Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование процессов тепловлажностнои обработки воздуха в системах кондиционирования 10
1.1. Анализ технологических помещений мясоперерабатывающего производства как объектов кондиционирования 10
1.2. Исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха в действующих центральных системах кондиционирования 16
1.3. Исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха в действующих центрально-местных системах кондиционирования 24
1.4. Исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха в предлагаемой системе кондиционирования 31
1.5. Сравнительный анализ удельных энергозатрат на тепловлажно-стную обработку воздуха в системах кондиционирования 43
1.6. Описание предлагаемой системы кондиционирования 56
1.7. Выводы 59
2. Исследование действующих систем воздухо-распределения 63
2.1. Характеристика применяемых систем воздухораспределения 63
2.2. Системы воздухораспределения через верхние перфорированные панели 66
2.3. Системы воздухораспределения через перфорированные воздуховоды типа ВПК 73
2.4. Системы воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды 83
2.5. Сравнительный анализ применяемых систем воздухораспределения на примере машзала колбасного цеха производительностью Ют/см 86
2.6. Выводы 96
3. Исследование систем воздухораспределения через перфорированные текстильные воздухо воды 96
3.1. Аналитическое исследование перфорированных текстильных воздуховодов 97
3.2. Анализ систем воздухораспределения с воздуховодами диаметром 500 и 630 мм 109
3.3. Выводы 113
4. Исследования коэффициента местного сопротивления текстильных перфорированных возду ховодов 114
4.1. Описание экспериментальной установки 114
4.2. Методика проведения экспериментов 125
4.3. Определение коэффициента местного сопротивления с учетом коэффициента расхода 133
4.4. Определение удельных потерь напора воздуха в перфорированных текстильных воздуховодах 140
4.5. Выводы 141
5. Исследование режимов работы действующих и предлагаемой систем кондиционирования 143
5.1. Исследование действующих систем кондиционирования на основании экспериментальных данных 143
5.2. Анализ тепловлажностных и расходных характеристик системы кондиционирования сырьевого отделения колбасного цеха производительностью 5 т/ч 154
5.3. Анализ режимов работы системы кондиционирования действующей и предлагаемой конструкции. Определение годовых энергозатрат 161
5.4. Разработка методики расчета систем воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами 168
5.5. Выводы 171
6. Определение технико-экономических показателей предлагаемых технических решений 173
6.1. Определение технико-экономических показателей предлагаемой системы кондиционирования 173
6.2. Определение расходных и скоростных характеристик системы воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами 177
6.3. Определение потерь напора воздуха и мощности вентилятора в системе кондиционирования с распределением воздуха через перфорированные текстильные воздуховоды 179
6.4. Определение характеристик системы воздухораспределения с воздуховодами ВПК 186
6.5. Определение технико-экономических показателей системы воздухораспределения с текстильными воздуховодами 188
6.6.. Определение технико-экономических показателей системы воздухораспределения с воздуховодами ВПК 193
6.7. Выводы 197
Основные результаты и выводы 200
Список использованных источников 203
Приложение
- Исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха в действующих центральных системах кондиционирования
- Системы воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды
- Анализ систем воздухораспределения с воздуховодами диаметром 500 и 630 мм
- Определение коэффициента местного сопротивления с учетом коэффициента расхода
Введение к работе
Первые научные труды по разработке и внедрению систем кондиционирования воздуха в помещениях предприятий мясной промышленности относятся к началу 30-х годов прошлого столетия. Они опубликованы в журналах "Мясная индустрия СССР" и посвящены техническим предложениям по внедрению в основных цехах разделки и переработки мясного сырья систем охлаждения и увлажнения воздуха, его очистки от пыли и различных загрязнений, а также устройств для его распределения в рабочей зоне помещений. Значительные исследования в области кондиционирования воздуха на предприятиях мясной промышленности проведены д-ром техн. наук, проф. Гоголиным А.А. [1; 16; 17].
Под руководством проф. Гоголина А.А. специалистами Всесоюзного научно-исследовательского института холодильной промышленности (ВНИХИ) разработаны серии технологических кондиционеров с различными системами охлаждения. Разработкой кондиционеров и систем кондиционирования для предприятий мясной промышленности занимались канд. техн. наук Агарев Е.М., канд. техн. наук Медникова Н.М., инж. Барулин Н.Я. и др. Большой вклад в развитие теоретических основ систем кондиционирования мясной промышленности внесли д-р техн. наук, проф. Бражников A.M. и др. [7-11].
Значительные исследования в области теории и техники воздухорас-пределения в производственных помещениях выполнены отечественными учеными Абрамовичем Г.Н., Батуриным В.В., Гримитлиным М.И., Карписом Е.Е., Кокориным О.Я., Максимовым ГА., Нестеренко А.В., Сотниковым А.Г., Талиевым В.В., Шепелевым В.В. и др. [5; 6; 27; 28; 32; 34; 38; 40;43; 56; 59; 61; 65; 76; 78; 81; 83].
Основоположником современной отечественной теории воздухорас-пределения является проф. Гримитлин М.И., которым выполнены фундамен-
тальные исследования и разработки в области теории систем распределения воздуха в помещениях [19 ^- 24].
