Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 9 страница

- расчетная скорость ветра, м/с.

Располагаемая разность давлений расходуется на преодоление сопротивления сети воздуховодов (каналов), присоединенных к дефлектору, и самого дефлектора, т. е. (101)

, (101)

 

где - коэффициенты сопротивления сети и дефлектора;

- скорость воздуха во входном патрубке дефлектора.

Полезная часть располагаемой энергии расходуется на преодоление сопротивления сети:

. (102)

Из последних двух зависимостей имеем

или с учетом (100)

. (103)

Преобразуем следующим образом:

;

. (104)

Зависимость представляет собой характеристику дефлектора. Последнюю можно изобразить графически (рис. 75).

Рис. 75

Для наиболее распространенных в настоящее время дефлекторов ЦАГИ аэродинамическая характеристика выглядит следующим образом (105):

. (105)

Ориентировочная величина диаметра патрубка дефлектора определяется по формуле:

,

где L – производительность дефлектора,

Скорость воздуха в патрубке дефлектора ЦАГИ можно с учетом найти по зависимостям:

- в условиях действия только ветрового давления

,

- в условиях действия ветрового и теплового давления

,

где - тепловое давление;

- длина сети воздуховодов, присоединенных к дефлектору, м;

d – диаметр воздуховодов;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений.

4.4. СИСТЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ

Системы механической вентиляции предполагают использование для перемещения воздуха специальных устройств – вентиляторов, и которые, как уже было указано ранее, подразделяются на приточные и вытяжные. И те, и другие могут быть общеобменными, т. е. осуществлять вентиляционный процесс во всем объеме помещения, и местными.

Общеобменная механическая вентиляция – наиболее распространенный вид вентиляционных систем. В частности, общественные здания оборудуются этими системами в подавляющем большинстве случаев.

Рис. 76

 

Общая схема общеобменной вентиляция приведена на рис. 76. На этой схеме представлен наиболее полный набор элементов. В конкретных случаях в системе могут отсутствовать то или иное оборудование. Так, например, очистка вытяжного воздуха производится лишь в случаях его загрязнения выше доступных норм. Увлажнение приточного воздуха также предусматривается не всегда, а только в тех случаях, когда это необходимо по технологическим или гигиеническим соображениям.

Воздухоприемные и воздуховыбросные устройства в системах механической вентиляции выполняются в виде соответствующим образом оформленных проемов в ограждениях (рис. 77, а), приставных или отдельно стоящих шахт (рис. 77, б, в).

Рис. 77

Расположение и конструкцию воздухоприемных устройств выбирают с учетом требований к чистоте приточного воздуха и принципов архитектурного проектирования внешнего облика здания. Они не должны находиться вблизи источников загрязнения воздуха (выбросов запыленного и загазованного воздуха и дымовых газов, кухонь и т. п.). Отверстия для забора воздуха должны располагаться на высоте не менее 2 м от поверхности земли (в зеленой зоне – не менее 1 м) и закрываться жалюзийными или другими решетками.

Для защиты помещений от поступления в них через вентиляционные каналы наружного холодного воздуха воздухоприемные и воздуховыбросные устройства оборудуются утепленными клапанами чаще всего с механическим приводом. Нередко такой клапан блокируется с вентилятором, т. е. закрывается при его отключении, и снабжаются электрическим подогревом, препятствующим обмерзанию створок.

Важнейшим элементом систем механической вентиляции являются вентиляторы. Они перемещают воздух по системе, преодолевая ее сопротивление. По величине создаваемого давления вентиляторы делят на три группы: низкого давления – до 1000 Н/ (100 мм вод.ст.); среднего – от 1000 Н/ до 3000 Н/ (100 – 300 мм вод.ст.); высокого – от 3000 Н/ до 12000 Н/ (300 – 1200 мм вод.ст.). По принципу действия и связанными с ним конструктивными особенностями различают вентиляторы осевые (рис. 78,б) и радиальные-центробежные (рис.78, а). В последние годы промышленность наладила впуск вытяжных радиальных вентиляторов с электродвигателями в кожухе (крышные вентиляторы) для установки их на кровле зданий (рис.79).

 

Рис. 78. Схемы устройства вентиляторов:

а – радиального; б – осевого; 1- электродвигатель; 2 – кожух вентилятора; 3 – вход воздуха; 4 – выход воздуха; 5 – рабочее колесо ветилятора; 6 – станина

Рис.79. Крышный вентилятор:

а – общий вид; б – разрез; 1 – направляющие лопатки; 2 – электродвигатель; 3 – поток охлаждающего воздуха; 4 – рабочее колесо; 5 – поток выбрасываемого воздуха; 6 – отверстие в перекрытии; 7 – покрытия здания.

