Опишемо в цьому розділі основні елементи, що входять до системи управління, дамо їм технічну характеристику та математичний опис. Докладніше зупинимося на системі автоматичного регулювання температури, що розробляється припливного повітря, що проходить через калорифер. Оскільки основним продуктом підготовки є температура повітря, то рамках дипломного проекту можна знехтувати побудовою математичних моделей і моделюванням процесів циркуляції і витрати повітря. Також даним математичним обґрунтуванням функціонування САУ ПВВ можна знехтувати внаслідок особливостей архітектури приміщень – значний приплив зовнішнього непідготовленого повітря до цеху та складів через щілини, зазори. Саме тому за будь-якої витрати повітря практично неможливий стан «кисневого голодування» у працівників цього цеху.
Таким чином, побудовою термодинамічної моделі розподілу повітря в приміщенні, а також математичним описом САУ з витрат повітря нехтуємо через їх недоцільність. Зупинимося докладніше розробці САР температури припливного повітря. Насправді дана система є системою автоматичного регулювання положення заслінки ЗРК залежно від температури припливного повітря. Регулювання - пропорційний закон шляхом балансування значень.
Представимо основні елементи, що входять до САУ, наведемо їх технічні характеристики, що дозволяють виявити особливості керування ними. Керуємося при виборі обладнання та засобів автоматизації їх технічними паспортами та попередніми інженерними розрахунками старої системи, а також результатами проведених експериментів та випробувань.
Звичайний відцентровий вентилятор є розташоване в спіральному кожусі колесо з робочими лопатями, при обертанні якого повітря, що надходить через вхідний отвір, потрапляє в канали між лопатями і під дією відцентрової сили переміщається по цих каналах, збирається спіральним кожухом і направляється в Кожух також служить для перетворення динамічного напору на статичний. Для посилення тиску за кожухом ставлять дифузор. На рис. 4.1 представлено загальний вигляд відцентрового вентилятора.
Звичайне відцентрове колесо складається з лопат, заднього диска, маточини та переднього диска. Литу або точену маточину, призначену для насаджування колеса на вал, приклепують, привертають або приварюють до заднього диска. До диска приклепують лопаті. Передні кромки лопатей зазвичай кріплять до переднього кільця.
Спіральні кожуха виконують з листової сталі та встановлюють на самостійних опорах, у вентиляторів малої потужностіїх кріплять до станин.
При обертанні колеса повітря передається частина енергії, що підводиться до двигуна. Тиск, що розвивається колесом, залежить від щільності повітря, геометричної формилопатей та окружної швидкості на кінцях лопатей.
Вихідні кромки лопатей відцентрових вентиляторів можуть бути загнутими вперед, радіальними та загнутими назад. Донедавна робили переважно кромки лопатей загнутими вперед, оскільки це дозволяло зменшити габаритні розміри вентиляторів. В даний час часто зустрічаються робочі колеса з лопатями, загнутими назад, тому що це дозволяє підняти к.п.д. вентилятора.
Рис. 4.1
При огляді вентиляторів слід мати на увазі, що вихідні (по ходу повітря) кромки лопатей для забезпечення ненаголошеного входу завжди повинні бути відігнуті в напрямку, зворотному напрямку обертання колеса.
Одні й ті ж вентилятори при зміні частоти обертання можуть мати різну подачу та розвивати різні тиски, що залежать не тільки від властивостей вентилятора та частоти обертання, а й від приєднаних до них повітроводів.
Характеристики вентиляторів виражають зв'язок між основними параметрами його роботи. Повна характеристика вентилятора при постійній частоті обертання валу (n = const) виражається залежностями між подачею Q та тиском Р, потужністю N і к. п. д. Залежності P(Q), N(Q) та T(Q) зазвичай будують на одному графіку. По них підбирають вентилятор. Характеристику будують з урахуванням випробувань. На рис. 4.2 представлена аеродинамічна характеристика відцентрового вентилятора ВЦ-4-76-16, який застосовується як припливне на об'єкті впровадження
Рис. 4.2
Продуктивність вентилятора становить 70 000 м3/год або 19,4 м3/с. Частота обертання валу вентилятора – 720 об/хв. або 75,36 рад/сек., потужність приводного асинхронного двигунавентилятора становить 35 квт.
Вентилятор нагнітає зовнішній атмосферний повітря калорифер. В результаті теплообміну повітря з гарячою водою, що пропускається через трубки теплообмінника, відбувається нагрівання повітря, що проходить.
Розглянемо схему регулювання режиму роботи вентилятора ВЦ-4-76 №16. На рис. 4.3 наведено функціональна схемавентиляторного агрегату при регулюванні частотою обертання.
Рис. 4.3
Передачу функцію вентилятора можна представити у вигляді коефіцієнта посилення, який визначається виходячи з аеродинамічної характеристики вентилятора (рис. 4.2). Коефіцієнт посилення вентилятора в робочій точці дорівнює 1,819 м3/с (мінімально можливий, встановлено експериментально).
Рис. 4.4
Експериментальновстановлено, що для реалізації необхідних режимів роботи вентилятора необхідна подача на перетворювач частот наступних значень напруги (табл. 4.1):
Таблиця 4.1 Режими роботи припливної вентиляції
При цьому для підвищення надійності електродвигуна вентиляторів як припливної, так і витяжної секції немає необхідності задавати їм режими роботи з максимальною продуктивністю. Завдання експериментальних дослідження полягала у знаходженні таких керуючих напруг, у яких дотримувалися б розраховані далі норми кратності повітрообміну.
Витяжна вентиляція представлена трьома відцентровими вентиляторами марок ВЦ-4-76-12 (продуктивність 28000 м3/год при n=350 об/хв, потужність асинхронного приводу N=19,5 кВт) та ВЦ-4-76-10 (продуктивність 20000 м3 /год при n=270 об/хв, потужність асинхронного приводу (N=12,5 кВт). Аналогічно припливної для витяжної гілки вентиляції були експериментально отримані величини напруги, що управляють (табл. 4.2).
Для запобігання стану «кисневого голодування» у робочих цехів, розрахуємо норми повітрообміну при вибраних режимах роботи вентиляторів. Він має задовольняти умові:
Таблиця 4.2 Режими роботи витяжної вентиляції
У розрахунку нехтуємо припливним повітрям, що надходить ззовні, а також архітектурою будівлі (стіни, перекриття).
Розміри приміщень під вентилювання: 150х40х10 м, загальний обсяг приміщення дорівнює V приміщень? 60000 м3. Необхідний об'єм припливного повітря дорівнює 66000 м3/год (для коефіцієнта 1,1 - обраний мінімальним, тому що не враховано приплив повітря ззовні). Очевидно, що вибрані режими роботи вентилятора задовольняють поставленою умовою.
Сумарний об'єм витягнутого повітря розрахуємо за такою формулою
Для розрахунку витяжної гілки вибрано режими екстреної витяжки. З урахуванням поправного коефіцієнта 1,1 (оскільки аварійний режим роботи прийнятий як найменш можливий) обсяг витягнутого повітря дорівнюватиме 67,76 м3 /год. Це значення в рамках допустимих похибок і прийнятих раніше застережень задовольняє умові (4.2), отже, вибрані режими роботи вентиляторів справлятимуться із завданням забезпечення кратності повітрообміну.
Також в електродвигунах вентиляторів є вбудований захист від перегріву (термостат). У разі зростання температури на двигуні релейний контакт термостата зупинить роботу електродвигуна. Датчик перепаду тиску зафіксує зупинку електродвигуна та видасть сигнал на пульт керування. Необхідно передбачити реакцію САУ ПВВ на аварійну зупинкудвигунів вентиляторів.
Дар'я Денисіхіна, Марія Луканіна, Михайло ЛітакУ світі вже неможливо уникнути математичного моделювання течії повітря під час проектування вентиляційних систем.
У світі вже неможливо уникнути математичного моделювання течії повітря під час проектування вентиляційних систем. Звичайні інженерні методики добре підходять для типових приміщень та стандартних рішень щодо повітророзподілу. Коли проектувальник стикається з нестандартними об'єктами, йому допоможе приходити методи математичного моделювання. Стаття присвячена дослідженню розподілу повітря в холодний період року в цеху з виробництва труб. Цей цех входить до складу заводського комплексу, розташованого в умовах різко континентального клімату.
Ще в XIX столітті були отримані диференціальні рівняння для опису течії рідин та газів. Їх сформулювали французький фізик Луї Навье та британський математик Джордж Стокс. Рівняння Навье - Стокса є одними з найважливіших у гідродинаміці та застосовуються у математичному моделюванні багатьох природних явищ та технічних завдань.
За останні рокинакопичилося велика різноманітність геометрично та термодинамічно складних об'єктів у будівництві. Використання методів обчислювальної гідродинаміки значно підвищує можливості проектування систем вентиляції, дозволяючи з високим ступенем точності передбачити розподіл швидкості, тиску, температури, концентрації компонентів у будь-якій точці будівлі або будь-якого його приміщення.
Інтенсивне використання методів обчислювальної гідродинаміки почалося в 2000 році, коли з'явилися універсальні програмні оболонки (CFD-пакети), що дають можливість знайти чисельні рішення системи рівнянь Навье - Стокса щодо цікавого об'єкта. Приблизно з цього часу «БЮРО ТЕХНІКИ» займається математичним моделюванням стосовно завдань вентиляції та кондиціювання.
У цьому дослідженні чисельне моделювання проводилося з допомогою STAR-CCM+ - CFD-пакета, розробленого компанією CD-Adapco. Працездатність даного пакета під час вирішення завдань вентиляції була
багаторазово перевірено на об'єктах різної складності, від офісних приміщень до залів театрів та стадіонів.
Завдання представляє великий інтерес з погляду як проектування, і математичного моделювання.
Температура зовнішнього повітря –31 °C. У приміщенні розташовані об'єкти з істотними теплонадходженнями: гартована піч, відпускна піч та ін. Таким чином, присутні великі перепади температур між зовнішніми конструкціями, що захищають, і внутрішніми тепловиділяючими об'єктами. Отже, внесок радіаційного теплообміну при моделюванні нехтувати не можна. Додаткова складність у математичній постановці завдання полягає в тому, що кілька разів за зміну до приміщення подається важкий залізничний склад, що має температуру -31 °C. Він поступово нагрівається, охолоджуючи повітря довкола себе.
Для підтримки необхідної температури повітря в об'ємі цеху (в холодну пору року не нижче 15 °C) проектом передбачено системи вентиляції та кондиціювання повітря. На етапі проектування були розраховані витрати і температура повітря, що подається, необхідного для підтримки необхідних параметрів. Залишалося питання - як подати повітря в об'єм цеху, щоб забезпечити рівномірний розподіл температури по всьому об'єму. Моделювання дозволило за порівняно невеликі терміни (два-три тижні) побачити картину перебігу повітря для кількох варіантів подачі повітря, а потім порівняти їх.
