Как определить производительность вентилятора по скорости воздуха

Определение скорости движения воздуха и производительности вентиляторов

Объем мерзлотного цилиндра вокруг каждой колонки будет равен:

Объем мерзлотной стенки, образующийся за период τ₁ при работе системы из п колонок равен:

Количество тепла, выделяющееся при замораживании грунта в объеме всей мерзлотной стенки при работе всех колонок, определяется формулой:

где W_С – суммарная влажность грунта, доли единицы; – объемный вес скелета грунта, т/м 3 .

Для системы п колонок их суммарная холодоотдача в грунт при движении холодного наружного воздуха в кольцевом пространстве ко­лонки определяется по зависимости

где Ф – величина общего объема воздуха, прогоняемого через все колонки мерзлотной завесы за период замораживания τ₁; – объемный вес воздуха, кг/м 3 (при t=0; 1,293 кг/м 3 ); – удельная теплоемкость воздуха, 0,24 ккал/(м 3 ·град); – температура воздуха на входе и выходе из колонок.

При нагнетании холодного воздуха по внутренней трубе, а отводе – по кольцевому зазору между внутренней и внешней трубами колонки связь между температурами входящих и выходящих воздушных потоков и температурой воздуха на дне колонки можно определить по формуле:

где , , – соответственно температура воздуха на выходе, входе и на дне замораживающей колонки, ° С; Ф – расход воздуха, м 3 /ч; С_В – объемная теплоемкость воздуха (0,325 ккал/(м3·град); К₁ – линейный коэффициент теплопередачи (ккал/(м3·ч·град); h_к — длина колонки, м.

Величина К₁ может быть принята равной 1,38; 1,03 и 0,966 соответственно для стальной, фанерной и винипластовой внутренних труб.

Полагая равными значения Q* и q₃, из уравнений (4) и (5) находим искомую величину Ф.

Для нахождения скорости движения воздуха необходимо задаться производительностью всех вентиляторов; общая производительность всех вентиляторов системы будет равна:

τ₁ – продолжительность периода зимнего вентилирования колонок, ч.

Если систему замораживающих колонок разделить на т секций, то производительность каждого отдельного вентилятора, обслуживающего каждую из т секций замораживающей системы, равна:

При известной площади кольцевого сечения колонки ω (м 2 ) и числе N колонок секции, обслуживаемых одним вентилятором, средняя скорость движения воздуха в кольцевой щели определяется формулой

d₂ – внутренний диаметр наружной трубы колонки, м; d₁ —то же, наружный, м.

На основании натурных данных V_В не должна быть менее 3 м/с. Оптимальная величина V_В = 5–9 м/с.

Задаваясь величиной V_B в интервале 2≤V_B≤8–9 м/с, по формуле (5.8) можно определить необходимую производительность вентилятора каждой секции.

Ориентировочно средняя скорость движения воздуха в кольцевой щели при заданной производительности вентилятора Р’ может быть определена также по формуле

Примеры определения скорости движения воздуха и производи­тельности вентиляторов даны в примере 5.1 и 5.2.

Расчет скорости естественной вентиляции в воздуховодах

В любом помещении, независимо от его назначения, должна быть обеспечена вентиляция. От качества её организации зависит самочувствие, работоспособность людей и уровень комфорта их жизни. Правильный расчёт естественной вентиляции способствует тому, что воздух всегда остаётся свежим и соответствует утверждённым гигиеническим нормам.

В соответствии со строительными и гигиеническими требованиями, в каждом жилом и производственном объекте должна быть система вентиляции. Её основная функция состоит в поддержании воздушного баланса и создании микроклимата, благоприятного для работы и отдыха человека. То есть в атмосфере не должно содержаться лишней влаги, тепла и загрязнений. Иначе в слишком сырой и тёплой среде начнётся стремительное размножение болезнетворных бактерий, на поверхности потолка, стен и мебели появится грибок и плесень.

Всё это приведёт к тому, что люди, находящиеся в помещении, будут испытывать проблемы с дыханием, у них снизятся защитные функции организма. Чтобы этого не произошло, нужно следовать таким рекомендациям:

• Состав воздуха должен отвечать гигиеническим нормам.
• В местах с неправильным воздухообменом должно быть установлено оборудование, увеличивающее и регулирующее скорость движения воздушных потоков.
• Имеющиеся системы вентиляции должны соответствовать функциональным особенностям помещения.

