Математическая модель систем вентиляции. Современные проблемы науки и образования. Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы

В работе рассматриваются процессы моделирования вентиляции и рассеивания её выбросов в атмосфере. Моделирование основано на решении системы уравнений Навье-Стокса, законах сохранения массы, импульса, теплоты. Рассмотрены различные аспекты численного решения данных уравнений. Предложена система уравнений, позволяющая рассчитать значение фонового коэффициента турбулентности. Для гипозвукового приближения предложено решение совместно с приведенными в статье уравнениями гидрогазодинамики уравнения стояния идеального реального газа и пара. Данное уравнение является модификацией уравнения Ван-дер-Ваальса и более точно учитывает размеры молекул газа или пара и их взаимодействие. На основании условия термодинамической устойчивости получено соотношение, которое позволяет исключить физически неосуществимые корни при решении уравнения относительно объёма. Производится анализ известных расчётных моделей и вычислительных пакетов гидрогазодинамики.

моделирование

вентиляция

турбулентность

уравнения тепломассопереноса

уравнение состояния

реальный газ

диссипация

1. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

2. Беляев Н. Н. Моделирование процесса рассеивания токсичного газа в условиях застройки // Вестник ДИИТ. - 2009. - № 26 - С. 83-85.

3. Бызова Н. Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси / Н. Л. Бызова, Е. К. Гаргер, В. Н. Иванов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.

4. Дацюк Т. А. Моделирование рассеивания вентиляционных выбросов. - СПб: СПБГАСУ, 2000. - 210 с.

5. Сауц А. В. Применение алгоритмов когнитивной графики и методов математического анализа для изучения термодинамических свойств изобутана R660A на линии насыщения: Грант № 2С/10: отчет о НИР (заключит.) / ГОУВПО СПБГАСУ; рук. Горохов В.Л., исп.: Сауц А.В.- СПб, 2011.- 30 с.: ил.- Библиогр.: с. 30.- №ГР 01201067977.-Инв. №02201158567.

Введение

При проектировании производственных комплексов и уникальных объектов должны быть всесторонне обоснованы вопросы, связанные с обеспечением качества воздушной среды и нормируемых параметров микроклимата. Учитывая высокую цену изготовления, монтажа и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха, к качеству инженерных расчетов предъявляются повышенные требования. Для выбора рациональных проектных решений в области вентиляции необходимо иметь возможность проанализировать ситуацию в целом, т.е. выявить пространственную взаимосвязь динамических процессов, происходящих внутри помещений и в атмосфере. Оценить эффективность вентиляции, которая зависит не только от количества воздуха, подаваемого в помещение, но и от принятой схемы воздухораспределения и концентрации вредных веществ в наружном воздухе в местах расположения воздухозаборов.

Цель статьи - использование аналитических зависимостей, с помощью которых выполняются расчеты количества вредных выделений, определить размеры каналов, воздуховодов, шахт и выбор способа обработки воздуха и т.д. При этом целесообразно использовать программный продукт «Поток» с модулем «VSV». Для подготовки исходных данных необходимо наличие схем проектируемых вентиляционных систем с указанием длин участков и расходов воздуха на концевых участках. Входными данными для расчета являются описание систем вентиляции и требования, предъявляемые к ней. Используя математическое моделирование, решаются следующие вопросы:

выбор оптимальных вариантов подачи и удаления воздуха;
распределение параметров микроклимата по объему помещений;
оценка аэродинамического режима застройки;
выбор мест для воздухозабора и удаления воздуха.

Поля скорости, давления, температуры, концентраций в помещении и атмосфере формируются под действием множества факторов, совокупность которых учесть в инженерных методах расчета достаточно сложно без применения ЭВМ.

Применение математического моделирования в задачах вентиляции и аэродинамики основано на решении системы уравнений Навье - Стокса.

Для моделирования турбулентных потоков необходимо решать систему уравнений сохранения массы и Рейнольдса (сохранения импульса):

(2)

где t - время, X = X i , j , k - пространственные координаты, u =u i , j , k - компоненты вектора скорости, р - пьезометрическое давление, ρ - плотность, τ ij - компоненты тензора напряжений, s m - источник массы, s i - компоненты источника импульса.

Тензор напряжений выражается в виде:

(3)

где s ij - тензор скоростей деформации; δ ij - тензор дополнительных напряжений, возникающих из-за наличия турбулентности.

