Лекция №8 Определение требуемой производительности вентиляционных систем

План

В помещении. Дифференциальное уравнение воздухообмена

7.1. Общие положения

7.2. Уравнение баланса воздух в вентилируемом помещении

7.3. Уравнение баланса тепла в вентилируемом помещении

7.4. Уравнение баланса влаги в вентилируемом помещении

7.5. Уравнение баланса одного из видов вредных веществ

7.6. Дифференциальное уравнение воздухообмена

7.1. Общие положения

Основное назначение вентиляции – борьба с вредными выделениями к которым относят избыточное тепло, влагу, различные газы и пары вредных веществ, а также пыль. В производственных помещениях указанные вредные выделения могут находиться в самых разнообразных сочетаниях. В помещениях общественных зданий обычно имеются избытки тепла, влаги и углекислого газа. Для определения количества вредных выделений в помещении пользуются теоретическими и экспериментальными зависимостями. Аналитические формулы обычно уточняют введением коэффициентов, полученных опытным путём.

7.2. Уравнение баланса воздух в вентилируемом помещении

Уравнение баланса воздух в вентилируемом помещении описывает закон сохранения массы воздуха применительно к этому помещению.

n m

1

Рис.IV.1. Схема вентиляции помещения, обслуживаемого n приточными и

m вытяжными системами и отверстиями.

Для общего случая (рис.IV.1) при наличии в помещении n приточных и m вытяжных систем и отверстий уравнение баланса воздуха имеет вид

. (7.1)

Расходы воздуха в уравнении выражены в кг/ч, т.е. в единицах массы. При этом учитывается производительность всех систем с механическим и естественным побуждением, в том числе расход воздух через открытые проёмы в наружных ограждениях и через неплотности в этих ограждениях.

При анализе воздушного режима помещения встречается понятие «дебаланс механической вентиляции». Например, для предотвращения перетекания воздуха из загрязнённого помещения в него подают приточный воздух с меньшим расходом по сравнению с расходом удаляемого воздуха. Недостающее количество воздуха попадает сюда из соседних (чистых) помещений и снаружи через неплотности в окнах. Для защиты чистых помещений от загрязнения в них предусматривают превышение притока над вытяжкой. В этом, случае избыточный приток «выдавливается» через проёмы во внутренних ограждениях и неплотности в наружных ограждениях.

7.3. Уравнение баланса тепла в вентилируемом помещении

Уравнение баланса тепла в вентилируемом помещении описывает закон сохранения тепловой энергии в этом помещении. Пусть в общем случае (см. рис.IV.1) в помещении избытки тепла составляют ΔQ^/ (по полному теплу), кДж/ч. Предположим, что i –я приточная систем (или отверстие) подает воздух с параметрами t_пi, и I_пi,. Удаляемый из помещения j –й системой воздух имеет параметры t_yj, и I_yj,.

Количество полного тепла, кДж/ч, вносимого в помещение приточным воздухом, в общем случае равно.

. (7.2)

Количество полного тепла, кДж/ч, удаляемого из помещения с уходящим воздухом, составляет

. (7.3)

Общий вид уравнения баланса полного тепла в помещении имеет вид:

; (7.4)

или . (7.5)

Аналогичный вид имеет уравнение баланса явного тепла в помещении

. (7.6)

8.4. Уравнение баланса влаги в вентилируемом помещении

Уравнение баланса влаги в вентилируемом помещении составляется аналогично уравнениям (8.5) и (8.6) и выражает закон сохранения массы вещества (влаги) в этом помещении.

Количество влаги, кг/ч, вносимой в помещение приточным воздухом, равно

. (7.7)

Количество удаляемой из помещения влаги, кг/ч, составляет

. (7.8)

Если в помещении выделяется влага М_вл., кг/ч, то уравнение баланса влаги:

; (7.9)

или . (7.10)

7.5. Уравнение баланса одного из видов вредных веществ

Уравнение баланса одного из видов вредных веществ (газов, паров) также базируется на законе сохранения массы вещества. По аналогии с уравнениями (7.9) и (7.10) при выделении в помещении вредных веществ М_вр, мг/ч, уравнение баланса этого вида вредных веществ:

; (7.11)

или . (7.12)

Уравнения балансов (7.1), (7.5), (7.6),(7.10) и (7.12)служат для расчёта воздухообмена в помещении. В каждом из этих уравнений обычно два неиз-вестных – производительности общеобменной приточной и вытяжной вентиляции, обозначаемые G_Пi и G_Уj. Для определения этих величин решается система из двух уравнений – уравнения баланса воздуха (7.1) и одного из уравнений баланса вредных выделений.

