Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы моделирования воздухообмена производственных помещений с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 11
1.1. Выделение вредных веществ технологическим оборудованием, установленным в производственных помещениях 11
1.2. Местные отсосы от технологического оборудования производственных помещений 15
1.3. Существующие решения по организации воздухообмена в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией на примере гальванических производств 28
1.4. Анализ существующих направлений моделирования воздухообмена производственных помещений с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 30
1.5. Математическое моделирование воздухообмена производственных помещений с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией... 31
1.6. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования 39
2. Математическая модель распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 41
2.1. Уравнения математической модели распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 41
2.2. Алгоритмы решения уравнений математической модели распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 50
2.3. Состав и структура программного обеспечения реализации математической модели распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 54
2.4. Выводы по второй главе 57
3. Исследование структуры и распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией 58
3.1. Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией с размещением в помещении двух линий технологического оборудования 58
3.1.1. Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении при десятикратном воздухообмене... 59
3.1.2. Характер формирования и распределения стационарных воздушных потоков в производственном помещении при шестнадцатикратном воздухообмене 68
3.1.3. Характер формирования и распределения стационарных воздушных потоков в производственном помещении при двадцатичетырехкратном воздухообмене 76
3.1.4. Зависимость подвижности воздуха в рабочей зоне производственного помещения с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией от высоты подачи приточного воздуха и кратности воздухообмена 81
3.2. Структура и распределение стационарных воздушных потоков производственном помещении с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией с четырьмя линиями технологического оборудования 84
3.2.1. Характер формирования и распределения стационарных воздушных потоков в производственном помещении при десятикратном воздухообмене 85
3.2.2. Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении при шестнадцатикратном воздухообмене 90
3.2.3. Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении при двадцатичетырехкратном воздухообмене 96
3.2.4. Зависимость подвижности воздуха в рабочей зоне производственного помещения с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией и размещением четырех линий технологического оборудования от высоты подачи приточного воздуха и кратности воздухообмена 101
3.3. Выводы по третьей главе 103
4. Оценка эффективности процесса вентиляции производственных помещений с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией с использованием разработанной математической модели 105
4.1. Создание эффективного способа воздухообмена в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией.. 105
4.2. Показатели эффективности воздухообмена 112
4.3. Выводы по четвертой главе 122
5. Подтверждение адекватности математической модели воздухообмена производственных помещений с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией по результатам натурных обследований 123
5.1. Методика проведения экспериментов 123
5.2. Результаты экспериментов 128
5.3 Выводы по пятой главе 130
Выводы 131
Литература 133
Приложение.
- Местные отсосы от технологического оборудования производственных помещений
- Алгоритмы решения уравнений математической модели распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией
- Структура и распределение стационарных воздушных потоков производственном помещении с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией с четырьмя линиями технологического оборудования
- Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении при двадцатичетырехкратном воздухообмене
Введение к работе
Актуальность темы. Основным направлением в работе промышленных предприятий является выпуск продукции высокого качества при снижении трудоемкости и меньших затратах материалов. Это может быть достигнуто повышением технического уровня производства как путем строительства новых и реконструкции действующих цехов, так и путем оздоровления условий труда за счет модернизации местной и общеобменной вентиляции.
К сожалению Рекомендации по выбору способа подачи воздуха в производственные помещения, расчету систем воздухораспределения и организации воздухообмена, разработанные в 70-е - 80-е годы не учитывают современных подходов к решению основных принципов вентиляции при проектировании и реконструкции действующих предприятий. С целью снижения затрат возникает задача максимального использования существующих систем обеспечения микроклимата, но при условии существенного повышения их энергоэффективности. Разработка высокоэффективных систем вентиляции в современных условиях невозможна без исследования структуры потоков воздуха, учета движения воздуха внутри производственных помещений при различных схемах организации воздухообмена и действия местной вытяжной вентиляции, которую можно получить в настоящее время на основе математического моделирования вентиляционных процессов. Поэтому представляется актуальным разработка математической модели и создание прикладных программ для расчета на ЭВМ траектории и скорости движения воздушных потоков, скорости образования энергии турбулентных пульсаций при различных схемах и величине воздухообмена, высоте подачи приточного воздуха, различном расположении технологического оборудования. Применение разработанной модели в практике проектирования позволит на начальной стадии проанализировать интенсивность и характер движения воздушных потоков в вентилируемом объеме, что позволит выбрать наиболее эффективную схему организации воздухообмена и сократить затраты на вентиляцию.