Для получения информации о полях температуры Т и концентрации с вредных веществ система дополняется следующими уравнениями:

уравнение сохранения количества тепла

уравнение сохранения пассивной примеси с

(5)

где C р - коэффициент теплоёмкости, λ - коэффициент теплопроводности, k = k i , j , k - коэффициент турбулентности.

Базовый коэффициент турбулентности k баз определяется с помощью системы уравнений:

(6)

где k ф - фоновый коэффициент турбулентности, k ф =1-15 м 2 /с; ε = 0,1-04;

Коэффициенты турбулентности определяются с помощью уравнений:

(7)

На открытой территории при малой диссипации значение k z определяется по уравнению:

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

где k 0 - значение k k на высоте z 0 (k 0 = 0,1 м 2 /с при z 0 = 2 м).

На открытой площадке профиль скоростей ветра не деформирован, т.е.

При неизвестной стратификации атмосферной на открытой площадке профиль скоростей ветра можно определить:

; (9)

где z 0 - заданная высота (высота флюгера); u 0 - скорость ветра на высоте z 0 ; B = 0,15.

При соблюдении условии (10) локальный критерий Ричардсона Ri определяется как:

(11)

Продифференцируем уравнение (9), приравняем уравнения (7) и (8), оттуда выразим k баз

(12)

Приравняем уравнение (12) с уравнениями системы (6). В полученное равенство подставим (11) и (9), в окончательном виде получим систему уравнений:

(13)

Пульсационный член , следуя идеям Буссинеска, представляется в виде:

(14)

где μ t - турбулентная вязкость, а дополнительные члены в уравнениях переноса энергии и компоненты примеси моделируются следующим образом:

(15)

(16)

Замыкание системы уравнений происходит с помощью одной из моделей турбулентности, описанных ниже.

Для турбулентных потоков, изучаемых в вентиляционной практике, целесообразно использовать или гипотезу Буссинеска о малости изменений плотности, или так называемое «гипозвуковое» приближение. Напряжения Рейнольдса считаются пропорциональными осредненным по времени скоростям деформаций. Вводится коэффициент турбулентной вязкости , данная концепция выражается как:

. (17)

Коэффициент эффективной вязкости вычисляется как сумма молекулярного и турбулентного коэффициентов:

(18)

«Гипозвуковое» приближение предполагает решение совместно с приведенными выше уравнениями уравнения стояния идеального газа:

ρ = p /(RT) (19)

где p - давление в окружающей среде; R - газовая постоянная.

Для более точных расчётов плотность примеси можно определить, используя модифицированное уравнение Ван-дер-Ваальса для реальных газов и паров

(20)

где константы N и M - учитывают ассоциацию/диссоциацию молекул газа или пара; а - учитывает прочее взаимодействие; b " - учитывающая размеры молекул газа; υ=1/ρ.

Выделяя из уравнения (12) давление р и дифференцируя его по объёму (учёт термодинамической устойчивости) получится следующее соотношение:

. (21)

Такой подход позволяет значительно сократить время расчетов по сравнению со случаем использования полных уравнений для сжимаемого газа без снижения точности полученных результатов. Аналитического решения приведенных выше уравнений не существует. В связи с этим используются численные методы.

Для решения вентиляционных задач, связанных с переносом турбулентным потоком скалярных субстанций, при решении дифференциальных уравнений используют схему расщепления по физическим процессам. Согласно принципам расщепления конечно-разностное интегрирование уравнений гидродинамики и конвективно-диффузного переноса скалярной субстанции на каждом шаге по времени Δt осуществляется в два этапа. На первом этапе рассчитываются гидродинамические параметры. На втором этапе на основе рассчитанных гидродинамических полей решаются уравнения диффузии.

Влияние переноса тепла на формирование поля скоростей воздуха учитывается с помощью приближения Буссинеска: в уравнение движения для вертикальной компоненты скорости вводится дополнительный член, учитывающий силы плавучести.

Для решении задач турбулентного движения жидкости известно четыре подхода:

прямое моделирование «DNS» (решение нестационарных уравнений Навье - Стокса);
решение осредненных уравнений Рейнольдса «RANS», система которых, однако, незамкнута и нуждается в дополнительных замыкающих соотношениях;
метод крупных вихрей «LES» , который основан на решении нестационарных уравнений Навье - Стокса с параметризацией вихрей подсеточного масштаба;
метод «DES», который является комбинацией двух методов: в зоне отрывных течений - «LES», а в области «гладкого» потока - «RANS».

