Автор В.В. Вычужанин, ОНМУ

Обеспечение комфортного микроклимата в кондиционируемых помещениях требует поддержания в них относительной влажности воздуха в соответствии с санитарными нормами. Необходимость в искусственном увлажнении воздуха объясняется тем, что начиная с температуры воздуха +3…6 °С, абсолютное его влагосодержание становится ниже 5-7 г/кг. Особую роль увлажнение воздуха играет в обеспечении комфортности климатических условий в «зимний» период, когда даже при высокой относительной влажности атмосферного воздуха, его абсолютное влагосодержание является, как правило, чрезвычайно низким. Наибольшее практическое использование получили два типа увлажнителей: адиабатические (или распылительные) и паровые. Адиабатическое увлажнение экономичнее парового на 1-2 порядка. В таких увлажнителях на производство 1 кг/час влаги требуется от 4 до 116 Вт электроэнергии, затрачиваемой на процесс распыления воды до тонкодисперсного аэрозоля. Дополнительная энергия на переход аэрозоля в парообразное состояние поступает за счет снижения температуры окружающего воздуха на 3-5 °С. Это свойство адиабатических увлажнителей можно с успехом использовать там, где помимо увлажнения требуется компенсировать значительные тепловые избытки, например, в типографских цехах, или нельзя допустить повышения температуры, например, в холодильных камерах. В связи с этим на крупных промышленных объектах чаще используются адиабатические методы увлажнения. Для обработки воздуха по адиабатическому режиму используются сотовые увлажнители, позволяющие устранить недостатки форсуночных камер. Коэффициент адиабатической эффективности таких увлажнителей зависит от глубины насадки в направлении воздушного потока и скорости воздуха. Энергетические затраты на увлажнение воздуха примерно в 20 раз ниже по сравнению с форсуночными камерами орошения. Кроме того, применение сотовых увлажнителей позволяет в 2,5-3 раза уменьшить массу секции и в 1,5 раза ее длину. К недостаткам адиабатических увлажнителей следует отнести более высокий, по сравнению с паровыми увлажнителями, уровень шума и особые требования к качественному составу воды.

Паровые увлажнение аппаратно реализуются проще, но обладают большим энергопотреблением, что связано с необходимостью компенсации скрытой теплоты испарения воды в ходе парообразования за счет внешних источников.

При их эксплуатации для генерации 1 кг/час влаги требуется 750 Вт электроэнергии. По этой причине данный тип увлажнителей используется в бытовых и полупромышленных целях при потребности в увлажнении, как правило, не более 100 кг пара/час. В тоже время паровые увлажнители позволяют гарантировать отсутствие болезнетворных бактерий и минеральных частиц, минимальные эксплуатационные расходы, быстрое смешивание водяных паров с воздухом. Легко регулируемое количество впрыскиваемого пара позволяет точно регулировать относительную влажность увлажняемого воздуха. К преимуществам паровых увлажнителей следует отнести также простоту эксплуатации, низкий уровень шума.

В специфичных СКВ, таких как судовые центральные кондиционеры воздух обычно увлажняется паром, а именно добавлением к воздуху насыщенного водяного пара. Что же касается водяных увлажнительных камер, то они громоздкие и мало пригодны для судовых центральных кондиционеров. При кондиционировании воздуха в процессе увлажнения воздуха паром, его температура обычно более 100 °С, т.е. значительно отличается от температуры воздуха. Однако в связи с тем, что содержание явного тепла в паре, ассимилируемом воздухом, незначительно луч процесса в I-d диаграмме идет с некоторым отклонением вверх от изотермы. То есть при подмешивании к воздуху водяного пара происходит небольшое повышение температуры увлажняемого воздуха (на 1-40 °С).

