Modèle mathématique de ventilation d'alimentation et d'extraction. Modèle mathématique du régime thermique des locaux à chauffage radiant. Ventilateurs centrifuges d'alimentation et d'extraction

Daria Denisikhina, Maria Lukanina, Mikhail Samoletov

V monde moderne il n'est plus possible de s'en passer modélisation mathématique flux d'air dans la conception des systèmes de ventilation.

Dans le monde moderne, il n'est plus possible de se passer de la modélisation mathématique du débit d'air lors de la conception des systèmes de ventilation. Les pratiques d'ingénierie conventionnelles sont bien adaptées aux pièces typiques et aux solutions de distribution d'air standard. Lorsqu'un concepteur rencontre des objets non standard, les méthodes de modélisation mathématique doivent lui venir en aide. L'article est consacré à l'étude de la répartition de l'air pendant la période froide de l'année dans un atelier de fabrication de canalisations. Cet atelier fait partie du complexe de l'usine, situé dans un climat fortement continental.

Au XIXe siècle, des équations différentielles ont été obtenues pour décrire l'écoulement des liquides et des gaz. Ils ont été formulés par le physicien français Louis Navier et le mathématicien britannique George Stokes. Les équations de Navier-Stokes sont parmi les plus importantes en hydrodynamique et sont utilisées dans la modélisation mathématique de nombreux phénomènes naturels et problèmes techniques.

Par dernières années une grande variété d'objets géométriquement et thermodynamiquement complexes dans la construction s'est accumulée. L'utilisation de méthodes de dynamique des fluides computationnelle augmente considérablement les possibilités de conception de systèmes de ventilation, permettant de prédire avec un degré élevé de précision les distributions de vitesse, de pression, de température et de concentration des composants en tout point d'un bâtiment ou de l'un de ses composants. locaux.

L'utilisation intensive des méthodes de dynamique des fluides computationnelle a commencé en 2000, lorsque des coques logicielles universelles (progiciels CFD) sont apparues, permettant de trouver des solutions numériques au système d'équations de Navier-Stokes pour un objet d'intérêt. Depuis cette époque, le BUREAU TEHNIKI s'est engagé dans la modélisation mathématique en relation avec les problèmes de ventilation et de conditionnement d'air.

Description de la tâche

Dans cette étude, des simulations numériques ont été réalisées à l'aide de STAR-CCM+, un progiciel CFD développé par CD-Adapco. performance ce paquet quand la résolution des problèmes de ventilation était
il a été testé à plusieurs reprises sur des objets de complexité variable, des bureaux aux salles de théâtre et aux stades.

Le problème est d'un grand intérêt tant du point de vue de la conception que de la modélisation mathématique.

Température extérieure -31 °C. Des objets avec des apports de chaleur importants sont situés dans la pièce : four de trempe, four de revenu, etc. Ainsi, il existe de grandes différences de température entre les structures externes enveloppantes et les objets internes générateurs de chaleur. Par conséquent, la contribution du transfert de chaleur radiatif ne peut pas être négligée dans la simulation. Une difficulté supplémentaire dans la formulation mathématique du problème réside dans le fait qu'un train lourd avec une température de -31 °C est amené dans la salle plusieurs fois par quart de travail. Il se réchauffe progressivement, refroidissant l'air qui l'entoure.

Pour maintenir la température de l'air requise dans le volume de l'atelier (pendant la saison froide, pas inférieure à 15 ° C), le projet prévoit des systèmes de ventilation et de climatisation. Au stade de la conception, le débit et la température de l'air soufflé nécessaires pour maintenir les paramètres requis ont été calculés. La question restait - comment fournir de l'air au volume de l'atelier afin d'assurer la répartition la plus uniforme de la température dans tout le volume. La simulation a permis de voir le schéma de débit d'air pour plusieurs options d'alimentation en air dans un délai relativement court (deux à trois semaines), puis de les comparer.

ÉTAPES DE LA MODÉLISATION MATHÉMATIQUE

• Construction de la géométrie solide.
• Partitionnement de l'espace de travail en cellules de la grille de calcul. Il est nécessaire de prévoir des zones dans lesquelles un raffinement supplémentaire des cellules est nécessaire. Lors de la construction d'une grille, il est très important de trouver ce juste milieu, dans lequel la taille des cellules est suffisamment petite pour obtenir les résultats corrects, tandis que le nombre total de cellules n'est pas si grand qu'il prolonge le temps de calcul à des moments inacceptables. Par conséquent, construire une grille est tout un art qui vient avec l'expérience.
• Définition des conditions limites et initiales conformément à l'énoncé du problème. Une compréhension des spécificités des tâches de ventilation est nécessaire. joue un rôle important dans le calcul bon choix modèles de turbulences.
• Sélection de modèles physiques et de turbulence appropriés.

Résultats de la simulation

Pour résoudre le problème considéré dans cet article, toutes les étapes de la modélisation mathématique ont été franchies.

Pour comparer l'efficacité de la ventilation, trois options d'alimentation en air ont été choisies : à des angles par rapport à la verticale de 45°, 60° et 90°. L'air était fourni par des grilles de distribution d'air standard.

Champs de température et de vitesse obtenus à la suite d'un calcul à différents angles d'avance soufflage d'air, sont présentés dans la fig. un.

Après analyse des résultats, l'angle d'alimentation en air soufflé de 90° a été choisi comme la plus réussie des options envisagées pour la ventilation de l'atelier. Avec cette méthode d'alimentation, aucune vitesse accrue n'est créée dans zone de travail et il est possible d'obtenir une image assez uniforme de la température et de la vitesse dans tout l'atelier.

Décision finale

Les champs de température et de vitesse dans trois coupes traversant les réseaux d'alimentation sont représentés sur les Fig. 2 et 3. La répartition de la température dans la pièce est uniforme. Ce n'est que dans la zone de concentration des fours qu'il y a plus valeurs élevées température du plafond. Il y a une zone plus froide dans le coin le plus à droite de la pièce, loin des poêles. C'est l'endroit où entrent les wagons froids de la rue.

De la fig. 3 montre bien comment se propagent des jets horizontaux d'air soufflé. Avec ce mode d'alimentation, le jet d'alimentation a une portée suffisamment grande. Ainsi, à une distance de 30 m du réseau, la vitesse d'écoulement est de 0,5 m/s (en sortie de réseau, la vitesse est de 5,5 m/s). Dans le reste de la salle, la mobilité de l'air est faible, au niveau de 0,3 m/s.

L'air chauffé du four de trempe dévie le jet d'air d'alimentation vers le haut (Fig. 4 et 5). Le poêle réchauffe beaucoup l'air qui l'entoure. La température près du sol est plus élevée ici que dans la partie médiane de la pièce.

Le champ de température et les lignes de courant dans deux sections de l'atelier chaud sont illustrés à la fig. 6.

conclusions

Les calculs effectués ont permis d'analyser l'efficacité différentes manières alimentation en air dans l'atelier de production de tuyaux. Il a été constaté que lorsqu'un jet horizontal est fourni, l'air d'alimentation se répand davantage dans la pièce, contribuant à son chauffage plus uniforme. Cela ne crée pas de zones avec une trop grande mobilité de l'air dans la zone de travail, comme cela se produit lorsque l'air soufflé est fourni sous un angle vers le bas.

L'utilisation de méthodes de modélisation mathématique dans les problèmes de ventilation et de climatisation est une voie très prometteuse, permettant au stade du projet de corriger la solution, d'éviter d'avoir à corriger des erreurs décisions de conception après la mise en service. ●

Daria Denisikhina - Chef du Département "Modélisation Mathématique" ;
Maria Lukanina - Ingénieur principal du département de modélisation mathématique ;
Mikhaïl Samoletov - Directeur exécutif de MM-Technologies LLC

1

L'article considère les processus de modélisation de la ventilation et de la dispersion de ses émissions dans l'atmosphère. La modélisation est basée sur la résolution du système d'équations de Navier-Stokes, les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur. Divers aspects de la solution numérique de ces équations sont considérés. Un système d'équations est proposé permettant de calculer la valeur du coefficient de turbulence de fond. Pour l'approximation hyposonique, une solution est proposée, ainsi que les équations de la dynamique de l'hydrogaz données dans l'article, pour l'équation de position d'un gaz et d'une vapeur réels idéaux. Cette équation est une modification de l'équation de van der Waals et prend plus précisément en compte la taille des molécules de gaz ou de vapeur et leur interaction. Sur la base de la condition de stabilité thermodynamique, une relation est obtenue qui permet d'exclure les racines physiquement impraticables lors de la résolution de l'équation du volume. L'analyse de modèles de calcul bien connus et de packages de calcul de la dynamique des fluides est effectuée.

la modélisation

ventilation

turbulence

équations de transfert de chaleur et de masse

équation d'état

vrai gaz

dissipation

1. Berly et M. E. Enjeux contemporains diffusion atmosphérique et pollution de l'air. - L. : Gidrometeoizdat, 1975. - 448 p.

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5. Sauts A. V. Application d'algorithmes graphiques cognitifs et de méthodes d'analyse mathématique pour étudier les propriétés thermodynamiques de l'isobutane R660A sur la ligne de saturation : Grant No. 2С/10 : rapport de recherche (final) / GOUVPO SPbGASU ; mains Gorokhov V.L. 30.- N° GR 01201067977.- Inv. N° 02201158567.

introduction

Lors de la conception de complexes industriels et d'installations uniques, les problèmes liés à la qualité de l'environnement atmosphérique et aux paramètres de microclimat normalisés doivent être pleinement justifiés. Compte tenu du coût élevé de fabrication, d'installation et d'exploitation des systèmes de ventilation et de climatisation, des exigences accrues sont imposées à la qualité des calculs d'ingénierie. Pour sélectionner des solutions de conception rationnelles dans le domaine de la ventilation, il est nécessaire de pouvoir analyser la situation dans son ensemble, c'est-à-dire révèlent la relation spatiale des processus dynamiques se produisant à l'intérieur et dans l'atmosphère. Évaluer l'efficacité de la ventilation, qui dépend non seulement de la quantité d'air fournie à la pièce, mais également du schéma de distribution d'air adopté et de la concentration produits dangereuxà l'air extérieur aux emplacements des entrées d'air.

Objet de l'article- l'utilisation de dépendances analytiques, à l'aide desquelles des calculs de la quantité d'émissions nocives sont effectués, pour déterminer la taille des canaux, des conduits d'air, des puits et le choix de la méthode de traitement de l'air, etc. Dans ce cas, il est conseillé d'utiliser le produit logiciel Potok avec le module VSV. Pour préparer les données initiales, il est nécessaire d'avoir des schémas des systèmes de ventilation conçus indiquant les longueurs des sections et les débits d'air aux sections d'extrémité. Les données d'entrée pour le calcul sont la description des systèmes de ventilation et leurs exigences. En utilisant la modélisation mathématique, les questions suivantes sont résolues :

• sélection des options optimales pour l'alimentation et l'évacuation de l'air ;
• répartition des paramètres du microclimat selon le volume des locaux;
• évaluation du régime aérodynamique de développement;
• choix des emplacements pour la prise d'air et l'évacuation de l'air.

Les champs de vitesse, pression, température, concentrations dans la pièce et l'atmosphère se forment sous l'influence de nombreux facteurs dont la totalité est assez difficile à prendre en compte dans les méthodes de calcul d'ingénierie sans l'utilisation d'un ordinateur.

L'application de la modélisation mathématique aux problèmes de ventilation et d'aérodynamique est basée sur la résolution du système d'équations de Navier-Stokes.

Pour simuler des écoulements turbulents, il est nécessaire de résoudre le système des équations de masse et de conservation de Reynolds (conservation de la quantité de mouvement) :

(2)

où t- temps, X= X je , j , k- coordonnées spatiales, tu=toi je , j , k sont les composantes du vecteur vitesse, R- pression piézométrique, ρ - densité, τ ij sont les composants du tenseur des contraintes, s m- source de masse, s je sont les composants de la source d'impulsion.

