Главная » Литература » Отопление, вентиляция и кондиционирование » Стефанов - Вентиляция и кондиционирование воздуха
Стефанов - Вентиляция и кондиционирование воздуха
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ЗДАНИЙ
Стефанов Евгений Васильевич 2005
ВЕНТИЛЯЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА
Настоящая книга переиздается в год 60-летия Великой Победы. В связи с большим объемом книги некоторые главы оригинала сокращены, но актуальность и ценность ее от этого для работающих ныне специалистов не утрачены.
Приведены общие теплофизические, аэродинамические и физико-гигиенические обоснования комфортных параметров микроклимата в кондиционируемых и вентилируемых помещениях, расчеты элементов систем, их принципиальные схемы и классификация систем вентиляции и кондиционирования по основным признакам (по способу побуждения движения воздуха и методу организации воздухообмена в помещении, по степени использования наружного воздуха и по степени централизации и автономности, по способу комплектации узла обработки воздуха).
Рассмотрены различные методы определения воздухообмена и глубоко изложены вопросы обработки воздуха в аппаратах различного типа. Достаточно подробно писаны аэродинамические особенности вентиляторов и увязка их работы в сети воздуховодов. В последней главе приведены основные сведения по пуску, наладке, испытаниям и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, а также студентов факультетов отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха высших учебных заведений.
К ЧИТАТЕЛЯМ
25 декабря 2005 года одному из выдающихся специалистов России в технике вентиляции и кондиционирования воздуха, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации Евгению Васильевичу Стефанову исполнилось бы 92 года.
Талантливый ученый и педагог, Е. В. Стефанов за годы своей деятельности подготовил тысячи инженеров, десятки кандидатов и докторов наук. Под его непосредственным руководством создано научное направление в области исследования, расчета и моделирования процессов тепло - и массопереноса в аппаратах и системах кондиционирования воздуха. Написанный им и изданный в 1970 году учебник «Вентиляция и кондиционирование воздуха» является сегодня классическим и, по мнению специалистов, остается одним из лучших из всего написанного на эту тему.
Участник Великой Отечественной войны, Евгений Васильевич в 1941-1942 годах непосредственно занимался строительством оборонительных рубежей на подступах к Ленинграду и на Северном флоте. Вся профессиональная деятельность полковника Е. В. Стефанова была связана с Вооруженными Силами, а потому решению актуальных задач, имевших прямое отношение к обороноспособности страны, посвящено большинство его научных работ. Не случайно в год 60-летия Великой Победы авторитетнейший член Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике фирма «Арктика» решила переиздать массовым тиражом по-прежнему востребованный труд талантливого ученого.
Книга публикуется в серии «Инженерные системы зданий», которую задумали и планомерно реализуют руководство и специалисты «Арктики». Открыла серию монография ныне здравствующего участника Великой Отечественной войны, полковника в отставке, доктора технических наук, профессора Адольфа Адамовича Рымкевича «Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха»
Нет сомнения в том, что переизданный учебник Е. В. Стефанова будет интересен и полезен не только студентам профильных кафедр технических вузов, но и всем специалистам отрасли.
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Данная книга в нынешнем ее издании вряд ли бы вышла в свет, если бы не моральная и финансовая поддержка этого и других научно- технических издательских проектов фирмой «Арктика». Общественно значимая деятельность «Арктики» - явление знаковое. Это бесспорный признак нового и, без преувеличения, государственного мышления деловых кругов России, которые в условиях непрекращающегося реформирования экономики, неустойчивости рынка и далеких пока от совершенства самих рыночных отношений не только поднимают имидж и престиж отрасли, в которой работают, но и принимают на себя ответственность за ее будущее. «Арктика» - крупнейший инженерно-строительный холдинг, выпускающий современную конкурентоспособную продукцию. Являясь одним из ведущих российских производителей оборудования систем вентиляции и кондиционирования, холдинг всемерно способствует продвижению технологически передового, энергосберегающего и экологически безопасного оборудования. Что, в конечном счете, в интересах, как экономики страны, так и отдельного потребителя. Неподдельный интерес специалисты «Арктики» проявляют к обучению и воспитанию молодых кадров отрасли, их профессиональной ориентации на климатическом рынке и в передовых научно-технических разработках. Это, прежде всего, касается студентов профильных кафедр российских технических вузов. Эффективна и многопланова спонсорская деятельность «Арктики», направленная на поддержку переживающей не простые времена отечественной науки, а также разработчиков новейших технико-технологических идей и конкретных наукоемких проектов.
