Energy savings for heating cabins of mobile machines and production facilities for their maintenance and repair

Full Text

Введение В требующих обогрева помещениях при наличии в них приточной вентиляции целесообразно применять воздушное отопление, которое здесь является наиболее экономичным [1]. По качеству приточного воздуха системы воздушного отопления подразделяются на рециркуляционные, с частичной рециркуляцией и прямоточные (без рециркуляции). В кабинах самоходных машин относительно небольшого объема, где отсутствует вытяжная вентиляция, для снижения энергопотребления на отопление при условии обеспечения на рабочем месте нормируемых температуры и относительной влажности целесообразно использовать частичную рециркуляцию обрабатываемого воздуха. Рециркуляционные системы применяют в помещениях, где отсутствуют вредные выделения. Системы с частичной рециркуляцией используют в случае, когда количество приточного воздуха, требуемого для компенсации потерь теплоты, превышает количество воздуха, необходимого для восполнения вытяжного воздуха. Прямоточные системы без рециркуляции применяют только в случаях, если в воздух помещения выделяются вредные вещества первого, второго и третьего классов опасности или при наличии в воздухе помещений резковыраженного неприятного запаха [1]. Цель исследования Целью настоящего исследования является рассмотрение способов энергосбережения при отоплении кабин мобильных машин и производственных помещений для их технического обслуживания и текущего ремонта. Оценка методов энергосбережения при отоплении кабин мобильных машин и производственных помещений для их обслуживания и ремонта Работу отопления характеризуют такие основные параметры, как теплопроизводительность (Вт или кВт), подача воздуха (м3/с или м3/ч) и его температура (°C), которые связаны соответствующими известными выражениями [2]: · при прямоточном режиме работы ; (1) · в режиме полной рециркуляции ; · в режиме с частичной рециркуляции , (2) где - плотность воздуха при температуре , кг/м3; - температура воздуха соответственно на выходе из отопителя, наружного и на рабочем месте, °С; - подача воздуха соответственно из отопителя, наружного и рециркуляционного . Расчетную температуру наружного воздуха принимают по климатологическим данным для определенного представительного пункта. В качестве примера в табл. 1 приведены данные для ряда представительных пунктов по данным [3]. Необходимое значение определяют исходя из обеспечения на рабочем месте нормативной [4] по выражению (2): , где - тепловая нагрузка помещения (Вт или кВт) при . Помимо обеспечения на рабочем месте нормируемой температуры воздуха в холодный период года, отопление должно обеспечивать его приемлемую относительную влажность не ниже 30% [4]. Поскольку в этот период, особенно при весьма низких температурах , влагосодержание наружного воздуха незначительно (менее 0,5 г/кг сухого воздуха), а нормативное на рабочем месте должно быть порядка 4 г/кг сухого воздуха, обрабатываемый в отопителе воздух нужно увлажнять. Если при отоплении помещений увлажнение воздуха после его предварительного нагрева в калорифере достигается путем обработки в камере орошения [5], где используется адиабатный процесс, при котором воздух снижает свою температуру, то в системе необходимо применить калорифер вторичного подогрева, чтобы опять повысить температуру приточного воздуха до первоначального уровня. На это, естественно, требуются дополнительные энергозатраты [6]. Температура наружного воздуха в большинстве климатических районов нашей страны весьма низка. Даже, например, для условий г. Москвы согласно данным табл. 1 по расчетным параметрам Б она достигает минус 26°С. В то же время в холодный период года по данным [4] оптимальная температура воздуха в помещении при выполнении человеком работы средней тяжести должна составлять в среднем = 20°С. Если в таком состоянии воздух вытяжной вентиляцией при прямоточном режиме функционирования удаляется в атмосферу, то по существу тепловая энергия системы отопления будет нерационально расходоваться на нагрев наружного воздуха. В связи с этим для энергосбережения за счет снижения общей теплопроизводительности системы отопления предлагаются два пути [6]. Таблица 1 Расчетные параметры наружного воздуха для холодного периода года № п/п Пункт Барометрическое давление, мм рт. ст. Параметры А (средние) Параметры Б (максимальные) Температура воздуха, °С Удельная энтальпия, кДж/кг Температура воздуха, °С Удельная энтальпия, кДж/кг 1 Астрахань 760 -8 -4,2 -23 -21,9 2 Ашхабад 730 -2 4,2 -11 -8 3 Волгоград 745 -13 -10,5 -25 -23,9 4 Вологда 745 -16 -14,2 -31 -30,6 5 Воронеж 745 -14 -11,7 -26 -25,3 6 Грозный 745 -5 0 -18 -16,2 7 Краснодар 730 -5 0 -19 -17,6 8 Москва 745 -15 -11,7 -26 -25,3 9 Мурманск 