潔凈廠房新風(fēng)機(jī)組的空氣預(yù)熱處理計(jì)算分析

　　在一次回風(fēng)空調(diào)機(jī)組中，如果冬季室外空氣焓值低于一定值時，就需要對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，否則混合后的空氣無法處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。而在潔凈廠房的空氣處理中常用到獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組（

　　MAU

　　）系統(tǒng)。舒適空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)機(jī)組用于處理滿足空調(diào)房間的人員的新風(fēng)需求的新風(fēng)量，風(fēng)量相對較小，而對于潔凈廠房的空調(diào)系統(tǒng)，一方面由于潔凈廠房的換氣次數(shù)比較大，千級潔凈室為

　　50~60

　　次

　　/h

　　，萬級潔凈室為

　　15~25

　　次

　　/h

　　，十萬級潔凈室為

　　10~15

　　次

　　/h

　　[1]

　　，新風(fēng)機(jī)組處理的風(fēng)量比較大；另一方面考慮潔凈度的要求，潔凈室風(fēng)口末端安裝有高效過濾器，而高效過濾器的容塵能力有限，因此需要在新風(fēng)機(jī)組中安裝初、中效過濾器。當(dāng)遇上冰雨天氣

　　(

　　冰雨天氣是由于冷暖空氣對流，大氣上層氣溫在冰點(diǎn)以上，而地面溫度在冰點(diǎn)以下，使得雨水在下降過程中結(jié)成冰粒而形成的特殊降水方式

　　)

　　，

　　過濾器視空氣中

　　冰晶

　　為顆粒物而阻攔，水滴在零度以下的濾材上結(jié)冰，并迅速地將過濾器封堵，導(dǎo)致新風(fēng)機(jī)組嚴(yán)重出力不足，進(jìn)而影響整個潔凈廠房的潔凈度及空氣品質(zhì)

　　[2]

　　。

　　鑒于上述問題的存在，當(dāng)室外溫度低于

　　5

　　℃時應(yīng)對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，就是在新風(fēng)機(jī)組入口增加一套預(yù)熱盤管，在新風(fēng)溫度低于

　　5

　　℃時將其預(yù)熱至

　　5

　　℃，這樣以來，即使遇上冰雨和大霧天氣，由于盤管的加熱，冰雨轉(zhuǎn)化為水滴，大部分水滴碰到預(yù)熱盤管壁面會附著在上面，積累成大的水滴沿著盤管壁流到下面的接水盤中，同時由于新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱到

　　5

　　℃再吹向過濾器，濾材的溫度不會達(dá)到零度以下，因此濾材上即使有水滴也不會結(jié)冰，過濾器也就不會出現(xiàn)封堵現(xiàn)象。

　　另外，在新風(fēng)和一次回風(fēng)時也應(yīng)考慮混合點(diǎn)是否在霧區(qū)的問題，需要根據(jù)最小新風(fēng)比和室外空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓值確定新風(fēng)的預(yù)熱。當(dāng)室外氣溫降到

　　0℃

　　以下時，如進(jìn)風(fēng)或新風(fēng)系統(tǒng)中未采取有效的防凍措施，空氣加熱器中的水有可能結(jié)凍。結(jié)凍的結(jié)果，輕則影響正常運(yùn)行，重則使加熱器的盤管破裂，必須更新或修理。一般可以采用的預(yù)防新風(fēng)機(jī)組盤管凍結(jié)的方法有電加熱法、值班風(fēng)機(jī)法和旁通導(dǎo)流法

　　[3][4]

　　，這里考慮用混水站的方法來消除預(yù)熱盤管凍結(jié)的隱患。

　　

　　

　　

　　1.

　　

　　

　　預(yù)熱盤管水量調(diào)節(jié)的方案比較

　　

　　

　　方案一

　　

　　：一般的空調(diào)機(jī)組的熱水盤管都是通過在機(jī)組盤管的供水和回水管道上用三通閥連接，根據(jù)盤管后的空氣的溫度調(diào)節(jié)電動三通閥，從而控制熱水盤管的水流量，如圖1中所示。這種用三通閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的水系統(tǒng)，盡管通過末端設(shè)備的水流量變化了，但是對整個水系統(tǒng)而言卻是定流量的。定流量系統(tǒng)中用戶末端盤管采用三通閥調(diào)節(jié)，水泵大部分時間在較低的效率點(diǎn)工作，耗能嚴(yán)重。