Примечательно, что и сам холдинг ведет непрерывную и целенаправленную научно-практическую работу, имеющую максимальное прикладное значение. К примеру, на одном из крупнейших его подразделений, заводе «Арктос», успешно функционирует научно-исследовательская лаборатория аэродинамики и акустики, которая разрабатывает и испытывает новые виды продукции, активно взаимодействуя при этом с проектными организациями. Продукцию холдинга давно уже по достоинству оценили не только на обширных просторах российского рынка, но и в странах СНГ, Балтии, Финляндии, Германии, Ирландии.
Издание «Арктикой» фундаментальных, имеющих непреходящее теоретическое и практическое значение трудов замечательной плеяды отечественных ученых заслуживает признания не только научной общественности, но и многотысячной когорты специалистов- практиков. И, прежде всего, нашего профессионального будущего: студентов и молодых инженеров.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга Е. В. Стефанова «Вентиляция и кондиционирование воздуха» написана как учебник для слушателей Высшего военного инженерно-технического училища (ныне - Военный инженерно- технический университет). В учебнике рассмотрены вопросы, являющиеся общими для систем вентиляции и кондиционирования воздуха различных по своему назначению сооружений. Значительное место в нем отведено термодинамике влажного воздуха, процессам изменения тепло- влажностного состояния воздуха и его кондиционирования, а также системам воздуховодов и вентиляторам.
При изложении материала основное внимание уделялось выяснению физической сущности изучаемых процессов. Технические и конструктивные характеристики даже современного по тому времени, когда издавался учебник, оборудования рассматриваются в нем весьма кратко.
Следует заметить, что, несмотря на высокий уровень изложения материала и отсутствие сведений в литературе о целом ряде излагаемых в учебнике вопросов, последний не получил в свое время широкого распространения, так как был издан Министерством обороны малым тиражом и в продажу не поступал. Тем более целесообразным представляется его переиздание, которое, по нашему мнению, является актуальным и полезным как для уже сформировавшихся специалистов, так и для тех, кто обучается профессии инженера по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха. Е. В. Стефанов был одним из крупнейших отечественных ученых в области вентиляции и кондиционирования воздуха. Что же касается этих систем специальных подземных сооружений, то ему здесь не было равных.
За годы своей научно-исследовательской и педагогической деятельности Е. В. Стефанов подготовил тысячи инженеров, десятки кандидатов и докторов наук. Под его руководством создано целое научное направление в области исследования, моделирования и расчета процессов тепло - и массообмена в аппаратах систем кондиционирования воздуха.
В течение 15 лет Е. В. Стефанов возглавлял секцию отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха Ленинградского отделения НТО Стройиндустрии, был председателем регулярно проводившихся в Ленинградском доме научно-технической пропаганды (ЛДНТП) семинаров по кондиционированию воздуха, входил в состав ученых советов ВИТУ, ЛИСИ, ВНИИОТ ВЦСПС, технических советов Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, ВНИИГС, Проблемного совета при ВЦСПС, Технического совета по кондиционеростроению в СССР, был консультантом многих проектных организаций Министерства обороны и других ведомств. Переиздаваемая книга Е. В. Стефанова написана и издана более 30 лет назад, но основные теоретические положения, изложенные в ней, до сих пор современны и полезны для работающих ныне специалистов. Особенно это касается физических основ рассматриваемых в книге процессов и систем. К сожалению, многие выходящие ныне из печати книги в этом отношении оставляют желать лучшего, хотя, и перенасыщены техническими и паспортными характеристиками вполне современных оборудований и систем.
