Способ и система кондиционирования воздуха
Изобретение относится к способам и средствам кондиционирования воздуха как при кондиционировании воздуха в жилых, так и в технологических помещениях. Способ кондиционирования воздуха включает смешение наружного и внутреннего воздуха, очистку, нагревание и увлажнение воздуха, увлажнение воздуха и его очистку производят одновременно со смешением в закрученном потоке, смешение осуществляют в пропорции, необходимой для достижения требуемой температуры. Способ включает очистку, увлажнение, охлаждение, осушение, нагревание. Перед выравниванием параметра воздуха по температуре, создают закрученный поток, где производят очистку и увлажнение воздуха, осушают охлаждением до выпадения влаги. Система кондиционирования воздуха, реализующая предложенный способ содержит вентилятор, камеру смешения, регулирующие клапаны, приборы регулирования с датчиками, воздухоохладитель, воздухонагреватель и систему орошения, камера смешения выполнена в виде смесителя циклонного типа и совмещена с системой орошения. Повышение эффективности тепломассообмена достигается за счет орошения воздуха жидкостью в закрученном потоке с одновременным уменьшением аэродинамического сопротивления системы. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способам и средствам кондиционирования воздуха и может быть использовано для создания необходимых параметров воздуха как в производственных технологических помещениях, так и в жилых зданиях и сооружениях.
В настоящее время особое внимание уделяют способам приготовления воздуха на основе энергосберегающих технологий. К ним относятся использование естественных источников тепла и холода. Данное изобретение направлено на повышение эффективности использования холода наружного воздуха и тепла воздуха, выделяемого в результате производственных технологических процессов.
Анализ существующих способов и систем кондиционирования воздуха показал их недостаточную эффективность.
Известный способ кондиционирования воздуха, реализованный в системе кондиционирования воздуха (см. А.С. СССР №400780, кл. F 24 F 5/00, опубл. в БИ №40, 1974), предназначен для приготовления необходимых параметров воздуха в технологических помещениях с избыточной теплотой. В этом способе необходимые параметры воздуха достигают путем охлаждения, осушения и увлажнения внутреннего рециркуляционного воздуха, причем когда температура наружного воздуха меньше внутреннего, то охлаждение воздуха отключают, а необходимую температуру и осушение внутреннего воздуха получают путем смешения наружного и внутреннего воздуха.
Известная система кондиционирования воздуха, реализующая указанный способ кондиционирования воздуха, содержит вентилятор, камеру смешения наружного и рециркуляционного воздуха, регулирующие клапаны с исполнительными механизмами и камеру орошения, соединенную трубопроводами с насосом, подающим холодную воду и рециркуляционную воду из поддона камеры, датчики, соединенные с исполнительными механизмами.
В указанной системе кондиционирования воздуха, в случае, когда температура наружного воздуха выше, чем температура внутреннего, подача наружного воздуха прерывается автоматически под действием регулирующего клапана, а внутренний рециркуляционный воздух охлаждается холодной водой в оросительной камере. При температуре наружного воздуха ниже, чем температура внутреннего, клапан наружного воздуха открывается, а подача холодной воды прекращается. В этом случае охлаждение и осушение внутреннего воздуха достигается за счет его смешения с наружным воздухом.
Недостатками известного способа и системы кондиционирования воздуха, реализующей этот способ, является то, что при изменяющейся относительной влажности наружного воздуха в течение суток, его увлажнение после смешения с внутренним воздухом остается непрерывным в результате работы оросительной камеры на рециркуляционной воде, что не выравнивает колебания влажности внутреннего воздуха. Кроме того, отсутствие нагревателя воздуха не обеспечивает необходимого повышения температуры воздуха в технологическом помещении до момента ее самопроизвольного увеличения от технологических процессов, происходящих в помещении.