Современные предприятия мясной промышленности имеют высокопроизводительное мясоперерабатывающее оборудование и характеризуются повышенными требованиями к качеству воздушной среды [6; 15; 16; 21; 51; 54; 59; 64; 68; 71; 76].
Применяемые системы кондиционирования в большинстве случаев не обеспечивают поддержание в технологических помещениях переработки мясного сырья заданных климатических условий в связи с увеличением производительности предприятий и соответствующим увеличением тепло- и влагопоступлении, а также устаревшими конструкциями кондиционирующих и воздухораспределительных систем [26; 31; 52; 53; 54].
Актуальность проблемы. Повышение эффективности систем кондиционирования воздуха в технологических помещениях разделки и переработки сырья на мясоперерабатывающих предприятиях является актуальной проблемой в связи с возросшими санитарно-гигиеническими и экологическими требованиями к качеству выпускаемой продукции, значительным повышением уровня технического оснащения предприятий.
Решение проблемы повышения эффективности систем кондиционирования путем уменьшения энергозатрат связано в первую очередь с совершенствованием процессов тепловлажностной обработки воздуха в различные периоды года. Кроме того повышение эффективности систем кондиционирования может быть достигнуто путем совершенствования способов и техники воздухораспределения, позволяющих обеспечить подачу и распределение воздуха в помещениях в соответствии с технологическими и санитарно-гигиеническими условиями.
Цель работы. Разработать способы и технику кондиционирования, способные обеспечить уменьшение энергозатрат на подготовку воздуха с параметрами, заданными технологическими нормами.
Основные задачи работы:
Выполнить исследование применяемых систем кондиционирования и определить систему с наименьшими энергозатратами и параметрами воздуха, соответствующими технологическим нормам.
Разработать способ и систему кондиционирования, позволяющие исключить недостатки действующей системы, уменьшить расход холода и теплоты с обеспечением рекомендуемого температурно-влажностного режима.
Выполнить исследование действующих систем воздухораспределе-ния и определить систему с наименьшими энергозатратами.
Разработать способ и технику воздухораспределения, позволяющие уменьшить расход электроэнергии и обеспечить распределение воздуха в рабочей зоне в соответствии с санитарно-гигиеническими и технологическими условиями.
Научная новизна
исследован и разработан способ кондиционирования, учитывающий особенности тепловлажностных характеристик мясоперерабатывающих помещений и обеспечивающий уменьшение расходов теплоты и холода на подготовку воздуха заданных параметров;
исследованы и разработаны конструкции перфорированных текстильных воздуховодов, позволяющих уменьшить энергозатраты в системах воздухораспределения при поддержании заданной скорости движения воздуха и условий его равномерного распределения в рабочей зоне помещений;
разработана методика расчета системы воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды предлагаемой конструкции.
Практическое значение работы заключается в следующем: 1. Разработано техническое решение системы кондиционирования, работающей по предлагаемому способу. На способ кондиционирования воздуха (авт. Малова Н.Д., Базилев Р.В. и др.) подана и опубликована заявка на патент, № 2005 122 306/06 от 14.07.2005; публикация заявки: 20.01.2006. Бюл. №02.
Выполнен сравнительный анализ энергозатрат в действующих и предлагаемой системах кондиционирования воздуха.
Разработаны технические решения систем воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами предлагаемой конструкции.
Разработано учебное пособие "Распределение воздуха в производственных кондиционируемых помещениях" для студентов холодильной специальности (МГУПБ, 2005, 5 п.л.). В учебном пособии приведены предлагаемая методика и примеры расчетов систем воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами. Учебное пособие применяется при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам "Аэродинамика и вентиляторы", "Проектирование систем вентиляции и кондиционирования воздуха".
Определены технико-экономические показатели систем кондиционирования и воздухораспределения предлагаемой конструкции, подтверждающие целесообразность их внедрения.
Технические решения системы кондиционирования, работающей по предлагаемому способу, и системы воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами предложенной конструкции переданы для внедрения проектному отделу группы компаний ТермоКул (Акт передачи разработанных технических решений утвержден на техсовете и подписан генеральным директором в октябре 2005 г.).
Достоверность результатов. Анализ и исследование тепловлажност-ных характеристик кондиционируемых помещений выполнен с учетом рекомендаций СН и П, отраслевых стандартов и нормативных документов по проектированию предприятий мясной промышленности. Определение харак-теристик перфорированных воздуховодов выполнено на основании типовой методики исследования воздухораспределителей, разработанной институтом "Проектпромвентиляция".
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на III международной научной конференции студентов и молодых ученых "Живые системы и биологическая безопасность населения" (МГУПБ, 2004).
Работа выполнена по теме МГУПБ НИР № 4-1-01В "Исследование систем управления установками кондиционирования мясоперерабатывающих предприятий" (2002-2004 г. г).
