Matematičko modeliranje ventilacije postrojenja. Matematički model procesa ventilacije industrijskih prostora, izbor i opis opreme za automatizaciju i upravljačkih elemenata Dovodno-ispušni centrifugalni ventilatori

Daria Denisikhina, Marija Lukanina, Mihail Samoletov

V moderni svijet već je nemoguće bez toga matematičko modeliranje protok zraka u projektiranju ventilacijskih sustava.

U suvremenom svijetu više nije moguće bez matematičkog modeliranja protoka zraka pri projektiranju ventilacijskih sustava. Konvencionalne tehnike inženjerstva dobro su prikladne za tipične prostore i standardna rješenja raspodjelom zraka. Kada se dizajner suoči s nestandardnim objektima, u pomoć bi mu trebale priskočiti metode matematičkog modeliranja. Članak je posvećen proučavanju distribucije zraka u hladnoj sezoni u radnji za proizvodnju cijevi. Ova radionica dio je tvorničkog kompleksa smještenog u oštro kontinentalnoj klimi.

Još u 19. stoljeću dobivene su diferencijalne jednadžbe za opis strujanja tekućina i plinova. Formulirali su ih francuski fizičar Louis Navier i britanski matematičar George Stokes. Navier - Stokesove jednadžbe su među najvažnijim u hidrodinamici i koriste se u matematičkom modeliranju mnogih prirodnih pojava i tehničkih problema.

Po posljednjih godina akumulirao širok izbor geometrijski i termodinamički složenih objekata u građevinarstvu. Korištenje metoda računske dinamike fluida značajno povećava mogućnosti projektiranja ventilacijskih sustava, što omogućuje s visokim stupnjem točnosti predvidjeti distribucije brzine, tlaka, temperature, koncentracije komponenti u bilo kojoj točki zgrade ili bilo kojeg njezinog prostora. .

Intenzivna uporaba metoda računske dinamike fluida započela je 2000. godine, kada su se pojavile univerzalne softverske ljuske (CFD paketi) koje su omogućile pronalaženje numeričkih rješenja Navier - Stokesovog sustava jednadžbi s obzirom na predmet interesa. Od tada se "BURO TEHNIKI" bavi matematičkim modeliranjem u vezi s problemima ventilacije i klimatizacije.

Opis zadatka

U ovoj studiji izvedene su numeričke simulacije pomoću STAR-CCM +, CFD paketa koji je razvio CD-Adapco. Operativnost ovaj paket kada je rješavanje problema ventilacije bio
Više puta je testiran na objektima različite složenosti, od uredskih prostora do kazališnih dvorana i stadiona.

Problem je od velikog interesa s gledišta dizajna i matematičkog modeliranja.

Vanjska temperatura zraka -31°C. U prostoriji postoje objekti sa značajnim unosom topline: peći za kaljenje, peći za kaljenje itd. Dakle, postoje velike temperaturne razlike između vanjskih ogradnih konstrukcija i unutarnjih objekata koji stvaraju toplinu. Posljedično, doprinos radijacijskog prijenosa topline ne može se zanemariti u simulaciji. Dodatna poteškoća u matematičkoj formulaciji problema leži u činjenici da se u zgradu nekoliko puta u smjeni dovodi teški vlak s temperaturom od -31 °C. Postupno se zagrijava, hladeći zrak oko sebe.

Za održavanje potrebne temperature zraka u obujmu radionice (u hladnoj sezoni najmanje 15 ° C), projekt predviđa sustave ventilacije i klimatizacije. U fazi projektiranja izračunat je protok i temperatura dovedenog zraka potrebna za održavanje traženih parametara. Ostalo je pitanje - kako dopremiti zrak u volumen radionice kako bi se osigurala što ravnomjernija raspodjela temperature u cijelom volumenu. Modeliranje je omogućilo da se za relativno kratko vrijeme (dva do tri tjedna) vidi uzorak strujanja zraka za nekoliko opcija dovoda zraka, a zatim ih usporedi.

FAZE MATEMATIČKOG MODELIRANJA

• Izgradnja čvrste geometrije.
• Podjela radnog prostora na ćelije računske mreže. Unaprijed treba predvidjeti područja u kojima će biti potrebno dodatno usavršavanje ćelija. Prilikom izgradnje mreže vrlo je važno pronaći sredinu gdje je veličina ćelije dovoljno mala za dobivanje točnih rezultata, dok ukupan broj ćelija neće biti toliko velik da bi vrijeme izračunavanja povuklo u neprihvatljiv vremenski okvir. Stoga je izgradnja mreže cijela umjetnost koja dolazi s iskustvom.
• Postavljanje graničnih i početnih uvjeta u skladu s iskazom problema. Potrebno je razumijevanje specifičnosti ventilacijskih zadataka. Važnu ulogu u pripremi proračuna igra pravi izbor modeli turbulencije.
• Odabir prikladnog fizičkog modela i modela turbulencije.

Rezultati simulacije

Kako bi se riješio problem razmatran u ovom članku, prošli su sve faze matematičkog modeliranja.

Za usporedbu učinkovitosti ventilacije odabrane su tri opcije dovoda zraka: pod kutom prema vertikali 45 °, 60 ° i 90 °. Zrak se dovodio iz standardnih rešetki za distribuciju zraka.

Polja temperature i brzine izračunata pod različitim kutovima pomaka dovodni zrak prikazani su na sl. 1.

Nakon analize rezultata, kut dovoda zraka jednak 90 ° odabran je kao najuspješnija od razmatranih opcija za ventilaciju radionice. S ovom metodom hranjenja ne stvaraju se povećane brzine radni prostor te je moguće postići prilično ujednačenu sliku temperature i brzine kroz cijeli volumen radionice.

Konačna odluka

Polja temperature i brzine u tri presjeci prolazeći kroz dovodne rešetke prikazani su na sl. 2 i 3. Raspodjela temperature u prostoriji je ujednačena. Samo u području gdje su peći koncentrirane su više visoke vrijednosti temperatura ispod stropa. U desnom kutu prostorije najudaljenije od peći nalazi se hladnije područje. Tu ulaze hladne kočije s ulice.

Od sl. 3 jasno se vidi kako se šire horizontalni mlazovi dovedenog zraka. S ovom metodom opskrbe, opskrbni mlaz ima dovoljno velik domet. Dakle, na udaljenosti od 30 m od rešetke, brzina struje je 0,5 m / s (na izlazu iz rešetke brzina je 5,5 m / s). U ostatku prostorije pokretljivost zraka je niska, na razini od 0,3 m / s.

Zagrijani zrak iz peći za stvrdnjavanje odbija struju dovodnog zraka prema gore (sl. 4 i 5). Peć jako zagrijava zrak oko sebe. Ovdje je temperatura na podu viša nego u sredini prostorije.

Temperaturno polje i strujne linije u dva dijela vruće radnje prikazani su na Sl. 6.

zaključke

Izračuni su omogućili analizu učinkovitosti različiti putevi dovod zraka u radionicu cijevi. Utvrđeno je da se pri opskrbi horizontalnom strujom dovedeni zrak širi dalje u prostoriju, pridonoseći njenom ravnomjernijem zagrijavanju. To ne stvara područja s prevelikom pokretljivošću zraka u radnom području, kao što se događa kada se dovodni zrak dovodi pod kutom prema dolje.

Korištenje metoda matematičkog modeliranja u problemima ventilacije i klimatizacije vrlo je obećavajući smjer, koji u fazi projektiranja omogućuje ispravljanje rješenja, kako bi se spriječila potreba za ispravljanjem neuspješnih projektnih rješenja nakon što su objekti pušteni u rad. ●

Daria Denisikhina - Voditelj Odjela "Matematičko modeliranje";
Marija Lukanina - Vodeći inženjer Odjela "Matematičko modeliranje";
Mihail Samoletov - Izvršni direktor LLC "MM-Technologies"

1

U radu se razmatraju procesi modeliranja ventilacije i disperzije njezinih emisija u atmosferu. Modeliranje se temelji na rješavanju sustava Navier-Stokesovih jednadžbi, zakona održanja mase, količine gibanja, topline. Razmatraju se različiti aspekti numeričkog rješenja ovih jednadžbi. Predlaže se sustav jednadžbi za izračunavanje vrijednosti koeficijenta pozadinske turbulencije. Za hiperzvučnu aproksimaciju predlaže se rješenje, zajedno s jednadžbama dinamike fluida prikazanim u članku, jednadžbe stajanja idealnog stvarnog plina i pare. Ova jednadžba je modifikacija van der Waalsove jednadžbe i točnije uzima u obzir veličinu molekula plina ili pare i njihovu interakciju. Na temelju uvjeta termodinamičke stabilnosti dobivena je relacija koja omogućuje isključivanje fizički neostvarivih korijena pri rješavanju jednadžbe s obzirom na volumen. Provedena je analiza poznatih računskih modela i računskih paketa dinamike fluida.

modeliranje

ventilacija

turbulencija

jednadžbe prijenosa topline i mase

jednadžba stanja

pravi plin

rasipanje

1. Berlyand M. Ye. Suvremeni problemi atmosferska difuzija i onečišćenje zraka. - L .: Gidrometeoizdat, 1975 .-- 448 str.

2. Belyaev NN Modeliranje procesa disperzije otrovnog plina u građevinskim uvjetima // Bilten DIIT-a. - 2009. - Broj 26 - S. 83-85.

3. Byzova NL Eksperimentalne studije atmosferske difuzije i proračuni raspršenja nečistoća / NL Byzova, EK Garger, VN Ivanov. - L .: Gidrometeoizdat, 1985 .-- 351 str.

4. Datsyuk TA Modeliranje disperzije ventilacijskih emisija. - SPb: SPBGASU, 2000 .-- 210 str.

5. Sauts A. V. Primjena algoritama kognitivne grafike i metoda matematičke analize za proučavanje termodinamičkih svojstava izobutana R660A na liniji zasićenja: Grant br. 2C / 10: izvješće o istraživanju (zaključak) / GOUVPO SPBGASU; ruke. Gorokhov V.L., isp.: Sauts A.V.- SPb, 2011.- 30 str.: ill.- Bibliografija: str. 30.- Br.GR 01201067977.-Inv. broj 02201158567.

Uvod

Prilikom projektiranja industrijskih kompleksa i jedinstvenih objekata potrebno je sveobuhvatno obrazložiti pitanja koja se odnose na osiguranje kvalitete zračnog okoliša i standardiziranih parametara mikroklime. S obzirom na visoke troškove proizvodnje, ugradnje i rada sustava ventilacije i klimatizacije, postavljaju se povećani zahtjevi za kvalitetom inženjerskih proračuna. Za odabir racionalnih projektantskih rješenja u području ventilacije potrebno je moći analizirati situaciju u cjelini, t.j. otkriti prostorni odnos dinamičkih procesa koji se odvijaju unutar prostora i u atmosferi. Procijenite učinkovitost ventilacije, koja ne ovisi samo o količini zraka koji se dovodi u prostoriju, već i o usvojenoj shemi distribucije zraka i koncentraciji štetne tvari u vanjskom zraku na mjestima dovoda zraka.

Svrha članka- korištenje analitičkih ovisnosti, uz pomoć kojih se provode izračuni količine štetnih emisija, za određivanje dimenzija kanala, zračnih kanala, rudnika i izbor metode obrade zraka itd. U tom slučaju preporučljivo je koristiti softverski proizvod Potok s VSV modulom. Za pripremu početnih podataka potrebno je imati dijagrame projektiranih ventilacijskih sustava s naznakom duljine sekcija i protoka zraka na krajnjim dijelovima. Ulazni podaci za izračun su opis ventilacijskih sustava i zahtjeva za njima. Matematičkim modeliranjem rješavaju se sljedeći problemi:

• odabir najboljih opcija za dovod i uklanjanje zraka;
• raspodjela parametara mikroklime po volumenu prostorija;
• procjena aerodinamičkog režima zgrade;
• izbor mjesta za unos i uklanjanje zraka.

Polja brzine, tlaka, temperature, koncentracije u prostoriji i atmosferi nastaju pod utjecajem mnogih čimbenika, čiju je kombinaciju prilično teško uzeti u obzir u metodama inženjerskog proračuna bez korištenja računala.

Korištenje matematičkog modeliranja u problemima ventilacije i aerodinamike temelji se na rješenju Navier - Stokesovih jednadžbi.

