Секция пылеулавливания в приточных и рециркуляционных вентиляционных системах является необходимой и существенно влияющей на выбор располагаемого давления вентилятора [1]. Очистка воздуха, как правило, производится методом фильтрации воздуха с помощью воздушных фильтров, сопротивление которых увеличивается в процессе эксплуатации и может составлять значительную часть общих потерь давления в сети. При этом производительность вентилятора снижается. Необходимо увязывать максимальное допустимое снижение производительности вентиляторов с максимальным использованием ресурса фильтра (максимальной пылеёмкостью). Наиболее существенно эти факторы проявляются при проектировании систем кондиционирования «чистых комнат», где, с одной стороны, снижение расхода производительности увязано с необходимыми перепадами давления между помещениями, а с другой стороны, используются дорогостоящие фильтры сверх высокой эффективности. В рукавных фильтрах, где основное улавливание пыли происходит на поверхности фильтрующего материала с последующей регенерацией [2], в воздушных фильтрах, применяемых в приточных и вытяжных установках, улавливание пыли происходит как на поверхности, так и в объёме фильтрующего материала и применение регенерации не производится, так как усложняется конструкция.
Основная часть
В данной статье рассматривается проблема оптимизации использования ресурса фильтра (пылеёмкости) и допустимого уменьшения расхода вентилятора. Подбор вентилятора производится с учётом сопротивления всех элементов сети, которые можно разбить две группы: условно постоянные и переменные (изменяющиеся в процессе эксплуатации). Под условно постоянными принимаются участки воздуховодов, местные сопротивления, секции нагрева и охлаждения воздуха, условными их можно назвать потому, что в практическом применении секции обработки воздуха должны быть защищены фильтрами, а шероховатость воздуховодов и местных сопротивлений меняется незначительно [3,4]. К элементам с переменным сопротивлением относятся воздушные фильтры, сопротивление которых увеличивается по мере их запыления.
В данной статье приводится графоаналитический метод выбора конечного сопротивления фильтра с учётом допустимого снижения расхода подаваемого воздуха. Если подбор вентилятора производится по индивидуальной характеристике вентилятора, то рабочая точка на характеристике вентилятора при чистых фильтрах - точка 1 на рис. 1 - определяется графически, этой точке соответствует производительность вентилятора Lпр, полное сопротивление системы ΔРпр при максимальном КПД вентилятора. Однако современное состояние теории турбомашин, к которым относятся вентиляторы, не позволяет достоверно составить аналитическое уравнение его характеристик, как правило, используются экспериментальные данные.
Условия движения воздуха по сети воздуховодов и местным сопротивлениям описываются уравнением параболы P=kL2. Пересечение параболы и аэродинамической характеристики вентилятора образует рабочую точку, которая графически определяет режим работы вентилятора.
По существующим рекомендациям конечное сопротивление фильтра не должно превышать начальное более чем в 3 раза [5]. Однако некоторые производители указывают допустимое сопротивление фильтров, превышающее начальное в 10 раз.
Целью данной статьи является анализ возможности использования допустимого сопротивления фильтра при обеспечении снижения производительности вентилятора не более определённой величины. В общем случае снижение производительности вентилятора задаётся не более 10 % от проектного расхода. Однако для общеобменной вентиляции, рассчитанной на поддержание заданной температуры в рабочей зоне, это снижение может достигать 30 %. Например, при незначительных тепловыделениях допустимый рабочий перепад температур в рабочей зоне должен составлять 3 оС, а возможное отклонение по рабочей зоне - 1 оС, в помещениях со строгим поддержанием температуры (микроклиматические камеры) допустимое отклонение по температуре может составлять 0,1 оС. В этом случае уменьшение производительности вентилятора не должно превышать 3 %.
Допустимое снижение производительности вентилятора при конечном допустимом сопротивлении фильтра Pфк определяется по графику (рис.1).
Рис.1. Графическое изображение работы вентилятора в режиме фильтрации
Условные обозначения
Lпр- проектное значение производительности вентилятора;
Lк - конечная допустимая производительность вентилятора;
ΔPсн - сопротивление сети без фильтров при проектном расходе;
ΔPск - сопротивление сети без фильтров при конечном расходе;
ΔPфн - начальное сопротивление (чистых) фильтров;
ΔPфк - конечное допустимое сопротивление (запылённых) фильтров;
ΔPпр- полное сопротивление сети с учётом начального сопротивления фильтров;
ΔPпк - полное сопротивление сети с учётом конечного сопротивления фильтров;
ΔP1 - прирост сопротивления фильтра при конечном расходе;
α = Lк /Lпр - допустимое относительное предельное уменьшение производительности вентилятора;
ΔP2=ΔPпрα2 - полное сопротивление сети с учётом начального сопротивления фильтров при расходе Lк;
k1,k2 - константы характеристик сети в начале и конце режима фильтрации.
(1)
ΔP1=ΔPфк -ΔPфн α2, отношение отрезков 
, тогда ΔPфк =mΔPфн, а
ΔP1=mΔPфн -ΔPфн α2, подставляем в (1)
(2)
или
(3)
Уравнение (3) решаем относительно 
,
(4)
Уравнение (3) решаем относительно 
,
(5)
Выражаем отношение 
с учётом этого и подстановки отношения в формулу (3),
(6)
Уравнение (6) выражаем относительно к2,
(7)
Как видно из зависимости (7), увеличение характеристики k2 зависит пропорционально отношениям ΔPфн/ ΔP2 и ΔPфк/ΔPфн
Рассмотрим пример анализа изменений сопротивления фильтра с заданным падением расхода. Исходные данные: Lпр=3000 м3/ч, ΔРпр =400 Па, выбран вентилятор ВР 86-77-4,0, фильтр ФЯК ΔPфн=50, Lк=2700м3/ч, ΔPсн=350 Па. По индивидуальному графику характеристики вентилятора определяем ΔPпк при Lк=2700м3/ч , ΔPпк=500 Па. Решаем эту задачу, подставляя в уравнение (5)
=216,5 Па
Рис. 2. Рассмотрены различные варианты режимов фильтрации в зависимости от отношений ΔPфн и ΔPсн
На рисунке 2 представлены возможные варианты изменения падения расхода вентилятора в зависимости от начального и максимально допустимого сопротивления фильтра.
Первый вариант: с начальным соотношением ΔPфн /ΔPс при запылении фильтра этой сети на предельно допустимое значение, характеристика сети переходит в точку «В» пересечения k2 с характеристикой вентилятора. При этом достигнуто максимальное допустимое сопротивление для данного фильтра, но уменьшение расхода ещё не достигло своего минимального возможной величины Lк. Это приводит к необходимости более частой замены фильтров.
Второй вариант: здесь ΔPфн΄ /ΔPс΄ >ΔPфн /ΔPс , тогда при запылении фильтра на предельно допустимое значение характеристика сети переходит в точку «С». При этом уменьшение производительности вентилятора выходит за рамки допустимого, и критерий замены фильтра будет определяться по расходу Lк. Это будет приводить к неполному использованию ресурса фильтра.
Наилучшим решением этих вариантов является подбор вентилятора, при котором предельное допустимое значение сопротивления фильтра обеспечивает допустимое снижение производительности вентилятора. Такие характеристики вентиляторы на рис.2 показаны пунктиром, а для данного вентилятора оптимальным будет такое соотношение ΔPфн΄΄ /ΔPс΄΄, при котором конец режима фильтрации соответствует точке «Z».
Заключение
- Полученная аналитическая зависимость для определения конечного сопротивления воздушного фильтра ΔPфк при заданном допустимом отклонении производительности вентилятора от проектного значения.
- Получена аналитическая зависимость константы к2 характеристики сети в конце режима фильтрации, обеспечивающие связь с допустимым отклонением производительности вентилятора от проектного значения.
Рецензенты:
- Воскресенский Владимир Евгеньевич, д.т.н., профессор каф. теории механизмов деталей машин в подъемно-транспортных устройствах ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет», г. Санкт-Петербург.
- Юрманов Борис Николаевич, д.т.н., профессор кафедры вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.