Более совершенным с позиции поддержания необходимых параметров воздуха является известный способ кондиционирования воздуха, взятый нами за прототип, (см. патент РФ №2162572, кл. F 24 F 3/14, F 26 В 21/00, опубл. в БИ №3, 2002 г.). Способ, взятый нами за прототип, включает следующие операции: смешение наружного и внутреннего воздуха, очистку, охлаждение, осушение, нагревание и увлажнение внутреннего рециркуляционного воздуха в течение всего года, причем при температуре наружного воздуха меньшей или равной температуре приточного воздуха (tнар≤tп), искусственное охлаждение отключают, а необходимую температуру и осушение воздуха достигают за счет смешения наружного и внутреннего воздуха с последующим очищением, нагреванием и увлажнением.
Температуру смешанного воздуха поддерживают автономно ниже уровня температуры, необходимой для технологического помещения, которую называют температурой приточного воздуха (tсм=tп).
Указанный способ кондиционирования воздуха реализован в системе кондиционирования воздуха, которая представлена как вариант осуществления этого способа, и взята нами за прототип. Известная система кондиционирования воздуха содержит вентилятор, камеру смешения наружного и внутреннего рециркуляционного воздуха, фильтр очистки воздуха, регулирующие клапаны с исполнительными механизмами, приборы регулирования с датчиками, воздухоохладитель, воздухонагреватель и камеру орошения.
При температуре наружного воздуха ниже температуры приточного воздуха клапан наружного воздуха автоматически открывается и наружный воздух смешивается с внутренним воздухом в смесительной камере, а воздухоохладитель отключается. После смесительной камеры воздух имеет температуру ниже заданного значения температуры технологического помещения. При дальнейшем своем движении воздух проходит фильтр очистки, а затем подогревается в воздухонагревателе до температуры технологического помещения и по мере необходимости увлажняется в оросительной камере. Таким образом, камера смешения подготавливает воздух только по температуре, причем ниже значения, необходимого для технологического помещения.
Если температура наружного воздуха выше, чем температура приточного воздуха, то клапан перекрывает подачу наружного воздуха, а воздухоохладитель включается для понижения температуры до уровня приточного воздуха с последующим подогревом в воздухонагревателе и увлажнением в оросительной камере до параметров воздуха технологического помещения.
Недостатками этого способа и системы кондиционирования воздуха является то, что камера смешения и воздухоохладитель в период их работы охлаждают внутренний воздух до уровня температуры приточного воздуха, т.е. ниже, чем это необходимо для технологического помещения. При этом воздухонагреватель должен обеспечивать постоянный подогрев воздуха на несколько градусов до уровня температуры технологического помещения, что ведет к большому расходу теплоносителя. Кроме того, низкий уровень температуры приточного воздуха, получаемой после камеры смешения, по сравнению с необходимой температурой помещения, не позволяет использовать более высокую температуру наружного воздуха. Важно учитывать также то, что относительная влажность наружного воздуха в течение суток колеблется в широком диапазоне, а камера смешения в известном способе кондиционирования воздуха подготавливает воздух только по температуре за счет изменения подачи наружного воздуха. Это приводит к еще большему колебанию относительной влажности воздуха после камеры смешения и неэффективной работе камеры орошения после воздухонагревателя, которая в полной мере не выравнивает колебания влажности воздуха и привносит колебания по температуре за счет испарительного эффекта распыляемой воды. Эти недостатки особенно проявляются, когда необходимо подготовить воздух в технологическом пространстве расстоечных шкафов тестовых заготовок, в которых температуру изменяют в пределах 35-40 градусов Цельсия, а относительную влажность воздуха - 60-80%. В этом случае наружный воздух можно использовать круглый год, а смешение должно обеспечить стабильные параметры воздуха по температуре и влажности непосредственно для технологического помещения с избыточной теплотой.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности тепломассообменных процессов и снижение энергоемкости при кондиционировании воздуха с использованием наружного воздуха.
