Метод анализа изменений механической мощности воздушного потока в вентиляционной системе

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:

(1)

В последней формуле: P_n1, P_n2 - соответственно полные давления воздуха в сечениях 1 и 2, характеризующие механическую энергию единицы объема воздуха в данных сечениях; - увеличение полного давления воздуха в вентиляторе; - 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 j - м сечении вентиляционной системы используем понятие «локальной механической мощности потока», , равной произведению полного давления воздуха в сечении, P_nj, на ее объемный расход в данном сечении, L_j:

(2)

Изменение механической мощности потока на участке 1-2 отображается зависимостью

(3)

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):

(4)

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:

(5)

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 системПа, м/c, поэтому сжимаемость воздуха и увеличение его температуры в результате 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 L-P_n, рис. 1.

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 P_n2 < P_n1, следовательно ?N_1-2 является величиной отрицательной.

Линия 7-8 отображает процесс подвода механической мощности к потоку в вентиляторе при величине создаваемого им полного давления воздуха равного

Так как P_n8 > P_n7, то ?N_7-8 величина положительная.

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 на 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 L=const.

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 равно

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.

локальный механический мощность вентиляционный