Le tenseur des contraintes s'exprime par :

(3)

où sij- tenseur de vitesse de déformation ; δ ij- tenseur des contraintes supplémentaires dues à la présence de turbulences.

Pour plus d'informations sur les champs de température J et concentration Avec substances nocives, le système est complété par les équations suivantes :

équation de conservation de la chaleur

équation de conservation passive des impuretés Avec

(5)

où CR- coefficient de capacité calorifique, λ - coefficient de conductivité thermique, k= k je , j , k- coefficient de turbulence.

Facteur de turbulence de base k bases est déterminé à l'aide du système d'équations :

(6)

où k F - coefficient de turbulence de fond, k f \u003d 1-15 m 2 / s; e = 0,1-04 ;

Les coefficients de turbulence sont déterminés à l'aide des équations :

(7)

Dans un espace ouvert à faible dissipation, la valeur k z est déterminé par l'équation :

kk = k 0 z /z 0 ; (8)

où k 0 - valeur kk en haut z 0 (k 0 \u003d 0,1 m 2 / s à z 0 = 2m).

En zone dégagée, le profil de vitesse du vent n'est pas déformé ;

Avec une stratification atmosphérique inconnue dans une zone ouverte, le profil de vitesse du vent peut être déterminé :

; (9)

où z 0 - hauteur donnée (hauteur de la girouette); tu 0 - vitesse du vent en hauteur z 0 ; B = 0,15.

Sous la condition (10), le critère local de Richardson Ri défini comme:

(11)

On différencie l'équation (9), on égalise les équations (7) et (8), à partir de là on exprime k socles

(12)

Assimilons l'équation (12) aux équations du système (6). Nous substituons (11) et (9) dans l'égalité résultante, sous la forme finale nous obtenons le système d'équations :

(13)

Le terme pulsatoire, suivant les idées de Boussinesq, est représenté par :

(14)

où μ t- la viscosité turbulente et les termes supplémentaires dans les équations de transfert d'énergie et les composants d'impuretés sont modélisés comme suit :

(15)

(16)

Le système d'équations est fermé en utilisant l'un des modèles de turbulence décrits ci-dessous.

Pour les écoulements turbulents étudiés en pratique ventilatoire, il convient d'utiliser soit l'hypothèse de Boussinesq sur la modicité des variations de densité, soit l'approximation dite « hyposonique ». Les contraintes de Reynolds sont supposées être proportionnelles aux taux de déformation moyens dans le temps. Le coefficient de viscosité turbulente est introduit, ce concept s'exprime par :

. (17)

Le coefficient de viscosité effectif est calculé comme la somme des coefficients moléculaire et turbulent :

(18)

L'approximation "hyposonique" consiste à résoudre, avec les équations ci-dessus, l'équation de position d'un gaz parfait :

ρ = p/(RT) (19)

où p - pression dans environnement; R est la constante des gaz.

Pour des calculs plus précis, la densité d'impuretés peut être déterminée à l'aide de l'équation de van der Waals modifiée pour les gaz et vapeurs réels

(20)

où sont les constantes N et M- prendre en compte l'association/dissociation des molécules de gaz ou de vapeur ; une- prend en compte les autres interactions ; b" - prise en compte de la taille des molécules de gaz ; υ=1/ρ.

En séparant de l'équation (12) la pression R et en le différenciant en volume (en tenant compte de la stabilité thermodynamique), on obtient la relation suivante :

. (21)

Cette approche permet de réduire significativement le temps de calcul par rapport au cas d'utilisation des équations complètes pour un gaz compressible sans diminuer la précision des résultats obtenus. Il n'y a pas de solution analytique aux équations ci-dessus. A cet égard, des méthodes numériques sont utilisées.

Résoudre les problèmes de ventilation liés au transfert de substances scalaires par un écoulement turbulent, lors de la résolution équations différentielles utiliser le schéma de fractionnement par processus physiques. Selon les principes du dédoublement, intégration aux différences finies des équations de l'hydrodynamique et du transport convectif-diffus d'une substance scalaire à chaque pas de temps Δ t s'effectue en deux temps. Lors de la première étape, les paramètres hydrodynamiques sont calculés. Lors de la deuxième étape, les équations de diffusion sont résolues sur la base des champs hydrodynamiques calculés.

L'effet du transfert de chaleur sur la formation du champ de vitesse de l'air est pris en compte à l'aide de l'approximation de Boussinesq : un terme supplémentaire est introduit dans l'équation du mouvement pour la composante de vitesse verticale, qui prend en compte les forces de flottabilité.

Quatre approches sont connues pour résoudre les problèmes de mouvement fluide turbulent :

• modélisation directe « DNS » (solution d'équations de Navier-Stokes non stationnaires) ;
• solution des équations de Reynolds moyennées "RANS", dont le système n'est cependant pas fermé et nécessite des relations de fermeture supplémentaires ;
• méthode des grandes turbulences "LES » , qui est basé sur la solution des équations de Navier-Stokes non stationnaires avec paramétrisation des tourbillons à l'échelle de la sous-grille ;
• Méthode DES , qui est une combinaison de deux méthodes: dans la zone des flux séparés - "LES", et dans la zone des flux "lisses" - "RANS".

La plus intéressante du point de vue de la précision des résultats obtenus est sans doute la méthode de simulation numérique directe. Cependant, à l'heure actuelle, les capacités de la technologie informatique ne permettent pas encore de résoudre des problèmes avec une géométrie et des nombres réels. Ré, et avec résolution de tourbillons de toutes tailles. Par conséquent, lors de la résolution d'un large éventail de problèmes d'ingénierie, des solutions numériques des équations de Reynolds sont utilisées.

Actuellement, des packages certifiés tels que STAR-CD, FLUENT ou ANSYS/FLOTRAN sont utilisés avec succès pour simuler des problèmes de ventilation. Avec un problème correctement formulé et un algorithme de solution rationnelle, la quantité d'informations obtenues vous permet de choisir la meilleure option au stade de la conception, mais effectuer des calculs à l'aide de ces programmes nécessite une formation appropriée, et leur utilisation incorrecte peut conduire à des résultats erronés.

Comme "cas de base", nous pouvons considérer les résultats des méthodes de calcul d'équilibre généralement reconnues, qui nous permettent de comparer les valeurs intégrales caractéristiques du problème considéré.

Un des les points importants lors de l'utilisation de systèmes logiciels universels pour résoudre les problèmes de ventilation est le choix d'un modèle de turbulence. A présent c'est connu un grand nombre de divers modèles de turbulence qui sont utilisés pour fermer les équations de Reynolds. Les modèles de turbulence sont classés en fonction du nombre de paramètres pour les caractéristiques de turbulence, respectivement à un paramètre, à deux et à trois paramètres.

La plupart des modèles semi-empiriques de turbulence, d'une manière ou d'une autre, utilisent "l'hypothèse de la localité du mécanisme de transfert turbulent", selon laquelle le mécanisme de transfert de moment turbulent est complètement déterminé en fixant des dérivées locales des vitesses moyennes et des propriétés physiques du fluide. L'influence des processus se produisant loin du point considéré n'est pas prise en compte par cette hypothèse.

Les plus simples sont les modèles à un paramètre qui utilisent le concept de viscosité turbulente "n t», et la turbulence est supposée isotrope. Une version modifiée du "n t-92" est recommandé pour la modélisation de jets et de flux séparés. Un bon accord avec les résultats expérimentaux est également donné par le modèle à un paramètre "S-A" (Spalart - Almaras), qui contient l'équation de transport pour la quantité .

L'inconvénient des modèles avec une seule équation de transport est qu'ils manquent d'informations sur la distribution de l'échelle de turbulence L. Par le montant L processus de transfert, méthodes de formation de la turbulence, dissipation de l'influence de l'énergie turbulente. Dépendance universelle à définir L n'existe pas. Équation de l'échelle de turbulence L s'avère souvent être exactement l'équation qui détermine la précision du modèle et, par conséquent, le domaine de son applicabilité. Fondamentalement, la portée de ces modèles est limitée à des flux de cisaillement relativement simples.

Dans les modèles à deux paramètres, à l'exception de l'échelle de turbulence L, utilisez comme deuxième paramètre le taux de dissipation de l'énergie turbulente . Ces modèles sont le plus souvent utilisés dans la pratique informatique moderne et contiennent les équations de transfert d'énergie de turbulence et de dissipation d'énergie.

Un modèle bien connu comprend des équations pour le transfert d'énergie de turbulence k et le taux de dissipation de l'énergie turbulente ε. Des modèles comme " k- e" peut être utilisé à la fois pour les écoulements proches des parois et pour les écoulements séparés plus complexes.

Des modèles à deux paramètres sont utilisés dans les versions de Reynolds faible et élevé. Dans la première, le mécanisme d'interaction entre transport moléculaire et transport turbulent près d'une surface solide est pris en compte directement. Dans la version à haut Reynolds, le mécanisme de transport turbulent près d'une frontière solide est décrit par des fonctions spéciales près de la paroi qui relient les paramètres d'écoulement à la distance à la paroi.

À l'heure actuelle, les modèles SSG et Gibson-Launder, qui utilisent la relation non linéaire entre le tenseur de contrainte turbulente de Reynolds et le tenseur de vitesse de déformation moyenne, sont parmi les plus prometteurs. Ils ont été développés pour améliorer la prédiction des écoulements séparés. Étant donné que toutes les composantes du tenseur y sont calculées, elles nécessitent des ressources informatiques importantes par rapport aux modèles à deux paramètres.

Pour les écoulements séparés complexes, certains avantages ont été révélés par l'utilisation de modèles à un paramètre "n t-92", "S-A" en termes de précision de prédiction des paramètres d'écoulement et du taux de comptage par rapport aux modèles à deux paramètres.

Par exemple, le programme STAR-CD prévoit l'utilisation de modèles de type " k- e", Spalarta - Almaras, "SSG", "Gibson-Launder", ainsi que la méthode des grands tourbillons "LES", et la méthode "DES". Les deux dernières méthodes sont mieux adaptées pour calculer le mouvement de l'air dans des géométries complexes, où de nombreuses régions de vortex séparées se produiront, mais elles nécessitent de grandes ressources de calcul.

Les résultats des calculs dépendent fortement du choix de la grille de calcul. Actuellement, des programmes spéciaux sont utilisés pour construire des grilles. Les cellules de la grille peuvent avoir différentes formes et tailles, mieux adaptées pour résoudre un problème particulier. Le type de grille le plus simple, lorsque les cellules sont identiques et ont une forme cubique ou rectangulaire. Les programmes de calcul universels actuellement utilisés dans la pratique de l'ingénierie permettent de travailler sur des grilles non structurées arbitraires.

Pour effectuer des calculs de simulation numérique de problèmes de ventilation, il est nécessaire de définir les conditions aux limites et initiales, c'est-à-dire valeurs des variables dépendantes ou leurs gradients normaux aux frontières du domaine de calcul.

La tâche avec un degré de précision suffisant des caractéristiques géométriques de l'objet à l'étude. À ces fins, des packages tels que SolidWorks, Pro / Engeneer, NX Nastran peuvent être recommandés pour la construction de modèles en trois dimensions. Lors de la construction d'une grille de calcul, le nombre de cellules est choisi de manière à obtenir une solution fiable avec un temps de calcul minimum. Un des modèles semi-empiriques de turbulence doit être choisi, qui est le plus efficace pour l'écoulement considéré.

V conclusion nous ajoutons qu'une bonne compréhension du côté qualitatif des processus en cours est nécessaire pour formuler correctement les conditions aux limites du problème et évaluer la fiabilité des résultats. La modélisation des émissions de ventilation au stade de la conception des installations peut être considérée comme l'un des aspects de la modélisation de l'information visant à assurer la sécurité environnementale de l'installation.