Наиболее привлекательным с точки зрения точности получаемых результатов, бесспорно, является метод прямого численного моделирования. Однако в настоящее время возможности вычислительной техники еще не позволяют решать задачи с реальными геометрией и числами Re , и с разрешением вихрей всех размеров. Поэтому при решении широкого спектра инженерных задач применяют численные решения уравнений Рейнольдса.

В настоящее время успешно применяются для моделирования задач вентиляции сертифицированные пакеты, такие как «STAR-CD», «FLUENT» или «ANSYS/FLOTRAN». При правильно сформулированной задаче и рациональном алгоритме решения получаемый объем информации позволяет на стадии проектирования выбрать оптимальный вариант, но выполнение расчетов с использованием данных программ требует соответствующей подготовки, и некорректное их использование может привести к ошибочным результатам.

В качестве «базового варианта» можно рассматривать результаты общепризнанных балансовых методов расчета, которые позволяют сравнить интегральные величины, характерные для рассматриваемой задачи.

Одним из важных моментов при использовании универсальных программных комплексов для решения задач вентиляции является выбор модели турбулентности. К настоящему времени известно большое количество различных моделей турбулентности, которые применяются для замыкания уравнений Рейнольдса. Модели турбулентности классифицируются по числу параметров для характеристик турбулентности, соответственно однопараметрические, двух- и трехпараметрические.

Большинство полуэмпирических моделей турбулентности, так или иначе, используют «гипотезу локальности механизма турбулентного переноса», согласно которой механизм турбулентного переноса импульса полностью определяется заданием локальных производных от осредненных скоростей и физических свойств жидкости. Влияние процессов, происходящих вдали от рассматриваемой точки, данная гипотеза не учитывает.

Наиболее простыми являются однопараметрические модели, использующие концепцию турбулентной вязкости «n t », а турбулентность предполагается изотропной. Модифицированный вариант модели «n t -92» рекомендуется при моделировании струйных и отрывных течений. Хорошее совпадение с результатами эксперимента дает также однопараметрическая модель «S-A» (Спаларта - Альмараса), которая содержит уравнение переноса для величины .

Недостаток моделей с одним уравнением переноса связан с тем, что в них отсутствует информация о распределении масштаба турбулентности L . На величину L оказывают влияние процессы переноса, способы формирования турбулентности, диссипация турбулентной энергии. Универсальной зависимости для определения L не существует. Уравнение для масштаба турбулентности L часто оказывается именно тем уравнением, которое определяет точность модели и, соответственно, область её применимости. В основном область применения этих моделей ограничивается относительно простыми сдвиговыми течениями.

В двухпараметрических моделях, кроме масштаба турбулентности L , используют в качестве второго параметра скорость диссипации турбулентной энергии. Такие модели наиболее часто используются в современной вычислительной практике и содержат уравнения переноса энергии турбулентности и диссипации энергии.

Хорошо известна модель, включающая уравнения для переноса энергии турбулентности k и скорости диссипации турбулентной энергии ε. Модели типа «k - e» могут использоваться как для пристеночных течений, так и для более сложных отрывных течений.

Двухпараметрические модели используются в низко- и высокорейнольдсовой версии. В первой - механизм взаимодействия молекулярного и турбулентного переноса вблизи твердой поверхности учитывается непосредственно. В высокорейнольдсовой версии механизм турбулентного переноса вблизи твердой границы описывается специальными пристеночными функциями, которые связывают параметры потока с расстоянием до стенки.

В настоящее время к числу наиболее перспективных относят модели «SSG» и «Gibson-Launder», где используется нелинейная связь тензора турбулентных напряжений Рейнольдса и тензора осредненных скоростей деформаций. Они разрабатывались для улучшения прогнозирования отрывных течений. Поскольку в них рассчитываются все компоненты тензоров, они требуют больших компьютерных ресурсов по сравнению с двухпараметрическими моделями.

Для сложных отрывных течений некоторые преимущества выявило применение однопараметрических моделей «n t -92», «S-А» по точности предсказания параметров течения и по скорости счета по сравнению с двухпараметрическими моделями.

Например, в программе «STAR-CD» предусмотрено использование моделей типа «k- e», Спаларта - Альмараса, «SSG», «Gibson-Launder», а также метод крупных вихрей «LES», и метод «DES». Два последних метода лучше подходят для расчета движения воздуха в условиях сложной геометрии, где будут возникать многочисленные отрывные вихревые области, но они требуют больших вычислительных ресурсов.

