Автоматические регуляторы давления в системах вентиляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматические регуляторы давления в системах вентиляции

С. С., Ивашкевич

Абстракт

Рассматривается вопрос изменения подхода к проектированию систем вентиляции за счет использования регуляторов давления собственной разработки.

Ключевые слова: системы с переменным расходом, давление, регулятор давления, автоматизация, камера статического давления.

AUTOMATIC PRESSURE REGULATORS IN VENTILATION

SYSTEMS

Yu S.S., Ivashkevich А. А.

PNU, Khabarovsk, Russia

Abstract

The question of changing the approach to the design of ventilation systems, through the use of pressure regulators of its own design is considered.

Keywords', systems with variable flow, pressure, pressure regulator, automation, static pressure chamber.

Подходы проектирования систем вентиляции. При проектировании и эксплуатации систем вентиляции различных зданий важным вопросом является обеспечение надлежащего распределения воздуха по отдельным ответвлениям систем. Для этих целей при проектировании на ответвлениях от магистрального воздуховода предусматриваются специальные регулирующие устройства - дросселирующие клапаны. Угол закрытия клапана должен быть таким, чтобы при работе системы потери давления в клапане были равны избыточному перепаду давления в точке подключения ответвления. Таким образом, за клапаном должно установиться давление, равное расчетным потерям давления в ответвлении, что и обеспечивает расчетный расход воздуха в нем.

К сожалению, такой подход предполагает неизменный режим работы системы, то есть постоянство расходов воздуха на всех участках системы. Такие системы называются системами с постоянным расходом (в иностранной литературе используется аббревиатура CAV - Constant Air Volume). Вентиляционные системы такого типа были широко распространены в недалеком прошлом, однако сама идея постоянства расхода сегодня не соответствует требованиям повышения энергетической эффективности, так как работе систем с избыточным расходом необходимо затрачивать лишнюю тепловую энергию на нагрев избыточного количества воздуха и электрическую энергию в моторе вентилятора для перемещение его по воздуховодам.

Сегодня трудно представить систему вентиляции, в которой все помещения, обслуживаемые ею, работают все время в одном и том же режиме. Очевидно, что в целях снижения затрат энергии на подготовку приточного воздуха, расход, подаваемый и удаляемый из помещений, должен изменяться под влиянием различных факторов, определяющих интенсивность и условия эксплуатации помещения в текущий момент времени.

Эти факторы весьма разнообразны, среди них, как наиболее важные, можно выделить следующие:

- загрузка помещения, то есть отношение фактического количества посетителей или персонала к расчетному (не является постоянным количество людей в зрительных залах, покупателей в магазинах, посетителей в музеях, тренажерных залах, ресторанах и кафе);

временной режим работы (помещения различного назначения эксплуатируются в определенное время суток, а в нерабочий период вентиляция в них должна просто отключаться с целью экономии энергозатрат);

параметры наружного климата (в различные сезоны года в зависимости от температуры наружного воздуха или его влажности потребуется подавать в помещения различное количество воздуха для поддержания заданного внутреннего микроклимата);

режим работы технологического оборудования (в процессе работы технологического оборудования может изменяться количество единиц включенного оборудования) или режим его работы, что изменяет количество поступающих вредных веществ.

Учитывая, что вопросам экономии энергии в системах вентиляции уделяется все больше внимания, наблюдается постепенный переход от систем с постоянным расходом к системам с переменным расходом воздуха (в иностранной литературе используется аббревиатура VAV - Variable Air Volume). Необходимость управления расходом в ответвлениях диктует отказ от использования обычных дросселирующих клапанов на ответвлениях, так как изменение расходов в ответвлениях неизбежно приводит к изменению расхода воздуха в магистральном воздуховоде, что меняет распределение давлений в нем. В результате это изменение давлений в магистрали приводит к изменению режимов всех подключенных в данный момент ответвлений, то есть попытка уменьшить в одном ответвлении приводит к увеличению расхода в остальных. Чтобы избежать подобного явления, в системах VAV необходимо стабилизировать располагаемые давления перед ответвлениями, установив вместо традиционных дросселирующих клапанов регуляторы давления.

Применение автоматических регуляторов, работающих непосредственно под действием давления перемещаемой среды, является наиболее удачным решением, так как не требует установки моторного привода с редуктором, преобразователя давления и электронной схемы для управления приводом. Кроме того, не требуется подключение регулятора к электросети, а это повышает электробезопасность системы. Все это существенно снижает стоимость самого регулятора и его эксплуатации.

