Оценка аэродинамической эффективности вентиляционных систем

В. Г. Караджи, канд. техн. наук, ООО «ИННОВЕНТ»

Ю. Г. Московко, ООО «ИННОВЕНТ»

Покажем суть проблемы на примере воздухоприточной системы: производительность вентилятора L = 36 000 м³/ч (10 м³/с), воздух раздается из воздухораспределительных устройств со скоростью истечения V_вых = 1,5 м/с, полное аэродинамическое сопротивление сети (включая потери на подготовку воздуха) p_c = 642 Па. Потребляемая вентилятором мощность N_v = p_vL/h_v = 7,93 кВт (где полное давление вентилятора p_v = p_c, КПД вентилятора h_v = 0,81), а суммарная гидравлическая мощность потока, истекающего из всех воздухораспределительных устройств, равна LrV_вых²/2 = 13,5 Вт. Другими словами, в вентиляторе к воздуху была подведена мощность 7,93 кВт, а на выходе из вентиляционной системы получили поток с мощностью всего 13,5 Вт. Эффективность такой воздухоприточной системы, если оценивать по конечному продукту (доставляемому к потребителю чистому воздуху), составляет всего 13,5 / 7 930 = 0,0017, или 0,17 %! Понятно, что мощность вентилятора в определенных пропорциях была затрачена на фильтрацию, нагрев воздуха, преодоление сопротивления системы воздуховодов, и, как видно, только исключительно малую часть составляет мощность выходящего потока. Что же считать «полезной» и «потерянной» мощностью и как оценивать эти составляющие в общей потребляемой мощности? В данной статье мы предлагаем свой способ оценки аэродинамической эффективности вентиляционных систем.

Определим аэродинамическую эффективность вентиляционной системы как отношение «полезной мощности» к потребляемой мощности вентилятора:

h_прит = «полезная» мощность / потребляемая мощность вентилятора.

К «полезной» мощности воздухоприточной системы отнесем мощность, затраченную на подготовку воздуха в приточной установке, имеющей «нормативные» потери, N^н_прит и гидравлическую мощность потока, выходящего из всех воздухораспределительных устройств, SN_выхi. Под «нормативными» потерями в воздухоприточной установке понимаем рекомендуемые значения аэродинамических потерь в элементах воздухоприточной установки: входном клапане Dр^н_вх.кл, фильтре Dр^н_ф (начальные потери), калорифере (водяном) Dр^н_к, глушителе Dр^н_гл и т. д. Как вариант, в табл. 1 приведены значения «нормативных» потерь в воздухоприточных установках в зависимости от производительности.

Очевидно, что значения «нормативных» потерь должны быть определены статистически и соответствующим образом узаконены.

Следует иметь в виду, что аэродинамическая эффективность является сезонным понятием, так как к «полезной» мощности могут быть отнесены только затраты мощности на подготовку воздуха для данного периода года, например, затраты мощности на преодоление потерь в калорифере в летний период являются потерянными для системы.

Мощность, затраченная на подготовку воздуха в воздухоприточной установке, имеющей «нормативные» потери:

N^н_прит = L SDр^н_притi,

где L – производительность воздухоприточной установки;

SDр^н_притi – «нормативные» потери давления в воздухоприточной установке: SDр^н_притi = Sр^н_вх.кл + Dр^н_ф + Dр^н_к + …Dр^н_притi (суммируются только «нормативные» потери устройств, участвующих в обработке воздуха в рассматриваемый период года).

Мощность потока, выходящего из воздухораспределительных устройств:

где V_выхi – скорость истечения из i-го воздухораспределительного устройства;

 L_i – расход воздуха через i-е устройство;

Полное сопротивление сети: p_c = SDр_притi + SDр_ci,

где SDр_притi – действительные потери давления в элементах воздухоприточной установки;

SDр_ci – потери давления в магистральном воздуховоде, включая полные потери в воздухораспределительном устройстве (внутренние потери плюс динамическое давление выходящего потока).

При стационарном режиме полное давление вентилятора равно сопротивлению сети по полным параметрам, то есть  p_v = p_c.