Результаты расчетов значительно зависят от выбора расчетной сетки. В настоящее время используются специальные программы для построения сеток. Ячейки сетки могут иметь разную форму и размеры, наилучшим образом подходящие для решения конкретной задачи. Наиболее простой вид сетки, когда ячейки одинаковы и имеют кубическую или прямоугольную форму. Универсальные вычислительные программы, применяемые сейчас в инженерной практике, позволяют работать на произвольных неструктурированных сетках.

Для выполнения расчетов численного моделирования задач вентиляции необходимо задание граничных и начальных условий, т.е. значений зависимых переменных или их нормальных градиентов на границах расчетной области.

Задание с достаточной степенью точности геометрических особенностей исследуемого объекта. Для этих целей можно рекомендовать для построения трехмерных моделей такие пакеты, как «SolidWorks», «Pro/Engeneer», «NX Nastran». При построении расчетной сетки количество ячеек выбирается так, чтобы получить достоверное решение при минимальном времени расчета. Выбрать следует одну из полуэмпирических моделей турбулентности, являющейся наиболее эффективной для рассматриваемого течения.

В заключение добавим, что необходимо хорошее понимание качественной стороны происходящих процессов, чтобы корректно сформулировать граничные условия задачи и оценить достоверность результатов. Моделирование вентиляционных выбросов на стадии проектирования объектов можно рассматривать как один из аспектов информационного моделирования, направленного на обеспечении экологической безопасности объекта.

Рецензенты:

Воликов Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна, ФГБОУ ВПОУ «СПБГАСУ», г. Санкт-Петербург.
Полушкин Виталий Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ФГБОУ ВПО «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Дацюк Т.А., Сауц А.В., Юрманов Б.Н., Таурит В.Р. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (дата обращения: 17.10.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» Дарья Денисихина, Мария Луканина, Михаил Самолетов

В современном мире уже невозможно обойтись без математического моделирования течения воздуха при проектировании вентиляционных систем.

В современном мире уже невозможно обойтись без математического моделирования течения воздуха при проектировании вентиляционных систем. Обычные инженерные методики хорошо подходят для типовых помещений и стандартных решений по воздухораспределению. Когда проектировщик сталкивается с нестандартными объектами, ему на помощь должны приходить методы математического моделирования. Статья посвящена исследованию воздухораспределения в холодный период года в цеху по производству труб. Данный цех входит в состав заводского комплекса, расположенного в условиях резко континентального климата.

Еще в XIX веке были получены дифференциальные уравнения для описания течения жидкостей и газов. Их сформулировали французский физик Луи Навье и британский математик Джордж Стокс. Уравнения Навье - Стокса являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании многих природных явлений и технических задач.

За последние годы накопилось большое разнообразие геометрически и термодинамически сложных объектов в строительстве. Использование методов вычислительной гидродинамики значительно повышает возможности проектирования систем вентиляции, позволяя с высокой степенью точности предсказать распределения скорости, давления, температуры, концентрации компонентов в любой точке здания или любого его помещения.

Интенсивное использование методов вычислительной гидродинамики началось в 2000 году, когда появились универсальные программные оболочки (CFD-пакеты), дающие возможность отыскания численных решений системы уравнений Навье - Стокса в отношении интересующего объекта. Примерно с этого времени «БЮРО ТЕХНИКИ» занимается математическим моделированием применительно к задачам вентиляции и кондиционирования.

Описание задачи

В настоящем исследовании численное моделирование проводилось с помощью STAR-CCM+ - CFD-пакета, разработанного компанией CD-Adapco. Работоспособность данного пакета при решении задач вентиляции была
многократно проверена на объектах различной сложности, от офисных помещений до залов театров и стадионов.

Задача представляет большой интерес с точки зрения как проектирования, так и математического моделирования.

Температура наружного воздуха -31 °C. В помещении расположены объекты с существенными теплопоступлениями: закалочная печь, отпускная печь и др. Таким образом, присутствуют большие перепады температур между наружными ограждающими конструкциями и внутренними тепловыделяющими объектами. Следовательно, вкладом радиационного теплообмена при моделировании пренебрегать нельзя. Дополнительная сложность в математической постановке задачи заключается в том, что несколько раз за смену в помещение подается тяжелый железнодорожный состав, имеющий температуру -31 °C. Он постепенно нагревается, охлаждая воздух вокруг себя.