В переиздаваемой книге, к сожалению, не удается сохранить все главы оригинала. Связано это с ограниченным объемом издания. Исключены, на наш взгляд, либо устаревшие главы, либо те, что подробнее изложены в недавно вышедших изданиях.
Детальнее на этом остановимся при краткой характеристике каждой главы оригинала. В главе 1 «Термодинамика влажного воздуха» последовательно, логично и достаточно глубоко физически обоснованно излагаются свойства сухого воздуха, водяного пара и их смеси - влажного воздуха, построение I-d диаграммы влажного воздуха, отыскание с ее помощью параметров воздуха и нахождение точек, характеризующих то или иное его состояние. Рассматриваются различные процессы изменения состояния воздуха. В заключение приводятся задачи с примерами решения ряда из них.
Заметим, что в современной литературе по вентиляции и кондиционированию воздуха такие обоснованность и последовательность часто не просматриваются. Глава 2 «Требования к воздуху закрытых помещений» включает общие положения и требования к газовому составу, чистоте воздуха И его метеорологическим параметрам. Изложение этого материала отличается оригинальностью, физической и гигиенической обоснованностью. Известное внимание уделено в этой главе комплексному нормированию метеорологических параметров: эквивалентно-эффективной и результирующей значениям температуры.
Естественно, что в этой главе не нашли представления современные гигиенические представления об ощущаемом качестве воздуха, широко пропагандируемые П. О. Фангером и европейскими нормативными документами, которые, правда, полностью игнорируют результаты исследований отечественных специалистов (В. Н. Тетеревникова, Л. В. Павлухина и др.). При этом зарубежные исследователи и разработчики соответствующих стандартов объясняют такое положение тем, что в мире (в Европе, в частности) мало издано нашей отечественной литературы на английском и других европейских языках.
В главе 3 «Классификация систем вентиляции и кондиционирования воздуха» приводятся, пожалуй, весьма логичные и достаточно простые признаки классификации этих систем. Заметим, что попытки учесть в классификации все разновидности систем, как правило, приводят к настолько сложной системе распределения последних, которая часто затрудняет понимание роли и места ряда из них. Важно и то обстоятельство, что техническая литература должна быть ориентирована на специалистов определенного уровня и квалификации, но профессиональная, физическая и логическая ее ориентированность не должны приводить к переусложнению излагаемого материала. В этом отношении книга Е. В. Стефанова может служить примером логичной, физически обоснованной и профессионально доступной манеры изложения рассматриваемых тем и вопросов.
Так, например, как системы вентиляции, так и кондиционирования воздуха классифицируются по трем-четырем основным признакам:
- вентиляции:
а) по способу побуждения движения воздуха;
б) по способу снабжения помещения воздухом;
в) по методу организации вентиляции помещения;
- кондиционирования воздуха:
а) по степени использования наружного воздуха;
б) по степени централизации;
в) по степени автономности;
г) по способу комплектации узла обработки воздуха.
Глава 4 «Определение воздухообменов» содержит (кроме общих положений) количественную оценку выделяющихся вредностей от различных источников (теплоты, влаговыделений и поступления в помещения различных газовых вредностей). В этой главе рассматриваются различные методы определения воздухообменов как в общеобменных, так и в местных системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако в настоящее время очень актуальна проблема организации воздухообмена в квартирах многоэтажных жилых домов и офисов, что не нашло отражения в главе 4. Как современное дополнение этого материала, можно рассматривать ряд технических рекомендаций и стандартов, разработанных некоммерческим партнерством «АВОК» (профессиональное объединение специалистов в области отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, тепло- и холодоснабжения).