Потребляемая вентилятором мощность: N_v = p_v L / h_v,

где p_v – полное давление вентилятора;

h_v – КПД вентилятора по полным параметрам.

Тогда эффективность воздухоприточной системы может быть записана в виде:

Если воздуховод (ветви) имеет равномерную раздачу

(L_i = idem и V_выхi = idem), то:

Известно, что при проектировании вентиляционных систем в большинстве случаев расчетная величина потерь pс искусственно завышается (или же вентилятор подбирается на большее давление). В этом случае КПД может быть записан как:

где k – коэффициент «запаса проектировщика», p^p_с – расчетное значение сопротивления сети.

По аналогии определим эффективность вытяжной системы. «Полезным» эффектом вытяжной системы является перемещение загрязненного воздуха и выброс его в атмосферу, а также его обработка: очистка, охлаждение (утилизация теплоты) и т. д. Особенностью же вытяжных систем является то, что кинетическая энергия выбрасываемого воздуха не может относиться к «полезной», так как она в большинстве случаев является потерянной для системы (исключение составляют вытяжные системы, в которых необходимо отвести выбрасываемый воздух как можно дальше от выхода, например, установки с факельным выбросом). Для увеличения эффективности вытяжной системы, теоретически, следует уменьшать скорость на выходе вплоть до нулевой, что приводит к увеличению габаритов вытяжной установки, и, наоборот, попытки уменьшить ее габариты приводят к уменьшению эффективности системы. Чтобы исключить это противоречие, введем понятие «нормативной» скорости выхода потока из системы (вентилятора, воздуховода и т. д.) V^н_вых, превышение которой приводит к безвозвратным потерям мощности.

Как и в первом случае, к «полезной» мощности вытяжной системы отнесем мощность, затраченную на обработку воздуха в рассматриваемый период года (фильтрацию, рекуперацию теплоты и т. д.) в вытяжной системе, имеющей «нормативные» потери N^н_вытi , и гидравлическую мощность потока, выходящего из установки N_вых, определенную по «нормативной» скорости выхода потока V^н_вых.

Тогда эффективность обычной вытяжной системы определяется как

где SDр_вытi – действительные потери давления в элементах вытяжной установки;

SDр_ci – потери давления в воздуховодах вытяжной системы, включая полные потери выхода потока (если выход потока непосредственно из вентилятора, то потери выхода потока rV²_{вых вент} / 2).

Если же вытяжная система должна обеспечить увод загрязненного воздуха, то гидравлическая мощность выходящего потока не является потерянной, и в этом случае вместо «нормативной» скорости принимается действительная скорость выхода потока V_вых.

Покажем на нескольких примерах эффективность вентиляционных систем.

1. Струйный вентилятор установлен в помещении и работает в режиме рециркуляции (отсутствуют аэродинамиче-ские потери). Эффективность системы h = LrV²_вых / 2 / N_v, а так как полное давление вентилятора р_v = rV²_выхi / 2, то эффективность струйной вентиляции h = h_v, то есть равна полному КПД струйного вентилятора.

2. Воздухоприточная установка с производительностью L = 36 000 м³/ч (10 м³/c) работает на сеть, состоящую из одной ветви, условно разбитой на три участка, с одним поворотом на каждом участке. Раздача воздуха происходит на каждом участке через одно воздухораспределительное устройство, L_i = 12 000 м³/ч. Суммарные потери давления в воздуховодах (без потерь в воздуховыпускных устройствах) SDp'_ci = 330 Па. «Нормативные» потери воздухоприточной установки SDр^н_притi = Dр^н_вх.кл + Dр^н_ф + Dр^н_к + Dр^н_гл = 310 Па.

2.1. Определим эффективность приточной системы при условии, что истечение из воздухораспределительных устройств происходит со скоростью V_вых = 1,5 м/с, а потери в установке равны «нормативным» SDр_притi = SDр^н_притi = 310 Па. Динамическое давление потока, выходящего из воздухораспределительных устройств rV_вых² / 2 = 1 Па. Потери давления в воздухораспределительных устройствах Dр_вых = zrV_вых² / 2 = 1,2 • 1,52 / 2 = 2 Па (z = 1,5). Расчетное сопротивление сети p_рс = SDp'_ci + SDр_притi + Dр_вых = 642 Па. Примем, что в приточной установке используется вентилятор ВР-80-70-12,5, при расчетной производительности и полном давлении p_v = 642 Па потребляемая вентилятором мощность N_v = p_vL / h_v = 7,93 кВт (полный КПД вентилятора h_v = 0,81, частота вращения n = 536 об/мин).