Для выявления основных закономерностей были приняты наиболее часто встречающиеся производственные помещения (гальванические, сварочные цехи, основные цехи радиотехнической, электронной, приборостроительной, легкой промышленности и т.п.).
Цель работы. Повышение эффективности воздухообмена производственных помещений при совместном действии местной вытяжной и общеобменной вентиляции.
Средством достижения поставленной цели является разработка математической модели распределения воздушных потоков в производственных помещениях, проведение теоретических расчетов и использование полученных результатов для выбора эффективного воздухообмена.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:
- разработка математической модели структуры и распределения потоков воздуха в производственных помещениях при совместном действии общеобменной и местной вытяжной вентиляции;
- реализация математической модели структуры и распределения потоков воздуха в производственных помещениях и алгоритмов ее решения в виде пакета прикладных программ для ЭВМ;
- исследование с помощью разработанной математической модели и пакета прикладных программ влияния высоты установки воздухораспределительных устройств и их типов, кратности воздухообмена и количества технологических линий промышленного оборудования на характер и циркуляцию потоков воздуха, скорость движения воздуха в рабочей зоне помещений;
- разработка теоретических основ формирования структуры потоков вблизи воздухораспределителей и местных отсосов вытяжной вентиляции у промышленного оборудования и оценка воздействия структуры потоков на подвижность воздуха рабочей зоны при различных схемах организации воздухообмена;
- разработка показателя оценки эффективности воздухообмена производственных помещений при совместном действии общеобменной и местной вытяжной вентиляции;
- проведение экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность разработанной математической модели и программы расчета на ЭВМ;
- разработка рекомендаций по внедрению энергоэффективного воздухообмена в производственных помещениях.
Научная новизна состоит в:
- разработке математической модели структуры и распределения потоков воздуха в производственных помещениях при совместном действии общеобменной и местной вытяжной вентиляции. Математическая модель в отличие от известных позволяет рассчитывать параметры воздушных потоков в зонах больших градиентов скорости вблизи воздухораспределитьных устройств, местных отсосов и в рабочей зоне помещения;
- разработке пакета прикладных программ, реализующего математическую модель на ЭВМ в среде пакета C++ Builder 6.0. Программа обладает высоким быстродействием и эффективностью использования машинных ресурсов;
- новых аналитических зависимостях, полученных по результатам численного моделирования, позволяющих установить влияние высоты расположения воздухораспределительных устройств и их типов при различной кратности воздухообмена на скорость движения воздуха в рабочей зоне помещений с двухрядным и четырехрядным расположением технологического оборудования;
- разработке теоретических основ формирования структуры и распределения потоков воздуха в помещении вблизи воздухораспределителей и местных отсосов при подаче приточного воздуха на различной высоте от уровня пола с различной кратностью воздухообмена, позволяющих впервые проектировать местную и общеобменную вентиляцию с учетом векторного поля скорости потоков воздуха, скорости образования турбулентной кинетической энергии и воздействия потоков на подвижность воздуха рабочей зоны;
- показателе эффективности воздухообмена, полученного на основе численных методов расчета на ЭВМ линий тока и векторного поля скоростей потоков воздуха. Предлагаемый показатель позволяет определить время нахождения приточного воздуха в помещении и в рабочей зоне, что делает возможным выбор схемы организации воздухообмена исходя из обеспечения нормируемых параметров микроклимата в рабочей зоне при минимальных кратностях воздухообмена.
Достоверность результатов. Теоретическая часть работы базируется на основных физических законах теории тепломассообмена и аэродинамики. Основные допущения, принятые при выводе исходных уравнений модели, используются в работах других авторов. Для обобщения и анализа результатов использовалась теория подобия. Адекватность модели оценивалась путем сопоставления расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.
Практическое значение и реализация результатов. Разработан новый подход к определению и оценке распределения и характера формирования стационарных воздушных потоков в промышленных помещениях, который может быть использован при проектировании и реконструкции систем вентиляции в различных отраслях промышленности.
