Link Building
Школа автоматчиков » Blog Archive » Урок №17. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 6

Урок №17. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 6

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Извините за затянувшуюся паузу в нашем общении. Думаю, что Вы уже соскучились по моим уроками. Итак, продолжим.
Позади у нас уже пять уроков по автоматизации вентиляционных установок, но еще есть о чем поговорить.
В уроке №16 мы начали разбираться с влажностью в помещениях. Но остановились только на одном аспекте этой темы, т.е. на увлажнении. А ведь для поддержания необходимой влажности в помещениях также может потребоваться и осушение воздуха.

Итак, осушение воздуха в системах вентиляции.
Прежде всего определимся, что такое осушение. Осушение воздуха - это уменьшение количества водяного пара в нем при применении соответствующих методов.
Для осушения воздуха используются основные три метода – ассимиляция, конденсация, адсорбция.
Для рассмотрения работы секций осушения вентиляционных установок, работающим по этим методам, проще всего использовать так называемую «I-d диаграмму».


Рис.1

I-d диаграмма используется для значительного упрощения и наглядности расчетов вентиляционных установок. Ее применение позволяет определить, какие процессы обработки воздуха и в какой последовательности нужны для достижения заданного результата при различных начальных параметрах обрабатываемого установкой воздуха.

Типовая I-d диаграмма показана на Рис.1. Она представляет собой рабочее поле в косоугольной системе координат I (удельная энтальпия) и d (влагосодержание), на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержания обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянного влагосодержания представляют собой вертикальные прямые. Линии постоянных энтальпий это параллельные прямые, обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержания. Линии постоянных температур (t)- прямые, идущие под небольшим наклоном к горизонтали и слегка расходящиеся веером.
Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей (φ)от 0% и 100%, между которыми нанесены линии других значений равных относительных влажностей с шагом 10%.
Каждая точка на диаграмме отражает некое состояние воздуха, а линия – процесс изменения состояния. Определение параметров воздуха, имеющего некое состояние, отображаемое точкой А, показано на Рис.2.2.

1. Ассимиляция.

Процесс ассимиляции основывается на физической способности теплого воздуха удерживать большее количество водяных паров по сравнению с холодным. Этот процесс показан на фрагменте I-d диаграммы Рис.3.
При нагреве воздух при контакте с сухой нагретой поверхностью получает только явное конвективное тепло. При этом влагосодержание воздуха остается неизменным, поэтому на I-d диаграмме процесс нагрева прослеживается снизу вверх по вертикальным линиям d=const.
Например. Если воздух с параметрами, которым соответствует точка 1, нагревать в секции вентиляционной установки, то этот процесс изобразится прямой, проведенной вертикально вверх из точки 1 по линии d = const. Чем больше тепла передается воздуху, тем больше он нагревается и тем выше по линии d = const будет расположена точка, соответствующая состоянию нагретого воздуха. Например, точка 2.


Рис.3

При этом давайте рассмотрим, что происходит с относительной влажностью. При вертикальном движении вверх, линия, соответствующая процессу нагрева, пересекает кривые, характеризующие относительную влажность воздуха. При этом, чем больше мы нагреваем воздух, тем меньшей становится его относительная влажность. Таким образом, видно, что процесс нагрева воздуха в водяном или электрическом нагревателе вентиляционной установки является одновременно процессом осушения воздуха.
Таким образом, для реализации способа осушения воздуха методом ассимиляции достаточно подавать в помещение подогретый воздух и организовать интенсивный воздухообмен. Подаваемый воздух будет поглощать влагу и удаляться вместе с ней из помещения. Такая задача решается обычной по составу секций (нагреватель, вентилятор) вентиляционной установкой.
Казалось бы, что осушение воздуха путем ассимиляции – простой и экономичный способ. Но не все так просто.
Давайте еще раз вернемся к I-d диаграмме. Точка 1 (начальные параметры нагреваемого воздуха) может находиться в любом месте на поле диаграммы. В зимний период при отрицательных температурах наружного воздуха наша точка 1 всегда будет находиться в левом нижнем углу диаграммы, из которого любая проведенная вверх вертикальная линия, т.е. нагрев до плюсовых температур выше 10°С будет сопровождаться значительным снижением влажности.
Если, для упрощения понимания процесса, влажность наружного воздуха принять такой же, как зимой в точке 1, но перейти в область положительных температур, то точка 1 будет смещаться на поле диаграммы все больше вправо. При нагреве воздуха из смещенной вправо точки 1 до такой же температуры как зимой мы получим воздух с гораздо большей влажностью, чем в точке 2 в зимний период. Конечно, влажность, как и температура, в точке 1 может быть различной, а нагрев в зимний и летний периоды может осуществляться до разных температур, но описанная тенденция все равно сохраняется.
Таким образом, можно говорить о том, что данный метод осушения хорошо работает только в зимний период года. Менее эффективен в переходной. И почти не работает летом, поскольку существует весьма ограниченное количество таких помещений, где в летний период возможен нагрев, да еще и до довольно высоких температур.
Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что метод ассимиляции для осушения воздуха по умолчанию работает во всех вентиляционных установках в процессе подогрева приточного воздуха. Однако, для осушения тех помещений, где по условиям их эксплуатации действительно необходимо осушать воздух круглогодично, он не применяется.
Подходы к решению вопросов по автоматическому управлению нагревательными секциями вентиляционных установок можно освежить в памяти, просмотрев наши уроки №13 и №14.

