潔凈廠(chǎng)房新風(fēng)機組的空氣預熱處理計算分析

　　在一次回風(fēng)空調機組中，如果冬季室外空氣焓值低于一定值時(shí)，就需要對新風(fēng)進(jìn)行預熱，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(chǎng)房的空氣處理中常用到獨立新風(fēng)機組（

　　MAU

　?。┫到y。舒適空調系統的新風(fēng)機組用于處理滿(mǎn)足空調房間的人員的新風(fēng)需求的新風(fēng)量，風(fēng)量相對較小，而對于潔凈廠(chǎng)房的空調系統，一方面由于潔凈廠(chǎng)房的換氣次數比較大，千級潔凈室為

　　50~60

　　次

　　/h

　　，萬(wàn)級潔凈室為

　　15~25

　　次

　　/h

　　，十萬(wàn)級潔凈室為

　　10~15

　　次

　　/h

　　[1]

　　，新風(fēng)機組處理的風(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)機組中安裝初、中效過(guò)濾器。當遇上冰雨天氣

　　(

　　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(guò)程中結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冰，并迅速地將過(guò)濾器封堵，導致新風(fēng)機組嚴重出力不足，進(jìn)而影響整個(gè)潔凈廠(chǎng)房的潔凈度及空氣品質(zhì)

　　[2]

　　。

　　鑒于上述問(wèn)題的存在，當室外溫度低于

　　5

　　℃時(shí)應對新風(fēng)進(jìn)行預熱，就是在新風(fēng)機組入口增加一套預熱盤(pán)管，在新風(fēng)溫度低于

　　5

　　℃時(shí)將其預熱至

　　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，冰雨轉化為水滴，大部分水滴碰到預熱盤(pán)管壁面會(huì )附著(zhù)在上面，積累成大的水滴沿著(zhù)盤(pán)管壁流到下面的接水盤(pán)中，同時(shí)由于新風(fēng)經(jīng)預熱到

　　5

　　℃再吹向過(guò)濾器，濾材的溫度不會(huì )達到零度以下，因此濾材上即使有水滴也不會(huì )結冰，過(guò)濾器也就不會(huì )出現封堵現象。

　　另外，在新風(fēng)和一次回風(fēng)時(shí)也應考慮混合點(diǎn)是否在霧區的問(wèn)題，需要根據最小新風(fēng)比和室外空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓值確定新風(fēng)的預熱。當室外氣溫降到

　　0℃

　　以下時(shí)，如進(jìn)風(fēng)或新風(fēng)系統中未采取有效的防凍措施，空氣加熱器中的水有可能結凍。結凍的結果，輕則影響正常運行，重則使加熱器的盤(pán)管破裂，必須更新或修理。一般可以采用的預防新風(fēng)機組盤(pán)管凍結的方法有電加熱法、值班風(fēng)機法和旁通導流法

　　[3][4]

　　，這里考慮用混水站的方法來(lái)消除預熱盤(pán)管凍結的隱患。

　　

　　

　　

　　1.

　　

　　

　　預熱盤(pán)管水量調節的方案比較

　　

　　

　　方案一

　　

　?。阂话愕目照{機組的熱水盤(pán)管都是通過(guò)在機組盤(pán)管的供水和回水管道上用三通閥連接，根據盤(pán)管后的空氣的溫度調節電動(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)行調節的水系統，盡管通過(guò)末端設備的水流量變化了，但是對整個(gè)水系統而言卻是定流量的。定流量系統中用戶(hù)末端盤(pán)管采用三通閥調節，水泵大部分時(shí)間在較低的效率點(diǎn)工作，耗能?chē)乐亍?/p>

　　而在實(shí)際工程中有的通風(fēng)或空調系統間歇運行，當系統停止運行后，預熱盤(pán)管內的水停止循環(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 )使預熱盤(pán)管內的水因局部溫度逐漸降低而凍結，以至將預熱盤(pán)管的銅管凍裂，影響通風(fēng)、空調系統的正常運行。也就是說(shuō)如果預熱盤(pán)管水路系統采用三通閥的連接方式，預熱盤(pán)管仍存在著(zhù)凍裂的安全隱患。

　　

　　

　　

　　方案二：

　　

　　預熱盤(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)水系統成為變流量系統，如圖2中所示。在這一變流量系統中，用戶(hù)末端盤(pán)管采用二通閥調節，整個(gè)系統循環(huán)水流量隨負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，節約熱量輸送動(dòng)力和熱源的運行費用。

　　這種方案與方案一存在著(zhù)相同的問(wèn)題，即在通風(fēng)或空調系統間歇運行時(shí)，當系統停止運行后，預熱盤(pán)管存在著(zhù)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。預熱盤(pán)管采用這種混水站的方式預防盤(pán)管凍裂的原理在于：在正常情況下，通過(guò)新風(fēng)機組的預熱盤(pán)管后面的空氣溫度來(lái)調節

　　ed

　　段的控制閥，當其溫度低于

　　5

　　℃時(shí)，增加控制閥的開(kāi)度，即增加熱水盤(pán)管的水流量

　　,

　　直至預熱盤(pán)管后面的空氣溫度達到

　　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)或空調系統間歇運行時(shí)，當系統停止運行后，預熱盤(pán)管內仍然有水循環(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)水路系統成為變流量系統。通過(guò)調節末端盤(pán)管采用二通閥，使整個(gè)系統循環(huán)流量隨負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，節約熱量輸送動(dòng)力和熱源的運行費用。

　　分析比較上述三種預熱盤(pán)管水量調節方案：方案一采用三通閥調節，水泵大部分時(shí)間在降低的效率點(diǎn)工作，耗能?chē)乐?，而且存在預熱盤(pán)管凍裂的安全隱患；方案二通過(guò)變流量節約熱量輸送動(dòng)力和熱源的運行費用，但是也存在著(zhù)預熱盤(pán)管凍結的安全隱患；方案三雖然管路復雜些，由于預熱盤(pán)管側循環(huán)水泵的存在，此管路系統在有效消除預熱盤(pán)管凍結的同時(shí)，還分擔了一部分管網(wǎng)的資用壓頭，變流量的系統也滿(mǎn)足節能的需要。因此，對于新風(fēng)量要求較大的潔凈廠(chǎng)房新風(fēng)機組預熱盤(pán)管水路系統宜采用混水站的方式。

　　

　　

　　

　　2.

