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(shí)，就需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，否則混合后的空氣無(wú)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
?。┫到y(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(duì)較小，而對(duì)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(jí)潔凈室為
50~60
次
/h
，萬(wàn)級(jí)潔凈室為
15~25
次
/h
，十萬(wàn)級(jí)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(guò)濾器，而高效過(guò)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(guò)濾器。當(dāng)遇上冰雨天氣
(
冰雨天氣是由于冷暖空氣對(duì)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(guò)程中結(jié)成冰粒而形成的特殊降水方式
)
，
過(guò)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(guò)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(gè)潔凈廠房的潔凈度及空氣品質(zhì)
[2]
。
鑒于上述問(wèn)題的存在，當(dāng)室外溫度低于
5
℃時(shí)應(yīng)對(duì)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(pán)管，在新風(fēng)溫度低于
5
℃時(shí)將其預(yù)熱至
5
℃，這樣以來(lái)，即使遇上冰雨和大霧天氣，由于盤(pán)管的加熱，冰雨轉(zhuǎn)化為水滴，大部分水滴碰到預(yù)熱盤(pán)管壁面會(huì)附著在上面，積累成大的水滴沿著盤(pán)管壁流到下面的接水盤(pán)中，同時(shí)由于新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱到
5
℃再吹向過(guò)濾器，濾材的溫度不會(huì)達(dá)到零度以下，因此濾材上即使有水滴也不會(huì)結(jié)冰，過(guò)濾器也就不會(huì)出現(xiàn)封堵現(xiàn)象。
另外，在新風(fēng)和一次回風(fēng)時(shí)也應(yīng)考慮混合點(diǎn)是否在霧區(qū)的問(wèn)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(shí)，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(pán)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(pán)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(lái)消除預(yù)熱盤(pán)管凍結(jié)的隱患。
1.
預(yù)熱盤(pán)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(pán)管都是通過(guò)在機(jī)組盤(pán)管的供水和回水管道上用三通閥連接，根據(jù)盤(pán)管后的空氣的溫度調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥，從而控制熱水盤(pán)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(guò)末端設(shè)備的水流量變化了，但是對(duì)整個(gè)水系統(tǒng)而言卻是定流量的。定流量系統(tǒng)中用戶(hù)末端盤(pán)管采用三通閥調(diào)節(jié)，水泵大部分時(shí)間在較低的效率點(diǎn)工作，耗能?chē)?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(pán)管內(nèi)的水停止循環(huán)，由于進(jìn)風(fēng)口處閥門(mén)的熱損耗和室外冷空氣的滲入，會(huì)使預(yù)熱盤(pán)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(pán)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(shuō)如果預(yù)熱盤(pán)管水路系統(tǒng)采用三通閥的連接方式，預(yù)熱盤(pán)管仍存在著凍裂的安全隱患。
方案二：
預(yù)熱盤(pán)管水路控制更簡(jiǎn)單的控制方式是采用電動(dòng)二通閥，使整個(gè)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(hù)末端盤(pán)管采用二通閥調(diào)節(jié)，整個(gè)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(dòng)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(wèn)題，即在通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，預(yù)熱盤(pán)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(wèn)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(guò)濾器，
cb
段加裝一水泵，
ed
段加控制閥（電動(dòng)二通閥），
ec
段加止回閥。預(yù)熱盤(pán)管采用這種混水站的方式預(yù)防盤(pán)管凍裂的原理在于：在正常情況下，通過(guò)新風(fēng)機(jī)組的預(yù)熱盤(pán)管后面的空氣溫度來(lái)調(diào)節(jié)
ed
段的控制閥，當(dāng)其溫度低于
5
℃時(shí)，增加控制閥的開(kāi)度，即增加熱水盤(pán)管的水流量
,
直至預(yù)熱盤(pán)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(kāi)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(dòng)，也就是說(shuō)無(wú)論何時(shí)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(shí)，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，預(yù)熱盤(pán)管內(nèi)仍然有水循環(huán)流動(dòng)，有效的消除了盤(pán)管凍裂的安全隱患。
另外
ed
段裝有電動(dòng)二通閥，從而使整個(gè)水路系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)末端盤(pán)管采用二通閥，使整個(gè)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(dòng)力和熱源的運(yùn)行費(fèi)用。