ЕТАПИ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Для вирішення завдання, що розглядається в цій статті, були пройдені всі етапи математичного моделювання.
Для порівняння ефективності вентиляції було обрано три варіанти подачі повітря: під кутами до вертикалі 45°, 60° та 90°. Подача повітря здійснювалася із стандартних повітророзподільних ґрат.
Поля температури та швидкості, отримані в результаті розрахунку за різних кутів подачі припливного повітря, представлені на рис. 1.
Після аналізу результатів кут подачі припливного повітря, що дорівнює 90°, був обраний як найвдаліший з розглянутих варіантів для вентиляції цеху. При такому способі подачі не створюється підвищених швидкостей у робочій зоні і вдається досягти рівномірної картини температури і швидкості по всьому об'єму цеху.
Поля температури та швидкості в трьох поперечних перерізах, що проходять через припливні ґрати, показані на рис. 2 та 3. Розподіл температури по приміщенню рівномірний. Тільки районі зосередження печей спостерігаються вищі значення температури під стелею. У правому далекому від печей кутку приміщення є більш холодна ділянка. Це місце де в'їжджають холодні вагони з вулиці.
З рис. 3 добре видно, як поширюються горизонтальні струмені повітря, що подається. При такому способі подачі струмний струм має досить велику далекобійність. Так, на відстані 30 м від ґрат швидкість течії становить 0,5 м/с (на виході з ґрат швидкість – 5,5 м/с). У решті приміщення рухливість повітря невисока, лише на рівні 0,3 м/с.
Нагріте повітря від гартової печі відхиляє струмінь припливного повітря вгору (рис. 4 та 5). Пекти дуже сильно прогріває повітря навколо себе. Температура у підлоги тут вища, ніж у середній частині приміщення.
Поле температури та лінії струму у двох перерізах гарячого цеху показано на рис. 6.
Проведені розрахунки дозволили проаналізувати ефективність різних способів подачі повітря цеху з виробництва труб. Отримано, що при подачі горизонтальним струменем припливне повітря далі поширюється в приміщення, сприяючи рівномірному його обігріву. При цьому не виникають області із занадто великою рухливістю повітря в робочій зоні, як це відбувається при подачі повітря під кутом вниз.
Використання методів математичного моделювання в задачах вентиляції та кондиціювання повітря є дуже перспективним напрямком, що дозволяє на стадії проекту відкоригувати рішення, запобігти необхідності виправлення невдалих проектних рішеньпісля введення об'єктів у експлуатацію. ●
Дар'я Денисіхіна -
начальник відділу "Математичне моделювання";
Марія Луканіна -
провідний інженер відділу "Математичне моделювання";
Михайло Літак -
Виконавчий директор ТОВ "ММ-Технології"
У роботі розглядаються процеси моделювання вентиляції та розсіювання її викидів в атмосфері. Моделювання засноване на вирішенні системи рівнянь Нав'є-Стокса, законах збереження маси, імпульсу, теплоти. Розглянуто різні аспекти чисельного розв'язання даних рівнянь. Запропоновано систему рівнянь, що дозволяє розрахувати значення фонового коефіцієнта турбулентності. Для гіпозвукового наближення запропоновано рішення спільно з наведеними у статті рівняннями гідрогазодинаміки рівняння стояння ідеального реального газу та пари. Дане рівняння є модифікацією рівняння Ван-дер-Ваальса і точніше враховує розміри молекул газу чи пари та їхню взаємодію. На підставі умови термодинамічної стійкості отримано співвідношення, яке дозволяє виключити фізично нездійсненне коріння при вирішенні рівняння щодо обсягу. Проводиться аналіз відомих розрахункових моделей та обчислювальних пакетів гідрогазодинаміки.
моделювання
вентиляція
турбулентність
рівняння тепломасоперенесення
рівняння стану
реальний газ
дисипація
1. Берлянд М.Є. Сучасні проблемиатмосферної дифузії та забруднення атмосфери. - Л.: Гідрометеоздат, 1975. - 448 с.
2. Бєляєв Н. Н. Моделювання процесу розсіювання токсичного газу в умовах забудови // Вісник ДІІТ. – 2009. – № 26 – С. 83-85.
3. Бизова Н. Л. Експериментальні дослідженняатмосферної дифузії та розрахунки розсіювання домішки / Н. Л. Бизова, Є. К. Гаргер, В. Н. Іванов. - Л.: Гідрометеоздат, 1985. - 351 с.
4. Дацюк Т. А. Моделювання розсіювання вентиляційних викидів. – СПб: СПБДАСУ, 2000. – 210 с.
5. Сауц А. В. Застосування алгоритмів когнітивної графіки та методів математичного аналізудля вивчення термодинамічних властивостей ізобутану R660A на лінії насичення: Грант № 2С/10: звіт про НДР (уклад.) / ГОУВПО СПБГАСУ; рук. Горохів В.Л., ісп.: Сауц А.В.- СПб, 2011.- 30 с.: іл.- Бібліогр.: с. 30. - №ГР 01201067977.-Інв. №02201158567.
ВступПри проектуванні виробничих комплексів та унікальних об'єктів мають бути всебічно обґрунтовані питання, пов'язані із забезпеченням якості повітряного середовища та нормованих параметрів мікроклімату. Враховуючи високу ціну виготовлення, монтажу та експлуатації систем вентиляції та кондиціювання повітря, до якості інженерних розрахунків висуваються підвищені вимоги. Для вибору оптимальних проектних рішень у галузі вентиляції потрібно мати можливість проаналізувати ситуацію загалом, тобто. виявити просторовий взаємозв'язок динамічних процесів, що відбуваються всередині приміщень та в атмосфері. Оцінити ефективність вентиляції, яка залежить не тільки від кількості повітря, що подається в приміщення, але і від прийнятої схеми повітророзподілу та концентрації шкідливих речовину зовнішньому повітрі у місцях розташування повітрозаборів.
Ціль статті- використання аналітичних залежностей, за допомогою яких виконуються розрахунки кількості шкідливих виділень, визначити розміри каналів, повітроводів, шахт та вибір способу обробки повітря тощо. При цьому доцільно використовувати програмний продукт Потік з модулем VSV. Для підготовки вихідних даних потрібна наявність схем проектованих вентиляційних систем із зазначенням довжин ділянок та витрат повітря на кінцевих ділянках. Вхідними даними для розрахунку є опис систем вентиляції та вимоги до неї. Використовуючи математичне моделювання, вирішуються такі питання:
Поля швидкості, тиску, температури, концентрацій у приміщенні та атмосфері формуються під впливом безлічі факторів, сукупність яких врахувати в інженерних методах розрахунку досить складно без застосування ЕОМ.
Застосування математичного моделювання у завданнях вентиляції та аеродинаміки засноване на вирішенні системи рівнянь Навье – Стокса.
Для моделювання турбулентних потоків необхідно вирішувати систему рівнянь збереження маси та Рейнольдса (збереження імпульсу):
(2)
де t- час, X= X i , j , k- Просторові координати, u=u i , j , k - компоненти вектора швидкості, р- п'єзометричний тиск, ρ - щільність, τ ij- компоненти тензора напруги, s m- Джерело маси, s i- Компоненти джерела імпульсу.
Тензор напруг виражається у вигляді:
(3)
де s ij- тензор швидкостей деформації; δ ij- тензор додаткових напруг, що виникають через наявність турбулентності.
Для отримання інформації про поля температури Тта концентрації зшкідливих речовин система доповнюється такими рівняннями:
рівняння збереження кількості тепла
рівняння збереження пасивної домішки з
(5)
де Cр- коефіцієнт теплоємності, λ - коефіцієнт теплопровідності, k= k i , j , k- Коефіцієнт турбулентності.
Базовий коефіцієнт турбулентності kбаз визначається за допомогою системи рівнянь:
(6)
де
kф
-
фоновий коефіцієнт турбулентності, kф =1-15 м2/с; ε = 0,1-04; 
Коефіцієнти турбулентності визначаються за допомогою рівнянь:
(7)
На відкритої територіїпри малій дисипації значення k z визначається за рівнянням:
k k = k 0 z /z 0 ; (8)
де k 0 - значення k kна висоті z 0 (k 0 = 0,1 м 2 /с при z 0 = 2 м).
На відкритому майданчикупрофіль швидкостей вітру деформований, тобто.
При невідомій атмосферній стратифікації на відкритому майданчику профіль швидкостей вітру можна визначити:
; (9)
де z 0 – задана висота (висота флюгера); u 0 – швидкість вітру на висоті z 0 ; B = 0,15.
За умови умови (10) локальний критерій Річардсона Riвизначається як:
(11)
Продиференціюємо рівняння (9), прирівняємо рівняння (7) та (8), звідти виразимо kбаз
(12)
Прирівняємо рівняння (12) із рівняннями системи (6). В отриману рівність підставимо (11) і (9), в остаточному вигляді отримаємо систему рівнянь:
(13)
Пульсаційний член, слідуючи ідеям Буссінеска, представляється у вигляді:
(14)
де μ t- турбулентна в'язкість, а додаткові члени у рівняннях перенесення енергії та компоненти домішки моделюються таким чином:
(15)
(16)
Замикання системи рівнянь відбувається за допомогою однієї із моделей турбулентності, описаних нижче.
Для турбулентних потоків, що вивчаються у вентиляційній практиці, доцільно використовувати або гіпотезу Бусінеска про небагато змін щільності, або так зване «гіпозвукове» наближення. Напруги Рейнольдса вважаються пропорційними середнім за часом швидкостям деформацій. Вводиться коефіцієнт турбулентної в'язкості, дана концепція виражається як:
. (17)
Коефіцієнт ефективної в'язкості обчислюється як сума молекулярного та турбулентного коефіцієнтів:
(18)
"Гіпозвукове" наближення передбачає рішення спільно з наведеними вище рівняннями рівняння стояння ідеального газу:
ρ = p/(RT) (19)
де p - тиск у навколишньому середовищі; R- Постійна газова.
Для більш точних розрахунків щільність домішки можна визначити, використовуючи модифіковане рівняння Ван-дер-Ваальса для реальних газів та пар
(20)
де константи Nі M- враховують асоціацію/дисоціацію молекул газу чи пари; а- враховує іншу взаємодію; b" - що враховує розміри молекул газу; υ=1/ρ.
Виділяючи з рівняння (12) тиск рі диференціюючи його за обсягом (облік термодинамічної стійкості) вийде таке співвідношення:
. (21)
Такий підхід дозволяє значно скоротити час розрахунків порівняно з випадком використання повних рівнянь для газу, що стискається, без зниження точності отриманих результатів. Аналітичного рішення наведених вище рівнянь немає. У зв'язку із цим використовуються чисельні методи.