Использование предлагаемого подхода позволяет на ранних стадиях проектирования выбрать наиболее эффективный воздухообмен в помещениях, ускорить процесс проектирования, повысить качество проектных работ и сократить затраты на вентиляцию. На защиту выносятся:
- новая математическая модель характера формирования структуры и распределения воздушных потоков в производственных помещениях с общеобменной и местной вытяжной вентиляцией;
- пакет прикладных программ, реализующий математическую модель на ЭВМ в среде пакета C++ Builder 6.0;
- новые аналитические зависимости, полученные по результатам численного моделирования, для расчета влияния высоты установки воздухораспределительных устройств и их типов при различной кратности воздухообмена на скорость движения воздуха в рабочей зоне помещений с двухрядным и четырехрядным размещением оборудования;
- структура физических полей воздушных потоков в помещении, сформированная местной и общеобменной вентиляцией;
- показатель эффективности воздухообмена, являющийся мерой наличия циркуляционных зон и их объема в помещении и в рабочей зоне;
- результаты экспериментальных исследований по оценке адекватности математической модели распределения воздушных потоков в производственных помещениях.
• Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в МГСУ (Москва 2007г., 2009г.) и на 62-ой - 64-ой научных конференциях и семинарах Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж 2007-2009 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, общим объемом 33 стр. Личный вклад автора составляет 16 стр. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Приволжский научный журнал», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура», «Вестник Казанского государственного архитектурно-строительного университета». В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях изложены основные результаты диссертации: в работе [66] представлена модель распространения стационарных воздушных потоков и результаты расчета на ЭВМ структуры и векторного поля скоростей воздушных потоков в производственных помещениях; в работе [60] опубликованы результаты моделирования, позволяющие установить влияние высоты установки воздухораспределительных устройств на скорость воздуха в рабочей зоне помещения; в работе [65] представлено построение воздухообмена для помещений производств с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 147 страницах и содержит: 108 страниц машинописного текста, список литературы из 115 наименований, 57 рисунков, 4 фотографии, 4 таблицы и 1 приложение.
Местные отсосы от технологического оборудования производственных помещений
Для уменьшения поступления вредных веществ в помещение от поверхности ванн ванны оборудуются местными отсосами. Чаще всего для удаления вредных веществ применяются бортовые отсосы, применяются и отсосы со сдувом, но сравнительно редко.
Объем удаляемого воздуха L, м /ч, через бортовые отсосы от ванны шириной 0,4-2,5 м рекомендуется определять по формуле [61, 62, 63, 67, 18]: где L0j - удельный объем воздуха, м /ч, на 1 м длинны ванны шириной 0,4 м при расстоянии уровня раствора от верхней кромки ванны /г=120 мм; В - ширина ванны, м; Кп - коэффициент, учитывающий расстояние от верхней кромки ванны до уровня раствора; Ку - коэффициент, учитывающий уменьшение объема воздуха, удаляемого бортовыми отсосами при укрытии зеркала испарения ванны поплавками; Ка — коэффициент, учитывающий уменьшение объема воздуха, удаляемого бортовыми отсосами от ванн, принимается равным 0,8.
В табл. 3 приведены объемы удаляемого воздуха L0i4 бортовыми отсосами при следующих исходных данных: длинна ванны 1м, ширина 0,4м, расстояние от уровня электролита до верхней кромки ванны 120мм.
Удельные расходы отсасываемого воздуха от ванн, согласно натурным исследованиям института «Проектпромвентиляция» [69], составляют: для ванн шириной 0,8 м, длиной 1,25 м, температуре воздуха в помещении -15С и применяемом двухбортовом неактивированном отсосе -1530 м3/(ч-м2); активированном отсосе -700 м3/(ч-м2); объем воздуха для поддува составлял 60 м3/ч.
Для бортового отсоса, установленного у ванны хромирования размерами 1600x1400 мм удельный расход отсасываемого воздуха составил- 1850 м /(ч-м ). Для гальванической ванны диаметром 1700 мм и высотой 1100 мм (ванна хромирования) удельный расход отсасываемого воздуха был равен - 2950 М /(ч-м ).