 

Осевой вентилятор представляет собой рабочее колесо, помещенные внутри кожуха (обечайки) цилиндрической формы, расположенное, как правило, на одном валу с электродвигателем. Такие вентиляторы при относительно высокой производительности развивают небольшое давление (до 70 мм вод. ст.), а потому используются в системах с малым аэродинамическим сопротивлением, т. е. есть с небольшой протяжностью воздуховодов.

Центробежные вентиляторы, в отличие от осевых, имеют улиткообразный кожух. Воздух в них засасывается через боковой приемный патрубок и, совершая движение, вместе с рабочим колесом выходит через выхлопное отверстие. При этом меняется направление движения воздуха. Наличие в центробежном вентиляторе закрытого кожуха, обладающего соответствующими конструктивными особенностями, позволяет обеспечивать существенно большее, по сравнению с осевыми, давление.

При этом, центробежные вентиляторы могут иметь как один, так и два всасывающих патрубка (с двух сторон кожуха). Последние носят название вентиляторов с двухсторонним всасыванием.

Осевые вентиляторы являются реверсивными: при изменении направления вращения рабочего колеса меняется направление движения воздуха. Центробежные вентиляторы таким свойством не обладают.

В зависимости от состава перемещаемого воздуха вентиляторы могут быть в обычном или специальном исполнении (коррозийностойком, искрозащищенном и др). Первые рассчитаны на перемещение неагрессивной среды при температуре до 80 .

Используемые в настоящее время вентиляторы обладают весьма широким диапазоном производительности и давления. Габариты вентилятора зависят в основном от производительности и определяются так называемым номером, который означает диаметр рабочего колеса в дециметрах. Промышленность выпускает вентиляторы различного назначения от номера 2,5 до 20.

Подбор вентиляторов осуществляется по аэродинамическим характеристикам, представляющим собой зависимости давления Р, мощности N и коэффициента полезного действия от количества перемещаемого воздуха L. Наиболее важной является характеристика P-L, т. е. зависимость давления, развиваемого вентилятором, от производительности. Эта характеристика основана на использовании уравнения (107)

, (107)

где - плотность перемещаемого воздуха;

- коэффициент давления, зависящий от конструкции рабочего колеса;

u – окружная скорость на внешних концах лопаток рабочего колеса.

Поскольку плотность воздуха и окружная скорость от производительности не зависят, характеристика P-L при постоянном числе оборотов рабочего колеса должна бы представлять собой прямую линию и параллельную оси абсцисс (рис.80). При этом, чем больше число оборотов, тем выше должна располагаться эта прямая, так как , где d – диаметр рабочего колеса, n – число оборотов рабочего колеса в мин.

Рис. 80

Однако в связи с наличием потерь при движении воздуха вдоль лопаток рабочего колеса и изменением так называемой степени закручивания при изменении его количества коэффициент давления уменьшается по мере роста производительности вентилятора. Поэтому действительные характеристики представляет собой «падающие» кривые б и в, характер которых определяется в результате проведения специальных исследований. Экспериментально определяется и характеристика -L.

Мощность, потребляемую вентилятором, нетрудно найти по выражению (108), кВТ

, (108)

где a – коэффициент запаса (1,1-1,15);

- коэффициент полезного действия соответственно вентилятора и передачи (чаще всего ременной).

Размерности P и L в этой формуле:

[Р]= , мм вод. ст.; [L]=

для каждого типа номера вентилятора строятся свои характеристики, которые приводятся в справочной литературе. На рис. 81 для примера приведена характеристика вентилятора Ц4-70 № 4.

Рис. 81

Давление, создаваемое вентилятором, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления вентиляционных сетей и обеспечения требуемой скорости воздуха. первую составляющую можно связать с так называемым статическим давлением Рст, вторую – с динамическим Рд.

Вентилятор, работающий на сеть воздуховодов, создает до себя разрежение Рвс, а после себя повышенное давление Рнагн. Полное давление, создаваемое вентилятором, слагается из этих двух составляющих, т.е. Рn + Pвс + Рнагн. Все сказанное иллюстрируется на рис.82.

Рис.82.