Réviseurs :

• Volikov Anatoly Nikolaevich, docteur en sciences techniques, professeur au Département d'approvisionnement en chaleur et en gaz et en protection de l'air, FGBOU VPOU "SPbGASU", Saint-Pétersbourg.
• Polushkin Vitaly Ivanovich, docteur en sciences techniques, professeur, professeur au département de chauffage, ventilation et climatisation, FGBOU VPO "SPbGASU", Saint-Pétersbourg.

Lien bibliographique

Datsyuk T.A., Sauts A.V., Yurmanov B.N., Taurit V.R. MODÉLISATION DES PROCESSUS DE VENTILATION // Problèmes modernes de la science et de l'éducation. - 2012. - N° 5.;
URL : http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (date d'accès : 17/10/2019). Nous portons à votre connaissance les revues publiées par la maison d'édition "Academy of Natural History"

Dans cette section, nous décrivons les principaux éléments qui composent le système de contrôle, leur donnons une description technique et une description mathématique. Arrêtons-nous plus en détail sur le système développé de contrôle automatique de la température de l'air soufflé traversant le réchauffeur. Le produit principal de la formation étant la température de l'air, dans le cadre du projet de fin d'études, on peut négliger la construction de modèles mathématiques et la modélisation des processus de circulation et d'écoulement d'air. De plus, cette justification mathématique du fonctionnement de l'ACS PVV peut être négligée en raison des particularités de l'architecture des locaux - l'afflux d'air extérieur non préparé dans les ateliers et les entrepôts par les fentes et les interstices est important. C'est pourquoi, quel que soit le débit d'air, l'état de « manque d'oxygène » parmi les travailleurs de cet atelier est pratiquement impossible.

Ainsi, nous négligeons la construction d'un modèle thermodynamique de distribution d'air dans la pièce, ainsi que la description mathématique de l'ACS en termes de débit d'air, en raison de leur inopportunité. Arrêtons-nous plus en détail sur l'évolution de la température de soufflage ACS. En fait, ce système est un système de contrôle automatique de la position des volets de défense aérienne en fonction de la température de l'air soufflé. La régulation est une loi proportionnelle par la méthode des valeurs d'équilibrage.

Présentons les principaux éléments inclus dans l'ACS, nous donnerons leurs caractéristiques techniques, qui permettent d'identifier les particularités de leur contrôle. Lors du choix des équipements et des outils d'automatisation, nous sommes guidés par leurs passeports techniques et les calculs d'ingénierie précédents de l'ancien système, ainsi que les résultats des expériences et des tests.

Ventilateurs centrifuges d'alimentation et d'extraction

Un ventilateur centrifuge conventionnel est une roue avec des pales de travail situées dans un carter en spirale, au cours de la rotation de laquelle l'air entrant par l'entrée pénètre dans les canaux entre les pales et se déplace à travers ces canaux sous l'action de la force centrifuge, est collecté par la spirale boîtier et dirigé vers sa sortie. Le boîtier sert également à convertir la tête dynamique en tête statique. Pour augmenter la pression, un diffuseur est placé derrière le carter. Sur la fig. 4.1 montre une vue générale d'un ventilateur centrifuge.

Une roue centrifuge conventionnelle se compose de pales, d'un disque arrière, d'un moyeu et d'un disque avant. Un moyeu coulé ou tourné, destiné à emboîter la roue sur l'arbre, est riveté, vissé ou soudé sur le disque arrière. Les pales sont rivetées au disque. Les bords d'attaque des pales sont généralement fixés à l'anneau avant.

Les caissons spiralés sont en tôle d'acier et sont installés sur des supports indépendants, à proximité des ventilateurs batterie faible ils sont attachés aux lits.

Lorsque la roue tourne, une partie de l'énergie fournie au moteur est transférée à l'air. La pression développée par la roue dépend de la densité de l'air, Forme géométrique pales et vitesse circonférentielle aux extrémités des pales.

Les bords de sortie des pales des ventilateurs centrifuges peuvent être courbés vers l'avant, radiaux et courbés vers l'arrière. Jusqu'à récemment, les bords des pales étaient principalement courbés vers l'avant, ce qui permettait de réduire l'encombrement des ventilateurs. De nos jours, on trouve souvent des turbines à aubes incurvées vers l'arrière, car cela permet d'augmenter le rendement. ventilateur.

Riz. 4.1

Lors de l'inspection des ventilateurs, il convient de garder à l'esprit que les bords des pales de sortie (dans le sens de l'air) doivent toujours être pliés dans le sens opposé au sens de rotation de la roue pour garantir une entrée sans impact.

Les mêmes ventilateurs, lors du changement de vitesse de rotation, peuvent avoir une alimentation différente et développer des pressions différentes, en fonction non seulement des propriétés du ventilateur et de la vitesse de rotation, mais également des conduits d'air qui leur sont connectés.

Les caractéristiques du ventilateur expriment la relation entre les principaux paramètres de son fonctionnement. La caractéristique complète du ventilateur à vitesse d'arbre constante (n = const) s'exprime par les dépendances entre alimentation Q et pression P, puissance N et rendement Les dépendances P (Q), N (Q) et T (Q) sont généralement construit sur un seul graphique. Ils choisissent un ventilateur. La caractéristique est construite sur la base de tests. Sur la fig. 4.2 montre les caractéristiques aérodynamiques du ventilateur centrifuge VTS-4-76-16, qui est utilisé comme ventilateur d'alimentation sur le site de mise en œuvre

Riz. 4.2

La capacité du ventilateur est de 70 000 m3/h ou 19,4 m3/s. Vitesse de l'arbre du ventilateur - 720 tr/min. ou 75,36 rad/s, puissance d'entraînement moteur à induction le ventilateur est de 35 kW.

Le ventilateur souffle à l'extérieur air atmosphérique dans le radiateur. En raison de l'échange de chaleur entre l'air et eau chaude passé à travers les tubes de l'échangeur de chaleur, l'air qui passe est chauffé.

Considérez le schéma de régulation du mode de fonctionnement du ventilateur VTS-4-76 n ° 16. Sur la fig. 4.3 est donné schéma fonctionnel unité de ventilateur lors du contrôle de la vitesse.

Riz. 4.3

La fonction de transfert du ventilateur peut être représentée comme un facteur de gain, qui est déterminé en fonction des caractéristiques aérodynamiques du ventilateur (Fig. 4.2). Le facteur d'amplification du ventilateur au point de fonctionnement est de 1,819 m3/s (minimum possible, établi expérimentalement).

Riz. 4.4

expérimental Il a été établi que pour mettre en œuvre les modes de fonctionnement nécessaires du ventilateur, il est nécessaire de fournir les valeurs de tension suivantes au convertisseur de fréquence de contrôle (tableau 4.1):

Tableau 4.1 Modes de fonctionnement de la ventilation d'alimentation

Dans le même temps, afin d'augmenter la fiabilité du moteur électrique des ventilateurs des sections d'alimentation et d'échappement, il n'est pas nécessaire de régler leurs modes de fonctionnement avec des performances maximales. La tâche de l'étude expérimentale était de trouver de telles tensions de commande auxquelles les normes du taux d'échange d'air calculées ci-dessous seraient observées.

La ventilation par extraction est représentée par trois ventilateurs centrifuges VC-4-76-12 (capacité 28 000 m3/h à n=350 tr/min, puissance d'entraînement asynchrone N=19,5 kW) et VC-4-76-10 (capacité 20 000 m3/h à n=270 tr/min, puissance du variateur asynchrone N=12,5 kW). De même que pour l'alimentation de la branche d'échappement de la ventilation, les valeurs des tensions de commande ont été obtenues expérimentalement (tableau 4.2).

Pour éviter l'état de "manque d'oxygène" dans les ateliers de travail, nous calculons les taux de renouvellement d'air pour les modes de fonctionnement du ventilateur sélectionnés. Il doit satisfaire la condition :

Tableau 4.2 Modes de fonctionnement de la ventilation par aspiration

Dans le calcul, on néglige l'apport d'air venant de l'extérieur, ainsi que l'architecture du bâtiment (murs, plafonds).

Les dimensions des pièces pour la ventilation : 150x40x10 m, le volume total de la pièce est Vroom?60 000 m3. Le volume d'air soufflé requis est de 66 000 m3 / h (pour un coefficient de 1,1, il a été choisi comme minimum, car l'apport d'air extérieur n'est pas pris en compte). Évidemment, les modes de fonctionnement sélectionnés ventilateur d'alimentation satisfaire la condition donnée.

Le volume total d'air évacué est calculé à l'aide de la formule suivante

Pour calculer la branche d'échappement, les modes "d'extraction d'urgence" sont sélectionnés. En tenant compte du facteur de correction de 1,1 (puisque le mode de fonctionnement d'urgence est pris le moins possible), le volume d'air extrait sera égal à 67,76 m3 / h. Cette valeur satisfait la condition (4.2) dans les limites des erreurs tolérées et des réserves précédemment acceptées, ce qui signifie que les modes de fonctionnement du ventilateur sélectionnés feront face à la tâche d'assurer le taux de renouvellement d'air.

Les moteurs électriques des ventilateurs comportent également une protection intégrée contre la surchauffe (thermostat). Lorsque la température du moteur augmente, le contact du relais du thermostat arrête le moteur. Le capteur de pression différentielle enregistrera l'arrêt du moteur électrique et donnera un signal au panneau de commande. Il est nécessaire de prévoir la réponse de l'ACS du PVV à un arrêt d'urgence des moteurs de ventilateur.

Chers membres de la commission d'attestation, je présente à votre attention la remise des diplômes travail admissible, dont le but est de développer un système contrôle automatique ventilation forcée et aspirante des ateliers de production.

On sait que l'automatisation est l'un des facteurs les plus importants de la croissance de la productivité du travail dans la production industrielle, de la croissance de la qualité des produits et des services. L'expansion constante de la portée de l'automatisation est l'une des principales caractéristiques de l'industrie à ce stade. Le projet de fin d'études développé est l'une des idées d'hériter du concept en développement de construction de bâtiments «intelligents», c'est-à-dire d'objets dans lesquels les conditions de la vie humaine sont contrôlées par des moyens techniques.

Les principales tâches à résoudre dans la conception sont la modernisation du système de ventilation d'air existant sur le site de mise en œuvre - les ateliers de production de VOMZ OJSC - pour assurer son efficacité (économies d'énergie et de chaleur, réduction des coûts de maintenance du système, réduction des temps d'arrêt) , maintien d'un microclimat confortable et de la propreté de l'air dans les zones de travail, opérabilité et stabilité, fiabilité du système en mode d'urgence/critique.

Le problème considéré dans le projet de fin d'études est dû à l'obsolescence et à l'obsolescence technique (usure normale) du système de contrôle existant du PVV. Le principe distribué utilisé dans la construction de l'IPV exclut la possibilité d'un contrôle centralisé (lancement et surveillance de l'état). L'absence d'un algorithme clair de démarrage/arrêt du système rend également le système peu fiable en raison de erreur humaine, et l'absence de modes de fonctionnement d'urgence - instables par rapport aux tâches à résoudre.

La pertinence du problème de la conception des diplômes tient à croissance globale la morbidité des voies respiratoires et les rhumes des travailleurs, une baisse générale de la productivité du travail et de la qualité des produits dans ce domaine. Le développement d'un nouvel ACS PVV est directement lié à la politique qualité de l'usine (ISO 9000), ainsi qu'aux programmes de modernisation des équipements de l'usine et d'automatisation des systèmes de survie des ateliers.

L'élément de contrôle central du système est une armoire d'automatisation avec un microcontrôleur et des équipements, sélectionnés sur la base des résultats d'une étude marketing (poster 1). Les offres du marché sont nombreuses, mais le matériel sélectionné est au moins aussi bon que ses homologues. Un critère important était le coût, la consommation d'énergie et les performances de protection de l'équipement.

