Вентиляция компрессорной: расчёт воздухообмена | Kraftmachine

Как рассчитать вентиляцию компрессорной: тепловыделение, воздухообмен и сечение вентиляционных каналов. Примеры расчёта для компрессоров 37–250 кВт.

Как рассчитать вентиляцию компрессорной: тепловыделение и необходимый воздухообмен

Вентиляция компрессорной необходима для отвода тепла, которое выделяется при работе винтовых компрессоров, электродвигателей и оборудования подготовки воздуха. Практически вся электрическая энергия, потребляемая компрессором с воздушным охлаждением, в итоге превращается в тепло, поэтому недостаточный воздухообмен быстро повышает температуру помещения. Особенно критичной проблема становится летом, когда температура наружного воздуха уже составляет +30…+35 °C. В статье разберём, сколько тепла выделяют компрессоры мощностью 37, 75, 110, 185 и 250 кВт, как рассчитать воздухообмен и какое сечение приточных и вытяжных каналов необходимо предусмотреть.

Что такое вентиляция компрессорной и зачем она нужна

При сжатии воздуха компрессор выделяет большое количество тепловой энергии. Для компрессора с воздушным охлаждением практически вся потребляемая электродвигателем энергия в конечном итоге должна быть отведена из компрессорного помещения. Atlas Copco указывает, что вентиляционный воздух воздушно-охлаждаемого компрессора содержит близкое к 100% количество энергии, потребляемой электродвигателем, в виде тепла.

На сайте Kraftmachine при рассмотрении рекуперации тепла используется ориентир: около 96% потребляемой электроэнергии преобразуется в тепло. Этот показатель удобно использовать для предварительного инженерного расчёта вентиляции.

Если тепло не выводить наружу, оно накапливается в помещении. Повышается температура всасываемого компрессором воздуха, ухудшается охлаждение масла и винтового блока, увеличивается температура внутри корпуса.

Поэтому вентиляция компрессорной выполняет одновременно две задачи: обеспечивает оборудование необходимым количеством относительно холодного приточного воздуха и удаляет нагретый воздух после прохождения через радиаторы компрессора.

Как работает вентиляция компрессорной

Для промышленной компрессорной обычно организуют движение воздуха от нижней части помещения к верхней. Холодный наружный воздух поступает через приточные проёмы, проходит через зону установки компрессоров и затем удаляется вытяжной системой.

Приток рекомендуется располагать так, чтобы компрессоры получали наиболее холодный доступный воздух. Вытяжка, наоборот, располагается выше, поскольку нагретый воздух поднимается вверх. Atlas Copco рекомендует размещать приток низко, а вытяжные вентиляторы — высоко на противоположной стороне помещения.

Особенно важно исключить ситуацию, когда горячий воздух после радиатора одного компрессора снова попадает на вход его системы охлаждения или на соседний компрессор. Такая рециркуляция увеличивает рабочую температуру оборудования и снижает эффективность охлаждения.

Для крупных компрессоров наиболее эффективным решением часто является непосредственный отвод горячего воздуха от радиатора компрессора наружу через отдельный воздуховод.

Сколько тепла выделяет винтовой компрессор

Для предварительного расчёта тепловыделение воздушно-охлаждаемого винтового компрессора можно определить по формуле:

Q = P × 0,96

где:

Q — тепловая мощность, которую необходимо отвести, кВт;
P — электрическая мощность компрессора, кВт;
0,96 — ориентировочная доля электроэнергии, переходящей в тепло.

Например, компрессор мощностью 75 кВт выделяет:

75 × 0,96 = 72 кВт тепла.

Это означает, что во время работы в компрессорной появляется тепловая нагрузка примерно 72 кВт.

Для сравнения, это эквивалентно одновременной работе большого количества мощных электрических обогревателей. Именно поэтому даже относительно просторная компрессорная без нормальной вентиляции летом может нагреваться очень быстро.

Ориентировочные значения:

Для консервативного предварительного расчёта допустимо принимать тепловыделение равным полной потребляемой мощности компрессора. Точные значения необходимо брать из технической документации конкретной модели.

Подробнее о возможностях использования этого тепла можно прочитать в статье «Рекуперация тепла компрессора: схемы утилизации отходящего тепла». Kraftmachine рассматривает использование отходящего тепла для отопления помещений и нагрева технологической воды.

