Струминна техніка в опалювально-вентиляційних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

УДК 697.34

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

СТРУМИННА ТЕХНІКА В ОПАЛЮВАЛЬНО - ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ СИСТЕМАХ

Гусєнцова

Яна Алімівна

Макіївка

2010



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і

архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант доктор технічних наук, доцент

Лук'янов Олександр Васильович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Висоцький Сергій Павлович, Горлівський автомобільно-дорожній інститут Донецького національного технічного університету, завідувач кафедри екології та безпеки життєдіяльності

доктор технічних наук, професор

Дорошенко Олександр Вікторович,

Одеська державна академія холоду, професор кафедри технічної термодинаміки" доктор технічних наук, доцент Пуховий Іван Іванович,

Національний технічний університет Україні "КПІ"

доцент кафедри теоретичної та промислової теплотехніки

Захист відбудеться "28" січня о 10⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.02 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший учбовий корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий: " _24_ " грудня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради З. В. Удовиченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший науково-технічний прогрес, який спрямований на вирішення найважливіших проблем, що поставлені перед промисловістю України, в першу чергу паливних, енергетичних, екологічних галузях, є неможливим без підвищення ефективності опалювально-вентиляційних систем (ОВС). Крім того, системи вентиляції можуть бути джерелом шкідливих для здоров'я людей викидів, які обумовлені технологічними процесами в енергетиці, хімічній, нафтопереробній та інших галузях промисловості.

В сучасних умовах актуальними становляться питання удосконалювання технологічних процесів, що пов'язані зі споживанням енергії, поліпшенням умов праці, підвищенням екологічної безпеки виробництва. проектування математичний струминний чисельний

Частина витрат на створення ОВС залишається суттєвою і становлять істотну частину від вартості споруд (близько 10 - 15 %), а експлуатаційні витрати, в ряді випадків для різних галузей промисловості, можуть складати 50 - 60% від витрат на допоміжні потреби.

У зв'язку із цим економічність, ефективність, як комплексне поняття, що виражає технічну досконалість, довговічність і надійність ОВС набуває першорядне значення.

Зміна витрати і температури повітря в повітряно-опалювальних системах здійснюється механічною апаратурою, яка виконує різні функції. У процесі роботи вона піддана впливу різких перепадів температури, вібраціям, підвищеній вологості, забрудненості, хімічної агресивності робочого і навколишнього середовищ, тому умови її роботи можна віднести до несприятливих. Перераховані негативні зовнішні фактори, а також такі, що привносяться властивостями робочих середовищ, значно знижують надійність механічної апаратури, у порівнянні з розрахунковими умовами експлуатації.

Реальні умови експлуатації елементів ОВС і, як наслідок, зниження їхньої надійності та довговічності визначили новий напрямок у вирішенні науково-технічної проблеми підвищення економічності й ефективності систем вентиляції і повітряного опалення за рахунок створення принципово нового типу систем зі струминними і вихровими елементами. Їхніми позитивними якостями є нечутливість до перерахованих факторів завдяки відсутності в конструкціях рухливих елементів, тому вони мають високу надійність і довговічність при їхній експлуатації. Вирішенню цієї актуальної науково-технічної проблеми, яка пов'язана з розробкою наукових основ розрахунку і проектуванням ОВС, у яких зміна витрати і температури повітря в приміщеннях виконується за допомогою використання струминної техніки, присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в межах пріоритетних науково-технічних напрямків науки і техніки України "Екологічно чиста енергетика й енергозберігаючі технології", перспективної програми "Донбас - 2020", "Науково-технічний та інноваційний розвиток" програми соціально-економічного та культурного розвитку Луганської області на 1999-2010 роки, держбюджетних тем на замовлення Міністерства освіти і науки України: "Теорія і методи аналізу й моделювання газодинамічних характеристик промислових викидів" (рег. № 0101U003276), "Теорія і методи побудови систем радіаційного захисту довкілля при експлуатації енергоблоків АЕС" (рег. №0104U0000285), "Теорія і методи забезпечення ефективності систем теплопостачання в умовах екологічного моніторингу" (рег. № 0107U000098), ряду госпдоговірних тем. Автор є виконавцем вказаних тем.

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертаційної роботи є створення методів розрахунку і визначення шляхів використання опалювально-вентиляційних систем, підвищення їх техніко-економічної ефективності на основі розробки і впровадження в промисловість принципово нового класу струминних пристроїв, яким властиві високі показники економічності, надійності та довговічності.

Для досягнення поставленої мети у роботі були сформульовані і вирішені наступні задачі:

- на основі аналізу характеристик, властивостей і вимог до вентиляційних систем промислових підприємств запропонувати концепцію використання ОВС з підвищеною ефективністю, надійністю і довговічністю, яка включає систему розробки методологічних основ математичного моделювання їх характеристик, математичні моделі, принципи побудови і проектування, дослідження впливу закономірностей зміни параметрів повітря на процеси теплообміну;

- запропонувати узагальнену математичну модель взаємозв'язаних і причинно-обумовлених підсистем. На цій основі розробити математичну модель аеродинамічних характеристик ОВС з урахуванням процесів перемішування, обґрунтувати метод інтегрування математичної моделі. Виконати експеримент з метою перевірки її адекватності;

- на основі проведених досліджень розробити основи аеродинамічного розрахунку ОВС, у яких зміна витрати і температури повітря виконується засобами струминної техніки, дослідити їх характеристики на математичних моделях, а також експериментальним шляхом;

- розробити принципи розрахунку і проектування ОВС промислових підприємств з використанням струминної техніки. Для чого встановити закономірності й особливості їх функціонування в системах промислової вентиляції, повітряного опалювання і запропонувати оцінку ефективності їх роботи;

- дослідити вплив засобів і методів зміни параметрів робочого середовища ОВС на їх економічність, для чого визначити роль перемішування середовища в процесі теплообміну, визначити динамічні характеристики об'єкту і обґрунтувати закономірності зміни температури і витрати повітря;

- розробити методику проектування й інженерного розрахунку вихрових і струминних пристроїв для умов експлуатації в ОВС, створити дослідні зразки з поліпшеними аеродинамічними характеристиками, перевірити їх працездатність і ефективність на вентиляційних системах промислових підприємств;

- на підставі порівняння параметрів надійності та довговічності ОВС з струминними пристроями із існуючими довести економічну ефективність використання струминних пристроїв;

- виконати дослідно - промислове впровадження результатів дослідження і оцінити їх техніко - економічну ефективність.

