CC BY
16
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №1
УДК 697:921.47; 721.011.25
ТЕОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ПРИТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИННОВАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПОДДЕРЖАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ ЗДАНИЙ
В.И. Липко, Н.В. Кундро
THEORY OF RESEARCH OF OPERATION OF REGENERATIVE VETILATION INLET ELEMENTS IN INNOVATIVE TECHNOLOGY FOR THE MAINTENANCE OF THE
MICROCLIMATE SEALED BUILDINGS V.I. Lipko, N.V. Kundra
Аннотация. В работе приведены результаты теоретических исследований закономерностей единовременно протекающих процессов тепломассообмена, взаимосвязь которых обуславливает трансформирование температурных полей и перемещение воздушных масс в пространстве и во времени, создающих эффект возможности целенаправленного воздействия на физические факторы управления микроклиматом внутри вентилируемых герметизированных помещений.
Ключевые слова: герметизированные здания; микроклимат помещений; вентиляция; теплообмен; фильтрация воздуха.
Abstract. The paper presents the results of theoretical studies of the regularities of the simultaneously occurring processes of heat and mass transfer, the relationship which causes the transformation temperature fields and the movement of air masses in space and time, creating the effect of the possibility of purposeful influence on physical factors control the climate inside a ventilated sealed areas.
Keywords: sealed buildings; microclimate; ventilation; heat exchange; air filtration.
Методология реформирования безинфильтрационной технологии вентиляции герметизированных зданий при известном механизме реализации управления тепломассообменными процессами сводится к решению двух основных задач: оптимизации режимных условий и конструктивно-технологическому их оформлению.
На основе общих представлений и законов гидроаэродинамики и тепломасообмена вентиляционный процесс следует рассматривать как комплексное взаимодействие движущихся воздушных потоков в ограниченном объеме при соизмеримых скоростях, сопровождающихся термодинамическими и массообменными процессами с характерными полями скоростей, температур и концентраций, формирующими микроклимат вентилируемых помещений. При естественной вентиляции необходимый воздухообмен в помещении создается при условии превышения гравитационного давления Pг над суммарным сопротивлением приточных Sвx и вытяжных Sвыx каналов, связывающих герметичный объем помещения с атмосферным воздухом. Для характеристики надежности естественной циркуляции вводится понятие величины остаточного давления ДPэ, значение которой поясняется рис. 1 и является величиной переменной, а на основании материального баланса определяется по выражению
Введение
= Рг - Seblx = h • g • (рн -Рв ) - (R • l в + Z).
г
вых
(1)
Математическая модель
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
2015, Т. 1 № 1
Для разработки математической модели безинфильтрационной вентиляции зададим конкретные условия для расчета величины АРэ многоэтажного здания, изображенного схематично на рис. 2, и определим по известным методикам аэродинамического расчета значения переменной величины АРэ при трех первоначально заданных условиях, в которых во втором варианте изменяется величина высоты шахты с И'ш = 1 м до И'Ш = 3 м, а в третьем
3 3
варианте изменение расчетного воздухообмена с Ьг = 50 м /ч до Ь" = 30 м /ч приведет к уменьшению скорости в вытяжных каналах с V' = 0,5м / с до V'= 0,3м / с .
Эти изменения в условиях расчета позволяют получить аналитические зависимости величины остаточного давления АРэ от этажности «п» рассчитываемого помещения вида
, 1,209 + 3,262 • п +1,96 • п2
АРэ = --^-2-; (2)
э 3,1 + 2,8 • п
, 4,565 + 6,076п + 1,96п2
АРэ = —-----; (3)
э 6,1 + 2,8п
, 11,88 + 13,51п + 3,836п2
АРэ = —-----. (4)
э 5,1 + 2,8п У '
<ь <ь <Г~
о
<
<
<1
<1
_1
Рисунок 1 - Схема вентиляции герметичного здания
Рисунок 2 - Технологическая схема вентиляции многоэтажного здания с герметичными ограждающими конструкциями
Графически зависимости (2), (3), (4) являют собой прямые линии функции АРэ =/(п) . Анализ закономерностей свидетельствует о том, что изменение высоты шахты на 1 м дает параллельное смещение графика процесса на величину АРэ = 0,25 Па, а уменьшение скорости в вытяжном канале с V' = 0,5м / с до V'= 0,3м / с не только изменят значение АРэ, но и влияет на интенсивность этого изменения с увеличением угла наклона линии графика АР'"э=Г(п).