Решая задачу автоматизации оборудования центральных агрегатов, в том числе увлажнителей воздуха, необходимо учитывать следующие рекомендации. Исследования и практика работы систем автоматического управления (САУ) центральных кондиционеров, построенных на устройствах, не учитывающих особенностей кондиционеров как объектов регулирования показывают, что они неработоспособны в диапазоне нагрузок 0-30% (примерно 40% времени работы в течении года) из-за нарушения устойчивости или ухудшения точности регулирования. Разработка САУ СКВ, в свою очередь, невозможна без достоверных знаний статических и динамических характеристик ее технологического оборудования, формализованного представления технологических процессов в виде математических моделей. Практика эксплуатации и проектировании автоматизированной СКВ также показала необходимость исследование и учета динамических характеристик всех звеньев системы.

Критическое изучение с этих позиций схем регулирования еще на стадии их проектирования уменьшает экономические расходы на аппаратуру контроля и регулирования, стоимость которой составляет значительный процент от стоимости технологического агрегата. Одним из шагов по решению задачи автоматизации СКВ является разработка математической модели статики и динамики увлажнителя воздуха.

Используя известную систему уравнений, описывающих статику увлажнения воздуха паром, определим соответствующие передаточные функции, характеризующие динамические характеристики парового увлажнителя.

Уравнения теплового и материального балансов увлажняемого воздуха, при добавлении водяного пара к влажному воздуху с учетом его термодинамических свойств могут быть записаны в виде уравнений (1)-(2),

где t В , t у — температура воздуха до и после увлажнителя, °С;

ϕ В , ϕ у — относительная влажность воздуха до и после увлажнителя;

G П , G В — массовые расходы пара и воздуха через увлажнитель, кг/с;

М с.В — масса увлажненного воздуха.

При разработке модели увлажнителя использовался математический язык классической теории линейных систем, а именно аппарат передаточных функций и аппарат преобразований Лапласа. Следует отметить, что описание динамических свойств объектов в передаточных функциях определяет лишь так называемые управляемую и наблюдаемую части объекта, причем входными и выходными координатами объекта являются конкретные физические величины.

В уравнениях (1) и (2) учитывается, что возмущения воздействуют на увлажнитель как со стороны воздуха (до увлажнителя - Ä t В ) так и со стороны относительной влажности ( Äϕ В ). Возмущающим воздействием может быть также и расход воздуха Ä G В , если СКВ работает при переменном расходе. Управляющим воздействием является расход пара Ä G П .

Применяя к системе уравнений (1) и (2) преобразование Лапласа, для начальных условий Ä t у (0), Äϕ у (0) работы увлажнителя, получаем систему уравнений (3)- (4).

Уравнения (3) и (4), отражающие динамические свойства парового увлажнителя СКВ и соответствующие его математические модели, в конечном виде могут быть представлены системой уравнений (5)-(6),

где W у.1 ( p )… W у.8 ( p ) — передаточные функции по каналам передачи возмущающих и управляющих воздействий;

W у.9 ( p ) — передаточная функция, учитывающая связность параметров воздуха, а именно, зависимость изменения относительной влажности увлажняемого воздуха от изменения температуры при увлажнении воздуха.

Модель увлажнителя в стационарных состояниях определяется из системы уравнений (5) и (6), приравниванием оператора Р к нулю. Разработанная модель увлажнителя, использовалась при исследованиях в рамках программы MATLAB 6.5 – Simulink переходных процессов изменений относительной влажности и температуры увлажняемого воздуха. Соответствующая исследуемая модель парового увлажнителя приведена на рис. 1 . Используемые при моделировании увлажнителя численные значения коэффициентов передачи и постоянные времени передаточных функций, входящие в систему уравнений (5) и (6) имеют переменные значения. Они определяются с учетом расходов воздуха и пара, температуры и относительной влажности увлажняемого воздуха.

На рис. 2 приведены результаты моделирования исследуемого объекта, отражающие его динамические свойства, при подаче соответствующих возмущающих и управляющих воздействий ступенчатого характера на соответствующие входы модели.

Полученная математическая модель парового увлажнителя, а также результаты исследования его динамики отражают реальный характер изменений параметров увлажняемого воздуха и могут быть использованы при разработке и эксплуатации устройств для СКВ, обеспечивающих качественный автоматический режим увлажнения. ■