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无尘车间一次回风处理过程及DDC控制、节能分析

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2012年08月02日  点击数:6053

无尘车间一次回风处理过程及DDC控制、节能分析

摘要:本文以千级无尘车间为例,分析了洁净空调送风量、送风温差以及送风状态点的确定方法,介绍了DDC自动控制系统在无尘车间空气处理过程中的应用,分析了在高热少湿型无尘车间中常用的一次回风空气处理方式,与传统一次回风空气处理过程相比较,在无尘车间空气处理过程中应用合适的一次回风空气处理方式,可节省再热量及等量的冷量,同时应用DDC自动控制系统,可实现变水量运行,精确控制空调温湿度,节能效果显著。

关键词:送风量,一次回风,DDC自动控制,变水量,节能


在无尘车间的设计过程中,其送风量一般按换气次数确定,对于百级以上无尘车间,其要求严格,为洁净单向流,一般不按换气次数确定,其送风量为:送风口有效面积*出风口风速(风速一般为0.25m/s~0.3 m/s,考虑衰减,一般取0.4 m/s ~0.45 m/s)。千级无尘车间:50~60次/h,万级无尘车间:15~25次/h,十万级无尘车间:10~15次/h[1](对于高热型电子厂房应还要按消除余热去计算送风量,两者取较大值)。其送风状态点较之舒适性空调难确定。现以某电子厂无尘车间夏季一次回风系统为例,设计参数见下表:

无尘车间设计参数表1

房间

净化等级

换气次数

室外参数

室内设计参数

干球温度

湿球温度

干球温度

相对湿度



m3/h

oC

oC

oC

%

1

千级

55

35.7

28.5

24

55

2

万级

25

35.7

28.5

24

55

3

十万级

15

35.7

28.5

24

55


风量负荷计算见下表:热湿比的定义为空气的焓变化和湿量变化之比ε=Q/W  Q为室内计算的热负荷W为室内计算是湿负荷

无尘车间风量负荷计算                                  表2

房间

面积

层高

换气次数

人员

送风量

余热量

(热负荷)

余湿量

热湿比

新风量

回风量


m2

m

m3/h

m3/h

kw

kg/s

ε

m3/h

m3/h

1

142

3

55

22

23430

40

0.00127

31621

2343

21087

2

136

3

25

18

10200

24

0.00104

23188

1020

9180

3

136

3

15

16

6120

20

0.00092

21739

612

5508

备注:新风量取10%

空气处理过程:采用一次回风处理方式,室外新风与回风混合后处理至露点L,经再热后至送风状态点O,由O点沿热湿比线吸收室内余热余湿后,达到室内状态点。处理过程如下图所示:


图1:无尘车间一次回风空气处理焓湿图

由于洁净空调是根据送风量来确定送风温差(送风温差较小),故一般不能采用露点送风。

各状态点确定(以千级无尘车间为例):

Δh=Q/G

Δh:室内状态点同送风状态点的焓差(in-io);

Q:室内余热;

G:房间送风量;

室内状态点焓值in为:50.26kJ/kg,Q:40 kw,G:23430 m3/h(7.81kg/s),可得:

Δh=40/7.81

=5.12kJ/kg

即可求出送风状态点的焓值io=45.14 kJ/kg,过io作等焓线与热湿比线(对于高热型电子厂房,室内散湿量极少,主要散湿源为人体散湿,热湿比线近似于垂直,所以对回风的处理不能是除湿过程)的交点即可得送风状态点O。L点:连接室内点N与送风状态点O,并延长与95%等相对湿度线相交,即得L点。M点:根据新回风混合,混合比等于新回风之反比,即NM/MW=新风量/回风量,即得M点。各状点参数见下表:



各状态点参数                                  表3

状态点

干球温度

湿球温度

露点温度

相对湿度

含湿量


oC

oC

oC

%

g/kg

kJ/kg

N

24

17.8

14.4

55

10.22

50.26

W

35.7

28.5

26.4

58.8

21.83

92.08

M

25.2

19.1

16.1

56.9

11.38

54.44

L

15.2

14.7

14.4

95

10.22

41.2

O

19

16.1

14.4

74.6

10.22

45.14

由图可知:


室内负荷:Q1=G*(in-io)

           =7.81*5.12

           =40kw

新风负荷:Q2=Gw*(iw-in)=G*(iw-in)

           =0.781*41.82

           =32.7kw

 再热量: Q3=G*(io-il)

        =7.81*3.94

=30.77kw

总负荷:Q= G*(iw-il)=Q1+Q2+Q3

=40+32.7+30.77

= 103.5kw


同理可计算其他几间无尘车间的冷量同再热量。

无尘车间一次回风冷量同再热量                             表4

房间

面积

级别

送风量

余热量

新风量

新风负荷

回风量

总负荷

再热量

 

m2

 

m3/h

kw

m3/h

kw

m3/h

kw

kw

1

142

千级

23430

40

2343

32.7

21087

72.7

30.77

2

136

万级

10200

24

1020

14.2

9180

38.2

6.8

3

136

十万级

6120

30

620

8.6

5508

28.6

/

对于上述十万级无尘车间,若按规范所要求的换气次数去确定其送风量,进而计算确定送风状态点,可发现,由于送风量过小,在焓湿图上找不这一状态点,此时送风量必须按消除室内余热来计算(此情况下可采用露点送风,不须再热)。

上述十万级洁净送风量:

G=Q/in-il

=30/(50.26-41.2)

=3.31kg/s(9933m3/h)

新风负荷:              Gw=0.331*(92.08-50.26)

                          =13.84kw

观察分析可知,在一次回风系统中须再热,浪费能源,同时由于冷热抵消,还要多消耗等量的冷量,不符合节能原则。

由于现阶段,自动控制技术越来越成熟|参考:无尘室http://www.iwuchen.com/,大部分工程公司都采用PI控制器或DDC控制器来控制空调的温湿度(控制冷冻水流量),控制原理如下图所示:


图2:DDC自动控制原理图

控制原理:

   安装在回风管内的温度传感器T检测的温度送至DDC与设定的点相比较,用比例积分控制,输出相应的电压控制电动调节阀M的开度,从而精确调节冻冻水流量,使送风温度保持在所需要的范围内。

同理,安装在回风管内的湿度传感器H所检测的湿度送往DDC与设定值相比较,用比例积分控制输出相应的电压信号,控制表冷器电动调节阀或加湿器的电动调节阀的开度,控制除湿量或加湿量,使送风相对湿度保持在所要求的范围内。

由于DDC根据回风所反馈的温湿度自动控制冷水的流量同加湿用蒸汽量,控制精确,故现对DDC的使用已走进了一个误区:对于一次回风系统不使用再热,完全依赖DDC的自动控制,即室内多少负荷,通过DDC控制电动阀,给冷盘管多少冷冻水量,或相当一部分人认为,用DDC控制冷冻水量,便处理过的空气直接达到送风状态点,省去再热量同等量的冷量。通过分析可知,仅用DDC控制不能使空气状态直接达到送风状态点。结合焓湿图,详细分析如下:

 

方案1:从焓湿图可看出:从M点到O点是一个降温除湿过程,但O点不是露点,且线段MO上任一点都不存在露点,故从M点直接处理至O点是不可能实现的。

方案2:从焓湿图可看出:从M点到L点是等湿过程(即提供的冷冻水温度高于其露点,即干盘管),从L点到O点为等焓除湿过程,这一个过程难以实现。


方案3:从焓湿图可看出:新风集中处理至露点L(承担部分室负荷),室内回风处理至L’点(等湿过程),处理过的新风同回风的混合点刚好在送风状态点O上:L’O/OL=新风量/回风量。

此种空气处理方式,新风由新风机组集中处理,再与处理过的回风混合至送风状态点,省去再热量,适用于多                            图5:方案3空气处理焓湿图      个回风机组集中布置。     

