Метод анализа изменений механической мощности воздушного потока в вентиляционной системе

Метод анализа изменений механической мощности воздушного потока в

вентиляционной системе

А.И.Василенко Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: С целью получения объективных данных об энергетическом потенциале воздушных потоков в системе вентиляции предлагается использовать параметр «локальная механическая мощность потока». Приводятся формулы, характеризующие изменение данного параметра на различных участках вентиляционной системы. Описывается предлагаемый автором способ графического отображения процессов изменения параметров потока в координатных осях Ь - Рп, позволяющий достаточно просто определять изменение его локальной механической мощности на изотермических и неизотермических участках вентиляционной системы.

Ключевые слова: вентиляционные системы, вентилятор, механическая мощность, теплообменник, энергоэффективность, энергосбережение.

Повышение энергетической эффективности зданий является комплексной задачей, требующей для своего решения реализации ряда организационных, экономических и технических мероприятий [1-3]. Важнейшей составной частью технических решений в области энергосбережения является повышение энергетической эффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Известно, что системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) являются крупными потребителями электроэнергии, на их долю приходится около 40 % общей электрической мощности, потребляемой зданиями [4-6]. Это обусловливает необходимость исследования вопросов энергосбережения в системах ОВК при разработке стратегических направлений и практических рекомендаций по повышению энергетической эффективности зданий. В последние годы в данном направлении исследований наметился существенный прогресс [7-10], что позволило добиться значительного продвижения как в области исследования энергосберегающей проблематики вентиляционных систем, так и в области разработки энергоэффективных конструкций отдельных элементов вентиляционных систем. Однако, по

нашему мнению, некоторые принципиальные вопросы, связанные с повышением энергетической эффективности ОВК, требуют дополнительной методологической проработки. В данной статье описывается разработанный нами метод анализа изменений механической мощности воздушного потока при его перемещении по элементам вентиляционной системы.

Реализация целевой функции вентиляционной системы сопровождается изменением параметров воздуха в процессе его движения по системе, в том числе изменением термодинамических параметров - температуры, плотности и давления воздуха. Это дает основание применять при исследовании вентиляционных систем термодинамические методы, позволяющие установить общие закономерности, описывающие процессы и явления в системах и определяющие уровень их энергетической эффективности.

При наличии теплового и механического взаимодействия потока с окружающей средой и отсутствии технической работы, преобразования энергии в нем описываются уравнением Бернулли, все величины которого отнесены к единице объема перемещаемого воздуха:

Р 1 = Р 2 + ДР

п1 п2 (1-2) V у '

В последней формуле: Рп1, Рп2 - соответственно полные давления воздуха в сечениях 1 и 2, характеризующие механическую энергию единицы объема воздуха в данных сечениях; ДPv - увеличение полного давления

воздуха в вентиляторе; АР - потери давления воздуха на участке между

сечениями 1 и 2 в результате совершения потоком работы против сил сопротивления его движению и ускорения или замедления потока.

Для характеристики уровня механической энергии потока в 7 - м сечении вентиляционной системы используем понятие «локальной механической мощности потока», N7, равной произведению полного

давления воздуха в сечении, Рп7, на ее объемный расход в данном сечении, Ь

IH Инженерный вестник Дона, №3 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2017/43 52

N = j.

Изменение механической мощности потока на участке 1-2 отображается зависимостью

N

i

Для последовательно расположенных изотермических участков системы при L = const, связь между значениями локальной механической мощности потока в сечениях 1 и 2 при наличии потерь давления и подвода механической энергии к потоку на участке между данными сечениями устанавливается зависимостью, полученной из совместного решения (1) и (2):

Ni = N2 + AN^ - Nv.

Для неизотермических потоков связь между значениями локальной механической мощности потока в сечениях 1 и 2, может быть установлена из совместного решения уравнения (1) и уравнения расхода:

N1 = N2 ^ + AP

Р1 )

Зависимости (4) и (5) позволяют установить распределение значений локальной механической мощности потока в характерных сечениях аэродинамической системы и выявить участки, на которых происходит увеличение или уменьшение этой величины.

Необходимо отметить, что в общем случае все процессы изменения параметров воздуха в вентиляционных системах являются политропными процессами, строгий анализ которых связан с существенными трудностями. Однако задачу исследования можно упростить, если при исследовании процессов изменения параметров потока исходить из того, что в соответствие

с режимами работы вентиляционных систем Pn < 5 • 10 Па, w < 30 м/с,

поэтому сжимаемость воздуха и увеличение его температуры в результате

1К1 Инженерный вестник Дона, №3 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2017/43 52

трения и повышения давления в вентиляторе можно не учитывать.

Отобразим характерные для вентиляционных систем процессы изменения полного давления и объемного расхода транспортируемой среды на различных участках системы в координатных осях Ь-Рп, рис. 1.

Рп

Рп5

Рпб

РпЗ

Рц4

Рп1

Рп2

РпЗ

Рп7

М Ч ь

Рис. 1. Процессы изменения параметров воздуха на изотермических и

неизотермических участках вентиляционной системы.

В соответствии с принятыми допущениями изотермические процессы движения потока с диссипацией или подводом механической энергии к потоку отображаются противоположно направленными вертикальными линиями 1-2 или 7-8.

Линия 1-2 отображает изменение полного давления и механической мощности потока при его движении по изотермическому участку 1-2. Так как Рп2 < Рп1, следовательно АЫ1-2 является величиной отрицательной.