Za simulaciju turbulentnih strujanja potrebno je riješiti sustav jednadžbi održanja mase i Reynoldsa (očuvanje količine gibanja):

(2)

gdje t- vrijeme, x= X i , j , k- prostorne koordinate, u=u i , j , k - komponente vektora brzine, R- pijezometrijski tlak, ρ - gustoća, τ i J- komponente tenzora naprezanja, s m- izvor mase, s i- komponente izvora impulsa.

Tenzor naprezanja se izražava kao:

(3)

gdje s ij- tenzor brzina deformacija; δ i J- tenzor dodatnih naprezanja nastalih zbog prisutnosti turbulencije.

Za informacije o temperaturnim poljima T i koncentracija sštetnih tvari, sustav je dopunjen sljedećim jednadžbama:

jednadžba očuvanja topline

jednadžba za očuvanje pasivne nečistoće s

(5)

gdje CR- koeficijent toplinskog kapaciteta, λ - koeficijent toplinske vodljivosti, k= k i , j , k je koeficijent turbulencije.

Osnovni koeficijent turbulencije k baza se određuje pomoću sustava jednadžbi:

(6)

gdje k f - koeficijent turbulencije u pozadini, k f = 1-15 m 2 / s; ε = 0,1-04;

Koeficijenti turbulencije određuju se pomoću jednadžbi:

(7)

Na otvorenom prostoru s malom disipacijom, vrijednost k z je određen jednadžbom:

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

gdje k 0 - vrijednost k k na visokom z 0 (k 0 = 0,1 m 2 / s pri z 0 = 2 m).

Na otvorenom prostoru profil brzine vjetra nije deformiran;

Uz nepoznatu atmosfersku stratifikaciju na otvorenom području, profil brzine vjetra može se odrediti:

; (9)

gdje je z 0 zadana visina (visina vjetrobrana); u 0 - brzina vjetra na visini z 0 ; B = 0,15.

Podložno uvjetu (10), lokalni Richardsonov kriterij Ri definirano kao:

(11)

Razlikujemo jednadžbu (9), izjednačimo jednadžbe (7) i (8), odatle izrazimo k baze

(12)

Izjednačimo jednadžbu (12) s jednadžbama sustava (6). U dobivenu jednakost zamijenimo (11) i (9), u konačnom obliku dobivamo sustav jednadžbi:

(13)

Pulsirajući pojam, slijedeći Boussinesqove ideje, predstavljen je kao:

(14)

gdje je μ t- turbulentna viskoznost, a dodatni pojmovi u jednadžbama prijenosa energije i nečistoće su modelirani na sljedeći način:

(15)

(16)

Sustav jednadžbi je zatvoren pomoću jednog od dolje opisanih modela turbulencije.

Za turbulentna strujanja koja se proučavaju u ventilacijskoj praksi, preporučljivo je koristiti ili Boussinesqovu hipotezu o malenosti promjena gustoće, ili tzv. "hipersoničnu" aproksimaciju. Pretpostavlja se da su Reynoldsovi naponi proporcionalni vremenski prosječnim brzinama deformacije. Uvodi se koeficijent turbulentne viskoznosti, ovaj koncept se izražava kao:

. (17)

Efektivni koeficijent viskoznosti izračunava se kao zbroj molekularnih i turbulentnih koeficijenata:

(18)

"Hipersonična" aproksimacija pretpostavlja rješenje, zajedno s gornjim jednadžbama, jednadžbe stajanja idealnog plina:

ρ = str/(RT) (19)

gdje str - pritisak unutra okoliš; R- plinska konstanta.

Za točnije izračune, gustoća nečistoća može se odrediti pomoću modificirane van der Waalsove jednadžbe za stvarne plinove i pare

(20)

gdje su konstante N i M- uzeti u obzir povezanost/disocijaciju molekula plina ili pare; a- uzima u obzir druge interakcije; b" - uzimajući u obzir veličinu molekula plina; υ = 1 / ρ.

Odvajajući od jednadžbe (12) tlak R i razlikovanjem po volumenu (uzimajući u obzir termodinamičku stabilnost), dobit će se sljedeći odnos:

. (21)

Ovaj pristup omogućuje značajno smanjenje vremena izračuna u usporedbi sa slučajem korištenja potpunih jednadžbi za stlačivi plin bez smanjenja točnosti dobivenih rezultata. Ne postoji analitičko rješenje gornjih jednadžbi. U tom smislu se koriste numeričke metode.

Za rješavanje problema ventilacije povezanih s prijenosom skalarnih tvari turbulentnim strujanjem, prilikom rješavanja diferencijalne jednadžbe koristiti shemu cijepanja za fizičke procese. Prema principima cijepanja, integracija jednadžbi hidrodinamike i konvektivno-difuznog prijenosa skalarne tvari konačne razlike u svakom vremenskom koraku Δ t provodi se u dvije etape. U prvoj fazi izračunavaju se hidrodinamički parametri. U drugoj fazi rješavaju se jednadžbe difuzije na temelju izračunatih hidrodinamičkih polja.

Utjecaj prijenosa topline na formiranje polja brzine zraka uzet je u obzir primjenom Boussinesqove aproksimacije: u jednadžbu gibanja za vertikalnu komponentu brzine uvodi se dodatni član koji uzima u obzir sile uzgona.

Postoje četiri pristupa rješavanju problema turbulentnog kretanja tekućine:

• izravno modeliranje "DNS" (rješenje nestacionarnih Navier-Stokesovih jednadžbi);
• rješenje prosječnih Reynoldsovih jednadžbi "RANS", čiji sustav, međutim, nije zatvoren i treba mu dodatne relacije zatvaranja;
• metoda velikih vrtloga "LES » , koji se temelji na rješenju nestacionarnih Navier - Stokesovih jednadžbi s parametrizacijom vrtloga podmrežne ljestvice;
• metoda "DES" , koji je kombinacija dvije metode: u zoni odvojenih tokova - "LES", iu području "glatkog" toka - "RANS".

S gledišta točnosti dobivenih rezultata nedvojbeno je najatraktivnija metoda izravne numeričke simulacije. Međutim, trenutno mogućnosti računalne tehnologije još ne dopuštaju rješavanje problema s stvarnom geometrijom i brojevima. Ponovno, te uz razlučivost vrtloga svih veličina. Stoga se pri rješavanju širokog spektra inženjerskih problema koriste numerička rješenja Reynoldsovih jednadžbi.

Trenutno se certificirani paketi poput "STAR-CD", "FLUENT" ili "ANSYS / FLOTRAN" uspješno koriste za simulaciju problema s ventilacijom. Uz ispravno formuliran problem i algoritam racionalnog rješenja, rezultirajuća količina informacija omogućuje odabir u fazi projektiranja najbolja opcija, ali izvođenje izračuna pomoću ovih programa zahtijeva odgovarajuću obuku, a njihova netočna uporaba može dovesti do pogrešnih rezultata.

Kao "osnovni slučaj" mogu se uzeti u obzir rezultati općeprihvaćenih metoda izračuna bilance, koji omogućuju usporedbu integralnih vrijednosti karakterističnih za problem koji se razmatra.

Jedna od važnih točaka pri korištenju univerzalnih softverskih sustava za rješavanje problema ventilacije je izbor modela turbulencije. Do sada je poznato veliki broj razni modeli turbulencije koji se koriste za zatvaranje Reynoldsovih jednadžbi. Modeli turbulencije klasificirani su prema broju parametara za karakteristike turbulencije, odnosno jednoparametarski, dvo- i troparametarski.

Većina poluempirijskih modela turbulencije, na ovaj ili onaj način, koristi "hipotezu o lokalitetu mehanizma turbulentnog prijenosa", prema kojoj je mehanizam prijenosa turbulentnog momenta u potpunosti određen specificiranjem lokalnih derivata prosječnih brzina i fizikalna svojstva tekućine. Ova hipoteza ne uzima u obzir utjecaj procesa koji se odvijaju daleko od točke koja se razmatra.

Najjednostavniji su jednoparametarski modeli koji koriste koncept turbulentne viskoznosti «n t», A pretpostavlja se da je turbulencija izotropna. Izmijenjena verzija modela "n t-92" preporučuje se za modeliranje mlaza i odvojenih tokova. Jednoparametarski model "S-A" (Spalart - Almaras), koji sadrži prijenosnu jednadžbu za količinu, također se dobro slaže s eksperimentalnim rezultatima.

Nedostatak modela s jednom transportnom jednadžbom posljedica je činjenice da im nedostaju informacije o distribuciji ljestvice turbulencije L... Po iznosu L utječu se na procese prijenosa, metode nastanka turbulencije, disipaciju turbulentne energije. Univerzalna ovisnost za utvrđivanje L ne postoji. Jednadžba za ljestvicu turbulencije Lčesto se ispostavi da je upravo jednadžba koja određuje točnost modela i, sukladno tome, područje njegove primjenjivosti. U osnovi, opseg ovih modela ograničen je na relativno jednostavne posmične tokove.

U dvoparametarskim modelima, osim ljestvice turbulencije L, brzina disipacije turbulentne energije se koristi kao drugi parametar . Takvi se modeli najčešće koriste u suvremenoj računskoj praksi i sadrže jednadžbe prijenosa energije turbulencije i disipacije energije.

Poznati model uključuje jednadžbe za prijenos energije turbulencije k a brzina disipacije turbulentne energije ε. Modeli poput " k- e " može se koristiti i za protoke uz zid i za složenije odvojene tokove.

Modeli s dva parametra koriste se u verziji s niskim i visokim Reynoldsom. U prvom se izravno uzima u obzir mehanizam interakcije molekularnog i turbulentnog transporta u blizini čvrste površine. U High Reynolds verziji, mehanizam turbulentnog prijenosa u blizini čvrste granice opisan je posebnim funkcijama u blizini zida koje povezuju parametre protoka s udaljenosti do zida.

Trenutno, najperspektivniji modeli uključuju SSG i Gibson-Launder modele, gdje se koristi nelinearni odnos Reynoldsovog turbulentnog tenzora naprezanja i tenzora prosječnih brzina deformacije. Osmišljeni su za poboljšanje predviđanja separacijskih struja. Budući da su u njima izračunate sve komponente tenzora, zahtijevaju velike računalne resurse u usporedbi s dvoparametarskim modelima.

Za složene odvojene tokove, neke prednosti su otkrivene korištenjem jednoparametarskih modela „n t-92", "S-A" u točnosti predviđanja parametara protoka i u brzini brojanja u usporedbi s dvoparametarskim modelima.

Na primjer, program "STAR-CD" omogućuje korištenje modela kao što su " k- e ", Spalart - Almaras, " SSG "," Gibson-Launder ", kao i metoda velikog vrtloga " LES " i metoda " DES ". Posljednje dvije metode su prikladnije za izračunavanje kretanja zraka u složenim geometrijama, gdje će se pojaviti brojna odvojena područja vrtloga, ali zahtijevaju velike računske resurse.

Rezultati proračuna značajno ovise o izboru računske mreže. Trenutno se koriste posebni programi za umrežavanje. Mrežaste ćelije mogu biti različitih oblika i veličina kako bi najbolje odgovarale vašoj specifičnoj primjeni. Najjednostavniji tip mreže je kada su ćelije iste i imaju kubični ili pravokutni oblik. Računalni programi opće namjene koji se trenutno koriste u inženjerskoj praksi omogućuju rad na proizvoljnim nestrukturiranim mrežama.

Za izvođenje proračuna za numeričku simulaciju problema ventilacije potrebno je postaviti granične i početne uvjete, t.j. vrijednosti zavisnih varijabli ili njihovih normalnih gradijenata na granicama računske domene.

Specifikacija s dovoljnim stupnjem točnosti geometrijskih značajki objekta koji se proučava. U ove svrhe moguće je preporučiti pakete kao što su "SolidWorks", "Pro / Engeneer", "NX Nastran" za izgradnju trodimenzionalnih modela. Prilikom konstruiranja računske mreže, broj ćelija se odabire tako da se dobije pouzdano rješenje uz minimalno vrijeme izračuna. Treba odabrati jedan od poluempirijskih modela turbulencije, koji je najučinkovitiji za razmatrani tok.

V zaključak dodajemo da je potrebno dobro razumijevanje kvalitativnog aspekta procesa koji su u tijeku kako bi se ispravno formulirali rubni uvjeti problema i ocijenila pouzdanost rezultata. Modeliranje ventilacijskih emisija u fazi projektiranja objekata može se smatrati jednim od aspekata informacijskog modeliranja s ciljem osiguravanja ekološke sigurnosti objekta.