Для вирішення вентиляційних завдань, пов'язаних із перенесенням турбулентним потоком скалярних субстанцій, при розв'язанні диференціальних рівнянь використовують схему розщеплення за фізичними процесами. Відповідно до принципів розщеплення кінцево-різницеве інтегрування рівнянь гідродинаміки та конвективно-дифузного перенесення скалярної субстанції на кожному кроці за часом Δ tздійснюється у два етапи. У першому етапі розраховуються гидродинамические параметри. З другого краю етапі з урахуванням розрахованих гидродинамических полів вирішуються рівняння дифузії.
Вплив перенесення тепла формування поля швидкостей повітря враховується з допомогою наближення Буссинеска: у рівняння руху вертикальної компоненти швидкості вводиться додатковий член, враховує сили плавучості.
Для вирішення завдань турбулентного руху рідини відомо чотири підходи:
Найбільш привабливим з погляду точності результатів, безперечно, є метод прямого чисельного моделювання. Проте в даний час можливості обчислювальної технікище не дозволяють вирішувати задачі з реальними геометрією та числами Re, і з роздільною здатністю вихорів всіх розмірів. Тому при вирішенні широкого спектруінженерних завдань застосовують чисельні розв'язки рівнянь Рейнольдса.
В даний час успішно застосовуються для моделювання задач вентиляції сертифіковані пакети, такі як STAR-CD, FLUENT або ANSYS/FLOTRAN. При правильно сформульованому завданні та раціональному алгоритмі вирішення одержуваний обсяг інформації дозволяє на стадії проектування вибрати оптимальний варіант, але виконання розрахунків з використанням даних програм потребує відповідної підготовки, і некоректне їх використання може призвести до помилкових результатів.
Як «базового варіанту» можна розглядати результати загальновизнаних балансових методів розрахунку, які дозволяють порівняти інтегральні величини, характерні для завдання.
Одним із важливих моментівпри використанні універсальних програмних комплексівДля вирішення задач вентиляції є вибір моделі турбулентності. До теперішнього часу відома велика кількість різних моделейтурбулентності, що застосовуються для замикання рівнянь Рейнольдса. Моделі турбулентності класифікуються за кількістю параметрів для характеристик турбулентності відповідно однопараметричні, дво- і трипараметричні.
Більшість напівемпіричних моделей турбулентності, так чи інакше, використовують «гіпотезу локальності механізму турбулентного перенесення», згідно з якою механізм турбулентного перенесення імпульсу повністю визначається завданням локальних похідних від середніх швидкостей та фізичних властивостейрідини. Вплив процесів, що відбуваються далеко від цієї точки, дана гіпотеза не враховує.
Найбільш простими є однопараметричні моделі, що використовують концепцію турбулентної в'язкості «n t», а турбулентність передбачається ізотропною. Модифікований варіант моделі «n t-92» рекомендується при моделюванні струменевих та відривних течій. Хороший збіг з результатами експерименту дає також однопараметрична модель S-A (Спаларта - Альмараса), яка містить рівняння переносу для величини .
Нестача моделей з одним рівнянням переносу пов'язана з тим, що в них відсутня інформація про розподіл масштабу турбулентності L. на величину Lвпливають процеси перенесення, способи формування турбулентності, дисипація турбулентної енергії. Універсальна залежність для визначення Lне існує. Рівняння для масштабу турбулентності Lчасто виявляється саме тим рівнянням, яке визначає точність моделі і, відповідно, область її застосування. В основному сфера застосування цих моделей обмежується відносно простими зсувними течіями.
У двопараметричних моделях, крім масштабу турбулентності L, використовують як другий параметр швидкість дисипації турбулентної енергії . Такі моделі найчастіше використовуються у сучасній обчислювальній практиці та містять рівняння перенесення енергії турбулентності та дисипації енергії.
Добре відома модель, що включає рівняння для перенесення турбулентності енергії k та швидкості дисипації турбулентної енергії ε. Моделі типу « k- e» можуть використовуватися як для пристінних течій, так і для складніших відривних течій.
Двопараметричні моделі використовуються в низько- і високорейнольдсової версії. У першій - механізм взаємодії молекулярного та турбулентного перенесення поблизу твердої поверхні враховується безпосередньо. У високорейнольдсової версії механізм турбулентного перенесення поблизу твердої межі описується спеціальними функціями пристінок, які пов'язують параметри потоку з відстанню до стінки.
В даний час до найбільш перспективних відносять моделі «SSG» і «Gibson-Launder», де використовується нелінійний зв'язок тензора турбулентних напруг Рейнольдса і тензора середніх швидкостей деформацій. Вони розроблялися поліпшення прогнозування відривних течій. Оскільки в них розраховуються всі компоненти тензорів, вони вимагають великих комп'ютерних ресурсів, порівняно з двопараметричними моделями.
Для складних відривних течій деякі переваги виявило застосування однопараметричних моделей «n t-92», «S-А» за точністю передбачення параметрів течії та за швидкістю рахунку порівняно з двопараметричними моделями.
Наприклад, у програмі "STAR-CD" передбачено використання моделей типу " k- e», Спаларта – Альмараса, «SSG», «Gibson-Launder», а також метод великих вихорів «LES», та метод «DES». Два останніх методи краще підходять для розрахунку руху повітря в умовах складної геометрії, де виникатимуть численні відривні вихрові області, але вони вимагають великих обчислювальних ресурсів.
Результати розрахунків залежать від вибору розрахункової сітки. В даний час використовуються спеціальні програми для побудови сіток. Осередки сітки можуть мати різну форму і розміри, що найкраще підходять для вирішення конкретної задачі. Найбільш простий вид сітки, коли осередки однакові і мають кубічну або прямокутну форму. Універсальні обчислювальні програми, які зараз застосовуються в інженерній практиці, дозволяють працювати на довільних неструктурованих сітках.
На виконання розрахунків чисельного моделювання завдань вентиляції необхідно завдання граничних і початкових умов, тобто. значень залежних змінних чи його нормальних градієнтів на межах розрахункової області.
Завдання з достатньою мірою точності геометричних особливостей досліджуваного об'єкта. Для цих цілей можна рекомендувати для побудови тривимірних моделей такі пакети, як SolidWorks, Pro/Engeneer, NX Nastran. При побудові розрахункової сітки кількість осередків вибирається те щоб отримати достовірне рішення за мінімального часу розрахунку. Вибрати слід одну з напівемпіричних моделей турбулентності, що є найбільш ефективною для течії, що розглядається.
В висновокдодамо, що необхідно хороше розуміння якісної сторони процесів, що відбуваються, щоб коректно сформулювати граничні умови завдання і оцінити достовірність результатів. Моделювання вентиляційних викидів на стадії проектування об'єктів можна розглядати як один із аспектів інформаційного моделювання, спрямованого на забезпечення екологічної безпеки об'єкта.
Рецензенти:
Шановні члени атестаційної комісії, представляю до вашої уваги випускну кваліфікаційну роботу, метою якої є розробка системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією виробничих цехів.
Відомо, що автоматизація - один із найважливіших факторівзростання продуктивності праці в промисловому виробництві, зростання якості продукції та послуг. Постійне розширення сфери автоматизації одна із головних особливостей промисловості цьому етапі. Розроблений дипломний проект є однією з ідей успадкування концепції побудови «інтелектуальних» будівель, що розвивається, тобто об'єктів, в яких умови життєдіяльності людини контролюються технічними засобами.
Основні завдання, що вирішуються у проектуванні - модернізація існуючої на об'єкті впровадження - виробничих цехах ВАТ «ВОМЗ» - системи вентилювання повітря для забезпечення її економічності (економія з витрат енерго- та теплоресурсів, скорочення витрат на обслуговування системи, зменшення часу простою), підтримці комфортного мікроклімату та чистоти повітря у робочих зонах, працездатності та стійкості, надійності роботи системи в аварійних/критичних режимах.
Проблема, що розглядається в дипломному проекті, обумовлена моральним та технічним старінням (зносом) існуючої системи управління ПВВ. Розподілений принцип, застосований при побудові ПВВ виключає можливість централізованого управління (запуску та моніторингу стану). Відсутність чіткого алгоритму пуску/зупинки системи також робить систему ненадійною внаслідок людських помилок, а відсутність аварійних режимів роботи - нестійкою стосовно вирішуваних завдань.
Актуальність проблеми дипломного проектування обумовлена загальним зростанням захворюваності на дихальні шляхи та простудні захворювання робітників, загальним падінням продуктивності праці та якості продукції, що випускається на даній ділянці. Розробка нової САУ ПВВ пов'язана з політикою заводу в галузі якості (ISO 9000), а також з програмами модернізації заводського обладнання та автоматизації систем життєзабезпечення цехів.
Центральним керуючим елементом системи є шафа автоматики з мікроконтролером та апаратурою, обраний за результатами маркетингового дослідження (плакат 1). Існує безліч ринкових пропозицій, однак обране обладнання є як мінімум не гіршим за свої аналоги. Важливим критерієм виступала і вартість, енергоспоживання та захисне виконання обладнання.
Функціональна схема автоматизації ПВВ наведена на кресленні 1. В якості основного при проектуванні САУ обрано централізований підхід, що дозволяє мобільно привести систему у разі необхідності до реалізації відповідно до змішаного підходу, що передбачає можливість диспетчеризації та зв'язків з іншими промисловими мережами. Централізований підхід є масштабованим, досить гнучким - всі ці якісні властивості визначаються обраним мікроконтролером - WAGO I/O System, а також реалізацією керуючої програми.
У результаті проектування були обрані елементи автоматизації - виконавчі механізми, датчики, критерієм вибору виступали функціональність, стійкість роботи у критичних режимах, діапазон виміру/контролю параметра, особливості монтажу, форма видачі сигналу, режими роботи. Вибрано головні математичні моделі та промодельовано роботу системи регулювання температури повітря з управлінням положенням заслінки триходового клапана. Моделювання проводилося серед VisSim.
Для регулювання було вибрано метод «балансування параметра» в області значень, що контролюються. Як закон регулювання вибраний пропорційний, так як не пред'являється високих вимог до точності та швидкодії системи, а діапазони зміни вхідний/вихідний величин невеликі. Функції регулятора виконує один із портів контролера відповідно до керуючої програми. Результати моделювання цього блоку представлені на плакаті 2.
Алгоритм роботи системи представлений на кресленні 2. Реалізує даний алгоритм керуюча програма структурою складається з функціональних блоків, блоку констант, використовуються стандартні та спеціалізовані функції. Гнучкість і масштабованість системи забезпечується як програмно (використання ФБ, констант, міток і переходів, компактність програми у пам'яті контролера), і технічно (економне використання портів вводу/вывода, резервні порти).