Le schéma fonctionnel de l'automatisation de l'IPV est présenté dans le dessin 1. L'approche centralisée a été choisie comme principale dans la conception de l'ACS, ce qui permet d'amener le système à la mise en œuvre de manière mobile, si nécessaire, selon une approche mixte. , ce qui implique la possibilité de dispatching et de communication avec d'autres réseaux industriels. L'approche centralisée est hautement évolutive, suffisamment flexible - toutes ces propriétés de qualité sont déterminées par le microcontrôleur sélectionné - WAGO I / O System, ainsi que par la mise en œuvre du programme de contrôle.

Lors de la conception, des éléments d'automatisation ont été sélectionnés - actionneurs, capteurs, le critère de sélection était la fonctionnalité, la stabilité de fonctionnement dans les modes critiques, la plage de mesure / contrôle du paramètre, les caractéristiques d'installation, la forme de sortie du signal, les modes de fonctionnement. Les principaux modèles mathématiques sont sélectionnés et le fonctionnement du système de contrôle de la température de l'air avec le contrôle de la position du registre de la vanne à trois voies est simulé. La simulation a été réalisée dans l'environnement VisSim.

Pour la régulation, la méthode "d'équilibrage du paramètre" dans le domaine des valeurs contrôlées a été choisie. La proportionnalité a été choisie comme loi de commande, car il n'y a pas d'exigences élevées pour la précision et la vitesse du système, et les plages de valeurs d'entrée/sortie sont petites. Les fonctions du contrôleur sont exécutées par l'un des ports du contrôleur conformément au programme de commande. Les résultats de simulation de ce bloc sont présentés dans le poster 2.

L'algorithme de fonctionnement du système est illustré sur le dessin 2. Le programme de contrôle mettant en œuvre cet algorithme est constitué de blocs fonctionnels, un bloc de constantes, des fonctions standard et spécialisées sont utilisées. La flexibilité et l'évolutivité du système sont assurées tant au niveau programmatique (utilisation des FB, constantes, étiquettes et transitions, compacité du programme dans la mémoire du contrôleur) que techniquement (utilisation économique des ports d'entrée/sortie, ports redondants).

Fournit par programmation des actions système en modes d'urgence (surchauffe, panne de ventilateur, hypothermie, colmatage du filtre, incendie). L'algorithme de fonctionnement du système en mode protection incendie est illustré au dessin 3. Cet algorithme tient compte des exigences des normes relatives au temps d'évacuation et aux mesures de sécurité incendie. En général, l'application de cet algorithme est efficace et prouvée par des tests. Le problème de la modernisation des hottes aspirantes en termes de sécurité incendie a également été résolu. Les solutions trouvées ont été considérées et acceptées comme recommandations.

La fiabilité du système conçu dépend entièrement de la fiabilité Logiciel et du contrôleur dans son ensemble. Le programme de contrôle développé a été soumis au processus de débogage, de tests manuels, structurels et fonctionnels. Seules les unités recommandées et certifiées ont été sélectionnées pour garantir la fiabilité et le respect de la garantie des équipements d'automatisation. La garantie constructeur de l'armoire d'automatisation sélectionnée, sous réserve du respect des obligations de garantie, est de 5 ans.

En outre, une structure généralisée du système a été développée, un cyclogramme d'horloge du fonctionnement du système a été construit, un tableau des connexions et des marquages ​​​​de câbles, un schéma d'installation ACS a été formé.

Les indicateurs économiques du projet, calculés par mes soins dans la partie organisationnelle et économique, figurent sur l'affiche n°3. La même affiche montre un diagramme à bandes du processus de conception. Les critères selon GOST RISO/IEC 926-93 ont été utilisés pour évaluer la qualité du programme de contrôle. L'évaluation de l'efficacité économique du développement a été réalisée à l'aide d'une analyse SWOT. Il est évident que le système conçu a un faible coût (structure de coûts - affiche 3) et des délais de récupération assez rapides (calculés à partir d'économies minimales). Ainsi, on peut conclure que le développement est très rentable.

De plus, les problèmes de protection du travail, de sécurité électrique et de respect de l'environnement du système ont été résolus. Le choix des câbles conducteurs, des filtres de conduits d'air est étayé.

Ainsi, à la suite de faire thèse un projet de modernisation a été développé qui est optimal par rapport à toutes les exigences fixées. Ce projet est recommandé pour une mise en œuvre conforme aux modalités de modernisation des équipements de l'usine.

Si la rentabilité et la qualité du projet sont confirmées par une période d'essai, il est prévu de mettre en œuvre le niveau répartiteur en utilisant le réseau local de l'entreprise, ainsi que de moderniser la ventilation du reste locaux industriels afin de les regrouper en un seul réseau industriel. En conséquence, ces étapes comprennent le développement d'un logiciel de répartiteur, la journalisation de l'état du système, les erreurs, les accidents (DB), l'organisation d'un poste de travail automatisé ou d'un poste de contrôle (CCP). Il est également possible de travailler sur les points faibles du système existant, comme la modernisation des unités de traitement, ainsi que le raffinement des vannes d'admission d'air avec un mécanisme de congélation.

annotation

Le projet de diplôme comprend une introduction, 8 chapitres, une conclusion, une liste de références, des applications et 141 pages de texte dactylographié avec illustrations.

La première section présente un état des lieux et une analyse du besoin de conception d'un système de contrôle automatique de la ventilation de soufflage et d'extraction (ACS PVV) des ateliers de production, une étude marketing des armoires d'automatisation. Sont envisagés schémas typiques ventilation et approches alternatives pour résoudre les problèmes de conception des diplômes.

Dans la deuxième section, une description est donnée du système existant de PVW à l'objet de la mise en œuvre - OAO VOMZ, en tant que processus technologique. Un schéma fonctionnel généralisé de l'automatisation du processus technologique de préparation de l'air est en cours de formation.

Dans la troisième section, une proposition technique étendue est formulée pour résoudre les problèmes de conception de la graduation.

La quatrième section est consacrée au développement des canons automoteurs. Des éléments d'automatisation et de contrôle sont sélectionnés, leurs descriptions techniques et mathématiques sont présentées. Un algorithme de contrôle de la température de l'air soufflé est décrit. Un modèle a été formé et une simulation du fonctionnement de l'ACS pour le maintien de la température de l'air dans la pièce a été réalisée. Câblage électrique sélectionné et justifié. Un cyclogramme d'horloge du fonctionnement du système a été construit.

La cinquième section contient les caractéristiques techniques du système d'E/S WAGO du contrôleur logique programmable (PLC). Les tableaux de raccordements des capteurs et actionneurs aux ports automate sont donnés incl. et virtuel.

La sixième section est consacrée au développement d'algorithmes de fonctionnement et à l'écriture d'un programme de commande d'automate. Le choix de l'environnement de programmation est justifié. Des algorithmes de blocs pour l'élaboration de situations d'urgence par le système, des algorithmes de blocs pour des blocs fonctionnels qui résolvent les problèmes de lancement, de contrôle et de régulation sont donnés. La section comprend les résultats des tests et du débogage du programme de contrôle PLC.

La septième section traite de la sécurité et du respect de l'environnement du projet. Une analyse des facteurs dangereux et nocifs lors du fonctionnement de l'ACS PVV est effectuée, une décision est prise sur la protection du travail et la garantie du respect de l'environnement du projet. La protection du système contre les situations d'urgence est en cours de développement, incl. renforcement du système en matière de protection incendie et assurer la stabilité de fonctionnement pendant situations d'urgence. Le schéma fonctionnel principal développé de l'automatisation avec spécification est présenté.

La huitième section est consacrée à la justification organisationnelle et économique du développement. Le calcul du coût, de l'efficacité et de la période de récupération du développement de la conception, incl. compte tenu du stade de mise en œuvre. Les étapes de développement du projet sont reflétées, l'intensité de travail des travaux est estimée. Une évaluation de l'efficacité économique du projet à l'aide d'une analyse SWOT du développement est donnée.

En conclusion, des conclusions sur le projet de fin d'études sont données.

introduction

L'automatisation est l'un des facteurs les plus importants de la croissance de la productivité du travail dans la production industrielle. Une condition continue pour accélérer le taux de croissance de l'automatisation est le développement de moyens techniques d'automatisation. Les moyens techniques d'automatisation comprennent tous les dispositifs inclus dans le système de contrôle et conçus pour recevoir des informations, les transmettre, les stocker et les convertir, ainsi que pour mettre en œuvre des actions de contrôle et de régulation sur l'objet technologique de contrôle.

Le développement de moyens technologiques d'automatisation est un processus complexe, qui repose sur les intérêts de la production de consommation automatisée, d'une part, et sur les capacités économiques des entreprises manufacturières, d'autre part. La principale incitation au développement est d'accroître l'efficacité de la production - les consommateurs, par l'introduction nouvelle technologie n'est possible que si les coûts sont rapidement récupérés. Par conséquent, le critère pour toutes les décisions sur le développement et la mise en œuvre de nouveaux outils devrait être l'effet économique total, en tenant compte de tous les coûts de développement, de production et de mise en œuvre. En conséquence, pour le développement, la fabrication doit être prise, tout d'abord, les options pour les moyens techniques qui fournissent l'effet total maximum.

L'expansion constante de la portée de l'automatisation est l'une des principales caractéristiques de l'industrie à ce stade.

Une attention particulière est portée aux problématiques d'écologie industrielle et de sécurité du travail en production. Lors de la conception technologie moderne, équipements et structures, il est nécessaire de justifier scientifiquement le développement de la sécurité et de l'innocuité du travail.

Au stade actuel de développement de l'économie nationale du pays, l'une des tâches principales est d'accroître l'efficacité de la production sociale sur la base du processus scientifique et technique et d'utiliser plus pleinement toutes les réserves. Cette tâche est inextricablement liée au problème de l'optimisation des solutions de conception, dont le but est de créer les conditions préalables nécessaires pour accroître l'efficacité des investissements en capital, réduire leurs délais de récupération et assurer la plus grande augmentation de la production par rouble dépensé. L'augmentation de la productivité du travail, la fabrication de produits de haute qualité, l'amélioration des conditions de travail et de repos des travailleurs sont assurées par des systèmes de ventilation qui créent le microclimat et la qualité de l'air nécessaires dans les locaux.

Le projet de diplôme a pour objet le développement d'un système de contrôle automatique de la ventilation de soufflage et d'extraction (ACS PVV) des ateliers de production.

Le problème considéré dans le projet de fin d'études est dû à l'usure du système d'équipement automatique du PVV de JSC "Vologda Optical and Mechanical Plant". De plus, le système est conçu distribué, ce qui élimine la possibilité d'une gestion et d'une surveillance centralisées. Le site de moulage par injection (catégorie B pour la sécurité incendie), ainsi que les locaux adjacents - le site des machines CNC, le bureau de planification et d'expédition, les entrepôts, ont été choisis comme objet de mise en œuvre.

Les tâches du projet de fin d'études sont formulées à la suite d'une étude de l'état actuel de l'ACS PVV et sur la base d'un examen analytique, sont données dans la section 3 "Proposition technique".

L'utilisation de la ventilation contrôlée ouvre de nouvelles possibilités pour résoudre les problèmes ci-dessus. Le système de contrôle automatique développé doit être optimal en termes d'exécution des fonctions désignées.

Comme indiqué plus haut, la pertinence du développement tient à la fois à l'obsolescence des canons automoteurs existants, à une augmentation du nombre travaux de réparation sur les "voies" de ventilation et l'augmentation générale de l'incidence des voies respiratoires et des rhumes des travailleurs, la tendance à se sentir moins bien pendant les longs travaux et, par conséquent, une baisse générale de la productivité du travail et de la qualité des produits. Il est important de noter le fait que le système de contrôle de tir existant n'est pas connecté à l'automatisme de tir, ce qui est inacceptable pour ce type de production. Le développement d'un nouvel ACS PVV est directement lié à la politique qualité de l'usine (ISO 9000), ainsi qu'aux programmes de modernisation des équipements de l'usine et d'automatisation des systèmes de survie des ateliers.