Поскольку непременным условием естественной циркуляции является превышение величины АРэ над аэродинамическим сопротивлением приточного тракта то при использовании рекуперативных воздухоприточных блоков РПВЭ с малыми диаметрами каналов йк=4-10 мм, их сопротивление на проход наружного воздуха должно быть увязано с
http://vestnik-nauki.ru/
переменной величиной остаточного давления ЛРэ, соответствующей этажности рассчитываемого помещения.
Результаты расчета аэродинамического сопротивления Sex приточных каналов, выполненного по общепринятой методике, представлены графически на рис. 3. Наглядно показано, что при известных значениях величины остаточного напора АРэ, приравненной к сопротивлению каналов приточных блоков РПВЭ, можно определить пропускную способность приточного наружного воздуха через каналы по одному из графиков (рис. 3), соответствующих принятому диаметру каналов и их количеству, по характерному нормативному режиму воздухообмена каждого вентилируемого помещения.
Тепломассобменные процессы, протекающие в рекуперативном приточном вентиляционном бетонном блоке (РПВЭ) оказывают существенное влияние на формирование микроклимата помещений. Направленная фильтрация холодного наружного воздуха по каналам РПВЭ, возникающая под действием основного теплового и дополнительного ветрового напоров, интенсифицирует теплообмен и вызывает смещение температурного поля по сравнению с тепловым состоянием наружного ограждения при отсутствии фильтрации.
1,0 1,5
"ÜK, м/с
2,0
Рисунок 3 - Графики зависимости аэродинамического сопротивления воздухоприточных каналов РПВЭ от скорости воздуха Ук
Такое смещение в распределении температур объясняется тем, что часть трансмиссионного теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию, затрачивается на нагревание холодного наружного воздуха, проходящего встречным потоком внутрь помещения по каналам РПВЭ.
Дифференциальное уравнение теплопроводности при фильтрации воздуха выводится в предположении, что тепловой поток одномерный, воздушный поток является встречным, тогда в конструкции ограждения можно выделить бесконечно тонкий слой и рассмотреть условия его теплового баланса.
При отсутствии движения воздушного потока через слой дх проходит тепловой поток
Q = —
dt dx
а изменение количества теплоты
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
«=-л4. (6)
дх дх
Если предположить, что это изменение происходит только из-за затраты части теплоты на нагрев наружного воздуха на величину д, то можно записать
дй _ I с д1 (7)
дх ф в дх '
где Ьф - количество воздуха, фильтрующегося через тело РПВЭ, кг/м2-ч; св - удельная
теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/ кг-°С.
Приравнивая правые части уравнений (6) и (7), получим дифференциальное уравнение, характеризующее изменение температурного поля в толще бетонного тела РПВЭ при движении холодного наружного воздуха по его каналам, направленным встречным потоком при стационарных условиях теплопередачи:
. д2t г дt
л^-ЬфС 0' <8)
ил кл
Выражение (8) является дифференциальным уравнением температурного поля плоской однородной стенки в стационарных условиях теплопередачи при наличии направленной фильтрации холодного наружного воздуха. В основу этого уравнения положена математическая аналогия теплопроводности и фильтрации. Такая аналогия справедлива для установившегося процесса фильтрации наружного воздуха по каналам РПВЭ, при котором обеспечивается направленное движение воздушного потока, противоположное движению теплового потока.
Это уравнение тепломассообмена в дифференциальной форме для стационарного температурного поля можно переписать в виде
д ( дХ ^ ^ с дХ _ о дх ^ дх) ф в дх
Если в основу этого уравнения положить математическую аналогию теплопроводности и фильтрации, которая справедлива для установившегося процесса фильтрации наружного воздуха по каналам РПВЭ, обеспечивающего направленное движение воздушного потока, противоположное движению теплового потока, то в целях устранения трудностей математического решения уравнений тепломассообмена, возможно изобразить физическую модель ограждения в масштабе термических сопротивлений (Я), умножив выражение (9) на 2 и, преобразовав, получим
д ^ Ь дХ ( )
- ЬФСе_ 0 • (10)
дЯ2 * 6 дЯ Решением уравнения (10) является фун кция
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
еЬФс. Я
* = С1 + С2 -- • (11)
Ь,с„
Поскольку торцевые поверхности вентблока РПВЭ совпадают с внутренними и наружными поверхностями ограждающей конструкции, то введя на торцевых поверхностях значения Яв и Ян, то постоянные интегрирования С1 и С2 определятся из граничных условий:
а) при Я = 0, * =
б) при Я = Я0, *= *в.
