Расчет механической вентиляции

Расчет механической вентиляции состоит из следующих этапов:

1 – расчет необходимого воздухообмена помещений (здания) – см. выше раздел 5.2;

2 – расчет потерь давления в элементах (каналах) механической вентиляции;

3 – выбор вентилятора и расчет мощности электродвигателя к нему – см. выше раздел 5.8.

Расчет потерь давления в системе механической вентиляции

Перемещение воздуха в системах механической вентиляции обеспечивается работой вентилятора. Требуемое давление вентилятора определяют из расчета воздуховодов по предварительно принятым в них скоростям движения воздуха. Скорости выбирают так, чтобы на перемещение воздуха затрачивались наименьшее количество энергии и одновременно чтобы воздуховоды не были дорогими при изготовлении и громоздкими для установки в помещении. Потери давления, возникающие от трения, при одной и той же скорости движения воздуха тем меньше, чем меньше периметр сечения воздуховода на единицу перемещаемого объема, поэтому на участках, где перемещаются малые количества воздуха, принимают меньшие скорости, а на участках, где воздуха проходит много (вблизи вентиляторов), принимают большие скорости. Кроме того, такое распределение скоростей улучшает условия увязки ответвлений сети. Рекомендуемые скорости движения воздуха в воздуховодах, жалюзийных решетках и клапанах приведены в табл. 5.17.

При расчете сети следует учитывать потери давления в вентиляционном оборудовании (калориферах, фильтрах и пр.). Естественным давлением в системах механической вентиляции обычно пренебрегают. При расчете сети воздуховодов должен быть обеспечен запас давления в 10% на непредвиденные сопротивления.

Расчетное давление определяют по формуле

Δ , (5.68)

где R – потери давления на трение на расчетном участке сети, Па, на 1 м; l – длина участка воздуховода, м; Z – потери давления на местные сопротивления на расчетном участке сети, Па.

Порядок расчета сети воздуховодов систем приточной и вытяжной вентиляции с механическим побуждением не отличается от порядка расчета сети воздуховодов систем вентиляции с естественным побуждением. Отличительной особенностью является то, что в системах механической вентиляции, как правило, бó льшие протяженности сети воздуховодов и бó льшие скорости движения воздуха, которые создают и бó льшие потери давления. Расчет обычно сводят в таблицу. Скорости движения воздуха, рекомендуемые для систем вентиляции, приведены в табл. 5.18.

Таблица 5.18

Скорости движения воздуха, допускаемые в воздуховодах, жалюзийных

решетках и клапанах приточных и вытяжных систем общего назначения*

Элемент системы	V, м/с

При естественном движении воздуха
Воздуховоды горизонтальные:
приточные разводящие	Не более 0, 5
вытяжные сборные	Не более 0, 5
Жалюзийные решетки и клапаны:
приточные у пола	0, 2-0, 5
приточные у потолка	0, 5-1
вытяжные	0, 5-1
При механическом побуждении
Воздуховоды в производственных зданиях:
магистральные	До 12
ответвления	До 6

Окончание табл. 5.18


Воздуховоды в общественных и вспомогательных зданиях:
магистральные	До 8
ответвления	До 5
*Примечание: в вентиляционных системах, предназначенных для удаления запыленного воздуха, скорости в воздуховодах принимают из условия предотвращения осаждения пыли на стенках воздуховодов, обычно не менее 15 – 16 м/с

Пример. Рассчитать потери давления в круглых стальных воздуховодах приточной системы механической вентиляции для промышленного здания. Расчетная схема системы представлена на рис. 5.35. Воздух в помещение подается через воздухораспределители ВП. Потери давления на участке 5 и в приточной камере, оборудованной калорифером, утепленным клапаном и жалюзийной решеткой, составляют 100 Па. Нагрузки на участках показаны на схеме.

Рис. 5.35. Расчетная схема приточной системы вентиляции с механическим
побуждением

Условные обозначения на рис. 5.34:

–

– номер участка;

над чертой – количество воздуха, проходящего по воздуховоду, м³/ч; под чертой – длина участка, м.

Решение. Расчет начинаем с наиболее удаленного от вентилятора участка (в данном случае уч.1). Данные расчета заносим в табл. 5.19. Задавшись скоростями в пределах 5—10 м/с, определяем диаметры участков и отвечающие им потери на трение и динамические давления (для расчета использованы таблицы к расчету воздуховодов из «Справочника проектировщика». Подсчет коэффициентов местных сопротивлений сводим в табл. 5.20.

