АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ
Транскрипт
1 0 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ) Кафедра теплогазоснабжения Кафедра отопления и вентиляции АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Вентиляция» для студентов направления подготовки «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция» Нижний Новгород ННГАСУ 015
3 УДК : : АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ Учебно-методическое пособие к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Вентиляция» для студентов направления подготовки «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция». Нижний Новгород, издание типографии «Деловая Полиграфия», 015, С. 5. В учебно-методическом пособии приведены теоретические сведения и практические рекомендации, необходимые для проведения аэродинамического расчета механических и гравитационных систем вентиляции в процессе курсового и дипломного проектирования. Рис., табл. 4, библиогр. назв. 5. Составители: Кочев А.Г., Сергиенко А.С. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ)
4 3 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение Основные теоретические сведения Цели и задачи аэродинамического расчета Последовательность аэродинамического расчета систем вентиляции с механическим побуждением движения воздуха Аэродинамический расчет вытяжных систем вентиляции с естественным побуждением движения воздуха… 3 Библиографический список… 5
5 4 АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ВВЕДЕНИЕ Аэродинамика раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие при взаимодействии потока воздуха с поверхностью тел. Вопросы, связанные с вентиляцией, объединяются термином промышленная аэродинамика. Из-за большой сложности аэродинамических явлений, в частности турбулентного движения, в решении практических задач преобладает эмпирический подход. Инженерные методы, применяемые для аэродинамических расчетов, достаточно просты и надежны. 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Аэродинамический расчет воздуховодов обычно производится к определению размеров их поперечного сечения, а также потерь давления на отдельных участках и в системе в целом. Это прямая задача. Возможна и обратная задача определить расходы воздуха при заданных размерах воздуховодов и известном перепаде давления в системе. При аэродинамическом расчете воздуховодов систем вентиляции можно пренебречь сжимаемостью перемещаемого воздуха, так как максимально возможное изменение давление в системе меньше 5 % атмосферного. По этой же причине принято пользоваться значениями избыточных давлений, принимая за условный нуль атмосферное давление на уровне системы. Одна из особенностей вентиляционных систем наличие участков, где избыточное давление меньше нуля. При движении воздуха по воздуховоду в любом поперечном сечении потока различают три вида давления: статическое, динамическое и полное.
7 6 Рис. 1. Отрезок воздуховода длиной l и диаметром d (v скорость движения воздуха) Если обозначить касательное напряжение у поверхности стенки, возникающее при движении воздуха, τ о, то силу сопротивления можно определить так: τ о l П. Следовательно, для установившегося движения (Р1 Р) f = τо l П, (3) отсюда (Р = 1 τо Р ) f. (4) l П Известно, что касательное напряжение пропорционально динамическому давлению перемещающейся среды τ о ρ v = ψ, (5) где ψ коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения к формуле Вейсбаха. Сопоставляя выражения (4) и (5), получим формулу Весбаха, широко применяемую в гидравлике
9 8 формула, предложенная А.Д.Альтшулем, применяемая для области турбулентного движения потока λ 0,5 68 Кэ тр = 0,11 +. (11) Re Для области ламинарного течения справедлива формула Блазиуса 0,3164 Re d λ тр = 0,5. (1) Таблица 1 Абсолютная эквивалентная шероховатость К э материалов, применяемых для изготовления воздуховодов Материал К э, мм Материал К э, мм Листовая сталь 0,1 Шлакоалебастровые плиты 1 Винипласт 0,1 Шлакобетонные плиты 1,5 Асбестоцементные плиты или трубы 0,11 Кирпич 4 Фанера 0,1 Штукатурка (по металлической сетке) 10 Формула (11) универсальна и дает достоверные результаты для всех областей турбулентного режима движения. Единицы измерения К э и d в формуле (11) принимают одинаковыми. При инженерных расчетах потери давления на трение Р тр, Па, в воздуховоде длиной l, м, принято определять по выражению Р тр = R l, (13) где R потери давления на 1 м длины воздуховода, Па/м. Значения R, Па/м, приведены в табличной форме в методических указаниях [5] и справочниках [, 3]. Значения R, Па/м, приведены для круглых металлических воздуховодов при атмосферном давлении 98 кпа (1 атмосфера) и температуре воздуха 0 о С.
11 10 Таблица Поправочные коэффициенты β ш на потери давления на трение, учитывающие шероховатость материала воздуховодов К э β ш при К э, мм β ш при К э, мм v, м/с v, м/с 1 1, , , 1,04 1,06 1,15 1,31 6, 1,45 1,58 1,99,49 0,4 1,08 1,11 1,5 1,48 6,4 1,45 1,59,5 0,6 1,11 1,16 1,33 1,6 6,6 1,46 1,6,01,51 0,8 1,13 1,19 1,4 1,69 6,8 1,47 1,6,0,5 1 1,16 1,3 1,46 1,77 7 1,47 1,61,03,54 1, 1,18 1,5 1,5 1,84 7, 1,48 1,6,04,55 1,4 1, 1,8 1,55 1,95 7,4 1,48 1,6,04,56 1,6 1, 1,31 1,58 1,95 7,6 1,48 1,63,05,57 1,8 1,4 1,33 1,6 7,8 1,49 1,63,05,57 1,5 1,35 1,65,04 8 1,49 1,64,06,58, 1,7 1,37 1,68,08 8, 1,5 1,64,07,59,4 1,8 1,38 1,7,11 8,4 1,5 1,64,07,6,6 1,9 1,4 1,73,14 8,6 1,5 1,65,08,61,8 1,31 1,4 1,75,17 8,8 1,51 1,65,09,6 3 1,3 1,43 1,77, 9 1,51 1,66,1,6 3, 1,33 1,44 1,79,3 9, 1,5 1,66,1,63 3,4 1,34 1,46 1,81,5 9,4 1,5 1,67,11,64 3,6 1,35 1,47 1,83,8 9,6 1,5 1,67,11,65 3,8 1,36 1,47 1,85,3 9,8 1,53 1,68,1,65 4 1,37 1,49 1,86,3 10 1,53 1,68,1,66 4, 1,38 1,5 1,87,34 10,5 1,54 1,69,14,67 4,3 1,39 1,51 1,89, ,54 1,7,15,69 4,6 1,4 1,5 1,9,37 11,5 1,55 1,7,16,71 4,8 1,4 1,53 1,9,39 1 1,56 1,71,17,7 5 1,41 1,54 1,93,41 1,5 1,56 1,7,18,73 5, 1,4 1,55 1,94,4 13 1,57 1,73,19,74 5,4 1,43 1,56 1,95,44 13,5 1,57 1,73,,75 5,6 1,43 1,56 1,96, ,58 1,74,,76 5,8 1,44 1,57 1,97,46 14,5 1,58 1,74,1,77 6 1,44 1,58 1,98, ,59 1,75,,78
13 1 или a b =, (0) π (a + b) 5 dl d a b a + b L = 1,65. (1) Чтобы найти значение R пр по таблице или по номограмме, составленной для круглых воздуховодов, необходимо определить R при d L и L (фактическом расходе в прямоугольном воздуховоде) не принимая во внимание фактическую скорость воздуха. В некоторых руководствах по аэродинамическому расчету воздуховодов применяется диаметр, эквивалентный по площади поперечного сечения d f. Значение d f определяется из условия равенства площадей сечения а b=π d f /4 d f a b =. () π Значение R пр в этом случае определяют по формуле R пр = R m, (3) где R табличное значение, принятое при d f и v или L (по фактическим скорости или расходу); m коэффициент учета формы воздуховода, определяемый по дополнительной таблице или графику. Потери давления в местных сопротивлениях. В местах поворота воздуховода, при делении и слиянии потоков в тройниках, при изменении размеров воздуховода (расширение в диффузоре, сужение в конфузоре), при входе в воздуховод или канал и выходе из них, а также в местах установки регулирующих устройств (дросселей, шиберов, диафрагм) наблюдается падение давления в потоке перемещающегося воздуха. В указанных местах происходит перестройка полей скоростей воз-
15 14 расходом (в тройнике). В таблицах коэффициентов местных сопротивлений указывается, к какой скорости относится ζ. Потери давления в местных сопротивлениях участка, обозначаемые Z, Па, равны Z = Σς, (5) где Σζ сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; Р д динамическое давление, Па, определяемое по формуле (1). Значения коэффициентов местных сопротивлений для некоторых фасонных частей воздуховодов приведены в [5]. Уточненные значения приведенных коэффициентов местных сопротивлений, а также величины других коэффициентов местных сопротивлений рекомендуется принимать согласно данным главы [] или главы 1 [3]. Общие потери давления Р уч, Па, на участке воздуховода длиной l, м, при наличии местных сопротивлений Р Р д = R β l Z, (6) уч ш + где R β ш потери давления на 1 м длины воздуховода, Па/м; Z потери давления в местных сопротивлениях участка, Па. Для воздуховодов из листовой стали или винипласта (см. таблицу 1, К э =0,1 мм, β ш =1,0) формула (6) приобретает вид: Р уч = R l + Z. (7). ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА Аэродинамический расчет систем вентиляции выполняют после расчета воздухообмена, а также решения трассировки воздуховодов и каналов. Для проведения аэродинамического расчета вычерчивают ак-
17 16 3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПОБУЖДЕНИЕМ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА Аэродинамический расчет вентиляционной системы, состоящий из двух этапов: расчета участков основного направления магистрали и увязки всех остальных участков системы, проводится в такой последовательности. 1. Определение нагрузки отдельных расчетных участков. Систему разбивают на отдельные участки и определяют расход воздуха на каждом из них. Расходы определяют суммированием расходов на отдельных ответвлениях, начиная с периферийных участков. Значения расхода и длины каждого участка наносят на аксонометрическую схему. Для этого от каждого участка воздуховода делается выноска с полкой, под которой пишется расход и длина участка (пример показан на рис. ). Над полкой оставляется свободное место, на котором после проведения аэродинамического расчета проставляется сечение или диаметр воздуховода.. Выбор основного (магистрального) направления. Выявляют наиболее протяженную цепочку последовательно расположенных расчетных участков. Фиксируют оборудование и устройства, в которых происходят потери давления: жалюзийные решетки, калориферы, фильтры и другое.
19 18 Таблица аэродинамического расчета систем вентиляции Таблица 3 участка L, м 3 /ч F, l, м м а b, мм мм d v, мм v, м/с R, Па/м Продолжение таблицы 3 β ш R βш l, Па Вид местного сопротивления и ζ Σζ Р д, Па Z, Па R βш l+z, Па Σ(R βш l+z), Па Определение размеров сечения расчетных участков магистрали. Площадь поперечного сечения расчетного участка, м, определяют по формуле L р F р =, (8) vр где L р расчетный расход воздуха на участке, м 3 /с; v р рекомендуемая скорость движения воздуха на участке, м/с, принимаемая по табл. 4.
21 0 6. Определение потерь давления на трение. По номограммам или по таблицам определяют R=f(v, d) и β ш в соответствии с ранее изложенными рекомендациями. При этом, определяя R по величинам v и d, расход воздуха в таблице или номограмме может отличаться от реального расхода на участке воздуховода. Величину R, Па/м, заносят в графу 8 таблицы 3, а значение β ш заносят в графу 9 таблицы 3. Для воздуховодов из листовой стали или винипласта (см. таблицу 1, К э =0,1 мм) значение β ш =1,0. Произведение величин l, R и β ш заносят в графу 10 таблицы Определение динамического давления. Динамическое давление воздуха Р д, Па, определяется по номограммам или таблицам, указанным в пункте 6, в зависимости от скорости v, м/с, движения воздуха. Величина Р д, Па, заносится в графу 13 таблицы Определение вида местных сопротивлений, их значений и потерь давления в них. В графе 11 таблицы 3 изображаются схематически все местные сопротивления с указанием около каждого изображения значения местного сопротивления ζ, которые определяются в соответствии с [5], главой [] или главой 1 [3]. Сумма значений коэффициентов местных сопротивлений Σζ заносится в графу 1 таблицы 3. Следует отметить, что на каждом участке следует учитывать и складывать значения только последовательно расположенных местных сопротивлений. Например, на участке 1- (см. рис. ) учитываются следующие местные сопротивления: одна решетка, два отвода, тройник на проходе; на участке 6- (см. рис. ) одна решетка, два отвода, тройник на повороте; на участке −3 (см. рис. ) тройник на проходе. Поскольку, например, на участке 1- (см. рис. ) три вытяжные решетки распо-
23 n п = i= 1 Р (R + l + Z) i Σ Pоб. (31) При расчете вентиляционных систем для многоэтажных зданий или систем, обслуживающих несколько помещений, в которых поддерживается разное давление, необходимо учитывать избыточный подпор или разрежение в обслуживаемом помещении. Значение подпора или разрежения (± Р пом, Па) определяется при расчете воздушного режима здания или добавляется к общим потерям давления. Тогда n п = i= 1 Р (R β ± ш l + Z) i + Σ Pоб Рпом. (3) Для воздуховодов из листовой стали или винипласта (см. таблицу 1, К э =0,1 мм, β ш =1,0) формула (3) имеет вид n п = i= 1 Р (R ± l + Z) i + Σ Pоб Рпом. (33) 11. Увязку всех остальных участков системы производят, начиная с самых протяженных ответвлений. Методика увязки ответвлений аналогична расчету участков основного направления. Разница состоит лишь в том, что при увязке каждого ответвления известны потери в нем. Потери от точки разветвления до конца ответвления должны быть равны потерям от этой же точки до конца главной магистрали, то есть (R β ш l+z) отв =(R β ш l+z) маг. Для расчета ответвлений применяется способ последовательного подбора. Размеры сечений ответвлений считаются подобранными, если относительная невязка потерь не превышает 10 % (R β ш l + Z) (R β отв ш (R β l + Z) ш маг l + Z) маг %. (34) Для воздуховодов из листовой стали или винипласта (см. таблицу 1, К э =0,1 мм, β ш =1,0) формула (34) имеет вид
25 4 где Н i расстояние по вертикали от центра вытяжной решетки на входе в ответвление на расчетном уровне до среза вытяжной шахты, м; γ н удельный вес наружного воздуха, Н/м 3, определяемый для температуры 5 о С; γ в удельный вес внутреннего воздуха, Н/м 3, определяемый для расчетной температуры внутреннего воздуха. Удельный вес γ, Н/м 3, определяется по формуле 3463 γ =, (39) 73+ t где t температура воздуха, о С. Приведенный расчет систем естественной вентиляции начинают с самого удаленного участка. Расчет потерь давления при расчете систем вентиляции с естественным побуждением движения воздуха производится по методике, изложенной выше для механических систем, с учетом соответствующих допустимых скоростей движения воздуха (см. табл. 4). Потери давления по основному расчетному направлению должны быть меньше Р расп на величину запаса 5-10 % Р 5% расп (R β Р ш расп l + Z) сист %. (40) Для воздуховодов из листовой стали или винипласта (см. таблицу 1, К э =0,1 мм, β ш =1,0) формула (40) приобретает вид Р 5% расп (R l + Z) Р расп сист %. (41) Увязку ответвлений с основным направлением проводят с учетом разницы располагаемого давления для отдельных ответвлений, а также с учетом неизменности сечений или диаметров ранее рассчитанных участков.
27 6 Кочев Алексей Геннадьевич Сергиенко Алексей Сергеевич АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ Учебно-методическое пособие к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Вентиляция» для студентов направления подготовки «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция». Научный редактор: проф., д. т. н. Бодров В.И. Подписано к печати г., формат 60×90,1/16, Бумага офсетная, уч. изд. л. 1,4, усл. печ. л. 1,5, Тираж 00 экз., заказ 38. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ), , Нижний Новгород, Ильинская, 65. Напечатано в типографии «Деловая Полиграфия», , Нижний Новгород, Пятигорская, 9.