Линия 7-8 отображает процесс подвода механической мощности к потоку в вентиляторе при величине создаваемого им полного давления воздуха равного АР^ = Рп8 - Рп7. Так как Рп8 > Рп7, то АИу^ величина

положительная.

II Инженерный вестник Дона, №3 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2017/43 52

Необходимо отметить, что в общем случае процесс изменения параметров воздуха в вентиляторе является адиабатическим и сопровождается повышением температуры воздуха вследствие работы адиабатического сжатия, при этом прирост температуры потока составляет

0,8 °С на 1 кПа увеличения полного давления потока в вентиляторе. Учитывая приведенный выше диапазон изменения полного давления потока в вентиляционной системе, можно считать, что увеличение температуры потока в вентиляторе не превышает 3 ОС и не оказывает существенного влияния на объемный расход потока. Это позволяет, при сохранении соразмерности изменения плотности воздуха в вентиляторе и теплообменниках, отобразить процесс изменения параметров потока в вентиляторе линией Ь=еоп81.

Линия 3-4 отображает процесс нагрева транспортируемой среды в теплообменнике. В общем случае характер линии 3-4 определяется закономерностями распределения полных давлений и объемных расходов транспортируемой среды в зоне теплообмена, которые, в свою очередь, зависят от конструктивного решения теплообменника и условий теплообмена. Изменение локальной механической мощности потока в данном процессе в соответствии с формулой (3) равно площади фигуры, заключенной между линией 3-4 и осью ординат:

Линия 5-6 отображает процесс охлаждения воздуха в теплообменнике. Изменение локальной механической мощности потока в данном процессе

4

А^(3_4) =\ LdPn .

3

равно

6

А^ (5_ 6) =\ LdPn

5

и отображается площадью фигуры, заключенной между линией 5-6 и осью ординат.

Значения локальной механической мощности потока в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6,7 и 8 определяются произведением координат данных точек.

Выводы:

Введение параметра «локальная мощность воздушного потока» позволяет оценить изменение энергетических характеристик воздушного потока в вентиляционной системе. Отображение процессов изменения полного давления и объемного расхода воздуха в вентиляционных системах в координатных осях L-Pn дает наглядное представление о характере изменений энергетических характеристик воздушного потока в системе вентиляции и позволяет достаточно просто определять изменение его локальной механической мощности на изотермических и неизотермических участках вентиляционной системы.

Литература.

1. А.В. Гавриленко, А.Л. Кирсанов, Т.П. Елисеева. Основные направления энергосбережения в региональной экономике// Инженерный вестник Дона, 2011, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/340.

2. Н.А. Страхова, Н.Ю. Горлова. Концепция энергоресурсосберегающей деятельности в промышленности. // Инженерный вестник Дона, 2011, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/359.

3. С.Г.Шеина, Е.В.Чулкова. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий в рамках реализации программы по энергосбережению в жилищном фонде г. Ростова-на-Дону// Инженерный вестник Дона, 2011, № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/707.

4. K. F. Fong, V. I. Hanby, and T. T. Chow, - HVAC system optimization forenergy management by evolutionary programming//Energy Build., vol. 38, no.3, pp. 220 -231, 2006.

5. E. Mathews, C. Botha, D. Arndt, and A. Malan, - HVAC control strategies to enhance comfort and minimise energy usage // Energy Build., vol. 33, no. 8, pp. 853 - 863, 2001.

6. Wong Kwok Wai Johnny. Development o f Selection Evaluation and System Intelligence Analytic Models for the Intelligent Building Control Systems, Hong Kong Polytechnic University, 2007. - 414 p.

7. Кокорин О.Я. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования. М.: Издательство АСВ, 2013. 256 с.

8. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Оценка аэродинамической эффективности вентиляционных систем //АВОК, 2008, № 7. с.46.

9. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем //АВОК, 2009, №5. с.28.

10. Галкина Н.И. КПД систем вентиляции. // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4106.

References

1. Gavrilenko A.V., Kirsanov A.L., Yeliseeva T.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/340.

2. Strahova N. A., Gorlova N.J. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/359.

3. Sheina S. G., Girya L.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/707.

4. K. F. Fong, V. I. Hanby, and T. T. Chow, Energy Build., vol. 38, no.3, pp. 220 -231, 2006.

5. E. Mathews, C. Botha, D. Arndt, and A. Malan, Energy Build., vol. 33, no. 8, pp. 853 - 863, 2001.

6. Wong Kwok Wai Johnny. Development o f Selection Evaluation and System Intelligence Analytic Models for the Intelligent Building Control Systems, Hong Kong Polytechnic University, 2007. 414 p.

7. Kokorin O.Ja. Jenergosberezhenie v sistemah otoplenija, ventiljacii, kondicionirovanija [Energy saving in heating, ventilation, air conditioning systems]. M.: Izdatel'stvo ASV, 2013. 319 p.

8. Karadzhi V.G., Moskovko Ju.G. Ocenka ajerodinamicheskoj jeffektivnosti ventiljacionnyh system [Evaluation of the aerody namic efficiency of ventilation systems]. AVOK.2008, №7. p. 46.

9. Karadzhi V.G., Moskovko Ju.G. Sposoby uvelichenija ajerodinamicheskoj effektivnos ti ventiljacionnyh system [Ways to increase aerodynamic effectiveness of ven tilation systems]. AVOK. 2009, № 5. p. 28.

10. Galkina N.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine /archive/N2y2017/4106.