ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2015 года по МПК F24F7/00 

В настоящее время существуют следующие способы регулирования воздушного потока в вентиляционной системе:

- ручное регулирование воздушного потока;

- автоматическое регулирование воздушного потока.

Ручное регулирование воздушного потока осуществляется с помощью различных механических систем, например, запорных устройств дроссельного типа (фиг.1), диафрагм (фиг.2), шиберов (фиг.3), распределительных решеток и анемостатов (фиг.4).

Автоматическое регулирование воздушного потока производится также с помощью механических систем, но оборудованных сервоприводом и управляемых с помощью элементов автоматики (датчики, процессоры и др.).

Основными недостатками указанных способов является в первом случае необходимость регламентного проведения настройки устройств регулирования расхода подаваемого воздуха в вентиляционной сети вручную, что вызывает увеличение инерционности вентиляционной системы, необходимость участия квалифицированных специалистов и соответствующего инструментального обеспечения, а при автоматическом регулировании появляется необходимость установки дополнительных элементов автоматики и устройств обеспечения работы автоматики, что приводит к существенному удорожанию системы и снижению ее надежности.

Таким образом, анализ недостатков перечисленных способов регулирования воздушного потока в вентиляционных системах показывает, что в одном случае возникают проблемы организационного характера, а в другом требуются дополнительные финансовые и материальные затраты.

Заявляемый способ регулирования воздушного потока в вентиляционной системе создает аэродинамические крутящие моменты, которые обеспечивают саморегулирование газовых потоков. При этом не возникает необходимости в устройствах автоматического регулирования или настройке устройств регулирования расхода воздуха вручную с привлечением специалистов, и, следовательно, исключаются дополнительные финансовые и материальные затраты.

В процессе эксплуатации вентиляционной сети возникает необходимость регулирования количества подаваемого воздуха. Принципиальная схема подачи воздуха в помещения (фиг.5) содержит: 1 - устройство для забора наружного воздкха; 2 - вентилятор; 3 - воздухораспределитель; 4 - обслуживаемое помещение; 5 - устройство регулирования подаваемого воздуха; 6 - тройник; 7 - магистральная ветвь; 8 - ответвление.

В этой схеме наладка осуществляется с помощью устройств, управление которыми производится вручную или автоматикой [1, 3, 4].

Принципиальная схема предполагаемого способа саморегулирования воздушного потока в вентиляционной системе изображена на фигурах 6, 7, 8. В схеме (фиг.6) в зависимости от величины и направления результирующего аэродинамического момента, создаваемого плоскостями пластины - 11 и крыльчатки - 12 в тройнике - 9, происходит поворот оси - 10 и закрепленного на ней сектора - 13 в ту или иную сторону относительно неподвижного сектора - 14, что приводит к изменению степени перекрытия «живого» сечения воздуховода в ответвлении магистрали, чем достигается саморегулирование расхода воздуха в ответвлении. Как правило, расход воздуха в ответвлении всегда меньше, чем в магистрали, поэтому существует возможность некоторого уменьшения диаметра ответвления или площади его свободного прохода. На фигуре 7 обозначено: 16 - пластина; 17 - крыльчатка; 18 - поворотный осесимметричный сектор; 19 - неподвижный осесимметричный сектор.

Эффект саморегулирования воздушного потока газодинамическим способом описывается следующей математической моделью.

Согласно схеме движения воздуха (см. фиг.8) на пластину в прямоточной части тройника будет воздействовать газодинамическая сила, определяемая по зависимости:

$$N_1=F_{пл}^{М}{\varphi }_1\frac{\rho \cdot {\upsilon }_1^2}{2},\left(1\right)$$

где $$F_{пл}^{М}$$ - миделево сечение пластины; φ₁ - аэродинамический коэффициент формы пластины; ρ - плотность воздуха; υ₁ - скорость движения воздушного потока в сечении данной пластины.

Площадь миделевого сечения в рассматриваемой схеме зависит от угла поворота пластины β (см. фиг.8). При увеличении угла β увеличивается $$F_{пл}^{М}$$ и соответственно увеличивается сила N₁.

Пластина - 21, помещенная в поток воздуха, под действием аэродинамической силы N₁ будет стремиться повернуться в сторону движения потока. Сила N₁ умноженная на плечо $$\frac{1}{3}l$$ где l - длина пластины, создает крутящий момент М₁, который передается на ось - 20 (см. фиг.8). Поворот жестко посаженного на ось - 10 сектора - 13 (см. фиг.6), относительно неподвижного сектора - 14, частично перекрывает «живое» сечение для прохода потока воздуха в ответвление - 15.

Аэродинамическая сила N₂ действует на крыльчатку - 12 и за счет того, что ее пластины установлены под углом к потоку и жестко посажены на ось, обеспечивает создание крутящего момента М₂. Сила N₂ определяется следующей зависимостью:

$$N_2=F_{кр}^{М}{\varphi }_2\frac{\rho \cdot {\upsilon }_2^2}{2},\left(2\right)$$

где $$F_{кр}^{М}$$ - миделево сечение пластины крыльчатки; φ₂ - аэродинамический коэффициент формы пластины крыльчатки; υ₂ - скорость движения воздушного потока в сечении крыльчатки.

Момент М₂ находится аналогично моменту М₁ и равен произведению силы N₂ на плечо 0,25D₂, где D₂ - диаметр воздуховода в сечении осесимметричного неподвижного сектора.