Устройство для удаления вредных выделений с поверхности зеркала промышленной ванны содержит расположенные вдоль бортов ванны 1 с наружной стороны вытяжной и приточный воздуховоды 2 и 3, прикрепленные к ним посредством шарниров 4 створки, выполненные в виде коробов 5 с продольными щелями 6, установленных с образованием зазора 7 между ними при перекрытии ими зеркала ванны, и заслонку 8, прикрепленную к одному из коробов с возможностью перекрытия зазора ванны. Устройство снабжено установленными в направляющих 9 вдоль бортов ванны поплавками 10, контактирующими своими верхними торцами с обращенными к полости ванны частями коробов и имеющими сквозные наклонные в сторону зеркала ванны отверстия 11, сообщающие объем ванны с приточным и вытяжным воздуховодами 2 и 3 при открытии, коробов 5.
На нижней стенке коробов 5 размещены вытяжные отверстия 12, Поплавки 10 установлены с возможностью вертикального перемещения от поворота коробов и выталкивающего усилия (Архимедовой силы).
Направляющие 9 выполнены в виде уголков, прикрепленных к стенкам ванны. По торцам поплавков 10 в углублениях стенок ванны размещены вертикальные лепестковые уплотнители из резины. Приточный поплавок 10 имеет сквозное наклонное в сторону зеркала ванны отверстие 11, выход которого может быть выполнен в виде диффузора.
При открывании коробов 5 отверстия 11 поплавков 10 совпадают с отверстиями приточного и вытяжного воздуховодов 2 и 3.
Поплавки 10 выполняются из легкого вспученного материала с закрыты порами типа пенопласта или металлическими пустотелыми. Объемный вес поплавков составляет 0,1-0,5 удельного веса технологической жидкости. Высота поплавков (глубина погружения) выбирается так, чтобы вес вытесненной ими технологической жидкости при ее крайнем нижнем уровне и верхнем положении поплавков 10 превышал вес поплавков. В таком случае поплавки будут прижиматься (выталкиваться) с расчетными усилиями к торцу открытых коробов 5 при нижнем уровне жидкости.
Поворот коробов 5 и их фиксация в открытом положении осуществляется с помощью гидроцилиндров 15 через рычаги.
Устройство работает следующим образом. При закрытом положении коробов 5 их вытяжные отверстия 12 подсоединены к воздуховодам 2 и 3, вследствие чего воздух из одного короба 5 поступает в другой и подсасывает вредности через зазор между ними, и отверстия 12, При этом приточный и вытяжной поплавки 10 под действием массы коробов 5 частично притоплены в рабочую жидкость и не мешают вентиляции ванны и проведению технологического процесса.
При открывании коробов 5 поплавки 10 под действием выталкивающих усилий жидкости поднимаются по направляющим 9 до упора с торцами коробов 5 и перекрывают продольные щели 6, сквозные отверстия 11 поплавков 10 совмещаются с отверстиями приточного и вытяжного воздуховодов 2 и 3. Накопившаяся при затоплении поплавков 10 рабочая жидкость из отверстий 11 благодаря их наклону в сторону зеркала ванны выливается. Приточный воздух вырывается через сквозное отверстие 11 поплавка 10 налипающей струей по поверхности рабочей жидкости и, дойдя до противоположной стенки ванны, всасывается вытяжным воздуховодом 3 через сквозное отверстие 11 поплавка 10. На рис. 1.3-1.4 приведена конструкция местного отсоса без применения направляющих 9 (см. рис. 1.1-1.2).
Устройство содержит вытяжной 1 и приточный 2 воздуховоды, расположенные вдоль бортов промышленной ванны 3, створки 4 и 5, шарнирно соединенные с патрубками воздуховодов и снабженные уплотнителем из эластичного материала. Створки выполнены с продольной целью 7 по всей длине ванны с возможностью подключения к вытяжному 1 и приточному 2 воздуховодам. На нижней стенке 8 створок размещены вытяжные отверстия 9, а на верхней - уп-лотнительная планка 10.
Алгоритмы решения уравнений математической модели распределения стационарных воздушных потоков в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией
Для вычислительной реализации полученной математической модели структуры и распределения потоков воздуха в производственных помещениях разработан вычислительный алгоритм, в основе которого лежит конечно-объемная схема дискретизации исходных дифференциальных уравнений. Пространственная аппроксимация отдельных членов уравнений производится на сетке, на которой скалярные переменные определяются в центрах ячеек, а компоненты вектора скорости на гранях ячеек. Конвективные члены уравнений аппроксимируются противопоточными разностями, а вязкие - центральными разностями второго порядка.