2. Конденсация.

Конденсационный метод. Этот метод основан на принципе конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, при охлаждении его ниже температуры «точки росы». Суть этого процесса также легко понять, глядя на фрагмент I-d диаграммы (Рис.3).

Конденсация пара - процесс, заключающийся в переходе водяного пара, который находится в воздухе, из газового состояния в жидкое (конденсация) или твердое (замораживание, сублимация).
Точка росы - температура, при которой водяной пар в воздухе конденсируется при начальной температуре и влажности. Если воздух насыщен на 100%, то больше он не способен поглощать влагу, поэтому в результате снижения температуры вода будет конденсироваться на поверхностях, температура которых приближена к температуре, вызывающей 100% насыщения.

В процессе охлаждения воздуха в результате контакта с сухой холодной поверхностью он отдает только явное конвективное тепло. В I-d диаграмме этот процесс прослеживается сверху вниз по линиям d = const. Например, при охлаждении воздуха, состоянию которого соответствует точка 1, до состояния, которому отвечает, например точка 3. Охлаждения воздуха, когда при теплообмене он отдает только явное тепло, может протекать до состояния, которому соответствует точка 4 (Рис.3), т.е. точка пересечения вертикального луча с линией φ = 100%. Эта точка отвечает температуре точки росы воздуха. При дальнейшем охлаждении водяные пары, содержащиеся в воздухе, конденсируются и изменение его тепловлажностного состояния прослеживается вниз налево по линии φ = 100%, например, до точки 5. Процесс охлаждения, протекающий по линии φ = 100%, связан с отдачей не только явного, но и скрытого тепла конденсации. Этот процесс относится к более сложному процессу тепло - и влагообмена воздуха с холодной поверхностью.
Т.е. процесс осушения воздуха при данном методе сводится к его переохлаждению до температуры, при которой из него выпадает количество влаги необходимое для получения воздуха с заданной влажностью, а затем к нагреву воздуха до заданной температуры.
Оснастив вентиляционную установку, рассчитанной на нужную глубину снижения температуры, секцией охлаждения, и, установив за ней по ходу воздуха секцию нагрева, мы можем реализовать процесс конденсации. При этом, секции охлаждения и нагрева могут быть любых типов и в любом сочетании, но чаще всего применяется тандем:
- секция непосредственного (прямого) охлаждения с компрессорно-конденсаторным агрегатом;
- секция электрического нагрева.
Нагреватель, установленный после охладителя и предназначенный для подогрева воздуха при осушении, называется нагревателем 2-го подогрева, в отличие от основного нагревателя 1-го подогрева, который используется в зимний период.
Надо отметить, что процесс осушения, организованный по такой схеме, является дорогостоящим по эксплуатационным затратам. Ведь мы расходуем энергию сначала на переохлаждение воздуха, а потом тратим энергию на его нагрев. При этом, используя для охлаждения холодильный контур, мы выбрасываем в атмосферу тепло, отводимое от конденсатора, установленного в компрессорно-конденсаторном агрегате.
В последнее время в номенклатурах у производителей вентиляционного оборудования, специализирующихся на осушении (Dantherm, Munters, Calorex), появились вентиляционные установки (центральные кондиционеры) с секциями осушения называемыми «тепловыми насосами», использующими полноценно энергию в холодильном контуре. Такая секция состоит из последовательно установленных в секции испарителя (охлаждение воздуха) и конденсатора (нагрев воздуха) холодильного контура, через которые вентилятором пропускается осушаемый воздух. В состав секции также входит компрессор, являющийся единственным потребителем энергии в данной секции.
Хотя этот вариант конденсационного осушения является наиболее экономичным в эксплуатации, он пока используется очень редко из-за отсутствия таких секций у большинства производителей.
Принципы автоматизации вентиляционной установки при использовании конденсационного метода осушения рассмотрим на примере наиболее часто используемой установки с секциями непосредственного охлаждения и электрического нагрева.
Мы должны учитывать, что вентиляционная установки, имеющая секции охлаждения и 2-го подогрева, не всегда при охлаждении работает на осушение. Это возможно при определенном значении начальных параметров воздуха (высокая температура и низкая влажность). При этом, охлаждая воздух, мы в любом случае повышаем его влажность, но полученное ее значение в воздухе за установкой все равно ниже заданной уставки регулирования по влажности.
Для решения задачи по автоматизации такой установки для начала давайте рассмотрим ее схему и расставим первичные преобразователи для измерения влажности и температуры.