На защиту выносятся:
результаты исследований процессов тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования;
результаты исследований действующих и предлагаемой систем кондиционирования;
техническое решение предлагаемой системы кондиционирования;
результаты исследований действующих систем воздухораспределе-ния;
результаты исследований перфорированных текстильных воздуховодов и систем воздухораспределения с воздуховодами предлагаемой конструкции;
методика расчета систем воздухораспределения с перфорированными текстильными воздуховодами;
технико-экономические показатели предлагаемых технических решений системы кондиционирования и воздухораспределения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав и приложения. Диссертационная работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 35 рис., 25 таблиц, приложение. Список литературных источников включает 85 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работах:
1. Базилев Р.В. Распределение воздуха в производственных помещениях пищевых предприятий. III международная научная конференция студен-
тов и молодых ученых "Живые системы и биологическая безопасность населения". МГУПБ, 2004, с. 180—182.
Базилев Р.В., Малова Н.Д. Анализ систем кондиционирования и вентиляции основных производственных помещений мясоперерабатывающих предприятий. Сборник научных трудов МГУПБ "Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК". МГУПБ, 2004, с. 29—32.
Малова Н.Д., Перова Н.И., Базилев Р.В. Изменение расхода воздуха в технологических системах охлаждения и кондиционирования. Сборник научных трудов МГУПБ "Повышение энергоэффективности техники и технологий в перерабатывающих отраслях АПК". МГУПБ, 2004, с. 208—212.
Базилев Р.В. "Анализ комфортно-технологических систем кондиционирования мясоперерабатывающих предприятий". Раздел 2 отчета по госбюджетной НИР № 4-1-01В (с. 25—33), выполненной на тему: "Исследование систем управления установками кондиционирования мясоперерабатывающих предприятий" (авт.: Малова Н.Д., Перова Н.И., Базилев Р.В.). ВТЦ РФ. № гос. регистрации 01.2001.17094.2004. — 2005. — с.61.
Малова Н.Д., Базилев Р.В., Ковальчук Е.С. Распределение воздуха в производственных кондиционируемых помещениях (для студентов холодильной специальности 140504). Учебное пособие. М., МГУПБ, 2005, с. 80.
Малова Н.Д., Базилев Р.В. и др. Способ кондиционирования воздуха тепловлагонапряженных помещений. Заявка на патент 2005 122 306/06, 14.07.2005. Дата публикации заявки 20.01.06; бюл. № 02.
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА
В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
1.1. Анализ технологических помещений мясоперерабатывающего производства как объектов кондиционирования
Качество воздушной среды в технологических помещениях мясоперерабатывающего производства неразрывно связано с качеством работы систем кондиционирования и распределения воздуха. По оценкам Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) более одной трети производственных предприятий характеризуется повышенной загрязненностью воздуха. В этой связи Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) по результатам обследования качества воздушной среды в производственных помещениях составил следующий перечень основных источников загрязнения [40; 66; 84]:
более 50% случаев — недостаточная эффективность работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха вследствие пониженной подачи наружного воздуха и неорганизованного распределения воздуха в помещениях;
30% случаев — наличие в воздухе помещений вредных газов, паров и пыли при отсутствии фильтров для очистки подаваемого воздуха, применении несовершенных фильтрующих устройств и повышенном выделении внутренних загрязнений, выделяемых в воздух помещений.
Одной из причин ухудшения качества воздушной среды в помещениях является также выбор параметров воздуха, не соответствующих технологическим и санитарно-гигиеническим условиям.
Состояние воздуха в пределах рабочей зоны помещений характеризуется такими параметрами как температура, относительная влажность, скорость, степень чистоты и обеспечение санитарной нормы по кислороду рабочим, находящимся на постоянных рабочих местах.
Анализ компоновочных планов мясоперерабатывающих предприятий производительностью 2—100 т мяса, перерабатываемого в смену, показыва-
ет, что общая площадь кондиционируемых помещений в среднем составляет 40 -*- 50% от общей площади производственных помещений мясоперерабатывающего производства. При этом примерно одна треть относится к площади кондиционируемых помещений с пониженной температурой и повышенной влажностью воздуха (tB = 12С, фв = 70%) — сырьевые и машинно-шприцовочные отделения, отделения производства фасованного мяса и полуфабрикатов, контрольные, расфасовочные и упаковочные отделения, отделения производства консервов, детского и диетического питания и др.
Указанные параметры внутреннего воздуха характеризуют темпера-турно-влажностный режим основных помещений мясоперерабатывающего производства как наиболее жесткий по сравнению с расчетным режимом технологических помещений других пищевых предприятий. В основном температура на уровне 12С и влажность 70% диктуются повышенными технологическими и санитарно-гигиеническими требованиями, что вызвано спецификой мясного сырья.
Пониженная температура и повышенная влажность воздуха в основных помещениях разделки и переработки мясного сырья создают условия разработки процессов кондиционирования с учетом незначительной рабочей разности температур приточного и внутреннего воздуха, которая не должна превышать 3—4С с целью исключения простудных заболеваний. Следовательно, температура приточного воздуха составляет 8—9С. При таких температурных условиях приточного воздуха температура его точки росы составляет 5—6С. Практически с этой температуры начинается летний режим работы систем кондиционирования, обслуживающих основные производственные помещения мясоперерабатывающего производства.