Le projet de fin d'études utilise les ressources Internet (forums, bibliothèques électroniques, articles et publications, portails électroniques), ainsi que la documentation technique du domaine requis et les textes des normes (GOST, SNIP, SanPiN). De plus, le développement d'ACS PVV est réalisé en tenant compte des propositions et des recommandations de spécialistes, sur la base des plans d'installation existants, des chemins de câbles, des systèmes de conduits d'air.

Il convient de noter que le problème soulevé dans le projet de fin d'études se produit dans presque toutes les anciennes usines du complexe militaro-industriel, le rééquipement des ateliers est l'une des tâches les plus importantes en termes de garantie de la qualité du produit pour le consommateur final. Ainsi, la conception du diplôme reflétera l'expérience accumulée dans la résolution de problèmes similaires dans des entreprises ayant un type de production similaire.

1. Examen analytique

1.1 Analyse générale la nécessité de concevoir ACS PVV

La source la plus importante d'économie de carburant et de ressources énergétiques consacrées à l'approvisionnement en chaleur des grands bâtiments industriels avec une consommation importante de chaleur et d'électricité est d'augmenter l'efficacité du système. ventilation d'alimentation et d'extraction(PVV) basé sur l'utilisation des réalisations modernes en matière de technologie informatique et de contrôle.

Habituellement, des outils d'automatisation locaux sont utilisés pour contrôler le système de ventilation. Le principal inconvénient d'une telle régulation est qu'elle ne tient pas compte du bilan aéraulique et thermique réel du bâtiment et des conditions météorologiques réelles : température de l'air extérieur, vitesse et direction du vent, pression atmosphérique.

Par conséquent, sous l'influence de l'automatisation locale, le système de ventilation de l'air ne fonctionne généralement pas en mode optimal.

L'efficacité du système de ventilation d'alimentation et d'extraction peut être considérablement augmentée si les systèmes sont contrôlés de manière optimale sur la base de l'utilisation d'un ensemble d'outils matériels et logiciels appropriés.

Formation régime thermique peut être représenté comme une interaction de facteurs perturbateurs et régulateurs. Pour déterminer l'action de contrôle, des informations sont nécessaires sur les propriétés et le nombre de paramètres d'entrée et de sortie et les conditions pour que le processus de transfert de chaleur se déroule. Étant donné que le but du contrôle des équipements de ventilation est d'assurer les conditions d'air requises dans la zone de travail des bâtiments avec des coûts énergétiques et matériels minimaux, il sera alors possible, à l'aide d'un ordinateur, de trouver la meilleure option et de développer des actions de contrôle appropriées sur ce système. En conséquence, un ordinateur avec un ensemble matériel et logiciel approprié forme un système de contrôle automatisé du régime thermique des locaux du bâtiment (ACS TRP). Dans le même temps, il convient également de noter que sous l'ordinateur, on peut comprendre à la fois le panneau de commande de l'EEW et le panneau de commande pour surveiller l'état de l'EEW, ainsi que l'ordinateur le plus simple avec le programme de simulation pour l'ACS de l'EEW, le traitement des résultats et le contrôle opérationnel en fonction de ceux-ci.

Un système de contrôle automatique est une combinaison d'un objet de contrôle (un processus technologique contrôlé) et de dispositifs de contrôle, dont l'interaction assure le déroulement automatique du processus conformément à un programme donné. Dans ce cas, le processus technologique est compris comme une séquence d'opérations qui doivent être effectuées afin d'obtenir un produit fini à partir de la matière première. Dans le cas du PVV, le produit fini est l'air de la pièce desservie avec des paramètres spécifiés (température, composition du gaz, etc.), et la matière première est l'air extérieur et extrait, les caloporteurs, l'électricité, etc.

La base du fonctionnement de l'ACS PVV, comme tout système de contrôle, doit être basée Rétroaction(OS) : développement d'actions de contrôle basées sur des informations sur l'objet obtenues à l'aide de capteurs installés ou répartis sur l'objet.

Chaque ACS spécifique est développé sur la base d'une technologie donnée de traitement du flux d'air aspiré. Souvent, le système de ventilation d'alimentation et d'extraction est associé à un système de climatisation (préparation), ce qui se reflète également dans la conception de l'automatisation du contrôle.

Lors de l'utilisation d'appareils autonomes ou complets installations technologiques Les ACS de traitement de l'air sont fournis déjà intégrés à l'équipement et déjà incorporés avec certaines fonctions de contrôle, qui sont généralement décrites en détail dans la documentation technique. Dans ce cas, le réglage, la maintenance et le fonctionnement de ces systèmes de contrôle doivent être effectués en stricte conformité avec la documentation spécifiée.

Analyse solutions techniques du PVV moderne des principales entreprises - les fabricants d'équipements de ventilation a montré que les fonctions de contrôle peuvent être divisées en deux catégories :

Fonctions de contrôle déterminées par la technologie et l'équipement de traitement de l'air ;

Les fonctions annexes, qui sont pour la plupart des fonctions de service, sont présentées comme des savoir-faire des entreprises et ne sont pas considérées ici.

De manière générale, les principales fonctions technologiques du contrôle de l'équipement de traitement de l'air peuvent être divisées dans les groupes suivants (Fig. 1.1)

Riz. 1.1 - Les principales fonctions technologiques du contrôle du PVV

Décrivons ce que l'on entend par les fonctions PWV illustrées à la Fig. 1.1.

1.1.1 Fonction « Surveillance et enregistrement des paramètres »

Conformément au SNiP 2.04.05-91, les paramètres de contrôle obligatoires sont :

Température et pression dans les conduites communes d'alimentation et de retour et à la sortie de chaque échangeur de chaleur ;

La température de l'air extérieur, de l'air soufflé après l'échangeur de chaleur, ainsi que la température dans la pièce ;

Normes MPC pour les substances nocives dans l'air évacué de la pièce (présence de gaz, de produits de combustion, de poussières non toxiques).

Les autres paramètres des systèmes de ventilation d'alimentation et d'extraction sont contrôlés à la demande Caractéristiques l'équipement ou les conditions de fonctionnement.

La télécommande est prévue pour mesurer les principaux paramètres du processus technologique ou les paramètres impliqués dans la mise en œuvre d'autres fonctions de contrôle. Un tel contrôle est effectué à l'aide de capteurs et de transducteurs de mesure avec la sortie (si nécessaire) des paramètres mesurés sur l'indicateur ou l'écran du dispositif de contrôle (panneau de commande, écran d'ordinateur).

Pour mesurer d'autres paramètres, des instruments locaux (portables ou fixes) sont généralement utilisés - thermomètres indicateurs, manomètres, appareils d'analyse spectrale de la composition de l'air, etc.

L'utilisation de dispositifs de contrôle locaux ne viole pas le principe de base des systèmes de contrôle - le principe de rétroaction. Dans ce cas, il est mis en oeuvre soit à l'aide d'une personne (opérateur ou personnel de maintenance), soit à l'aide d'un programme de commande "câblé" dans la mémoire du microprocesseur.

1.1.2 Fonction "commande opérationnelle et de programme"

Il est également important d'implémenter une option telle que "séquence de démarrage". Pour garantir le démarrage normal du système PVV, il convient de prendre en compte les éléments suivants :

Ouverture préliminaire des volets d'air avant le démarrage des ventilateurs. Cela est dû au fait que tous les registres à l'état fermé ne peuvent pas supporter la différence de pression créée par le ventilateur, et le temps d'ouverture complète du registre par l'entraînement électrique atteint deux minutes.

Séparation des instants de démarrage des moteurs électriques. Moteurs asynchrones peuvent souvent avoir de grands courants de démarrage. Si les ventilateurs, les entraînements de volets d'air et d'autres entraînements sont démarrés en même temps, en raison de la forte charge sur le réseau électrique du bâtiment, la tension chutera considérablement et les moteurs électriques risquent de ne pas démarrer. De ce fait, le démarrage des moteurs électriques, notamment de forte puissance, doit être étalé dans le temps.

Préchauffage du radiateur. Si le chauffe-eau n'est pas préchauffé, la protection antigel peut être activée à des températures extérieures basses. Par conséquent, lors du démarrage du système, il est nécessaire d'ouvrir les volets d'air soufflé, d'ouvrir vanne à trois voies chauffe-eau et réchauffer le chauffe-eau. En règle générale, cette fonction est activée lorsque la température extérieure est inférieure à 12 °C.

L'option inverse est la « séquence d'arrêt ». Lors de l'arrêt du système, considérez :

Temporisation d'arrêt du ventilateur d'air soufflé dans les unités avec batterie électrique. Après avoir coupé la tension du chauffage électrique, il doit être refroidi pendant un certain temps sans éteindre le ventilateur d'air soufflé. Sinon, l'élément chauffant du réchauffeur d'air (réchauffeur électrique thermique - élément chauffant) peut tomber en panne. Pour les tâches existantes de conception de diplômes, cette option n'est pas importante en raison de l'utilisation d'un chauffe-eau, mais il est également important de le noter.

Ainsi, sur la base des options sélectionnées pour le contrôle opérationnel et de programme, il est possible de présenter un horaire typique pour allumer et éteindre les dispositifs des appareils de traitement d'air.

Riz. 1.2 - Cyclogramme type de fonctionnement ACS PVV avec un chauffe-eau

Tout ce cycle (Fig. 1.2), le système doit fonctionner automatiquement et, en outre, un démarrage individuel de l'équipement, nécessaire lors du réglage et de la maintenance préventive, doit être prévu.

Les fonctions de contrôle des programmes, telles que le changement du mode hiver-été, sont tout aussi importantes. La mise en œuvre de ces fonctions est particulièrement pertinente dans conditions modernes pénurie de ressources énergétiques. Dans les documents réglementaires, l'exécution de cette fonction est de nature consultative - "pour les bâtiments publics, administratifs, résidentiels et industriels, en règle générale, une régulation programmatique des paramètres doit être prévue, garantissant une réduction de la consommation de chaleur".

Dans le cas le plus simple, ces fonctions fournissent soit un arrêt général du climatiseur à un certain moment, soit une diminution (augmentation) de la valeur de consigne d'un paramètre contrôlé (par exemple, la température) en fonction des changements de charges thermiques dans le chambre desservie.

Plus efficace, mais aussi plus difficile à mettre en œuvre, est le contrôle logiciel, qui prévoit un changement automatique de la structure du système de climatisation et de l'algorithme pour son fonctionnement non seulement en mode traditionnel "hiver-été", mais également en transition modes. L'analyse et la synthèse de la structure de l'EWP et de l'algorithme de son fonctionnement sont généralement réalisées sur la base de leur modèle thermodynamique.

Dans ce cas, le principal critère de motivation et d'optimisation est, en règle générale, le désir d'assurer, éventuellement, la consommation d'énergie minimale avec des restrictions sur les coûts d'investissement, les dimensions, etc.

1.1.3 Fonction " fonctions de protection et serrures"

Les fonctions de protection et les verrouillages communs aux automatismes et aux équipements électriques (protection contre les courts-circuits, les surchauffes, les restrictions de mouvement, etc.) sont définis par des arrêtés interministériels. documents normatifs. Ces fonctions sont généralement mises en œuvre par des dispositifs séparés (fusibles, dispositifs différentiels différentiels, interrupteurs de fin de course, etc.). Leur utilisation est réglementée par les règles d'installation électrique (PUE), les règles de sécurité incendie (PPB).

Protection contre le gel. La fonction de protection antigel automatique doit être prévue dans les zones où la température extérieure calculée pour la période froide est inférieure ou égale à moins 5 ° C. Les échangeurs de chaleur du premier chauffage (chauffe-eau) et les récupérateurs (le cas échéant) font l'objet d'une protection.