Стандарт «АВОК» «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» рассмотрен Управлением стандартизации, технического нормирования и сертификации Госстроя РФ в 2002 году, которое считает возможным использовать данные стандарта для применения проектировщиками и всеми организациями, задействованными в строительном процессе. Кроме того, в качестве рекомендательного статуса в 2004 году были разработаны и распространены «Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома» - ТР «АВОК» - 4-
Глава 5 «Процессы и аппараты кондиционирования воздуха» является центральной в учебнике, и в ней весьма подробно излагаются вопросы обработки воздуха в аппаратах различного типа: контактных, поверхностных теплообменниках, установках сорбционного типа.
Большое внимание в этой главе уделено аппаратам контактного типа: оросительным камерам, аппаратам с орошаемой насадкой и пенным аппаратам. Не обделены вниманием поверхностные теплообменники. При этом акцент делается на так называемых поверхностных воздухоохладителях, работающих как в сухом режиме, так и в режиме с выпадением конденсата.
Значительное место в главе уделяется основным положениям теории тепло - и массообмена между воздухом и водой и изображению на диаграмме процессов обработки воздуха водой. Изложение этих вопросов отличается последовательностью и соответствующими физическими и математическими обоснованиями. И сегодня вызывает интерес доказательство справедливости при рассмотрении названных выше процессов постоянства известного соотношения Льюиса, которое до сегодняшнего дня рядом специалистов подвергается сомнению. В частности, это особенно важно для процессов охлаждения и осушения воздуха. Значительный интерес представляют изложенные в этой главе методы получения расчетных зависимостей для различных типов контактных аппаратов:
- получение расчетных зависимостей на основе использования коэффициентов тепло- и массопереноса;
- получение расчетных зависимостей на основе использования чисел единиц переноса явной и полной теплоты (впервые такой подход применительно к расчету аппаратов кондиционирования воздуха предложен именно Е. В. Стефановым);
- получение расчетных зависимостей, основанных на представлении об идеальном процессе (здесь речь идет об использовании коэффициентов эффективности, предложенных различными авторами, например Б. В. Баркаловым, Е. Е. Карписом и др.).
Далее подробно рассматриваются различные типы контактных аппаратов (оросительные форсуночные камеры, камеры с орошаемой насадкой, пенные аппараты) и излагаются методы расчета каждого типа этих аппаратов.
На весьма высоком уровне описываются в главе поверхностные теплообменники (в основном воздухоохладители) и методы получения зависимостей для их проектирования и расчета. В заключение главы подробно излагаются вопросы, связанные с осушением воздуха в механических осушителях, а также в абсорбционных и адсорбционных осушительных установках. Глава 6 «Очистка воздуха от пыли» в настоящее издание не включена.
Глава 7 «Сети воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования воздуха» содержит достаточно подробные сведения о конструктивных элементах воздуховодов, фасонных частях и устройствах для регулирования количества воздуха, транспортируемого в вентиляционных сетях. В ней также рассматриваются теоретические основы расчета воздуховодов, определение потерь на трение и преодоление местных сопротивлений.
В главе также подробно излагается методика расчета разветвленных сетей воздуховодов и построение их аэродинамических характеристик.
Очень важным разделом главы является параграф, посвященный определению закономерностей изменения температуры воздуха при его движении в воздуховодах. Здесь же излагаются вопросы, связанные с экономической целесообразностью устройства тепловой изоляции воздуховодов.
Глава 8 «Распределение воздуха в вентилируемых помещениях» по своему содержанию весьма интересна (особенно если учесть время издания книги, когда литературы по этому вопросу было явно недостаточно). Заметим, что изложение материала этой главы характеризуется комплексным и физически обоснованным подходом. В настоящем издании эта глава опускается в связи с тем, что совсем недавно вышла из печати уникальная по своему содержанию монография М. И. Гримитлина «Распределение воздуха в помещениях». В этой книге, кроме научных основ и инженерных методов расчета систем воздухораспределения приточного воздуха в вентилируемых и кондиционируемых помещениях, приводится описание конструктивных особенностей современных воздухораздающих устройств. Приводится перечень и основные технические характеристики воздухораспределителей отечественных фирм- производителей («Арктос», «Экоюрос-Венто»), заявивших на российском рынке климатической техники широкий спектр и высокое качество выпускаемых изделий и завоевавших в настоящее время доверие заказчиков и профессиональных компаний. В главе 9 «Вентиляторы» упор делается не на разнообразии конструктивного исполнения установок для транспортировки воздуха, а на возможных принципиальных вариантах конструкции последних. Особое же внимание в этой главе уделено элементам аэродинамики вентиляторов и их аэродинамическим характеристикам. Значительное место в ней предоставлено работе вентиляторов на сеть воздуховодов и совместной работе вентиляторов на вентиляционную сеть (параллельной и последовательной).