Учесть все важные нюансы правильного воздухообмена поможет заблаговременное проектирование вентиляционной системы, при котором будет учтена скорость естественной вентиляции и другие параметры (размеры помещения, основные характеристики воздуха и др.).

Эффективность вентиляции напрямую зависит от того, где находятся места забора воздуха. Их верное расположение исключает риск попадания загрязнённого воздуха обратно в помещение. Скорость воздуха при естественной вентиляции также зависит от размера воздуховодов и дымовых шахт.

Проходящие по каналам потоки создают определённое давление и шум, возрастающий по мере увеличения числа изгибов в воздуховоде. По санитарным нормам уровень шума определяется временем суток и назначением помещения:

• в больничных и санаторных палатах — 35−50 дБА;
• в учебных кабинетах и классах — 40−55 дБА;
• в жилых квартирах и комнатах — 40−55 дБА;
• на территориях рядом с больницами и санаториями — 35−60 дБА;
• на территориях, прилегающих к жилым зданиям, — 45−70 дБА;
• вблизи школ — 55−70 дБА.

Максимальные значения, указанные в таблице, относятся к периоду с 23 до 7 часов.

В помещениях, оснащённых вентиляторами, всегда присутствует вибрация. Её максимальный порог зависит от размеров воздуховода, материала их изготовления, качества прокладок в них и скорости воздушных потоков.

Вентиляция бывает естественной и принудительной. Естественная осуществляется без участия каких-либо приборов только за счёт перепадов давления. Её эффективность зависит от разницы температур внутри и снаружи помещения. По принципу действия такая вентиляция бывает канальной и бесканальной.

Примером бесканального воздухообмена является проветривание комнат, когда свежие воздушные потоки попадают через открытые фрамуги, форточки, двери, а выводятся через вытяжные решётки, монтированные в санузлах и на кухнях. Канальная циркуляция реализуется путём установки в стенах специальных воздуховодов и бывает гравитационной и ярусной.

Естественный воздухообмен имеет максимально простой принцип, не требует крупных финансовых вложений, легко организуется своими силами. Однако он не всегда бывает довольно мощным, из-за этого вредные вещества удаляются несвоевременно. Когда естественная вентиляция не справляется с функцией очистки атмосферы, в дополнение к ней устанавливается принудительная.

Для её реализации используется различное оборудование. С помощью громоздкой установки с множеством труб, монтированной на чердаке или в подсобном помещении, можно обеспечить хороший воздухообмен во всей квартире, но для этого придётся потратить много сил и средств.

Гораздо легче организовать компактную принудительную вентиляцию. Для неё потребуются вытяжные вентиляторы, установленные в ванной и на кухне, либо более сложно устроенный кондиционер. Особой эффективностью отличаются модели кондиционеров с НЕРА фильтром, адсорбирующим самые мелкие загрязнения, включая пыльцу, микроскопические частицы сажи и автомобильных выхлопов.

Принудительная и естественная циркуляция обеспечивает регулярную смену воздушных масс. Число таких смен — важный показатель, характеризующий скорость движения воздуха в вентиляционных каналах и называемый кратностью. Кратность измеряется в метрах кубических за один час и рассчитывается по формуле N=V/W, в которой:

• W — объём помещения.
• V — объём чистого воздуха, заполняющего это помещение за 1 час.

Для удобства показатели кратности воздуха занесены в специальные таблицы, согласно которым в помещениях определённого типа (комнатах, ванных, кухнях, кладовках, гаражах и т. д. ) воздушные потоки должны обновляться с определённой скоростью.

Аэрацией называют управляемую естественную очистку воздуха, организованную с помощью открытых окон в наружных ограждениях зданий и вентиляционно-световых фонарей. За один час аэрация обеспечивает до 1 млн м3 свежих воздушных масс, поэтому широко используется в помещениях, характеризующихся большими тепловыделениями.

Для достижения максимальной эффективности такого воздухообмена в зданиях устанавливаются фрамуги с нижним, верхним или средним подвесом. Чтобы их легче было открывать, их оснащают приспособлениями с ручным либо механическим приводом.

Проёмы аэрационных фонарей защищаются от ветра глухими стенками или щитами, монтированными на кровле здания. Такая конструкция исключает обратное перемещение загрязнённых воздушных потоков из верхней зоны в рабочую.