Уравнение баланса воздуха в помещении используется также для определения избыточного давления в помещении при расчёте неорганизованного воздухообмена и аэрации помещений.

7.6. Дифференциальное уравнение воздухообмена

Определение вентиляционного обмена является одной из главных задач, возникающих при устройстве вентиляции.

В общеобменных системах вентиляции задача заключается в том, чтобы во всём объёме помещения концентрация вредности не превышала допустимой величины. Это достигается подачей чистого воздуха в замен удаляемого, причём в общем случае и наружный и удаляемый воздух содержит некоторое количество вредности. Необходимо располагать связью между количеством выделяющейся вредности в помещении, расходом приточного воздуха, объёмом помещения и временем достижения ПДК для нестационарных условий.

При определении потребного количества воздуха делаются два допущения:

1. Источник выделения вредности эксплуатируется в постоянном режиме, поэтому количество выделяющейся вредности во времени остаётся постоянным, т.е. процесс стационарный.

2. Выделившаяся вредность мгновенно и равномерно распространяется во всём объёме помещения, т.е. берём идеальный случай.

Примем обозначения (рис. IV.2.):

Рис.IV.2. Схема вентиляции.

G –количество выделяющейся вредности в течении одного часа, кг/ч;

L_пр –количество воздуха поступающего в помещение, м³/ч;

L_уд –количество воздуха удаляемого из помещения, м³/ч;

с –содержание вредности в 1м³ удаляемого воздуха, кг/м³;

с_о –содержание такой же вредности в 1 м³ приточного воздуха кг/м³;

V –объём помещения, м³.

Так как количество поступающего и удаляемого воздуха одинаково, то

.

Очевидно, что за бесконечно малый промежуток времени dτ содержание вредности изменится на dc. В целом же приращение вредности Vdc за тот же промежуток времени может слагаться из вредности в помещении и из этой же вредности поступающей с приточным воздухом, поэтому

, (7.13)

где Gdτ –количество вредности, выделяющейся в помещении;

Lc_odτ –количество вредности, вносимой в помещение приточным воздухом;

Lcdτ –количество вредности, удаляемой вытяжной вентиляцией;

Vdc –приращение вредности в объёме помещения, количество вредности которая остаётся в помещении.

Выражение (7.13) дифференциальное уравнение процесса. Преобразуем это уравнение

. (7.14)

За время от 0 до τ концентрация вредности в помещении увеличивается от с₁ до с₂.

Проинтегрируем выражение (8.14)

(7.15)

После интегрирования выражения (8.15) получим:

или (7.16)

Решим уравнение (7.16) относительно с₂:

отсюда . (7.17)

Уравнение (7.17) –уравнение конечной концентрации.

При расчётах вентиляции концентрация вредности в помещении с₂ не должна превышать норм ПДК, т.е. с₂ является нормируемой величиной

с₂ ≤ с_доп.

Для определения потребного количества воздуха уравнение (7.16) надо разложить вряд и взяв два первых слагаемых решить относительно L

. (7.18)

При принятом допущении и учитывая, что количество выделяемой вредности равно количеству удаляемой, т.е. τ=∞, получаем расчётную формулу для определения потребного количества воздуха

. (7.19)

По аналогичной зависимости считается требуемый воздухообмен по любой из вредности.

Определим время, за которое воздух в объёме помещения будет заменён на наружный воздух

, (7.20)

где l –длина помещения, м;

–скорость движения воздуха, м/с.

Умножив и разделив уравнение (7.20) на площадь поперечного сечения помещения получим

.

Таким образом, воздух в объёме помещения изменяется за время равное отношению объёма помещения к расходу воздуха.

Величина обратная времени замены объёма называется кратностью воздухообмена

. (7.21)

Она показывает, сколько раз в течении 1 часа весь объём воздуха в по-мещении заменяется чистым. Расчёт воздухообмена в помещении по кратности делают в случаях, когда точное определение количества выделяющейся вредности затруднительно.