Recenzenti:

• Volikov Anatolij Nikolajevič, doktor tehničkih znanosti, profesor Odjela za opskrbu toplinom i plinom i zaštitu zračnog bazena, FGBOU VPOI "SPBGASU", Sankt Peterburg.
• Polushkin Vitaly Ivanovich, doktor tehničkih znanosti, profesor, profesor Odjela za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju, FGBOU VPO "SPbGASU", Sankt Peterburg.

Bibliografska referenca

Datsyuk T.A., Sauts A.V., Yurmanov B.N., Taurit V.R. MODELIRANJE VENTILACIJSKIH PROCESA // Suvremeni problemi znanosti i obrazovanja. - 2012. - br. 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (datum pristupa: 17.10.2019.). Predstavljamo Vam časopise koje izdaje "Akademija prirodnih znanosti"

Opišimo u ovom odjeljku glavne elemente upravljačkog sustava, damo im tehničku karakteristiku i matematički opis. Zaustavimo se detaljnije na sustavu koji se razvija za automatsku regulaciju temperature dovodnog zraka koji prolazi kroz grijač zraka. Budući da je glavni proizvod pripreme temperatura zraka, onda se u okviru diplomskog projekta može zanemariti konstrukcija matematičkih modela i modeliranje procesa cirkulacije i strujanja zraka. Također, ova matematička utemeljenost funkcioniranja ACS PVV može se zanemariti zbog osobitosti arhitekture prostora - postoji značajan dotok vanjskog nepripremljenog zraka u radionice i skladišta kroz utore i praznine. Zato je, pri bilo kojoj brzini strujanja zraka, radnicima ove radionice praktički nemoguće doživjeti „gladovanje kisikom“.

Stoga se zanemaruje konstrukcija termodinamičkog modela distribucije zraka u prostoriji, kao i matematički opis ACS-a za brzinu protoka zraka s obzirom na njihovu necjelishodnost. Zaustavimo se detaljnije na razvoju ACS-a za temperaturu dovodnog zraka. Zapravo, ovaj sustav je sustav za automatsku regulaciju položaja zaklopke protuzračne obrane ovisno o temperaturi dovodnog zraka. Regulacija – proporcionalni zakon uravnotežujući vrijednosti.

Predstavit ćemo glavne elemente uključene u ACS, dat ćemo ih tehnički podaci, omogućujući identificiranje značajki njihovog upravljanja. Prilikom odabira opreme i alata za automatizaciju, vodimo se njihovim tehničkim listovima i prethodnim inženjerskim proračunima starog sustava, kao i rezultatima eksperimenata i ispitivanja.

Dovodni i ispušni centrifugalni ventilatori

Konvencionalni centrifugalni ventilator je kotač s radnim lopaticama smještenim u spiralnom kućištu, pri rotaciji zrak koji ulazi kroz ulazni otvor ulazi u kanale između lopatica i pod djelovanjem centrifugalne sile se kreće duž tih kanala, skuplja ga spiralno kućište i usmjereno na njegov izlaz. Kućište također služi za pretvaranje dinamičke glave u statičku. Za povećanje tlaka, iza kućišta se postavlja difuzor. Na sl. 4.1 prikazuje opći prikaz centrifugalnog ventilatora.

Konvencionalni centrifugalni impeler sastoji se od lopatica, stražnjeg diska, glavčine i prednjeg diska. Lijevana ili isklesana glavčina, dizajnirana za postavljanje kotača na osovinu, je zakovicama, vijcima ili zavarena na stražnji disk. Oštrice su pričvršćene zakovicama na disk. Vodeći rubovi oštrica obično su pričvršćeni na prednji prsten.

Spiralna kućišta izrađena su od čeličnog lima i postavljaju se na neovisne nosače, u blizini ventilatora male snage pričvršćeni su za krevete.

Kada se kotač okreće, dio energije dovedene u motor prenosi se u zrak. Tlak koji razvija kotač ovisi o gustoći zraka, geometrijski oblik oštrice i periferna brzina na vrhovima lopatica.

Izlazni rubovi lopatica centrifugalnih ventilatora mogu biti savijeni prema naprijed, radijalno i unatrag. Do nedavno su rubovi oštrica bili uglavnom zakrivljeni prema naprijed, jer je to omogućilo smanjenje dimenzije obožavatelji. Danas se često nalaze impeleri s unatrag zakrivljenim lopaticama, jer vam to omogućuje povećanje učinkovitosti. ventilator.

Riža. 4.1

Prilikom pregleda ventilatora treba imati na umu da izlazni (duž zračnog puta) rubovi lopatica kako bi se osigurao ulazak bez udaraca moraju uvijek biti savijeni u smjeru suprotnom od smjera vrtnje kotača.

Isti ventilatori, kada se mijenja brzina vrtnje, mogu imati različite brzine protoka i razvijati različite tlakove, ovisno ne samo o svojstvima ventilatora i brzini vrtnje, već i o zračnim kanalima spojenim na njih.

Karakteristike ventilatora izražavaju odnos između glavnih parametara njegovog rada. Potpuna karakteristika ventilator pri konstantnoj brzini osovine (n = const) izražava se ovisnostima između napajanja Q i tlaka P, snage N i učinkovitosti. Ovisnosti P (Q), N (Q) i T (Q) obično su ucrtane na isti grafikon. Na njima je odabran ventilator. Karakterizacija se gradi na temelju testova. Na sl. 4.2 prikazuje aerodinamičke karakteristike centrifugalnog ventilatora VTs-4-76-16, koji se koristi kao dovodni ventilator na mjestu implementacije

Riža. 4.2

Kapacitet ventilatora je 70.000 m3/h ili 19,4 m3/s. Brzina ventilatora - 720 o / min. ili 75,36 rad / sec., pogonska snaga asinkroni motor ventilator je 35 kW.

Ventilator puše vanjski atmosferski zrak u grijač zraka. Kao rezultat izmjene topline zraka sa Vruća voda, prolazi kroz cijevi izmjenjivača topline, zrak koji prolazi se zagrijava.

Razmotrimo shemu za regulaciju načina rada ventilatora VTs-4-76 br. 16. Na sl. dat je 4.3 funkcionalni dijagram ventilatorska jedinica s kontrolom brzine.

Riža. 4.3

Prijenosna funkcija ventilatora može se predstaviti kao dobitak, koji se određuje na temelju aerodinamičkih karakteristika ventilatora (slika 4.2). Dobitak ventilatora u radnoj točki je 1.819 m3/s (najniži mogući, eksperimentalno utvrđen).

Riža. 4.4

Eksperimentalno utvrđeno je da je za provedbu potrebnih načina rada ventilatora potrebno dostaviti sljedeće vrijednosti napona na pretvarač upravljačke frekvencije (tablica 4.1):

Tablica 4.1 Načini rada opskrbne ventilacije

Istodobno, kako bi se povećala pouzdanost elektromotora ventilatora i dovodnog i ispušnog dijela, nema potrebe postavljati im načine rada s maksimalnim performansama. Zadatak eksperimentalno istraživanje bio je pronaći takve upravljačke napone pri kojima bi se promatrale dolje izračunate stope izmjene zraka.

Ispušna ventilacija predstavljena je s tri centrifugalni ventilatori razreda VTs-4-76-12 (kapacitet 28 000 m3 / h pri n = 350 o/min, asinkrona pogonska snaga N = 19,5 kW) i VTs-4-76-10 (kapacitet 20 000 m3 / h pri n = 270 o/min, asynchronous pogon snaga N = 12,5 kW). Vrijednosti kontrolnih napona dobivene su eksperimentalno slično naponu napajanja za ispušnu granu ventilacije (tablica 4.2).

Kako bismo spriječili stanje "izgladnjivanja kisikom" u radničkim radnjama, izračunat ćemo stope izmjene zraka za odabrane načine rada ventilatora. Mora zadovoljiti uvjet:

Tablica 4.2 Načini rada ispušne ventilacije

U proračunu zanemarujemo dovodni zrak koji dolazi izvana, kao i arhitekturu zgrade (zidovi, podovi).

Dimenzije prostora za ventilaciju: 150x40x10 m, ukupni volumen prostorije je Vroom?60.000 m3. Potreban volumen dovodnog zraka je 66000 m3 / h (za koeficijent 1,1 odabran je kao minimalan, budući da se dotok zraka izvana ne uzima u obzir). Očito je da odabrani načini rada dovodni ventilator zadovoljiti navedeni uvjet.

Ukupni volumen uvučenog zraka izračunava se pomoću sljedeće formule

Za izračunavanje ispušne noge odabrani su načini "ispušnih plinova u nuždi". Uzimajući u obzir korekcijski faktor 1.1 (budući da je hitni način rada uzet kao najmanji mogući), volumen izvučenog zraka bit će jednak 67,76 m3 / h. Ova vrijednost, u granicama dopuštenih pogrešaka i prethodno usvojenih rezervacija, zadovoljava uvjet (4.2), što znači da će se odabrani načini rada ventilatora nositi sa zadatkom osiguravanja brzine izmjene zraka.

Također, motori ventilatora imaju ugrađenu zaštitu od pregrijavanja (termostat). Kada temperatura na motoru poraste, kontakt releja termostata će zaustaviti rad elektromotora. Senzor diferencijalnog tlaka zabilježit će zaustavljanje elektromotora i poslati signal upravljačkoj ploči. Potrebno je osigurati reakciju ACS PVV na hitno zaustavljanje motora ventilatora.

Poštovani članovi atestacijske komisije, predstavljam Vam završni kvalifikacijski rad čija je svrha razvoj sustava automatska kontrola dovodna i ispušna ventilacija proizvodne radionice.

Poznato je da je automatizacija jedan od najvažnijih čimbenika rasta produktivnosti rada u industrijskoj proizvodnji, rasta kvalitete proizvoda i usluga. Stalno širenje područja automatizacije jedno je od glavnih obilježja industrije u ovoj fazi. Diplomski projekt koji se izrađuje jedna je od ideja nasljeđivanja razvojnog koncepta izgradnje "inteligentnih" zgrada, odnosno objekata u kojima se tehničkim sredstvima kontroliraju uvjeti ljudskog života.

Glavni zadaci riješeni u projektu su modernizacija postojećeg sustava ventilacije zraka na mjestu izvedbe - proizvodnim radionicama VOMZ OJSC - kako bi se osigurala njegova učinkovitost (ušteda na potrošnji energije i toplinskih resursa, smanjenje troškova održavanja sustava, smanjenje zastoja), održavanje ugodna mikroklima i čistoća zraka u radnim područjima, operativnost i stabilnost, pouzdanost sustava u hitnim / kritičnim načinima rada.

Problem koji se razmatra u diplomskom projektu posljedica je moralne i tehničke zastarjelosti (istrošenosti) postojećeg sustava upravljanja PVA. Distribuirani princip korišten u izgradnji IOP-a isključuje mogućnost centraliziranog upravljanja (pokretanje i praćenje stanja). Nedostatak jasnog algoritma za pokretanje/zaustavljanje sustava također čini sustav nepouzdanim zbog ljudskih pogrešaka, a nepostojanje hitnih načina rada čini ga nestabilnim u odnosu na zadatke koji se rješavaju.

Aktuelnost problema diplomskog dizajna je zbog ukupni rast oboljelih dišnih putova i prehlade radnika, opći pad produktivnosti rada i kvalitete proizvoda u ovom području. Razvoj novog ACS PVV izravno je vezan uz politiku kvalitete tvornice (ISO 9000), kao i programe modernizacije opreme postrojenja i automatizacije sustava za održavanje života postrojenja.

Središnji upravljački element sustava je ormar za automatizaciju s mikrokontrolerom i opremom, odabran prema rezultatima marketinškog istraživanja (poster 1). Postoji mnogo ponuda na tržištu, ali odabrana oprema je barem jednako dobra kao i njezini kolege. Važan kriterij bio je trošak, potrošnja energije i zaštitni učinak opreme.

Funkcionalni dijagram automatizacije IWS-a prikazan je na crtežu 1. Kao glavni u projektiranju ACS-a odabran je centralizirani pristup, koji omogućuje da se sustav po potrebi dovede u pokretnu implementaciju po mješovitom pristupu, što podrazumijeva mogućnost dispečiranja i povezivanja s drugim industrijskim mrežama. Centralizirani pristup je vrlo skalabilan, dovoljno fleksibilan - sva ta svojstva kvalitete određena su odabranim mikrokontrolerom - WAGO I/O sustavom, kao i implementacijom upravljačkog programa.