Подача воздуха путём аэрации в тёплое время года должна происходить в направлении сверху вниз на расстоянии не больше 1,8 м от пола. В холодный период направление необходимо изменить на обратное, а расстояние увеличить до 4 м.

Главное условие хорошей аэрации в большом здании заключается в определении оптимального размера открывающихся фрамуг при наиболее неблагоприятных условиях и скорости ветра, равной нулю. В процессе расчётов определяется необходимый воздухообмен, скорость воздуха внутри вентиляционных каналов, а также площадь вытяжных и приточных проёмов. Для вычислений потребуется знать:

• температуру наружного воздуха;
• температуру в здании и в рабочей зоне;
• средний температурный режим в здании;
• степень нагрева удаляемых потоков;
• высоту расположения центров приточных и вытяжных аэрационных проёмов от пола;
• количество избыточной теплоты, выделяющейся в помещении;
• градиент температуры (изменение температуры по высоте помещения);
• коэффициенты местных сопротивлений приточных и вытяжных фрамуг;
• плотность воздуха.

При расчётах необходимо ориентироваться на воздушное и тепловое давление. Их показатели должны быть равны.

Зная кратность воздушных масс, нетрудно рассчитать скорость воздуха в воздуховоде при естественной вентиляции. Сначала потребуется узнать площадь сечения воздуховодов. Для этого квадрат радиуса сечения воздуховода нужно умножить на число «пи».

Воздуховоды должны иметь определённый размер и форму. Определив сечение воздушного канала, можно рассчитать, воздуховод какого диаметра потребуется для конкретного помещения. В этом поможет выражение D = 1000*√(4*S/π). В нём:

• D — диаметр сечения воздуховода.
• S — площадь сечения воздушных каналов.
• π — математическая константа, равная 3,14.

Если планируется использование воздушных каналов прямоугольной формы, то нужно рассчитывать не диаметр, а площадь. Она определяется умножением длины на ширину. Отношение ширины к длине должно выражаться пропорцией 1:3.

В соответствии со стандартами, минимальный размер прямоугольного канала составляет 100 мм х 150 мм, максимальный — 2000 мм х 2000 мм. Такие конструкции имеют более эргономичную форму, их проще установить плотно к стене и замаскировать трубы на потолке или над кухонными антресолями.

Круглые изделия отличаются от прямоугольных тем, что в них создаётся меньшее сопротивление воздуха. Поэтому они имеют минимальный уровень шума.

Используя формулу V = L/3600*S и такие параметры, как расход воздуха (L) и площадь каналов, можно провести расчёт естественной вентиляции. Пример расчёта будет таким:

• D = 400 мм.
• W = 20 м³.
• N = 6 м3/ч.
• L = 120 м³.

Путём арифметических действий определяется, что S = 0,1256 м². Скорость потока рассчитывается так V = 120/(3600*0,1256) = 0,265 м/с.

Установлено, что этот показатель не должен превышать 0,3 м/с. Исключение делается только на период временных ремонтных работ либо установки строительной техники. В это время нормативы могут повышаться максимум на 30%.

Если в помещении функционируют две вентиляционные системы, то скорость каждой из них рассчитывают таким образом, чтобы её было достаточно для обеспечения чистым воздухом половины площади.

В случае возникновения непредвиденных ситуаций (например, по требованию пожарной безопасности) приходится резко менять скорость воздуха или останавливать работу вентиляционной системы. Для этого в каналах и на переходных участках устанавливают специальные клапаны и отсекатели.

Правильно смонтированная вентиляция естественного типа имеет определённую конструкцию. Воздуховоды должны быть изготовлены из качественной стали определённой толщины, приточный клапан, через который воздух поступает внутрь при закрытых окнах, может крепиться на оконной створке или стене.

Отверстия клапанов и воздуховодов закрываются специальными решётками, предотвращающими попадание внутрь мусора и насекомых. Изготавливаются они из металла и пластика, имеют разные размеры и формы. В качестве аналогов таких решёток иногда используются анемостаты.

В многоэтажных домах обязательно наличие вентиляционной шахты. Её роль выполняет высокая вытяжная труба с большим диаметром, проходящая от первого до последнего этажа и выходящая через крышу. Во всех квартирах имеются отверстия, выходящие в эту шахту.

В зданиях, где есть или были печи и камины, предусмотрены дымоходы, через которые удаляются продукты горения топлива. В некоторых случаях они заменяют шахты вентиляции. Для усиления тяги дымоходы и шахты комплектуются дефлекторами.

