CC BY
34РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ПРОТИВОДЫМНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
А.А. Кузьмин, кандидат педагогических наук, доцент; Н.Н. Романов, кандидат технических наук, доцент; А.А. Пермяков, кандидат педагогических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Исследованы факторы, влияющие на величину потерь давления в системах противодымной вентиляции. Предложено использовать формулу Весбаха для оценки величины фрикционной составляющей потерь давления в канале. Произведена оценка влияния огнезадерживающих клапанов на возможные потери давления в каналах. Проанализированы структуры алгоритмов расчета потерь давления в системах противодымной вентиляции в зависимости от их конфигурации. Представлен циклический алгоритм расчета системы противодымной вентиляции на основе баланса потерь давления в ответвлениях и главной магистрали.
Ключевые слова: противодымная вентиляция, продукты горения, потери давления, вентиляционный канал, коэффициент сопротивления трением, коэффициент местного сопротивления, огнезадерживающие клапаны, увязка участков системы
PRESSURE LOSSES CALCULATION IN SMOKE PROTECTION VENTILATION SYSTEMS
A.A. Kuzmin; N.N. Romanov; A.A. Permyakov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
We researched factors affecting the magnitude of pressure loss value in smoke protection ventilation systems, and suggested Wesbach formula using to estimate the value of the frictional component of the pressure loss in the channel. The influence of fire-retardant valves on the possible pressure loss in ducts was evaluated. We analyzed structures of the for pressure losses in smoke protection ventilation systems calculating algorithms in dependence on their configuration. We presented cyclic algorithm for smoke protection ventilation system calculating based on pressure losses in the branches and in the main line balance.
Keywords: smoke protection ventilation, combustion products, pressure losses, ventilation duct, friction resistance coefficient, coefficient of local resistance, fire retardant valves, system sections linking
Отечественные и зарубежные статистические данные позволяют утверждать, что причиной гибели до 85 % от числа пострадавших на закрытых пожарах является поражающее воздействие токсичных веществ, содержащихся в продуктах горения. Интенсивный массоперенос продуктов горения в пространствах зданий и сооружений, которые спроектированы на основе существующих архитектурно-технологических решений, вызывает перемещение токсичных компонентов продуктов горения, изменение температуры окружающей среды, которое может инициировать вторичные загорания. А увеличение показателей оптической плотности окружающей среды может привести к полному отсутствию видимости.
Одна из важнейших задач в решении проблем противодымной вентиляции - создание методологии расчета ее параметров, прежде всего, потерь давления, величина которых в значительной степени определяет требования к характеристикам вентиляционных
установок, которые в отличие от гравитационных систем являются высокоскоростными из-за больших значений расходов продуктов горения [1].
Использование термина «потеря давления» в вентиляционном канале не в полной мере отражает физику явления, надо учесть, что на самом деле описывается потеря энергии газового потока, которая складывается из потерь энергии на трение о стенки канала и потери энергии, вызванной местными сопротивлениями элементов противодымной вентиляции.
Для оценки фрикционной составляющей потерь давления в канале противодымной вентиляции можно использовать формулу Весбаха, широко применяемую в гидравлике:
АР = Л
тр тр
Ь • П • р• w
8Т
2
где Хтр - коэффициент сопротивления трения; Ь - длина канала; £ - площадь поперечного сечения канала; П - периметр поперечного сечения канала; р - плотность продуктов горения; н - скорость движения продуктов горения по каналу.
Коэффициент сопротивления трения Хтр в общем случае является комплексным параметром, величина которого зависит от режима движения продуктов горения в канале противодымной вентиляции и шероховатости стенок канала:
Л* = / Г йе,К
V
Л
экв /
где Яв - число Рейнольдса; Кэ - коэффициент абсолютной эквивалентной шероховатости материалов, используемых при изготовлении каналов противодымной вентиляции, определяется экспериментально; ёэкв - эквивалентный диаметр (характерный линейный размер) прямоугольного канала противодымной вентиляции, величина которого вычисляется из соблюдения условия, что значение удельных потерь на трение в круглом и прямоугольном каналах равны при равных скоростях движения продуктов горения. Для этого в работе [2] предлагается эмпирическое выражение:
^ = 1,265
экв ^^^^
з Г 3
'а • Ь а + Ь
Для определения коэффициента сопротивления трением в каналах противодымной вентиляции предложен ряд эмпирических зависимостей, учитывающих режим движения продуктов горения по таким каналам:
- для турбулентного движения продуктов горения формулу, предложенную А.Д. Альтшулем:
Г Ло,25
68 К
+
Лт* = 0,11 •
V
Яе Л
- для ламинарного движения продуктов горения формулу, предложенную Блазиусом:
0,3164
тр
Яе
0,25
3
Кроме того, обязательными элементами системы противодымной вентиляции являются противопожарные огнезадерживающие клапаны. Учет потерь давления на противопожарных клапанах при проведении аэродинамического расчета систем вентиляции особенно важен при небольших размерах этих устройств, когда даже при характерных для таких систем скоростях воздуха в воздуховодах потери давления на клапанах могут быть достаточно большими [3].
Таким образом, если речь идет о дымоудалении из одного помещения, общие потери давления Арч на участке канала длиной Ь, при наличии местных сопротивлений алгоритм
расчета потерь давления в каналах противодымной вентиляции носит линейный характер и описывается уравнением:
п
АР = я-в • ь + Ус -Р
уч г"ш / д
1=1
где Я - экспериментальное значение потерь давления на 1 м длины канала противодымной вентиляции; вш - коэффициент учета шероховатости стенок, зависящий от характеристик материала канала Кэ и скорости движения продуктов горения н; - сумма коэффициентов местных сопротивлений на линейном участке канала противодымной вентиляции; Рд - динамическое давление потока продуктов горения.