Иногда в помещениях с большим объёмом начинать вентилирование можно не сразу, а после того, как концентрация вредности достигнет допустимого предела. Время, когда необходимо включать вентилятор чтобы концентрация вредности не превысила ПДК, определяется по формуле

. (7.22)

План

8.1. Общие положения

8.2. Определение производительности систем общеобменной вентиляции в общем случае

8.3. Отсутствие местной вентиляции

8.4. Удаление воздуха из помещения на двух разных уровнях

8.5. Поступление воздуха в помещение от двух источников

8.6.Удаление воздуха из помещения на двух разных уровнях при поступлении воздуха от двух источников

8.1. Общие положения

Вентиляционные системы здания и их производительность выбирают в результате расчёта воздухообмена. Подход к решению этой задачи зависит от вида системы, а также от способа раздачи воздуха и удаления его из помещения. При расчёте общеобменной вентиляции должны быть известны количества воздуха, подаваемого в помещение и удаляемого из него местной вентиляцией, а также воздухообмен помещения со смежными помещениями и через неплотности в наружных ограждениях.

Для определения требуемой производительности систем общеобменной вентиляции по заданному виду вредных выделений необходимо решить соответствующую систему из двух уравнений – уравнения баланса вредных выделений и уравнения баланса воздуха в помещении.

8.2. Определение производительности систем общеобменной вентиляции в общем случае

Пусть в уравнениях (7.1), (7.5), (7.6), (7.10) и (7.12) G_П1 и G_У1 –искомые производительности соответственно приточной и вытяжной системы общеобменной вентиляции. Если количество воздуха, подаваемого и удаляемого остальными n –1 приточными и m –1 вытяжными системами, задано, то, решая попарно уравнения (7.1) и (7.5); (7.1) и (7.6); (7.1) и (7.10); (7.1) и (7.12), можно найти требуемую производительность систем общеобменной вентиляции соответственно по избыткам явного тепла, по избыткам полного тепла, по влаговыделениям, по вредным веществам.

В общем случае расчёт воздухообмена по избыткам явного тепла, заключается в следующем.

Из уравнения (8.1) .

Подставляя это выражение в уравнение (7.6) и выделяя G_У1, получим:

. (8.1)

Решая это уравнение относительно G_У1,находят требуемую производительность вытяжной системы общеобменной вентиляции по избыткам явного тепла, кг/ч

. (8.2)

Общеобменная вытяжка, рассчитанная по избыткам полного тепла, составляет, кг/ч

. (8.3)

Общеобменная вытяжка, рассчитанная по влаговыделениям, составляет, кг/ч

. (8.4)

Требуемый общеобменный приток G_П1 по избыткам полного тепла или по влаговыделениям определяется из уравнения баланса воздуха по формуле (7.1).

Воздухообмен, рассчитанный для одного помещения по избыткам явного и полного тепла и влаговыделениям должен быть одинаков.

Общеобменная вытяжка, расчитанная по вредным веществам, составляет, кг/ч

, (8.5)

где М_вр –количество вредного вещества, поступающего в помещение, мг/ч; С –концентрация вредного вещества, поступающего в помещение, мг/м³.

Для общественных зданий воздухообмен, рассчитанный по вредным веществам, обычно меньше воздухообмена, рассчитанного по теплоизбыткам и влаговыделениям. Поэтому для этих зданий формулу (9.5) применяют для определения количества наружного воздух для систем с рециркуляцией.

Для проветривания помещения принимается максимальное количество воздуха из найденных значений. Это количество воздуха проверяется по нормам подачи воздуха на 1 человека. При определении воздухообмена по условиям разбавления ядовитых газов, потребное количество воздуха определяется по каждому газу и к расчёту принимается максимальное из найденных значений. Если же в воздух выделяются газы однонаправленного действия, потребное количество воздуха подсчитывается по каждому газу в отдельности и суммируется.

8.3. Отсутствие местной вентиляции

К этому случаю относятся большинство помещений жилых и общественных зданий, некоторые производственные помещения механические цехи и т.п. Схема организации воздухообмена в помещении приведена на рисунке IV.3.

Рис. IV.3. Схема организации воздухообмена.

Для расчета воздухообмена по избыткам тепла необходимо решить систему уравнений:

(8.6.)

Решение этой системы имеет вид, кг/ч:

(8.7.)

Аналогичные формулы для расчета воздухообмена по избыткам явного тепла, влаги и вредным веществам:

- по избыткам явного тепла

(8.8.)