Habituellement, la protection antigel des échangeurs de chaleur est réalisée sur la base de capteurs ou de capteurs-relais de la température de l'air en aval de l'appareil et de la température du caloporteur dans la canalisation de retour.

Le danger de gel est prédit par la température de l'air devant l'appareil (tí<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.

En dehors des heures de travail, pour les installations avec protection antigel, la vanne doit rester légèrement ouverte (5-25 %) avec le volet d'air extérieur fermé. Pour une plus grande fiabilité de la protection lorsque le système est éteint, la fonction de régulation automatique (stabilisation) de la température de l'eau dans la canalisation de retour est parfois mise en œuvre.

1.1.4 Fonction "protection des équipements technologiques et des équipements électriques"

1. Contrôle de la contamination du filtre

Le contrôle du colmatage du filtre est évalué par la chute de pression à travers le filtre, qui est mesurée par un capteur de pression différentielle. Le capteur mesure la différence de pression d'air avant et après le filtre. La chute de pression admissible à travers le filtre est indiquée dans son passeport (pour les manomètres présentés sur les routes aériennes d'usine, selon la fiche technique - 150-300 Pa). Cette différence est réglée lors de la mise en service du système sur le capteur différentiel (réglage du capteur). Lorsque le point de consigne est atteint, le capteur envoie un signal sur la poussière maximale du filtre et la nécessité de son entretien ou de son remplacement. Si le filtre n'est pas nettoyé ou remplacé dans un certain délai (généralement 24 heures) après l'émission du signal de limite de poussière, il est recommandé de prévoir un arrêt d'urgence du système.

Il est recommandé d'installer des capteurs similaires sur les ventilateurs. Si le ventilateur ou la courroie d'entraînement du ventilateur tombe en panne, le système doit être arrêté en mode d'urgence. Cependant, de tels capteurs sont souvent négligés pour des raisons d'économie, ce qui complique considérablement le diagnostic et le dépannage du système à l'avenir.

2. Autres serrures automatiques

De plus, des serrures automatiques doivent être prévues pour :

Ouverture et fermeture des vannes d'air extérieur lorsque les ventilateurs sont allumés et éteints (registre);

Vannes d'ouverture et de fermeture des systèmes de ventilation reliés par des conduits d'air pour une interchangeabilité totale ou partielle en cas de défaillance de l'un des systèmes ;

Fermeture des vannes des systèmes de ventilation des locaux protégés par des installations d'extinction d'incendie à gaz lorsque les ventilateurs des systèmes de ventilation de ces locaux sont éteints ;

Assurer le débit minimum d'air extérieur dans les systèmes à débit variable, etc.

1.1.5 Fonctions de contrôle

Les fonctions de régulation - maintien automatique des paramètres réglés sont par définition les principales pour les systèmes de ventilation soufflage et reprise fonctionnant à débit variable, recirculation d'air, chauffage de l'air.

Ces fonctions sont réalisées à l'aide de boucles de contrôle fermées, dans lesquelles le principe de rétroaction est présent sous une forme explicite : les informations sur l'objet provenant des capteurs sont converties par les dispositifs de contrôle en actions de contrôle. Sur la fig. 1.3 montre un exemple de boucle de régulation de la température de l'air soufflé dans un climatiseur gainable. La température de l'air est maintenue par un chauffe-eau à travers lequel passe le liquide de refroidissement. L'air traversant le radiateur s'échauffe. La température de l'air après le chauffe-eau est mesurée par un capteur (T), puis sa valeur est transmise au dispositif de comparaison (US) de la valeur de température mesurée et de la température de consigne. En fonction de la différence entre la température de consigne (Tset) et la valeur de température mesurée (Tmeas), le dispositif de commande (P) génère un signal qui agit sur l'actionneur (M - entraînement électrique de la vanne à trois voies). L'actionneur ouvre ou ferme la vanne à trois voies jusqu'à une position où l'erreur est :

e \u003d Tust - Tism

sera minime.

Riz. 1.3 - Circuit de contrôle de la température de l'air soufflé dans le conduit d'air avec un échangeur à eau : T - capteur ; États-Unis - appareil de comparaison ; P - dispositif de contrôle ; M - dispositif exécutif

Ainsi, la construction d'un système de contrôle automatique (ACS) basé sur les exigences de précision et d'autres paramètres de son fonctionnement (stabilité, oscillation, etc.) est réduite au choix de sa structure et de ses éléments, ainsi qu'à la détermination de les paramètres du contrôleur. Habituellement, cela est fait par des spécialistes de l'automatisation utilisant la théorie classique du contrôle. Je noterai seulement que les paramètres du contrôleur sont déterminés par les propriétés dynamiques de l'objet de contrôle et la loi de contrôle choisie. La loi de régulation est la relation entre les signaux d'entrée (?) et de sortie (Ur) du régulateur.

La plus simple est la loi proportionnelle de régulation, dans laquelle ? et Ur sont reliés entre eux par un coefficient constant Kp. Ce coefficient est le paramètre de réglage d'un tel régulateur, appelé régulateur P. Sa mise en œuvre nécessite l'utilisation d'un élément amplificateur réglable (mécanique, pneumatique, électrique, etc.), qui peut fonctionner avec et sans source d'énergie supplémentaire.

Une des variétés de régulateurs P sont les régulateurs de position qui mettent en œuvre une loi de commande proportionnelle à Kp et forment un signal de sortie Ur ayant un certain nombre de valeurs constantes, par exemple deux ou trois, correspondant à des régulateurs à deux ou trois positions. De tels contrôleurs sont parfois appelés contrôleurs de relais en raison de la similitude de leurs caractéristiques graphiques avec celles d'un relais. Le paramètre de réglage de ces régulateurs est la valeur de la zone morte De.

Dans la technologie d'automatisation des systèmes de ventilation, les contrôleurs marche-arrêt, en raison de leur simplicité et de leur fiabilité, ont trouvé une large application dans le contrôle de la température (thermostats), de la pression (pressostats) et d'autres paramètres de l'état du processus.

Les régulateurs à deux positions sont également utilisés dans les systèmes de protection automatique, de blocage et de commutation des modes de fonctionnement des équipements. Dans ce cas, leurs fonctions sont assurées par des capteurs-relais.

Malgré ces avantages des P-régulateurs, ils présentent une grande erreur statique (pour les petites valeurs de Kp) et une tendance à l'auto-oscillation (pour les grandes valeurs de Kp). Par conséquent, avec des exigences plus élevées pour les fonctions de régulation des systèmes d'automatisation en termes de précision et de stabilité, des lois de commande plus complexes sont également utilisées, par exemple, les lois PI et PID.

De plus, la régulation de la température de chauffage de l'air peut être effectuée par un régulateur P, qui fonctionne selon le principe d'équilibrage : augmenter la température lorsque sa valeur est inférieure à la valeur de consigne, et inversement. Cette interprétation de la loi a également trouvé une application dans les systèmes qui ne nécessitent pas une grande précision.

1.2 Analyse des schémas types existants de ventilation automatique des ateliers de production

Il existe un certain nombre d'implémentations standard de l'automatisation du système de ventilation d'alimentation et d'extraction, chacune présentant un certain nombre d'avantages et d'inconvénients. Je constate que malgré la présence de nombreux schémas et développements standards, il est très difficile de créer un tel ACS qui soit flexible en termes de paramétrages par rapport à la production où il est mis en œuvre. Ainsi, pour la conception de l'ACS pour l'alimentation en air et en gaz, une analyse approfondie de la structure de ventilation existante, une analyse des processus technologiques du cycle de production, ainsi qu'une analyse des exigences en matière de protection du travail, d'écologie, d'électricité et d'incendie sécurité sont nécessaires. De plus, les ACS PVV souvent conçus sont spécialisés par rapport à leur domaine d'application.

Dans tous les cas, les groupes suivants sont généralement considérés comme des données initiales typiques au stade de la conception initiale :

1. Données générales : localisation territoriale de l'objet (ville, quartier) ; le type et le but de l'objet.

2. Informations sur le bâtiment et les locaux : plans et coupes indiquant toutes les cotes et élévations par rapport au niveau du sol ; indication des catégories de locaux (sur plans d'architecture) conformément aux normes de sécurité incendie ; disponibilité des zones techniques avec indication de leurs dimensions ; emplacement et caractéristiques des systèmes de ventilation existants ; caractéristiques des vecteurs énergétiques;

3. Informations sur le processus technologique: dessins du projet technologique (plans) indiquant l'emplacement des équipements technologiques; spécification des équipements avec indication des capacités installées ; les caractéristiques du régime technologique -- le nombre de postes de travail, le nombre moyen de travailleurs par poste; mode de fonctionnement des équipements (simultanéité de fonctionnement, facteurs de charge, etc.) ; la quantité d'émissions nocives dans l'air (MAC de substances nocives).

En tant que données initiales pour le calcul de l'automatisation du système PVV, ils prennent:

La performance du système existant (puissance, renouvellement d'air);

Liste des paramètres de l'air à régler ;

Limites de la réglementation ;

Le fonctionnement de l'automatisation lors de la réception de signaux provenant d'autres systèmes.

Ainsi, l'exécution du système d'automatisation est conçue en fonction des tâches qui lui sont assignées, en tenant compte des normes et des règles, ainsi que des données et schémas initiaux généraux. L'élaboration du schéma et la sélection des équipements pour le système d'automatisation de la ventilation sont effectuées individuellement.

Présentons les schémas standard existants des systèmes de contrôle de la ventilation d'alimentation et d'extraction, nous en caractériserons certains en ce qui concerne la possibilité de les utiliser pour résoudre les problèmes du projet de graduation (Fig. 1.4 - 1.5, 1.9).

Riz. 1.4 - Ventilation directe ACS

Ces systèmes d'automatisation ont trouvé une utilisation active dans les usines, les usines, les immeubles de bureaux. L'objet de contrôle est ici l'armoire d'automatisme (tableau de commande), les organes de fixation sont des capteurs de voie, l'action de contrôle se fait sur les moteurs des moteurs de ventilateurs, moteurs de volets. Il y a aussi un ATS de chauffage/refroidissement. Pour l'avenir, on peut noter que le système illustré à la Fig. 1.4a est un prototype du système qui doit être utilisé dans la section de moulage par injection de l'usine optique et mécanique OAO Vologda. Le refroidissement de l'air dans les locaux industriels est inefficace en raison du volume de ces locaux, et le chauffage est une condition préalable au bon fonctionnement du système de contrôle automatique des équipements de traitement d'air.

Riz. 1.5- Ventilation ACS avec échangeurs

La construction d'un système de contrôle automatique pour PVV utilisant des unités de récupération de chaleur (récupérateurs) permet de résoudre les problèmes de consommation excessive d'électricité (pour les radiateurs électriques), les problèmes d'émissions dans l'environnement. Le sens de la récupération est que l'air qui est irrévocablement retiré de la pièce, ayant une température définie dans la pièce, échange de l'énergie avec l'air extérieur entrant, dont les paramètres, en règle générale, diffèrent considérablement de ceux définis. Celles. en hiver, l'air extrait chaud évacué chauffe partiellement l'air soufflé extérieur, tandis qu'en été, l'air extrait plus frais refroidit partiellement l'air soufflé. Dans le meilleur des cas, la récupération peut réduire de 80 % la consommation d'énergie pour le traitement de l'air soufflé.

Techniquement, la récupération dans la ventilation d'alimentation et d'extraction est réalisée à l'aide d'échangeurs de chaleur rotatifs et de systèmes avec un caloporteur intermédiaire. Ainsi, on obtient un gain à la fois en réchauffant l'air et en réduisant l'ouverture des volets (plus de temps mort des moteurs contrôlant les volets est autorisé) - tout cela donne un gain global en termes d'économie d'électricité.

