Способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем

В. Г. Караджи, канд. техн. наук;

Ю. Г. Московко, ООО «ИННОВЕНТ»

Рассмотрим воздухоприточную систему, состоящую из трех ветвей, непосредственно исходящих из воздухоприточной установки (рис. 1), с рассредоточенной раздачей воздуха.

Рисунок 1. Схема вентиляционной системы: 1 – воздухоприточная установка; 2 – «камера разбора»; 3 – дроссели

Для удобства восприятия на рисунке потери давления изображены пропорционально длине воздуховода, а производительность – его толщине. Примем, что статическое давление на выходе из воздухоприточной установки существенно больше динамического давления потока воздуха в воздуховодах.

При расчете требуемого давления вентилятора выделяется магистральная ветвь, в нашем случае это 3-я ветвь. Вентилятор воздухоприточной установки (далее – основной вентилятор) подбирается на заданный расход и полное давление p_v0, равное потерям в воздухоприточной установке, плюс потери в магистральной ветви.

При стандартной практике проектирования аэродинамические потери в 1-й и 2-й ветвях должны быть равны потерям в магистрали, то есть их потери должны быть искусственно увеличены, соответственно, увеличиваются и общие потери вентиляционной системы. Обычно это делается различными способами, например, за счет увеличения скорости в воздуховодах, установки дроссельных шайб и т. д. Непосредственно же в каждой из ветвей заданный расход через раздающие устройства может быть получен за счет увеличения сопротивления самих раздающих устройств: установкой диафрагм, прикрытием решеток и т. д. В дальнейшем и то и другое именуем термином «дросселирование» и будем называть пассивным воздействием на сеть.

Потери мощности при «дросселировании» определяются по формуле

N_дрос = L_дрос• Dр_дрос /η_v,

где L_дрос – расход через дроссель;

Dр_дрос– перепад давления на дросселе;

h_v – полный КПД вентилятора.

С целью уменьшения потерь, связанных с «дросселированием», спро-ектируем все ветви с минимальными аэродинамическими потерями. Выберем в качестве магистральной ветвь с минимальными потерями, а в остальных ветвях установим вентиляторы-доводчики, компенсирующие соответствующее превышение потерь (рис. 2). Так как такое воздействие на вентиляционную систему приводит к уменьшению общего аэродинамического сопротивления, то в отличие от пассивного «дросселирования» назовем его активным.

Рисунок 2. Активное воздействие на вентиляционную систему: 1 – воздухоприточная установка; 2 – камера разбора; 3, 4, 5 – вентиляторы-доводчики

Установим:

– в «камере разбора» давление равное потерям в первой ветви;

– в ветви 2 – вентилятор-доводчик 5 с производительностью L₃² и давлением равным Dp₂ – Dp₁;

– в ветви 3 – вентилятор-доводчик 3 с производительностью L₃³ + L₄³ + L₅³ и давлением равным Dp₂ – Dp₁;

– в ветви 3 в месте, где потери давления равны потерям давления во 2-й ветви, вентилятор-доводчик 4 с производительностью L₄³ + L₅³ и давлением равным Dp₃ – Dp₂.

Вентилятор воздухоприточной установки в этом случае должен иметь полное давление, равное потерям в установке, плюс потери в 1-й ветви:
p_v0 = SΔр_притi + Dp₁, а потребляемая мощность N_vо = L₀ • p_v0 / h_v0. Суммарная потребляемая мощность всех вентиляторов N_vΣ = N_vо + N_в.д1 + N_в.д2 + N_в.д3; где N_в.д3, N_в.д4, N_в.д5 – потребляемая мощность вентиляторов-доводчиков. Аэродинамическая эффективность приточной системы [1]: h_прит = L₀ (SΔр^н_притi + SL_i ×V²_выхi / 2) / N_vΣ.

В сетях с параллельными ветвями (исходящими непосредственно за воздухоприточной установкой) в ряде случаев предпочтительнее в «камере разбора» поддерживать статическое давление близкое к нулю. Этот элемент воздухоприточной установки назовем «камерой нулевого статического давления» (рис. 3). Основной вентилятор подает необходимое количество воздуха в камеру, преодолевая только аэродинамические потери воздухоприточной установки. Из камеры происходит разбор воздуха вентиляторами-доводчиками, каждый из которых работает на свою ветвь.