Воздуховоды представляют собой каналы, по которым транспортируется воздух. Материал воздуховодов определяется параметрами транспортируемого воздуха, назначением системы, архитектурными и конструктивными особенностями здания.

В системах вентиляции промышленных зданий воздуховоды часто изготавливают из кровельной тонколистной стали или других металлов. Наиболее распространенным способом соединения звеньев и фасонных частей металлических воздуховодов как в промышленных зданиях, так и в общественных сооружениях являются фланцы. В промышленной вентиляции широко используются круглые воздуховоды с продольными и спиральными швами. Как правило вентиляционные системы промышленных зданий располагаются в обслуживаемых им помещениях открыто и кроме того, в большинстве случаев нет трудностей при их размещении в габаритах. При таких условиях предпочтительной считается их круглая форма, основным достоинством которой является возможность высокой степени индустриализации при изготовлении. Причем размеры круглых воздуховодов и фасонных частей унифицированы и обезличены, что имеет большие преимущества как для производства, так и для монтажа.

В жилых, общественных и административных зданиях чаще применяют прямоугольные воздуховоды, которые лучше вписываются в габариты помещений и в большей степени, чем круглее, приемлемы для архитектурного оформления. Часто вентиляционные каналы образуются строительными конструкциями.

Габариты воздуховодов бывают весьма значительными. Для перемещения больших количеств воздуха могут даже предусматриваться специальные вентиляционные коридоры, а иногда и подземные каналы.

Металлические круглые воздуховоды изготавливают диаметром от 100 мм до 2000 мм, прямоугольные – от 100 х 100 до 3000 х 4000 мм.

С целью обеспечить механизированные заготовки и обеспечить технологичность монтажа типоразмеры прямоугольных воздуховодов также, как и круглых, унифицированы.

Движение воздуха по воздуховодам является частным случаем движения жидкостей и газов по трубам, а потому описывается общими закономерностями гидроаэромеханики.

Рис. 83.

Аэродинамический расчет воздуховодов сводится к определению необходимых размеров их поперечного сечения для перемещения расчетного количества воздуха и соответствующего этому количеству аэродинамического сопротивления сети, которое складывается из потерь давления на трение и на преодоление местных сопротивлений на отдельных участках (рис. 83). При этом участком принято называть часть сети с постоянным сечением и расходом. Заметим, что в отличие от отопительных систем, которые являются замкнутыми, вентиляционные сети-тупиковые. Последнее обстоятельство существенно упрощает аэродинамический расчет. Однако размеры вентиляционных воздуховодов, как правило, оптимизируют, принимая в качестве критериев оптимизации экономические показатели. Чаще всего таким показателем являются приведенные затраты оптимизационные расчеты сложны и выполняются с использованием ЭВМ.

Порядок расчета воздуховодов следующий:

1. На планах и разрезах сооружения после предварительной оценки габаритов воздуховодов намечаются места их прокладки.

2. Составляется аксонометрическая схема сети (рис.83).

3. Определяются расходы воздуха через приточные (или вытяжные) устройства и на отдельных участках Li. Проставляются длины участков .

4. Выбирается расчетная магистраль (наиболее длинный и нагруженный путь от входа воздуха в систему до выхода из нее). На (рис.8) магистраль отмечена жирной линией.

5. Принимая так называемые экономические скорости, определяют сечения воздуховодов на магистрали и потери давления на всех ее участках. Суммарные потери давления на магистрали составляют общее аэродинамическое сопротивление сети.

6. Производят расчет ответвлений, имея в виду, что давление в точке присоединения ответвления к магистрали представляет собой располагаемый напор. Отсюда смысл расчета ответвления заключается в том, чтобы выбранные размеры воздуховодов при расчетном обеспечивали потери давления, равные располагаемому напору.

Как и в системах отопления, в вентиляционных сетях потери давления на преодоление местных сопротивлений сопоставимы с линейными потерями, а потому требуется их тщательный подсчет. Формулы для определения как линейных, так и местных потерь приведены выше на с. 49. Для определения линейных потерь и коэффициентов местных сопротивлений используются таблицы и номограммы, которые можно найти в специальной и справочной литературе.

Габариты воздуховодов определяют в результате выполнения аэродинамического расчета. Однако в первом приближении к решению этого вопроса можно подойти, ориентируясь на средние значения скоростей воздуха в воздуховодах. Ориентировочно можно принимать скорость воздуха , в магистральных воздуховодах равной 8 – 10 м/с, на ответвлениях – 4 – 6 м/с. В таком случае площадь поперечного сечения воздуховода F, , нетрудно определить по формуле:

, (109)

где L – расчетное количество воздуха, /ч.