Об'єкт дослідження - аеродинамічні процеси в опалювально-вентиляційних системах, в яких використовується струминні пристрої.

Предмет дослідження - робочі характеристики, закономірності й особливості функціонування опалювально-вентиляційних систем із струминними пристроями, динамічні якості систем, які виконані з використанням цих пристроїв, економічні характеристики систем у цілому.

Методи дослідження.

У роботі використаний системний підхід при створенні ОВС з використанням струминної техніки, застосовані методи математичного і фізичного моделювання аеродинамічних процесів, які відбуваються в ОВС, як в цілому, так і в окремих елементах і складових засобів зміни параметрів робочого середовища. Теоретичні дослідження проводилися на математичних моделях трьох рівнів - аеродинамічної, апроксимаційної (інженерної) і динамічної. Моделі течії в ОВС та їх складових представлені у формі рівнянь Рейнольдса для нестисливої рідини, а також рівнянь енергії, нерозривності, теплопереносу, стану, які вирішувалися із застосуванням методів і засобів обчислювальної гідродинаміки. Динамічні процеси зміни параметрів робочого середовища в опалювально - вентиляційному приміщені, у вихрових і струминних пристроях описані звичайними нелінійними диференціальними рівняннями, за допомогою яких проводився чисельний експеримент. На основі отриманих функцій відгуку були визначені робочі параметри, які близькі до оптимальних. Значення їх враховувалось при розробці інженерних моделей струминних пристроїв, що досліджувались.

Вірогідність наукових гіпотез, положень, висновків і рекомендацій обумовлена використанням фундаментальних законів механіки рідини і газу при задовільному збігу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, що отримані при проведенні експериментів і оброблені з використанням методів теорії ймовірностей і математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- розроблено концепцію використання ОВС з підвищеною ефективністю і надійністю і наукові основи аеродинамічного розрахунку систем, у яких зміна витрати і температури повітря виконується використанням вихрової і струминної техніки;

- розроблено математичну модель аеродинамічних характеристик ОВС з урахуванням процесів перемішування, обґрунтовано метод інтегрування математичної моделі. Отримано критерій використання витисняючої вентиляції;

- визначені шляхи вирішення проблеми підвищення техніко-економічної ефективності промислових ОВС за рахунок створення економічних струминних пристроїв без рухливих механічних частин у якості приладів зміни витрати робочого середовища;

- одержали подальший розвиток теоретичні дослідження робочих процесів у струминних пристроях, що дозволило з урахуванням геометричних та аеродинамічних факторів, які найбільш істотно впливають на точність розрахунків течії, скласти на цій основі удосконаленні математичні моделі елементів стосовно для ОВС;

- за результатами досліджень на розроблених математичних моделях ОВС з використанням струминної техніки встановлено вплив особливостей геометрії проточної частини на аеродинамічні характеристики, які були покладені в основу методики їхнього проектування та розрахунку;

- вперше досліджено вплив способів і методів утворення параметрів мікроклімату приміщень на ефективність роботи ОВС, визначені області раціонального використання різних законів зміни витрати робочого середовища.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці і дослідно-промисловій апробації:

- методу й методик розрахунку аеродинамічних характеристик ОВС і їх складових із заданими статичними і динамічними характеристиками, що були розроблені на його основі, які затверджені та впроваджені Державним підприємством "ДПІ" Луганськпроект, НВО "ЕнергоАтомСпецЗахист", Державним підприємством УкрНДІ "Вуглезбагачення" (м. Луганськ) і знайшли реалізацію в їхніх розробках;

- оригінальних схемних рішень опалювально-вентиляційних установок із використанням струминної техніки, які мають поліпшені економічні характеристики (патенти України №№ 15180, 19627, 17423);

- оригінальних конструкцій струминних і вихрових пристрої вентиляційних установок з поліпшеними аеродинамічними характеристиками (патенти України №№ 16663, 19626);

- методу визначення оптимальних законів зміни параметрів повітря ОВС, встановленні зони їхнього раціонального використання;

- пакету прикладних програм "VORTEX" розрахунку геометричних параметрів вихрових пристроїв у ОВС;

- на підставі порівняння параметрів надійності та довговічності ОВС з струминними пристроями із існуючими обґрунтовано економічну ефективність використання струминних пристроїв.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень впроваджені на промислових, теплозабезпечуючих підприємствах:

- при реконструкції ОВС промислових і складських приміщень ВАТ "Технокомплект", ВАТ завод гірнорятувальної техніки "Горизонт", ХК "Луганськтепловіз", (м. Луганськ), ПП "Екопроект" (м. Львів), ТОВ "Євроекспрес" (м. Київ);

- при реконструкції вентиляційних систем теплозабезпечуючих підприємств ОКП "Луганськтепло", ЛГКП "Теплокомуненерго" (м. Луганськ і Луганська область).

Результати дисертаційного дослідження використовуються у навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 092108 "Теплогазопостачання і вентиляція" в курсі лекцій та лабораторних робіт "Вентиляція і кондиціювання повітря", "Опалення", спеціальності 080302 "Гідроаеродинаміка" в курсі лекцій та лабораторних робіт "Промислова вентиляція", "Аеродинаміка вентиляційних систем".