Следует отметить, что особое развитие и толчком к широкому применению центробежных вентиляторов за рубежом было положено в 1973 году Гансом Остбергом (Швеция), который первым в мировой практике создал канальный центробежный вентилятор - искусственную конструкцию при ее безусловной простоте. Это явилось настоящим событием и одновременно мощным фундаментом для последующего бурного использования их в отечественной вентиляционной технике. Канальные вентиляторы являются инженерной концепцией, признанной во всем мире.
Подробную информацию о канальных вентиляторах различного типа и назначения можно почерпнуть в каталоге (Оборудование для систем вентиляции воздуха,
Глава 11 «Системы естественной вентиляции и элементы подземной аэростатики» не включена в настоящее издание, хотя в ней присутствует информация, представляющая определенный интерес, но редко применяемая на объектах гражданского назначения. Итак, при издании учебника Е. В. Стефанова упор сделан на наиболее интересные в информационном отношении, актуальные и полезные для современного специалиста материалы. При этом сохранен стиль изложения, весьма характерный для этого талантливого и весьма нестандартного человека. Хотелось бы также отметить одну особенность его творчества: он никогда не писал то, что намечал, сразу, довольно много размышлял, но всегда излагал то, что у него формировалось, без черновиков. Многих это удивляло, но таков был Евгений Васильевич. Причем круг его профессиональных интересов был весьма широк, и за что бы он ни брался, результат всегда был незаурядным и весьма полезным и для теории, и для практики.
С учениками он всегда был доброжелателен, ироничен, никогда не разговаривал с ними на высоких тонах. К критике в свой адрес относился с пониманием и юмором, никогда никому не мстил и зла не помнил.
Вспоминается следующий пример из общения со Е. В. Стефановым одного из редакторов настоящего издания: «В 1964 году Евгений Васильевич завершал работу над докторской диссертацией, а я только прибыл с производства на кафедру, начальником которой он был. И тем не менее он предложил мне прочитать одну из глав своей диссертации и высказать замечания, если они у меня появятся. Замечаний у меня оказалось существенно больше, чем он ожидал, и я их честно высказал.
- Ну и нехороший ты, Володя, человек, - сказал Евгений Васильевич. - Завтра принесу следующую главу. Только читай внимательно и не бойся критиковать.
Представляю, что было бы, если бы на его месте оказался кто-нибудь другой. А он был вот такой. И о моих замечаниях в свой адрес потом вспоминал с юмором».
Глава 1
ТЕРМОДИНАМИКА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
§ 1.1. Свойства сухого воздуха
Окружающий нас атмосферный воздух представляет собой смесь сухой части, состав которой стабилен по высоте и постоянен для любой точки земного шара (табл. 1.1), и водяного пара, количество которого переменно. Таким образом, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха приходится иметь дело с влажным воздухом, или воздушно-паровой смесью. Молекулярный вес сухой части воздуха равен 28,98. Температура кипения жидкого воздуха -192°С (81°К). В расчетах по вентиляции и кондиционированию воздуха влажный воздух с достаточной точностью считают идеальным газом и распространяют на него соответствующие физические законы, справедливые для смеси идеальных газов. Каждый газ (в том числе и водяной пар) занимает тот же объем, что и вся смесь, имеет одинаковую с ней температуру и находится под своим парциальным давлением.
...