潔淨廠房新風機組的空氣預熱處理計算分析

　　在一次回風空調機組中，如果冬季室外空氣焓值低於一定值時，就需要對新風進行預熱，否則混合後的空氣無法處理到送風狀態點。而在潔淨廠房的空氣處理中常用到獨立新風機組（

　　MAU

　　）係統。舒適空調係統的新風機組用於處理滿足空調房間的人員的新風需求的新風量，風量相對較小，而對於潔淨廠房的空調係統，一方麵由於潔淨廠房的換氣次數比較大，千級潔淨室為

　　50~60

　　次

　　/h

　　，萬級潔淨室為

　　15~25

　　次

　　/h

　　，十萬級潔淨室為

　　10~15

　　次

　　/h

　　[1]

　　，新風機組處理的風量比較大；另一方麵考慮潔淨度的要求，潔淨室風口末端安裝有高效過濾器，而高效過濾器的容塵能力有限，因此需要在新風機組中安裝初、中效過濾器。當遇上冰雨天氣

　　(

　　冰雨天氣是由於冷暖空氣對流，大氣上層氣溫在冰點以上，而地麵溫度在冰點以下，使得雨水在下降過程中結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冰，並迅速地將過濾器封堵，導致新風機組嚴重出力不足，進而影響整個潔淨廠房的潔淨度及空氣品質

　　[2]

　　。

　　鑒於上述問題的存在，當室外溫度低於

　　5

　　℃時應對新風進行預熱，就是在新風機組入口增加一套預熱盤管，在新風溫度低於

　　5

　　℃時將其預熱至

　　5

　　℃，這樣以來，即使遇上冰雨和大霧天氣，由於盤管的加熱，冰雨轉化為水滴，大部分水滴碰到預熱盤管壁麵會附著在上麵，積累成大的水滴沿著盤管壁流到下麵的接水盤中，同時由於新風經預熱到

　　5

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

　　另外，在新風和一次回風時也應考慮混合點是否在霧區的問題，需要根據最小新風比和室外空氣狀態點的焓值確定新風的預熱。當室外氣溫降到

　　0℃

　　以下時，如進風或新風係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，重則使加熱器的盤管破裂，必須更新或修理。一般可以采用的預防新風機組盤管凍結的方法有電加熱法、值班風機法和旁通導流法

　　[3][4]

　　，這裏考慮用混水站的方法來消除預熱盤管凍結的隱患。

　　

　　

　　

　　1.

　　

　　

　　預熱盤管水量調節的方案比較

　　

　　

　　方案一

　　

　　：一般的空調機組的熱水盤管都是通過在機組盤管的供水和回水管道上用三通閥連接，根據盤管後的空氣的溫度調節電動三通閥，從而控製熱水盤管的水流量，如圖1中所示。這種用三通閥進行調節的水係統，盡管通過末端設備的水流量變化了，但是對整個水係統而言卻是定流量的。定流量係統中用戶末端盤管采用三通閥調節，水泵大部分時間在較低的效率點工作，耗能嚴重。

　　而在實際工程中有的通風或空調係統間歇運行，當係統停止運行後，預熱盤管內的水停止循環，由於進風口處閥門的熱損耗和室外冷空氣的滲入，會使預熱盤管內的水因局部溫度逐漸降低而凍結，以至將預熱盤管的銅管凍裂，影響通風、空調係統的正常運行。也就是說如果預熱盤管水路係統采用三通閥的連接方式，預熱盤管仍存在著凍裂的安全隱患。

　　

　　

　　

　　方案二：

　　

　　預熱盤管水路控製更簡單的控製方式是采用電動二通閥，使整個水係統成為變流量係統，如圖2中所示。在這一變流量係統中，用戶末端盤管采用二通閥調節，整個係統循環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常變化的末端所需冷量相匹配，節約熱量輸送動力和熱源的運行費用。

　　這種方案與方案一存在著相同的問題，即在通風或空調係統間歇運行時，當係統停止運行後，預熱盤管存在著凍裂的安全隱患。

　　

　　方案三：

　　

　　采用混水站的控製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

　　點接熱水管網供水管，

　　d

　　點接熱水管網回水管，

　　ac

　　段設置一過濾器，

　　cb

　　段加裝一水泵，

　　ed

　　段加控製閥（電動二通閥），

　　ec

　　段加止回閥。預熱盤管采用這種混水站的方式預防盤管凍裂的原理在於：在正常情況下，通過新風機組的預熱盤管後麵的空氣溫度來調節

　　ed

　　段的控製閥，當其溫度低於

　　5

　　℃時，增加控製閥的開度，即增加熱水盤管的水流量

　　,

　　直至預熱盤管後麵的空氣溫度達到

　　5

　　℃為止。

　　從圖3中可以看出，即使

　　ed

　　點的控製閥開度為

　　0

　　，由於

　　bc

　　段的循環水泵的存在，在環路

　　bcfe

　　中依然有一定量的水在循環流動，也就是說無論何時在環路

　　bcfe

　　中都有循環水。即使在通風或空調係統間歇運行時，當係統停止運行後，預熱盤管內仍然有水循環流動，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，從而使整個水路係統成為變流量係統。通過調節末端盤管采用二通閥，使整個係統循環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常變化的末端所需熱量相匹配，節約熱量輸送動力和熱源的運行費用。

　　分析比較上述三種預熱盤管水量調節方案：方案一采用三通閥調節，水泵大部分時間在降低的效率點工作，耗能嚴重，而且存在預熱盤管凍裂的安全隱患；方案二通過變流量節約熱量輸送動力和熱源的運行費用，但是也存在著預熱盤管凍結的安全隱患；方案三雖然管路複雜些，由於預熱盤管側循環水泵的存在，此管路係統在有效消除預熱盤管凍結的同時，還分擔了一部分管網的資用壓頭，變流量的係統也滿足節能的需要。因此，對於新風量要求較大的潔淨廠房新風機組預熱盤管水路係統宜采用混水站的方式。

　　

　　

　　

　　2.