Tijekom projektiranja odabrani su elementi automatizacije - aktuatori, senzori, kriterij odabira je funkcionalnost, stabilnost rada u kritičnim režimima, raspon mjerenja/kontrole parametra, značajke instalacije, oblik izlaznog signala i načini rada. operacije. Glavni matematički modeli i simulirao rad sustava za regulaciju temperature zraka s kontrolom položaja zaklopke trosmjernog ventila. Simulacija je provedena u VisSim okruženju.

Za regulaciju je odabrana metoda "balansiranja parametra" u području kontroliranih vrijednosti. Proporcionalni je odabran kao zakon upravljanja, budući da se ne postavljaju visoki zahtjevi za točnost i brzinu sustava, a rasponi varijacije ulaznih / izlaznih vrijednosti su mali. Funkcije regulatora obavlja jedan od priključaka regulatora u skladu s upravljačkim programom. Rezultati simulacije ovog bloka prikazani su na posteru 2.

Algoritam sustava prikazan je na crtežu 2. Upravljački program koji implementira ovaj algoritam sastoji se od funkcionalnih blokova, bloka konstanti, koriste se standardne i specijalizirane funkcije. Fleksibilnost i skalabilnost sustava osigurana je kako programski (korištenje FB-ova, konstanti, oznaka i prijelaza, kompaktnost programa u memoriji kontrolera) tako i tehnički (ekonomično korištenje I/O portova, backup portova).

Softver osigurava radnje sustava u hitnim načinima (pregrijavanje, kvar ventilatora, prekomjerno hlađenje, začepljenje filtera, požar). Algoritam rada sustava u načinu zaštite od požara prikazan je na crtežu 3. Ovaj algoritam uzima u obzir zahtjeve standarda za vrijeme evakuacije i djelovanje protupožarnog sustava u slučaju požara. Općenito, primjena ovog algoritma je učinkovita i dokazana testovima. Također je riješen zadatak modernizacije ispušnih napa u smislu zaštite od požara. Pronađena rješenja su pregledana i prihvaćena kao preporuke.

Pouzdanost projektiranog sustava u potpunosti ovisi o pouzdanosti softvera i kontrolera u cjelini. Izrađeni upravljački program podvrgnut je procesu otklanjanja pogrešaka, ručnom, strukturnom i funkcionalnom ispitivanju. Kako bi se osigurala pouzdanost i usklađenost s uvjetima jamstva za opremu za automatizaciju, odabrane su samo preporučene i certificirane jedinice. Jamstvo proizvođača za odabrani ormar za automatizaciju, uz poštivanje jamstvenih obveza, iznosi 5 godina.

Također, izrađena je generalizirana struktura sustava, izgrađen satni ciklogram rada sustava, formirana je tablica priključaka i oznaka kabela, izrađena je shema instalacije ACS-a.

Ekonomski pokazatelji projekta, koje sam ja izračunao u organizacijskom i ekonomskom dijelu, prikazani su na plakatu br. Isti poster prikazuje trakasti grafikon procesa dizajna. Za procjenu kvalitete programa kontrole korišteni su kriteriji prema GOST RISO / IEC 926-93. Procjena ekonomske učinkovitosti razvoja provedena je pomoću SWOT analize. Očito je da projektirani sustav ima nisku cijenu koštanja (struktura troškova - plakat 3) i prilično brzo razdoblje povrata (prilikom izračunavanja minimalne uštede). Dakle, možemo zaključiti o visokoj ekonomskoj učinkovitosti razvoja.

Osim toga, riješena su pitanja zaštite rada, električne sigurnosti i ekološke prihvatljivosti sustava. Utvrđen je izbor vodljivih kabela, filtera zračnih kanala.

Dakle, kao rezultat izvršenja teza izrađen je projekt modernizacije koji je optimalan u odnosu na sve postavljene zahtjeve. Ovaj projekt se preporučuje za realizaciju u skladu s uvjetima modernizacije opreme postrojenja.

Ako se učinkovitost i kvaliteta projekta potvrde probnim razdobljem, planira se implementacija razine otpreme korištenjem lokalne mreže poduzeća, kao i modernizacija ventilacije ostatka. industrijskih prostorija s ciljem njihovog spajanja u jedinstvenu industrijsku mrežu. U skladu s tim, ove faze uključuju razvoj dispečerskog softvera, vođenje dnevnika stanja sustava, grešaka, nezgoda (DB), organizaciju automatizirane radne stanice ili kontrolne stanice (KPU) Moguća je distribucija projektantskih rješenja za rješavanje problemi upravljanja zračno-toplinskim zavjesama radionica. Također je moguće razraditi slabe točke postojećeg sustava, poput modernizacije uređaja za obradu, kao i doradu ventila za usis zraka s mehanizmom protiv smrzavanja.

napomena

Diplomski projekt sadrži uvod, 8 poglavlja, zaključak, popis korištenih izvora, priloge i sastoji se od 141 stranice strojopisnog teksta s ilustracijama.

U prvom dijelu daje se pregled i analiza potrebe za projektiranjem automatskog sustava upravljanja dovodno-ispušnom ventilacijom (ACS PVV) proizvodnih pogona, marketinška studija ormara za automatizaciju. Razmatrano tipične sheme ventilacija i alternativni pristupi rješavanju problema diplomskog projektiranja.

Drugi dio opisuje postojeći PVV sustav na mjestu implementacije - OJSC "VOMZ", as tehnološki proces... Formira se generalizirani blok dijagram automatizacije za tehnološki proces pripreme zraka.

U trećem dijelu formuliran je prošireni tehnički prijedlog za rješavanje problema diplomskog dizajna.

Četvrti dio posvećen je razvoju ACS PVV. Odabrani su elementi automatizacije i upravljanja, prikazani su njihovi tehnički i matematički opisi. Opisan je algoritam za regulaciju temperature dovodnog zraka. Formiran je model i provedeno modeliranje rada ACS PVV za održavanje temperature zraka u prostoriji. Električno ožičenje je odabrano i opravdano. Izgrađen je satni ciklogram sustava.

Peti odjeljak daje tehničke karakteristike WAGO I/O sustava programabilnog logičkog kontrolera (PLC). Tablice priključaka senzora i aktuatora s PLC priključcima, uklj. i virtualno.

Šesti dio posvećen je razvoju algoritama za funkcioniranje i pisanje upravljačkog programa PLC-a. Utvrđen je izbor programskog okruženja. Dani su blok-algoritmi za obradu izvanrednih situacija od strane sustava, blok-algoritmi funkcionalnih blokova koji rješavaju probleme pokretanja, upravljanja i regulacije. Ovaj odjeljak uključuje rezultate testiranja i otklanjanja pogrešaka upravljačkog programa PLC-a.

Sedmi dio ispituje sigurnost i održivost projekta. Provodi se analiza opasnih i štetnih čimbenika tijekom rada ACS PVV, daju se rješenja o zaštiti rada i osiguravanju ekološke prihvatljivosti projekta. Razvija se zaštita sustava od izvanrednih situacija, uklj. jačanje sustava u smislu zaštite od požara i osiguranje stabilnosti rada kada hitne situacije... Prikazan je izrađen temeljni funkcionalni dijagram automatizacije sa specifikacijom.

Osmi dio posvećen je organizacijskoj i ekonomskoj utemeljenosti razvoja. Izračun cijene koštanja, učinkovitosti i razdoblja povrata razvoja projekta, uklj. uzimajući u obzir fazu provedbe. Oslikavaju se faze razvoja projekta, procjenjuje se radni intenzitet rada. Daje se ocjena ekonomske učinkovitosti projekta korištenjem SWOT analize razvoja.

U zaključku se iznose zaključci o diplomskom projektu.

Uvod

Automatizacija je jedan od najvažnijih čimbenika rasta produktivnosti rada u industrijskoj proizvodnji. Kontinuirani uvjet za ubrzanje stope rasta automatizacije je razvoj tehničkih sredstava automatizacije. Tehnička sredstva automatizacije uključuju sve uređaje koji su uključeni u sustav upravljanja i dizajnirani za primanje informacija, prijenos, pohranjivanje i transformaciju, kao i za provedbu kontrolnih i regulatornih radnji na objektu tehnološkog upravljanja.

Razvoj tehnoloških sredstava automatizacije složen je proces koji se temelji na interesima automatizirane proizvodnje potrošača, s jedne strane, i ekonomskim mogućnostima proizvodnih poduzeća, s druge strane. Primarni poticaj za razvoj je poboljšanje učinkovitosti proizvodnje – potrošača, kroz uvođenje nova tehnologija može biti izvedivo samo ako se trošak brzo nadoknadi. Stoga bi kriterij za sve odluke o razvoju i implementaciji novih sredstava trebao biti ukupni ekonomski učinak, uzimajući u obzir sve troškove razvoja, proizvodnje i implementacije. Sukladno tome, za razvoj treba uzeti proizvodnju, prije svega, one mogućnosti tehničkih sredstava koja daju maksimalni ukupni učinak.

Stalno širenje područja automatizacije jedno je od glavnih obilježja industrije u ovoj fazi.

Posebna se pozornost posvećuje pitanjima industrijske ekologije i industrijske sigurnosti. Prilikom projektiranja Moderna tehnologija, opreme i konstrukcija, potrebno je znanstveno pristupiti razvoju sigurnosti i neškodljivosti rada.

U sadašnjoj fazi razvoja Nacionalna ekonomija zemlji jedan od glavnih zadataka je povećanje učinkovitosti društvene proizvodnje na temelju znanstveno-tehničkog procesa i potpunijeg korištenja svih rezervi. Ovaj zadatak je neraskidivo povezan s problemom optimizacije dizajnerskih rješenja, čija je svrha stvaranje potrebnih preduvjeta za povećanje učinkovitosti kapitalnih ulaganja, smanjenje razdoblja povrata i osiguranje najvećeg povećanja proizvodnje za svaku potrošenu rublju. Povećanje produktivnosti rada, proizvodnju kvalitetnih proizvoda, poboljšanje uvjeta rada i odmora radnika osiguravaju ventilacijski sustavi koji stvaraju potrebnu mikroklimu i kvalitetu zračnog okoliša u prostorijama.

Svrha diplomskog projekta je razvoj automatskog sustava upravljanja dovodno-ispušnom ventilacijom (ACS PVV) proizvodnih pogona.

Problem koji se razmatra u diplomskom projektu posljedica je propadanja PVV sustava automatizacije koji postoji u OJSC Vologda Optical and Mechanical Plant. Osim toga, sustav je dizajniran na distribuiran način, što eliminira mogućnost centraliziranog upravljanja i nadzora. Za objekt izvedbe odabrano je mjesto za brizganje (B-kategorija za protupožarnu sigurnost), kao i susjedni prostori - mjesto za CNC strojeve, ured za planiranje i otpremu, skladišta.

Ciljevi diplomskog projekta formulirani su kao rezultat proučavanja trenutnog stanja ACS PVV i na temelju analitičkog pregleda dati su u odjeljku 3 "Tehnički prijedlog".

Korištenje kontrolirane ventilacije otvara nove mogućnosti za rješavanje navedenih problema. Razvijeni sustav automatskog upravljanja trebao bi biti optimalan u smislu obavljanja naznačenih funkcija.

Kao što je gore navedeno, relevantnost razvoja posljedica je zastarjelosti postojećeg ACS PVV, povećanja broja radovi na obnovi na ventilacijskim "putovima", te opći porast incidencije respiratornog trakta i prehlade kod radnika, sklonost pogoršanju dobrobiti tijekom dugotrajnog rada i, kao posljedicu, opći pad produktivnosti rada i kvalitete proizvoda. Važno je napomenuti da postojeći ACS PVV nije povezan s protupožarnom automatikom, što je nedopustivo za ovakvu proizvodnju. Razvoj novog ACS PVV izravno je vezan uz politiku kvalitete tvornice (ISO 9000), kao i programe modernizacije opreme postrojenja i automatizacije sustava za održavanje života postrojenja.

Diplomski projekt koristi internetske resurse (forumi, elektroničke knjižnice, članci i publikacije, elektronički portali), kao i tehničku literaturu potrebnog predmetnog područja i tekstove standarda (GOST, SNIP, SanPiN). Također, razvoj ACS PVV provodi se uzimajući u obzir prijedloge i preporuke stručnjaka, na temelju postojećih planova ugradnje, kabelskih trasa, sustava zračnih kanala.