Для выполнения указанной задачи в способе кондиционирования воздуха, включающем смешение наружного и внутреннего рециркуляционного потоков воздуха, очистку, охлаждение, нагревание и увлажнение воздуха, смешение потоков воздуха осуществляют в пропорции, необходимой для достижения требуемой температуры воздуха в помещении, при смешении потоков создают закрученный поток воздуха, при котором осуществляют очистку и увлажнение смеси воздуха с получением влажности воздуха необходимого значения.
Для выполнения указанной задачи в системе кондиционирования воздуха, содержащей вентилятор, камеру смешения наружного и внутреннего рециркуляционного воздуха, фильтр очистки воздуха, регулирующие клапаны с исполнительными механизмами, приборы регулирования с датчиками, воздухоохладитель, воздухонагреватель и камеру орошения, камера смешения выполнена в виде смесителя циклонного типа с цилиндрическим корпусом, к которому подводятся воздуховоды для наружного и внутреннего воздуха, и снабжена оросительной системой в виде трубопроводов с распыляющими жидкость форсунками.
Сущность предлагаемого способа кондиционирования воздуха заключается в том, что одновременно со смешением наружного и внутреннего воздуха, в закрученный поток подают орошающую жидкость с осуществленной очисткой воздуха. Такое сочетание операций позволяет подготовить воздух сразу при смешении потоков воздуха как по температуре, так и по влажности до параметров воздуха, необходимого для помещения. Причем регулирование пропорционального соотношения количества наружного и внутреннего воздуха, а также подачу орошающей жидкости осуществляют автоматически посредством приборов регулирования с исполнительными механизмами. Подача орошающей жидкости при смешении потоков воздуха существенно увеличивает тепломассообмен в результате лучшего дробления частиц жидкости в турбулентном потоке воздуха и, следовательно, увеличения поверхности взаимодействия распыленной жидкости с воздухом. В отличие от способа кондиционирования воздуха, взятого нами за прототип, когда воздух охлаждают при смешении ниже температуры внутреннего воздуха, а затем подогревают на несколько градусов до уровня температуры технологического помещения и увлажняют, в предлагаемом способе - температуру и влажность внутреннего воздуха доводят до необходимых параметров при смешении. Такая подготовка воздуха позволяет поддерживать температуру и влажность внутреннего воздуха с одновременной его очисткой при смешении, что обеспечивает использование наружного воздуха более высокой температуры и в летний период года, когда выполняется условие tнар≤tвнут.
На фиг.1 представлена схема выполняемых операций в предлагаемом способе кондиционирования воздуха.
На фиг.2 схема системы кондиционирования воздуха, работающая по предлагаемому способу.
Способ кондиционирования воздуха состоит из следующих операций. При условии того, что температура наружного воздуха ниже или равна температуре внутреннего воздуха (tнар≤tвнут) выполняют последовательность следующих операций: смешение наружного и внутреннего воздуха в закрученном потоке, осушение, увлажнение и очистку внутреннего воздуха при смешении, нагревание воздуха.
При условии того, что температура наружного воздуха выше, чем температура внутреннего (tнар>tвнут), выполняют последовательность следующих операций: увлажнение и очистка внутреннего воздуха в закрученном потоке, искусственное охлаждение и осушение воздуха, нагревание воздуха.
Указанную последовательность операций выполняют следующим образом.
При температуре наружного воздуха ниже температуры внутреннего воздуха производят смешение в закрученном потоке так, что температура внутреннего воздуха после смешения приобретает необходимое значение. Ввиду того, что при смешении происходит подогрев холодного наружного воздуха от его соприкосновения с теплым внутренним воздухом и в результате этого снижение относительной влажности смеси воздуха, необходимо доувлажнение смеси, которое осуществляют при смешении 1 за счет орошения смеси воздуха жидкостью 2. Таким образом, при смешении обеспечивают требуемые значения внутреннего воздуха по температуре и влажности для помещения 3. Соотношение наружного и внутреннего потоков воздуха при смешении устанавливают автоматически посредством регулирующих клапанов 4, 5, а выпуск избыточного воздуха из помещения 3, клапаном 6. Причем величина открытия клапана 6 такая же, как клапана 4. Циркуляцию внутреннего и наружного потоков воздуха при смешении, а также подачу подготовленного воздуха в помещении 3 производят вентилятором 7. Искусственное охлаждение 8 в этом случае отключено.