При пониженном значении рабочей разности температур необходимы повышенные расходы воздуха и, следовательно, повышенные энергозатраты на подготовку кондиционированного воздуха. Кроме того, при пониженном значении температуры точки росы приточного воздуха повышаются расходы холода на обработку смеси воздуха при прочих равных условиях, так как
увеличивается разность энтальпий охлаждаемой смеси воздуха. Расход холода на охлаждение смеси воздуха в теплый период года увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с расходом, необходимым при обработке смеси воздуха в системах кондиционирования комфортного назначения. Таким образом, системы кондиционирования, предназначенные для подержания заданных параметров воздуха в помещениях разделки и машинной переработки сырья, производства полуфабрикатов, упаковочных и контрольных отделениях и др., характеризуются повышенными расходами холода в связи: 1) с необходимостью поддержания небольшой разности между температурами воздуха, подаваемого в помещения, и воздуха в рабочей зоне; 2) с пониженной температурой точки росы подаваемого воздуха, что вызывает включение летнего режима работы систем кондиционирования с использованием искусственного холода в периоды года, когда системы кондиционирования другого назначения работают в зимнем режиме обработки воздуха.
Особенности работы систем кондиционирования воздуха при пониженной расчетной температуре внутреннего воздуха и пониженной рабочей разности температур отличают их от других систем не только повышенными расходами воздуха и холода. При этом возникают повышенные расходы электроэнергии на работу вентиляторов системы воздухораспределения и в целом на капитальные и эксплуатационные затраты при подготовке кондиционированного воздуха заданных параметров.
При поддержании заданных параметров воздушной среды в помещениях, где имеется непосредственный контакт мясного сырья с воздушной средой, по технологическим нормам [64] разрешаются незначительные отклонения параметров от рекомендуемых: по температуре 12 ± 1С, по влажности 70 ±5% независимо от изменения параметров наружного воздуха. При этом средняя скорость воздуха в рабочей зоне помещений составляет сор.3. = 0,15 м/с. Количество наружного воздуха, подаваемого на одного рабочего, выполняющего работу средней тяжести и тяжелую работу, составляет VHap = 60
м3/ч. Степень очистки подаваемого наружного воздуха составляет т|Эф = 95%
(для всех пищевых предприятий, в том числе и для предприятий мясоперерабатывающей промышленности).
Заданные параметры воздуха поддерживают с помощью систем полного кондиционирования [8; 9]. Системы обеспечивают постоянный темпера-турно-влажностный режим в течение всего года и относятся к классу систем комфортно-технологического назначения, так как поддерживают параметры воздуха, соответствующие технологическим нормам и комфортным условиям для рабочих, выполняющих работу категории средней тяжести и более тяжелую работу в зависимости от технологических процессов [8; 9; 15; 45; 64; 66; 68; 69; 72].
Помещения с пониженным температурным режимом размещают в основном во внутреннем контуре производственного здания для того, чтобы исключить теплопритоки через наружные ограждения, что позволяет уменьшить энергозатраты на работу систем кондиционирования и влияние наружных климатических условий на качество перерабатываемого мясного сырья. При размещении помещений с пониженным температурным режимом внутри производственного корпуса к основным поступлениям теплоты относятся не поступления теплоты через наружные ограждения (вследствие разности температур, действия солнечной радиации и инфильтрации наружного воздуха через щели в оконных проемах), как это имеет место в помещениях, обслуживаемых системами комфортного назначения. Основными источниками поступления теплоты в такие помещения являются технологическое оборудование; внутренние ограждения, отделяющие кондиционируемое помещение от смежных, имеющих повышенную температуру (термические и варочные отделения, отделения мойки, механические мастерские, центральные щитовые, помещения для хранения специй и др.); дверные проемы, соединяющие кондиционируемое помещение с помещениями, имеющими повышенную температуру (t = 20 — 25 и более градусов); рабочие; система освещения; вода и водяные пары, поступающие при мойке оборудования и пола горячей водой (tn не менее 37С). Основными источниками потерь теплоты являются
мясное сырье; внутренние ограждения, отделяющие кондиционируемое помещение от смежных помещений, имеющих пониженную температуру (камеры накопления охлажденного мясного сырья при температуре 0 +- 2С; камеры подморозки шпика при температуре -8 -*- -10С; камеры накопления размороженного сырья при температуре 4С и др.); дверные проемы, соединяющие кондиционируемое помещение с помещениями, имеющими пониженную температуру.
Основными источниками поступления влаги являются сырье; смоченные поверхности технологического оборудования и пола; рабочие; дверные проемы [3; 4].
Анализ тепловлажностных балансов помещений с пониженной температурой воздуха показывает, что в течение всего года тепло- и влагопоступ-ления в такие помещения являются положительными, т.е. и в теплый и в холодный периоды года имеют место избытки теплоты и влаги.
Из всех технологических помещений, имеющих пониженную температуру, наибольшими избытками теплоты характеризуются помещения разделки и механической переработки мясного сырья — машинные залы; шприцовочные отделения; машинно-шприцовочные отделения; сырьевые отделения, совмещенные с машинным залом или с машинно-шприцовочным отделением. Следовательно, процессы тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования, обслуживающих эти помещения, должны быть направлены на погашение избыточных тепло- и влагопритоков.