760 -18 -16,3 -27 -26,6 10 Новосибирск 745 -24 -23 -39 -38,9 11 Оренбург 745 -20 -18,8 -31 -30,5 12 Петрозаводск 760 -15 -11,7 -29 -28,5 13 Псков 760 -11 -8 -26 -25,5 14 Санкт-Петербург 760 -11 8 -26 -25,5 15 Смоленск 745 -13 -10,5 -26 -25,5 16 Сочи 760 2 9,6 -3 2,1 17 Ташкент 715 -6 -2,5 -15 -13,4 18 Тула 745 -14 -11,7 -27 -26,6 19 Уфа 745 -19 -17,6 -35 -34,5 20 Хабаровск 745 -23 -22,2 -31 -30,8 Первый путь - применение частичной рециркуляции, поскольку вредности удаляются непосредственно от источника их возникновения вытяжной вентиляцией. Например, источником вредностей в производственном помещении при обслуживании машин является их работающий двигатель внутреннего сгорания. Однако здесь необходимо учитывать, что минимально необходимое количество свежего воздуха, подаваемого в помещение, принимается исходя из обеспечения для каждого оператора не менее 30 м3/ч [4]. При этом подача воздуха приточной вентиляцией должна компенсировать расход воздуха вытяжной вентиляцией, которая существенно больше, чем подача воздуха, обеспечивающая указанную санитарную норму. Поэтому при использовании частичной рециркуляций подачу наружного воздуха следует принять равной количеству воздуха необходимому для удаления вредностей. Подача же воздуха при частичной рециркуляции должна быть в принципе больше , поскольку обусловливается необходимой теплопроизводительностью системы. Особый интерес представляют методы создания микроклимата в кабинах мобильных машин, которые подробно рассмотрены в работах [7-15]. Кабины мобильных машин имеют существенно меньший объем по сравнению с производственными помещениями, в которых выполняется техническое обслуживание и ремонт техники. В кабинах мобильных машин, где вытяжная вентиляция (как подсистема) отсутствует [2, 7-15], теплый воздух из нее удаляется в атмосферу через неплотности в ограждающих конструкциях. Тогда по данным [2, 7] при значениях = 40 м3/ч, = 255 м3/ч, = 215 м3/ч, = -20°С, = 40°С и = 14°С теплопроизводительность установки по формуле (2) составит = 2,5 кВт. В случае же использования прямоточного режима отопления согласно выражению (1) потребовалась бы теплопроизводительность, равная = 4,84 кВт. Таким образом, здесь частичная рециркуляция позволила снизить энергозатраты на отопление в 1,94 раза. К тому же в этом случае рециркуляция позволила обеспечить на рабочем месте нормируемую относительную влажность воздуха без применения каких-либо дополнительных агрегатов для увлажнения [2]. Следовательно, частичная рециркуляция воздуха при отоплении кабин самоходных машин является рациональной с позиции энергосбережения. Для оценки возможности реализации этого пути энергосбережения при отоплении производственного помещения для технического обслуживания и текущего ремонта машин примем следующие исходные условия. По данным [16], например, расход воздуха, удаляемого двухбортовым отсосом от ванны химической обработки деталей машины при их подготовке к последующему восстановлению [17], составляет = 2500 м3/ч (0,694 м3/с). По данным [6] в условиях г. Москвы для подобных случаев теплопроизводительность системы отопления при прямоточной подаче воздуха должна составлять = 6,42 кВт. Для определения необходимой преобразуем выражение (1): . Полагая, что = -26°С, = 45°С и = 1,11 кг/м3 при этой температуре, получим = 0,08 м3/с (290 м3/ч). Это существенно меньше = 2500 м3/ч, которая в этом случае не может быть компенсирована приточной вентиляцией с = 290 м3/ч. Следовательно, c этой позиции следует принять величину равной = 2500 м3/ч. Тогда по формуле (1) найдем, что при = 45°С и такой подаче теплопроизводительность системы уже составит = 55 кВт. Понятно, что это неприемлемо, поскольку наступит перегрев помещения. Чтобы этого не произошло, единственным выходом из положения при такой подаче воздуха может быть снижение величины . Для оценки ее значения преобразуем формулу (1) и получим выражение: . Тогда определим, что при = 2500 м3/ч величина должна быть равной 27,6°С. Поскольку в этом случае становится равной , рециркуляция здесь при наличии вытяжной вентиляции не имеет смысла. В связи с этим следует использовать другой путь энергосбережения, который широко применяется в современных системах защиты воздушной энергии среды в холодный период года - это утилизация тепловой энергии вытяжного потока для предварительного подогрева приточного воздуха [6]. Для этой цели существуют специальные агрегаты-рекуператоры теплоты (теплоутилизаторы) различных типов [5, 6, 18]. На рис. 1, по данным [18], представлена принципиальная схема устройства приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым теплообменником-утилизатором, снабженного соответствующим вентилятором к рекуперационным блоком с фильтрами из синтетического моющегося материала, защищающими блок