- по влаговыделениям

(8.9.)

- по вредным веществам

(8.10.)

8.4. Удаление воздуха из помещения на двух разных уровнях

К этому случаю относятся большинство производственных помещений при наличии в них местных отсосов, забирающих воздух из рабочей зоны в количестве G_у2, кг/ч (рис. IV.4,а). Примером таких помещений могут служить деревообрабатывающие, обувные, малярные цехи и т. п. В общественных зданиях также имеются помещения, в которых воздухообмен происходит по этой схеме. Примером могут служить кухни предприятия общественного питания. В некоторых помещениях на двух разных уровнях на уровне верхней G_у1 и нижней G_у2 зоны осуществляется общеобменная вытяжка (рис. IV.4,б). По описываемой схеме происходит воздухообмен в помещениях обеденных залов (удаление воздуха на двух разных уровнях), в зрительных и актовых залах (расположение отверстий для рециркуляции воздуха в нижней зоне помещения).

а) б)

Рис. IV. 4. Схема организации воздухообмена:

а) один приток, две вытяжки;

б) один приток, одна вытяжка и поток перетекающего воздуха.

В этом случае для расчета воздухообмена по избыткам полного тепла используют систему уравнений:

(8.11.)

Решение системы имеет вид, кг/ч:

(8.12.)

В некоторых случаях при расчете воздухообмена по рассматриваемой схеме бывает задано соотношение между величинами G_п и G_у2. Примером может служить обеденный зал столовой или ресторана, где соотношение указанных величин нормируется с целью создания некоторого подпора для предотвращения перетекания в зал загрязненного воздуха из подсобных помещений. Расход воздуха G_у2 выдавливается в соседние помещения через проемы и не плотности. Решение системы (9.11.) этом случае имеет вид, кг/ч

(8.13.)

где К= G_у2/ G_п коэффициент, принимаемый для обеденных залов от 0.5 до 1.

Количество воздуха, удаляемого в этом случае из верхней зоны помещения, кг/ч

(8.14.)

Количество воздуха, перетекающего в соседние помещения через проемы и неплотности, кг/ч

(8.15)

Расчет воздухообмена при расположении отверстий для рециркуляции воздуха не в верхней зоне помещения, а на произвольном уровне производится также по формуле (8.13.). в этом случае I_у2 энтальпия воздуха на уровне рециркуляционных отверстий, а величина [K] определяется по соотношению расходов рециркуляционного и приточного воздуха.

8.5. Поступление воздуха в помещениях от двух источников

К этому случаю относятся загрязненные помещения, в которых за счет некоторого создаваемого в них разряжения из соседних помещений через проемы проникает определенное количество воздуха. Расход этого воздуха

G_п2 определяется при расчете воздушного режима. К помещениям такого рода в промышленных зданиях относятся гальванические цехи, ряд цехов химических производств, помещения с выделением взрывоопасных паров и газов. В общественных зданиях это помещения пунктов питания (буфеты, кухни и другие помещения для приготовления и разогрева пищи), раздевалки при душевых и т.п. Схема воздухообмена для этого случая представлена на рисунке IV.5.

Рис. IV.5. Схема организации воздухообмена

Для расчета воздухообмена по избыткам полного тепла необходимо решить систему уравнений:

(8.16.)

Решение этой системы имеет вид, кг/ч:

(8.17.)

. (8.18.)

Расчет воздухообмена по избыткам полного тепла в этом случае затруднен необходимостью определять величину I_у подбором. Задачу можно решить путем вспомогательного построения в Id диаграмме, используя для составления системы уравнений геометрическое подобие фигур, образованных линиями процесса на диаграмме.

Однако в рассматриваемом случае можно применить и весьма простой прием определения искомых величин G_у и G_п1. При известной величине t_у целесообразней рассчитать воздухообмен по избыткам явного тепла DQ_я»DQ_пМ_вл×I_пар. Здесь I_пар энтальпия пара при t_в

(8.19.)

Величина G_п1, определяется по формуле (9.18). Параметры воздуха в помещении и воздуха, удаляемого из помещения, определяются аналитически или построением в Id – диаграмме процессов смешения и изменения состояния воздуха в помещении. Для помещений со значительными влаговыделениями величину G_у после определения I_у целесообразно проверить по формуле (9.17.).