分析比較上述三種預(yù)熱盤(pán)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(shí)間在降低的效率點(diǎn)工作，耗能?chē)?yán)重，而且存在預(yù)熱盤(pán)管凍裂的安全隱患；方案二通過(guò)變流量節(jié)約熱量輸送動(dòng)力和熱源的運(yùn)行費(fèi)用，但是也存在著預(yù)熱盤(pán)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(pán)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(pán)管凍結(jié)的同時(shí)，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(duì)于新風(fēng)量要求較大的潔凈廠房新風(fēng)機(jī)組預(yù)熱盤(pán)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(shuō)明潔凈廠房新風(fēng)機(jī)組的空氣預(yù)熱盤(pán)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(pán)管供回水溫度：
60
℃
/50
℃
3.2
熱水盤(pán)管換熱量及接管管徑的確定
根據(jù)公式（
1
?。┐_定熱水盤(pán)管所需換熱量。
式中，
Q
——盤(pán)管換熱量，
W
?。?/p>
G
——新風(fēng)量，
m3/h
??；
ρ
——新風(fēng)密度，
1.342kg/m
3
?。?/p>
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(duì)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(pán)管的換熱量為
438KW
。再由公式（
2
?。┐_定盤(pán)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(guò)程的焓濕圖
空氣處理過(guò)程的流程如下：
其處理過(guò)程的焓濕圖表示如圖4所示。
3.4
控制閥（電動(dòng)二通閥）位置的確定
此混水站為二級(jí)系統(tǒng)，一級(jí)側(cè)為熱水管網(wǎng)，二級(jí)側(cè)為預(yù)熱盤(pán)管，盤(pán)管50℃回水通過(guò)ec段止回閥與管網(wǎng)70℃供水混合為60℃的二級(jí)系統(tǒng)供水供給預(yù)熱盤(pán)管。下面來(lái)討論控制閥位置的確定。如圖3中所示，一級(jí)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(jí)系統(tǒng)的供水溫度t
3
=60℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
3
?？刂崎y若放在二級(jí)系統(tǒng)中，當(dāng)二級(jí)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化，比如負(fù)荷變小時(shí)，二級(jí)系統(tǒng)所需的制冷量變小，雖然可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)小二級(jí)系統(tǒng)的流量，但是若控制閥關(guān)小，則預(yù)熱盤(pán)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(lái)，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(huì)低于60℃，無(wú)法滿足預(yù)熱盤(pán)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(jí)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，一級(jí)系統(tǒng)流量卻沒(méi)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(shí)控制閥開(kāi)啟，那么當(dāng)新風(fēng)溫度略高于5℃時(shí)，控制閥就是關(guān)閉的狀態(tài)，也就是說(shuō)此時(shí)盤(pán)管中的水流量為零，若此時(shí)室外氣溫劇降，那么預(yù)熱盤(pán)管仍存在凍結(jié)的可能性，盤(pán)管凍裂的安全隱患并沒(méi)有消除，所以控制閥不應(yīng)設(shè)置在二級(jí)系統(tǒng)中。
下面來(lái)分析控制閥放在一級(jí)系統(tǒng)中情況。如圖3中所示，當(dāng)二級(jí)系統(tǒng)的負(fù)荷變化時(shí)，如負(fù)荷減小，相應(yīng)的二級(jí)系統(tǒng)流量變小，調(diào)節(jié)控制閥使一級(jí)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(shí)減小，仍可以保證二級(jí)系統(tǒng)60℃的供水，而且二級(jí)系統(tǒng)的負(fù)荷變化時(shí)，一級(jí)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(kāi)啟和關(guān)閉，即不論一級(jí)系統(tǒng)中是否有水流量，二級(jí)系統(tǒng)中始終有水循環(huán)流動(dòng)，不存在盤(pán)管凍裂的安全隱患，所以控制閥應(yīng)放在一級(jí)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(pán)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)：
?。?）
a點(diǎn)的資用壓頭滿足向c點(diǎn)供水即可；
?。?）
c點(diǎn)的資用壓頭滿足向b點(diǎn)供水即可；
?。?）
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(shí)流量滿足平衡關(guān)系。
?。?）
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(hào)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)
?。?/p>
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(dòng)二通閥的樣本，Kvs為19時(shí)，管徑為DN32，
Kvs
為10時(shí)，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(shí)，管徑DN32，工作壓力PN16。
3.
結(jié)論
對(duì)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(guò)濾器，從而影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，采用對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱的方案，即當(dāng)室外氣溫低于5℃時(shí)，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，可以有效地避免新風(fēng)預(yù)過(guò)濾器結(jié)凍現(xiàn)象的發(fā)生。分析表明，對(duì)新風(fēng)預(yù)熱盤(pán)管水路系統(tǒng)的控制連接，由電動(dòng)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(pán)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(guò)一個(gè)實(shí)際工程案例，對(duì)小型混水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型計(jì)算的說(shuō)明和分析。
來(lái)
源
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