Эффективность вентсистемы h_прит = L(SDр^н_притi + rV²_вых / 2) / N_v = 0,392.

Рассмотрим несколько вариантов исполнения вентиляционной системы.

2.2. Примем, что в результате изменения конфигурации воздуховодов (уменьшение сечения, использование гибких воздуховодов и т. д.) сопротивление воздуховодов увеличилось и составило 415 Па. Расчетное сопротивление сети p_pс = SDр'_ci + SDр_притi + Dр_вых = 727 Па. Заданная производительность может быть получена при n = 559 об/мин, потребляемая вентилятором мощность N_v = 8,92 кВт (h_v = 0,815).

Эффективность вентиляционной системы h_прит = 0,349.

2.3. Полагаем, что аэродинамические потери в воздуховодах были уменьшены до 280 Па. В этом случае сопротивление сети p_с = SDр'_ci + SDр_притiI + Dр_вых = 592 Па. Заданная производительность может быть получена при n = 522 об/мин, потребляемая при этом мощность N_v = 7,345 кВт (h_v = 0,806).

Эффективность вентиляционной системы h_прит = 0,423.

2.4. В последнее время наблюдается практика умышленного проектирования воздухоприточных установок минимальных габаритов и, соответственно, минимальной стоимости. В этом случае скорость потока в установке значительно превышает рекомендуемые значения, что приводит к увеличенным потерям в элементах приточной установки (клапане, фильтре, калорифере и т. д.). Полагаем, что потери в приточной установке увеличились и стали больше «нормативных» на 50 Па, а остальные параметры – как в варианте 2.1. Сопротивление сети p_с = SDр'_ci + SDр_притi + SDр_вых = 692 Па. Заданная производительность может быть получена при n = 551 об/мин, потребляемая при этом мощность N_v = 8,49 кВт (h_v = 0,815).

Эффективность вентиляционной системы h_прит = 0,366.

2.5. Примем параметры установки по варианту 2.1, но положим, что истечение происходит из сопловых устройств со скоростью V_вых = 10 м/с. Динамическое давление потока, истекающего из сопловых устройств, rV_вых² / 2 = 1,2 • 102 / 2 = 60 Па, а потери давления zrV_вых² / 2 = 66 Па (z = 1,1). Сопротивление сети (по полным параметрам) p_с = SDр'_ci + SDр_притi + SDр_вых = 706 Па. Заданная производительность может быть получена при n = 555 об/мин, потребляемая при этом мощность N_v = 8,66 кВт (h_v = 0,815).

Эффективность вентсистемы h_прит = 0,427.

Для удобства анализа результаты расчетов сведены в табл. 2 (указаны изменения относительно исходного варианта).

Как видно из таблицы, увеличение потерь в системе приводит к уменьшению эффективности и, наоборот, уменьшение потерь – к ее увеличению. Увеличение же скорости истечения приводит к увеличению эффективности вентсистемы, так как проявляется положительный эффект перемешивания воздуха.

3. Рассмотрим эффективность вытяжной системы с производительностью 6 500 м³/ч. Полагаем при этом, что в помещении сохраняется баланс притока/вытяжки. Примем, что «нормативная» скорость выхода потока V^н_вых = 10 м/с.

3.1. Установим крышный радиальный вентилятор ВКРМ 5-03 с производительность 6 500 м³/ч. При отсутствии сопротивления потребляемая мощность вентилятора равна: N_v = 0,3 кВт (снято с аэродинамической характеристики вентилятора [1]). Эффективность вытяжной системы h_выт = L(rV^н2_вых / 2) / N_v = 0,36.