Тогда формула (11) для определения температуры тела вентблока в произвольном сечении при направленной фильтрации наружного воздуха запишется в виде
еЬФсвЯ, -1
* = *н +(в - *н) ЬфСЛ 1 . (12)
е Фв0 -1
При установившемся режиме фильтрации холодного воздуха по каналам РПВЭ, тепловые потоки, входящие в ограждение и выходящие из него не равны, а их разность равна количеству теплоты, затраченной на нагрев наружного воздуха, т.е.
Ох - Он = ЬфСв (*п - *н ) . (13)
Тепловой поток, входящий в ограждение, составляет
еЬФсв Я0
= ЬфСв -ф-Я— . (14)
е1
Величина теплового потока, выходящего через наружную торцевую поверхность вентблока, определится из выражения
^ г 1
О = ЬфСв еЬфсЯ 1 . (15)
е — 1
Величина х — ЬфСвЯ безразмерна и характеризует относительную интенсивность
теплообмена при фильтрации воздуха, а по теории подобия представляет собой произведение критериев Рейнольдса и Прандтля (Яе, Рг ).
В рассматриваемом процессе согласно теории теплообмена одномерное стационарное температурное поле для бетонного тела РПВЭ описывается математически дифференциальным уравнением вида
£N3-о. (>6)
Если в выражении (16) линейный масштаб в изображении сечения вентблока заменить масштабом термических сопротивлений Я — х/Я , то оно примет вид
Вестник науки и образования Северо-Запада России http://vestnik-nauki.ru/ -----
2015, Т 1, №1
д \
дЯ
= (17)
На основании уравнения (17) теплозащитные свойства наружного ограждения Ко определяются как сумма сопротивлений теплопроводности материальных слоев Я и сопротивления теплообмену на внутренней Яв и наружной Ян поверхностях, а при однослойной конструкции РПВЭ имеем
ЯЕ = Я + Як + Ян. (18)
Изложенные закономерности тепломассообмена применимы только для стационарных условий без учета фильтрации воздуха, для которых теплопотери определяются выражением
О = к • F \гв - гн) . (19)
Для рекуперативных воздухоприточных устройств величина теплового потока, проходящего через бетонное тело РПВЭ, пронизанного сквозными цилиндрическими каналами диаметром ^ и длиной 5, определяется совместным решением системы уравнений
<2э = кэ • К - гн) , (20)
Оф = Ьф с • (^ - гн) , (21)
О = а К -К . (22)
Величина коэффициента конвективного теплообмена ак между внутренней цилиндрической поверхностью канала площадью Кк =п-йк ш5шп0 и проходящим по каналу наружным воздухом определится из уравнения теплового баланса:
аК-Аг = Ьф•с • (г - г) . (23)
к к ср ф в \ пр н ! V /
Откуда
Ьф •с • (г - г)
а = ф в\пр н) . (24)
Рассматривая приточный блок РПВЭ как теплообменник, работающий по противоточной схеме при переменных режимах определить среднюю разность температур Агср теплообменивающихся теплоносителей затруднительно, т.к. их температуры гвх на входе
и на выходе гвых неизвестны. Для решения этой задачи используем метод расчета теплообменных аппаратов по безразмерным комплексам.
Принципиальная технологическая схема противоточного теплообменника РПВЭ и график изменения в нем температуры теплообменивающихся сред вдоль поверхности нагрева приведена на рис. 4.
http://vestnik-nauki.ru/
Рисунок 4 - Графики изменения температур и принципиальная схема теплообменника РПВЭ
Из рис. 4 видно, что разность начальных температур теплоносителей равна максимальному значению АХтах _ Хгн - Ххн . Если выразить температурный перепад
нагреваемой холодной среды АХх _ (- ) через долю ех от максимальной разности
температур АХтах , то будем иметь АХх _ £хАХтах . Аналогично для греющей среды
АХг _?г АХтах , АКх _ АХтах - АХх , АХвых _ Атах - АХг . Средняя разность температур АХср
определяется по логарифмической формуле
АХ _
ср
Ас - АХв
1п
А*
(25)
Универсальный характер логарифмической формулы для АХср позволяет записать её в едином виде
АХ _
ср
(АХ - АХ ) - (АХ - АХ ) АХ - АХ
V тах х) V тах г) _
1п
Ах -АХ
тах_х
АХ -АХ
тахг
А/ - АХх
1п
(26)
АХ -АХ
тахг
что упрощает решение уравнения (24) для определения коэффициента конвективного теплообмена ак между стенками каналов и проходящего по ним наружного воздуха.