Введем в расчетной области прямоугольную сетку, состоящую из множества точек Хм = Xt + ht в соответствии с декартовой системой координат, рис. 1.
Перейдем к операторной форме уравнение модели. Обозначим все конвективные и диффузионные слагаемые системы уравнений с помощью оператора Gt\yi). Тогда в символической форме дискретная схема этих уравнений запишется в виде:
Для получения замкнутой системы уравнений необходимо иметь дополнительное уравнение для определения давления. Так как искомая скорость V"+l должна удовлетворять не только уравнениям движения, но и уравнению неразрывности на (п + 1) шаге: что можно использовать для получения недостающего уравнения для давления при помощи алгоритма SIMPLE [50].
На первом этапе по известным с предыдущего шага значениям скоростей V" вычисляются значения величин Gt\V ). На втором этапе рассчитывается поле давления Рп+Х. На третьем этапе по найденному полю давления Р"+1 и скорости V" рассчитывается поле скорости V"+l на (и+1) шаге. Далее эта процедура повторяется до получения сходящегося решения.
В силу сложностей согласования полей скорости и давления, численный алгоритм конечно-разностной схемы удобно реализовать на разностной сетке с разнесенной структурой расположения сеточных узлов. Это означает, что зависимые переменные скорость и давление определяются в разных узлах сетки. Конечно-разностные аналоги уравнений модели будем строить на пятиточечном шаблоне в соответствии с известной схемой «крест» [73]. Схема расположения ячеек и узлов аналогична схеме метода MAC [8, 70, 86, 87].
В узлах основной сетки расположены сеточные функции давления Р,.. Сеточные функции компонентов скорости находятся на серединах граней контрольных объемов, то есть в узлах вспомогательных полуцелых сеток. Шаги сеток могут быть как равномерными, так и переменными в обоих направлениях.
Внешние границы расчетной области выбираются с учетом совпадения граней внутренних приграничных ячеек с физическими границами области, где задаются граничные условия для компонентов скорости. При таком подходе сеточные функции давления находятся внутри расчетной области и не попадают на физическую границу, что позволяет согласовать поля скорости и давления.
При дискретизации рассматриваемых уравнений конечно-разностные аналоги по пространственным переменным для соответствующих производных, входящих в исходную систему уравнений, центрируются в соответствии с выбранным шаблоном. Выражения для конечно-разностных аналогов соответствующих слагаемых двухмерных уравнений движения приведены в работах [8, 86]. Составляющие с градиентом давления вычисляются с помощью односторонних разностей:
В разрабатываемой модели для расчета течения воздуха со сложной структурой используется набор сеток, каждая из которых пересекается с одной или несколькими сетками этого набора. Число ячеек в каждом направлении также не связаны жестко друг с другом. Обмен данными между сетками осуществляется через их общие узлы.
Сетка у границ строится таким образом, чтобы обеспечить пространственное разрешение, необходимое для расчета турбулентного пограничного слоя в областях высоких градиентов скоростей воздушных потоков. В областях, удаленных от границ, требуемое разрешение может быть существенно уменьшено введением сетки, имеющей меньшее количество узлов.
Решение каждого из уравнений для набора пересекающихся сеток выполняется в следующей последовательности: для всех областей определяются значения зависимых переменных в связанных ячейках, коэффициенты и источниковые члены уравнений; вычисляются приращения в связанных ячейках и делается одна итерация. Процедура повторяется до достижения некоторого заданного критерия сходимости во всех областях; определяются новые значения переменных и осуществляется переход к следующему уравнению.
Критерием окончания итеративного процесса служит условие, когда максимальная относительная разность между значениями искомых переменных на предыдущей и следующей итерации не превышает заданную величину ошибки є, то есть
Структура и распределение стационарных воздушных потоков производственном помещении с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией с четырьмя линиями технологического оборудования
Математическая модель, разработанная во второй главе была использована для расчета физических полей воздушных потоков, сформированных системами местной и общеобменной вентиляции производственно помещения с четырехрядным размещением технологического оборудования в двухпролетном цехе. Исследования проводились в помещении шириной 36 м и высотой 12 м, см. рис. 3.18. В помещении размещено четыре технологических линии. Воздух подавался в проходы между технологическими линиями воздухораспределителями. Удаление воздуха осуществлялось двухсторонними бортовыми отсосами от технологического оборудования и в двух местах из верхней зоны помещения. Исследовались воздушные потоки при высоте размещения воздухораспределителей 0,4/z, 0,6/z и 0,8/г и кратность воздухообмена 10 ч"1, 16 ч"1 и 24 ч"1.