Основное вентиляционное оборудование приточных и вытяжных установок располагается чаще всего в специальных помещениях, называемых вентиляционными камерами. Приточные камеры в общественных административных и жилых зданиях предусматривает, как правило, в первом этаже, в цокольной части здания или в технических подпольях. Вытяжные камеры стремятся располагать, если это возможно, в верхней части зданий. В многоэтажных зданиях вентиляционные камеры устраивают в технических этажах. При этом надо иметь в виду, что зачастую именно оборудование вентиляционных систем регламентирует их высоту.

Вентиляционные камеры желательно располагать в центре нагрузок. Не допускается размещение в одной камере приточных и вытяжных устройств. Не рекомендуется устраивать камеры вблизи помещений с низким допустимым уровнем шума (зрительные залы, аудитории, жилые помещения и т. п.).

Вентиляционные камеры могут конструироваться либо из строительных конструкций по месту, либо представлять собой типовые изделия, изготавливаемые индустриально.

На рис. 84. представлена конструкция приточной камеры. Как видно из этого рисунка, наружный воздух поступает через воздухозаборную решетку и после утепленного клапана проходят фильтры. Очищенный от пыли воздух нагревается в калорифере и далее вентилятором подается в систему.

 

Рис. 84. Приточная вентиляционная камера.

1 – приточный короб; 2 – центробежный вентилятор; 3 – гибкие вставки; 4 – калорифер; 5 – фильтры; 6 – привод для управления приемным клапаном; 7 – приемный клапан; 8 – решетка; 9 – рециркуляционный клапан; 10 – звукопоглощающие покрытие; 11 – камера шумоглушения; 12 – рециркуляционный короб

 

Из (рис. 84) видно, что приточная камера состоит из отдельных помещений (между клапаном и фильтрами, между фильтрами и калорифером и др.). Каждое такое помещение должно иметь отдельный вход с герметической дверью. Это необходимо для обслуживания элементов камер. Устройство вытяжной вентиляционной камеры, расположенной в верхней части здания, иллюстрируется на рис.85.

Размеры вентиляционных камер определяются габаритами установленного в них оборудования. Имеются конструкции типовых приточных камер. Их характеристики можно найти в справочной литературе.

В редких случаях приточные и вытяжные вентиляционные агрегаты размещают непосредственно в обслуживаемых помещениях. Это скорее свойственно помещениям промышленных зданий, в которых допустим высокий уровень шума. В общественных зданиях иногда непосредственно в помещениях устанавливают небольшие вытяжные агрегаты (в курительных туалетах и т.п.).

Рис. 85. Вытяжная вентиляционная камера.

1 – дверка; 2 – шахта; 3 – клапан; 4 – воздуховоды; 5 – вентилятор

 

Сложной и специфической проблемой является распределение воздуха в объеме помещений, особенно крупных (зрительные и спортивные залы, производственные помещения с большим количеством рабочих мест, торговые помещения, музеи и т. п.) Решение этой проблемы основано на изучении аэродинамических характеристик вентиляционных струй и оценке степени неравномерности параметров (в основном температуры, подвижности и наличия в воздухе посторонних примесей) по площади или объему помещения.

Не останавливаясь подробно на методах решения этой проблемы, укажем только, что требуемые условия воздушной среды необходимо обеспечивать, как правило, не во всем объеме помещений, а в так называемой рабочей зоне, т. е. той его части, которая занята оборудованием или людьми. При отсутствии оборудования в качестве рабочей зоны принимается часть объема, ограниченная высотой 2,0 м от уровня пола. Для распределения воздуха используются устройства, формирующие различные типы приточных вентиляционных струй (рис. 86). Задача специалиста, проектирующего систему вентиляции, заключается в том, чтобы при внедрении в рабочую зону параметры воздуха в струе () на рис. 87 соответствовали нормативным их значениям.

Рис. 86. Приточные вентиляционные устройства:

а – для вертикальной подачи компактными струями; б - для горизонтальной подачи веерными струями; в – для наклонной подачи; г – патрубки,насадки с направляющими лопатками; е – перфорированная полусфера; ж – насадка, формирующая конусную струю

Рис.87

 

 

Вытяжным устройствам и струям при расчете вентиляции уделяется существенно меньшее внимание. Связано это с малым, в отличие от приточных, дальнодействием вытяжных устройств.