Нагревание воздуха 9 используют в начальный момент подготовки воздуха, если температура в помещении 3 меньше заданного значения или когда она понижается в процессе циркуляции внутреннего воздуха и даже при уменьшении подачи наружного воздуха клапаном 4 не повышается. Поддержание заданного уровня температуры воздуха нагреванием 9 производят автоматически.
Для приготовления внутреннего воздуха низкой влажности температуру смешанного воздуха получают ниже, чем необходимая для помещения 3, большим потоком наружного воздуха, а последующим нагреванием смеси воздуха до температуры помещения 3 достигают необходимое значение относительной влажности воздуха. Причем степень осушения воздуха зависит от уровня понижения температуры смеси воздуха. При этом выполняют условие, при котором температура наружного воздуха должна быть ниже или равна, чем требуемая температура смеси воздуха (tнap≤tсм. возд).
В отличие от прототипа, температуру смеси уменьшают не на 2-3 градуса Цельсия, а доводят до уровня получения необходимой осушки воздуха, причем смешением воздуха с одновременным увлажнением достигают получение первоначальной смеси, выравненной как по температуре, так и по влажности, а последующий подогрев обеспечивает получение необходимых параметров воздуха.
При температуре наружного воздуха выше температуры внутреннего или выше температуры полученной смеси воздуха подачу наружного воздуха отключают клапаном 4, а циркулирует только внутренний воздух под действием вентилятора 7 при открытом клапане 5 и закрытом 6. В этом случае искусственным охлаждением воздуха 8 поддерживают не только заданную температуру помещения 3, но и достигают необходимое осушение внутреннего воздуха за счет более глубокого его охлаждения в сочетании с последующим нагреванием 9 до заданной температуры воздуха помещения 3. Доувлажнение внутреннего воздуха орошением 2 осуществляют до охлаждения 8, так как при орошении происходит понижение температуры воздуха и сокращение продолжительности охлаждения 8.
Однако в случае подготовки воздуха для пространства расстоечных шкафов с температурой 35-40 градусов Цельсия и относительной влажностью 60-80% в соответствии с заявляемым способом наружный воздух можно использовать в течение всего года при отсутствии искусственного охлаждения 8.
Система кондиционирования воздуха, представленная на фиг.2, состоит из смесителя циклонного типа 1 с расположенной в верхней его части оросительной системой 2. В смеситель 1 направляют внутренний воздух из помещения 3 и наружный воздух, забираемый за пределами помещения 3. Причем соотношение подаваемых потоков воздуха в смеситель 1 поддерживают автоматически посредством регулирующих клапанов 4 и 5, установленных в воздуховодах наружного и внутреннего воздуха. Избыточный воздух удаляют из помещения 3 через клапан 6. Смесь воздуха из смесителя 1 выводят посредством вентилятора 7, который протягивает воздух через воздухоохладитель 8, воздухонагреватель 9 и дроссельный клапан общего расхода кондиционированного воздуха 10, а затем направляют в помещение 3, где установлены датчики температуры 11 и влажности 12 воздуха. Датчики подают сигналы соответственно терморегулятору 13 и влагорегулятору 14. Терморегулятор 13 автоматически поддерживает необходимую температуру помещения 3 посредством управления электроприводами 15, 16, 17 регулирующих клапанов 4, 5, 6, либо работой воздухоохладителя 8 через электропривод 18 и воздухонагревателя 9 посредством пускателя 19. Влагорегулятор 14 автоматически поддерживает необходимую влажность помещения 3 посредством подачи жидкости в оросительную систему 2 через электромагнитный клапан 20, либо посредством включения воздухоохладителя 8 через электропривод 18 в режиме осушения воздуха.