Также следует ясно понимать, что широкое использование автоматических регуляторов в системах отопления стало возможным благодаря двум удачным условиям их работы в системе:

достаточно большая величина перепада давлений за регулятором, равная расчетным потерям давления в стояке (обычно от 5 до 30 кПа);

малые проходные сечения в клапане регулятора, что позволяет уверенно перемещать шток клапана при помощи мембраны достаточно небольшого размера.

В системах вентиляции условия работы автоматических регуляторов, стабилизирующих давления в корне ответвления, будут полностью противоположными: малый перепад давления за клапаном (обычно от 10 до 50 Па) и очень большие сечения для прохода воздуха, определяемые размерами воздуховода. Поэтому для перемещения рабочего органа потребуется мембрана очень большого размера, так как для надежной работы регулятора ее площадь должна быть в десятки раз больше площади проходного сечения клапана.

В каталогах изготовителей вентиляционного оборудования приводится информация об автоматических регуляторах давления, однако сколь-нибудь ясного описания конструкции и принципа работы не дается. Так же неизвестно, какова точность поддержания давления, надежность работы и гарантированный срок эксплуатации. Поэтому в вопросе практического использования подобного рекламируемого оборудования следует соблюдать осторожность.

2. Разработка регулятора давления. На наш взгляд, единственным действительно надежным средством стабилизации давлений в системах вентиляции могут быть только клапаны с электрическим сервоприводом, подключаемые к специальному электронному блоку управления (контроллеру). Подобное оборудование достаточно широко представлено и в каталогах иностранных производителей оборудования. Общая схема устройства такого регулятора представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема электронного регулятора давления

для систем вентиляции

регулятор давление вентиляция

В состав комплекта входит приемник давления, преобразователь давления в электрический сигнал, электронная схема управления и дросселирующий клапан с моторным электроприводом.

Кроме того, изготовителями предлагается высокий уровень полной автоматизации и диспетчеризации системы, который подразумевает: объединение всех регуляторов в общую систему управления; передачу сигнала от них на центральный процессор, управляющий всей системой; автоматическое закрытие регулирующих клапанов в неработающих помещениях по сигналам от центрального блока; периодическую продувку неработающих помещений; снижение скорости вращения вентилятора системы по мере закрытия клапанов в помещениях. Все это очень привлекательно и логично, однако применение таких решений наталкивается на очень простое препятствие - стоимость такого оборудования для управления соизмерима со стоимостью самой системы вентиляции. Такая ситуация не способствует широкому внедрению подобных технологий, поэтому представляется важным более детально разобраться, насколько обоснована столь высокая стоимость оборудования, и возможно ли создать более дешевые устройства регулирования, приемлемые по цене и качеству регулирования.

При опытной разработке датчика давления для регулятора важным аспектом является выбор мембраны. Ее свойства определяют стабильность характеристик и величину прогиба под действием давления. Самостоятельное изготовление мембран для датчиков достаточно затруднительно, поэтому желательно найти готовое устройство, в котором используются подобные конструкции. Такие устройства известны и широко распространены - это малогабаритные динамики (громкоговорители). Их конструкция состоит из гофрированной гибкой мембраны, держателя и магнитной системы, состоящей из кольцевого постоянного магнита и небольшой катушки, закрепленной на мембране и расположенной в магнитном воздушном зазоре магнита. При использовании динамика в качестве датчика давления остается только каким-либо способом регистрировать перемещение мембраны и преобразовывать его в электрический сигнал.

Следует отметить, что наличие магнитной системы с катушкой позволяет реализовать электромагнитную компенсацию усилия, создаваемого перепадом давления на мембране. В этом случае при изменении давления и, следовательно, изменении усилия на мембрану, автоматическая следящая система изменяет ток в катушке, увеличивая или уменьшая компенсирующую силу, и тем самым возвращает мембрану в исходное (нейтральное) положение. Выходным сигналом в этом случае является именно ток катушки, значение которого должно быть прямо пропорционально действующему усилию, а, значит, и самому перепаду давления на мембране.

Важной особенностью такого подходя является тот факт, что упругие свойства мембраны не сказываются на результатах измерения, так как мембрана, благодаря электромагнитной обратной связи, все время находится в нейтральном положении. Это позволяет использовать не только металлические мембраны (металл обладает достаточно постоянным модулем упругости), но и пластмассовые, и даже резиновые мембраны с жестким центром. Важным моментом является надежная регистрация положения мембраны для выработки сигнала обратной связи, и хороший запас мощности магнитной системы для создания достаточного компенсирующего усилия.

В обычных измерительных мембранных устройствах верхний предел измеряемого давления определяется свойствами мембраны (ее прочностью и диапазоном линейной упругой деформации). При использовании компенсации усилия на мембрану мембрана прогибается незначительно, и эти факторы не имеют существенного значения. Поэтому динамический диапазон измерения значительно расширяется в область больших давлений и ограничивается в основном лишь возможностями компенсационной системы.

3. Установка и наладка системы. Дополнительно следует отметить, что, учитывая достаточно высокую стоимость устройств автоматического регулирования, для широкого перехода к системам с переменным расходом следует в некоторой степени изменить и принципы проектирования систем с целью уменьшения необходимого количества регуляторов. Их следует устанавливать не на каждое ответвление к решетке или диффузору, а на группу потребителей, расположенных вблизи точки подключения к магистрали. От привычных традиционных систем с линейной трассировкой магистралей следует переходить к кустовому методу подключения потребителей, присоединяя каждую группу к своеобразному коллектору - камере статического давления, перед которой и следует устанавливать регулятор перепада давления. Такой кустовой подход конструирования систем уже давно принят в системах пневмотранспорта: все ответвления к станкам подключаются на сборный коллектор, а не на магистральный воздуховод. Именно это обеспечивает одинаковый режим работы всех ответвлений и простую возможность поддержания разряжения в аспирационном коллекторе за счет установки регулятора давления.

В заключение следует отметить, что переход на системы со стабилизацией давления в отдельных точках позволяет по-новому взглянуть на процесс послемонтажной регулировки системы. Сегодня этот процесс является весьма трудоемким и в определенной степени неопределенным, так как изменение режима одного ответвления неизбежно меняет режим работы и всех остальных ответвлений. Многократная повторная корректировка настройки клапанов является слишком трудоемкой и продолжительной операцией, поэтому зачастую наладчики подходят поверхностно к процедуре послемонтажной регулировки, обеспечивая оценку расходов поверхностно. В результате большинство систем сдается с неправильной настройкой распределения потоков воздуха. Через некоторое время, когда пользователь сам пытается исправить ситуацию и тоже пытается как-то регулировать расходы воздуха, все постепенно приближается к полному хаосу. В этом случае только новое вмешательство специалиста может исправить ситуацию.

Пример системы с традиционной линейной трассировкой воздуховодов приведен на рисунке 2, а предлагаемый вариант с кустовой разводкой - на рисунке 3.

Рис. 2 Традиционная линейная схема трассировки воздуховодов приточной вентиляции

Зачастую в проектах не предусматривается достаточное количество регулирующих клапанов для последующей наладки. Такие системы вообще невозможно вывести на расчетный режим . В отдельных проектах встречаются ветки воздуховодов длиной 50 -100 м, которые построены по линейному принципу, причем на ответвлениях к отдельным диффузорам вообще не предусмотрено регулирующих устройств. Остается только гадать, как авторы подобных проектов понимают задачу обеспечения расчетного потокораспределения.

С внедрением регуляторов давления процесс существенно упростится, так как в этом случае необходимо выставить в камерах статического давления нужные значения перепада, и затем отрегулировать решетки или диффузоры на подачу или удаление нужного количества воздуха. При этом настройки ни отдельных воздухораспределителей, входящих в куст, ни регуляторов давления в корне каждого куста не влияют друг на друга.

Рис. 3 Предлагаемая кустовая схема трассировки воздуховодов приточной вентиляции

Заключение

Для полноценной реализации задачи перехода на системы с переменным расходом необходимо изменить подход к трассировке воздуховодов систем вентиляции, а также обеспечить снижение стоимости систем регулирования за счет разработки и внедрения относительно дешевых вариантов регуляторов перепада давления (автоматических или с моторным приводом).

Библиографические ссылки на источники

Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х ч. Под ред. И. Г. Староверова. Изд. 2-е, перераб. и доп. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. - М., Стройиздат, 1977, 502 с. (Справочник проектировщика).

AIRFLOWCONTROL/ Руководство по проектированию TROX

Системы с переменным расходом воздуха (VAV-система). Журнал «АВОК» №22002г.

Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. ЕВРОКЛИМАТ 2001г. Третье издание

Размещено на Allbest.ru