В общем теплопритоке, поступающем в сырьевые отделения, совмещенные с машинными залами или машинно-шприцовочными отделениями, основную долю составляет теплоприток от технологического оборудования (примерно 60%). Остальная часть общего теплопритока (около 40%) примерно поровну распределяется между поступлениями теплоты через внутренние ограждения и дверные проемы, от рабочих и системы освещения. Для крупных цехов машинной переработки мясного сырья (более 25 т переработки мяса в смену) теплопоступления через дверные проемы могут превысить, по
крайней мере, вдвое теплопоступления через внутренние ограждения. Это объясняется большим наличием дверных проемов: в транспортные коридоры, термическое (термические) отделения, отделение пряностей и специй, моечное отделение, различные мастерские и другие помещения, температура в которых значительно выше температуры внутреннего воздуха кондиционируемого помещения.
Проведенный анализ тепловлажностных балансов кондиционируемых помещений предприятий различной мощности показывает, что тепловлажно-стные коэффициенты лучей процесса, характеризующих изменение состояния воздуха, находятся примерно в пределах є = 7000 — 9500 кДж/кг [4; 53].
Значения тепловлажностных коэффициентов в пределах 7000 — 10000 кДж/кг относятся в основном к машинным залам, шприцовочным отделениям, машинно-шприцовочным отеплениям, имеющих современное техническое оснащение. При объединении машинных залов и машинно-шприцовочных отделений с сырьевыми отделениями обвалки и жиловки мяса их также называют сырьевыми отделениями, несмотря на то, что основными технологическими процессами в таких помещениях являются процессы комплексной машинной переработки различных видов мясного сырья и изготовления фарша. Вероятно, в это название вкладывается понятие, учитывающее полную переработку сырья, а совсем не такой, какой вкладывался ранее в понятие "сырьевые отделения", которые оборудованы конвейерами обвалки и жиловки мяса на костях и предназначены только для изготовления мясного сырья, подготовленного для дальнейшей машинной переработки или изготовления полуфабрикатов.
В результате исследований тепловых и влажностных балансов технологических помещений, в которых необходимо поддержание в течение всего года температурно-влажностного режима: tB = 12С, q>B = 70%, установлено, что минимальные значения є в пределах 5000 — 7000 кДж/кг характеризуют изменение состояния воздуха в сырьевых отделениях, предназначенных для обвалки и жиловки мяса, котлетных цехах, отделениях производства мясных
полуфабрикатов. Такие помещения не имеют мясорезательного оборудования. Поэтому имеют меньшие значения теплопритоков. Максимальные значения тепловлажностных коэффициентов в пределах є = 10000 — 16000 кДж/кг характеризуют изменение состояния воздуха в расфасовочных, упаковочных, контрольных помещениях, где нет значительных теплопритоков, но и нет значительных влагопоступлении по сравнению с помещениями, где имеется непосредственный контакт мясного сырья с воздухом. Во всех вариантах влагопоступления значительно меньше, чем в основных помещениях переработки мясного сырья. При незначительных влагопоступлениях лучи процессов, характеризующих изменение состояния воздуха в помещениях, имеют значительный наклон. Почти вертикальное направление лучей процессов для теплого и холодного периодов года и незначительная область их изменения не вызывают сложностей при выборе схем тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования, обслуживающих такие помещения.
Наибольшие сложности при выборе наиболее эффективных вариантов обработки воздуха имеют системы, обслуживающие отделения машинной переработки мясного сырья. В связи с этим ниже рассмотрены процессы кондиционирования в действующих системах, а также предлагаемые для внедрения с целью уменьшения энергозатрат, необходимые для поддержания заданных параметров воздуха в сырьевых отделениях, предназначенных для разделки и машинной переработки мясного сырья.
Исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха в действующих центральных системах кондиционирования
Действующие центральные системы комфортно-технологического кондиционирования воздуха в помещениях разделки и переработки мясного сырья применяют в основном с использованием частичной рециркуляции, первого и второго подогрева [8; 9]. При этом воздухонагреватели первого подогрева могут быть установлены перед смесительной камерой или после нее. Чаще применяют системы, в которых воздухонагреватели первого подогрева установлены перед смесительной камерой.