Температуру наружного воздуха измеряют датчиком 21 с терморегулятором 22, который при превышении температуры наружного воздуха выше температуры внутреннего воздуха закрывает клапаны 4, 6 и открывает клапан 5 посредством электроприводов 15, 16, 17. Для получения низкой относительной влажности воздуха в помещении 3 устанавливают дополнительный датчик температуры 23 с терморегулятором 24 перед воздухонагревателем 9, который при необходимости управляет регулирующими клапанами 4, 5, 6 вместо терморегулятора 13.
Система кондиционирования воздуха для осуществления предложенного способа кондиционирования работает следующим образом. При запуске вентилятора 7 разряжение от всасывающего патрубка передается в смеситель 1. При этом, если температура наружного воздуха выше, чем температура внутреннего воздуха, то регулятор температуры 22 с датчиком 21 переключает терморегулятор 13 с датчиком 11 на управление воздухоохладителем 8 посредством электропривода 18 и закрывает клапан наружного воздуха 4, а клапан внутреннего воздуха 5 открывает. При таком положении клапанов в смеситель 1 попадает только внутренний воздух через клапан 5. Если температура технологического помещения 3 в начале технологического цикла ниже, чем она задана по терморегулятору 13, то терморегулятор 13 включает электрический воздухонагреватель 9, через пускатель 19, который доводит температуру помещения 3 до заданной. Если температура помещения 3 выше заданной по терморегулятору 13, то он включает воздухоохладитель 8 через электропривод 18, который снижает температуру помещения 3 до заданной величины. При этом возможен случай, когда влажность воздуха помещения остается повышенной, тогда работа системы переключается на управление влагорегулятором 14 с датчиком 12, который при необходимости понижения влажности воздуха оставляет воздухоохладитель 8 в работе до тех пор, пока не произойдет конденсация и выпадение излишней влаги. При этом относительная влажность воздуха понизится до заданной величины (осушение). В этом случае выравнивание температуры воздуха в помещении 3 поддерживается работой воздухонагревателя 9. При недостаточной влажности внутреннего воздуха влагорегулятор 14 включает подачу жидкости в оросительную систему 2 через электромагнитный клапан 20. Благодаря распыляемой жидкости, внутренний воздух увлажняется в смесителе 1, в это время воздухоохладитель 8 отключен влагорегулятором 14 (увлажнение).
При температуре наружного воздуха ниже, чем внутренний воздух, регулятор 22 переключает терморегулятор 13 на управление клапанами 4, 5 посредством электроприводов 15, 16, а воздухоохладитель 8 отключает. В этом случае охлаждение и осушение воздуха внутри помещения 3 ведется за счет наружного воздуха, который, смешиваясь с внутренним воздухом, нагревается и снижает свою относительную влажность. Поддержание заданной температуры внутреннего воздуха осуществляется посредством автоматического установления соотношения подаваемых потоков воздуха в смеситель 1 регулирующими клапанами 4, 5 через электроприводы 15, 16. Избыточный воздух из помещения 3 выводится благодаря регулирующему клапану 6 с электроприводом 17. Подготовленная по температуре смесь доувлажняется в смесителе 1 путем распыления жидкости оросительной системой 2, а затем подается вентилятором 7 в помещение 3. При температуре воздуха в помещении 3 в начале технологического цикла ниже, чем она задана по терморегулятору 13, клапан 4 закрывается, а клапан 5 открывается и включается воздухонагреватель 9, который повышает температуру воздуха до заданного значения, а затем отключается. После этого снова открывается клапан 4, а клапан 5 прикрывается и температура смеси воздуха вновь поддерживается посредством регулирующих клапанов 4, 5. Очистка воздуха осуществляется в смесителе циклонного типа 1, который осаждает примеси на дне, а затем они выводятся в канализацию посредством стока орошающей жидкости.