　　而在實(shí)際工程中有的通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，預(yù)熱盤管內(nèi)的水停止循環(huán)，由于進(jìn)風(fēng)口處閥門的熱損耗和室外冷空氣的滲入，會使預(yù)熱盤管內(nèi)的水因局部溫度逐漸降低而凍結(jié)，以至將預(yù)熱盤管的銅管凍裂，影響通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。也就是說如果預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)采用三通閥的連接方式，預(yù)熱盤管仍存在著凍裂的安全隱患。

　　

　　

　　

　　方案二：

　　

　　預(yù)熱盤管水路控制更簡單的控制方式是采用電動二通閥，使整個水系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)，如圖2中所示。在這一變流量系統(tǒng)中，用戶末端盤管采用二通閥調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)循環(huán)水流量隨負(fù)荷變化而成比例變化。變水量的目的是使由熱源輸出的流量所載熱量與經(jīng)常變化的末端所需冷量相匹配，節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運(yùn)行費(fèi)用。

　　這種方案與方案一存在著相同的問題，即在通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，預(yù)熱盤管存在著凍裂的安全隱患。

　　

　　方案三：

　　

　　采用混水站的控制方式可以消除以上兩種方案都存在的問題，其具體連接方式如圖3所示。

　　如圖3所示，

　　a

　　點(diǎn)接熱水管網(wǎng)供水管，

　　d

　　點(diǎn)接熱水管網(wǎng)回水管，

　　ac

　　段設(shè)置一過濾器，

　　cb

　　段加裝一水泵，

　　ed

　　段加控制閥（電動二通閥），

　　ec

　　段加止回閥。預(yù)熱盤管采用這種混水站的方式預(yù)防盤管凍裂的原理在于：在正常情況下，通過新風(fēng)機(jī)組的預(yù)熱盤管后面的空氣溫度來調(diào)節(jié)

　　ed

　　段的控制閥，當(dāng)其溫度低于

　　5

　　℃時，增加控制閥的開度，即增加熱水盤管的水流量

　　,

　　直至預(yù)熱盤管后面的空氣溫度達(dá)到

　　5

　　℃為止。

　　從圖3中可以看出，即使

　　ed

　　點(diǎn)的控制閥開度為

　　0

　　，由于

　　bc

　　段的循環(huán)水泵的存在，在環(huán)路

　　bcfe

　　中依然有一定量的水在循環(huán)流動，也就是說無論何時在環(huán)路

　　bcfe

　　中都有循環(huán)水。即使在通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行時，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，預(yù)熱盤管內(nèi)仍然有水循環(huán)流動，有效的消除了盤管凍裂的安全隱患。

　　另外

　　ed

　　段裝有電動二通閥，從而使整個水路系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)末端盤管采用二通閥，使整個系統(tǒng)循環(huán)流量隨負(fù)荷變化而成比例變化，變水量的目的是使由熱源輸出的流量所載熱量與經(jīng)常變化的末端所需熱量相匹配，節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運(yùn)行費(fèi)用。

　　分析比較上述三種預(yù)熱盤管水量調(diào)節(jié)方案：方案一采用三通閥調(diào)節(jié)，水泵大部分時間在降低的效率點(diǎn)工作，耗能嚴(yán)重，而且存在預(yù)熱盤管凍裂的安全隱患；方案二通過變流量節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運(yùn)行費(fèi)用，但是也存在著預(yù)熱盤管凍結(jié)的安全隱患；方案三雖然管路復(fù)雜些，由于預(yù)熱盤管側(cè)循環(huán)水泵的存在，此管路系統(tǒng)在有效消除預(yù)熱盤管凍結(jié)的同時，還分擔(dān)了一部分管網(wǎng)的資用壓頭，變流量的系統(tǒng)也滿足節(jié)能的需要。因此，對于新風(fēng)量要求較大的潔凈廠房新風(fēng)機(jī)組預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)宜采用混水站的方式。

　　

　　

　　

　　2.