Для поддержания требуемой температуры воздуха в объеме цеха (в холодное время года не ниже 15 °C) проектом предусмотрены системы вентиляции и кондиционирования воздуха. На этапе проектирования были рассчитаны расход и температура подаваемого воздуха, необходимого для поддержания требуемых параметров. Оставался вопрос - как подать воздух в объем цеха, чтобы обеспечить наиболее равномерное распределение температуры по всему объему. Моделирование позволило за сравнительно небольшие сроки (две-три недели) увидеть картину течения воздуха для нескольких вариантов подачи воздуха, а затем сравнить их.

ЭТАПЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Построение твердотельной геометрии.
Разбиение рабочего пространства на ячейки расчетной сетки. Следует заранее предусмотреть области, в которых потребуется дополнительное измельчение ячеек. При построении сетки очень важно найти ту золотую середину, при которой размер ячейки будет достаточно мал для получения правильных результатов, при этом общее количество ячеек не будет столь большим, чтобы затянуть время расчета до неприемлемых сроков. Поэтому построение сетки - это целое искусство, которое приходит с опытом.
Задание граничных и начальных условий в соответствии с постановкой задачи. Требуется понимание специфики вентиляционных задач. Большую роль при подготовке расчета играет правильный выбор модели турбулентности.
Выбор подходящих физической модели и модели турбулентности.

Результаты моделирования

Для решения рассматриваемой в настоящей статье задачи были пройдены все этапы математического моделирования.

Для сравнения эффективности вентиляции были выбраны три варианта подачи воздуха: под углами к вертикали 45°, 60° и 90°. Подача воздуха осуществлялась из стандартных воздухораспределительных решеток.

Поля температуры и скорости, полученные в результате расчета при различных углах подачи приточного воздуха, представлены на рис. 1.

После анализа результатов угол подачи приточного воздуха, равный 90°, был выбран как самый удачный из рассмотренных вариантов для вентиляции цеха. При таком способе подачи не создается повышенных скоростей в рабочей зоне и удается достичь достаточно равномерной картины температуры и скорости по всему объему цеха.

Итоговое решение

Поля температуры и скорости в трех поперечных сечениях, проходящих через приточные решетки, показаны на рис. 2 и 3. Распределение температуры по помещению равномерное. Только в районе сосредоточения печей наблюдаются более высокие значения температуры под потолком. В правом дальнем от печей углу помещения присутствует более холодный участок. Это место, где въезжают холодные вагоны с улицы.

Из рис. 3 хорошо видно, как распространяются горизонтальные струи подаваемого воздуха. При таком способе подачи приточная струя имеет достаточно большую дальнобойность. Так, на расстоянии 30 м от решетки скорость течения составляет 0,5 м/с (на выходе из решетки скорость - 5,5 м/с). В остальной части помещения подвижность воздуха невысокая, на уровне 0,3 м/с.

Нагретый воздух от закалочной печи отклоняет струю приточного воздуха вверх (рис. 4 и 5). Печь очень сильно прогревает воздух вокруг себя. Температура у пола здесь выше, чем в средней части помещения.

Поле температуры и линии тока в двух сечениях горячего цеха показаны на рис. 6.

Выводы

Проведенные расчеты позволили проанализировать эффективность различных способов подачи воздуха в цеху по производству труб. Получено, что при подаче горизонтальной струей приточный воздух дальше распространяется в помещение, способствуя более равномерному его обогреву. При этом не возникают области со слишком большой подвижностью воздуха в рабочей зоне, как это происходит при подаче приточного воздуха под углом вниз.

Использование методов математического моделирования в задачах вентиляции и кондиционирования воздуха является очень перспективным направлением, позволяющим на стадии проекта откорректировать решение, предотвратить необходимость исправления неудачных проектных решений после ввода объектов в эксплуатацию. ●

Дарья Денисихина - начальник отдела «Математическое моделирование»;
Мария Луканина - ведущий инженер отдела «Математическое моделирование»;
Михаил Самолетов - Исполнительный директор ООО «ММ-Технологии»

Опишем в данном разделе основные элементы, входящие в систему управления, дадим им техническую характеристику и математическое описание. Более подробно остановимся на разрабатываемой системе автоматического регулирования температуры приточного воздуха, проходящего через калорифер. Так как основным продуктом подготовки является температура воздуха, то в рамках дипломного проекта можно пренебречь построением математических моделей и моделированием процессов циркуляции и расхода воздуха. Также данным математическим обоснованием функционирования САУ ПВВ можно пренебречь вследствие особенностей архитектуры помещений - значителен приток внешнего неподготовленного воздуха в цеха и склады через щели, зазоры. Именно поэтому при любом расходе воздуха практически невозможно состояние «кислородного голодания» у работников данного цеха.