Рисунок 3. «Камера нулевого статического давления»: 1, 2, 3 – вентиляторы-доводчики; 4 – камера нулевого статического давления; 5 – воздухоприточная установка

Рассмотрим на примерах аэродинамическую эффективность вентиляционной системы при различных вариантах пассивного и активного воздействия на нее.

Полагаем, что необходимо подать в точки А и В помещения по 18 000 м³/ч чистого воздуха (рис. 4), причем магистральная ветвь аА (ветвь 1) определена конфигурацией помещения и аэродинамические потери в ней минимизированы. В точку В воздух может быть подан различными путями (аВ, бВ, сВ), а также с помощью независимой воздухоприточной установки.

Примем следующие условия при проектировании вентиляционной системы:

– воздуховоды имеют одинаковую площадь поперечного сечения 1 м², скорость потока в воздуховодах V₁ = V₂ = 5 м/с;

– суммарный коэффициент внутренних аэродинамических потерь магистрали, определенный по скорости в воздуховоде, z₁ = 30;

– выход потока происходит непосредственно из воздуховодов со скоростью V_вых = 5 м/с;

– потери, связанные с выходом потока, равны ρV_вых² / 2, полные потери непосредственно в магистральной ветви (с учетом потерь выхода) Dp₁’ =ρV₁² / 2 (z₁ + 1);

– полный КПД вентиляторов равен 0,8;

– потери в приточной установке (входной клапан, фильтр, калорифер, глушитель) равны «нормативным» [1]: SDр_притi = 370 Па.

Рисунок 4. Схема подачи воздуха в помещение, аА – магистральная ветвь

Вентиляционная система с параллельными ветвями, но с сосредоточенной раздачей (раздача воздуха из одного воздухораспределительного устройства в каждой ветви).

Вариант 1. Проектируем воздухоприточную установку с производительностью L₀ = 36 000 м³/ч, работающую на две параллельные ветви (1-я ветвь является магистральной). Положим, удалось спроектировать вторую ветвь минимальной протяженности с суммарным коэффициентом внутренних аэродинамических потерь z₂ = 5 (рис. 5).

Рисунок 5. Вентиляционная система система с двумя параллельными ветвями, без балансировки производительности в ветвях

Включим вентилятор. Если не предприняты меры по выравниванию аэродинамических потерь в ветвях, то расход по ветвям распределится обратно пропорционально полным потерям. Производительность в 1-й ветви в этом случае станет равной 3,06 м³/с, а во второй – 6,94 м³/с (решение не приводится, чтобы не усложнять пример), при этом соответствующие скорости в воздуховодах: 3,06 и 6,94 м/с соответственно. Полные потери давления непосредственно в первой и во второй ветвях (с учетом потерь с выходной скоростью) будут равны SDр’_1,2 = 174 Па*. Полные потери сети: Dp_с = SDр’_ci + SDр_притi = 544 Па, а потребляемая вентилятором мощность N_v0 = 6,8 кВт (здесь p_v0 = Dp_с).

Эффективность вентиляционной системы с несбалансированными расходами: h_прит = 0,567 (определенная по средней скорости выхода потока 5 м/с).

Вариант 2. Как принято в стандартной практике проектирования вентиляционных систем, для выравнивания расходов введем дополнительное аэродинамическое сопротивление во 2-ю ветвь (рис. 6), равное разнице полных потерь в ветвях Dр_дрос = Dр’₁ – Dр’₂. Следует понимать, что при этом увеличивается общее сопротивление системы (по сравнению с системой без балансировки расходов).

Рисунок 6. Вентиляционная система с «дросселированной» второй ветвью и равными расходами

При заданном расходе полные потери 1-й ветви равны 465 Па, а 2-й 90 Па. Перепад давления на дросселе: Dр_дрос = 375 Па (аналогичный эффект можно получить за счет уменьшения сечения воздуховода 2-й ветви и соответствующего увеличения скорости до 11,36 м/с). Потери мощности на дросселе
N_дрос = L₂•Dр_дрос / h_v = 2,34 кВт.

Полное давление вентилятора должно быть равно полным потерям вентиляционной системы – 835 Па. Потребляемая вентилятором мощность N_v = 10,44 кВт, из которой на дросселе теряется 2,34 кВт.