Vrijedi napomenuti da problem koji se dotiče u diplomskom projektu ima mjesta u gotovo svim starim tvornicama vojno-industrijskog kompleksa, a preopremanje radionica jedan je od najvažnijih zadataka u smislu osiguranja kvalitete proizvoda za krajnjeg korisnika. Stoga će dizajn diplome odražavati stečeno iskustvo u rješavanju sličnih problema u poduzećima sa sličnom vrstom proizvodnje.

1. Analitički pregled

1.1 Opća analiza potreba za projektiranjem ACS PVV

Najvažniji izvor uštede goriva i energetskih resursa koji se troše na opskrbu toplinom velikih industrijskih zgrada sa značajnom potrošnjom toplinske i električne energije je povećanje učinkovitosti sustava. dovodna i ispušna ventilacija(PVV) temeljeno na korištenju suvremenih napretka u računalstvu i tehnologiji upravljanja.

Obično se za upravljanje ventilacijskim sustavom koriste sredstva lokalne automatizacije. Glavni nedostatak takve regulacije je što ne uzima u obzir stvarnu ravnotežu zraka i topline zgrade i stvarne vremenske uvjete: vanjska temperatura, brzina i smjer vjetra, atmosferski tlak.

Stoga, pod utjecajem lokalnih sredstava automatizacije, sustav ventilacije zraka obično ne radi u optimalnom načinu rada.

Učinkovitost dovodno-ispušnog ventilacijskog sustava može se značajno povećati ako se provodi optimalna kontrola sustava, temeljena na korištenju skupa odgovarajućeg hardvera i softvera.

Formiranje toplinski uvjeti može se predstaviti kao interakcija ometajućih i regulacijskih čimbenika. Za određivanje regulacijskog djelovanja potrebne su informacije o svojstvima i broju ulaznih i izlaznih parametara te uvjetima za proces prijenosa topline. Budući da je svrha upravljanja ventilacijskom opremom osigurati potrebne uvjete zraka u radnom području prostorija zgrada uz minimalne troškove energije i materijala, pomoću računala će biti moguće pronaći najbolju opciju i razviti odgovarajuće upravljačke radnje na ovaj sustav. Kao rezultat toga, računalo s odgovarajućim skupom hardvera i softvera čini automatizirani sustav upravljanja toplinskim režimom prostorija u zgradama (ACS TRP). Također treba napomenuti da se računalom može shvatiti i upravljačka ploča PVA i konzola za praćenje stanja PVA, kao i jednostavno računalo s programom za modeliranje ACS PVV, obradu rezultata i operativna kontrola na temelju njih.

Sustav automatskog upravljanja je kombinacija upravljačkog objekta (kontroliranog tehnološkog procesa) i upravljačkih uređaja, čija interakcija osigurava automatski tijek procesa u skladu s zadanim programom. U ovom slučaju, tehnološki proces se shvaća kao slijed radnji koje se moraju izvesti da bi se od sirovine dobio gotov proizvod. U slučaju PVH, gotov proizvod je zrak u prostoriji s posadom s određenim parametrima (temperatura, sastav plina i sl.), a sirovina je vanjski i odvodni zrak, nosači topline, električna energija itd.

Funkcioniranje ACS PVV, kao i svakog upravljačkog sustava, treba se temeljiti na principu Povratne informacije(OS): razvoj upravljačkih radnji na temelju informacija o objektu, dobivenih pomoću senzora instaliranih ili distribuiranih na objektu.

Svaki specifični ACS razvijen je na temelju navedene tehnologije za obradu ulaznog protoka zraka. Često je sustav dovodne i ispušne ventilacije povezan s klimatizacijskim (pripremnim) sustavom, što se odražava u dizajnu automatizacije upravljanja.

Kada koristite samostalne uređaje ili kompletne tehnološke instalacije ACS za klimatizaciju isporučuju se već ugrađeni u opremu i već postavljeni s određenim upravljačkim funkcijama, koje su obično detaljno opisane u tehničkoj dokumentaciji. U tom slučaju, podešavanje, servis i rad takvih upravljačkih sustava moraju se provoditi strogo u skladu s navedenom dokumentacijom.

Analiza tehnička rješenja moderne klima komore vodećih tvrtki - proizvođača ventilacijske opreme pokazale su da se kontrolne funkcije mogu uvjetno podijeliti u dvije kategorije:

Upravljačke funkcije određene tehnologijom i opremom za obradu zraka;

Dodatne funkcije, koje su uglavnom uslužne, prikazane su kao know-how tvrtki i ovdje se ne razmatraju.

Općenito, glavne tehnološke funkcije upravljanja IWV mogu se podijeliti u sljedeće skupine (Sl.1.1)

Riža. 1.1 - Glavne tehnološke funkcije upravljanja IWV

Opišimo što se podrazumijeva pod funkcijama IWP-a prikazanih na Sl. 1.1.

1.1.1 Funkcija "upravljački i registarski parametri"

U skladu sa SNiP 2.04.05-91, obvezni kontrolni parametri su:

Temperatura i tlak u zajedničkim dovodnim i povratnim cjevovodima i na izlazu svakog izmjenjivača topline;

Vanjska temperatura zraka, dovodni zrak nakon izmjenjivača topline, kao i unutarnja temperatura;

MPC standardi za štetne tvari u zraku izvučenom iz prostorije (prisutnost plinova, produkata izgaranja, netoksične prašine).

Ostali parametri u sustavima dovodne i ispušne ventilacije kontroliraju se na zahtjev tehnički uvjeti za opremu ili za radne uvjete.

Daljinsko upravljanje je predviđeno za mjerenje glavnih parametara tehnološkog procesa ili parametara uključenih u provedbu drugih upravljačkih funkcija. Takva se kontrola provodi pomoću senzora i mjernih pretvarača s izlazom (ako je potrebno) izmjerenih parametara na indikator ili zaslon upravljačkog uređaja (upravljačka ploča, računalni monitor).

Za mjerenje drugih parametara obično se koriste lokalni (prijenosni ili stacionarni) instrumenti - pokazni termometri, manometri, uređaji za spektralnu analizu sastava zraka itd.

Korištenjem lokalnih upravljačkih uređaja ne narušava se osnovno načelo upravljačkih sustava – princip povratne sprege. U ovom slučaju se ostvaruje ili uz pomoć osobe (operatera ili servisera), ili uz pomoć upravljačkog programa "žičano" uklopljenog u memoriju mikroprocesora.

1.1.2 Funkcija "operativno i softversko upravljanje"

Važno je implementirati opciju kao što je "početni slijed". Kako bi se osiguralo normalno pokretanje IWV sustava, potrebno je uzeti u obzir sljedeće:

Predotvaranje zračnih zaklopki prije pokretanja ventilatora. To je učinjeno zbog činjenice da ne mogu sve zaklopke u zatvorenom stanju izdržati razliku tlaka koju stvara ventilator, a vrijeme za potpuno otvaranje zaklopke električnim pogonom doseže dvije minute.

Razdvajanje momenata pokretanja elektromotora. Asinkroni motoričesto mogu imati velike početne struje. Ako se ventilatori, pogoni zračnih zaklopki i drugi pogoni pokrenu u isto vrijeme, tada će zbog velikog opterećenja električne mreže zgrade napon dramatično pasti, a elektromotori se možda neće pokrenuti. Stoga se pokretanje elektromotora, posebno velike snage, mora rasporediti na vrijeme.

Predgrijavanje grijača zraka. Ako zavojnica tople vode nije prethodno zagrijana, zaštita od smrzavanja može se aktivirati pri niskim vanjskim temperaturama. Stoga je prilikom pokretanja sustava potrebno otvoriti zaklopke dovodnog zraka, otvoriti trosmjerni ventil bojler i zagrijte grijač. U pravilu se ova funkcija aktivira kada je vanjska temperatura ispod 12 °C.

Obrnuta opcija - "zaustavljanje redoslijeda" Prilikom isključivanja sustava uzmite u obzir:

Odgoda za zaustavljanje ventilatora dovodnog zraka u jedinicama s električnim grijačem. Nakon uklanjanja napona s električnog grijača, ohladite ga neko vrijeme bez isključivanja ventilatora dovodnog zraka. Inače, grijaći element grijača zraka (termoelektrični grijač - grijaći element) može pokvariti. Za postojeće zadatke diplomskog projektiranja ova opcija nije važna zbog korištenja bojlera, ali ju je također važno napomenuti.

Tako je na temelju istaknutih opcija operativnog i programskog upravljanja moguće prikazati tipičan raspored uključivanja i isključivanja uređaja PVV uređaja.

Riža. 1.2 - Tipični ciklogram rada ACS PVV s bojlerom

Cijeli ovaj ciklus (slika 1.2), sustav bi trebao raditi automatski, a osim toga treba osigurati individualno pokretanje opreme, što je potrebno za prilagodbu i preventivni rad.

Funkcije upravljanja programom, poput promjene načina rada "zima-ljeto", nisu od male važnosti. Implementacija ovih funkcija u modernim uvjetima nedostatak energetskih resursa. U regulatornim dokumentima obavljanje ove funkcije je preporučljivog karaktera - "za javne, upravne i udobne i industrijske zgrade u pravilu treba predvidjeti programsku regulaciju parametara kako bi se osiguralo smanjenje potrošnje topline."

U najjednostavnijem slučaju, ove funkcije omogućuju ili isključivanje IHV-a u određenom trenutku ili smanjenje (povećanje) zadane vrijednosti kontroliranog parametra (na primjer, temperature) ovisno o promjeni toplinskog opterećenja u prostoriji s posadom. .

Učinkovitiji, ali i teži za implementaciju je softversko upravljanje, koje omogućuje automatsku promjenu strukture PVA i algoritma njegova funkcioniranja ne samo u tradicionalnom načinu rada "zima-ljeto", već iu prijelaznim načinima rada. Analiza i sinteza strukture i algoritma njezina funkcioniranja obično se provodi na temelju njihovog termodinamičkog modela.

U ovom slučaju, glavni kriterij motivacije i optimizacije u pravilu je želja da se osigura, eventualno, minimalna potrošnja energije uz ograničenja kapitalnih troškova, dimenzija itd.

1.1.3 Funkcija " zaštitne funkcije i blokiranje"

Zaštitne funkcije i blokade uobičajene za automatizirane sustave i električnu opremu (zaštita od kratkih spojeva, pregrijavanja, ograničenja kretanja, itd.) dogovaraju se među agencijama regulatorni dokumenti... Takve se funkcije obično provode zasebnim uređajima (osigurači, uređaji za diferencijalnu struju, krajnji prekidači itd.). Njihovo korištenje regulirano je pravilima za električne instalacije (PUE), pravilima sigurnost od požara(PPB).

Zaštita od smrzavanja. U područjima s projektiranom vanjskom temperaturom zraka za hladno razdoblje od minus 5 °C i niže potrebno je osigurati automatsku funkciju zaštite od smrzavanja. Izmjenjivači topline prvog grijanja (bojler) i rekuperatori (ako ih ima) podliježu zaštiti.

Obično se zaštita izmjenjivača topline od smrzavanja temelji na senzorima ili senzorima-relejima temperature zraka iza uređaja i temperature rashladne tekućine u povratnoj cijevi.

Opasnost od smrzavanja predviđa se temperaturom zraka ispred aparata (tn<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.

Izvan radnog vremena za sustave sa zaštitom od smrzavanja, ventil treba ostati otvoren (5-25%) sa zatvorenom zaklopkom vanjskog zraka. Za veću pouzdanost zaštite kada je sustav isključen, ponekad se implementira funkcija automatske regulacije (stabilizacije) temperature vode u povratnom cjevovodu.

1.1.4 Funkcija "zaštita tehnološke opreme i električne opreme"

1. Kontrola kontaminacije filtera

Kontrola začepljenja filtera ocjenjuje se padom tlaka na filteru, koji se mjeri senzorom diferencijalnog tlaka. Senzor mjeri razliku u tlaku zraka prije i poslije filtera. Dopušteni pad tlaka na filteru naveden je u njegovoj putovnici (za manometre prikazane na tvorničkim dišnim putovima, prema tehničkom listu - 150-300 Pa). Ova razlika se postavlja tijekom puštanja sustava u pogon na diferencijalnom senzoru (zadana vrijednost senzora). Kada se postigne zadana vrijednost, senzor šalje signal o maksimalnom sadržaju prašine u filteru i potrebi njegovog održavanja ili zamjene. Ako se filtar ne očisti ili zamijeni unutar određenog vremenskog razdoblja (obično 24 sata) nakon izdavanja alarma za ograničenje prašine, preporuča se osigurati isključivanje sustava u nuždi.