Таким образом, построением термодинамической модели распределения воздуха в помещении, а также математическим описанием САУ по расходу воздуха пренебрегаем в виду их нецелесообразности. Остановимся более подробно на разработке САР температуры приточного воздуха. В действительности, данная система является системой автоматического регулирования положения заслонки ЗРК в зависимости от температуры приточного воздуха. Регулирование - пропорциональный закон методом балансировки значений.

Представим основные элементы, входящие в САУ, приведем их технические характеристики, позволяющие выявить особенности управления ими. Руководствуемся при выборе оборудования и средств автоматизации их техническими паспортами и предыдущими инженерными расчетами старой системы, а также результатами проведенных экспериментов и испытаний.

Приточный и вытяжные центробежные вентиляторы

Обычный центробежный вентилятор представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с рабочими лопастями, при вращении которого воздух, поступающий через входное отверстие, попадает в каналы между лопастями и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие. Кожух также служит для преобразования динамического напора в статический. Для усиления напора за кожухом ставят диффузор. На рис. 4.1 представлен общий вид центробежного вентилятора.

Обычное центробежное колесо состоит из лопастей, заднего диска, ступицы и переднего диска. Литую или точеную ступицу, предназначенную для насаживания колеса на вал, приклепывают, приворачивают или приваривают к заднему диску. К диску приклепывают лопасти. Передние кромки лопастей обычно крепят к переднему кольцу.

Спиральные кожуха выполняют из листовой стали и устанавливают на самостоятельных опорах, у вентиляторов малой мощности их крепят к станинам.

При вращении колеса воздуху передается часть подводимой к двигателю энергии. Развиваемое колесом давление зависит от плотности воздуха, геометрической формы лопастей и окружной скорости на концах лопастей.

Выходные кромки лопастей центробежных вентиляторов могут быть загнутыми вперед, радиальными и загнутыми назад. До недавнего времени делали в основном кромки лопастей загнутыми вперед, так как это позволяло уменьшить габаритные размеры вентиляторов. В настоящее время часто встречаются рабочие колеса с лопастями, загнутыми назад, потому что это позволяет поднять к.п.д. вентилятора.

Рис. 4.1

При осмотре вентиляторов следует иметь в виду, что выходные (по ходу воздуха) кромки лопастей для обеспечения безударного входа всегда должны быть отогнуты в направлении, обратном направлению вращения колеса.

Одни и те же вентиляторы при изменении частоты вращения могут иметь различную подачу и развивать различные давления, зависящие не только от свойств вентилятора и частоты вращения, но и от присоединенных к ним воздуховодов.

Характеристики вентиляторов выражают связь между основными параметрами его работы. Полная характеристика вентилятора при постоянной частоте вращения вала (n = const) выражается зависимостями между подачей Q и давлением Р, мощностью N и к. п. д. Зависимости P(Q), N(Q) и T(Q) обычно строят на одном графике. По ним подбирают вентилятор. Характеристику строят на основе испытаний. На рис. 4.2 представлена аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора ВЦ-4-76-16, который применяется в качестве приточного на объекте внедрения

Рис. 4.2

Производительность вентилятора составляет 70000 м3/ч или 19,4 м3/с. Частота вращения вала вентилятора - 720 об/мин. или 75,36 рад/сек., мощность приводного асинхронного двигателя вентилятора составляет 35 кВт.

Вентилятор нагнетает наружный атмосферный воздух в калорифер. В результате теплообмена воздуха с горячей водой, пропускаемой через трубки теплообменника, происходит нагрев проходящего воздуха.

Рассмотрим схему регулирования режима работы вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 приведена функциональная схема вентиляторного агрегата при регулировании частотой вращения.

Рис. 4.3

Передаточную функцию вентилятора можно представить в виде коэффициента усиления, который определяется исходя из аэродинамической характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коэффициент усиления вентилятора в рабочей точке равен 1,819 м3 /с (минимально возможный, установлено экспериментально).