Как рассчитать воздухообмен компрессорной

Необходимый воздухообмен определяется не только объёмом помещения. Главный параметр — количество тепла, которое необходимо вывести.

Для предварительного расчёта можно использовать формулу:

L = 3000 × Q / ΔT

где:

L — необходимый расход вентиляционного воздуха, м³/ч;
Q — количество отводимого тепла, кВт;
ΔT — допустимое увеличение температуры воздуха внутри компрессорной относительно наружного воздуха, °C.

Коэффициент 3000 получен из теплоёмкости и плотности воздуха при обычных условиях и используется здесь для предварительной инженерной оценки.

Atlas Copco рекомендует обеспечивать такой объём вентиляционного воздуха, чтобы повышение температуры компрессорного помещения относительно приточного воздуха находилось примерно в диапазоне 7–10 °C.

Чем меньше принятое значение ΔT, тем больше требуется вентиляционного воздуха.

Пример расчёта для компрессора 75 кВт

Тепловыделение:

Q = 75 × 0,96 = 72 кВт.

Если допускаем нагрев помещения относительно наружного воздуха на 7 °C:

L = 3000 × 72 / 7 = 30 857 м³/ч.

Округляем:

≈ 31 000 м³/ч.

Если допустимый нагрев составляет 10 °C:

L = 3000 × 72 / 10 = 21 600 м³/ч.

Получается существенная разница: уменьшение допустимого перегрева помещения требует увеличения производительности вентиляции.

Какой воздухообмен нужен для компрессоров 37–250 кВт

Для сравнения рассчитаем пять типовых мощностей компрессоров.

Таблица показывает, почему для промышленных компрессоров нельзя оценивать вентиляцию только по площади помещения. Для компрессора мощностью 185 кВт может потребоваться отвод более 50 000–75 000 м³ воздуха в час, а для 250 кВт — более 70 000–100 000 м³/ч.

Если в помещении установлено несколько одновременно работающих компрессоров, их тепловые нагрузки суммируются. KAESER рекомендует при общей вентиляции помещения суммировать мощности работающих компрессоров либо предусматривать отдельный приток и отвод воздуха для каждого агрегата.

Как рассчитать сечение приточного канала компрессорной

После определения необходимого воздухообмена можно рассчитать площадь приточного отверстия.

Формула:

A = L / (3600 × V)

где:

A — свободная площадь сечения, м²;
L — расход воздуха, м³/ч;
V — скорость воздуха, м/с.

Atlas Copco рекомендует, чтобы скорость воздуха в приточном вентиляционном отверстии не превышала примерно 4 м/с.

Возьмём этот показатель для предварительного расчёта.

Для компрессора 75 кВт при ΔT = 7 °C:

A = 30 857 / (3600 × 4)

A ≈ 2,14 м².

Это именно свободное проходное сечение.

Если устанавливаются жалюзийные решётки, сетки, фильтры или шумоглушители, наружные размеры проёма должны быть больше, поскольку часть его площади перекрывается элементами конструкции.

Какое сечение каналов требуется для компрессоров 37–250 кВт

Для расчёта используем более строгий летний вариант:

ΔT = 7 °C
скорость воздуха = 4 м/с.

При одинаковой скорости воздуха вытяжной канал должен пропускать примерно тот же объём, что и приточный.

Но эти значения не следует автоматически использовать для воздуховода, непосредственно присоединённого к корпусу компрессора. Для такого воздуховода необходимо использовать паспортный расход вентилятора охлаждения конкретного компрессора и максимально допустимое аэродинамическое сопротивление.

KAESER отдельно предупреждает, что распространённая ошибка — делать вытяжной воздуховод того же размера, что и видимое выходное отверстие корпуса. Его сечение необходимо рассчитывать по характеристикам системы охлаждения, а длинные каналы и повороты могут потребовать дополнительного вытяжного вентилятора.

Почему прямой отвод горячего воздуха эффективнее

Есть два основных варианта удаления тепла.

Первый — компрессор выбрасывает горячий охлаждающий воздух непосредственно в помещение, а общая вытяжная вентиляция удаляет его наружу.