В процессе работы при осушении воздуха используются показания первичных преобразователей температуры и влажности, установленные в приточном воздуховоде и в помещении. На схеме показаны совмещенные (в одном корпусе) преобразователи температуры и влажности, но могут быть установлены и отдельные преобразователи для температуры и для влажности.
В алгоритмах поддержания температуры на заданных значениях может быть использована как одноконтурная, так и каскадная схема управления. При задаче по поддержанию температуры приточного воздуха — одноконтурная схема. Регулирование температуры в помещении — это поддержание на заданном значении температуры приточного воздуха с коррекцией по температуре воздуха в помещении.
По влажности схемы также могут быть одноконтурными и каскадными. В одноконтурной схеме влажность регулируется путем поддержания температуры «точки росы» по уставке заданной в программе контроллера и рассчитанной по I-d диаграмме специалистами по вентиляции. При каскадной схеме температура «точки росы» регулируется с коррекцией по влажности в помещении.
Автоматический выбор режимов, когда требуется только охлаждение, а когда охлаждение и осушение, контроллер выполняет следующим образом.
Если включена секция охлаждения, а влажность в помещении не превышает заданной уставки, то охлаждение производится до заданной температуры приточного воздуха без переохлаждения воздуха и последующего его нагрева. Если при охлаждении воздуха до заданной температуры измеренная в помещении влажность превышает уставку, то охладителем выполняется охлаждение воздуха до температуры «точки росы» с последующим его нагревом до заданной температуры.
Алгоритмы управления секциями непосредственного (прямого) охлаждения можно повторить, обратившись к Уроку №15, а об особенностях управления секциями электрического нагрева мы говорили в Уроке №14.

3. Адсорбция.

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю, не путать с абсорбцией) — это, в широком смысле, процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) — адсорбентом (сорбентом).
Метод основан на прохождении воздуха через секцию осушительного агрегата, заполненную сорбентом. Для получения как можно большей поверхности адсорбции, секция повторяет конструкцию роторного рекуператора. При вращении, поверхность секции, находящаяся в данный момент в потоке приточного воздуха извлекает водяной пар из воздуха. При продолжении движения эта же часть секции попадает в зону регенерации. Поскольку по мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается, то в зоне регенерации для выпаривания влаги сорбент периодически продувается потоком горячего воздуха. Дополнительными затратами при этом являются установка вентилятора на линии регенерации и дополнительного теплообменника, через который пропускается небольшая часть приточного воздуха, отбираемого из основного потока. Нагрев воздуха осуществляется до температур ≈150°С.

В номенклатурах у производителей вентиляционного оборудования, специализирующихся на осушении (Munters, Calorex), присутствуют вентиляционные установки (центральные кондиционеры) с секциями адсорбционных осушителей.
К недостаткам этого метода относится повышенное энергопотребление в связи с наличием безвозвратных потерь явного и скрытого тепла. Недостатком также является ограниченный срок службы сорбента.
Ввиду очень малого количества производителей данных установок, их значительной стоимости, сложности эксплуатации применение таких установок крайне ограничено. В связи с этим отложим разговор о системах их автоматики на то время, когда они обретут большую популярность.

Хотелось бы еще немного остановиться на выборе, того или иного метода осушения. Выбор этот осуществляется специалистами-технологами систем вентиляции. Но у нас, как автоматчиков, для правильного построения систем автоматизации должно быть полное понимание автоматизируемого технологического процесса.
При рассмотрении ассимиляционного метода осушения мы разобрались, что он мало эффективен, там, где действительно требуется осушение. Теперь, в двух словах, о применении двух других методов.
Обращает на себя внимание, что у конденсационных осушителей с ростом температуры воздуха имеет место увеличение съема влаги на 1кВт потребляемой энергии. У адсорбционных осушителей указанная зависимость является обратной и менее выраженной по сравнению с конденсационными осушителями. Кроме того, эффективность конденсационных осушителей резко падает с уменьшением относительной влажности воздуха, в то время как у адсорбционных осушителей данная зависимость значительно слабее. В результате можно четко выделить области преимущественного использования каждого из сопоставляемых типов осушителей.
С экономической точки зрения, конденсационный метод является более эффективным по сравнению с адсорбционным при высоких значениях температуры и относительной влажности. Вместе с тем, адсорбционные осушители хороши там, где необходимо поддерживать чрезвычайно низкую относительную влажность, вплоть до 2%, при температурах до 20°С.

Спасибо за внимание. До следующей встречи!

Комментарий к публикации «Урок №17. Автоматизация вентиляционных систем. Часть 6»

  1. Александр

    Говорю огромное спасибо за создания этой рубрики. Жаль что уроки Ваши так долго пишутся, но ведь это не коммерческий проект, потому так долго пишутся. Очень познавательно для молодого специалиста. Вот только жалко что нету реальных алгоритмов программ которые уже внедрены( алгоритмы которые зашиваются в свободно программированы контролеры)!Если есть такая возможность выложите. Если нет, то мы поймет - коммерческая тайна, как любят говорить много производителей.

Задать вопрос
или оставить свой комментарий