Схема процесса кондиционирования с применением первого и второго подогрева приведена на рис. 1.1. В холодный период года работают воздухонагреватель первого подогрева, в котором предусмотрен подогрев наружного воздуха, смесительная камера для смешения подогретого наружного воздуха с внутренним (рециркуляционным), камера орошения, в которой происходит изоэнтальпийное увлажнение смеси до параметров точки росы приточного воздуха (точка 0 на рис. 1.1) и воздухонагреватель второго подогрева для повышения температуры смеси воздуха до температуры приточного воздуха. Изменение состояния воздуха в помещении обозначено лучом П—В. Луч П—В показывает изменение состояния приточного воздуха, когда в помещении имеются избытки теплоты и влаги. Такое изменение состояния воздуха в рассматриваемых помещениях является наиболее характерным в течение всего года. Поэтому тепловая нагрузка на воздухонагреватель второго подогрева обычно не превышает 4 кДж/кг, особенно для помещений, не имеющих наружные стены. На схеме показан вариант, когда луч процесса в помещении имеет примерно одинаковое направление в теплое и холодное время года. В помещениях, имеющих несколько наружных ограждений, луч процесса в холодное время года может быть направлен несколько выше по сравнению с направлением, показанным на схеме. Для таких помещений тепловая нагрузка на воздухонагреватель второго подогрева в холодное время года увеличивается примерно в 1,5 раза. Так как влагопоступления в помещения в холодное время года остаются примерно равными влагопоступлениям в теплое время, то рабочая разность влагосодержаний остается неизменной, и линия влагосодержания приточного воздуха занимает примерно постоянное положение в течение всего года (влагосодержание приточного воздуха dn.x и dn.T. могут различаться не более, чем на 0,2 г/кг). На схеме показано положение точки П, соответствующей параметрам приточного воздуха, наиболее характерное для большинства помещений.
В теплый период года наружный воздух смешивается с внутренним в постоянном соотношении. Как правило, количество наружного воздуха в размере 10% от общего количества воздуха, подаваемого в помещения, является вполне достаточным для обеспечения рабочих санитарной нормой по кислороду. Смесь воздуха с параметрами точки Ст охлаждается и осушается в камере орошения охлажденной водой, подаваемой от испарителя холодильной машины. Процессы охлаждения смеси с одновременным осушением осуществляют до параметров точки росы 0, что позволяет обеспечивать постоянное влагосодержание приточного воздуха. Доведение параметров охлажденной смеси до параметров приточного воздуха также осуществляется с помощью воздухонагревателя второго подогрева.
Описанный процесс кондиционирования поддерживается путем регулирования постоянной температуры точки приточного воздуха. С одной стороны поддержание заданного влагосодержания (влажности воздуха в помещении) регулятором температуры точки росы является большим достоинством, так как регулирование температуры воздуха (в том числе и регулирование температуры точки росы) осуществляется более надежно, чем регулирование влажности. Но при регулировании температуры точки росы возникает необходимость в использовании второго подогрева, даже в теплое время года, что увеличивает энергозатраты на обработку воздуха и доведение его параметров до заданных, рекомендуемых технологическими нормами.
Кроме того, использование камер орошения для круглогодичной влаж-ностной обработки воздуха (в холодное время — для увлажнения, в теплое время — для осушения) требует повышенного расхода воды. Дополнительным недостатком камер орошения является недостаточно надежная работа каплеуловителей. Поэтому возникают сложности в поддержании заданного влагосодержания воздуха в режимах его осушения. При этом температура точки росы повышается примерно на 1,5—2С, что вызывает повышение температуры и влажности воздуха в помещениях. При повышенной скорости воздуха в камере орошения в отдельных случаях возникает значительное повышение влагосодержания приточного воздуха, что приводит к значительному повышению температуры и влажности в помещениях.
Системы воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды
Выполним сравнительный анализ основных показателей применяемых систем воздухораспределения на примере одного из помещений мясоперерабатывающего завода мощностью 10 т переработки мяса в смену. В последние годы выполняют строительство мясоперерабатывающих предприятий мощностью не более 10 т мяса в смену. Рассматриваемое кондиционируемое помещение относится к помещениям мясоперерабатывающих предприятий современной постройки. Машзал колбасного цеха имеет размеры 18 х 21 м. Высота помещения Ьпом = 6,0 м. Высоту подвески перфорированных воздуховодов рекомендуется принимать не более 3,5 м. Принимаем высоту подвески воздуховодов Ьподв = 3,4 м. Принимаем одинаковое расстояние х для всех рассматриваемых вариантов: Помещение характеризуется средним удельным теплопритоком, приходящимся на 1 м3 объема помещения, цуд = 23,8 Вт/м3. Учитываем размеры помещения и определяем общий теплоприток: При определении расхода воздуха, удовлетворяющего условию обеспечения заданной скорости в рабочей зоне, учитывают суммарную площадь перфорированных панелей, устанавливаемых над рабочей зоной. Площадь рабочей зоны обычно принимают с учетом проходов и проездов, размещаемых вдоль стен.
При площади помещения 18 х 21 м принимаем размеры рабочей зоны 15 х 18 м. При определении общей площади перфорированных панелей учитываем варианты их размещения путем чередования перфорированных и неперфорированных панелей; при этом площадь перфорированных панелей Х перф принимают обычно равной 35—40% от площади рабочей зоны. Принимаем 2 варианта площади рабочей зоны: Коэффициент живого сечения Кжх. чаще всего принимают в пределах 0,05-0,1. Определяем значение скорости приточного воздуха соо и его расхода Vю при двух значениях коэффициента живого сечения: Кж с = 0,05; Кжс.2= 0,1. По формуле (2.2) расход воздуха, подаваемый через перфорированные панели: Учитываем известные данные: максимальная скорость воздуха в рабочей зоне юх = 0,3 м/с; коэффициент Кжс = 0,05; коэффициент Кжс =0,1; расстояние х = 1,6 м; коэффициент Кс = 0,4; коэффициент К„ = 1. Принимаем ширину перфорированных панелей Впан = 1 м и определяем значения скорости и расхода приточного воздуха, а также кратности воздухообмена (табл. 2.2). Из приведенных значений расхода воздуха наиболее близким к расходу воздуха, соответствующему тепловому балансу помещения, является расход Vю = 38800 м3/ч (VZQ = 36000 м3/ч).