Второй вариант — к выходу охлаждающего воздуха компрессора подключается отдельный канал, по которому тепло сразу выводится за пределы здания.

Для крупных компрессоров второй вариант обычно значительно удобнее. Горячий воздух не успевает смешаться с воздухом помещения, поэтому уменьшается риск повторного попадания нагретого воздуха на радиатор.

При этом воздуховод не должен создавать избыточного сопротивления вентилятору компрессора. Длинные участки, слишком маленькое сечение и резкие повороты увеличивают сопротивление и могут ухудшать охлаждение.

Если устанавливается несколько компрессоров, желательно не объединять их горячие выходы в общий воздуховод без расчёта. При неправильной схеме воздух от работающего компрессора может возвращаться через канал к остановленному агрегату или создавать дополнительное противодавление.

Что происходит летом при недостаточной вентиляции компрессорной

Летом запас по температуре резко сокращается.

Предположим, температура наружного воздуха составляет:

+32 °C.

Если вентиляция обеспечивает повышение температуры помещения на 7 °C:

32 + 7 = 39 °C.

Если система рассчитана на ΔT = 10 °C:

32 + 10 = 42 °C.

А при наружной температуре +35 °C температура внутри компрессорной может достигнуть соответственно:

42–45 °C.

Это уже тяжёлые условия эксплуатации для компрессора и оборудования подготовки воздуха. Допустимая максимальная температура окружающей среды зависит от конкретной модели и должна проверяться по техническому паспорту оборудования.

Недостаточная вентиляция повышает рабочую температуру компрессора, ухудшает условия охлаждения и может привести к аварийному отключению оборудования. KAESER также отмечает, что высокая температура вследствие плохой вентиляции сокращает ресурс масла и снижает эффективность системы.

Повышенная температура оказывает влияние не только на компрессор. Рефрижераторный осушитель также должен отводить тепло через свой конденсатор, а его производительность ухудшается при повышении температуры окружающего и входящего воздуха.

Поэтому летом проблема может развиваться по цепочке:

недостаточный приток → повышение температуры помещения → ухудшение охлаждения компрессора → повышение температуры сжатого воздуха → увеличение нагрузки на осушитель → риск перегрева и остановки оборудования.

Основные характеристики вентиляции компрессорной

При проектировании необходимо учитывать несколько связанных параметров.

Тепловыделение компрессоров.
Определяет основную тепловую нагрузку помещения. Для предварительной оценки воздушно-охлаждаемого винтового компрессора можно использовать 96–100% электрической мощности.

Расход вентиляционного воздуха.
Определяется тепловой нагрузкой и допустимой разницей температуры между наружным и внутренним воздухом.

Свободная площадь притока.
Приточные проёмы должны пропускать расчётный объём воздуха без чрезмерной скорости и сопротивления.

Производительность вытяжных вентиляторов.
Вентилятор необходимо выбирать не только по м³/ч, но и с учётом сопротивления жалюзи, сеток, фильтров и воздуховодов.

Температура наружного воздуха.
Летняя расчётная температура напрямую определяет максимальную температуру внутри компрессорной.

Тепловыделение дополнительного оборудования.
Осушители, электрошкафы, насосы и другое оборудование также могут нагревать помещение и должны учитываться в точном тепловом балансе.

Преимущества и недостатки разных схем вентиляции компрессорной

Естественная вентиляция

Плюсы:

• простая конструкция;

• минимальное потребление электроэнергии;

• небольшое количество оборудования;

• низкая стоимость обслуживания.

Минусы:

• производительность зависит от погоды;

• сложно обеспечить стабильный расход воздуха летом;

• требуются большие вентиляционные проёмы;

• практически непригодна как единственная расчётная система для мощной промышленной компрессорной.

KAESER указывает, что естественной вентиляции обычно достаточно для компрессоров приблизительно до 18 кВт, а для более мощных агрегатов и небольших помещений требуется принудительная вентиляция.

Принудительная общеобменная вентиляция

Плюсы:

• контролируемый воздухообмен;

• возможность автоматического управления;

• стабильное удаление тепла;

• можно использовать несколько компрессоров в одном помещении.

Минусы:

• требуется мощная вытяжная система;

• увеличивается энергопотребление;

• для компрессоров 185–250 кВт требуются очень большие объёмы воздуха;

• необходимо рассчитывать вентиляционные каналы и сопротивление системы.