Совокупность моментов M₁ и М₂, направленных противоположно, дает результирующий момент, определяющий угол поворота оси - 10 и закрепленного на ней сектора - 13. В зависимости от угла поворота сектора - 13 относительно неподвижного сектора - 14 изменяется площадь сечения для прохода воздуха в ответвлении и соответственно расход воздуха. Таким образом, изменение расхода воздуха в магистральном направлении воздуховода приводит к перераспределению скоростей движения воздуха в тройнике и изменению величин моментов M₁ и М₂. В зависимости от величины и направления результирующего момента изменяется степень перекрытия «живого» сечения в ответвлении тройника, тем самым автоматически обеспечивая регулируемый расход воздуха.

При использовании газодинамического способа саморегулирования воздушного потока в вентиляционной системе за счет отсечения определенного количества воздуха в автоматическом регуляторе одновременно достигается и уменьшение оттока теплоты, содержащейся в отсекаемом воздухе. Излишнее количество тепла может быть использовано для рециркуляции или иных целей. Таким образом, происходит экономия затрат на подогрев воздуха. Кроме того, за счет саморегулирования обеспечивается постоянство расхода воздуха в ответвлении.

Степень перекрытия «живого» сечения в ответвлении составляет:

$$n=1-\left(\frac{D_2^{э}}{D_1^{э}}\right)$$ ,

где $$D_1^{э}$$ - эквивалентный диаметр воздуховода в ответвлении тройника, соответствующий площади свободного прохода воздуха в сечении неподвижного сектора - 19 при отсутствии смещения сектора - 18 (фиг.7);

$$D_1^{э}$$ - эквивалентный диаметр воздуховода в ответвлении тройника, соответствующий площади свободного прохода воздуха в сечении неподвижного сектора - 19 при повороте подвижного сектора - 18 (фиг.7) на максимальный угол.

Диапазон перекрытия проходного сечения зависит от конструктивных характеристик поворотного и неподвижного секторов и может изменяться в пределах 0 ≤ n ≤ 1. Исходя из этого можно оценить процентное содержание тепла, которое будет сэкономлено, если произойдет частичное или полное перекрытие канала ответвления тройника, а излишнее количество воздуха пойдет на рециркуляцию без дополнительного подогрева.

В зависимости от степени перекрытия «живого» сечения n диапазон сэкономленной теплоты от одного ответвления будет находиться в пределах (1-n) 100%. Очевидно, что количественная экономия расходуемого тепла за счет одного ответвления зависит от его конструктивных характеристик, в частности от $$D_1^{э}$$ и $$D_2^{э}$$ .

Экспериментальная установка, представленная на фигуре 9, успешно прошла испытания и подтвердила свою работоспособность.

Литература

1. Блюменкранц Б.А. и др. Справочник монтажника. Монтаж вентиляционных систем / под. ред. Староверова И.Г. изд.3, переработанное. - М.: Стройиздат, 1978. - 591 с.

2. Заявка на полезную модель №2010154681 от 30.12.2010 года.

3. Юрманов Б.Н. Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Л. Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976. - 216 с.

4. Давыдов Ю.С., Нефелов С.В. Техника автоматического регулирования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. М., Стройиздат, 1977, 216 с.

Изобретение относится к способам регулирования воздушных потоков в вентиляционной системе. Цель изобретения заключается в саморегулировании расхода воздуха при работе механической вентиляционной сети за счет создания крутящих аэродинамических сил и моментов в магистрали и ее ответвлениях. Эффект саморегулирования воздушного потока заключается в автоматическом поддержании постоянного расхода воздуха в ответвлении при изменении его количества в магистрали вентиляционной сети за счет регулирования площади свободного прохода воздуха в результате возникновения суммарного аэродинамического управляющего момента. При использовании газодинамического способа саморегулирования воздушного потока в вентиляционной системе за счет отсечения определенного количества воздуха в автоматическом регуляторе происходит уменьшение оттока теплоты, содержащегося в отсекаемом воздухе, которое может быть использовано для рециркуляции или иных целей. Таким образом, происходит экономия затрат на подогрев воздуха. Кроме того, за счет саморегулирования обеспечивается постоянство расхода воздуха в ответвлении. 9 ил.

Газодинамический способ саморегулирования воздушного потока в вентиляционной системе, основанный на законах газовой механики, обеспечивает постоянный расход воздуха в ответвлении воздуховода, отличающийся тем, что создается результирующий аэродинамический крутящий момент, который в зависимости от величины и направления его составляющих аэродинамических моментов М₁, осуществляемого за счет воздействия потока воздуха на пластину, установленную в прямоточной части тройника и жестко соединенную с осью, и М₂, осуществляемого за счет воздействия потока воздуха на крыльчатку, установленную в ответвлении тройника и жестко соединенную с осью, что вызывает изменение степени перекрытия проходного сечения воздуховода в ответвлении магистрали, обеспечивая автоматическое регулирование расхода воздуха в нем, уменьшение оттока теплоты, содержащейся в отсекаемом воздухе и используемой для рециркуляции, тем самым экономя затраты на его подогрев и поддерживая постоянство расхода воздуха в ответвлении, при этом степень перекрытия «живого» сечения в ответвлении составляет
$$n=1-{\left(\frac{D_3^{э}}{D_2^{э}}\right)}^2$$ ,
где $$D_2^{э}$$ - эквивалентный диаметр воздуховода в ответвлении тройника, соответствующий площади свободного прохода воздуха в сечении неподвижного сектора при отсутствии смещения подвижного сектора;
$$D_3^{э}$$ - эквивалентный диаметр воздуховода в ответвлении тройника, соответствующий площади свободного прохода воздуха в сечении неподвижного сектора при повороте подвижного сектора на максимальный угол.