Эффективность вентиляционной системы 0,369, то есть за счет увеличения аэродинамических потерь во второй ветви (на 291 Па) она уменьшилась на 35 %.

Следует понимать, что аэродинамическая эффективность при пассивном воздействии на вентсистему целиком определяется потерями в магистральной ветви. Если же потери в магистральной ветви минимизированы, то аэродинамическая эффективность вентиляционной системы будет абсолютно одинаковой, какими бы путями (например, аВ, бВ, сВ, рис. 4) и с какими потерями мы не доставляли воздух в точку В (если при этом потери второй ветви не превышают потерь в магистральной ветви).

Далее рассмотрим различные варианты активного воздействия на вентиляционную систему.

Вариант 3. Чтобы избежать «дросселирования» 2-й ветви, спроектируем две независимых приточных вентиляционных системы с производительностью по 18 000 м³/ч каждая (рис. 7). Полагаем, что во второй приточной системе суммарный коэффициент аэродинамических потерь остался прежним, то есть z₂ = 5. Для простоты полагаем, что потери в воздухоприточных установках равны «нормативным», а сами «нормативные» потери в приточных установках остались прежними – 370 Па.

Рисунок 7. Две независимых вентиляционных системы

1-я воздухоприточная система. Полное давление вентилятора должно быть равно полным потерям в вентиляционной системе, то есть 835 Па, а потребляемая вентилятором мощность 5,22 кВт. Эффективность 1-й вентиляционной системы 0,369.

Как видно, эффективность первой воздухоприточной системы равна эффективности вентиляционной системы предыдущего варианта (с точностью до равенства «нормативных» потерь в воздухоприточной установке и КПД вентилятора), так как не изменились полные потери.

2-я воздухоприточная система. Полное давление вентилятора должно быть равно полным потерям в вентиляционной системе, то есть 460 Па, а потребляемая вентилятором мощность 2,88 кВт. Эффективность 2-й вентиляционной системы 0,67.

Как видно, эффективность второй приточной системы больше из-за отсутствия потерь мощности на «дросселирование», равных N_v1 – N_v2 = 5,22 – 2,88 = 2,34 кВт, которые, как и следовало ожидать, оказались равны потерям при «дросселировании» 2-й ветви (см. вариант 2).

Суммарная потребляемая мощность двух вентиляторов (N_vΣ) – 8,09 кВт. Определим «эквивалентные» аэродинамические потери давления в системе, состоящей из двух воздухоприточных установок с суммарной производительностью L₀: Dp_с^экв = N_vΣ • h_v / L₀ = 648 Па (что на 22 % меньше, чем при «дросселировании» 2-й ветви (вариант 2)).

Среднюю эффективность двух вентиляционных систем нельзя определить арифметическим сложением, но очевидно, что суммарная эффективность будет в этом случае больше 0,369. Так как и производительности, и потери в приточных установках равны, то можно определить «эквивалентную» эффективность двух вентиляционных систем: 0,476.

Вариант 4. Установим на выходе из воздухоприточной установки «камеру разбора» (рис. 8), в которой будем поддерживать давление, равное потерям полного давления во 2-й ветви, – 90 Па. Считаем, что камера имеет достаточный объем, поэтому внутри камеры полное давление равно статическому. Примем также, что при выходе потока из вентилятора в камеру отсутствуют аэродинамические потери «на удар».

Рисунок 8. Вентиляционная система с «камерой разбора» и вентилятором-доводчиком в 1-й ветви

Очевидно, что по потребляемой мощности это полный аналог двух воздухоприточных установок (если не учитывать потери с выходной скоростью при входе потока в «камеру разбора» и разницу в КПД вентиляторов).

Полное давление основного вентилятора должно быть равно потерям в установке плюс потери во 2-й ветви, то есть 460 Па. Потребляемая мощность основного вентилятора 5,75 кВт.

В «камере разбора», непосредственно в начале первой ветви, установим вентилятор-доводчик, его полное давление должно быть равно потерям в первой ветви минус давление в «камере разбора», то есть 375 Па. Потребляемая мощность вентилятора-доводчика: 2,34 кВт.

Суммарная потребляемая мощность вентиляторов равна 8,09 кВт, то есть равна суммарной мощности двух воздухоприточных установок (см. вариант 3). Эффективность вентиляционной системы 0,476, то есть также равна эквивалентной эффективности двух вентиляционных систем (вариант 3).