Прямой отвод горячего воздуха от компрессора

Плюсы:

• тепло сразу выводится наружу;

• снижается температура компрессорной;

• уменьшается вероятность рециркуляции горячего воздуха;

• зимой горячий воздух можно использовать для отопления производственных помещений.

Минусы:

• требуется индивидуальный расчёт воздуховода;

• нельзя превышать допустимое сопротивление вентилятора компрессора;

• длинные трассы могут потребовать дополнительный вентилятор;

• необходимо предусмотреть переключение режима «лето/зима».

Где применяются разные системы вентиляции компрессорной

Для небольших компрессорных с маломощным оборудованием может использоваться естественный приток воздуха в сочетании с вытяжной вентиляцией.

Для компрессоров 37, 75 и 110 кВт обычно уже целесообразно предусматривать механическую вытяжку либо непосредственный вывод горячего воздуха от компрессора наружу. KAESER относит оборудование мощностью выше примерно 18 кВт к диапазону, где обычно требуется принудительная вентиляция.

Для компрессоров 185 и 250 кВт объём охлаждающего воздуха становится настолько большим, что схема вентиляции должна рассматриваться как отдельная инженерная система.

Если установлено несколько мощных компрессоров, особенно важно предусмотреть независимое движение воздуха и исключить взаимный подсос горячего воздуха между агрегатами.

При проектировании новой компрессорной необходимо одновременно учитывать расположение компрессоров, ресиверов, осушителей, магистральных фильтров, воздуховодов и зон технического обслуживания.

Промышленные винтовые компрессоры различных мощностей представлены в каталоге винтовых компрессоров Kraftmachine.

Как выбрать вентиляцию компрессорной

Расчёт следует начинать со списка всего одновременно работающего оборудования.

Например, в компрессорной установлены:

• компрессор 110 кВт;

• компрессор 75 кВт;

• резервный компрессор 75 кВт.

Если одновременно работают только первые два, расчётная мощность составляет:

110 + 75 = 185 кВт.

Нет необходимости автоматически считать тепловыделение всех трёх агрегатов, если алгоритм работы гарантирует, что резервный компрессор включается только после остановки одного из основных. Но вентиляция должна быть рассчитана на максимальный реально возможный одновременный режим работы.

Для такой станции ориентировочное тепловыделение составит:

185 × 0,96 = 177,6 кВт.

При ΔT = 7 °C потребуется:

≈ 76 100 м³/ч воздуха.

Свободная площадь приточных проёмов при скорости 4 м/с составит:

≈ 5,3 м².

Такой пример показывает, что вентиляцию лучше рассчитывать ещё на стадии проектирования помещения. Попытка установить мощную компрессорную в готовом небольшом помещении без достаточных приточных проёмов часто приводит к необходимости переделывать вентиляционную систему.

Перед окончательным выбором необходимо проверить паспорт каждого компрессора: расход охлаждающего воздуха, направление выброса, максимальное сопротивление подключаемого воздуховода и допустимый диапазон температуры окружающей среды.

Если компрессорная станция уже эксплуатируется и летом возникают перегревы, повышенные температуры или аварийные остановки, полезно провести аудит системы сжатого воздуха. Аудит позволяет оценить фактическую работу компрессоров, нагрузку оборудования и состояние всей системы.

Заключение

Вентиляция компрессорной должна рассчитываться по тепловой мощности оборудования, а не только по площади или объёму помещения. Воздушно-охлаждаемый винтовой компрессор мощностью 75 кВт выделяет около 72 кВт тепла, 185 кВт — около 178 кВт, а компрессор 250 кВт — порядка 240 кВт.

Для мощных компрессорных наиболее рациональной обычно становится комбинация достаточного притока и прямого отвода горячего воздуха от каждого компрессора наружу. Особенно важно выполнять расчёт по летней температуре, поскольку недостаточный воздухообмен способен привести к перегреву компрессора, увеличению нагрузки на осушитель и аварийным остановкам.

При проектировании необходимо использовать приведённые расчёты как предварительную оценку, а окончательные размеры воздуховодов и вентиляторов определять по техническим характеристикам конкретной модели компрессора Kraftmachine.