Таблица 5.19

Расчетная таблица сети воздуховодов

№ участка	Количество воздуха, L, м³/ч	Длина участка, l, м	Скорость воздуха, V, м/с	Размер воздуховода, d, мм	Динамическое давление, V²·ρ /2, Па	Потери давления на трение	Сумма коэффициентов местных сопротивлений, Σ ζ	Потери давления на местные сопротивления, Z = Σ ζ × (V²× ρ /2), Па	Общие потери давления на участке, Rl + Z, Па	Суммарные потери давления на участках от начала сети, Σ (Rl + Z), Па
на 1 м, R, Па	на всем участке, Rl, Па
			4, 8		13, 83	1, 15	13, 8	1, 9	26, 3	40, 1	40, 1
			6, 2			1, 36	8, 16	0, 1	2, 3	10, 5	50, 6
			7, 3			1, 6	9, 6	0, 9	28, 8	38, 4	89, 0
			8, 6		44, 34	1, 6	14, 4	0, 8	35, 5	49, 9	138, 9
										100 (по	238, 9
										заданию)
Расчетное давление для участка 6 Δ Р_р = (Rl + Z)₁ = 40, 1 Па
						1, 24	2, 5	2, 6		41, 5
Невязка (41, 5-40, 1): 40, 1·100%=3, 5% < 10%, что допустимо
Расчетное давление для участка 7 Δ Р_р = (Rl + Z)_{1, 2} = 50, 6 Па
			4, 9		14, 4	1, 2	2, 4	3, 2	46, 08	48, 48
Невязка (50, 6-48, 48): 50, 6·100%=4, 2%

Таблица 5.20

Коэффициенты местных сопротивлений по участкам системы

№ участка	Элементы воздуховодов	ζ
	Воздухораспределитель ВП Отвод 90º при R/d =1, 5 Тройник на проходе при d_о< d_сна 2K, * d_п< d_с на 2K	1, 4 0, 4 0, 1 Σ ζ = 1, 9
	Тройник на проходе при d_о< d_сна 3K, d_п< d_с на K	Σ ζ = 0, 1
	Тройник на проходе Два отвода 90º при R/d =1, 5	0, 1 2·0, 4 = 0, 8 Σ ζ = 0, 9
	Отвод 90º при R/d =1, 5 Диффузор после вентилятора	0, 4 0, 4 Σ ζ = 0, 8
	Воздухораспределитель ВП Отвод 90º при R/d =1, 5 Тройник на ответвление	1, 4 0, 4 0, 8 Σ ζ = 2, 6
	Воздухораспределитель ВП Отвод 90º при R/d =1, 5 Тройник на ответвление	1, 4 0, 4 1, 4 Σ ζ = 3, 2
* K — калибр воздуховода

Из расчета потерь давления в табл. 5.19 получаем, что полное требуемое давление с учетом запаса на непредвиденные сопротивления в сети в размере 10% составит:

Δ Р_мех = 1, 1·238, 9 = 262, 8 Па.

Подача вентилятора с учетом утечек в размере 10% составит

L = 1, 1·4930 = 5420 м³/ч.

Для рассчитанной выше вентиляционной системы к установке принимаем радиальный вентилятор ВР80-75 №5 с колесом 1, 05 D_ном, исп. 1,
L = 5420 м³/ч; Δ Р = 320 Па; η = 0, 79; п = 920 мин^–1 в комплектной поставке с электродвигателем 4А80А6 мощностью 0, 75 кВт (характеристика вентилятора приведена на рис. 5.13).

5.14. Увлажнение воздуха. I – d диаграмма

Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары в отличие от других составляющих смеси могут находиться в воздухе как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит 78% по объему азота, около 21% кислорода, около 0, 03% углекислоты, незначительное количество инертных газов (аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и др.

Для технических расчетов влажный воздух считают смесью газов, для которой справедлив закон Дальтона. Согласно закону Дальтона, каждый газ в смеси, занимая весь объем, имеет свое парциальное давление p_i, а сумма этих давлений равна полному (барометрическому) давлению В смеси:

B = Σ p_i , Па. (5.69)

При расчете вентиляции влажный воздух принято рассматривать как смесь двух газов, состоящую из водяных паров (газа с молярной массой М_п = 18 кг/моль) и сухого воздуха (условного однородного газа с молярной массой М_с.в = 29 кг/моль). Барометрическое давление В в этом случае равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р_с.в водяного пара р_п:

В = р_с.в + р_п. (5.70)

Плотность ρ сухого воздуха при стандартных условиях (В = 101325 Па и t = 20°С) равна приблизительно 1, 2 кг/м³. При другой температуре она равна

ρ = 1, 2 , кг/м³. (5.71)

Доля влаги во влажном воздухе невелика, разница в плотностях сухого и влажного воздуха составляет всего 0, 75%, поэтому в инженерных расчетах систем вентиляции обычно считают, что ρ _в = ρ _с.в.

В вентиляционных процессах количество сухой части воздуха остается неизменным, в связи с чем принято все показатели тепловлажностного состояния воздуха относить к 1 кг сухой части влажного воздуха.

Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нем водяного пара. Массу водяного пара в килограммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, кг/кг.

В расчетах удобнее пользоваться влагосодержанием d в граммах влаги на 1 кг сухого воздуха.

Максимальное значение влагосодержания при заданной температуре строго определено полным насыщением воздуха водяными парами. Для характеристики степени увлажненности воздуха применяют показатель относительной влажности воздуха j – степень насыщенности воздуха водяным паром, выраженную в процентах, по отношению к состоянию полного насыщения.

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом. Водяные пары в этом случае находятся в насыщенном состоянии. При j < 100% воздух называют ненасыщенным влажным воздухом.

Удельные теплоемкости сухого воздуха с_с.в и пара с_п в обычном для вентиляционного процесса диапазоне можно считать постоянными и равными:

с_с.в = 1, 005 кДж/кг·°С; с_п = 1, 8 кДж/кг·°С.

Если энтальпию сухого воздуха I_с.в при t = 0°С принять за 0, то его энтальпия I_с.в при произвольной температуре t будет равна

I_с.в = с_с.в · t = 1, 005 · t, кДж/кг. (5.72)

Удельная теплота парообразования для воды при 0°С равна r = 2500 кДж/кг. Энтальпия пара I_п при 0°С равна скрытой теплоте парообразования r. При произвольной температуре

I_п = 2500 + 1, 8 · t, кДж/кг. (5.73)

Энтальпия влажного воздуха I складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара. Энтальпия I, отнесенная к 1 кг сухой части влажного воздуха при произвольной температуре t и влагосодержании d, равна:

I = 1, 005 · t + (2500 + 1, 8 · t) · d · 10^-3. (5.74)

Если ввести величину теплоемкости влажного воздуха с_в:

с_в = 1, 005 + 1, 8 d · 10^-3, кДж/(кг·К), (5.75)

то

I = с_в · t + r · d · 10^-3, кДж/кг. (5.76)

На основании всех этих предпосылок профессором Л.К. Рамзиным была составлена I – d-диаграмма, которая широко используется в расчетах вентиляции и кондиционировании воздуха, расчетах осушки воздуха и других процессах, связанных с изменением состояния влажного воздуха. В этой диаграмме графически связаны все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: I, d, t, j, р_п. Диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом α = 135° между осями I и d, принцип построения диаграммы приведен на рис. 5.36.

На вспомогательной оси 0d₁ в масштабе с интервалом, соответствующим 1 г, отложены величины влагосодержаний d, г/кг, сухой части влажного воздуха, и через полученные точки проведены вертикальные линии постоянного влагосодержания.

Рис. 5.36. Графическое изображение энтальпии, которой соответствует

точка 1, и построение линии t = const на I – d-диаграмме

На рис. 5.37 приведена I – d-диаграмма влажного воздуха для барометрического давления 0, 101325 МПа (760 мм рт. ст.). По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии, I, кДж/кг, сухой части влажного воздуха.

Рис. 5.37. I – d-диаграмма влажного воздуха для барометрического
давления 0, 101325 МПа (760 мм рт. ст.)

Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const.

В нижней части I – d-диаграммы на рис. 5.37 расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание
d, г/кг, с парциальным давлением водяного пара р_п, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара р_п.

Кроме линий постоянных значений I, d и t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздухаj = const, одна из которых соответствует j = 100%.

Если положение изотерм (t = const) и изоэнтальпий (I = const) в I – d-диаграмме практически не зависит от барометрического давления В, то положение кривых j = const меняется с изменением давления В.

Каждая точка (например, точка А, рис. 5.38) в верхней части I – d-диаграммы (выше линии j = 100%) соответствует определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Пользуясь I – d-диаграммой легко получить еще 2 очень важных параметра: температуру точки росы t_т.р и температуру мокрого термометра t_м.т.

Температура точки росы t_т.р соответствует температуре воздуха, насыщенного водяными парами на 100% при заданном влагосодержании (на линии d = const). Температура мокрого термометра t_м.т равна температуре воздуха, насыщенного водяными парами на 100% при заданной энтальпии (на линии I = const).

Рис. 5.38. Определение по I – d-диаграмме температуры мокрого

термометра t_м.т и температуры точки росы t_т.р

Все изменения состояния воздуха в вентиляционных процессах могут быть изображены в I – d-диаграмме. Простейшим является процесс нагревания, при котором воздух получает только явное, или сухое тепло в результате контакта с сухой нагретой поверхностью. Влагосодержание воздуха остается неизменным и процесс идет по линии d = const вверх. Он будет изображен отрезком 1—2 вертикальной линии, соединяющим начальную и конечную температуры воздуха, и называется лучом процесса, рис. 5.39.