Результати роботи були використані при розробці Державного стандарту України "Опалення, вентиляція, кондиціювання повітря та енергозбереження", що підтверджуються відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача.

Всі наукові результати, які представлені в дисертації, отримані здобувачем особисто, а саме:

- проведення аналізу сучасних методів розрахунку та проектування ОВС;

- визначення та подальша розробка основних напрямків теоретичних досліджень, спрямованих на усунення основних недоліків в роботі ОВС;

- виконання теоретичних досліджень, обґрунтування й розробку принципових методик їх проведення;

- розробку математичних моделей і алгоритмів чисельного аналізу;

- концептуальна та технологічна постановка експериментальних досліджень разом с подальшим аналізом отриманих результатів і формулюванням відповідних висновків;

- розробка теоретичної концепції використання струминної техніки в ОВС.

Конкретний внесок автора дисертації в кожну наукову працю, яка опублікована зі співавторами, наведено на стор. 29 - 32.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертації повідомлені, обговорені та одержали схвалення на міжнародних конференціях: науково-технічних конференціях "Університет і регіон" (Луганськ, 2003-2009), науково-практичної конференції Інженерної академії України (Київ, 2007), науково-практичної конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (Луганськ, 2007), "Актуальні проблеми прикладної фізики" (Луганськ, 2007, 2009), "Актуальні питання реформування житлово-комунального господарства в Україні" (Макіївка, 2008), V Міжнародній науково - практичній конференції "Новейшие научные достижения - 2009" (Дніпропетровськ, 2009), Міжнародній науково - практичній конференції "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" (Одеса, 2009); інтернет - конференціях: IV Міжнародній науково - практичній конференції "Новейшие научные достижения - 2008" (Прага, 2008), Міжнародній науково - практичній конференції "Научная мысль информационного века - 2009" (Варшава, 2009), V Міжнародній науково - практичній конференції "Динамика современной науки - 2009" (Софія, 2009), VI Міжнародній науково - практичній конференції "Научный прогресс на рубеже тысячелетий - 2010" (Прага, 2010), а також на науково-технічних конференціях професорсько - викладацького складу Донбаської національної академії будівництва і архітектури, Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, (м. Луганськ, 2003-2009).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 34 наукові праці, з них чотири монографії, 13 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України (шість статей одноосібно), 11 публікацій у матеріалах і тезах конференцій, одержано три патенти України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 267 найменувань на 29 сторінках, 2 додатків на 34 сторінках. Загальний обсяг дисертації 335 сторінок, у тому числі 267 сторінок основного тексту, 88 рисунків, 20 таблиць.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію щодо структури та обсягу дисертації, публікацій й апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання з напряму теми дисертації. Виконаний аналітичний огляд методів розрахунку та проектування ОВС, який показав, що одним з напрямків вирішення проблеми підвищення їхньої ефективності є удосконалювання засобів зміни параметрів внутрішнього середовища у вентильованих приміщеннях, оптимізація режимів експлуатації ОВС. Відзначається, що великий обсяг досліджень у цій сфері виконаний різними організаціями як в Україні, так і країнах зарубіжжя. Ця проблематика широко представлена в роботах вчених в галузі гідроаеродинаміки, вентиляції таких як: Г. Н. Абрамович, С. І. Аверін, А. Д. Альтшуль, М. Д. Андрійчук, В. Н. Богословський, С. П. Висоцький, С. А. Волков, Р. В. Гольштейн, В. А. Городцов, О. В. Дорошенко, М. Є. Дейч, С. С. Жуковський, О. М. Зайцев, П. Л. Зінич, І. Є. Ідельчик, В. М. Качан, В. П. Корбут, Л. Г. Лойцянський, О. В. Лук'янов, Б.Ф. Лямаєв, Ф. В. Недопьокін, І. І. Пуховий, І. Л. Повх, Л. Прандтль, Ю. К. Росковшенко, А. Н. Сканаві, В. І. Соколов, О. Б.Ступін, О. Ф.Строй, В. М.Талієв, Н. Я. Фабрикант, Т. Е. Фабер, Є. А. Штокман, І. Р. Щекин, D. Anderson, V. Narodi, V. Peytel, A. Rehten, X. Raus, С. Khaton та ін.

За результатами їхніх досліджень розроблено різні прилади систем вентиляції. Завдяки вивченню гідродинамічних особливостей течії в проточних частинах цих пристроїв та їхньому вдосконаленню, вибору конструкційних матеріалів, типів приводів, вирішена частина загальної проблеми. Але разом з тим ОВС з механічними приладами у якості пристроїв зміни витрати повітря та напрямку його руху залишаються малонадійними. При цьому слід зазначити, що методи підвищення надійності та довговічності механічних органів багато в чому суттєво вичерпані. Крім того, підвищення складності і різноманітності завдань удосконалювання режимів повітрообміну у ОВС (витрата, температура, швидкість повітря та інше), з якими не справляються механічні пристрої, приводить до необхідності розробки пристроїв оплювально - вентиляційних систем принципово нового типу. Визначальними факторами при цьому є функціональні призначення пристроїв, умови їхньої роботи та властивості робочих середовищ.

Як показує аналіз умов роботи ОВС, вони характеризуються наступними ознаками: наявність несприятливих факторів; переміщування багатофазного робочого середовища; широкий діапазон зміни температур, витрат повітря; наявність комплексу завдань удосконалювання режимів роботи.

Із числа відомих способів формування режимів роботи ОВС тільки елементи струминної і вихрової техніки здатні виконувати зазначені функції в несприятливих умовах експлуатації при високих показниках надійності й довговічності. Це обумовлюється їхніми наступними властивостями: відсутністю рухливих механічних контактуючих пар; можливістю роботи в практично необмеженому діапазоні температур, витрат робочого середовища.

