующих полимеров. М., Изд. МТИ, 1980

2. Сажин Б.С. Гидродинамика взвешенного слоя. М., Изд. МТИ, 1978

3. Сажин Б.С., Векуа ТЛО. Математические модели аппаратов со встречными закрученными потоками. М., Изд. МТИ, 1979

4. Сажин Б.С, Шадрина Н.Е. Выбор и расчет сушильных установок на основе комплексного анализа влажных материалов как объектов сушки. М., Изд. МТИ, 1979

5. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. Пер. с англ. / Под ред. Н.М. Жаворонкова и В.А. Малюсова. М., Химия, 1974

6. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. Т. 1. Физическая адсорбция. Пер. с англ. / Под ред. М. Дубинина. М., Госиздат иностр. лит., 1948

7. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М. Пищевая промышленность, 1973

8. Дубинин М.М. В кн.: Основные проблемы теории физической адсорбции. Труды первой Всесоюзной конференции по теоретическим вопросам адсорбции. М., Наука, 1970

9. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М., Химия, 1978

10. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М., Энергия, 1973

11. Красников В.В. В кн.: Интенсификация тепловлагопереноса в процессах сушки. Киев, Наукова думка, 1979

12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 5. Статистическая физика.

13. Ч. 1.М., Наука, 1976. 583 с. 11.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М., Наука, 1978

14. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической промышленности М., Химия, 1972

15. Романков П.Г., Рашковская II.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. Л., Химия, 197516. ЦИНТИХимнефтемаш. 1975

16. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и18