Preporuča se ugraditi slične senzore na ventilatore. Ako ventilator ili pogonski remen ventilatora pokvari, sustav se mora isključiti u hitnom načinu rada. Međutim, takvi se senzori često zanemaruju iz razloga ekonomičnosti, što uvelike komplicira dijagnostiku sustava i otklanjanje kvarova u budućnosti.

2. Ostale automatske brave

Osim toga, treba osigurati automatske brave za:

Otvaranje i zatvaranje zaklopki vanjskog zraka prilikom uključivanja i isključivanja ventilatora (zaklopka);

Ventili za otvaranje i zatvaranje ventilacijskih sustava spojenih zračnim kanalima za potpunu ili djelomičnu zamjenjivost u slučaju kvara jednog od sustava;

Zatvaranje ventila ventilacijskih sustava za prostorije zaštićene plinskim instalacijama za gašenje požara kada su ventilatori ventilacijskih sustava tih prostorija isključeni;

Osiguravanje minimalnog protoka vanjskog zraka u sustavima s promjenjivim protokom zraka itd.

1.1.5 Regulatorne funkcije

Regulacijske funkcije - automatsko održavanje zadanih parametara je po definiciji osnovno za sustave dovodne i ispušne ventilacije koji rade s promjenjivim brzinama protoka, recirkulacijom zraka i grijanjem zraka.

Te se funkcije izvode pomoću zatvorenih upravljačkih petlji, u kojima je princip povratne sprege prisutan u eksplicitnom obliku: informacije o objektu koje dolaze iz senzora pretvaraju se regulacijskim uređajima u kontrolna djelovanja. Na sl. 1.3 prikazuje primjer petlje za kontrolu temperature dovodnog zraka u kanalnom klima uređaju. Temperaturu zraka održava bojler kroz koji se prolazi nosač topline. Zrak koji prolazi kroz grijač se zagrijava. Temperaturu zraka nakon bojlera mjeri senzor (T), a zatim se njegova vrijednost prenosi na uređaj za usporedbu (US) izmjerene vrijednosti temperature i zadane temperature. Ovisno o razlici između zadane temperature (Tset) i izmjerene vrijednosti temperature (Tmeas), upravljački uređaj (P) generira signal koji utječe na aktuator (M - motor trosmjernog ventila). Električni aktuator otvara ili zatvara trosmjerni ventil u položaj u kojem je pogreška:

e = Tust - Tism

bit će minimalan.

Riža. 1.3 - Petlja za kontrolu temperature dovodnog zraka u zračnom kanalu s vodenim izmjenjivačem topline: T - senzor; US - uređaj za usporedbu; R - regulacijski uređaj; M - izvršni uređaj

Dakle, izgradnja automatskog upravljačkog sustava (ACS) na temelju zahtjeva za točnost i drugih parametara njegovog rada (stabilnost, oscilacija i sl.) svodi se na izbor njegove strukture i elemenata, kao i na određivanje parametri kontrolera. To obično rade stručnjaci za automatizaciju koristeći klasičnu teoriju upravljanja. Napomenut ću samo da su parametri podešavanja regulatora određeni dinamičkim svojstvima regulacijskog objekta i odabranim regulacijskim zakonom. Regulacijski zakon je odnos između ulaznog (?) i izlaznog (Ur) signala regulatora.

Najjednostavniji je zakon proporcionalne regulacije, u kojem? i Ur su međusobno povezani konstantnim koeficijentom Kp. Ovaj koeficijent je parametar podešavanja takvog regulatora, koji se naziva P-regulator. Njegova provedba zahtijeva korištenje podesivog elementa za pojačanje (mehaničkog, pneumatskog, električnog itd.), koji može funkcionirati i uz pomoć dodatnog izvora energije i bez njega.

Jedna od varijanti P-regulatora su pozicijski regulatori koji provode proporcionalni zakon upravljanja na Kp i generiraju izlazni signal Ur koji ima određeni broj konstantnih vrijednosti, na primjer, dvije ili tri, što odgovara regulatorima s dva ili tri položaja . Takvi se regulatori ponekad nazivaju relejnim regulatorima zbog sličnosti njihovih grafičkih karakteristika s karakteristikama releja. Parametar podešavanja takvih regulatora je vrijednost mrtve zone De.

U tehnologiji automatizacije ventilacijskih sustava, s obzirom na njihovu jednostavnost i pouzdanost, on-off regulatori su našli široku primjenu u regulaciji temperature (termostati), tlaka (tlačne sklopke) i drugih parametara stanja procesa.

On-off kontroleri se također koriste u sustavima automatske zaštite, blokadama i sklopnim načinima rada opreme. U ovom slučaju njihove funkcije izvode relejni senzori.

Unatoč navedenim prednostima P-regulatora, oni imaju veliku statičku pogrešku (pri niskim vrijednostima Kp) i sklonost samooscilacijama (pri velikim vrijednostima Kp). Stoga se uz veće zahtjeve za upravljačke funkcije sustava automatizacije u smislu točnosti i stabilnosti koriste i složeniji zakoni upravljanja, na primjer, PI i PID zakoni.

Također, regulaciju temperature grijanja zraka moguće je izvršiti P-regulatorom koji radi po principu balansiranja: povećati temperaturu kada je njezina vrijednost manja od zadane vrijednosti, i obrnuto. Ovo tumačenje zakona našlo je primjenu i u sustavima koji ne zahtijevaju veliku preciznost.

1.2 Analiza postojećih tipičnih shema automatizacije ventilacije u proizvodnim objektima

Postoji niz standardnih implementacija automatizacije sustava dovodne i ispušne ventilacije, od kojih svaka ima niz prednosti i nedostataka. Želio bih napomenuti da je unatoč prisutnosti mnogih tipičnih shema i razvoja vrlo teško stvoriti takav ACS koji bi bio fleksibilan u pogledu postavki u odnosu na proizvodnju u kojoj se implementira. Dakle, za projektiranje ACS PVV potrebna je temeljita analiza postojeće ventilacijske konstrukcije, analiza tehnoloških procesa proizvodnog ciklusa, kao i analiza zahtjeva zaštite rada, ekologije, električne i protupožarne sigurnosti. . Štoviše, često dizajnirani ACS PVV specijaliziran je u odnosu na svoje područje primjene.

U svakom slučaju, sljedeće grupe se obično smatraju tipičnim početnim podacima u početnoj fazi projektiranja:

1. Opći podaci: teritorijalni položaj objekta (grad, okrug); vrsti i namjeni objekta.

2. Podaci o zgradi i prostorijama: nacrti i presjeci s naznakom svih dimenzija i kota u odnosu na tlo; navođenje kategorija prostora (na arhitektonskim planovima) u skladu s protupožarnim propisima; dostupnost tehničkih područja s naznakom njihove veličine; mjesto i karakteristike postojećih ventilacijskih sustava; karakteristike nositelja energije;

3. Podaci o tehnološkom procesu: nacrti tehnološkog projekta (planovi) s naznakom mjesta tehnološke opreme; specifikacija opreme s naznakom instaliranih kapaciteta; karakteristike tehnološkog režima - broj radnih smjena, prosječan broj radnika po smjeni; način rada opreme (istovremeni rad, faktori opterećenja itd.); količina štetnih emisija u zrak (MPC štetnih tvari).

Kao početne podatke za izračun automatizacije PVA sustava uzmite:

Performanse postojećeg sustava (snaga, izmjena zraka);

Popis parametara zraka koje treba regulirati;

Ograničenja regulacije;

Rad automatizacije kada se signali primaju iz drugih sustava.

Dakle, izvedba sustava automatizacije osmišljena je na temelju zadataka koji su mu dodijeljeni, uzimajući u obzir pravila i propise, kao i opće početne podatke i dijagrame. Izrada dijagrama i odabir opreme za sustav automatizacije ventilacije provodi se pojedinačno.

Predstavimo postojeće tipične sheme sustava upravljanja dovodno-ispušnom ventilacijom, okarakteriziramo neke od njih u pogledu mogućnosti njihove primjene za rješavanje problema diplomskog projekta (sl. 1.4 - 1.5, 1.9).

Riža. 1.4 -SAU ventilacija s izravnim protokom

Ovi sustavi automatizacije našli su aktivnu primjenu u tvornicama, tvornicama i uredskim prostorima. Upravljački objekt ovdje je ormar za automatizaciju (upravljačka ploča), uređaji za fiksiranje su senzori kanala, upravljačko djelovanje vrši se na motore motora ventilatora, motore zaklopke. Tu je i ACS za grijanje/hlađenje zraka. Gledajući unaprijed, može se primijetiti da je sustav prikazan na slici 1.4a prototip sustava koji se mora koristiti u sekciji za injekcijsko prešanje OJSC “Vologda optičko-mehanička tvornica”. Hlađenje zraka u industrijskim prostorima je neučinkovito zbog volumena tih prostora, a grijanje je preduvjet za ispravno funkcioniranje ACS PVV.

Riža. 1.5- ACS ventilacija s izmjenjivačima topline

Izgradnja ACS PVV uz korištenje izmjenjivača topline (rekuperatora) omogućuje rješavanje problema prekomjerne potrošnje električne energije (za električne grijače), problema emisija u okoliš. Smisao rekuperacije je u tome da zrak nepovratno uklonjen iz prostorije, koji ima podešenu temperaturu u prostoriji, izmjenjuje energiju s ulaznim vanjskim zrakom, čiji se parametri u pravilu značajno razlikuju od zadanih. Oni. zimi izvučeni topli odvodni zrak dijelom zagrijava vanjski dovodni zrak, a ljeti hladniji odvodni zrak dijelom hladi dovodni zrak. U najboljem slučaju, uz rekuperaciju, potrošnja energije za pročišćavanje dovodnog zraka može se smanjiti za 80%.

Tehnički, rekuperacija u dovodnoj i ispušnoj ventilaciji provodi se pomoću rotirajućih izmjenjivača topline i sustava sa srednjim nosačem topline. Tako dobivamo dobitak kako u zagrijavanju zraka tako i u smanjenju otvaranja zaklopki (dopušteno je duže vrijeme mirovanja motora koji upravljaju zaklopkama) - sve to daje ukupni dobitak u smislu uštede energije.

Sustavi povrata topline su perspektivni i aktivni te se uvode kako bi zamijenili stare ventilacijske sustave. Međutim, treba napomenuti da su takvi sustavi vrijedni dodatnog ulaganja, međutim, njihov rok povrata je relativno kratak, a isplativost vrlo visoka. Također, odsutnost stalnog ispuštanja u okoliš povećava ekološki učinak takve organizacije automatizacije PVA. Pojednostavljeni rad sustava s povratom topline iz zraka (recirkulacija zraka) prikazan je na slici 1.6.

Riža. 1.6 - Rad sustava za izmjenu zraka s recirkulacijom (rekuperacijom)

Poprečni ili pločasti rekuperatori (sl. 1.5 c, d) sastoje se od ploča (aluminijskih), koje predstavljaju sustav kanala za strujanje dvije struje zraka. Zidovi kanala su uobičajeni za dovod i odvod zraka i lako se prenose. Zbog velike površine izmjene i turbulentnog strujanja zraka u kanalima, postiže se visok stupanj povrata topline (prijenos topline) uz relativno mali hidraulični otpor. Učinkovitost pločastih rekuperatora doseže 70%.

Riža. 1.7 - Organizacija izmjene zraka ACS PVV na temelju pločastih rekuperatora

Od tada se povrati samo osjetljiva toplina odvodnog zraka dovodni i odvodni zrak se ni na koji način ne miješaju, a kondenzat koji nastaje tijekom hlađenja odvodnog zraka zadržava se separatorom i odvodi ga sustavom odvodnje iz odvodne posude. Kako bi se spriječilo smrzavanje kondenzata pri niskim temperaturama (do -15 ° C), formirani su odgovarajući zahtjevi za automatizaciju: mora osigurati periodično gašenje dovodnog ventilatora ili uklanjanje dijela vanjskog zraka u obilazni kanal zaobilaznim kanalom. kanali rekuperatora. Jedino ograničenje u primjeni ove metode je obvezno križanje dovodne i ispušne grane na jednom mjestu, što u slučaju jednostavne modernizacije ACS-a nameće niz poteškoća.