Les systèmes de récupération de chaleur sont prometteurs et actifs et sont introduits pour remplacer les anciens systèmes de ventilation. Cependant, il convient de noter que de tels systèmes coûtent des investissements en capital supplémentaires, cependant, leur période de récupération est relativement courte, tandis que la rentabilité est très élevée. Aussi, l'absence de rejet constant dans l'environnement augmente les performances environnementales d'une telle organisation d'équipements automatiques. Le fonctionnement simplifié du système avec récupération de la chaleur de l'air (recirculation de l'air) est illustré à la Fig. 1.6.

Riz. 1.6 - Fonctionnement du système d'échange d'air avec recirculation (récupération)

Les échangeurs de chaleur à flux croisés ou à plaques (Fig. 1.5 c, d) sont constitués de plaques (aluminium), représentant un système de canaux pour le flux de deux flux d'air. Les parois des conduits sont communes pour l'air soufflé et l'air extrait et sont faciles à transférer. En raison de la grande surface d'échange et du flux d'air turbulent dans les canaux, un degré élevé de récupération de chaleur (transfert de chaleur) est atteint avec une résistance hydraulique relativement faible. L'efficacité des échangeurs de chaleur à plaques atteint 70%.

Riz. 1.7 - Organisation du renouvellement d'air des ACS PVV à base d'échangeurs à plaques

Seule la chaleur sensible de l'air extrait est utilisée, car L'air d'alimentation et d'évacuation ne se mélangent en aucune façon et le condensat formé lors du refroidissement de l'air d'évacuation est retenu par le séparateur et évacué par le système de drainage du bac de récupération. Pour éviter le gel du condensat à basse température (jusqu'à -15°C), les exigences correspondantes pour l'automatisation sont formées : elle doit assurer l'arrêt périodique du ventilateur de soufflage ou l'évacuation d'une partie de l'air extérieur dans le canal de dérivation en contournant la chaleur canaux de l'échangeur. La seule limitation dans l'application de cette méthode est le croisement obligatoire des branches d'alimentation et d'échappement en un seul endroit, ce qui dans le cas d'une simple modernisation de l'ACS impose un certain nombre de difficultés.

Les systèmes de récupération avec un liquide de refroidissement intermédiaire (Fig. 1.5 a, b) sont une paire d'échangeurs de chaleur reliés par une canalisation fermée. Un échangeur de chaleur est situé dans le conduit d'évacuation et l'autre dans le conduit d'alimentation. Un mélange de glycol non congelé circule en circuit fermé, transférant la chaleur d'un échangeur à un autre, et dans ce cas, la distance entre la centrale de traitement d'air et l'unité d'extraction peut être très importante.

L'efficacité de la récupération de chaleur avec cette méthode ne dépasse pas 60%. Le coût est relativement élevé, mais dans certains cas, cela peut être la seule option de récupération de chaleur.

Riz. 1.8 - Le principe de récupération de chaleur par caloporteur intermédiaire

Échangeur de chaleur rotatif (échangeur de chaleur rotatif, récupérateur) - est un rotor avec des canaux pour le passage d'air horizontal. Une partie du rotor est située dans le conduit d'échappement et une autre dans le conduit d'alimentation. En tournant, le rotor reçoit la chaleur de l'air évacué et la transfère à l'air soufflé, et la chaleur sensible et latente, ainsi que l'humidité, sont transférées. L'efficacité de la récupération de chaleur est maximale et atteint 80 %.

Riz. 1.9 - ACS PVV avec échangeur rotatif

La limitation de l'utilisation de cette méthode est imposée principalement par le fait que jusqu'à 10% de l'air extrait est mélangé à l'air soufflé, et dans certains cas, cela est inacceptable ou indésirable (si l'air a un niveau de pollution important) . Les exigences de conception sont similaires à celles de la version précédente - les machines d'échappement et d'alimentation sont situées au même endroit. Cette méthode est plus chère que la première et est rarement utilisée.

En général, les systèmes avec récupération sont de 40 à 60 % plus chers que les systèmes similaires sans récupération, cependant, les coûts d'exploitation diffèrent considérablement. Même aux prix de l'énergie d'aujourd'hui, la période de récupération d'un système de récupération ne dépasse pas deux saisons de chauffage.

Je tiens à souligner que les économies d'énergie sont également affectées par les algorithmes de contrôle. Cependant, il faut toujours tenir compte du fait que tous les systèmes de ventilation sont conçus pour certaines conditions moyennes. Par exemple, le débit d'air extérieur a été déterminé pour un nombre de personnes, mais en réalité la pièce peut être inférieure à 20% de la valeur acceptée, bien entendu, dans ce cas, le débit d'air extérieur calculé sera nettement excessif, une ventilation en mode excessif entraînera une perte déraisonnable de ressources énergétiques. Il est logique dans ce cas de considérer plusieurs modes de fonctionnement, par exemple hiver/été. Si l'automatisation est capable de définir de tels modes, les économies sont évidentes. Une autre approche est liée à la régulation du débit d'air extérieur en fonction de la qualité de l'environnement gazeux à l'intérieur de la pièce, c'est-à-dire le système d'automatisation comprend des analyseurs de gaz pour les gaz nocifs et sélectionne la valeur du débit d'air extérieur de sorte que la teneur en gaz nocifs ne dépasse pas les valeurs maximales autorisées.

1.3 Recherche marketing

Actuellement, tous les principaux fabricants mondiaux d'équipements de ventilation sont largement représentés sur le marché de l'automatisation de la ventilation d'alimentation et d'extraction, et chacun d'eux est spécialisé dans la production d'équipements dans un segment particulier. L'ensemble du marché des équipements de ventilation peut être divisé dans les domaines d'application suivants :

Usages domestiques et semi-industriels ;

Usage industriel ;

Matériel de ventilation à usage "spécial".

Étant donné que le projet de fin d'études considère la conception de l'automatisation des systèmes d'alimentation et d'évacuation des locaux industriels, afin de comparer le développement proposé avec ceux disponibles sur le marché, il est nécessaire de sélectionner des packages d'automatisation existants similaires auprès de fabricants renommés.

Les résultats de l'étude marketing des packages ACS PVV existants sont présentés en annexe A.

Ainsi, à la suite de la recherche marketing, plusieurs des PVV ACS les plus couramment utilisés de différents fabricants ont été pris en compte, en étudiant leur documentation technique, les informations suivantes ont été obtenues :

La composition du package ACS PVV correspondant ;

Registre des paramètres de contrôle (pression dans les conduits d'air, température, propreté, humidité de l'air);

La marque de l'automate programmable et de ses équipements (logiciel, système de commande, principes de programmation) ;

Disponibilité des connexions avec d'autres systèmes (la communication avec les automatismes d'incendie est-elle fournie, existe-t-il un support pour les protocoles de réseau local );

Conception de protection (sécurité électrique, sécurité incendie, protection contre la poussière, immunité au bruit, protection contre l'humidité).

2. Description du réseau de ventilation de l'atelier de production en tant qu'objet de contrôle automatique

En général, sur la base des résultats de l'analyse des approches existantes d'automatisation des systèmes de ventilation et de préparation de l'air, ainsi que du résultat des examens analytiques des schémas typiques, on peut conclure que les tâches envisagées dans le projet de fin d'études sont pertinentes au niveau l'heure actuelle, activement réfléchie et étudiée par des bureaux d'études spécialisés (SKB).

Je note qu'il existe trois approches principales pour la mise en œuvre de l'automatisation du système de ventilation:

Approche distribuée: la mise en œuvre de l'automatisation du PVV sur la base d'un équipement de commutation local, chaque ventilateur est contrôlé par l'appareil correspondant.

Cette approche est utilisée pour concevoir l'automatisation de systèmes de ventilation relativement petits dans lesquels aucune extension supplémentaire n'est prévue. Il est le plus âgé. Les avantages de l'approche incluent par exemple le fait qu'en cas d'accident sur l'une des branches de ventilation contrôlée, le système effectue un arrêt d'urgence de ce seul lien/tronçon. De plus, cette approche est relativement simple à mettre en œuvre, ne nécessite pas d'algorithmes de contrôle complexes et simplifie la maintenance des dispositifs du système de ventilation.

Approche centralisée : la mise en œuvre du système de ventilation automatique basé sur un groupe de contrôleurs logiques ou un contrôleur logique programmable (PLC), l'ensemble du système de ventilation est contrôlé de manière centralisée conformément aux données programmées.

L'approche centralisée est plus fiable que l'approche distribuée. Toute la gestion de VVV est rigide, réalisée sur la base du programme. Cette circonstance impose des exigences supplémentaires à la fois sur l'écriture du code de programme (il est nécessaire de prendre en compte de nombreuses conditions, y compris les actions dans les situations d'urgence), et sur la protection spéciale de l'automate de contrôle. Cette approche a trouvé une application pour les petits complexes administratifs et industriels. Il se distingue par la souplesse des paramétrages, la capacité à faire évoluer le système dans des limites raisonnables, ainsi que la possibilité d'une intégration mobile du système selon un principe d'organisation mixte ;

Approche mixte : utilisée dans la conception de grands systèmes (un grand nombre d'équipements contrôlés avec d'énormes performances), est une combinaison d'une approche distribuée et centralisée. Dans le cas général, cette approche suppose une hiérarchie de niveaux dirigée par un ordinateur de contrôle et des "micro-ordinateurs" esclaves, formant ainsi un réseau global de production de contrôle par rapport à l'entreprise. En d'autres termes, cette approche est une approche centralisée distribuée avec répartition du système.

En termes de tâche à résoudre dans la conception de la graduation, la plus préférable est une approche centralisée de la mise en œuvre de l'automatisation du PVV. Le système étant en cours de développement pour de petits locaux industriels, il est possible d'utiliser cette approche pour d'autres objets en vue de leur intégration ultérieure dans un seul ACS de l'IPV.

Souvent, les armoires de commande de ventilation sont équipées d'une interface qui permet de surveiller l'état du système de ventilation avec des informations affichées sur un écran d'ordinateur. Cependant, il convient de noter que cette mise en œuvre nécessite des complications supplémentaires du programme de contrôle, la formation d'un spécialiste qui surveille l'état et prend des décisions opérationnelles sur la base des données obtenues visuellement à partir de l'enquête du capteur. De plus, il y a toujours un facteur d'erreur humaine dans les situations d'urgence. Par conséquent, la mise en œuvre de cette condition est plutôt une option supplémentaire à la conception du package d'automatisation PVV.

2.1 Description du système de contrôle automatique existant pour la ventilation d'alimentation et d'extraction des ateliers de production

Pour assurer le principe de base de la ventilation des ateliers de production, qui consiste à maintenir les paramètres et la composition de l'air dans des limites acceptables, il est nécessaire de fournir de l'air pur aux endroits où se trouvent les travailleurs, suivi d'une distribution d'air dans toute la pièce.

Ci-dessous dans la fig. 2.1 montre une illustration d'un système de ventilation d'alimentation et d'évacuation typique, similaire à celui qui est disponible sur le site de mise en œuvre.

Le système de ventilation des locaux industriels comprend des ventilateurs, des conduits d'air, des prises d'air extérieur, des dispositifs d'épuration de l'air entrant et émis dans l'atmosphère, et un dispositif de chauffage de l'air (chauffe-eau).

La conception des systèmes de ventilation d'alimentation et d'extraction existants a été réalisée conformément aux exigences du SNiP II 33-75 «Chauffage, ventilation et climatisation», ainsi que du GOST 12.4.021-75 «SSBT. Systèmes d'aération. Exigences générales », qui spécifie les exigences d'installation, de mise en service et d'exploitation.

La purification de l'air pollué émis dans l'atmosphère est effectuée par des dispositifs spéciaux - séparateurs de poussière (utilisés sur le site de production de moulage par injection), filtres de conduit d'air, etc. Il convient de tenir compte du fait que les séparateurs de poussière ne nécessitent pas de contrôle supplémentaire et sont déclenchés lorsque la ventilation d'extraction est activée.