В дверях жилых домов или в промежутке под дверью часто крепятся переточные клапаны. Они обеспечивают движение воздушных потоков от точки притока до вытяжки, когда двери закрыты.

Основные параметры вентиляторов

Вентиляторы характеризуются следующими основными техническими характеристиками:

· Частота вращения (об/мин).

Стандартные вентиляторы оборудованы двухполюсными двигателями. Во время изменения скорости вращения вентилятора полное давление возрастает, производительность и потребление энергии меняются следующим образом:

· Напряжение и частота.

В стандартной версии моторы сконструированы для частоты сети 50 Гц и напряжения 230/400 В Д/Y и 400 В Д трехфазного тока в соответствии с IEC 38.

Моторы, рассчитанные на частоту сети 60 Гц, также сконструированы в соответствии с IEC 38. Моторы для специальных напряжений и частот, как и моторы с возможностью работы при различных напряжениях поставляются по запросу.

При трехфазном электропитании максимальное допустимое напряжение — 660 В. При изменении частоты сети скорость вращения рабочего колеса, полное повышение давления, производительность и потребляемая мощность вентилятора меняются следующим образом:

В вентиляторах высокого давления с моторами, рассчитанными на 60 Гц, передаточное число ременного привода подобрано таким образом, что их характеристические кривые соответствуют характеристическим кривым вентиляторов, рассчитанных на 50 Гц.

· Полное создаваемое давление (Па)

При движении воздуха в подсоединенных к вентилятору воздуховодах давление, которое развивает вентилятор, используется для преодоления сил сопротивления, возникающих во всей системе воздуховодов. При этом давление воздуха (а оно, как известно, бывает статическим, динамическим и полным) может подвергаться изменениям на всем протяжении воздуховода, и напрямую зависит от вида, значений и размещения местных сопротивлений.

Рассмотрим самый простой случай, когда воздуховод абсолютно прямой и имеет на всей своей протяженности одинаковое поперечное сечение. В этом случае скорость движения воздуха и, соответственно, динамическое давление будут одинаковы в любой точке как нагнетательной, так и всасывающей линий. Если не брать во внимание значение местного сопротивления, возникающего при входе воздуха в воздуховод, а также на выходе из него, то мы будем иметь ситуацию, когда создаваемое вентилятором давление будет расходоваться только на преодоление сил сопротивления трению.

Относительное полное и статическое давление во всасывающем воздуховоде может иметь отрицательную величину, в то время как динамическое давление всегда будет иметь положительное значение. Когда вентилятор находится в состоянии бездействия, абсолютное статическое давление на всей протяженности воздуховода эквивалентно атмосферному давлению. Относительное статическое давление в такой ситуации будет равно нулю.

Воздух в воздуховоде находится в неподвижном состоянии и имеет скорость, равную нулю, поэтому и динамическое давление в воздуховоде будет равно нулю. При запуске вентилятора неподвижный воздух приходит в движение и начинает создавать разрежение на входном (всасывающем) воздуховоде. Как следствие этого процесса абсолютное статическое давление на входе воздуховода становится меньше атмосферного давления. В результате разности давлений, возникших в системе, воздух начинает поступать во входной воздуховод.

Относительное полное давление в сечении всасывающего отверстия воздуховода будет состоять из положительного динамического давления и отрицательного относительного статического давления, преодолевающего сопротивление на входе воздуховода. В этом случае коэффициент местного сопротивления для входа будет равен единице, а относительное статическое давление будет эквивалентно динамическому. Таким образом относительное полное давление во всасывающем сечении воздуховода будет равно нулю.

Поскольку мы рассматриваем случай, когда скорость передвижения воздуха в системе вентиляции является величиной постоянной благодаря постоянному сечению воздуховода по всей его протяженности, то в любой точке сечения воздуховода динамическое давление будет являться величиной постоянной.

В связи с этим сопротивление трению можно будет преодолеть только путем изменения статического давления. А так как потеря давления на преодоление сопротивления может быть выражена как линейная функция от длины воздуховода, то и изменение статического давления на всем протяжении воздуховода будет также выражаться линейной зависимостью (но только при условии постоянства его поперечного сечения). Таким образом, создаваемое вентилятором полное давление будет разностью полного давления после вентилятора и полного давления до него.