Более того ограниченность зоны вытяжного факела позволяет применять комбинированные приточно – вытяжные плафоны, в которых приточное устройство совмещено с вытяжным (рис. 88).

Рис.88

Вообще же вытяжное устройство не должно находиться в зоне действия приточных струй, но располагаться в местах наибольшей концентрации вредностей.

В качестве люстрации на рис.89 приведены некоторые схемы организации воздухообмена в зрительных залах.

а б

в г

Рис. 89. Схемы организации воздухообмена в зрительных залах:

а – сверху вниз, приток через плафоны, вытяжка под сиденьями;

б – снизу вверх, приток через спинки кресел, вытяжка через плафоны;

в – прток сверху горизонтальными струями, вытяжка под сиденьями;

г – приток горизонтальными струями с двух уровней, вытяжка под сиденьями

 

Местные системы характерны больше для производственных помещений. При этом различают вытяжную и приточную местную вентиляцию.

Местные вытяжные устройства (отсосы) весьма разнообразны по конструкции (рис. 90), которая определяется характером использования, но всегда преследует одну и ту же цель – не позволить распространяться вредным веществам по объему помещений.

Рис. 90. Местные вытяжные устройства.

а, б, в - к вентилятору

В общественных зданиях использование местных отсосов ограничивается лабораторными и некоторыми техническими помещениями.

Еще меньшее распространение в рассматриваемых зданиях находят местные приточные устройства (воздушные души, оазисы и др.). Широкое распространение в гражданских сооружениях с большими потоками людей (торговые, транспортные) получили лишь воздушно-тепловые завесы – одна из разновидностей местных приточных систем. Как правило, в них предусматривают боковой подвод воздуха плоской струей (из щели) со скоростью не менее 5 – 7 м/с. Завесы предотвращают прорыв холодного наружного воздуха в помещения. Схема воздушно-тепловой завесы приведена на рис. 91.

В системах механической вентиляции широкое распространение имеют различные пылеочистные устройства. В атмосферном воздухе, а также в воздухе помещений всегда содержится пыль.

Характер и количество пыли в наружном воздухе зависят от расположения и степени благоустройства населенных пунктов, интенсивности движения транспорта, технологических процессов предприятий и их выбросов в атмосферу.

 

Рис. 91. Воздушная завеса:

1 – забор воздуха; 2 – воздуховод; 3 – калорифер; 4 – вентилятор; 5 – раздача воздуха

 

Атмосферный воздух считается чистым, если концентрация пыли в нем не превышает 0,15 мг/ . Такая концентрация имеет место в лесу после дождя. В населенных пунктах запыленность колеблется в пределах от 0,3 мг/ до 1,0 мг/ , поэтому наружный воздух, подаваемый в помещения, подлежит очистке.

В системах кондиционирования очищаться должен и рециркуляционный воздух, если его запыленность равна или более запыленности наружного воздуха.

Весьма загрязненным пылью может быть воздух вытяжных систем вентиляции. Здесь запыленность достигает иногда 500 мг/ и более. Такой воздух перед выбросом в атмосферу также должен подвергаться очистке. В некоторых случаях очистка удаляемого из помещений воздуха предусматривается в целях утилизации ценного сырья.

Запыленность кроме количественной весовой характеристики оценивают также дисперсностью, т. е. содержанием различных фракций с примерно одинаковыми размерами пылинок.

В зависимости от относительной разности между начальной и конечной запыленностью, называемой коэффициентом пылезадержания, и размеров частиц пыли, отделяемых от воздуха, различают:

- грубую очистку воздуха, которая является предварительной и обеспечивает задержание частиц крупнее 100 км;

- среднюю очистку, позволяющую полностью улавливать частицы не менее 100 км и обеспечивающую остаточную концентрацию пыли 30 – 50 мг/ ;

- тонкую очистку воздуха, при которой ставится задача улавливания самых мелких фракций пыли и обеспечения остаточной концентрации 1,0 мг/ и менее.

Формула для определения коэффициента пылезадержания при этом по определению выглядит так:

. (110)

Воздух, удаляемый в атмосферу, должен подвергаться грубой средней очистке, если она вообще необходима, приточный и рециркуляционный воздух – тонкой очистке.

Пылеочистные устройства принято делить по назначению на две группы: пылеуловители, предназначенные для очистки удаляемого в атмосферу воздуха, и фильтры, служащие для очистки воздуха, подаваемого в помещения.