　　

　　

　　實(shí)例分析

　　

　　下面以某制藥廠(chǎng)的新風(fēng)機組為例，說(shuō)明潔凈廠(chǎng)房新風(fēng)機組的空氣預熱盤(pán)管混水站水系統的設計及選型計算。

　　3.1

　　基本資料

　　空調新風(fēng)機組的總新風(fēng)量：

　　m3/h;

　　室外空氣設計參數：

　　t

　　w

　　=-11

　　℃

　　,

　　φ

　　=53%

　　室內空氣設計參數：

　　t

　　n

　　=21

　　℃

　　,

　　φ

　　=60%

　　預熱后的空氣溫度：

　　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

　　根據公式（

　　1

　?。┐_定熱水盤(pán)管所需換熱量。

　　式中，

　　Q

　　——盤(pán)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)預熱后焓值，

　　6.9KJ/Kg

　?。A熱后的溫度為

　　5

　　℃，相對濕度仍為

　　53%

　?。?；

　　i

　　w

　　——室外空氣計算狀態(tài)點(diǎn)焓值，-

　　9.2KJ/Kg

　??；

　　計算得熱水盤(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

　　此混水站為二級系統，一級側為熱水管網(wǎng)，二級側為預熱盤(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℃的二級系統供水供給預熱盤(pán)管。下面來(lái)討論控制閥位置的確定。如圖3中所示，一級系統的供水溫度t

　　1

　　=70℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　1

　　,二級系統的供水溫度t

　　3

　　=60℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　3

　　?？刂崎y若放在二級系統中，當二級系統的負荷發(fā)生變化，比如負荷變小時(shí)，二級系統所需的制冷量變小，雖然可以通過(guò)調節閥調小二級系統的流量，但是若控制閥關(guān)小，則預熱盤(pán)管流量變小，相應的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(mǎn)足系統的流量要求。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(mǎn)足預熱盤(pán)管的設計供水溫度；另外，由上述分析易知，當二機級系統負荷變化時(shí)，一級系統流量卻沒(méi)有變化，顯然不符合節能的要求。更為重要的一點(diǎn)是，根據設計，當新風(fēng)溫度低于5℃時(shí)控制閥開(kāi)啟，那么當新風(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，那么預熱盤(pán)管仍存在凍結的可能性，盤(pán)管凍裂的安全隱患并沒(méi)有消除，所以控制閥不應設置在二級系統中。

　　下面來(lái)分析控制閥放在一級系統中情況。如圖3中所示，當二級系統的負荷變化時(shí)，如負荷減小，相應的二級系統流量變小，調節控制閥使一級系統的流量減小，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(mǎn)足流量要求，也可以滿(mǎn)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，仍可以保證二級系統60℃的供水，而且二級系統的負荷變化時(shí)，一級系統的流量有相應的變化，符合節能的要求，此外，不論控制閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，即不論一級系統中是否有水流量，二級系統中始終有水循環(huán)流動(dòng)，不存在盤(pán)管凍裂的安全隱患，所以控制閥應放在一級系統中。

　　3.5

　　水泵流量和揚程的確定

　　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2.2中的計算，G

　　3

　　=33.6m

　　3

　　/h。

　　又由混水熱量平衡：

　　根據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，此混水系統各點(diǎn)壓頭滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：

　?。?）

　　a點(diǎn)的資用壓頭滿(mǎn)足向c點(diǎn)供水即可；

　?。?）

　　c點(diǎn)的資用壓頭滿(mǎn)足向b點(diǎn)供水即可；

　?。?）

　　e點(diǎn)的資用壓頭應滿(mǎn)足向d點(diǎn)及向c點(diǎn)提供壓頭，同時(shí)流量滿(mǎn)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程：

　　查止回閥樣本，計算得混水泵揚程H為86.5KPa。

　　由（7）式可以看出，bc管段所設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2.5中計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

　?。?/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(mǎn)足流量調節的要求,所以取

　　Kvs

　　為19時(shí)，管徑DN32，工作壓力PN16。

　　

　　

　　

　　3.

　　

　　

　　結論

　　

　　對于潔凈廠(chǎng)房的新風(fēng)空調機組，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)空調系統正常運行，采用對新風(fēng)進(jìn)行預熱的方案，即當室外氣溫低于5℃時(shí)，對新風(fēng)進(jìn)行預熱，可以有效地避免新風(fēng)預過(guò)濾器結凍現象的發(fā)生。分析表明，對新風(fēng)預熱盤(pán)管水路系統的控制連接，由電動(dòng)調節閥和循環(huán)水泵構成的小型混水系統在有效的預防預熱盤(pán)管凍結及節能設計方面優(yōu)于單獨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，對小型混水系統進(jìn)行了設計選型計算的說(shuō)明和分析。

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