В помещение подавался воздух в объеме 4432 м /ч на 1 м длины помеще-ния. Из двух точек верхней зоны удалялось 432 м /ч на 1 м длины помещения. От четырех линий технологического оборудования двухсторонними бортовыми отсосами удалялось по 1000 м3/ч на 1 м их длины. Результаты моделирования процессов вентиляции приведены нарис. 3.19-3.23. Анализ структуры потоков воздуха при подаче приточного воздуха с отметок 0,4/z, 0,6/z и 0,8/г над уровнем пола показывает, что у каждого воздухораспределителя образуются циркуляционные зоны (см. рис. 3.9а, 3.96, 3.19в). Также как и в однопролетном цехе приточные прямоугольные струи от взаимодействия с поверхностью пола переходят в веерные. Картина подтекания воздушных потоков к всасывающим отверстиям местных отсосов и всасывающим отверстиям общеобменной вентиляции аналогична цеху с двухрядным расположением технологического оборудования.
В верхней зоне помещения образуется зона со слабой диссипацией кинетической энергии воздушных потоков (см. рис. 3.21, 3.23). Наиболее равномерное распределение скорости воздуха в рабочей зоне наблюдается при подаче приточного воздуха с отметки 0,8/г над уровнем пола (см. рис. 3.22а). Скорость образования турбулентной кинетической энергии воздушных потоков при воздухообмене 10 ч"1 и размещении воздухораспределителей: на высоте 0,8/г составляет от 0 до 0,01781 м2/с2; 0,6/г-от Одр 0,0164 м2/с2; 0,4/г -от 0 до 0,0159 м2/с2. Моделировался следующий воздухообмен: в помещение подавался воздух в объеме 6912 м3/ч на 1 м длины помещения. Из верхней зоны удалялось 2912 м /ч на 1 м длины помещения. От четырех линий технологического обору-дования двухсторонними отсосами удалялось по 1000 м /ч на 1 м их длины. Результаты моделирования приведены на рис. 3.24 - 3.27, которые показывают, что структура воздушных потоков мало изменилась по сравнению с воздухообменом кратностью 10 ч"1. Наблюдается более интенсивная циркуляция воздушных потоков. Оси приточных струй изгибаются по направлению к всасывающим отверстиям бортовых отсосов при подаче приточного воздуха с отметок 0,6/z и 0,8/z. При подаче приточного воздуха с отметки 0,4/7 прямоугольные струи переходят в веерные при соприкосновении с поверхностью пола.
В крайних пролетах происходит торможение приточных струй от взаимодействия с обратными потоками, вызванными воздействием ограждающих конструкций (см. рис. 3.25а, 3.256, 3.25в). С увеличением кратности воздухообмена нарушается равномерное распределение скорости воздуха в рабочей зоне (см. рис. 3.27а, 3.276, 3.27в). Моделировался следующий воздухообмен: в помещение подавался воз-дух в объеме 10368 м /ч на 1 м длины помещения. Из верхней зоны удалялось 6368 м3/ч на 1 м длины помещения. От четырех линий технологического обору-дования двухсторонними отсосами удалялось по 1000 м /ч на 1 м их длины. Результаты моделирования приведены на рис. 3.28 - 3.31. Из результатов моделирования следует, что при организации воздухообмена по схеме: подача приточного воздуха с отметки 0,4/z и удалении загрязненного воздуха через бортовые отсосы и из верхней зоны и кратности 24 ч"1. В центре помещения кроме веерной струи у поверхности пола образуются два циркуляционных кольца с меньшей интенсивностью циркуляции, чем вблизи крайних пролетов (см. рис. 3.28в). При такой организации воздухообмена происходит унос вредных веществ от технологического оборудования в рабочую зону помещения. Эффективность местного отсоса зависит от интенсивности воздушных потоков. В системе происходит «короткое замыкание» приточного устройства на устройство вытяжка (местные отсосы) (см. рис. 3.28а, 3.286, 3.28в, 3.29), что является главным фактором снижения эффективности воздухообмена. Показатель скорости замены воздуха будем минимальным, т.е.