Програмно передбачено дії системи в аварійних режимах (перегрів, поломка вентилятора. переохолодження, засмічення фільтра. пожежа). Алгоритм дії системи в режимі протипожежного захисту представлений на кресленні 3. Цей алгоритм враховує вимоги стандартів за часом евакуації та дії ПВВ під час пожежі. У цілому нині, застосування даного алгоритму ефективно і підтверджено випробуваннями. Також було вирішено завдання модернізації витяжних парасольоку плані пожежної безпеки. Знайдені рішення було розглянуто та прийнято як рекомендаційні.
Надійність спроектованої системи повністю залежить від надійності програмного забезпечення та від контролера загалом. Розроблена керуюча програма була піддана процесу налагодження, ручному, структурному та функціональному тестуванню. Для забезпечення надійності та дотримання умов гарантії на обладнання автоматизації вибиралися лише рекомендовані та сертифіковані агрегати. Гарантія виробника на обрану шафу автоматики за умови дотримання гарантійних зобов'язань – 5 років.
Також було розроблено узагальнену структуру системи, побудовано тактову циклограму роботи системи, сформовано таблицю з'єднань та маркування кабелів, схему монтажу САУ.
Економічні показники проекту, розраховані мною в організаційно-економічній частині, зображені на плакаті №3. На цьому ж плакаті відображено стрічковий графік процесу проектування. Для оцінки якості керуючої програми використовувалися критерії згідно з ГОСТ РІСО/МЕК 926-93. Оцінка економічної ефективності розробки виконувалася з допомогою SWOT-аналізу. Очевидно, що проектована система має невисоку собівартість (структура витрат - плакат 3) і досить швидкі терміни окупності (при розрахунках з використанням мінімальних величин економії). Таким чином, можна зробити висновок про високу економічну ефективність розробки.
Крім того, було вирішено питання охорони праці, забезпечення електробезпеки та екологічності системи. Обґрунтовано вибір струмопровідних кабелів, фільтрів повітроводів.
Таким чином, у результаті виконання дипломної роботи розроблено проект модернізації, оптимальний по відношенню до всіх поставлених вимог. Цей проект рекомендовано до впровадження згідно з термінами модернізації заводського обладнання.
Якщо економічність та якість проекту будуть підтверджені випробувальним терміномпланується реалізація диспетчерського рівня з використанням локальної мережі підприємства, а також модернізація вентиляції інших виробничих приміщень з метою об'єднання їх у єдину промислову мережу. Відповідно, до цих етапів відноситься розробка програмного забезпечення диспетчера, ведення журналів стану системи, помилок, аварій (БД), організація АРМ або контрольного поста управління (КПУ) Можливе поширення проектних рішень для вирішення завдань управління повітряно-тепловими завісамицехів. Також можливе відпрацювання слабких місць існуючої системи, таких як модернізація очисних агрегатів, а також доробка клапанів клапанів механізмом від замерзання.
Анотація
Дипломний проект включає вступ, 8 розділів, висновок, список використаних джерел, додатки та складає 141 сторінку машинописного тексту з ілюстраціями.
У першому розділі наводиться огляд та аналіз необхідності проектування системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією (САУ ПВВ) виробничих цехів, маркетингове дослідження шаф автоматики. Розглядаються типові схемивентиляції та альтернативні підходи до вирішення завдань дипломного проектування.
У другому розділі дається опис існуючої системи ПВВ на об'єкті впровадження – ВАТ «ВОМЗ» як технологічного процесу. Формується узагальнена структурна схема автоматизації з технологічного процесу підготовки повітря.
У третьому розділі сформульовано розширену технічну пропозицію щодо вирішення завдань дипломного проектування.
Четвертий розділ присвячено розробці САУ ПВВ. Вибрано елементи автоматизації та управління, представлені їх технічні та математичні описи. Описано алгоритм регулювання температури повітря. Сформовано модель та проведено моделювання роботи САУ ПВВ щодо підтримки температури повітря в приміщенні. Вибрано та обґрунтовано електричне проведення. Побудовано тактову циклограму роботи системи.
У п'ятому розділі наведено технічні характеристики програмованого логічного контролера (ПЛК) WAGO I/O System. Наведено таблиці з'єднань датчиків та виконавчих пристроїв з портами ПЛК, у т.ч. та віртуальними.
Шостий розділ присвячений розробці алгоритмів функціонування та написанню керуючої програми ПЛК. Обґрунтовано вибір середовища програмування. Наведено блок-алгоритми відпрацювання системою аварійних ситуацій, блок-алгоритми функціональних блоків, що вирішують завдання запуску, управління та регулювання. У розділ включені результати тестування та налагодження керуючої програми ПЛК.
У сьомому розділі розглядається безпека та екологічність проекту. Проводиться аналіз небезпечних та шкідливих факторівпри експлуатації САУ ПВВ, наводяться рішення щодо охорони праці та забезпечення екологічності проекту. Розробляється захист системи від аварійних ситуацій, зокрема. посилення системи в плані пожежозахисності та забезпечення стійкості функціонування при надзвичайних ситуаціях. Наведено розроблену важливу функціональну схему автоматизації зі специфікацією.
Восьмий розділ присвячено організаційно-економічному обґрунтуванню розробки. Наводиться розрахунок собівартості, економічності та термінів окупності проектної розробки, у т.ч. з урахуванням етапу застосування. Відображено стадії розробки проекту, оцінено трудомісткість робіт. Наведено оцінку економічної ефективності проекту з використанням SWOT-аналізу розробки.
У висновку наведено висновки щодо дипломного проекту.
Вступ
Автоматизація одна із найважливіших чинників зростання продуктивність праці промисловому виробництві. Безперервною умовою прискорення темпів зростання автоматизації є розвиток технічних засобівавтоматизації. До технічних засобів автоматизації відносяться всі пристрої, що входять до системи управління та призначені для отримання інформації, її передачі, зберігання та перетворення, а також для здійснення керуючих та регулюючих впливів на технологічний об'єкт управління.
Розвитку технологічних засобів автоматизації є складним процесом, основу якого лежать інтереси автоматизованих виробництв споживачів, з одного боку й економічні можливості підприємств - виробників з іншого. Первинним стимулом розвитку є підвищення ефективності роботи виробництв - споживачів, з допомогою застосування нової техніки може бути доцільними лише за умови швидкої окупності витрат. Тому критерієм всіх рішень щодо розробок та впровадження нових коштів, має бути сумарний економічний ефект, з урахуванням усіх витрат на розробку, виробництво та впровадження. Відповідно до розробки, виготовлення слід приймати насамперед ті варіанти технічних засобів, які забезпечую максимум сумарного ефекту.
Постійне розширення сфери автоматизації одна із головних особливостей промисловості цьому етапі.
Особлива увага приділяється питанням промислової екології та безпеки праці виробництва. При проектуванні сучасної технології, обладнання та конструкцій необхідно науково обґрунтовано підходити до розробки безпеки та нешкідливості робіт.
На сучасному етапірозвитку народного господарстваКраїни однією з основних завдань є підвищення ефективності суспільного виробництва на основі науково-технічного процесу та повніше використання всіх резервів. Це завдання нерозривно пов'язана з проблемою оптимізації проектних рішень, мета яких полягає у створенні необхідних передумов для підвищення ефективності капіталовкладень, скорочення термінів їхньої окупності та забезпечення найбільшого приросту продукції на кожний витрачений карбованець. Підвищення продуктивності праці, випуск якісної продукції, покращення умов праці та відпочинку трудящих забезпечують системи вентиляції повітря, які створюють необхідний мікроклімат та якість повітряного середовища у приміщеннях.
Мета дипломного проекту – розробка системи автоматичного управління припливно-витяжною вентиляцією (САУ ПВВ) виробничих цехів.
Проблема, що розглядається в дипломному проекті, обумовлена зношуванням існуючої на ВАТ «Вологодський оптико-механічний завод» системи автоматики ПВВ. Крім того, система спроектована розподілено, що унеможливлює централізоване управління та моніторинг. Як об'єкт впровадження обрано ділянку лиття під тиском (В-категорія з пожежної безпеки), а також прилеглі до нього приміщення - ділянку верстатів ЧПУ, планово-диспетчерське бюро, склади.
Завдання дипломного проекту сформульовані в результаті дослідження поточного стану САУ ПВВ та на підставі аналітичного огляду, наведено у розділі 3 «Технічна пропозиція».
Використання керованої вентиляції відкриває нові можливості для вирішення поставлених задач. Система автоматичного управління, що розробляється, повинна бути оптимальною щодо виконання зазначених функцій.
Як було зазначено вище, актуальність розробки обумовлена як застарінням існуючої САУ ПВВ, збільшенням кількості ремонтних робітна вентиляційних «трасах», і загальним зростанням захворюваності дихальних шляхів і простудних захворювань робочих, тенденцією погіршення самопочуття при тривалих роботах, як наслідок, загальним падінням продуктивність праці та якості виробленої продукції. Важливо відзначити той факт, що існуюча САУ ПВВ не пов'язана з пожежною автоматикою, що є неприпустимим для таких виробництв. Розробка нової САУ ПВВ пов'язана з політикою заводу в галузі якості (ISO 9000), а також з програмами модернізації заводського обладнання та автоматизації систем життєзабезпечення цехів.
У дипломному проекті використовуються інтернет - ресурси (форуми, електронні бібліотеки, статті та публікації, електронні портали), а також технічна література необхідної предметної галузі та тексти стандартів (ГОСТ, СНІП, СанПіН). Також розробка САУ ПВВ ведеться з урахуванням пропозицій та рекомендацій фахівців на підставі наявних монтажних планів, кабельних трас, систем повітроводів.
Варто зазначити, що порушена в дипломному проекті проблема має бути практично на всіх старих заводах оборонно-промислового комплексу, переобладнання цехів - одне з найважливіших завдань щодо забезпечення якості продукції для кінцевого споживача. Таким чином, у дипломному проектуванні буде відображено накопичений досвід вирішення подібних завдань на підприємствах зі схожим типом виробництва.
1. Аналітичний огляд
1.1 Загальний аналізнеобхідності проектування САУ ПВВ
Найважливішим джерелом економії паливно-енергетичних ресурсів, що витрачаються на теплопостачання. виробничих будівельіз значним споживанням теплової та електричної енергії, є підвищення ефективності роботи системи припливно-витяжної вентиляції(ПВВ) на основі використання сучасних досягнень обчислювальної та керуючої техніки.
Зазвичай керувати системою вентиляції служать засоби локальної автоматики. Основним недоліком такого регулювання є те, що воно не враховує фактичний повітряний та тепловий баланс будівлі та реальні погодні умови: температура зовнішнього повітря, швидкість та напрямок вітру, атмосферний тиск.
Тому під впливом засобів локальної автоматики система вентилювання повітря працює, зазвичай, над оптимальному режимі.
Ефективність роботи системи припливно-витяжної вентиляції можна значно збільшити, якщо здійснювати оптимальне керування системами, що ґрунтується на використанні комплексу відповідних технічних та програмних засобів.
Формування теплового режиму можна як взаємодія обурюючих і регулюючих чинників. Для визначення керуючого впливу потрібна інформація про властивості та кількість вхідних та вихідних параметрів та умови протікання процесу передачі тепла. Так як метою управління вентиляційним обладнанням є забезпечення необхідних умов повітряного середовища в робочій зоні приміщень будівель при мінімальних енергетичних та матеріальних витратах, то за допомогою ЕОМ можна буде знайти оптимальний варіант та виробити відповідні керуючі дії на цю систему. В результаті ЕОМ із відповідним комплексом технічних та програмних засобів утворює автоматизовану систему управління тепловим режимом приміщень будівель (АСУ ТРП). При цьому варто відзначити також, що під ЕОМ можна розуміти і пульт управління ПВВ, і пульт моніторингу стану ПВВ, а також найпростіший комп'ютерз програмою моделювання САУ ПВВ, обробки результатів та оперативного управління на їх основі.
Система автоматичного управління - це сукупність об'єкта управління (керованого технологічного процесу) та керуючих пристроїв, взаємодія яких забезпечує автоматичне перебіг процесу відповідно до заданої програми. У цьому під технологічним процесом розуміється послідовність операцій, які потрібно виконати, щоб із вихідної сировини отримати готовий продукт. У разі ПВВ готовим продуктом є повітря в приміщенні, що обслуговується, із заданими параметрами (температура, газовий склад і т.д.), а сировиною - зовнішнє і витяжне повітря, теплоносії, електроенергія та ін.
В основу функціонування САУ ПВВ, як і будь-якої системи управління, повинен бути покладений принцип зворотного зв'язку (ОС): вироблення впливів, що управляють, на основі інформації про об'єкт, отриманої за допомогою датчиків, встановлених або розподілених на об'єкті.
Кожна конкретна САУ розробляється на основі заданої технології обробки вхідного потоку повітря. Часто система припливно-витяжної вентиляції пов'язана з системою кондиціювання (підготовки) повітря, що відображається і в проектуванні автоматики, що управляє.
При застосуванні автономних пристроїв або комплектних технологічних установокобробки повітря САУ поставляються вже вбудованими в обладнання і вже закладеними певними функціями керування, які докладно описуються в технічній документації. У цьому випадку налагодження, сервісне обслуговування та експлуатація таких систем керування повинні проводитися точно відповідно до зазначеної документації.
Аналіз технічних рішеньсучасних ПВВ передових фірм - виробників вентиляційного обладнанняпоказав, що управляючі функції можна умовно поділити на дві категорії:
Функції управління, що визначаються технологією та обладнанням обробки повітря;
Додаткові функції, які переважно є сервісними, представляються як ноу-хау фірм і не розглядаються.
В загальному виглядіОсновні технологічні функції управління ПВВ можуть бути поділені на такі групи (рис. 1.1)
Рис. 1.1 – Основні технологічні функції управління ПВВ
Опишемо, що мається на увазі під функціями ПВВ, представленими на рис. 1.1.
1.1.1 Функція «контроль та реєстрація параметрів»
Відповідно до СНиП 2.04.05-91 обов'язковими параметрами контролю є:
Температура та тиск у загальних подавальному та зворотному трубопроводах та на виході кожного теплообмінника;
Температура повітря зовнішнього, припливного після теплообмінника, і навіть температура у приміщенні;
Норми ГДК шкідливих речовин у повітрі, що витягується з приміщення (наявність газів, продуктів горіння, нетоксичного пилу).
Інші параметри в системах припливно-витяжної вентиляції контролюються на вимогу технічних умовна обладнання або за умовами експлуатації.
Дистанційний контроль передбачають вимірювання основних параметрів технологічного процесу чи параметрів, задіяних у реалізації інших функцій управління. Такий контроль здійснюється за допомогою датчиків та вимірювальних перетворювачів з виведенням (за потреби) виміряних параметрів на індикатор або екран керуючого приладу (пульт управління, монітор ЕОМ).
Для вимірювання інших параметрів зазвичай використовують місцеві (переносні або стаціонарні) прилади - термометри, манометри, що показують, пристрої спектрального аналізу складу повітря і т.п.
Застосування місцевих контролюючих приладів не порушує основного принципу систем управління - принцип зворотного зв'язку. І тут він реалізується або з допомогою людини (оператора чи обслуговуючого персоналу), або з допомогою керуючої програми, «зашитої» на згадку мікропроцесора.
1.1.2 Функція «оперативне та програмне управління»
Важливим є реалізувати таку опцію, як «послідовність запуску». Для забезпечення нормального запуску системи ПВВ слід враховувати:
Попереднє відкриття повітряних заслін до пуску вентиляторів. Це виконується у зв'язку з тим, що не всі заслінки в закритому стані можуть витримати перепад тиску, створюваний вентилятором, а час повного відкриття заслінки електроприводом доходить до двох хвилин.
Рознесення моментів запуску електродвигунів. Асинхронні електродвигуни найчастіше можуть мати великі пускові струми. Якщо одночасно запустити вентилятори приводи повітряних заслін та інші приводи, то через велике навантаження на електричну мережу будівлі сильно впаде напруга, і електродвигуни можуть не запуститися. Тому запуск електродвигунів, особливо великої потужності, необхідно розносити за часом.
Попереднє прогрівання калорифера. Якщо не здійснити попереднє прогрівання водяного калорифера, то при низькій температурі зовнішнього повітря може спрацювати захист від заморожування. Тому під час запуску системи необхідно відкрити заслінки припливного повітря, відкрити триходовий клапанводяного калориферу та прогріти калорифер. Як правило, ця функція включається за температури зовнішнього повітря нижче 12 °С.
Зворотна опція - «послідовність зупинки» При відключенні системи слід враховувати:
Затримка зупинки вентилятора припливного повітря в установках з електрокалорифером. Після зняття напруги з електрокалорифера слід охолоджувати його деякий час, не вимикаючи вентилятора повітря. В іншому випадку нагрівальний елемент калориферу (тепловий електричний нагрівач- ТЕН) може вийти з ладу. Для існуючих завдань дипломного проектування дана опція не є важливою внаслідок використання водяного калорифера, проте важливо відзначити її.
Таким чином, на підставі виділених опцій оперативного та програмного управління можна представити типовий графік включення та відключення апаратів пристроїв ПВВ.
Рис. 1.2 - Типова циклограма роботи САУ ПВВ із водяним калорифером
Весь цей цикл (мал. 1.2) система повинна відпрацьовувати автоматично, а, крім того, має бути передбачений індивідуальний пуск обладнання, необхідний для налагодження та профілактичних робіт.
Важливе значення мають функції програмного управління, такі як зміна режиму зима-літо. Особливо актуальною є реалізація цих функцій у сучасних умовах дефіциту енергетичних ресурсів. У нормативних документах виконання цієї функції носить рекомендаційний характер – «для громадських, адміністративно-побутових та виробничих будівель слід, як правило, передбачати програмне регулювання параметрів, що забезпечує зниження витрати теплоти».
У найпростішому випадку ці функції передбачають або взагалі відключення ПВВ у певний момент часу, або зниження (підвищення) заданого значення регульованого параметра (наприклад, температури) залежно від зміни теплових навантажень в приміщенні, що обслуговується.
Найефективнішим, а й складнішим у реалізації, є програмне управління, що передбачає автоматичне зміна структури ПВВ та алгоритму її функціонування у традиційному режимі «зима-літо», а й у перехідних режимах. Аналіз та синтез структури ПВВ та алгоритму її функціонування зазвичай проводиться на основі їхньої термодинамічної моделі.
При цьому основною мотивацією та критерієм оптимізації, як правило, є прагнення забезпечити, можливо, мінімальне споживання енергії при обмеженнях на капітальні витрати, габарити та ін.
1.1.3 Функція «захисні функції та блокування»
Захисні функції та блокування загальні для систем автоматики та електрообладнання (захист від короткого замикання, перегріву, обмеження переміщення тощо) обумовлені міжвідомчими нормативними документами. Такі функції, як правило, реалізуються окремими апаратами (запобіжниками, пристроями захисного відключення, кінцевими вимикачами тощо). Їх застосування регламентується правилами влаштування електроустановок (ПУЕ), правилами пожежної безпеки(ППБ).
Захист від замерзання. Функція автоматичного захисту від замерзання повинна бути передбачена в районах із розрахунковою температурою зовнішнього повітря для холодного періоду мінус 5оС та нижчою. Захист підлягають теплообмінники першого підігріву (водяний калорифер) та рекуператори (якщо є).
Зазвичай захист від замерзання теплообмінників виконується на базі датчиків або датчиків-реле температури повітря за апаратом та температури теплоносія у зворотному трубопроводі.
Небезпеку заморожування прогнозують за температурою повітря перед апаратом (tн<5 °С). При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор.
У неробочий час для систем із захистом від замерзання клапан повинен залишатися відкритим (5-25 %) при закритій заслінці зовнішнього повітря. Для більшої надійності захисту за відключеної системи іноді реалізують функцію автоматичного регулювання (стабілізації) температури води у зворотному трубопроводі.
1.1.4 Функція «захист технологічної апаратури та електрообладнання»
1. Контроль забрудненості фільтра
Контроль забрудненості фільтра оцінюється падінням тиску на ньому, яке вимірюється диференціальним датчиком тиску. Датчик вимірює різницю тиску повітря до і після фільтра. Допустиме падіння тиску на фільтрі вказується у його паспорті (для манометрів, представлених на заводських повітряних трасах, за техпаспортом – 150-300 Па). Ця різниця встановлюється під час налагодження системи на диференціальному датчику (уставка датчика). При досягненні уставки від датчика надходить сигнал про граничну запиленість фільтра та необхідність його обслуговування або заміни. Якщо протягом певного часу (зазвичай 24 години) після видачі сигналу граничної запилення фільтр не буде очищений або замінений, рекомендується передбачити аварійну зупинку системи.
Аналогічні датчики рекомендується встановлювати на вентиляторах. Якщо вийде з ладу вентилятор або ремінь приводу вентилятора, система повинна бути зупинена в аварійному режимі. Проте, часто такими датчиками нехтують з міркувань економії, що ускладнює діагностику системи та відшукання несправностей надалі.
2. Інші автоматичні блокування
Крім того, автоматичні блокування повинні бути передбачені для:
Відкривання та закривання клапанів зовнішнього повітря при включенні та відключенні вентиляторів (заслінки);
Відкривання та закривання клапанів систем вентиляції, з'єднаних повітропроводами для повної або часткової взаємозамінності при виході з ладу однієї із систем;
Закривання клапанів систем вентиляції для приміщень, що захищаються установками газового пожежогасіння при відключенні вентиляторів систем вентиляції цих приміщень;
Забезпечення мінімальної витрати зовнішнього повітря в системах зі змінною витратою та ін.
1.1.5 Регулюючі функції
Регулюючі функції - автоматична підтримка заданих параметрів є основними за визначенням для систем припливно-витяжної вентиляції, що працює зі змінною витратою, рециркуляцією повітря, підігрівом повітря.
Ці функції виконуються за допомогою замкнутих контурів регулювання, в яких принцип зворотного зв'язку присутній у явному вигляді: інформація про об'єкт, що надходить від датчиків, перетворюється регулюючими пристроями в керуючі дії. На рис. 1.3 наведено приклад контуру регулювання температури припливного повітря в канальному кондиціонері. Температура повітря підтримується водяним калорифером, через який пропускається теплоносій. Повітря, проходячи через калорифер, нагрівається. Температура повітря після водяного калорифера вимірюється датчиком (Т), далі її величина надходить на пристрій порівняння (УС) виміряного значення температури та температури уставки. Залежно від різниці між температурою уставки (Tуст) і виміряним значенням температури (Тізм) пристрій управління (Р) виробляє сигнал, що впливає на виконавчий механізм (М - електропривод триходового клапана). Електропривод відкриває або закриває триходовий клапан до положення, коли помилка:
е = Tуст - Тізм
буде мінімальною.
Рис. 1.3 - Контур регулювання температури припливного повітря у повітроводі з водяним теплообмінником: Т - датчик; УС – пристрій порівняння; Р - регулюючий пристрій; М - виконавчий пристрій
Таким чином, побудова системи автоматичного регулювання (САР) на підставі вимог до точності та інших параметрів її роботи (стійкості, коливання та ін) зводиться до вибору її структури та елементів, а також визначення параметрів регулятора. Зазвичай це виконується фахівцями з автоматизації з використанням класичної теорії автоматичного регулювання. Відзначу лише, що параметри налаштування регулятора визначаються динамічними властивостями об'єкта керування та вибраним законом регулювання. Закон регулювання - взаємозв'язок між вхідним (?) та вихідним (Uр) сигналами регулятора.
Найпростішим є пропорційний закон регулювання, у якому? та Uр пов'язані між собою постійним коефіцієнтом Кп. Цей коефіцієнт є параметром такого регулятора, який називають П-регулятор. Його реалізація вимагає застосування регульованого підсилювального елемента (механічного, пневматичного, електричного тощо), який може функціонувати як із залученням додаткового джерела енергії, так і без нього.
Одним з різновидів П-регуляторів є позиційні регулятори, які реалізують пропорційний закон регулювання при Кп і формують вихідний сигнал Uр, що має певну кількість постійних значень, наприклад, два або три, що відповідають дво- або трипозиційним регуляторам. Такі регулятори іноді називають релейними через схожість їх графічних характеристик з характеристиками реле. Параметром налаштування таких регуляторів є величина зони нечутливості Де.
У техніці автоматизації систем вентиляції двопозиційні регулятори через простоту і надійність знайшли широке застосування при регулюванні температури (термостати), тиску (пресостати) та інших параметрів стану процесу.
Двопозиційні регулятори використовуються також у системах автоматичного захисту, блокувань та перемикання режимів роботи обладнання. І тут їх функції виконують датчики-реле.
Незважаючи на зазначені переваги П-регуляторів, вони мають велику статичну помилку (при малих значеннях Кп) і схильність до автоколивань (при великих значеннях Кп). Тому при більш високих вимогах до регулюючих функцій систем автоматики за точністю та стійкістю застосовують і складніші закони регулювання, наприклад, ПІ- та ПІД-закони.
Також регулювання температури підігріву повітря може бути виконано П-регулятором, що працює за принципом балансування: збільшувати температуру при її значенні, меншому ніж уставка, і навпаки. Така інтерпретація закону також знайшла застосування у системах, які потребують високих точностей.
1.2 Аналіз існуючих типових схем автоматики вентиляції виробничих цехів
Існує ряд стандартних реалізацій автоматики системи припливно-витяжної вентиляції, кожна з них має ряд переваг та недоліків. Зазначу, що незважаючи на наявність безлічі типових схем та розробок, дуже складно створити таку САУ, яка була б гнучкою за налаштуваннями щодо виробництва, на якому вона впроваджується. Таким чином, для проектування САУ ПВВ необхідний ретельний аналіз існуючої структури вентиляції, аналіз технологічних процесів виробничого циклу, а також аналіз вимог щодо охорони праці, екології, електро- та пожежної безпеки. Більш того, найчастіше проектована САУ ПВВ є спеціалізованою щодо сфери свого застосування.
У будь-якому випадку, як типові вихідні дані на початковому етапі проектування зазвичай прийнято розглядати наступні групи:
1. Загальні дані: територіальне розташування об'єкта (місто, район); тип та призначення об'єкта.
2. Відомості про будівлю та приміщення: плани та розрізи із зазначенням усіх розмірів та позначок висот щодо рівня землі; зазначення категорій приміщень (на архітектурних планах) відповідно до протипожежних норм; наявність технічних площ із зазначенням їх розмірів; розташування та характеристики існуючих систем вентиляції; характеристики енергоносіїв;
3. Відомості про технологічний процес: креслення технологічного проекту (плани) із зазначенням розміщення технологічного обладнання; специфікація обладнання із зазначенням встановлених потужностей; Показники технологічного режиму - число робочих змін, середня кількість робочих змін; режим роботи устаткування (одночасність роботи, коефіцієнти завантаження та інших.); кількість шкідливих виділень у повітряне середовище (ГДК шкідливих речовин).
Як вихідні дані для розрахунку автоматики системи ПВВ виносять:
Продуктивність існуючої системи (потужність, повітрообмін);
Перелік параметрів повітря, що підлягають регулюванню;
Межі регулювання;
Робота автоматики під час надходження сигналів з інших систем.
Таким чином, виконання системи автоматики проектується виходячи з покладених на неї завдань з урахуванням норм та правил, а також загальних вихідних даних та схем. Складання схеми та підбір апаратури системи автоматики вентиляції виконується індивідуально.
Наведемо існуючі типові схеми систем управління припливно-витяжною вентиляцією, охарактеризуємо деякі з них щодо можливості застосування для вирішення завдань дипломного проекту (рис. 1.4 – 1.5, 1.9).
Рис. 1.4 -САУ прямоточної вентиляції
Дані системи автоматики знайшли активне застосування на фабриках, заводах, офісних приміщеннях. Об'єкт управління тут - це шафа автоматики (пульт управління), фіксуючі пристрої - датчики каналів, що впливає на двигуни моторів вентиляторів, двигуни заслінок. Також є САР підігріву/охолодження повітря. Забігаючи наперед, можна відзначити, що система, наведена на рис.1.4а – прототип системи, яку необхідно використовувати на ділянці лиття під тиском ВАТ «Вологодський оптико-механічний завод». Охолодження повітря у виробничих приміщеннях є малоефективним внаслідок обсягів цих приміщень, а підігрів є обов'язковою умовою правильного функціонування САУ ПВВ.
Рис. 1.5-САУ вентиляцією з теплоутилізаторами
Побудова САУ ПВВ із використанням теплоутилізаторів (рекуператорів) дозволяє вирішувати проблеми перевитрати електроенергії (для електрокалориферів), проблеми викидів у навколишнє середовище. Сенс рекуперації в тому, що повітря, що видаляється безповоротно з приміщення, що володіє температурою заданої в приміщенні, обмінюється енергією з зовнішнім повітрям, що надходить, параметри, якого, як правило, значно відрізняються від заданих. Тобто. взимку тепле витяжне повітря, що видаляється, частково нагріває зовнішнє припливне повітря, а влітку холодніше витяжне повітря частково охолоджує припливне повітря. У кращому випадку на рекуперації можна зменшити енерговитрати на обробку припливного повітря на 80%.
Технічно рекуперація в припливно-витяжній вентиляції здійснюється застосуванням обертових теплоутилізаторів і систем з проміжним теплоносієм. Таким чином, отримуємо виграш як на нагріванні повітря, так і на скороченні відкриттів заслінок (допускається більший час простою двигунів, що управляють заслінками) - все це дає загальний виграш у плані економії електроенергії.
Системи з рекуперацією тепла є перспективними та активно та впроваджуються замість старих вентиляційних систем. Проте, слід зазначити, що подібні системи коштують додаткових капіталовкладень, однак термін їх окупності, порівняно малий, тоді як рентабельність дуже висока. Також відсутність постійного викиду у навколишнє середовище підвищує екологічні показники такої організації автоматики ПВВ. Спрощено роботу системи з рекуперацією тепла з повітря (рециркуляцією повітря) представлено на рис.1.6.
Рис. 1.6 - Робота системи повітрообміну з рециркуляцією (рекуперацією)
Перехресноточні або пластинчасті рекуператори (рис. 1.5, г) складаються з пластин (алюмінієвих), що представляють систему каналів для протікання двох потоків повітря. Стінки каналів є спільними для припливного та витяжного повітря та легко передають. Завдяки великій площі поверхні обміну та турбулентному перебігу повітря в каналах досягають високого ступеня теплоутилізації (теплопередачі) за відносно низького гідравлічного опору. Ефективність пластинчастих рекуператорів сягає 70%.
Рис. 1.7 - Організація повітрообміну САУ ПВВ на основі пластинчастих рекуператорів
Утилізується лише явне тепло витяжного повітря, т.к. припливне і витяжне повітря жодним чином не змішуються, а конденсат утворює при охолодженні витяжного повітря затримується сепаратором і відводиться дренажною системою зі зливного піддону. Для запобігання замерзанню конденсату при низьких температурах (до -15оС) формуються відповідні вимоги до автоматики: вона повинна забезпечувати періодичну зупинку припливного вентилятора або відведення частини зовнішнього повітря в обвідний канал в обхід каналів рекуператора. Єдине обмеження у застосуванні даного методу полягає в обов'язковому перетині припливної та витяжної гілки в одному місці, що у разі простої модернізації САУ накладає низку труднощів.
Системи рекуперації з проміжним теплоносієм (рис. 1.5 а,б) є парою теплообмінників з'єднаних замкнутим трубопроводом. Один теплообмінник знаходиться у витяжному каналі, а інший у припливному. По замкнутому контуру циркулює незамерзаюча гліколева суміш, переносячи тепло від одного теплообмінника до іншого, причому в цьому випадку відстань від припливної установки до витяжної може дуже значним.
Ефективність теплоутилізації за такого методу не перевищує 60 %. Вартість порівняно велика, однак у деяких випадках це може бути єдиним варіантом теплоутилізації.
Рис. 1.8 - Принцип теплоутилізації із застосуванням проміжного теплоносія
Роторний теплоутилізатор (обмінник, що обертається, рекуператор) - являє собою ротор з каналами для горизонтального проходу повітря. Частина ротора знаходиться у витяжному каналі, а частина – у припливному. Обертаючи, ротор отримує тепло витяжного повітря і передає його припливному, причому передається як явне, так і приховане тепло, а також вологість. Ефективність теплоутилізації максимальна і сягає 80%.
Рис. 1.9 - САУ ПВВ із роторним рекуператором
Обмеження застосування даного методу накладає передусім те, що до 10 % витяжного повітря змішується з припливним, а деяких випадках це неприпустимо чи небажано (якщо повітря має значний рівень забруднення). Вимоги до конструкції аналогічні попередньому варіанту – витяжна та припливна машина знаходиться в одному місці. Цей спосіб дорожчий за перший і рідше знаходить застосування.
Загалом системи з рекуперацією коштують на 40-60 % дорожче за аналогічні системи без рекуперації, проте витрати на експлуатацію при цьому відрізнятимуться в рази. Навіть за сьогоднішніх цін на енергоносії час окупності системи рекуперації не перевищує двох опалювальних сезонів.
Хотілося б зазначити, що на енергозбереження впливають навіть алгоритми управління. Однак завжди слід враховувати, що всі системи вентиляції розраховуються на деякі усереднені умови. Наприклад, витрата зовнішнього повітря визначали на одну кількість людей, а реально в приміщенні може бути менше 20% від прийнятого значення, звичайно в такому разі розрахункова витрата зовнішнього повітря буде явно надмірною, робота вентиляції в надмірному режимі призведе до необґрунтованої втрати енергоресурсів. Логічно в такому випадку розглянути кілька режимів експлуатації, наприклад, зимовий/літній. Якщо автоматика здатна встановити такі режими - економія очевидна. Ще один підхід пов'язані з регулюванням витрати зовнішнього повітря залежно від якості газової середовища усередині приміщення, тобто. система автоматики включає газоаналізатори на шкідливі гази і підбирає значення витрати зовнішнього повітря таким чином, щоб вміст шкідливих газів не перевищувало гранично-допустимих значень.
1.3 Маркетингове дослідження
В даний час на ринку автоматики для припливно-витяжної вентиляції широко представлені всі провідні світові виробники вентиляційного обладнання, причому кожен спеціалізується на виробництві обладнання в певному сегменті. Весь ринок вентиляційного обладнання можна умовно розділити за такими сферами застосування:
Побутового та напівпромислового призначення;
промислового призначення;
Вентиляційне обладнання "спеціального" призначення.
Так як у дипломному проекті розглядається проектування автоматики для припливно-витяжних систем виробничих приміщень, то для порівняння запропонованої розробки з наявними на ринку необхідно вибрати подібні пакети автоматики відомих виробників.
Результати маркетингового дослідження існуючих пакетів САУ ПВВ представлені у додатку А.
Таким чином, в результаті маркетингового дослідження було розглянуто кілька найбільш часто застосовуваних САУ ПВВ різних виробників, шляхом вивчення їх технічної документації було отримано відомості:
склад відповідного пакету САУ ПВВ;
Реєстр параметрів контролю (тиск у повітропроводах, температура, чистота, вологість повітря);
Марка програмованого логічного контролера та його комплектація (програмне забезпечення, система команд, принципи програмування);
наявність зв'язків з іншими системами (чи передбачено зв'язок з пожежною автоматикою, чи є підтримка протоколів локальних мереж);
Захисне виконання (електробезпека, пожежна безпека, пилозахищеність, помігозахищеність, вологозахищеність).
2. Опис вентиляційної мережі виробничого цеху як об'єкта автоматичного керування
В цілому, за результатами аналізу наявних підходів до автоматизації систем вентилювання та підготовки повітря, а також в результаті аналітичних оглядів типових схем можна зробити висновок про те, що завдання, що розглядаються в дипломному проекті, є актуальними і в даний час, що активно розглядаються та спеціалізованими, що вивчаються. конструкторськими бюро (СКБ).
Зазначу, що є три основних підходи до реалізації автоматики для системи вентиляції:
Розподілений підхід: реалізація автоматики ПВВ на основі місцевого комутаційного обладнання, керування кожним вентилятором ведеться відповідним пристроєм.
Цей підхід застосовують для проектування автоматики порівняно невеликих вентиляційних систем, у яких передбачається подальшого розширення. Він є найстарішим. До переваг підходу можна віднести, наприклад, те, що у разі аварії на одній із контрольованих вентиляційних гілок система здійснює аварійну зупинку тільки цієї ланки/секції. Крім того, цей підхід є порівняно простим у реалізації, не потребує складних алгоритмів управління, спрощує технічне обслуговування пристроїв вентиляційної системи.
Централізований підхід: реалізація автоматики ПВВ на основі групи логічних контролерів або програмованого логічного контролера (ПЛК), управління всією системою вентиляції ведеться централізовано відповідно до закладеної програми та даних.
Централізований підхід є надійнішим, ніж розподілений. Все управління ПВВ є жорстким, складає основі програми. Ця обставина накладає додаткові вимоги як до написання коду програми (необхідно враховувати безліч умов, зокрема дії в аварійних ситуаціях), і до особливого захисту управляючого ПЛК. Цей підхід знайшов застосування для невеликих адміністративно-виробничих комплексів. Його відрізняє гнучкість налаштувань, можливість масштабування системи до розумних меж, і навіть можливість мобільного об'єднання системи за змішаним принципом організації;
Змішаний підхід: використовується при проектуванні великих систем (велика кількість керованої техніки, що володіє величезною продуктивністю), є комбінацією розподіленого і централізованого підходу. У загальному випадку даний підхід передбачає рівневу ієрархію на чолі з керуючою ЕОМ і відомими «мікроЕОМ», таким чином утворюючи глобальну по відношенню до підприємства керуючу виробничу мережу. Іншими словами, даний підхід – розподілено-централізований підхід із диспетчеризацією системи.
В аспекті завдання, яке вирішується в дипломному проектуванні, найкращим є централізований підхід до реалізації автоматики ПВВ. Так як система розробляється для невеликих виробничих приміщень, можливе використання даного підходу для інших об'єктів з метою подальшого їх об'єднання в єдину САУ ПВВ.
Найчастіше для шаф управління вентиляцією передбачається інтерфейс, що дозволяє здійснювати моніторинг стану вентиляційної системи з виведенням інформації на монітор ЕОМ. Однак, варто зазначити, що дана реалізація вимагає додаткових ускладнень програми управління, підготовки спеціаліста, що слідкує за станом і приймає оперативні рішення на основі даних, що візуально одержуються від опитування датчиків. Крім того, завжди притаманний фактор людської помилки в екстрених ситуаціях. Тому реалізація цієї умови є швидше додатковою опцією до проектування пакета автоматики ПВВ.
2.1 Опис існуючої системи автоматичного керування припливно-витяжною вентиляцією виробничих цехів
Для забезпечення основного принципу вентиляції виробничих цехів, що полягає у підтримці в допустимих межах параметрів та складу повітря, необхідно подавати чисте повітря до місць знаходження робітників з подальшим розподілом повітря по всьому приміщенню.
Нижче на рис. 2.1 наведено ілюстрація типової системи припливно-витяжної вентиляції, подібна до якої є на ділянці впровадження.
Вентиляційна система виробничого приміщення складається з вентиляторів, повітроводів, приймальних пристроїв зовнішнього повітря, пристроїв для очищення повітря, що надходить і викидається в атмосферу, пристрої нагрівання повітря (водяний калорифер).
Проектування існуючої припливно-витяжної вентиляційної системи велося відповідно до вимог СНіП II 33-75 «Опалення, вентиляція та кондиціювання повітря», а також ГОСТ 12.4.021-75 «ССБТ. Системи вентиляційні. Загальні вимоги», в якому зазначені вимоги при монтажі та пусконалагоджувальних роботах та експлуатації.
Очищення забрудненого повітря, що викидається в атмосферу, здійснюється спеціальними пристроями - пиловідділювачами (застосовується на виробничій ділянці лиття під тиском), фільтрами повітроводів та ін.
Також очищення витягнутого з робочої зони повітря може виконуватися в пилоосадових камерах (тільки для великого пилу) та електрофільтрах (для дрібного пилу). Очищення повітря від шкідливих газів здійснюється з використанням спеціальних абсорбуючих та дезактивуючих речовин, у тому числі і нанесених на фільтри (у осередках фільтрів).
Рис. 2.1 - Система припливно-витяжної вентиляції виробничого цеху 1 -повітрозабірний пристрій; 2 -калорифери для підігріву; 3-припливний вентилятор; 4 – магістральний повітропровід; 5 - відгалуження повітроводу; 6 – припливні насадки; 7 – місцеві відсмоктувачі; 8 та 9 - магістр. повітропровід витяжної установки; 10 - пилеотделитель; 11 – витяжний вентилятор; 12 - шахта викиду очищеного повітря в атмосферу
Автоматика існуючої системи є порівняно простою. Технологічний процес провітрювання виглядає так:
1. початок робочої зміни – проводиться пуск системи припливно-витяжної вентиляції. Вентилятори наводяться в дію централізованим пристроєм запуску. Іншими словами, пульт управління являє собою два пускачі - для старту та аварійного зупинки/вимкнення. Зміна триває 8 годин – з годинною перервою, тобто система в середньому простоює 1 годину у робочий час. Крім того, подібна «зблокованість» управління є економічно неефективною, оскільки призводить до перевитрати електроенергії.
Слід зазначити, що немає виробничої необхідності, щоб витяжна вентиляція працювала постійно, доцільно включати її тоді, коли повітря забруднене, або, наприклад, потрібне відведення зайвої теплової енергії від робочої зони.
2. відкриття заслінок повітрозабірних пристроїв також управляється місцевою пускальною апаратурою, повітря з параметрами зовнішнього середовища (температура, чистота) за рахунок різниці в тиску затягується в повітропроводи припливним вентилятором.
3. взяте із зовнішнього середовища повітря проходить через водяний калорифер, нагрівається до допустимих температурних значень, і з повітроводам через припливні насадки нагнітається до приміщення. Водяний калорифер забезпечує значне нагрівання повітря, управління калорифером - ручне, спеціаліст з електромонтажу відкриває заслінку клапана. На літній період калорифер вимикається. Як теплоносій використовується гаряча вода, що подається від внутрішньозаводської котельні. Не передбачено систему автоматичного регулювання температури повітря, внаслідок чого відбувається великий перевитрата ресурсу.
Особливості використання системи управління установкою припливної вентиляції з урахуванням контролера МС8.2. Основні функціональні можливості контролера. Приклад специфікації автоматизації установки припливної вентиляції для схеми з урахуванням МС8.2.
практична робота , доданий 25.05.2010
Порівняльний аналіз технічних характеристик типових конструкцій градирень. Елементи систем водопостачання та їх класифікація. Математична модель процесу оборотного водопостачання, вибір та опис засобів автоматизації та елементів управління.
дипломна робота , доданий 04.09.2013
Основи функціонування системи автоматичного управління припливно-витяжної вентиляції, її побудова та математичний опис. Апаратура технологічного процесу. Вибір та розрахунок регулятора. Дослідження стійкості САР, показники її якості.
курсова робота , доданий 16.02.2011
Опис процесу тепловлажностной обробки виробів з урахуванням цементобетону. Автоматизований контроль процесу вентиляції пропарювальної камери. Вибір типу дифманометра та розрахунок звужувального пристрою. Вимірювальна схема автоматичного потенціометра.
курсова робота , доданий 25.10.2009
Карта технологічного маршруту обробки черв'ячного колеса. Розрахунок припусків та граничних розмірів на обробку виробу. Розробка керуючої програми. Обґрунтування та вибір затискного пристосування. Розрахунок вентиляції виробничих приміщень.
дипломна робота , доданий 29.08.2012
Характеристика проектованого комплексу та вибір технології виробничих процесів. Механізація водопостачання та напування тварин. Технологічний розрахунок та вибір обладнання. Системи вентиляції та повітряного опалення. Розрахунок повітрообміну та освітлення.
курсова робота , доданий 01.12.2008
Припливна система вентиляції, її внутрішній пристрій та взаємозв'язок елементів, оцінка переваг та недоліків використання, вимоги до обладнання. Заходи щодо енергозбереження, автоматизація управління енергоефективними вентиляційними системами.
курсова робота , доданий 08.04.2015
Розробка технологічної схеми автоматизації електрообігріваної підлоги. Розрахунок та вибір елементів автоматики. Аналіз вимог у схемі управління. Визначення основних показників надійності. Техніка безпеки під час монтажу засобів автоматизації.
курсова робота , доданий 30.05.2015
Апаратура технологічного процесу каталітичного риформінгу. Особливості ринку засобів автоматизації. Вибір керуючого обчислювального комплексу та засобів польової автоматики. Розрахунок та вибір налаштувань регуляторів. Технічні засоби автоматизації.
дипломна робота , доданий 23.05.2015
Технологічний опис структурної схеми проекту автоматизації процесу переробки граничних вуглеводневих газів. Вивчення функціональної схеми автоматизації та обґрунтування вибору засобів КВП установки. Математична модель контуру регулювання.
Прогнозування теплового режиму в зонах, що обслуговуються, є багатофакторним завданням. Відомо, що тепловий режим створюється за допомогою систем опалення, вентиляції та кондиціювання повітря. Однак при проектуванні систем опалення не враховується вплив повітряних потоків, створюваних іншими системами. Частково це обумовлено тим, що вплив повітряних потоків на тепловий режим може бути незначним при нормативній рухливості повітря в зонах, що обслуговуються.
Застосування систем променистого опалення потребує нових підходів. Сюди відносяться необхідність виконання норм опроміненості людини на робочих місцях та врахування розподілу променистого тепла за внутрішніми поверхнями конструкцій, що захищають. Адже при променистому опаленні переважно нагріваються ці поверхні, які, у свою чергу, віддають тепло у приміщення конвекцією та випромінюванням. Саме рахунок цього підтримується необхідна температура внутрішнього повітря.
Як правило, для більшості видів приміщень поряд із системами опалення потрібен пристрій систем вентиляції. Так, при використанні систем газового променистого опалення приміщення має бути обладнане системами вентиляції. Мінімальний повітрообмін приміщень з виділенням шкідливих газів та пар обумовлений СП 60.13330.12. Опалення вентиляція і кондиціонування повітря і становить не менше одноразового, а при висоті понад 6 м - не менше 6 м3 на 1 м2 площі підлоги. Крім того, продуктивність систем вентиляції визначається також призначенням приміщень та розраховується з умов асиміляції тепло- або газовиділень або компенсації місцевих відсмоктувачів. Звичайно, величина повітрообміну повинна перевірятися і на умову асиміляції продуктів згоряння. Компенсація обсягів повітря, що видаляється, здійснюється системами припливної вентиляції. При цьому істотна роль у формуванні теплового режиму в зонах, що обслуговуються, належить припливним струменям і вноситься ними теплоті.
Метод дослідження та результати
Таким чином, виникає необхідність розробки наближеної математичної моделі складних процесів тепло- та масообміну, що відбуваються в приміщенні при променистому опаленні та вентиляції. Математична модель є системою рівнянь повітряно-теплових балансів для характерних об'ємів і поверхонь приміщення.
Рішення системи дозволяє визначити параметри повітря в зонах, що обслуговуються, при різних варіантах розміщення приладів променистого опалення з урахуванням впливу систем вентиляції.
Побудова математичної моделі розглянемо з прикладу виробничого приміщення, обладнаного системою променистого опалення і має інших джерел тепловиділень. Теплові потоки від випромінювачів розподіляються в такий спосіб. Конвективні потоки піднімаються у верхню зону під перекриття та віддають тепло внутрішній поверхні. Променева складова теплового потоку випромінювача сприймається внутрішніми поверхнями зовнішніх конструкцій приміщення, що захищають. У свою чергу, ці поверхні віддають тепло конвекцією внутрішньому повітрю та випромінюванням — іншим внутрішнім поверхням. Частина тепла передається через зовнішні конструкції зовнішнього повітря. Розрахункова схема теплообміну наведено на рис. 1а.
Побудову матмоделі розглянемо на прикладі виробничого приміщення, обладнаного системою променистого опалення та не має інших джерел тепловиділення. Конвективні потоки піднімаються у верхню зону під перекриття та віддають тепло внутрішній поверхні. Променева складова теплового потоку випромінювача сприймається внутрішніми поверхнями зовнішніх конструкцій, що захищають приміщення.
Далі розглянемо побудову схеми циркуляції повітряних потоків (рис. 1б). Приймемо схему організації повітрообміну "згори-вгору". Повітря подається в кількості Мпр у напрямку обслуговуваної зони і видаляється з верхньої зони з витратою Мв = Мпр. На рівні верху зони, що обслуговується, витрата повітря в струмені становить Мстор. Приріст витрати повітря в припливному струмені відбувається за рахунок циркуляційного повітря, що від'єднується від струменя.
Введемо умовні межі потоків — поверхонь, у яких швидкості мають лише нормальні до них складові. На рис. 1б межі потоків показані штриховою лінією. Потім виділимо розрахункові обсяги: зона, що обслуговується (простір з постійним перебуванням людей); об'єми припливного струменя та пристінних конвективних потоків. Напрямок пристінних конвективних потоків залежить від співвідношення температур внутрішньої поверхні зовнішніх конструкцій, що захищають, і навколишнього повітря. На рис. 1б наведена схема з спадаючим пристінним конвективним потоком.
Отже, температура повітря в зоні, що обслуговується t wz формується внаслідок змішування повітря припливних струменів, пристінних конвективних потоків та надходжень конвективного тепла від внутрішніх поверхонь підлоги та стін.
З урахуванням розроблених схем теплообміну та циркуляції повітряних потоків (рис. 1) складемо рівняння теплоповітряних балансів для виділених обсягів:
Тут з- Теплоємність повітря, Дж / (кг · ° С); Qвід - потужність системи газового променистого опалення, Вт; Qз і Q* с - конвективна тепловіддача у внутрішніх поверхонь стіни в межах зони, що обслуговується, і стіни вище обслуговуваної зони, Вт; tСтор, t c і t wz — температури повітря в струменевому струмені на вході в робочу зону, в пристінному конвективному потоці і в робочій зоні, °C; Qтп - тепловтрати приміщення, Вт, рівні суми втрат тепла через зовнішні огороджувальні конструкції:
Витрата повітря в припливному струмені на вході в зону, що обслуговується, розраховується з використанням залежностей, отриманих М. І. Гримітліним.
Наприклад, для повітророзподільників, що створюють компактні струмені, витрата в струмені дорівнює:
де m- Коефіцієнт загасання швидкості; F 0 - площа перерізу вхідного патрубка повітророзподільника, м 2; x- Відстань від повітророзподільника до місця входу в зону, що обслуговується, м; Дон - коефіцієнт неізотермічності.
Витрата повітря в пристінному конвективному потоці визначається за:
де tс – температура внутрішньої поверхні зовнішніх стін, °C.
Рівняння теплового балансу для граничних поверхонь мають вигляд:
Тут Q c, Q* c , Qпл і Qпт - конвективна тепловіддача у внутрішніх поверхонь стіни в межах зони, що обслуговується - стіни вище обслуговуваної зони, підлоги і покриття, відповідно; Qтп.с, Q* тп.с, Qтп.пл, Qтп.пт - тепловтрати через відповідні конструкції; Wс, W* c , Wпл, Wпт - променисті теплові потоки від випромінювача, що надходять на ці поверхні. Конвективна тепловіддача визначається за відомою залежністю:
де m J - коефіцієнт, що визначається з урахуванням положення поверхні та напрямки теплового потоку; F J - площа поверхні, м 2; Δ t J - різниця температур поверхні та навколишнього повітря, ° C; J- Індекс виду поверхні.
Тепловтрати QтJ можна висловити як
де tн - температура зовнішнього повітря, ° C; t J - температури внутрішніх поверхонь зовнішніх конструкцій, що захищають, °C; Rі Rн - опори термічне та тепловіддачі зовнішнього огородження, м 2 · ° С / Вт.
Отримано матмодель процесів тепло- та масообміну при спільній дії променистого опалення та вентиляції. Результати вирішення дозволяють отримати основні характеристики теплового режиму під час проектування систем променистого опалення будівель різного призначення, обладнаних системами вентиляції.
Променисті теплові потоки від випромінювачів систем променистого опалення Wjрозраховуються через взаємні площі випромінювання за методикою для довільної орієнтації випромінювачів та навколишніх поверхонь:
де з 0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт / (м 2 · До 4); ε IJ — наведений ступінь чорноти поверхонь, що беруть участь у теплообміні. Iі J; H IJ - взаємна площа випромінювання поверхонь Iі J, м2; T I - середня температура випромінюючої поверхні, що визначається з теплового балансу випромінювача, К; T J - температура теплосприймаючої поверхні, До.
При підстановці виразів для теплових потоків і витрат повітря в струменях отримуємо систему рівнянь, що є наближеною моделлю процесів тепло- і масообміну при променистому опаленні. Для вирішення системи можна використовувати стандартні комп'ютерні програми.
Отримано математичну модель процесів тепло- та масообміну при спільній дії променистого опалення та вентиляції. Результати вирішення дозволяють отримати основні характеристики теплового режиму під час проектування систем променистого опалення будівель різного призначення, обладнаних системами вентиляції.
