Исследование параметров работы вентилятора в термически нестационарной вентиляционной системе

Исследование параметров работы вентилятора в термически нестационарной вентиляционной системе

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

Аннотация: Целью работы является определение закономерностей, определяющих параметры работы вентилятора в термически нестационарной вентиляционной системе, содержащей воздухонагреватель, расположенный по ходу движения воздуха после вентилятора. Установлено, что вентиляционная система, содержащая воздухонагреватель, имеет две характеристики аэродинамического сопротивления, отнесенные к объемным расходам воздуха на участках сети до и после воздухонагревателя. Обосновано, что при использовании метода наложения Р-Ь характеристик для определения параметров работы вентилятора в рассматриваемой системе, необходимо применять Р-Ь характеристику сети, отнесенную к объемному расходу воздуха до воздухонагревателя. Получены зависимости определяющие параметры работы вентилятора в зависимости от вида его аэродинамической характеристики и места расположения воздухонагревателя в системе.

Ключевые слова: вентиляционные системы, термически нестационарный режим, вентилятор, воздухонагреватель, энергоэффективность, энергосбережение.

Повышение требований к микроклимату в помещениях современных зданий и ужесточение нормативов по их энергоэффективности обуславливает необходимость разработки новых схемотехнических решений в области их инженерно-технического обеспечения, в том числе установок отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК). Важнейшими направлениями повышения энергетической эффективности этих установок является совершенствование их принципиальных схем [1-4], а также создание и внедрение комплексов автоматического управления работой данных установок [5-8]. Опыт показывает, несмотря на определенную автономность исследований по указанным направлениям, существует ряд вопросов, решение которых оказывает влияние на технический прогресс по двум указанным направлениям. К таким вопросам можно отнести исследования в области разработки новых вентиляционных агрегатов, центральных кондиционеров и других элементов ОВК. Однако, получение ожидаемого энергосберегающего эффекта от внедрения новых разработок

:

связано с рядом трудностей, связанных с недостаточной изученностью особенностей работы вентиляторных агрегатов в термически нестационарных вентиляционных системах, содержащих теплообменники.

Рассмотрим работу вентилятора в термически нестационарной вентиляционной сети содержащей воздухонагреватель, рис.1.

Рис. 1. Схема системы механической вентиляции с воздухонагревателем.

Введем обозначения: Ll-2, Ь2-3, Ь3-4 - соответственно объемные расходы воздуха на участках 1-2, 23, 3-4; Ру, Ьу - соответственно давление воздуха, создаваемое вентилятором и его объемная производительность; ЛР1-2, ЛР2-3, ЛР3-4 - потери давления воздуха на участках 1-2, 2-3, 3-4; к1_ к2 _ к3_ 4- характеристики

аэродинамического сопротивления участков 1-2, 2-3, 3-4; ЛР - потери давления воздуха в системе; р1-2, р3-4 - плотности воздуха на участках 1-2, 3-4.

Ограничим область исследований анализом параметров работы вентилятора при постоянном значении плотности воздуха в его входном патрубке равной р1-2.

В рассматриваемой системе имеют место следующие соотношения:

т = т = т Р3_4 .

Ьу Ь1_ 2 Ь3 _ 4 ' ^

2

Ру = /

Ру = ЛР.

Потери давления воздуха в системе определяются следующими уравнениями:

АР =

V 2 + *2 - 3 + * 3 - 4

Л-:

р

3 - 4

Р1-2 Ь1-2 = К

АР =

Ръ-4 ,

Р1-2

Р3-4 Ь3-4 = К

При отсутствии нагрева воздуха в воздухонагревателе р

3-4

Р1-2:

АР

= [*1-2 + *2-3 + *3-4 ]-2 Ь12 = КР1-2 4-2

Из зависимостей (4) и (5) следует, что рассматриваемая вентиляционная сеть имеет две характеристики сети, отнесенные к объемным расходам воздуха на участках 1-2 и 3-4.

Величины Pv и Ьу могут быть определены графо-аналитическим способом по методу наложения Р-Ь характеристик [9-11]. Необходимо отметить, что известные решения этой задачи [9-11] основаны на использовании характеристики сети, отнесенной к расходу воздуха на участке после воздухонагревателя, что не соответствует физическому смыслу исследуемого процесса. Этот вывод обусловлен тем, что смысл метода наложения характеристик состоит в нахождении точки пересечения Р-Ь характеристик сети и вентилятора, соответствующих одному и тому же значению плотности воздуха. А это означает, что в данном случае должна использовать уравнение (4).