«Эквивалентные» аэродинамические потери давления Dp_с^экв = 648 Па, то есть также равны потерям вентиляционной системы, состоящей из двух воздухоприточных установок (вариант 3).

Вариант 5. Установим «камеру нулевого статического давления», в которой будем поддерживать статическое давление близкое к нулю (рис. 9). Как и в предыдущем случае, считаем, что камера имеет достаточный объем, поэтому полное давление равно статическому давлению и отсутствуют аэродинамические потери «на удар». По аэродинамической эффективности это полный аналог схемы с «камерой разбора».

Рисунок 9. Вентиляционная система с «камерой нулевого статического давления» и вентиляторами-доводчиками в каждой ветви

Полное давление основного вентилятора должно быть равно потерям в воздухоприточной установке 370 Па, тогда потребляемая мощность основного вентилятора 4,63 кВт.

Полное давление вентилятора-доводчика, установленного в 1-й ветви, должно быть равно аэродинамическим потерям в этой ветви, то есть 465 Па, а его потребляемая мощность 2,91 кВт.

Полное давление вентилятора-доводчика, установленного во 2-й ветви, должно быть равно потерям в ней: 90 Па, а его потребляемая мощность 0,56 кВт. Суммарная потребляемая мощность вентиляторов 8,09 кВт.

Эффективность вентиляционной системы 0,476, то есть равна эффективности системы с воздухоприточной установкой с «камерой разбора» (см. вариант 4).

«Эквивалентные» аэродинамические потери давления вентиляционной системы 648 Па, то есть также равны потерям системы с воздухоприточной установкой с «камерой разбора» и вентиляционной системы, состоящей из двух воздухоприточных установок.

Полагаем, удалось изменить конфигурацию вентиляционной системы таким образом, что воздух в точку В оказалось возможным подать непосредственно из воздухораздающего устройства, расположенного в воздуховоде.

Вентиляционная система состоит из воздухоприточной установки с производительностью 36 000 м³/ч, воздуховода переменного сечения, в котором поддерживается постоянная скорость 5 м/с (рис. 10). Суммарный коэффициент внутренних аэродинамических потерь воздуховода z₁ = 30. Воздух с одинаковым расходом выходит из двух устройств со скоростью 5 м/с, причем первое устройство расположено на участке воздуховода там, где коэффициент потерь равен 5.

Рисунок 10. Линейная вентиляционная система с «дросселированным» первым раздающим устройством

Система является аналогом рассмотренной выше вентиляционной системы с двумя параллельными ветвями, которые в данном случае имеют «жидкие» границы. Как и в первом случае, производительность в раздающих устройствах устанавливается в зависимости от аэродинамических потерь участков воздуховода (ветвей 1 и 2).

Вариант 6. При стандартной практике проектирования (пассивное воздействие на вентиляционную систему), с целью выравнивания расходов через раздающие устройства, в первом (по ходу воздуха) устройстве необходимо ввести дополнительное аэродинамическое сопротивление (установить дроссель, фильтр, прикрыть решетку и т. д.).

Полное давление вентилятора должно быть равно сумме потерь в воздухоприточной установке плюс потери в длинной ветви, то есть 835 Па, тогда потребляемая вентилятором мощность 10,44 кВт. Так как аэродинамические потери участка воздуховода до первой раздачи равны Dр’₂ = 90 Па, то перепад давления на дросселе Dр_дрос = 375 Па, а потери мощности на нем 2,34 кВт.

Эффективность вентиляционной системы с «дросселированной» 2-й раздачей 0,369, то есть равна эффективности системы с «дросселированной» второй ветвью и равными расходами (пример 2).

Далее рассмотрим варианты активного воздействия на линейную вентиляционную систему.

Вариант 7. Как и в первом случае, чтобы избежать «дросселирования» первого раздающего устройства, спроектируем две независимых приточных вентиляционные системы с производительностью по 18 000 м³/ч каждая. В аэродинамическом смысле это полный аналог рассмотренной выше схемы (пример 3, рис 7) c «эквивалентной» эффективностью 0,476.

Вариант 8. Непосредственно за первой раздачей установим вентилятор-доводчик (рис. 11).