Sustavi rekuperacije sa srednjim nosačem topline (slika 1.5 a, b) su par izmjenjivača topline povezanih zatvorenim cjevovodom. Jedan izmjenjivač topline nalazi se u ispušnom, a drugi u dovodnom kanalu. Mješavina glikola protiv smrzavanja cirkulira u zatvorenoj petlji, prenoseći toplinu s jednog izmjenjivača topline na drugi, a u ovom slučaju udaljenost od dovodne jedinice do ispušne jedinice može biti prilično značajna.

Učinkovitost povrata topline ovom metodom ne prelazi 60%. Trošak je relativno visok, ali u nekim slučajevima to može biti jedina opcija povrata topline.

Riža. 1.8 - Princip povrata topline pomoću srednjeg nosača topline

Rotacijski izmjenjivač topline (rotirajući izmjenjivač topline, rekuperator) je rotor s kanalima za horizontalni prolaz zraka. Dio rotora nalazi se u ispušnom, a dio u dovodnom kanalu. Rotirajući, rotor prima toplinu odvodnog zraka i prenosi je na dovodni zrak, a prenosi se i osjetna i latentna toplina, kao i vlaga. Učinkovitost povrata topline je maksimalna i doseže 80%.

Riža. 1.9 - ACS PVV s rotacijskim rekuperatorom

Ograničenje primjene ove metode prije svega nameće činjenica da se do 10% odvodnog zraka miješa s dovodnim zrakom, au nekim slučajevima to je neprihvatljivo ili nepoželjno (ako je zrak značajno onečišćen). . Zahtjevi dizajna slični su prethodnoj verziji - stroj za ispušni i dovodni zrak nalaze se na jednom mjestu. Ova metoda je skuplja od prve i koristi se rjeđe.

Općenito, sustavi s rekuperacijom su 40-60% skuplji od sličnih sustava bez rekuperacije, ali će se operativni troškovi značajno razlikovati. Čak i uz današnje cijene energije, vrijeme povrata rekuperacijskog sustava ne prelazi dvije sezone grijanja.

Želio bih napomenuti da na uštedu energije utječu i kontrolni algoritmi. Međutim, uvijek treba imati na umu da su svi ventilacijski sustavi dizajnirani za neke prosječne uvjete. Primjerice, potrošnja vanjskog zraka određena je na jedan broj ljudi, ali u stvarnosti prostorija može biti manja od 20% prihvaćene vrijednosti, naravno, u tom slučaju će procijenjena potrošnja vanjskog zraka biti očito pretjerana, rad ventilacije u prekomjernom načinu rada dovest će do neopravdanog gubitka energetskih resursa. U ovom slučaju, logično je razmotriti nekoliko načina rada, na primjer, zima / ljeto. Ako automatizacija uspije uspostaviti takve načine rada, uštede su očite. Drugi pristup se odnosi na regulaciju protoka vanjskog zraka ovisno o kvaliteti unutarnjeg plinskog okoliša, t.j. sustav automatizacije uključuje plinske analizatore za štetne plinove i odabire vrijednost protoka vanjskog zraka na način da sadržaj štetnih plinova ne prelazi maksimalno dopuštene vrijednosti.

1.3 Marketinško istraživanje

Trenutno su svi vodeći svjetski proizvođači ventilacijske opreme široko zastupljeni na tržištu automatizacije za dovodnu i ispušnu ventilaciju, svaki od njih specijaliziran za proizvodnju opreme u određenom segmentu. Cijelo tržište ventilacijske opreme može se grubo podijeliti u sljedeća područja primjene:

Kućanske i poluindustrijske namjene;

Za industrijske potrebe;

Oprema za ventilaciju za "specijalne" namjene.

Budući da se u diplomskom projektu razmatra projektiranje automatizacije za opskrbno-ispušne sustave industrijskih prostora, onda je za usporedbu predloženog razvoja s onima dostupnim na tržištu potrebno odabrati slične postojeće pakete automatizacije poznatih proizvođača.

Rezultati marketinške studije postojećih ACS PVV paketa prikazani su u Dodatku A.

Tako je kao rezultat marketinškog istraživanja razmatrano nekoliko najčešće korištenih ACS PVV-ova različitih proizvođača, proučavanjem njihove tehničke dokumentacije dobivene su informacije:

Sastav odgovarajućeg paketa ACS PVV;

Registar kontrolnih parametara (tlak u zračnim kanalima, temperatura, čistoća, vlažnost zraka);

Marka programabilnog logičkog kontrolera i njegove opreme (softver, naredbeni sustav, principi programiranja);

Dostupnost veza s drugim sustavima (da li postoji veza s vatrogasnom automatikom, postoji li podrška za LAN protokole);

Zaštitna svojstva (električna sigurnost, sigurnost od požara, zaštita od prašine, otpornost na buku, zaštita od vlage).

2. Opis ventilacijske mreže proizvodne radionice kao objekta automatskog upravljanja

Općenito, na temelju rezultata analize dostupnih pristupa automatizaciji sustava ventilacije i pripreme zraka, kao i rezultata analitičkih pregleda tipičnih shema, može se zaključiti da su zadaci razmatrani u diplomskom projektu relevantni i trenutno, aktivno razmatrani i proučavani od strane specijaliziranih projektantskih biroa (SKB).

Napominjem da postoje tri glavna pristupa implementaciji automatizacije za ventilacijski sustav:

Distribuirani pristup: implementacija IWV automatizacije na temelju lokalne sklopne opreme, svaki ventilator kontrolira odgovarajući uređaj.

Ovaj pristup se koristi za projektiranje automatizacije relativno malih ventilacijskih sustava, u kojima se ne očekuje daljnje širenje. On je najstariji. Prednosti ovog pristupa uključuju, na primjer, činjenicu da u slučaju nezgode u jednoj od nadziranih ventilacijskih grana, sustav vrši hitno zaustavljanje samo za ovu poveznicu / dionicu. Osim toga, ovaj pristup je relativno jednostavan za implementaciju, ne zahtijeva složene algoritme upravljanja i pojednostavljuje održavanje uređaja ventilacijskog sustava.

Centralizirani pristup: implementacija PVV automatizacije na temelju grupe logičkih kontrolera ili programabilnog logičkog kontrolera (PLC), cijeli ventilacijski sustav kontrolira se centralno u skladu s programom i podacima.

Centralizirani pristup je pouzdaniji od distribuiranog. Cijelo upravljanje IAP-om je kruto, provodi se na temelju programa. Ova okolnost nameće dodatne zahtjeve kako za pisanje programskog koda (potrebno je uzeti u obzir mnoge uvjete, uključujući radnje u izvanrednim situacijama), tako i za posebnu zaštitu upravljačkog PLC-a. Ovaj pristup pronašao je primjenu za male administrativne i industrijske komplekse. Odlikuje ga fleksibilnost postavki, mogućnost skaliranja sustava do razumnih granica, kao i mogućnost mobilne integracije sustava prema mješovitom principu organizacije;

Mješoviti pristup: koristi se u projektiranju velikih sustava (veliki broj upravljane opreme s velikim performansama), kombinacija je distribuiranog i centraliziranog pristupa. U općem slučaju, ovaj pristup pretpostavlja hijerarhiju razina na čelu s upravljačkim računalom i podređenim "mikroračunalima", čime se formira kontrolna proizvodna mreža koja je globalna u odnosu na poduzeće. Drugim riječima, ovaj pristup je distribuirano-centralizirani pristup s dispečiranjem sustava.

U aspektu problema riješenog u diplomskom dizajnu, najpoželjniji je centralizirani pristup implementaciji automatizacije PVA. Budući da se sustav razvija za male industrijske prostore, ovaj pristup je moguće koristiti i za druge objekte s ciljem njihove naknadne integracije u jedinstveni ACS PVV.

Često je predviđeno sučelje za ormare za upravljanje ventilacijom koje omogućuje praćenje stanja ventilacijskog sustava s izlazom informacija na računalni monitor. No, vrijedno je napomenuti da ova implementacija zahtijeva dodatne komplikacije kontrolnog programa, obuku stručnjaka koji prati stanje i donosi operativne odluke na temelju vizualno dobivenih podataka iz ispitivačkih senzora. Osim toga, faktor ljudske pogreške u hitnim situacijama uvijek je inherentan. Stoga je implementacija ovog uvjeta prije dodatna opcija dizajnu paketa PVV automatizacije.

2.1 Opis postojećeg automatskog sustava upravljanja dovodno-ispušnom ventilacijom proizvodnih pogona

Kako bi se osigurao osnovni princip ventilacije proizvodnih radionica, koji se sastoji u održavanju parametara i sastava zraka u dopuštenim granicama, potrebno je dovod čistog zraka u mjesta gdje se radnici nalaze, uz naknadnu distribuciju zraka po cijelom prostoru. soba.

Ispod na sl. 2.1 prikazuje ilustraciju tipičnog dovodno-ispušnog ventilacijskog sustava, sličnog onom koji je dostupan na mjestu implementacije.

Sustav ventilacije industrijskih prostora sastoji se od ventilatora, zračnih kanala, vanjskih uređaja za usis zraka, uređaja za čišćenje zraka koji ulazi i ispušta u atmosferu te uređaja za grijanje zraka (bojlera).

Projektiranje postojećih dovodno-ispušnih ventilacijskih sustava provedeno je u skladu sa zahtjevima SNiP II 33-75 "Grijanje, ventilacija i klimatizacija", kao i GOST 12.4.021-75 "SSBT. Ventilacijski sustavi. Opći zahtjevi“, koji specificira zahtjeve za ugradnju, puštanje u rad i rad.

Pročišćavanje onečišćenog zraka koji se emitira u atmosferu provodi se posebnim uređajima - separatorima prašine (koriste se na mjestu proizvodnje injekcijskog prešanja), filterima zračnih kanala itd. Treba napomenuti da separatori prašine ne zahtijevaju dodatnu kontrolu i aktiviraju se kada se uključena je ispušna ventilacija.

Također, pročišćavanje zraka koji se izvlači iz radnog prostora može se provoditi u komorama za taloženje prašine (samo za krupnu prašinu) i elektrofilterima (za finu prašinu). Pročišćavanje zraka od štetnih plinova provodi se pomoću posebnih apsorbirajućih i deaktivirajućih tvari, uključujući i one koje se primjenjuju na filtere (u filterskim ćelijama).

Riža. 2.1 - Sustav dovodne i ispušne ventilacije proizvodnog odjela 1 - uređaj za usis zraka; 2 - kalorifikatori za grijanje; 3- dovodni ventilator; 4 - glavni zračni kanal; 5 - grane zračnog kanala; 6 - dovodne mlaznice; 7 - lokalno usisavanje; 8 i 9 - majstor. kanal za ispušni zrak; 10 - separator prašine; 11 - ispušni ventilator; 12 - rudničko ispuštanje pročišćenog zraka u atmosferu

Automatizacija postojećeg sustava je relativno jednostavna. Proces ventilacije je sljedeći:

1. početak radne smjene - pokreće se dovodno-ispušni ventilacijski sustav. Ventilatori se pokreću centraliziranim starterom. Drugim riječima, upravljačka ploča se sastoji od dva pokretača - za pokretanje i zaustavljanje/isključivanje u nuždi. Smjena traje 8 sati - sa satnom pauze, odnosno sustav u prosjeku miruje 1 sat tijekom radnog vremena. Osim toga, takva "isprepletena" kontrola je ekonomski neučinkovita, jer dovodi do prekomjerne potrošnje električne energije.

Treba napomenuti da nema proizvodne potrebe da ispušna ventilacija stalno radi, preporučljivo ju je uključiti kada je zrak zagađen ili je, na primjer, potrebno ukloniti višak toplinske energije iz radnog prostora.

2. otvaranje zaklopki uređaja za usis zraka kontrolira i lokalna startna oprema, zrak s parametrima vanjskog okruženja (temperatura, čistoća) uvlači se u zračne kanale dovodnim ventilatorom zbog razlike u pritisak.

3. Zrak uzet iz vanjskog okruženja prolazi kroz bojler, zagrijava se do dopuštenih temperaturnih vrijednosti i kroz dovodne mlaznice se pumpa u prostoriju kroz zračne kanale. Grijač vode osigurava značajno zagrijavanje zraka, grijač se upravlja ručno, električar otvara zaklopku zaklopke. Grijač je isključen za ljetno razdoblje. Topla voda koja se isporučuje iz unutarnje kotlovnice koristi se kao nosač topline. Ne postoji sustav za automatsku regulaciju temperature zraka, zbog čega dolazi do velikog prekomjernog trošenja resursa.