При высокой влажности воздуха, выходящего из помещения 3 и недостаточном осушении его наружным воздухом, возможна установка дополнительного датчика температуры 23 с регулятором 24, который примет на себя управление клапанами 4, 5, 6 вместо датчика 11, обеспечивая пониженную температуру смеси за счет большего притока наружного воздуха. Тогда воздушная смесь дополнительно обрабатывается в воздухонагревателе 9 до температуры, заданной для помещения 3, приобретет более низкое значение относительной влажности. Степень осушения смеси воздуха определяется разностью температуры до воздухонагревателя 9, установленной на дополнительном регуляторе 24, и температурой, заданной для помещения 3 по регулятору 13.
Наличие смесителя циклонного типа 1 позволяет интенсифицировать тепломассообмен за счет установленной в верхней его части оросительной системы, обеспечивающей распыление жидкости в турбулентном закрученном потоке воздуха. В результате такого взаимодействия воздуха и распыленной жидкости происходит лучшее дробление частиц жидкости и увеличение поверхности взаимодействия двух сред. Кроме того, предложенная система кондиционирования воздуха обеспечивает отделение примесей от чистого воздуха в смесителе, что снижает число элементов системы и энергоемкость системы (исключен фильтр очистки воздуха и камера увлажнения). Практическая реализация предлагаемой системы кондиционирования воздуха показала, что использование смесителя циклонного типа с установленной оросительной системой позволяет снизить расход орошающей жидкости при одном и том же проходе подготовленного воздуха в 2,5-3,0 раза, а также уменьшить аэродинамическое сопротивление системы за счет отсутствия воздушного фильтра тонкой очистки до 500 Па и за счет отсутствия камеры увлажнения воздуха до 400 Па. Использование одноступенчатого способа подготовки воздуха, т.е. получение кондиционированного воздуха сразу после смесителя, снижает расход электроэнергии на подогрев воздуха, так при получении одинаковых параметров кондиционированного воздуха с расходом 3000 куб. м/ч установленная электрическая мощность на привод вентилятора системы кондиционирования воздуха снижается от уменьшения аэродинамического сопротивления до 2,5 кВт и установленная мощность нагревателя от снижения расхода электроэнергии на подогрев воздуха снижается до 6,0 кВт.
1. Способ кондиционирования воздуха, включающий смешение наружного и внутреннего потоков воздуха, очистку, увлажнение, нагревание, отличающийся тем, что смешение потоков воздуха осуществляют в пропорции, необходимой для достижения требуемой температуры воздуха в помещении, при смешении потоков создают закрученный поток воздуха, при котором осуществляют очистку и увлажнение смеси воздуха с получением влажности воздуха необходимого значения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приготовления воздуха низкой влажности температуру смешанного воздуха понижают большим потоком наружного воздуха, а последующим нагреванием достигают требуемые величины температуры и влажности воздуха в помещении.
3. Способ кондиционирования воздуха, включающий очистку, увлажнение, охлаждение, осушение, нагревание, отличающийся тем, что перед выравниванием параметра воздуха по температуре создают закрученный поток воздуха, в котором производят очистку и увлажнение воздуха, осушение производят охлаждением до выпадения влаги.
4. Система кондиционирования воздуха, содержащая вентилятор, камеру смешения наружного и внутреннего регулирующего воздуха, регулирующие клапаны с исполнительными механизмами, приборы регулирования с датчиками, воздухоохладитель, воздухонагреватель и систему орошения, отличающаяся тем, что камера смешения выполнена в виде смесителя циклонного типа и совмещена с системой орошения.
5. Система по п.4, отличающаяся тем, что при подготовке воздуха для сильно увлажненных помещений система содержит установленный перед воздухонагревателем дополнительный датчик с регулятором температуры, который через регулирующие клапаны поддерживает необходимую температуру воздушной смеси.