Следовательно, в рассматриваемом помещении машзала колбасного цеха может быть установлена система возду-хораспределения через верхние перфорированные панели, имеющая следующую характеристику: расход воздуха V = 38800 м7ч; общая площадь перфорированных панелей FnaH = 108 м ; коэффициент живого сечения перфорированных панелей Кж.с. = 0,05 (5%); скорость приточного воздуха coo = 2 м/с; скорость воздуха в рабочей зоне сор.3. = 0,15 м/с; кратность воздухообмена nw= 17,1 об/ч. Перфорированные воздуховоды типа ВПК, имеющие серийное изготовление, подбирают по табл. [24]. Так как ширина рабочей зоны Врз. = 15 м, то принимаем к установке воздуховоды длиной 15 м. По табл. [24] ближайший типовой перфорированный воздуховод имеет общую длину в = 15,4 м, длину перфорированных секций = 15 м, начальный диаметр 630 мм, средний диаметр dcp = 530 мм. Ширина приточной струи по формуле (2.12) ЬстР = 1,82 м; расстояние х = 1,6 м; ширина рабочей зоны (по формуле 2.11): ВР.З, =4,6 м. При ширине Вр з = 4,6 м необходимо установить 4 воздуховода. В формулу (2.13), позволяющую определить скорость приточного воздуха, входит коэффициент стеснения Кс, который определяется по таблице 2.1 в зависимости от отношения ширины приточной струи Ьстр в рабочей зоне к ширине рабочей зоны Вр#3 1, приходящейся на одну струю. При отношении Ьстр /Врз = 0,4 коэффициент стеснения Кс = 0,9.
Анализ систем воздухораспределения с воздуховодами диаметром 500 и 630 мм
В разделе 2 отмечены преимущества систем воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды и приведено обоснование для практического внедрения систем такой конструкции. В разделе 2 рассмотрен также сравнительный анализ применяемых систем воздухораспределения на примере машзала колбасного цеха мясоперерабатывающего завода производительностью 10 т/см. В примере показаны преимущества системы воздухораспределения через перфорированные текстильные воздуховоды. Для того чтобы выполнить сравнение применяемых систем при одинаковых исходных условиях были приняты следующие допущения: 1) высота размещения перфорированных панелей и воздуховодов является одинаковой и равной х = 1,6 м; 2) коэффициент живого сечения перфорированных текстильных воздуховодов равен коэффициенту живого сечения перфорированных типовых воздуховодов типа ВПК, т.е. Кжс. = 0,047, так как типовые воздуховоды ВПК выпускают только с таким коэффициентом Кжс.; 3) диаметр перфорированных текстильных и типовых воздуховодов равен dB = 630 мм, так как серийные типовые воздуховоды ВПК, имеющие длину lB = 15 м, выпускают только с начальным диаметром dB = 630 мм. При этом для обеспечения средней заданной скорости сор,3. = 0,15 м/с в системе с перфорированными текстильными воздуховодами необходимый расход воздуха равен Vм = 23570 м3/ч.
Ниже приведен расчет расхода воздуха в системе, рассмотренной в разделе 2, с учетом рекомендаций, разработанных в настоящем разделе. При расчете систем с перфорированными текстильными воздуховодами диаметром 630 мм рекомендуется принимать для обеспечения заданной скорости воздуха в рабочей зоне сор.3. = 0,15 м/с следующие параметры: скорость воздуха на входе в воздуховод совх = 4,6 м/с; скорость приточного воздуха а о= 2,9 м/с; коэффициент живого сечения Кж.с. = 0,05; расстояние от воздуховода до верхнего уровня рабочей зоны х = 1,45 м. По формуле (3.4) необходимый расход воздуха: 15 и 3 — соответственно длина и количество воздуховодов. При сравнении значений V находим крайне незначительное отличие полученных результатов. Следовательно, рекомендации по расчету систем распределения воздуха могут быть использованы в практических расчетах.