До теперішнього часу накопичено певний досвід розрахунку і проектування струминних і вихрових пристроїв. У його основі лежать теоретичні й експериментальні дослідження П. Н. Андренко, В. П. Бочарова, В. В. Головіна, М. П. Данилова, Л. А. Залманзона, В. І. Соколова, І. В. Лебедєвої, Б. В. Орлова, Д. Н. Попова, А. В. Рехтен, Д. О. Сьомина, Й. Й. Беязова, Brombach H., King C.F., Savino J.M., Kechok E.G., Syred N., Wormley D.N. та ін. Внаслідок складності явищ, що відбуваються в них, закономірності течії ще не до кінця вивчені. Незважаючи на те, що прикладів практичного використання таких елементів у техніці досить багато, вони носять розрізнений характер, однак доцільність їхнього використання у ОВС не викликає сумнівів. Прогрес у цьому напрямку стримує відсутність: наукових основ математичного моделювання аеродинамічних характеристик ОВС та їх складових, у яких зміна характеристик робочого середовища здійснюється елементами струминної і вихрової техніки; відпрацьованих конструкцій струминних пристроїв для умов роботи в системах вентиляції.

Виконаний аналіз систем утворення режимів роботи у ОВС за допомогою крупно габаритних струминних елементів показав відсутність обґрунтованих методик вибору законів зміни динамічних характеристик, їхнього впливу на економічність і надійність роботи ОВС, необхідність оптимізації техніко-економічних характеристик.

У другому розділі дисертації викладено методологічні основи математичного моделювання ОВС.

У загальному випадку система вентиляції представлялася моделлю із входом (зовнішні збурювання x₁, x₂, ..., х_n) і виходом (витратою повітря, його температурою й т.д.).

Модель вентиляційного процесу є детермінованою і перебуває в стані "спокою" (у сталому режимі) до моменту часу t_o.

Для опису динамічної моделі недостатньо мати тільки функціональні залежності. Ця умова пояснюється тим, що процес вентиляції залежить не тільки від початкового (нульового) моменту часу t_o, але і від залежності х [t_o, t]. Для того щоб прогнозувати характер розвитку процесу повітрообміну в просторі та часі в першому наближенні, приймається гіпотеза про те, що майбутній стан параметрів при будь-якому t > t_o визначається рівнянням х [t_o, t].

Для опису динамічної моделі процесу в ОВС застосовано звичайні диференціальні рівняння, у яких мірою зміни процесу повітрообміну (або зміни температури повітря) в часі служить похідна вектора стану процесу Z (t)

(1)

Вирішити рівняння стану можна лише при відомих початкових умовах, наприклад, якщо початковий стан даного (локального) процесу визначається заздалегідь заданою величиною

Стан процесу вентиляції пов'язаний з фіксацією інформації за інтервал t = t - t_o (де t > t_o) у вигляді сумарного показника. Із цієї причини для більш повного опису цього процесу використано рівняння, що встановлює залежність вихідних параметрів від стану цієї системи

(2)

Таким чином, повна математична модель процесів, що відбуваються у ОВС, являє собою систему із двох рівнянь (1) і (2) при заданих початкових і граничних умовах:

(3)

Очевидно, що система (3), так само, як і кожне з рівнянь (1) і (2), які складають цю систему, є нелінійними. Тому і сама модель вентиляційного процесу також нелінійна.

На підставі передумов, які викладені вище, реалізовано дві принципово нові моделі: двомірна, або "плоска" і тривимірна, або "просторова". Перехід від двомірної до тривимірної моделі й моделі більше високого порядку є природним, тому що дозволяє виявити більш складні залежності та зовнішні зв'язки.

У самому загальному виді модель опалювально - вентиляційного процесу представлена у вигляді узагальненої моделі, що складається умовно із трьох окремих, взаємозалежних і причинно-обумовлених підсистем. У дійсності модель буде більш складною, але в першому наближенні допустимо, що вентиляційний процес складається із трьох підсистем, які представлені на рис. 1.

Підсистема I - зовнішнє середовище, що визначає умови й інтенсивність розвитку та протікання процесу в часі.

Підсистема III - кінцевий результат прояву вентиляційного процесу при тому або іншому зовнішньому впливі.

Зовнішнє збурювання, що викликає зміну характеристик процесу, власне кажучи є випадкова функція, що є природним узагальненням основного поняття в класичній теорії ймовірностей - випадкової величини "х" і випадкового вектора

Х =(Х₁, Х₂, Х₃, . ., Х_n),

де Х_n (i = 1, 2, 3, . . .i) - деякі випадкові величини, розглянуті як компоненти вектора Х.

Проведений аналіз методологічних основ процесу моделювання ОВС, математичних моделей і підходів до їхньої реалізації намітив шляхи розробки адекватних математичних моделей та їхніх аеродинамічних характеристик.

Третій розділ присвячено розробці математичних моделей аеродинамічних характеристик ОВС, що враховує процеси перемішування та ін.

Процеси, що формують теплову обстановку в приміщенні, розглядалися в нерозривному зв'язку між собою, оскільки їхній взаємовплив є істотним. Особливий вплив на процес теплообміну між елементами конструкції і повітрям має рух повітряного середовища в ОВС. Тому при побудові математичної моделі нестаціонарних аеродинамічних характеристик системи виконано спільний розгляд процесів теплообміну і руху повітряного середовища в приміщенні.

Робоче середовище ОВС є суцільним, що задовольняє гіпотезам лінійності, однорідності й ізотропності, на підставі яких встановлено лінійний зв'язок між компонентами тензорів напруги швидкостей деформацій .

Для в'язкої рідини, яка є робочим середовищем ОВС, будь-які явища, що задовольняють згаданому допущенню, однозначно описуються за допомогою замкнутої системи диференціальних рівнянь і крайових умов. Ця система звичайно включає (для однофазного середовища): рівняння руху, рівняння нерозривності, рівняння теплопереносу, рівняння енергії, рівняння стану.

Для замикання системи рівнянь використані додаткові відомості про властивості та фізичні закономірності розглянутої конкретної задачі з урахуванням прийнятих допущень.