Сила сопротивления на проход наружного воздуха через канал РПВЭ по закону Ньютона описывается выражением
Рс _ СР Л2 р/2.
(27)
Для ламинарного режима движения воздуха в канале РПВЭ аэродинамический коэффициент сопротивления С _ 24/Яе и тогда после подстановки значений С и Р выражение (27) примет вид
http://vestnik-nauki.ru/
Р = = _24/.П!3? = ъ.к.ц.аз .
с Яе 4 2 3- й- р 4 2
(28)
Поскольку движение воздуха в приточном вентблоке РПВЭ осуществляется под действием гравитационного давления АРг = И-ё-(рн -рв), то приравняв правые части,
получим значение величины скорости 3к из совместного решения уравнений
3 =
И'ё' (Рн ~Рв )
3-п-й-3
(29)
Экспериментальным путем можно определить скорость воздуха в каналах РПВЭ, возпользовавшись методом экстраполяции по графикам, предствленным на рис. 5, на котором показаны точками значения скоростей, замеренных питометрическими измерениями через динамическое давление. Соединив полученные точки с нулевой точкой, можно определять расчетным путем через критерий Рейнольдса малые значения скоростей
3 =
Яе - /
й - р
(30)
0 10 20 30 40 50 Ук. м/с
Рисунок 5- Зависимость критерия Яе от скорости воздуха в каналах РПВЭ
Заключение
Определив значение скорости движения воздушных потоков внутри каждого воздухопроводящего канала РПВЭ можно определить пропускную способность каждого из рассматриваемых каналов определенного диаметра Ь, м3/ч, а затем исходя из нормативных требований по воздухообмену Ь = 3 - Гп определить количество каналов для каждого
вентилируемого помещения и количество блоков РПВЭ.
Применение блоков РПВЭ в качестве воздухоприточных устройств обеспечивает регулируемый аэродинамический режим воздухоснабжения вентилируемых помещений и экономию энергоресурсов за счет рекуперации трансмиссионной теплоты.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
--2015, Т. 1, №1
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Вентиляционное приточное устройство: пат. 4410С1 Респ. Беларусь, МПК 7 Б 24Б 13/08 / В.И. Липко, В.А. Борвонов; заявитель Полоц.гос.ун-т. - № а 19981165; заявл. 23.12.98; опубл. 30.03.02 // Афщыйны бюл. /Нац. Цэнтр штелектуал. Уласнасщ. 2002.
2. Воздухоприточное устройство: пат. 4963 С1 Респ. Беларусь, МПК 7 Б 24Б 13/08 / В.И. Липко; заявитель Полоц.гос.ун-т. - № а 19990196; заявл. 26.02.99; опубл. 30.03.03// Афщыйны бюл. / Нац. Цэнтр штелектуал. Уласнасщ. 2003.
3. Рекуперативный приточный вентиляционный элемент: пат. 4651 С1 Респ. Беларусь, МПК 7 Б 24Б 13/08 / В.И. Липко, В.А. Борвонов; заявитель Полоц.гос.ун-т. - № 19980753; заявл. 12.09.98; опубл. 30.09.02 // Афщыйны бюл. / Нац. Цэнтр штелектуал. Уласнасщ. 2002.
4. Липко В.И. Вентиляция герметизированных зданий: в 2 т. Новополоцк: Полоц. гос. ун-т, 2000. Т. 1. 300 с.
5. Липко В.И. Вентиляция герметизированных зданий: в 2 т. Новополоцк: Полоц. гос. ун-т, 2000. Т. 2. 246 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Липко Владимир Иосифович Учреждение образования «Полоцкий государственный университет», г. Новополоцк, Республика Беларусь, доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, E-mail: kafedratgsv@mail.ru
Lipko Uladzimir Iosifovich Educational establishment «Polotsk state University», Novopolotsk, Republic of Belarus, associate professor, Candidate of Technical Sciences, associate professor of department of heat and gas supply and ventilation,
E-mail: kafedratgsv@mail.ru.
Кундро Нина Викторовна Учреждение образования «Полоцкий государственный университет», г. Новополоцк, Республика Беларусь, магистр технических наук, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, E-mail: n.kundro@mail.ru.
Kundro Nina Viktorovna Educational establishment «Polotsk state University», Novopolotsk, Republic of Belarus, Master of Technical Sciences, senior lecturer of department of heat and gas supply and ventilation, E-mail: n.kundro@mail.ru.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 211440, Беларусь, Витебская обл., г. Новополоцк, ул. Блохина, 29, каб.282. Липко В.И.
+375 (214) 53-61-96