Рис. 5.39.Изображение в I – d-диаграмме процессов нагрева и

охлаждения воздуха

В процессе охлаждения воздух отдает только явное тепло в контакте с сухой охлажденной поверхностью. Процесс будет изображен вертикальным отрезком 1—3 прямой на линии d = const (рис. 5.39). Он может идти до точки росы (отрезок 3—4). При дальнейшем охлаждении содержащийся в воздухе водяной пар будет выпадать в виде конденсата, и процесс пойдет по линии j = 100% с выделением удельной теплоты парообразования (от точки 4 к точке 5).

Процесс адиабатического увлажнения (рис. 5.40) происходит при постоянном теплосодержании (отрезок 1—2, воздух ассимилирует Δ d₁ влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха) и заканчивается в точке 3, соответствующей температуре мокрого термометра t_м1. Этот процесс возможен, если воздух орошается тонко распыленной водой, или при многократной обработке воздуха циркулирующим объемом воды. И в том, и в другом случае вода достигает температуры мокрого термометра. Явное тепло из воздуха переходит в скрытую теплоту парообразования, при этом падает температура воздуха и увеличивается его влагосодержание.

Рис. 5.40. Изображение в I – d-диаграмме процессов адиабатического и

изотермического увлажнения воздуха

Процесс изотермического увлажнения возможен, если в воздух подавать пар, имеющий температуру воздуха по сухому термометру. Процесс будет идти по линии t = const (точки 1—4—5 на рис. 5.40) и длина луча процесса будет определяться количеством пара, подаваемого в воздух.

В вентиляционной практике используют способ увлажнения воздуха острым паром, имеющим температуру более 100°С. Процесс очень близок к изотермическому, и направление луча мало отличается от чисто изотермического.

Политропический процесс тепло- и влагообмена нередко сопровождается одновременным поступлением или отбором тепла и влаги. Такое изменение состояния воздуха наблюдается в помещениях, где одновременно выделяется явное тепло и водяной пар. Оно возможно в специальных установках, где воздух одновременно охлаждается и осушается. Направление луча процесса ε возможно практически любое.

Если потоку воздуха, содержащему сухую часть (G, кг/ч) передать Q, кДж/ч, тепла и W, кг/ч, влаги, то его энтальпия изменится на Δ I так, что:

Q = G · Δ I, кДж/кг, (5.77)

а влагосодержание – на Δ d, г/кг, так, что:

W = G · Δ d . (5.78)

Поделив одно на другое, получим:

. (5.79)

На I – d-диаграмме это будет прямая из точки, соответствующей начальному состоянию воздуха (рис. 5.41). Она называется лучом процесса, на диаграмме имеется соответствующая шкала. Угол наклона к оси абсцисс называют угловым коэффициентом луча процесса ε. Луч процесса, исходящий из начальной точки, параллелен линии, соединяющей деление с соответствующим значением ε с нулем отсчета на оси ординат.

Рис. 5.41. Построение лучей процесса на I – d-диаграмме

Важным является процесс смешивания воздуха с разными параметрами состояния. Он изображается прямой (рис. 5.42), соединяющей точки 1 и 2, соответствующие состоянию воздуха смешивающихся масс, и точка смеси 3 всегда располагается на этой прямой и делит её на отрезки, обратно пропорциональные смешиваемым количествам воздуха.

Если смешать воздух состояния 1 в количестве G c воздухом состояния 2 в количестве nG, то точка смеси 3 разделит отрезок 1—2 или его проекции Δ I_1-2, Δ d_1-2 на части 1—3, 3—2 или Δ I_1-3, Δ I_3-2 и Δ d_1-3 Δ d_3-2 (см. рис.), отношение длин которых равно:

. (5.80)

Чтобы найти точку смеси, нужно отрезок 1—2 или его проекции разделить на n + 1 часть и отложить от точки 1 одну часть, оставив n частей до точки 2. Такое построение определит положение точки смеси 3.

Рис. 5.42. Изображение в I – d-диаграмме процесса смешения двух масс

воздуха разного состояния

Возможен случай, когда точка смеси окажется в области ниже линии j = 100%. Это значит, что при смешении будет образовываться туман (конденсация в мелкие капли водяных паров, содержащихся в воздухе). Если принять, что температура выпадающей влаги близка к температуре мокрого термометра, которой соответствует (I_3’ = const) точка смеси 3' (рис. 5.43), то действительные параметры точки смеси 3 будут соответствовать пересечению линий I_3’ = const и j = 100%.

Рис. 5.43. Изображение в I – d-диаграмме процесса смешения

при расположении точки смеси ниже линии j = 100%

В этом случае количество выпавшей из 1 кг воздуха влаги будет равно:

Δ d = d_3’ – d₃. (5.81)

Все вышеописанные процессы обработки воздуха применяются при обработке воздуха в устройствах кондиционирования воздуха.

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 232425 26 27 28 Следующая ⇒