Це рівняння:

(4)

. (5)

(для робочого середовища систем вентиляції

di = c_pdТ;

q_v= q_v(x_і, t).

У цих рівняннях :

- теплопровідність і динамічна в'язкості середовища;

- температура і статичний тиск;

i, c_р - ентальпія і теплоємність середовища;

q_v - щільність розподілу джерел тепла в одиниці об'єму.

Для неізотермічних потоків у приміщенні, які пов'язані з роботою інженерних систем, найчастіше єдиною масовою силою є гравітаційна (архимедова) сила

F = q_v Т, (6)

де:

Т - надлишкова температура;

- коефіцієнт теплового об'ємного розширення середовища;

Крайові умови включають початкові і граничні. Для нестаціонарних процесів у в'язкій рідини завдання початкових і граничних умов для швидкості середовища не викликає принципових труднощів. Вони виникають при завданні температурних граничних умов, тобто температури на поверхнях стінок об'єкта вентиляції і опалення T_с(x_іс, t), що обмежують течію рідини у будь-який момент часу t t₀.

Розподіл температури T_c по поверхні та характер її зміни протягом часу в процесі нестаціонарного теплообміну між потоком і конструкцією, яка обмежує вентиляційною систему (тілом, стінками) залежать не тільки від гідродинаміки і теплофізичних властивостей потоку, але й від розмірів, конфігурації і теплофізичних властивостей цієї конструкції. Однак якщо всі крайові умови, у тому числі й залежність T_c = T_c(x_іс, t), задані, то задача однозначно визначена. Її рішення визначає поля всіх параметрів у потоці, як функції координат і часу. Стінки приміщень (їхні розміри, конфігурація, теплофізичні властивості, інтенсивність і розподіл джерел тепла) впливають на теплообмін з потоком, безпосередньо впливаючи тільки на граничні умови.

Тому завдання температурної граничної умови у вигляді відомої функції замінимо введенням у систему рівняння теплопровідності для стінки приміщення (при постійному значенні коефіцієнта теплопровідності стінок _с = const)

, (7)

де a_с = _с /с_сc_с - коефіцієнт температуропровідності.

При використанні будь якої гіпотези турбулентності визначення додаткових турбулентних напруг і турбулентного теплового потоку побудовано на підставі включення в розгляд коефіцієнта ефективної в'язкості

м_eff = м + м_f (8)

і коефіцієнта ефективної теплопровідності

л_eff = л + л_f, (9)

де м_f, л_f - турбулентна в'язкості та теплопровідність.

На підставі вищевикладеного і беручи до уваги рівняння (4 - 9), запропонована наступна математична модель для опису нестаціонарних аеродинамічних процесів у ОВС. Граничні і початкові умови визначаються для кожної конкретної задачі

(10)

,

де:

- вектор швидкості, а u_i - його компонента на вісь х_i;

i, j - індекси, по яких іде підсумовування при їхньому повторенні

(i, j = 1, 2, 3);

- щільність теплового потоку через одиницю поверхні в одиницю часу.

Огляд переваг і недоліків різних моделей турбулентності, який було виконано у дисертаційній роботі, дозволив рекомендувати для розрахунку аеродинамічних характеристик процесів у ОВС алгебраїчну модель турбулентності, що складається в обчисленні турбулентної в'язкості по формулі Прандтля для довжини шляху змішання. Передбачуваний турбулентний тепловий потік можна оцінювати, якщо вважати турбулентне число Прандтля дорівняним 0,9. Ця математична модель турбулентності має чотири емпіричні константи, які визначаються залежно від конкретних умов роботи системи вентиляції.

І хоча алгебраїчна модель, що рекомендується до використання, не є єдиною, виконане порівняння моделей для турбулентних потоків повітря з теплообміном показало, що жодна з них не дає кращих результатів, ніж модель довжини шляху змішання.

При розробці математичної моделі аеродинамічних характеристик процесів вентиляції і повітряного опалення враховувалися процеси перемішування робочого середовища, які обумовлені типом вентиляційного процесу.

Залежно від вигляду функції розподілу все різноманіття математичних моделей потоків, що виникають у ОВС, показано у вигляді деяких спрощених моделей (таблиця 1).



Таблиця 1

Спрощені моделі процесів перемішування в ОВС

Найменування моделі	Математичний опис
Ідеальне витиснення
Ідеальне змішування
Дифузійні моделі витиснення: а) однопараметрична б) двохпараметрична
Клітинна модель

У цих залежностях:

- час;

k - кратність повітрообміну.

Моделям ідеального витиснення, у першому наближенні, відповідають процеси, що відбуваються в системах витисняючої вентиляції. Прикладом такої системи можуть бути вентиляційні системи аудиторій, театрів, концертних і виставочних залів, тощо. Дифузійні моделі - це моделі витиснення, що ускладнені зворотним перемішуванням, яке випливає із формального закону дифузії. Параметром, що характеризує модель, є коефіцієнт турбулентної дифузії або коефіцієнт поздовжнього перемішування D_L. Це системи промислових цехів, тобто приміщень у яких маються надлишки явного тепла.

В основі клітинної моделі лежить припущення про ідеальне перемішування в межах шарів, які розташовані послідовно, і відсутності перемішування між ними. Параметром, що характеризує модель, є число клітинок m. Байпасні та циркуляційні потоки, а також процеси при наявності застійних зон описуються комбінованими моделями.

При побудові комбінованої моделі приймалося, що вентильоване (або опалювальне) приміщення складалася з окремих зон, поєднаних послідовно або паралельно, у яких спостерігаються різні структури потоків: зона поршневого потоку (ідеального витиснення), зона потоку з ідеальним перемішуванням, зона з поздовжнім перемішуванням, застійна зона. Таку модель можна розглядати для приміщення любого призначення з декількома припущеннями.

Одній з проблем теплообміну у приміщенні, що вентилюється, є гідродинамічні нестійкості, що виникають в системі, з яких основну роль грає нестійкість Релея-Тейлора. Не дивлячись на складність строгого аналізу течій, що виникають при розвитку процесу проникнення важкої речовини (холодного повітря) в легку (теплового повітря) під дією зовнішнього поля, з результатів експериментів і гідродинамічних розрахунків виходить, що при розвитку нестійкостей у кожному конкретному випадку існують стійкі утворення, які пов'язані з початковими умовами на поверхні розділу двох середовищ і що мають істотно різні просторові і тимчасові характерні масштаби зміни.

Визначено, що використання витисняючої вентиляції пов'язане якраз із стійкістю течії газу по відношенню до малих збурень. На підставі р-теореми з використанням доповнення Хантлі запропонований критерій, що визначає межу раціонального вживання такого типа вентиляції

(11)

де:

S, П, V_п - відповідно площа, периметр і об'єм вентильованого приміщення.

Перевірка отриманого критерію на існуючих системах витисняючої вентиляції підтвердила правильність його використання.

Таким чином, розроблена математична модель аеродинамічних характеристик процесу вентиляції і повітряного опалення, що враховує ряд параметрів, які не були враховані в раніш розроблених моделях, які наведені в літературі.

Як було сказано раніше для широкого використання струминних і вихрових пристроїв зміни витрати і температури повітря в ОВС необхідно було розробити математичні моделі аеродинамічних характеристик процесів, що протікають у них, визначити їх статичні і динамічні характеристики.

У роботі розроблено математичну модель течії у вихровому і струминному елементах складних вентиляційних систем (рис.2).

Базовими при складанні математичної моделі вихрового пристрою є рівняння: Рейнольдса для усередненого турбулентного потоку; узагальненого реологічного закону Ньютона для усередненого тензора напруг, узагальненої гіпотези Буссинеска для турбулентних напруг.

Разом із рівнянням нерозривності для нестисливої рідини, що відповідають граничним та початковим умовам, вони становлять узагальнену математичну модель течії у вихровому пристрої.

(12)

де:

K - кінетична енергія турбулентності;

G - швидкість генерації турбулентності;

- швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності;

C - емпірична константа турбулентності;

p - тиск повітря у вихровому пристрої.

Граничні умови полягають у непроникності стінок і заданому розподілі тиску в початковому перетині.

При виборі методу чисельного вирішення математичної моделі велика увага приділена вибору сітки, що визначена на підставі рішення рівняння Лапласа для цього завдання. Відповідно до визначеного алгоритму в середовищі пакету прикладних програм MATLAB for Windows, побудовано програмне забезпечення для чисельного моделювання аеродинамічних характеристик турбулентної течії повітря у вихрових пристроях ОВС. За допомогою його використання визначені основні робочі та експлуатаційні характеристики, які необхідні для проектування проточної частини цих пристроїв. Отримана математична модель розрахунку аеродинамічних характеристик не має апробації при розрахунку вихрових пристроїв ОВС. Тому важливим етапом досліджень є визначення її адекватності.

На основі проведеного огляду (розділ 1) можна зробити висновок, що для ОВС, враховуючи вимоги до процесу зміни витрати повітря та його температури, характеристики струминних елементів, рекомендується використовувати пропорційні активні елементи з взаємодією вільних струменів. У дисертаційній роботі розроблено математичну модель аеродинамічних характеристик струминного пристрою. На основі рівнянь нерозривності потоку, зміни кількості руху, рівняння Бернуллі, які були віднесені до втрат питомої енергії швидкісного тиску, отримано залежність для визначення коефіцієнта аеродинамічного опору пристрою

(13)

де:

- співвідношення масових витрат на вході і виході в струминний пристрій;

- кут між основним потоком і потоком управління;

b = b / B

- відношення ширини каналу управління і основного каналу.

В систему входять величини, що вимагають експериментального визначення.

Тому в наступному розділі виконано проведення експериментів з метою, як визначення адекватності математичної моделі й її невідомих величин, так і розробки спрощеної (апроксимаційної) моделі розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору.

В якості критерію моделювання використано критерій Рейнольдса. Слід відзначити, що попередні експерименти у діапазоні чисел Re від 70000 до 170000 (цей діапазон характерний для промислових вентиляційних систем) показали незалежність коефіцієнту опору від числа Re.

Вибір методу чисельного вирішення математичної моделі аеродинамічних процесів в ОВС, алгоритми та програми розрахунку математичних моделей, визначення їхньої адекватності наведені у четвертому розділі.

Математична модель розглянутого процесу являє собою нелінійні диференціальні рівняння в частинних похідних. Точного рішення цього рівняння у загальному випадку не існує. Тому для одержання значень витрат і температур газового потоку використано чисельні методи інтегрування диференціальних рівнянь.

В якості чисельного методу був обраний метод контрольного об'єму, основна ідея якого піддається прямій фізичній інтерпретації. Розрахункову область (об'єм усередині приміщення) розбивають на деяке число непересічних контрольних об'ємів таким чином, що кожна вузлова точка утримується в одному контрольному об'ємі. Диференціальне рівняння інтегрують по кожному контрольному об'єму. Для обчислення інтегралів використовують кусочні профілі, які описують зміни температури та витрат між вузловими точками. У результаті знаходять дискретний аналог диференціального рівняння, в який входять значення функції в деяких вузлових точках.

Отриманий подібним чином дискретний аналог виражає закон збереження маси та енергії для кінцевого контрольного об'єму точно так само, як диференціальне рівняння виражає закон збереження для нескінченно малого контрольного об'єму. Одним з важливих властивостей методу контрольного об'єму є те, що в ньому закладене точне інтегральне збереження таких величин, як маса, кількість руху, енергії на будь-якій групі контрольних об'ємів та, отже, на всій розрахунковій області. Ця властивість проявляється при будь-якому числі вузлових точок, а не тільки в граничному випадку дуже великого їхнього числа. Таким чином, навіть рішення на грубій сітці задовольняє точним інтегральним балансам.