　　

　　

　　實(shí)例分析

　　

　　下面以某制藥廠的新風(fēng)機(jī)組為例，說明潔凈廠房新風(fēng)機(jī)組的空氣預(yù)熱盤管混水站水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型計(jì)算。

　　3.1

　　基本資料

　　空調(diào)新風(fēng)機(jī)組的總新風(fēng)量：

　　m3/h;

　　室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　t

　　w

　　=-11

　　℃

　　,

　　φ

　　=53%

　　室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　t

　　n

　　=21

　　℃

　　,

　　φ

　　=60%

　　預(yù)熱后的空氣溫度：

　　5

　　℃

　　熱水管網(wǎng)供回水溫度：

　　70

　　℃

　　/50

　　℃

　　熱水盤管供回水溫度：

　　60

　　℃

　　/50

　　℃

　　3.2

　　熱水盤管換熱量及接管管徑的確定

　　根據(jù)公式（

　　1

　　）確定熱水盤管所需換熱量。

　　式中，

　　Q

　　——盤管換熱量，

　　W

　　；

　　G

　　——新風(fēng)量，

　　m3/h

　　；

　　ρ

　　——新風(fēng)密度，

　　1.342kg/m

　　3

　　；

　　i

　　c

　　——新風(fēng)預(yù)熱后焓值，

　　6.9KJ/Kg

　　（預(yù)熱后的溫度為

　　5

　　℃，相對濕度仍為

　　53%

　　）；

　　i

　　w

　　——室外空氣計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)焓值，-

　　9.2KJ/Kg

　　；

　　計(jì)算得熱水盤管的換熱量為

　　438KW

　　。再由公式（

　　2

　　）確定盤管水量。

　　計(jì)算得熱水質(zhì)量流量為10.5kg/s,進(jìn)而求得體積流量為37.8m

　　3

　　/h，比摩阻取

　　250Pa/m

　　，接管管徑取

　　DN100

　　，校核流速

　　1.2m/s

　　。

　　3.3

　　新風(fēng)機(jī)組空氣處理過程的焓濕圖

　　空氣處理過程的流程如下：

　　其處理過程的焓濕圖表示如圖4所示。

　　3.4

　　控制閥（電動二通閥）位置的確定

　　此混水站為二級系統(tǒng)，一級側(cè)為熱水管網(wǎng)，二級側(cè)為預(yù)熱盤管，盤管50℃回水通過ec段止回閥與管網(wǎng)70℃供水混合為60℃的二級系統(tǒng)供水供給預(yù)熱盤管。下面來討論控制閥位置的確定。如圖3中所示，一級系統(tǒng)的供水溫度t

　　1

　　=70℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　1

　　,二級系統(tǒng)的供水溫度t

　　3

　　=60℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　3

　　。控制閥若放在二級系統(tǒng)中，當(dāng)二級系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化，比如負(fù)荷變小時，二級系統(tǒng)所需的制冷量變小，雖然可以通過調(diào)節(jié)閥調(diào)小二級系統(tǒng)的流量，但是若控制閥關(guān)小，則預(yù)熱盤管流量變小，相應(yīng)的bc管段的流量變小，而ac管段的流量不變，那么就的旁通管路ec段流量變小才能滿足系統(tǒng)的流量要求。這樣以來，70℃高溫水流量變小，而50℃的低溫水流量不變，那么bc管段的混水溫度將會低于60℃，無法滿足預(yù)熱盤管的設(shè)計(jì)供水溫度；另外，由上述分析易知，當(dāng)二機(jī)級系統(tǒng)負(fù)荷變化時，一級系統(tǒng)流量卻沒有變化，顯然不符合節(jié)能的要求。更為重要的一點(diǎn)是，根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)新風(fēng)溫度低于5℃時控制閥開啟，那么當(dāng)新風(fēng)溫度略高于5℃時，控制閥就是關(guān)閉的狀態(tài)，也就是說此時盤管中的水流量為零，若此時室外氣溫劇降，那么預(yù)熱盤管仍存在凍結(jié)的可能性，盤管凍裂的安全隱患并沒有消除，所以控制閥不應(yīng)設(shè)置在二級系統(tǒng)中。