En outre, le nettoyage de l'air extrait de la zone de travail peut être effectué dans des chambres de décantation des poussières (uniquement pour les poussières grossières) et des précipitateurs électrostatiques (pour les poussières fines). La purification de l'air des gaz nocifs est réalisée à l'aide de substances absorbantes et décontaminantes spéciales, y compris celles appliquées aux filtres (dans les cellules filtrantes).

Riz. 2.1 - Système de ventilation d'alimentation et d'extraction de l'atelier de production 1 - dispositif d'admission d'air ; 2 - radiateurs pour le chauffage; 3- ventilateur de soufflage ; 4 - conduit d'air principal ; 5 - branches du conduit; 6 - buses d'alimentation; 7 - aspiration locale ; 8 et 9 - maître. conduit d'évacuation d'air; 10 - séparateur de poussière; 11 - ventilateur d'extraction ; 12 - puits d'éjection d'air purifié dans l'atmosphère

L'automatisation du système existant est relativement simple. Le processus technologique de ventilation est le suivant:

1. le début du quart de travail - le système de ventilation d'alimentation et d'extraction est démarré. Les ventilateurs sont entraînés par un démarreur centralisé. En d'autres termes, le panneau de commande se compose de deux démarreurs - pour le démarrage et l'arrêt / arrêt d'urgence. Le quart de travail dure 8 heures - avec une heure de pause, c'est-à-dire que le système est inactif pendant 1 heure en moyenne pendant les heures de travail. De plus, un tel « blocage » du contrôle est économiquement inefficace, car il entraîne une surconsommation d'électricité.

Il convient de noter qu'il n'y a pas besoin de production pour que la ventilation par aspiration fonctionne en permanence, il est conseillé de l'allumer lorsque l'air est pollué ou, par exemple, il est nécessaire d'éliminer l'excès d'énergie thermique de la zone de travail.

2. L'ouverture des registres des dispositifs d'admission d'air est également contrôlée par l'équipement de démarrage local, l'air avec les paramètres de l'environnement extérieur (température, propreté) est aspiré dans les conduits d'air par le ventilateur d'alimentation en raison de la différence de pression.

3. L'air prélevé de l'environnement extérieur traverse le chauffe-eau, se réchauffe à des valeurs de température acceptables et est soufflé dans la pièce à travers les conduits d'air à travers les buses d'alimentation. Le chauffe-eau assure un échauffement important de l'air, la commande du chauffe-eau est manuelle, l'électricien ouvre le registre du registre. Pendant la période estivale, le chauffage est éteint. L'eau chaude fournie par la chaufferie interne est utilisée comme caloporteur. Il n'y a pas de système de contrôle automatique de la température de l'air, ce qui entraîne un dépassement important des ressources.

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La prévision du régime thermique dans les zones desservies est une tâche multifactorielle. On sait que le régime thermique est créé à l'aide de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Cependant, lors de la conception des systèmes de chauffage, l'impact des flux d'air créés par d'autres systèmes n'est pas pris en compte. Ceci est en partie justifié par le fait que l'influence des flux d'air sur le régime thermique peut être insignifiante avec la mobilité aérienne normative dans les zones desservies.

L'utilisation de systèmes de chauffage par rayonnement nécessite de nouvelles approches. Cela inclut la nécessité de se conformer aux normes d'exposition humaine sur les lieux de travail et de prendre en compte la répartition de la chaleur rayonnante sur les surfaces internes des enveloppes des bâtiments. En effet, avec le chauffage radiant, ces surfaces sont majoritairement chauffées, ce qui, à son tour, restitue de la chaleur à la pièce par convection et rayonnement. C'est grâce à cela que la température requise de l'air intérieur est maintenue.

En règle générale, pour la plupart des types de locaux, ainsi que des systèmes de chauffage, des systèmes de ventilation sont nécessaires. Ainsi, lors de l'utilisation de systèmes de chauffage par rayonnement au gaz, la pièce doit être équipée de systèmes de ventilation. L'échange d'air minimal des locaux avec dégagement de gaz et de vapeurs nocifs est stipulé par SP 60.13330.12. Chauffage ventilation et climatisation et est au moins une fois, et à une hauteur de plus de 6 m - au moins 6 m 3 pour 1 m 2 de surface au sol. De plus, les performances des systèmes de ventilation sont également déterminées par la destination des locaux et sont calculées à partir des conditions d'assimilation des émissions de chaleur ou de gaz ou de compensation des échappements locaux. Naturellement, la quantité d'échange d'air doit également être vérifiée pour l'état d'assimilation des produits de combustion. La compensation des volumes de l'air extrait est réalisée par les systèmes de ventilation d'alimentation. Dans le même temps, un rôle important dans la formation du régime thermique dans les zones desservies appartient aux jets d'alimentation et à la chaleur introduite par eux.

Méthode de recherche et résultats

Ainsi, il est nécessaire de développer un modèle mathématique approximatif des processus complexes de transfert de chaleur et de masse se produisant dans une pièce avec chauffage et ventilation par rayonnement. Le modèle mathématique est un système d'équations d'équilibre air-chaleur pour les volumes et surfaces caractéristiques de la pièce.

La solution du système permet de déterminer les paramètres de l'air dans les zones desservies avec différentes options pour placer des appareils de chauffage par rayonnement, en tenant compte de l'influence des systèmes de ventilation.

Nous considérerons la construction d'un modèle mathématique en prenant l'exemple d'une installation de production équipée d'un système de chauffage par rayonnement et ne disposant pas d'autres sources de génération de chaleur. Les flux de chaleur des radiateurs se répartissent comme suit. Les flux convectifs montent vers la zone supérieure sous le plafond et dégagent de la chaleur vers la surface intérieure. La composante radiante du flux de chaleur du radiateur est perçue par les surfaces intérieures des structures d'enceinte extérieures de la pièce. À leur tour, ces surfaces dégagent de la chaleur par convection vers l'air intérieur et par rayonnement vers d'autres surfaces internes. Une partie de la chaleur est transférée à travers les structures d'enceinte externes vers l'air extérieur. Le schéma de calcul du transfert de chaleur est illustré à la fig. 1a.

Nous considérerons la construction d'un modèle mathématique en prenant l'exemple d'une installation de production équipée d'un système de chauffage par rayonnement et ne disposant pas d'autres sources de dégagement de chaleur. Les flux convectifs montent vers la zone supérieure sous le plafond et dégagent de la chaleur vers la surface intérieure. La composante radiante du flux de chaleur du radiateur est perçue par les surfaces intérieures des structures d'enceinte extérieures de la pièce

Ensuite, considérons la construction du schéma de circulation du flux d'air (Fig. 1b). Acceptons le schéma de l'organisation de l'échange d'air "top-up". L'air est fourni en quantité M pr en direction de la zone desservie et est évacué de la zone supérieure avec un débit M dans = M etc. Au niveau du haut de la zone desservie, le débit d'air dans le jet est M page L'augmentation du débit d'air dans le gicleur d'alimentation se produit en raison de l'air en circulation, qui est détaché du gicleur.

Introduisons les frontières conditionnelles des écoulements - surfaces sur lesquelles les vitesses n'ont que des composantes normales à elles. Sur la fig. 1b, les limites d'écoulement sont représentées par une ligne pointillée. Ensuite, nous sélectionnons les volumes estimés : zone desservie (un espace avec un séjour permanent de personnes) ; volumes du jet d'alimentation et des flux convectifs proches des parois. La direction des écoulements convectifs proches des parois dépend du rapport des températures de la surface intérieure des structures enveloppantes extérieures et de l'air ambiant. Sur la fig. 1b montre un diagramme avec un flux convectif descendant près de la paroi.

Ainsi, la température de l'air dans la zone desservie t wz est formé à la suite du mélange d'air provenant de jets d'alimentation, de flux convectifs proches des murs et de chaleur convective provenant des surfaces internes du sol et des murs.

Compte tenu des schémas développés de transfert de chaleur et de circulation des flux d'air (Fig. 1), nous composerons les équations des bilans chaleur-air pour les volumes alloués:

Ici Avec— capacité calorifique de l'air, J/(kg °C) ; Q de est la puissance du système de chauffage radiant au gaz, W ; Q avec et Q* c - transfert de chaleur par convection depuis les surfaces intérieures du mur dans la zone desservie et le mur au-dessus de la zone desservie, W ; t page, t c et t wz sont les températures de l'air dans le jet d'alimentation à l'entrée de la zone de travail, dans le flux convectif près des parois et dans la zone de travail, °C ; Q tp - perte de chaleur de la pièce, W, égale à la somme des pertes de chaleur à travers les structures extérieures enveloppantes :

Le débit d'air dans le jet d'alimentation à l'entrée de la zone desservie est calculé à l'aide des dépendances obtenues par M. I. Grimitlin.

Par exemple, pour les diffuseurs d'air qui créent des jets compacts, le débit dans le jet est de :

où m est le facteur d'amortissement de la vitesse ; F 0 - section transversale du tuyau d'admission du distributeur d'air, m 2; X- distance entre le distributeur d'air et le lieu d'entrée dans la zone desservie, m ; À n est le coefficient de non isotherme.

Le débit d'air dans le flux convectif près du mur est déterminé par :

où t c est la température de la surface intérieure des parois extérieures, °C.

Les équations de bilan thermique pour les surfaces limites ont la forme :

Ici Q c, Q*c, Q pl et Q pt - transfert de chaleur par convection depuis les surfaces intérieures du mur à l'intérieur de la zone desservie - murs au-dessus de la zone desservie, sol et revêtement, respectivement ; Q tp.s, Q* tp.s, Q député, Q tp.pt - pertes de chaleur à travers les structures correspondantes ; O Avec, O*c, O PL, O nm sont les flux de chaleur rayonnante de l'émetteur arrivant sur ces surfaces. Le transfert de chaleur par convection est déterminé par la dépendance connue :

où m J est un coefficient déterminé en tenant compte de la position de la surface et de la direction du flux de chaleur ; F J est la surface, m 2 ; Δ t J est la différence de température entre la surface et l'air ambiant, °C ; J— indice du type de surface.

Perte de chaleur Q tJ peut être exprimé comme

où t n est la température de l'air extérieur, °C; t J est la température des surfaces internes des structures enveloppantes externes, °C ; R et R n - résistance thermique et de transfert de chaleur de la clôture extérieure, m 2 ° C / W.

Un modèle mathématique des processus de transfert de chaleur et de masse sous l'action combinée du chauffage radiant et de la ventilation a été obtenu. Les résultats de la solution permettent d'obtenir les principales caractéristiques du régime thermique lors de la conception de systèmes de chauffage par rayonnement pour des bâtiments à usages divers équipés de systèmes de ventilation

Flux de chaleur rayonnante des émetteurs des systèmes de chauffage rayonnant wj sont calculés en termes de zones de rayonnement mutuelles selon la méthode d'orientation arbitraire des émetteurs et des surfaces environnantes :

où Avec 0 est l'émissivité d'un corps absolument noir, W / (m 2 K 4); ε IJ est le degré réduit d'émissivité des surfaces impliquées dans l'échange de chaleur je et J; H IJ est la zone de rayonnement mutuelle des surfaces je et J, m 2 ; J I est la température moyenne de la surface rayonnante, déterminée à partir du bilan thermique du radiateur, K ; J J est la température de la surface réceptrice de chaleur, K.

En substituant les expressions des flux de chaleur et des débits d'air dans les jets, nous obtenons un système d'équations qui est un modèle mathématique approximatif des processus de transfert de chaleur et de masse dans le chauffage par rayonnement. Des programmes informatiques standard peuvent être utilisés pour résoudre le système.

Un modèle mathématique des processus de transfert de chaleur et de masse sous l'action combinée du chauffage radiant et de la ventilation a été obtenu. Les résultats de la solution permettent d'obtenir les principales caractéristiques du régime thermique lors de la conception de systèmes de chauffage par rayonnement pour des bâtiments à usages divers équipés de systèmes de ventilation.