Slični dokumenti

Značajke korištenja upravljačkog sustava za dovodnu ventilacijsku jedinicu na temelju kontrolera MC8.2. Osnovna funkcionalnost kontrolera. Primjer specifikacije za automatizaciju ugradnje dovodne ventilacije za krug na temelju MC8.2.

praktični rad, dodano 25.05.2010


Komparativna analiza tehničkih karakteristika tipičnih konstrukcija rashladnih tornjeva. Elementi vodoopskrbnih sustava i njihova klasifikacija. Matematički model procesa opskrbe cirkulacijskom vodom, izbor i opis opreme za automatizaciju i upravljačkih elemenata.

rad, dodan 04.09.2013


Osnove funkcioniranja automatskog upravljačkog sustava za dovodnu i ispušnu ventilaciju, njegovu konstrukciju i matematički opis. Oprema tehnološkog procesa. Izbor i izračun regulatora. Proučavanje stabilnosti ATS-a, pokazatelji njegove kvalitete.

seminarski rad, dodan 16.02.2011


Opis procesa obrade toplinom i vlagom proizvoda na bazi cementnog betona. Automatizirano upravljanje procesom ventilacije parne komore. Odabir vrste diferencijalnog manometra i proračun uređaja za ograničavanje. Mjerni krug automatskog potenciometra.

seminarski rad, dodan 25.10.2009


Karta tehnološke rute obrade pužnog kotača. Izračun dopuštenja i graničnih dimenzija za obradu proizvoda. Izrada kontrolnog programa. Opravdanje i odabir učvršćenja. Proračun ventilacije u industrijskim prostorijama.

rad, dodan 29.08.2012


Karakteristike projektiranog kompleksa i izbor tehnologije proizvodnih procesa. Mehanizacija vodoopskrbe i pojenja životinja. Tehnološki proračun i izbor opreme. Sustavi ventilacije i grijanja zraka. Proračun izmjene zraka i rasvjete.

seminarski rad, dodan 01.12.2008


Dobavni ventilacijski sustav, njegova unutarnja struktura i međusobna povezanost elemenata, procjena prednosti i nedostataka korištenja, zahtjevi opreme. Mjere uštede energije, automatizacija upravljanja energetski učinkovitim ventilacijskim sustavima.

seminarski rad, dodan 08.04.2015


Izrada tehnološke sheme za automatizaciju električno grijanog poda. Proračun i odabir elemenata automatizacije. Analiza zahtjeva u shemi upravljanja. Određivanje glavnih pokazatelja pouzdanosti. Sigurnosne mjere tijekom instalacije opreme za automatizaciju.

seminarski rad, dodan 30.05.2015


Uređaj za tehnološki proces katalitičkog reformiranja. Značajke tržišta opreme za automatizaciju. Izbor upravljačkog računalnog kompleksa i opreme za automatizaciju terena. Proračun i odabir postavki regulatora. Tehnička sredstva automatizacije.

rad, dodan 23.05.2015


Tehnološki opis strukturnog dijagrama projekta automatizacije obrade zasićenih ugljikovodičnih plinova. Studija funkcionalnog dijagrama automatizacije i opravdanost izbora instrumentacijskih objekata za instalaciju. Matematički model regulacijske petlje.

Predviđanje toplinskog režima u opsluživanim područjima je višefaktorski zadatak. Poznato je da se toplinski režim stvara uz pomoć sustava grijanja, ventilacije i klimatizacije. Međutim, pri projektiranju sustava grijanja ne uzimaju se u obzir učinci strujanja zraka koje stvaraju drugi sustavi. Djelomično je to zbog činjenice da učinak strujanja zraka na toplinski režim može biti neznatan uz standardnu ​​mobilnost zraka u opsluživanim područjima.

Korištenje sustava grijanja zračenjem zahtijeva nove pristupe. To uključuje potrebu poštivanja standarda o izloženosti ljudi na radnim mjestima i uzimanje u obzir distribucije topline zračenja preko unutarnjih površina ograđenih konstrukcija. Doista, kod zračnog grijanja te se površine pretežno zagrijavaju, koje zauzvrat odaju toplinu u prostoriju konvekcijom i zračenjem. Zbog toga se održava potrebna unutarnja temperatura zraka.

U pravilu, za većinu vrsta prostorija, uz sustave grijanja, potrebni su ventilacijski sustavi. Dakle, kada koristite sustave grijanja na zračenje plina, soba mora biti opremljena ventilacijskim sustavima. Minimalna izmjena zraka u prostorijama s oslobađanjem štetnih plinova i para propisana je SP 60.13330.12. Grijanje, ventilacija i klimatizacija je najmanje jednokratno, a na visini većoj od 6 m - najmanje 6 m 3 po 1 m 2 površine. Osim toga, učinkovitost ventilacijskih sustava također je određena namjenom prostora i izračunava se iz uvjeta asimilacije emisije topline ili plina ili kompenzacije lokalnog usisavanja. Naravno, količina izmjene zraka također se mora provjeriti za stanje asimilacije produkata izgaranja. Kompenzacija volumena ispušnog zraka provodi se dovodnim ventilacijskim sustavima. U ovom slučaju, značajna uloga u formiranju toplinskog režima u opsluživanim područjima pripada dovodnim mlaznicama i toplini koju oni unose.

Metoda i rezultati istraživanja

Stoga je potrebno razviti približni matematički model složenih procesa prijenosa topline i mase koji se odvijaju u prostoriji sa zračećim grijanjem i ventilacijom. Matematički model je sustav jednadžbi za ravnotežu zraka i topline za karakteristične volumene i površine prostorije.

Rješenje sustava omogućuje određivanje parametara zraka u opsluživanim prostorima s različitim mogućnostima postavljanja uređaja za grijanje, uzimajući u obzir utjecaj ventilacijskih sustava.

Razmotrimo konstrukciju matematičkog modela na primjeru proizvodne prostorije opremljene sustavom zračnog grijanja i bez drugih izvora oslobađanja topline. Toplinski tokovi iz radijatora raspoređuju se na sljedeći način. Konvekcijske struje dižu se do gornje zone ispod stropa i odaju toplinu unutarnjoj površini. Zračuća komponenta toplinskog toka emitera percipira se unutarnjim površinama vanjskih ograđenih struktura prostorije. Zauzvrat, te površine odaju toplinu konvekcijom unutarnjem zraku i zračenjem drugim unutarnjim površinama. Dio topline se kroz vanjske ogradne strukture prenosi na vanjski zrak. Izračunata shema prijenosa topline prikazana je na Sl. 1a.

Razmotrimo konstrukciju matematičkog modela na primjeru proizvodne prostorije opremljene sustavom zračnog grijanja i bez drugih izvora oslobađanja topline. Konvekcijske struje dižu se do gornje zone ispod stropa i odaju toplinu unutarnjoj površini. Zračuća komponenta toplinskog toka emitera percipira se unutarnjim površinama vanjskih ograđenih struktura prostorije

Zatim ćemo razmotriti konstrukciju sheme cirkulacije strujanja zraka (slika 1b). Uzmimo shemu organizacije razmjene zraka nadopune. Zrak se isporučuje u količini M pr u smjeru servisiranog područja i uklanja se iz gornjeg područja brzinom protoka M u = M pr. Na razini vrha servisiranog područja brzina strujanja zraka u mlazu je M p. Povećanje protoka zraka u dovodnom mlazu posljedica je kruženja zraka, koji je odvojen od mlaza.

Uvedimo uvjetne granice strujanja - plohe na kojima brzine imaju samo komponente normalne na njih. Na sl. 1b, granice protoka prikazane su isprekidanom linijom. Zatim ćemo odabrati izračunate količine: opsluživano područje (prostor s stalnim boravkom ljudi); volumena dovodnog mlaza i uzzidnih konvektivnih strujanja. Smjer konvektivnih strujanja uz zid ovisi o omjeru temperatura unutarnje površine vanjskih ogradnih konstrukcija i okolnog zraka. Na sl. Slika 1b prikazuje dijagram sa silaznim konvektivnim strujanjem uz zid.

Dakle, temperatura zraka u servisiranom području t wz nastaje kao rezultat miješanja zraka dovodnih mlaznica, uzzidnih konvektivnih struja i konvektivnog unosa topline s unutarnjih površina poda i zidova.

Uzimajući u obzir razvijene sheme izmjene topline i cirkulacije strujanja zraka (slika 1), sastavit ćemo jednadžbe toplinsko-zračnih bilanca za odabrane volumene:

Ovdje s- toplinski kapacitet zraka, J / (kg ° C); P iz je snaga sustava grijanja plinskim zračenjem, W; P sa i P* c - konvektivni prijenos topline na unutarnjim površinama zida unutar servisiranog područja i zida iznad servisiranog područja, W; t pp, t c i t wz temperatura zraka u dovodnoj struji na ulazu u radno područje, u uzzidnom konvektivnom toku i u radnom području, °C; P TP je toplinski gubitak prostorije, W, jednak zbroju gubitaka topline kroz vanjske ogradne konstrukcije:

Brzina protoka zraka u dovodnoj struji na ulazu u servisirano područje izračunava se korištenjem ovisnosti dobivenih od M.I.Grimitlina.

Na primjer, za difuzore koji proizvode kompaktne mlaznice, brzina protoka u mlazu je:

gdje m- koeficijent prigušenja brzine; F 0 - površina poprečnog presjeka ulazne cijevi razdjelnika zraka, m 2; x- udaljenost od razdjelnika zraka do točke ulaska u servisirano područje, m; DO n - koeficijent neizotermnosti.

Potrošnja zraka u konvektivnom strujanju uz zid određuje se:

gdje t s - temperatura unutarnje površine vanjskih zidova, ° C.

Jednadžbe toplinske ravnoteže za granične površine su sljedeće:

Ovdje P c, P* c, P pl i P Fri - konvektivni prijenos topline na unutarnjim površinama zida unutar servisiranog područja - zid iznad servisiranog područja, pod i obloga; P tp.s, P* TP.s., P TP.pl, P tp.pt - gubitak topline kroz odgovarajuće strukture; W s, W* c, W pl, W Fri - zračni toplinski tokovi iz emitera koji ulaze u ove površine. Konvektivni prijenos topline određen je poznatim odnosom:

gdje m J - koeficijent određen uzimajući u obzir položaj površine i smjer toplinskog toka; F J - površina, m 2; Δ t J je temperaturna razlika između površine i okolnog zraka, °C; J- indeks vrste površine.

Gubitak topline P tJ se može izraziti kao

gdje t n - vanjska temperatura zraka, ° C; t J - temperature unutarnjih površina vanjskih ogradnih konstrukcija, ° C; R i R n - toplinski otpor i prijenos topline vanjske ograde, m 2 · ° C / W.

Dobiven je matematički model procesa prijenosa topline i mase pod kombiniranim djelovanjem zračnog grijanja i ventilacije. Rezultati rješenja omogućuju dobivanje glavnih karakteristika toplinskog režima u projektiranju zračnih sustava grijanja za zgrade različite namjene, opremljene ventilacijskim sustavima.

Toplinski tokovi radijatora radijatora sustava grijanja Wj izračunavaju se kroz međusobna područja zračenja prema metodi za proizvoljnu orijentaciju emitera i okolnih površina:

gdje s 0 je emisivnost apsolutno crnog tijela, W / (m 2 · K 4); ε IJ - smanjena emisivnost površina uključenih u prijenos topline ja i J; H IJ - međusobno područje zračenja površina ja i J, m 2; T I je prosječna temperatura emitivne površine, određena iz toplinske ravnoteže emitera, K; T J je temperatura površine koja apsorbira toplinu, K.

Zamjenom izraza za toplinske tokove i brzine strujanja zraka u mlazovima, dobivamo sustav jednadžbi koje su približni matematički model procesa prijenosa topline i mase tijekom zračnog grijanja. Za rješavanje sustava mogu se koristiti standardni računalni programi.

Dobiven je matematički model procesa prijenosa topline i mase pod kombiniranim djelovanjem zračnog grijanja i ventilacije. Rezultati rješenja omogućuju dobivanje glavnih karakteristika toplinskog režima u projektiranju zračnih sustava grijanja za zgrade različite namjene, opremljene ventilacijskim sustavima.