Результаты применения метода наложения характеристик, применительно к рассматриваемой задаче, представлены на рис. 2. Пересечение линии 1, построенной по уравнению (6) и линии 4, являющейся графическим отображением Р-Ь характеристики вентилятора при р1-2, определяет координаты его рабочей точки при отсутствии нагрева воздуха -точка 1 на рис. 2.

ь = и.

V 1

р = р 1

ь р

1

где: п1 - кпд вентилятора.

Рис. 2. Диапазон изменения параметров работы вентилятора при отсутствии и при наличии нагрева воздуха в воздухонагревателе. Характеристики сети соответственно: 1 -по уравнению (6); 2 - по уравнению (4); 3 - по уравнению (10). 4 - Р-Ь характеристика вентилятора.

При нагреве воздуха в воздухонагревателе Рз-4 < 2, и параметры работы вентилятора определяются координатами точки 2 на пересечении линий 2 и 4, рис. 2. Смещение линии 2 влево по отношению к линии 1, рис. 2, обосновывается тем, что из сопоставления формул (4) и (6) следует: Р\_ 2

кз_4—> кз_4, поэтому К(1_2) > К . Величина К(1-2) в зависимости от Р3-4

местоположения теплообменника в сети находится в пределах:

к

3_ 4

Р_ 2

Р3_ 4

>

К

>к

1_2

:

Нижний предел неравенства соответствует случаю, когда теплообменник размещен на выходе воздуха из системы, рис. 3:

*1-2 >> *2 -3 + *3-4 ^

Рис. 3. Схема системы с Р-Ь характеристикой сети по условию (8).

Верхний предел неравенства (10) соответствует размещению вентилятора и теплообменника на входе воздуха в систему, рис. 4:

*3 - 4 >> *1-2 + *2 - 3 ^

Рис. 4. Схема системы с Р-Ь характеристикой сети по условию (9).

Уравнение характеристики сети, удовлетворяющей условию (8) соответствует зависимости (6) и отображается линией 1, рис. 2, а уравнение характеристики сети, удовлетворяющей условию (9) отображается линией 3 на рис. 2 и имеет вид:

2

АР = *

р3-4

Таким образом, при работе системы в термически нестационарном режиме рабочая точка вентилятора находится на Р-Ь характеристике вентилятора, соответствующей р1-2, между точками 1 и 3, рис. 2, а ее

координаты зависят от плотности нагретого воздуха и местоположения воздухонагревателя в сети.

Выводы:

- нагрев воздуха в воздухонагревателе приводит к уменьшению объемной производительности вентилятора, минимальное уменьшение соответствует размещению воздухонагревателя на выходе воздуха из системы, а максимальное - размещению вентилятора и воздухонагревателя на входе воздуха в систему;

- нагрев воздуха приводит к увеличению потерь давления воздуха в системе и, соответственно, увеличению давления воздуха, создаваемого вентилятором, при этом минимальное увеличение давления соответствует как размещению воздухонагревателя на выходе воздуха из системы, так и применению вентилятора с горизонтальным участком характеристики между точками 1-3 на рис. 2;

- максимальная стабильность объемного расхода и потерь давления воздуха в рассматриваемой системе соответствует размещению воздухонагревателя вблизи выхода воздуха из системы.

Литература.

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

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

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

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Нгуен Суан Мань. Алгоритм управления подсистемой отопления, вентиляции и кондиционирования в составе интеллектуального управления зданием// Инженерный вестник Дона, 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3178.

9. Вахвахов Г.Г. Работа вентиляторов в сети. - М.: Стройиздат, 1975. - 101 с.

10. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. - М.: Высш. школа, 1979. - 223 с.

11. 3. Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. - М.: Стройиздат, 1990. - 336 с.

References

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

2. Karadzhi V.G., Moskovko Ju.G. Ocenka ajerodinamicheskoj jeffektivnosti ventiljacionnyh system [Evaluation of the aerody namic efficiency of ventilation systems]. AV0K.2008, № 7. р. 46.

3. 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.

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

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

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

7. 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.

8. Nguyen Xuan Manh. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3178.

9. Vahvahov G.G. Rabota ventiljatopov v seti [The fans in the network]. M.: Stroiizdat, 1975. 101 p.

10. Kalinuchkin M.P. Ventiljatornie ustanovki [Fan installation]. M.: Vischaja chkola, 1979. 223 p.

11. Poljakov V.V., Skvorzov L.C.. Nasosi i ventiljatori [Pumps and fans]. M.: Stroiizdat, 1990. 336 p.