Рис. 4.4

Экспериментально установлено, что для реализации необходимых режимов работы вентилятора необходима подача на управляющий преобразователь частот следующих значений напряжения (табл. 4.1):

Таблица 4.1 Режимы работы приточной вентиляции

При этом для повышения надежности электродвигателя вентиляторов как приточной, так и вытяжной секции, нет необходимости задавать им режимы работы с максимальной производительностью. Задача экспериментальных исследования заключалась в нахождении таких управляющих напряжений, при которых соблюдались бы рассчитанные далее нормы кратности воздухообмена.

Вытяжная вентиляция представлена тремя центробежными вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (производительность 28000 м3/ч при n=350 об/мин, мощность асинхронного привода N=19,5 кВт) и ВЦ-4-76-10 (производительность 20000 м3/ч при n=270 об/мин, мощность асинхронного привода N=12,5 кВт). Аналогично приточной для вытяжной ветви вентиляции были экспериментально получены величины управляющих напряжений (табл. 4.2).

Для предотвращения состояние «кислородного голодания» у рабочих цехов, рассчитаем нормы воздухообмена при выбранных режимах работы вентиляторов. Он должен удовлетворять условию:

Таблица 4.2 Режимы работы вытяжной вентиляции

В расчете пренебрежем приточным воздухом, поступающим извне, а также архитектурой здания (стены, перекрытия).

Размеры помещений под вентилирование: 150х40х10 м, общий объем помещения равен Vпомещ?60000 м3 . Необходимый объем приточного воздуха равен 66000 м3 /ч (для коэффициента 1,1 - выбран минимальным, так как не учтен приток воздуха извне). Очевидно, что выбранные режимы работы приточного вентилятора удовлетворяют поставленному условию.

Суммарный объем вытянутого воздуха рассчитаем по следующей формуле

Для расчета вытяжной ветви выбраны режимы «экстренной вытяжки». С учетом поправочного коэффициента 1,1 (так как аварийный режим работы принят как наименее возможный) объем вытянутого воздуха будет равен 67,76 м3 /ч. Данное значение в рамках допустимых погрешностей и принятых ранее оговорок удовлетворяет условию (4.2), значит, выбранные режимы работы вентиляторов будут справляться с задачей обеспечения кратности воздухообмена.

Также в электродвигателях вентиляторов присутствует встроенная защита от перегрева (термостат). При возрастании температуры на двигателе релейный контакт термостата остановит работу электродвигателя. Датчик перепада давления зафиксирует остановку электродвигателя и выдаст сигнал на пульт управления. Необходимо предусмотреть реакцию САУ ПВВ на аварийную остановку двигателей вентиляторов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Основы функционирования системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляции, ее построение и математическое описание. Аппаратура технологического процесса. Выбор и расчет регулятора. Исследование устойчивости САР, показатели ее качества.

курсовая работа , добавлен 16.02.2011

Общая характеристика и назначение, сферы практического применения системы автоматического управления приточно-вытяжной вентиляции. Автоматизация процесса регулирования, ее принципы и этапы реализации. Выбор средств и их экономическое обоснование.

дипломная работа , добавлен 10.04.2011

Анализ существующих типовых схем автоматики вентиляции производственных цехов. Математическая модель процесса вентиляции производственных помещений, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления. Расчет себестоимости проекта автоматизации.

дипломная работа , добавлен 11.06.2012

Сравнительный анализ технических характеристик типовых конструкций градирен. Элементы систем водоснабжения и их классификация. Математическая модель процесса оборотного водоснабжения, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления.

дипломная работа , добавлен 04.09.2013

Общая характеристика нефтепровода. Климатическая и геологическая характеристика площадки. Генеральный план перекачивающей станции. Магистральные насосные и резервуарный парк НПС-3 "Альметьевск". Расчет системы приточно-вытяжной вентиляции насосного цеха.

дипломная работа , добавлен 17.04.2013

Анализ разработки дизайн-проекта декоративной трости. Геральдика как специальная дисциплина, занимающаяся изучением гербов. Способы изготовления оснастки для воскообразных моделей. Этапы расчета приточно-вытяжной вентиляции для плавильного отделения.

дипломная работа , добавлен 26.01.2013

Описание установки как объекта автоматизации, варианты совершенствования технологического процесса. Расчет и выбор элементов комплекса технических средств. Расчет системы автоматического управления. Разработка прикладного программного обеспечения.

дипломная работа , добавлен 24.11.2014