Несмотря на достаточно значительные объемы вычислений по нахождению общих потерь давления Арч на участке канала, обусловленные необходимостью использовать
линейную интерполяцию при работе с таблицами, содержащими значения коэффициента учета шероховатости стенок вш в зависимости от характеристик материала канала Кэ и скорости движения продуктов горения н, тем не менее выполнение необходимых расчетных операций возможно без использования специально разработанных программных продуктов.
Иная ситуация складывается, когда процесс дымоудаления распространяется на несколько помещений и конфигурация системы противодымной вентиляции носит разветвленный характер, тогда алгоритм расчета должен предусматривать аэродинамический расчет в решении прямой и обратной задачи:
- для прямой задачи предполагается расчет размеров сечений для всех участков системы, считая расход продуктов горения через них величиной постоянной;
- для обратной задачи предполагается расчет расходов продуктов горения, считая заданными размеры сечений всех участков системы.
В ходе аэродинамического расчета системы противодымной вентиляции выделяются отдельные расчетные участки. В каждом расчетном участке расход продуктов горения считается постоянным. Границами между отдельными участками схемы служат тройники. Возможные потери давления на выбранных участках определяются скоростями движения продуктов горения и состоят из потерь давления на трение в каналах и потерь давления в местных сопротивлениях арматуры.
По аналогии с гидравлическим расчетом системы пожарного водоснабжения, при расчете системы противодымной вентиляции выделяется главное направление расчета -магистраль, которая представляет собой цепь из последовательно расположенных участков, протяженностью от начала до наиболее удаленного ответвления системы.
Если наблюдаются две или более таких цепи, которые имеют одинаковую протяженность, то в качестве магистрального направления необходимо принять наиболее нагруженную, то есть ту, которая имеет наибольший расход.
Величина потерь давления во всей системе равна суммарным потерям давлений в магистральной линии, которые слагаются из потерь давления на всех последовательно расположенных участках, которые составляют магистраль, и потерь давления арматуры в системе противодымной вентиляции.
Таким образом, в процессе расчета систем противодымной вентиляции, имеющих разветвленную конфигурацию, необходимо:
- определить нагрузку каждого отдельного расчетного участка, при этом система разбивается на отдельные участки, и находится величина расхода продуктов горения на каждом из расчетных участков, а суммарный расход определяется суммированием;
- выделить магистральное (основное) направление, выявить наиболее протяженную цепочку последовательно расположенных расчетных участков системы противодымной вентиляции;
- исходя из расчетного расхода продуктов и рекомендуемой скорости их движения горения на участке, определить размеры сечения расчетных участков магистрали;
- для каждого из участков системы противодымной вентиляции определить фактическую скорость движения продуктов горения, а также потери давления на трение;
- в зависимости от скорости движения продуктов горения определить значения динамического давления для каждого из участков системы противодымной вентиляции;
- определяются виды местных сопротивлений, их значения и потери давлений в них, а также потери давления на расчетных участках и общие потери давления в системе противодымной вентиляции;
- производится увязка всех других участков системы противодымной вентиляции, процесс которой начинают с наиболее протяженных ответвлений.
Последовательность увязки ответвлений подобна последовательности расчета участков в основном направлении. Различия состоят лишь в том, что в процессе увязки каждого ответвления должны быть определены потери давления в нем. Потери давления от точки разветвления до его конца приравниваются возможным потерям давления от той же точки до конца основной (главной) магистрали системы противодымной вентиляции.
Для расчета ответвлений применяется способ последовательных приближений. Размеры сечений ответвлений магистрали системы противодымной вентиляции считаются подобранными, если относительная ошибка А при определении потерь давления не превышает допустимое значение Атах, обычно принимаемое равным 10 %. Условие выхода из цикла приближений описывается уравнением:
где Z - потери давления в местных сопротивлениях участка системы противодымной вентиляции.
Таким образом, алгоритм расчета системы противодымной вентиляции, отображенный на рисунке, носит циклический характер.
Циклический алгоритм расчета системы противодымной вентиляции был реализован в виде соответствующего программного комплекса. Для ввода параметров расчета и вывода результатов использован интерфейс электронной таблицы EXCEL, а расчетный блок был реализован в виде макроса Visual Basic, что расширило возможности его применения работниками федеральной противопожарной службы.
Рис. Циклический алгоритм расчета системы противодымной вентиляции Литература
1. Противодымная защита зданий и помещений: пособие 4.91 к СНиП 2.04.05-91. М.: Промстройпроект, 1992. 75 с.
2. Кочев А.Г., Сергиенко А.С. Таблицы и примеры аэродинамического расчета систем вентиляции: метод. указания. Н.Новгород: ННГАСУ, 2008. 53 с. 672 с.
3. Противодымная защита при пожаре: рекомендация к МДС 41-1.99 СНиП 2.04.05-91*. М.: СантехНИИпроект, 2000. 66 с.
References
1. Protivodymnaya zashhita zdanij i pomeshhenij: Posobie 4.91 k SNiP 2.04.05-91. M.: Promstrojproekt, 1992. 75 s.
2. Kochev A.G., Sergienko A.S. Tablicy i primery' aerodinamicheskogo rascheta sistem ventilyacii: metod. ukazaniya. N.Novgorod: NNGASU, 2008. 53 s.
3. Protivody'mnaya zashhita pri pozhare: Rekomendaciya k MDS 41-1.99 SNiP 2.04.05-91*. M.: SantexNIIproekt, 2000. 66 s.