3.2. Установим осевой вентилятор ВО-14-320-5. При производительности 6 500 м³/ч полное давление вентилятора p_v = p_dv = 72 Па, h_v = 0,71. Потребляемая мощность вентилятора N_v = p_vL / h_v = 0,183 кВт. Эффективность вытяжной ситемы h_выт = L(rV^2н_вых / 2) / N_v = 0,59.

В данном случае эффективность вытяжной вентсистемы целиком определяется величиной КПД вентилятора на режиме максимальной производительности.

3.3. Полагаем, что по ряду причин пришлось отказаться от крышных вентиляторов и установить протяженную вытяжную вентиляционную систему, общее сопротивление элементов которой при производительности 6 500 м³/ч составляет SDр_сi = 400 Па. При расчете эффективности приведенных ниже вытяжных систем предполагалось, что сеть проходила через эту точку, то есть сопротивление элементов сети изменялось пропорционально квадрату изменения производительности.

3.4. Установим на выходе из сети радиальный вентилятор в спиральном корпусе ВР86-77-5. Рабочим режимом вентилятора (пересечение сети и характеристики вентилятора) является точка с производительностью несколько больше заданной 7 200 м³/ч, при этом полное давление вентилятора (равное сопротивлению сети плюс динамическое давление на выходе из вентилятора) p_v = 650 Па, полный КПД h_v = 0,83 [1]. Потребляемая вентилятором мощность N_v = p_vL / h_v = 1,57 кВт. При «нормируемой» скорости V^н_вых = 10 м/с эффективность вытяжной системы h_выт = L(rV^2н_вых / 2) / N_v = 0,076.

Напоминаем, что при производительности 7 200 м³/ч скорость выхода потока из вентилятора V_{вых вент} = 16,3 м/с, а динамическое давление вентилятора р_dv = rV²_выхi / 2 = 159 Па. Безвозвратно потерянная мощность выбрасываемого потока р_dvL / h_v = 384 Вт, что составляет 25 % потребляемой мощности вентилятора.

3.5. Для уменьшения потерь мощности, связанной с выходом потока, установим на выходе из вентилятора диффузор с расширением, обеспечивающим скорость потока на выходе V_вых = 5 м/с. Используем диффузор с односторонним углом раскрытия 200 (степень расширения n = 3,5, коэффициент полных потерь z_диф = 0,26 [2]). В этом случае производительность вентилятора, как и следовало ожидать, увеличилась и составила 7 700 м³/ч. Полное давление вентилятора на этом режиме p_v = 561 Па, h_v = 0,82, а потребляемая мощность N_v = p_vL / h_v = 1,59 кВт. Эффективность вытяжной системы h_выт = L(rV^2н_вых / 2) / N_v = 0,081.

Следует отметить, что эффективность вытяжной системы с диффузором оказалась больше, несмотря на то, что при увеличении производительности потери в элементах системы увеличились в (7 700 / 7 200)² = 1,14 раза. Для того чтобы провести анализ при одинаковых потерях в элементах системы, изменим частоту вращения вентилятора с диффузором так, чтобы его производительность стала равной прежней, то есть 7 200 м³/ч. В этом случае необходимо уменьшить частоту вращения в 7 200 / 7 700 = 0,935 раза, тогда потребляемая мощность составит 0,935³ • 1,59 = 1,3 кВт (напоминаем, что КПД вентилятора при изменении частоты вращения не меняется). Эффективность вытяжной системы без учета потерь в частотном преобразователе в этом случае будет равна 0,099, то есть на 23 % больше, чем у вентилятора без диффузора.

Таким образом, на ряде примеров мы показали, что предложенный критерий позволяет оценивать аэродинамическую эффективность вентиляционных систем. Наличие такого критерия позволяет оценивать как действующие системы, так и проектные решения. Достаточно разбить приточные и вытяжные системы на ряд групп (промышленные, офисные и др.) и для них установить диапазон рекомендуемых значений эффективности. Можно представить себе, что наряду с потребляемой мощностью и другими параметрами в проектной документации появятся также и расчетные значения эффективности вентиляционных систем, а вентиляционные системы с эффективностью менее рекомендуемой будут просто исключаться из рассмотрения.

Литература

1. Каталог ООО «Мовен», 2007.

2. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. Изд. 3-е перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1992.