Выполним сравнение результатов определения необходимого расхода воздуха для системы, оборудованной воздуховодами диаметром 500 мм. Для такого варианта в разделе 2 принято 4 воздуховода, так как по расчету необходимо 4,1 (см. раздел 2). По формуле (3.3) расход воздуха при длине воздуховодов в = 15 м и количестве nB = 4 составляет: V = 25440 м3/ч. Составляем сравнительную таблицу основных параметров рассмотренных систем (табл. 3.5). При сравнении результатов находим, что расход воздуха в системе с воздуховодами dB = 630 мм меньше, чем в системе с воздуховодами dB = 500 мм. Кроме того, в системе с воздуховодами dB = 630 мм требуется меньшее количество воздуховодов и меньшая скорость приточного воздуха. Уменьшение скорости приточного воздуха в системе с воздуховодами dB = 630 мм позволяет уменьшить потери напора в местных сопротивлениях перфорированной поверхности воздуховодов; уменьшение скорости воздуха на входе в воздуховоды позволяет уменьшить потери напора на трение и в местных сопротивлениях воздуховодов. Полный сравнительный анализ рассмотренных систем можно выполнить после определения мощности, затрачиваемой на работу вентилятора. На основании приведенных данных предлагаются системы воздухораспределения, обеспечивающие поддержание заданных параметров воздуха в технологических помещениях разделки и переработки мясного сырья путем подачи приточного воздуха через перфорированные текстильные воздуховоды, равномерно размещенные над рабочей зоной на высоте над уровнем пола Ьвозд = 3,25 м и имеющие следующие характеристики: Ширина рабочей зоны, обслуживаемая одним воздуховодом и равная Вр з = 4,35 — 5,4 м, находится в пределах рабочей зоны, занимаемой конвейером или технологической линией переработки сырья, производства фарша и полуфабрикатов. Это обстоятельство необходимо отметить как по ложительное с точки зрения уменьшения необходимого количества воздуховодов и создания условий для равномерного распределения воздуха по всей площади рабочей зоны.
Определение коэффициента местного сопротивления с учетом коэффициента расхода
Коэффициенты местного сопротивления С, для перфорированных воздуховодов, имеющих перфорацию в виде круглых, прямоугольных или щелевых отверстий, исследованы Талиевым В.Н. В результате выполненных исследований им предложена формула для определения коэффициента С, [81]: где соотв — скорость приточного воздуха (на выходе из отверстий перфорированного воздуховода), м/с; G)BX — скорость воздуха на входе в воздуховод, м/с; [і — коэффициент расхода. Коэффициент расхода определяют через произведение коэффициентов є и ф [33]: где є — коэффициент сжатия приточной струи; Ф — коэффициент скорости. Струя воздуха, выходящая из отверстия воздухораспределителя, сжимается на некотором расстоянии от отверстия. В связи с этим вводится коэффициент сжатия струи є. Коэффициент сжатия є зависит от условий истечения струи из отверстия. В обычных условиях при истечении из большого объема через малое отверстие коэффициент сжатия струи находится в пределах є = 0,61 - - 0,63. Коэффициент скорости фш характеризует отношение действительной скорости истечения к теоретической. Действительная скорость истечения всегда меньше теоретической вследствие потерь.
Поэтому коэффициент скорости фю всегда меньше единицы. При увеличении значения критерия Re (т.е. с уменьшением сил вязкости) коэффициент скорости фш увеличивается, и его значение приближается к единице [33; 81]. Коэффициент расхода JJ, характеризует отношение действительного расхода к теоретическому, который имел бы место при отсутствии сжатия струи и отсутствии сопротивления. Таким образом коэффициент расхода всегда меньше единицы вследствие влияния двух факторов: сжатия струи и сопротивления. Калицуном В.И. и Дроздовым Е.В. разработана графическая зависимость коэффициента расхода ц при изменении значения Re, которая приведена на рис. 4.5 [33]. Определяем значения критерия Re для рекомендуемых условий истечения воздуха из отверстий перфорированной поверхности: где do — диаметр отверстий в воздуховодах, м; у — кинематическая вязкость воздуха при t = tnpm; tupm = 9С; В воздуховоде диаметром 500 мм предусмотрены отверстия диаметром d0 = 5 мм. Учитываем рекомендуемое значение скорости воздуха со0 = 3,75 м/с при скорости ювх =6 м/с и определяем: По графику (рис. 4.5) при значении критерия ReOTB500 = 1,32 103 определяем: (Л = 0,66; по формуле (4.5) определяем коэффициент местного сопротивления: В воздуховоде диаметром da = 630 мм предусмотрена перфорация с таки же диаметром отверстий do = 5 мм. Учитываем рекомендуемое значение скорости ю0 = 2,9 м/с при совх = 4,6 м/с и определяем: По графику (рис. 4.5) при значении критерия Re = 1,024 103 оп ределяем: ц = 0,677. Коэффициент местного сопротивления:
В сводной таблице 4.4 приведены средние значения коэффициента местного сопротивления перфорированных текстильных воздуховодов, определенные двумя способами: 1) по давлению воздуха, поступающего в воздуховод, на основании экспериментальных данных по измерению скорости, но с учетом расчетного значения коэффициента трения X; 2) по способу Талиева В.Н. [81], учитывающему коэффициент расхода воздуха при его истечении из малых отверстий. Значения коэффициента С, принимаем на основании данных, полученных по формуле Талиева В.Н., так как формула учитывает скорость воздуха в воздуховоде, скорость его истечения из перфорированных отверстий и коэффициент расхода ц, который в свою очередь учитывает действительные условия истечения воздуха из малых отверстий при большой площади перфорированной поверхности. В связи с тем, что воздуховоды отличаются площадью перфорированной поверхности, они имеют различные значения коэффициента С,:
