Введение

На сегодняшний день существует достаточно большое количество решений по компоновке вентиляционных установок для северных регионов. Помимо обязательных требований к корпусу самой вентиляционной установки, таких как:

  • Тепловая изоляция не менее 45 мм;
  • Элементы каркаса должны выдерживать низкие температуры;
  • Подогрев и утепление клапанов;

Также существуют специальные требования к составу секций фильтрации и нагрева вентиляционных установок, а именно:

  • Не допустимо устанавливать водяной калорифер как первую ступень нагрева при расчетных температурах ниже -35 С (так как не успевает срабатывать защита от заморозки калорифера);
  • Для регионов, где существует вероятность выпадения «ледяного тумана» (крупной ледяной взвеси), таких как: Якутия, Ханты-Мансийск, Чукотка и т.д., необходимо до фильтра ставить теплообменник без ребер, либо с редким шагом ребер;

Соответственно необходимость выполнения данных требований порождает ряд проблем связанных с необходимостью установки весьма дорогих теплообменников без ребер, стоимость которых существенно выше, чем обычных калориферов с нормальным шагом оребрения, а также необходимостью протягивания трубопроводов для перекачки гликолиевых смесей по зданию, либо установки электрических калориферов на пред-нагрев, что влечет за собой как необснованные расходы энергетических ресурсов, так и увеличение капитальных затрат.

Компания Русклимат предлагает комплексное решение для вентиляционных установок в северных регионах – «север-1», разработанное департаментом разработки новых продуктов ТПХ «Русклимат»

Система «Север-1»

Данная система состоит из базового блока нагрева, встраиваемого в вентиляционную установку (рис. 1), и клапан-фильтровального блока (рис. 2).

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 1

Рис. 1 Блок нагрева системы север-1

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 2

Рис. 2 Клапан-фильтровальный блок системы север-1

Блок нагрева представленный на рис. 1 представляет из себя контур разделения воды и гликолевой смеси расположенный внутри установки. Таким образом, пользователь подводит к установке две трубы с заданным температурным графиком от ИТП и ставит обычный узел обвязки. Ниша размещения данного контура спроектирована таким образом, чтобы не увеличивать скорость воздуха более чем в 2 — 2,5 раза. При этом обязательно предусматривается участок выравнивания потока воздуха, после данной ниши, позволяющий свободно устанавливать после блока нагрева любые другие секции, без риска частичной работы сечения последующих секций. Более подробно состав гидравлического контура представлен на рис. 3:

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 3

Рис. 3 Гидравлический контур секции нагрева

В таблице 1 приведен перечень элементов согласно рис. 3:

Таблица 1 – Перечень элементов гидравлического контура

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 4

Клапан-фильтровальный блок, представленный на рис. 2, представляет из себя секцию фильтрации, разделенную на две части, которые работают по очереди. На рис. 2 можно увидеть трубки возврата воздуха от вентилятора, которые приходят к фильтру (голубого цвета). Нагретый после нагревателя и вентилятора вент. установки воздух, под действием перепада давления между нагнетающей и всасывающей сторонами вентилятора поступает на фильтры по данным трубкам и осуществляет оттайку с последующей просушкой. Пока один фильтр просыхает, второй работает (верхний и нижний клапаны открываются и закрываются по очереди). Для обдува фильтров используется специальная перфорированная трубка, присоединяемая к трубке возврата воздуха. Принципиальная схема обдува фильтров представлена на рис. 4:

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 5

Рис. 4 Принципиальная схема обдува фильтра

В результате натурных испытаний получены результаты по средней скорости просушки фильтров 25-45 мин. с учетом времени на растоп ледяной взвеси. Данное время является приемлемым, исходя из практики засорения фильтров ледяным туманом за 35 — 40 мин. Подробно методика проведения эксперимента и обработки результатов будет изложена в следующих номерах.

Для проверки эффективности работы выравнивающего участка секций север-1 производился аэродинамический расчет двумя способами: классическим методом описанным в [1] и с использованием средств CFD-моделирования PHOENICS, для прогнозирования корректного распределения потоков воздуха, при сужениях и расширениях секции. Каждая секция в обязательном порядке тестируется на аэродинамику, перед выпуском с завода, на совпадение с расчетными характеристиками. Достоверность проведенных расчетов гарантируется:

  • Использованием фундаментальной литературы, а также многократно проверенных программных средств и методик расчета (в том числе опубликованных в изданиях рецензируемых высшей аттестационной комиссией – ВАК);
  • Проверкой расчетных показателей опытным путем.

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 6

Рис. 5 Разрез секции север-1 для установки <br />(в дальнейшем приведены примеры расчетов для секции размером W=431мм, H=1208 мм, L=953 мм)

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 7

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 8

Где:
ξм –  коэффициент местного сопротивления (принимался для сужения и расширения согласно [2])
n– количество сопротивлений;

Аэродинамический расчет с использованием программного комплекса PHOENICS:

При расчете использовалась k-ε (k – кинетическая энергия турбулентных пульсаций,  ε  — энергия диссипации) модель турбулентности описанная в [3], многократно апробированная сравнением результатов с опытными данными (в работах [4], [5]).
Данная модель использовалась в тех же условиях, в каких предполагается работа секции север-1.

При построении модели в качестве исходных данных принималось:

  • Величина создаваемого разряжения вентилятора в установке;
  • Размеры секции;
  • Падение давления в секции, для задания характеристик потока на входе: согласно расчету (1) — (9).

На рис. 6 представлены результаты CFD – моделирования для одной из установок:

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 9

(а)

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 10

Решение проблем компоновки вентиляционных установок для северных регионов - фото 11

(б)
Рис. 6 Результаты CFD-моделирования аэродинамики секции север-1 <br />а) – распределение скоростей по центральному срезу;<br />б) – распределение давлений по центральному срезу

Из рис. 6а видно, что значения скоростей по всему горизонтальному срезу установки, включая выравнивающие пазы с двух сторон от ниши гидравлического контура, примерно одинаковые, что говорит о равномерном аэродинамическом распределении, которое происходит благодаря тому, что секция работает под разряжением.

На рис. 6б показано распределение давлений по секции, из которого видно, что секция находится под разряжением, при этом разница относительного разряжения в начале и в конце секции составляет примерно 20 Па, что говорит о корректности построенной CFD – модели, так как данная разница примерно (с точностью до 30%, что является приемлемым для средств CFD – моделирования), соответствует значению сопротивления секции согласно фундаментальному расчету (1) — (9).

Таким образом, расчет, произведенный средствами CFD – моделирования, дал не совсем точную количественною, но однозначную качественную оценку поведения потока воздуха под разряжением в секции север-1. Что позволяет делать выводы, о том, что как до, так и после секции будет задействовано все сечение установки и, следовательно, теплообменников, как до, так и после секции север-1. Подобным способом проверялась достаточность длины выравнивающего участка после каждой секции.

Детальное сравнение результатов расчетов и натурных испытаний будет приведено в следующих номерах.

Заключение

  1. Создана и испытана конструкция, обеспечивающая бесперебойную работу установок для подачи свежего воздуха в помещения в условиях крайнего севера.
  2. Апробирован метод расчета аэродинамического поля секций вентиляции средствами CFD-моделирования. Данные проверены натурными испытаниями и классическими методами расчета.

Список использованной литературы

  1. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Под ред. Павлова Н.Н., Шиллера Ю.Н. Москва: изд. Строиздат, 1992 г.
  2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -  М.; Машиностроение, 1992.— 672 с.
  3. Сергиевский Э.Д., Хомченко Н.В., Овчинников Е.В. Расчет локальных параметров течения и теплообмена в каналах: изд. МЭИ, 2001 г.
  4. Сергиевский Э.Д., Арбатский А.А. Интенсификация теплообмена путем нанесения овальных лунок на теплообменную поверхность // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах (25—29 октября 2010 г, Москва). Т. 6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. — М.: Издательский дом МЭИ, 2010. — С. 141-144.
  5. Арбатский А.А., Глазов В.С., Савченкова Н.М., Сергиевский Э.Д. Моделирование течения теплоносителя в овальной лунке / Вестник МЭИ – 2015, № 5, С. 42-49.