Метод контрольного об'єму був адаптований до умов завдання, що розв'язується, розроблено алгоритм, який реалізовано у пакеті прикладних програм MATLAB for Windows.

Для перевірки адекватності отриманих математичних моделей ОВС були проведені експериментальні дослідження, деякі результати яких приведені на рис.3,4.

Перевірка адекватності й апробація математичної моделі аеродинамічного процесу виконана розрахунком розподілу температури і течії газу у виробничому приміщенні (рис. 3) з використанням системи рівнянь (4 -10) і обраної гіпотези турбулентності. Там же було виконано вимірювання температури повітря.

Лінії струму вентиляційного потоку та розподіл температури повітря по перетині через певні інтервали часу наведені на рис.4.

Виконано також розрахунки характеристик потоку (температури і швидкості повітря) в середині приміщення, де використана витисняюча вентиляція.

Результати моделювання приведені на рис. 5, 6.

Подальші випробування підтвердили результати розрахунків.

Наведена математична модель дозволила також розрахувати динаміку зміни температури внутрішнього повітря при зміні температури стінок. Ці дані були використані для визначення реакції об'єкта (приміщення) на сигнал збурювання (температуру навколишнього середовища), на підставі яких при лінеаризації математичної моделі була отримана передатна функція, яка дозволяє обрати оптимальний закон зміни режимів та параметрів робочого середовища.

При розрахунках приймалася стрибкоподібна зміна температури на вході в приміщення, теплопередачею через стінки приміщення зневажали. Такий підхід є типовим при дослідженні динаміки об'єктів і, крім того, зміна температури повітря на вході набагато менш інерційна, чим зміна температури стінок.

Порівняння отриманого температурного розподілу течії повітря з експериментальними (рис. 7), показало якісний збіг результатів, кількісний збіг результатів досягався при певному виборі характерного розміру, що говорить про необхідність обліку в математичній моделі аеродинамічних характеристик такого явища, як перемішування газу в процесі теплообміну.

На рис. 8 показані ізотерми в приміщенні при стрибкоподібній зміні температури зовнішнього повітря від 25^оС до 0^оС при початковій температурі в приміщенні 25^оС.

Перемішування при умовах відсутності визначального потоку, що створюється вентиляційною системою, приводить до виникнення вертикальних струменів, які обумовлені Релєєвською нестійкістю за рахунок різниці щільності гарячого і холодного повітря. В цьому випадку для отримання адекватної математичної моделі за характерний розмір необхідно приймати відстань між виниклими струменями.

Критерієм адекватності, як у першому, так і в другому випадку, служив критерій Фішера. Його значення виявлялося нижче табличного при довірчій імовірності 0,95, що дозволило покласти модель в основу подальших досліджень.

П'ятий розділ присвячений експериментальному дослідженню ОВС, в яких використовуються вихрові і струминні пристрої.

Спроектовано та виготовлено стенди, обрана контрольно-вимірювальна апаратура, що дозволяє з достатнім ступенем точності вимірювати вхідні та вихідні параметри, а також здійснювати різного роду й інтенсивності вхідні сигнали при динамічних випробуваннях.

В експериментах використано комп'ютерний комплекс для виміру нестаціонарного тиску, що включає датчик, аналогово-цифровий перетворювач, ЕОМ з відповідним програмним забезпеченням.

Для розробки спрощеної моделі робочого процесу вихрового пристрою було проведено планування експерименту.

В якості варійованих параметрів вибрані: відносна висота камери , відносна площа сопла живлення , відносна площа виходу і відносний діаметр камери , які повністю визначають ефективність роботи вихрового приладу.

Результат апроксимації залежності К_р от S_п

. (14)

Робота вихрового пристрою заснована на взаємодії кількості руху основного потоку і тангенціального потоку управління. Тому, коефіцієнт посилення по витраті є важливішим параметром для розрахунку характеристик вихрового пристрою в системі вентиляції.

Рівняння регресії для коефіцієнта посилення по витраті

. (15)

Оцінка адекватності математичних моделей виконувалася, як при статичних, так і при динамічних випробуваннях за допомогою критерію Фішера і показала їхню адекватність при довірчій імовірності 0,95.

Статичні і динамічні характеристики вихрового пристрою (коефіцієнт підсилення та постійна часу), які оптимізовано за допомогою додаткових експериментів з використанням ортогонального планування, показали, що застосування їх у ОВС є перспективним. З цією метою розроблено ряд оригінальних схем опалювально-вентиляційних систем.

На основі аналізу отриманих залежностей була розроблена методика розрахунку геометричних параметрів вихрових пристроїв у ОВС та пакет прикладних програм "VORTEX". Використовуючи приведену методику, були розроблені і випробувані конструкції вихрових пристроїв з покращеними аеродинамічними характеристиками. Конструкції захищені патентом України №16663.

В роботі розглянуто також використання струминних пристроїв для зміни витрати повітря в системах вентиляції. З цією метою розроблена математична модель аеродинамічних характеристик струминного пристрою, в основі якої лежить принцип взаємодії турбулентних струменів. Модель включає рівняння: енергії, збереження маси, кількості руху.

На відміну від наявних математичних моделей, в ній враховані коефіцієнти кінетичної енергії кількості руху взаємодіючих струменів, що дозволило істотно уточнити результати розрахунку. Для практичного використання розроблена спрощена математична модель залежності коефіцієнту опору від геометричних параметрів струминного пристрою.

Для розробки спрощеної моделі робочого процесу було також проведено планування експерименту.

Для вентиляційних систем, в яких планується використання струминних пристроїв з метою зміни продуктивності вентилятора, визначальними параметрами є величина відкриття дроселя опору S = S_др /S_max і кут и між основним потоком і потоком керування.