　　

　　

　　實例分析

　　

　　下麵以某製藥廠的新風機組為例，說明潔淨廠房新風機組的空氣預熱盤管混水站水係統的設計及選型計算。

　　3.1

　　基本資料

　　空調新風機組的總新風量：

　　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%

　　預熱後的空氣溫度：

　　5

　　℃

　　熱水管網供回水溫度：

　　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

　　——新風量，

　　m3/h

　　；

　　ρ

　　——新風密度，

　　1.342kg/m

　　3

　　；

　　i

　　c

　　——新風預熱後焓值，

　　6.9KJ/Kg

　　（預熱後的溫度為

　　5

　　℃，相對濕度仍為

　　53%

　　）；

　　i

　　w

　　——室外空氣計算狀態點焓值，-

　　9.2KJ/Kg

　　；

　　計算得熱水盤管的換熱量為

　　438KW

　　。再由公式（

　　2

　　）確定盤管水量。

　　計算得熱水質量流量為10.5kg/s,進而求得體積流量為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

　　新風機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

　　控製閥（電動二通閥）位置的確定

　　此混水站為二級係統，一級側為熱水管網，二級側為預熱盤管，盤管50℃回水通過ec段止回閥與管網70℃供水混合為60℃的二級係統供水供給預熱盤管。下麵來討論控製閥位置的確定。如圖3中所示，一級係統的供水溫度t

　　1

　　=70℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　1

　　,二級係統的供水溫度t

　　3

　　=60℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　3

　　。控製閥若放在二級係統中，當二級係統的負荷發生變化，比如負荷變小時，二級係統所需的製冷量變小，雖然可以通過調節閥調小二級係統的流量，但是若控製閥關小，則預熱盤管流量變小，相應的bc管段的流量變小，而ac管段的流量不變，那麽就的旁通管路ec段流量變小才能滿足係統的流量要求。這樣以來，70℃高溫水流量變小，而50℃的低溫水流量不變，那麽bc管段的混水溫度將會低於60℃，無法滿足預熱盤管的設計供水溫度；另外，由上述分析易知，當二機級係統負荷變化時，一級係統流量卻沒有變化，顯然不符合節能的要求。更為重要的一點是，根據設計，當新風溫度低於5℃時控製閥開啟，那麽當新風溫度略高於5℃時，控製閥就是關閉的狀態，也就是說此時盤管中的水流量為零，若此時室外氣溫劇降，那麽預熱盤管仍存在凍結的可能性，盤管凍裂的安全隱患並沒有消除，所以控製閥不應設置在二級係統中。

　　下麵來分析控製閥放在一級係統中情況。如圖3中所示，當二級係統的負荷變化時，如負荷減小，相應的二級係統流量變小，調節控製閥使一級係統的流量減小，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，仍可以保證二級係統60℃的供水，而且二級係統的負荷變化時，一級係統的流量有相應的變化，符合節能的要求，此外，不論控製閥的開啟和關閉，即不論一級係統中是否有水流量，二級係統中始終有水循環流動，不存在盤管凍裂的安全隱患，所以控製閥應放在一級係統中。

　　3.5

　　水泵流量和揚程的確定

　　熱水管網的供水溫度t

　　1

　　=70℃,回水溫度t

　　2

　　=50℃,流量為G

　　1

　　,預熱盤管的供水溫度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中所示可知流量關係：

　　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。這樣水泵和控製閥的流量就都確定了，即水泵流量為33.6m

　　3

　　/h，控製閥流量為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，此混水係統各點壓頭滿足以下幾點：

　　（1）

　　a點的資用壓頭滿足向c點供水即可；

　　（2）

　　c點的資用壓頭滿足向b點供水即可；

　　（3）

　　e點的資用壓頭應滿足向d點及向c點提供壓頭，同時流量滿足平衡關係。

　　（4）

　　ad間有6mH

　　2

　　O的資用壓力。

　　由此可以得到以下關係式：

　　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隻要克服fecbf環路的阻力即可。

　　此外還有：

　　將（8）（9）式代入(6)式可得控製閥的壓力損失：

　　查止回閥樣本，計算得控製閥壓力損失

　　為97KPa。

　　3.6

　　控製閥尺寸和型號的確定

　　根據2.5中計算出的控製閥壓力降

　　,利用如下公式可以求得控製閥的流量係數

　　：

　　式中，Q——熱水流量，16.8m

　　3

　　/h；

　　r——液體重度，1g/cm

　　3

　　；

　　△P——控製閥壓力降，97KPa。

　　計算得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,不能滿足流量調節的要求,所以取

　　Kvs

　　為19時，管徑DN32，工作壓力PN16。

　　

　　

　　

　　3.

　　

　　

　　結論

　　

　　對於潔淨廠房的新風空調機組，為了防止在冰雨和大霧天氣冰粒堵塞過濾器，從而影響整個空調係統正常運行，采用對新風進行預熱的方案，即當室外氣溫低於5℃時，對新風進行預熱，可以有效地避免新風預過濾器結凍現象的發生。分析表明，對新風預熱盤管水路係統的控製連接，由電動調節閥和循環水泵構成的小型混水係統在有效的預防預熱盤管凍結及節能設計方麵優於單獨采用二通閥或三通閥的控製方式。此外，本文通過一個實際工程案例，對小型混水係統進行了設計選型計算的說明和分析。

　　來

　　源

　　：潔淨技術與應用

　　

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