· Расход воздуха (м 3 /ч)

Расход воздуха можно определить по формуле:

где Q — расход воздуха, м 3 /с;

V — скорость воздуха в сечении, м/с (замеряется при помощи анемометра);

S — площадь сечения, м 2 (замеряется при помощи рулетки).

А вообще все зависит от исходных данных.

· Уровень создаваемого звукового давления (дБ).

Исходными данными для акустического расчета являются:

• o план и разрез помещения с расположением технологического и инженерного оборудования и расчетных точек;
• o сведения о характеристиках ограждающих конструкций помещения (материал, толщина, плотность и др.);
• o шумовые характеристики и геометрические размеры источников шума.

Шумовые характеристики технологического и инженерного оборудования в виде октавных уровней звуковой мощности Lw, корректированных уровней звуковой мощности LwA, а также эквивалентных LwA_экв и максимальных LwA_макс корректированных уровней звуковой мощности для источников непостоянного шума должны указываться заводом-изготовителем в технической документации.

Допускается представлять шумовые характеристики в виде октавных уровней звукового давления L или уровней звука на рабочем месте LA (на фиксированном расстоянии) при одиночно работающем оборудовании.

· КПД (коэффициент полезного действия).

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно ? (« эта»). ? = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

где А — полезная работа, а Q — затраченная работа.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

· Потребляемая мощность (Вт)

Существует много механизмов, работающих продолжительно с неизменной или мало меняющейся нагрузкой без регулирования скорости, например насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п. При выборе электродвигателя для такого режима необходимо знать мощность, потребляемую механизмом. Если эта мощность неизвестна, ее определяют теоретическими расчетами или расчетами по эмпирическим формулам с использованием коэффициентов, полученных из многочисленных опытов. Для малоизученных механизмов необходимую мощность определяют путем снятия нагрузочных диаграмм самопишущими приборами на имеющихся уже в эксплуатации аналогичных установках либо путем использования нормативов потребления энергии, полученных на основании статистических данных, учитывающих удельный расход электроэнергии при выпуске продукции.

При известной мощности механизма мощность электродвигателя выбирается по каталогу с учетом КПД промежуточной передачи. Расчетная мощность на валу электродвигателя:

где PM — мощность, потребляемая механизмом; ?П — КПД передачи.

Номинальная мощность электродвигателя, принятого по каталогу, должна быть равна или несколько больше расчетной.

Выбранный электродвигатель не нуждается в проверке по нагреву или по перегрузке, так как завод-изготовитель произвел все расчеты и испытания, причем основанием для расчетов являлось максимальное использование материалов, заложенных в электродвигателе при его номинальной мощности. Иногда, однако, приходится проверять достаточность пускового момента, развиваемого электродвигателем, учитывая, что некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление трения вначале трогания с места (например, транспортеры, некоторые механизмы металлорежущих станков).

Мощность (кВт) электродвигателя для насоса определяется по формуле:

где — коэффициент запаса, принимаемый 1,1-1,3 в зависимости от мощности электродвигателя; — ускорение свободного падения; — подача (производительность) насоса, мі/с; — расчетная высота подъёма, м; — плотность перекачиваемой жидкости, кг/мі; ? _нас — КПД насоса (для поршневого 0,7-0,9; для центробежного с давлением свыше 0,4Ч10 5 Па 0,6-0,75, с давлением до 0,4Ч10 5 Па 0,45-0,6); ?_п — КПД передачи, равный 0,9-0,95; — давление, развиваемое насосом, Па.

Для центробежного насоса особенно важен правильный выбор частоты вращения электродвигателя, так как производительность насоса Q, расчетная высота H, момент М и мощность Р на валу электродвигателя зависят от угловой скорости W. Для одного и того же насоса значения Q₁, H₁, M₁, P₁ при W₁ связаны со значениями Q₂, H₂, M₂, P₂ при скорости W₂ соотношениями Q₁/Q₂=W₁/ W₂; H₁/H₂=M₁/M₂=W 2 ₁/ W 2 ₂; P₁/ P₂=W 3 ₁/ W 3 ₂.

Из этих соотношений следует, что при завышении угловой скорости электродвигателя потребляемая им мощность резко возрастает, что приводит к перегреву его и выходу из строя. При заниженной скорости создаваемый насосом напор может оказаться недостаточным, и насос не будет перекачивать жидкость.