Співвідношення площ основного потоку і потоку керування вибране рівним 9, виходячи з умов експлуатації вентиляційної системи.

Отримано рівняння регресії для коефіцієнта опору струминного приладу

= 2,0 +1,022 S + 1,42 и + 0,053 S ² + 0,035 и ² + 0,803 S и (16)

При цьому коефіцієнт кореляції склав 0,99, що говорить про адекватність моделі апроксимації. На рис. 12 ця залежність представлена графічно.

Експерименти проводилися на спеціально спроектованій і виготовленій установці. Контрольно-вимірювальна апаратура дозволяла вимірювати аеродинамічні параметри (тиски і витрати у відповідних каналах) з погрішністю менше 3%.

Отримана апроксимаційна модель дозволила знайти оптимальні геометричні розміри струминних пристроїв з поліпшеними аеродинамічними характеристикам (меншим гідравлічним опором і підвищеною стабільністю), які при використані у системах вентиляції підвищують їхню ефективність (Патент України № 7919, 7920, 19626).

Шостий розділ присвячено дослідженню впливу способів і законів зміни температури робочого середовища, параметрів настроювання різних пристроїв на техніко - економічні характеристики ОВС, визначення надійності та довговічності ОВС із струминними пристроями.

У роботі досліджено байпасний спосіб утворення різних режимів роботи опалювально-вентиляційних систем, який полягає в тому, що частина повітря після вентилятора скидається на його вхід через байпасний канал, у якому встановлений дросель. Це, в загальному випадку, зменшує економічність процесу вентиляції. Усунути цей недолік можливо використанням ежектора, активним потоком у якому є байпасна витрата, а пасивним - повітря, що надходить на вхід у вентилятор.

Кожний спосіб зміни параметрів вентиляційного повітря має свої переваги і недоліки. Байпасний спосіб використовується для зміни продуктивності відцентрових насосів, однак у літературі й інженерній практиці відсутні відомості про його застосування в ОВС, хоча простота його здійснення, глибина діапазону зміни витрати і температури повітря, надійність можуть у ряді випадків виявитися вирішальними при створенні систем формування параметрів робочого середовища приміщень.

Причиною того, що байпасний спосіб зміни продуктивності вентилятора у ОВС використовується порівняно рідко, як показали наші дослідження, є невизначеність економічності цього способу, що залежить від характеристик вентилятора, мережі, положення робочої точки та ін. Тому в роботі вирішена задача визначення економічності байпасного способу зміни продуктивності вентиляторної установки, раціональної області його застосування.

Для оцінки ефективності цього засобу в системі координат витрата - тиск використані наступні характеристики:

- характеристика вентилятора P_v(Q);

- характеристика байпасної лінії P_б(Q);

- характеристика мережі P_c(Q), під якою розуміємо еквівалентну характеристику системи і байпасної лінії.

Припускаючи ККД вентилятора постійним у діапазоні зміни параметрів робочого середовища, можна стверджувати, що байпасний засіб має ефективність, якщо потужність, яка віддається мережі вентилятором, зменшиться при відкритті байпасної лінії, тобто

або (17)

Підкреслимо, що тут Q', Q'' - витрати вентилятора до та після включення байпасної лінії.

Звідки одержано

(18)

Критерій (18) дозволяє сформулювати умови ефективності байпасного способу удосконалювання режимів роботи опалювально-вентиляційних систем наступним чином.

Ефективність його для використання в вентиляційних системах має місце, якщо для вихідної робочої точки роботи вентилятора на мережу характеристика вентилятора задовольняє критерію

(19)

Проведені аналітичні дослідження дозволили знайти раціональну область використання байпасного способу зміни продуктивності вентиляторної установки, у якій його ефективність вище, ніж у традиційного дросельного.

Отримано граничне значення коефіцієнта швидкохідності, що визначає доцільність використання байпасного способу зміни витрати вентиляційного повітря

. (20)

Технологічна схема вентиляційної установки з ежектором на вході (патент України № 19627) дозволяє використати енергію байпасного потоку, а також підвищити ефективність цього способу удосконалювання режимів роботи ОВС.

Виконані експериментальні дослідження повністю підтвердили отримані дані.

Оптимальний закон зміни витрати вентиляційної системи обумовлюється динамічними характеристиками вентильованого приміщення.

На підставі теоретичного аналізу та проведених експериментів передатна функція опалювально-вентильованого приміщення отримана у вигляді

(21)

де:

- коефіцієнт передачі;

- час транспортного запізнювання;

Т - постійна часу, яка залежить від інертності об'єкта (вентильованого приміщення).

В роботи був досліджений вплив на економічність різних режимів роботи ОВС ряду нелінійних пристроїв (від двопозиційного до широтно-імпульсного) і лінійних (від пропорційного до пропорційно-інтегрально-диференціального). Показано, що найбільш економічний процес зміни витрати вентиляційного повітря забезпечується: з нелінійних - широтно-імпульсним пристроєм і пропорційно-інтегрально-диференційним пристроєм серед лінійних. Наведено методику визначення оптимальних настроювань пристроїв залежно від властивостей ОВС. Розглянуто також питання стабільності роботи вентилятора в мережі при різних значеннях його продуктивності. Показано, що байпасний спосіб зміни параметрів робочого середовища забезпечує потрібний режим роботи вентилятора в мережі ОВС у всьому діапазоні зміни витрати повітря.

Одним із резервів підвищення економічності систем вентиляції є мало використовуваний в цей час кількісний спосіб зміни параметрів вентиляційного повітря. Причинами недостатнього поширення його можна вважати відсутність розробок на всіх етапах, починаючи від наукових досліджень, конструювання устаткування й приладів і кінчаючи промисловим впровадженням.

На основі проведених досліджень було запропоновано принципові технологічні схеми використання вихрових і струминних пристроїв в ОВС. Приклади використання приладів наведені на рис. 13.

...