от загрязнения. Однако опыт применения утилизаторов такого типа показывает, что в климатических районах нашей страны с относительно низкими температурами наружного воздуха (см. табл. 1) их функционирование в зимнее время неизбежно связано с обмерзанием сконденсировавшейся на пластинах теплообменника влаги, высаживаемой из выбросного воздуха [18]. Замерзающая влага в виде инея и наледи постепенно перекрывает каналы для прохода удаляемого воздуха, что в итоге нарушает работу устройства. Это является главным препятствием для применения таких утилизаторов в условиях России, в то время как в Европе, где расчетная температура наружного воздуха в холодный период года составляет не ниже минус 4°С, они успешно используются. Существующую границу обмерзания таких утилизаторов можно сдвинуть до минус 9 °С, если движение удаляемого воздуха по вытяжным каналам осуществить с повышенной скоростью, что позволяет сдувать этим потоком сконденсированные капли воды со стенок теплообменника. Дальнейшее же расширение границ использования утилизаторов теплоты выбросного воздуха связано с необходимостью поддержания на теплоизвлекающих поверхностях положительной температуры независимо от температуры поступающего в теплоутилизатор холодного наружного воздуха с целью исключения замерзания конденсата. Этому требованию отвечает устройство для утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя-антифриза, температура которого может поддерживаться на уровне, не допускающем образования инея и льда на теплоизвлекающей поверхности. Однако утилизаторы такого типа конструктивно сложны и относительно дороги, что сдерживает их широкое применение на практике. Рис. 1. Схема приточно-вытяжного агрегата с утилизатором теплоты: 1 - приточный вентилятор; 2 - вытяжной вентилятор; 3 - пластинчатый теплообменник; 4 - приточный фильтр; 5 - вытяжной фильтр; 6 - термостат размораживания; 7 - дренажный патрубок Выпадение конденсата на теплопередающей поверхности теплообменника-утилизатора обусловлено тем, что ее температура ниже температуры точки росы выбросного воздуха помещения при = 20°С и = 40%. Влагосодержание этого воздуха составляет = 6 г/кг сухого воздуха, в то время как влагосодержание наружного воздуха при его температуре ниже минус 20°С составляет не более 0,4 г/кг сухого воздуха. Если каким-либо образом осушить вытяжной воздух перед утилизатором до состояния, когда его влагосодержание не будет превышать , то в утилизаторе выпадение конденсата становится в принципе невозможным. Тогда отпадет надобность в дополнительном применении устройства с антифризом, так как появляется возможность использовать отработанную в конструктивном отношении схему на рисунке, дополнив ее на входе блоком, содержащим осушитель воздуха (не показан). В качестве наполнителя блока осушения целесообразно применить относительно доступный силикагель [19], преимуществами которого являются дешевизна, негорючесть, высокая механическая прочность к истиранию и способность к регенерации (восстановлению) при относительно низкой температуре (110…120°С). Отметим, что поглощение влаги силикагелем сопровождается повышением температуры обрабатываемого воздуха, что в нашем случае в системе отопления является положительным качеством. Особенно предпочтительным является применение силикагеля при защите атмосферного воздуха от вредных газообразных выбросов, что имеет место при обслуживании машины с работающим двигателем внутреннего сгорания в закрытом производственном помещении. Тогда аппарат совмещает в системе защиты воздушной среды две функции - очистителя выбросного воздуха и его осушителя, обеспечивающего надежную работу теплообменника-регенератора в режиме отопления в условиях зимнего периода. Выводы 1. В кабинах самоходных машин относительно небольшого объема, где отсутствует вытяжная вентиляция, для снижения энергопотребления на отопление при условии обеспечения на рабочем месте нормируемых температуры и относительной влажности целесообразно использовать частичную рециркуляцию обрабатываемого воздуха. 2. В помещениях большего объема, где осуществляется техническое обслуживание и текущий ремонт машин, при наличии вытяжной вентиляции для обеспечения норматива по относительной влажности воздуха требуется увлажнитель. С целью снижения энергопотребления на отопление необходимо утилизировать теплоту вытяжного потока воздуха для предварительного подогрева поступающего на обработку наружного воздуха с помощью теплообменника-рекуператора, снабженного осушителем вытяжного потока.

About the authors

V. A. Mikhailov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Dr.Eng.

G. M. Kutkov

Russian State Agricultural University

Dr.Eng.

M. I. Dmitriev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

References

Supplementary files