Рисунок 11. Линейная вентиляционная система с вентилятором-доводчиком

Полное давление основного вентилятора должно быть равно потерям в приточной установке плюс потери на участке до первой раздачи, то есть 460 Па. Потребляемая основным вентилятором мощность 5,75 кВт.

Вентилятор-доводчик должен иметь полное давление, равное потерям участка воздуховода за первой раздачей: Dр’₁ = (z₂ – z₁)rV₂² / 2 = 375 Па (динамическое давление на выходе из раздающего устройства в этом случае не учитывается). Потребляемая вентилятором-доводчиком мощность 2,34 кВт. Суммарная потребляемая мощность вентиляторов равна 8,09 кВт.

Эффективность вентиляционной системы 0,476, то есть равна эффективности вентиляционной системы с параллельными ветвями и с вентиляторами-доводчиками.

«Эквивалентные» потери давления в системе 648 Па, что на 22 % меньше, чем при «дросселировании» первого раздающего устройства.

Для наглядности сведем результаты расчетов в таблицу и дадим краткий анализ полученным результатам. При этом следует иметь в виду, что кроме отмеченного увеличения аэродинамической эффективности имеет место также и уменьшение уровня шума излучаемого вентиляторами. Для упрощенного анализа примем, что суммарное излучение шума нескольких вентиляторов равно излучению одного вентилятора с производительностью, равной суммарной производительности вентиляторов, и с полным давлением, равным «эквивалентным» потерям в вентиляционной системе. Оценка корректированного уровня звуковой мощности на выходе производилась пересчетом акустических характеристик вентиляторов ВР 80-70-10-01 и ВР 80-70-12,5-01.

Сравнение способов воздействия на вентиляционные системы:

1. Вентиляционная система с параллельными ветвями и с сосредоточенной раздачей (раздача воздуха из одного воздухораспределительного устройства в каждой ветви).

Активное воздействие с целью уменьшения общих аэродинамических потерь системы за счет разбиения на две независимые вентиляционные системы и установки вентиляторов-доводчиков совместно с «камерой разбора» или «камерой нулевого статического давления» привело к увеличению аэродинамической эффективности на 29 %. При этом эквивалентный уровень звуковой мощности вентилятора уменьшился на 3 дБА (в абсолютных величинах – это уменьшение излучаемой мощности в 2 раза).

2. Линейная вентиляционная система с рассредоточенной раздачей.

Активное воздействие с целью уменьшения общих аэродинамических потерь системы за счет разбиения на две независимых вентиляционные системы и установки вентилятора-доводчика привело к увеличению аэродинамической эффективности на 29 %. При этом корректированный уровень звуковой мощности основного вентилятора уменьшился на 3 дБА.

В данной статье не рассматривались возможность, условия и экономическая целесообразность использования различных способов активного воздействия на вентиляционные системы. В настоящей статье мы рассматривали только способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем, опуская при этом такие известные способы, как уменьшение скорости в воздуховодах, потери в фасонных частях и приточных/вытяжных установках и т. д.

Перечислим основные принципы построения аэродинамически эффективных вентиляционных систем (с минимизированными потерями, связанными с «дросселированием»).

1. Предпочтение следует отдавать простым (неразветвленным) вентиляционным системам.

2. В вентиляционных системах с разветвленными воздуховодами:

– следует исключать ветви с малыми аэродинамическими потерями и с относительно большим расходом;

– следует проектировать ветви с примерно одинаковыми аэродинамическими потерями, чтобы избежать «дросселирования» при балансировке расходов;

– при активном воздействии на вентиляционную систему в качестве магистральной следует выбирать ветвь с относительно большим расходом и минимальными аэродинамическими потерями, а в остальных ветвях использовать вентиляторы-доводчики.

3. В вентиляционных системах с линейными воздуховодами и с рассредоточенным притоком/вытяжкой воздуховоды следует разбивать на ряд участков, в начале которых необходимо устанавливать вентиляторы-доводчики, компенсирующие соответствующие аэродинамические потери.

Таблица 1 (подробнее) Сравнение вентиляционной системы с параллельными ветвями и линейной вентиляционной системы

Литература

1. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Оценка аэродинамической эффективности вентиляционных систем // АВОК. – 2008. – № 7.

 

* Индекс ‘ означает суммарные потери в воздуховоде.