对于此种空气处理方式,回风机组同新风机组对冷冻水水温要求不同,由于冷水机组的冷冻水供回水温度通常为7oC-12oC,故新风机组直接引自冷水机组冷冻水即可,而回风机组所用冷冻水则须经换热器换热。回风处理状态点可由DDC控制系统精确控制。各状态点参数如下表所示:

一次回风各状态点参数                                表5

状态点

干球温度

湿球温度

露点温度

相对湿度

含湿量


oC

oC

oC

%

g/kg

kJ/kg

N

24

17.8

14.4

55

10.22

50.26

W

35.7

28.5

26.4

58.8

21.83

92.08

L’

19.5

16.3

14.4

72.6

10.22

45.58

L

15.2

14.7

14.4

95

10.22

41.2

O

19

16.1

14.4

74.6

10.22

45.14

由图可知:

新风负荷:Q1=Gw*(iw-il)

           =0.781*50.88

           =39.7kw

回风负荷:Q2=(G-Gw)*(in-il’)

           =7.03*4.68

           =32.9kw

总冷负荷:Q=Q1+Q2

=39.7+32.9

=72.9kw

同理可计算其他无尘车间新风负荷同回风负荷:

无尘车间新风负荷、回风负荷                           表6

房间

面积

送风量

新风量

新风负荷

回风量

回风负荷

总负荷

 

m2

m3/h

m3/h

kw

m3/h

kw

kw

1

142

23430

2343

39.7

21087

32.9

72.6

2

136

10200

1020

17.3

9180

20.87

38.17

备注:上述十万级无尘车间采用图1所示空气处理方式(露点送风)。

两种空气处理方式能量消耗对比如下表所示:

两种空气处理方式能量消耗                            表7

房间

面积

再热式一次回风

非再热式

节省冷量

节省量

节省再热量

冷量

再热量

总冷量

冷量


m2

kw

kw

kw

kw

kw

%

kw

1

142

72.7

30.77

103.47

72.6

30.77

29.7

30.77

2

136

38.2

6.8

45

38.17

6.8

15.1

6.8


通过观察可知:总冷负荷与再热式一次回风系统的室内负荷+新风负荷的总和相等,即用些种空气处理方式省掉了再热量,同时还有相应等量的冷量,节能效益相当可观.




DDC控制原理图:


图6:方案3DDC自动控制原理图

当室内余热增大时,温度传感器所反馈的温度值大于DDC系统的设定值,DDC通过所反馈的信号去控制电动调节阀的开度,增大冷冻水流量从而提高送风温差,才能消除室内余热,即送风状态点O下移。相应的回风处理状态点L’也下移。L’O/OL=新风量/回风量。

同理,当室内余热减少时,调节过程与室内余热量增大时相反。

从焓湿图上可看出此种空气处理方式有一个特点:热湿比大,回风处理为等湿处理。此种空气处理方式对于低热高湿型无尘车间是否也可行呢?我们可从焓湿图上加以分析:

从焓湿图可看出:新风集中处理至露点L(承担部分室负荷),室内回风处理至L’点,为降温除湿过程,L’点为非露点,故这一过程不可能实现。

综上分析,此种一次回风空气处理方式仅适用于高热少湿型无尘车间。对于低热高湿型无尘车间不能仅依靠DDC控制,必须采用再热,才得到相适的送风状态点,为节约能源,建议采用采用二次回风方式(空气调节教材上已有详细叙述,故在此不再赘述)。

结论:通过以上分析对比可以看出,针对高热少湿型无尘车间,采用合适的空气处理方式,可以达到节能目的,洁净级别越高,节能效果越明显。但对于低级别无尘车间节能效果不大,在实际建设中,从节能和投资的角度综合考虑,采用常规一次回风(图示所示空气处理方式)更为合算。


参考文献

 [1] GB 50073-2001洁净厂房设计规范.

kg/s 为单位时间内通过介质的质量
m3/h为单位时间内通过介质的体积
我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下,密度为1.293kg/m3
通常情况下,即20摄氏度时,取1.205kg/m3。
公式m=p*v P设为密度,1kg/s=1.205*3600m3/h=4338m3/h

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