　　下面來分析控制閥放在一級系統(tǒng)中情況。如圖3中所示，當(dāng)二級系統(tǒng)的負(fù)荷變化時，如負(fù)荷減小，相應(yīng)的二級系統(tǒng)流量變小，調(diào)節(jié)控制閥使一級系統(tǒng)的流量減小，即bc管段流量減小，ac管段的流量變小，旁通閥也關(guān)小，這樣不僅可以滿足流量要求，也可以滿足溫度的要求，即70℃高溫水和50℃的低溫水的流量同時減小，仍可以保證二級系統(tǒng)60℃的供水，而且二級系統(tǒng)的負(fù)荷變化時，一級系統(tǒng)的流量有相應(yīng)的變化，符合節(jié)能的要求，此外，不論控制閥的開啟和關(guān)閉，即不論一級系統(tǒng)中是否有水流量，二級系統(tǒng)中始終有水循環(huán)流動，不存在盤管凍裂的安全隱患，所以控制閥應(yīng)放在一級系統(tǒng)中。

　　3.5

　　水泵流量和揚(yáng)程的確定

　　熱水管網(wǎng)的供水溫度t

　　1

　　=70℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　1

　　,預(yù)熱盤管的供水溫度t

　　3

　　=60℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　3

　　。G

　　2

　　為旁通管ce段流量。如圖3中所示可知流量關(guān)系：

　　根據(jù)2.2中的計(jì)算，G

　　3

　　=33.6m

　　3

　　/h。

　　又由混水熱量平衡：

　　根據(jù)以上條件可以求解得G

　　1

　　=G

　　2

　　=16.8m

　　3

　　/h。這樣水泵和控制閥的流量就都確定了，即水泵流量為33.6m

　　3

　　/h，控制閥流量為16.8m

　　3

　　/h。所以圖3中的ed和ac段的接管管徑為DN65（比摩阻取250Pa/m），校核流速1.4m/s。

　　如圖3中所示，此混水系統(tǒng)各點(diǎn)壓頭滿足以下幾點(diǎn)：

　　（1）

　　a點(diǎn)的資用壓頭滿足向c點(diǎn)供水即可；

　　（2）

　　c點(diǎn)的資用壓頭滿足向b點(diǎn)供水即可；

　　（3）

　　e點(diǎn)的資用壓頭應(yīng)滿足向d點(diǎn)及向c點(diǎn)提供壓頭，同時流量滿足平衡關(guān)系。

　　（4）

　　ad間有6mH

　　2

　　O的資用壓力。

　　由此可以得到以下關(guān)系式：

　　由(5)(6)式可得混水泵水泵揚(yáng)程：

　　查止回閥樣本，計(jì)算得混水泵揚(yáng)程H為86.5KPa。

　　由（7）式可以看出，bc管段所設(shè)置的混水泵只要克服fecbf環(huán)路的阻力即可。

　　此外還有：

　　將（8）（9）式代入(6)式可得控制閥的壓力損失：

　　查止回閥樣本，計(jì)算得控制閥壓力損失

　　為97KPa。

　　3.6

　　控制閥尺寸和型號的確定

　　根據(jù)2.5中計(jì)算出的控制閥壓力降

　　,利用如下公式可以求得控制閥的流量系數(shù)

　　：

　　式中，Q——熱水流量，16.8m

　　3

　　/h；

　　r——液體重度，1g/cm

　　3

　　；

　　△P——控制閥壓力降，97KPa。

　　計(jì)算得Kr=17，查找通用電動二通閥的樣本，Kvs為19時，管徑為DN32，

　　Kvs

　　為10時，管徑為DN25，如果Kr>Kvs,不能滿足流量調(diào)節(jié)的要求,所以取

　　Kvs

　　為19時，管徑DN32，工作壓力PN16。

　　

　　

　　

　　3.

　　

　　

　　結(jié)論

　　

　　對于潔凈廠房的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，為了防止在冰雨和大霧天氣冰粒堵塞過濾器，從而影響整個空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，采用對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱的方案，即當(dāng)室外氣溫低于5℃時，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，可以有效地避免新風(fēng)預(yù)過濾器結(jié)凍現(xiàn)象的發(fā)生。分析表明，對新風(fēng)預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)的控制連接，由電動調(diào)節(jié)閥和循環(huán)水泵構(gòu)成的小型混水系統(tǒng)在有效的預(yù)防預(yù)熱盤管凍結(jié)及節(jié)能設(shè)計(jì)方面優(yōu)于單獨(dú)采用二通閥或三通閥的控制方式。此外，本文通過一個實(shí)際工程案例，對小型混水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型計(jì)算的說明和分析。

　　來

　　源

　　：潔凈技術(shù)與應(yīng)用

　　

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