Структура и распределение стационарных воздушных потоков в производственном помещении при двадцатичетырехкратном воздухообмене
На основе разработанной математической модели и программы расчета на ЭВМ впервые установлено распределение и структура потоков воздуха в поперечном сечении однопролетных и двухпролетных производственных помещений производств с двух и четырехрядным размещением технологического оборудования, двухсторонними отсосами при рассредоточенной подаче приточного воздуха с отметок 0,4/z, 0,6/г и 0,8/г от уровня пола, кратности воздухообмена 10 ч"1, 16 ч"1 и 24 ч"1 и удалении загрязненного воздуха из верхней зоны помещения, позволяющие оценить воздействие потоков на подвижность воздуха рабочей зоны.
С помощью разработанной математической модели впервые произведен расчет физических полей воздушных потоков, сформированных системами местной и общеобменной вентиляции, позволяющей выбрать систему воздушных потоков в помещениях, наиболее эффективно использующую приточный воздух и повысить эффективность действия вентиляции.
Представлен анализ векторного поля скоростей воздушных потоков при рассредоточенной подаче приточного воздуха на различных высотах от уровня пола с различной кратностью воздухообмена, двух и четырехрядным размещением технологического оборудования в поперечном сечении помещения, который показал, что распределение воздушных потоков и их структура не зависят от количества линий технологического оборудования.
Выполненные расчеты расчет физических полей воздушных потоков и анализ скорости образования турбулентной кинетической энергии воздушных потоков показали, что полного общего перемешивания потоков в помещении не происходит даже при сравнительно высокой кратности воздухообмена 24 ч"1. Образуются лишь характерные области потоков воздуха с разной интенсивностью движения.
Исследования картины распределения воздушных потоков и их структуры показали, что при всех вариантах подачи приточного воздуха по обе сто роны от нисходящих приточных струй образуются зоны циркуляции, размер которых по горизонтали равен половине расстояния между воздухораспределителями, а по вертикали - высоте установки воздухораспределителей. Вдоль стен помещения во всех случаях образуется низкоскоростной восходящий воздушный поток, направленный к местам удаления воздуха в верхней зоне помещения. Каждому варианту раздачи приточного воздуха соответствует свое распределение воздушных потоков и свой массообменный процесс.
Анализ распределения воздушных потоков показывает, что у боковых стенок технологического оборудования образуются вихревые потоки. Во всех вариантах наблюдается отклонение оси приточных струй к области всасывания местных отсосов. При подаче воздуха с отметки 0,47? наблюдается «короткое замыкание» между приточным устройством и местным отсосом в результате чего приточный воздух проступает не в рабочую зону, а к местным отсосам и удаляется ими. Полученные результаты впервые показывают, что при расчете местных отсосов необходимо учитывать турбулентную кинетическую энергию воздушных потоков в помещении.
Исследование и анализ подвижности воздуха в рабочей зоне помещений при кратностях воздухообмена 10 ч"1, 16 ч"1 и 24 ч"1 и подаче приточного воздуха с отметок 0,4/г, 0,6/2 и 0,8/г от уровня пола показали, что наибольшая равномерность распределения подвижности воздуха в рабочей зоне отмечается при подаче приточного воздуха с высоты 0,8/2 от уровня пола помещения.
Получена аналитическая зависимость подвижности воздуха в рабочей зоне помещения от кратности воздухообмена дл всех исследованных вариантов как для однопролетного так и для двухпролетного производственного помещения.
Разработка энергоэффективных схем организации воздухообмена в производственных помещениях с местной вытяжной и общеобменной вентиляцией требует учета характера движения воздуха в помещении, который зависит от выбранного типа воздухораспределения и условий производства. Стоимость и трудоемкость исследований воздухообмена в натурных условиях или на воздушно-тепловых моделях очень высоки, поэтому для решения этой задачи использовался метод математического моделирования (см. гл. 3).
В настоящее время уже известны подобные программные продукты, разработанные в СПбГАСУ для численного моделирования аэрации корпуса электролиза алюминия, позволяющие установить характер движения воздуха в сечении модуля корпуса [28, 35]. Разработанная нами математическая модель и программа, в отличие от известных, позволяют получить устойчивое решение в зонах больших градиентов скоростей течений воздуха вблизи бортовых отсосов (см. гл. 3). При помощи разработанной программы изучалось распределение двухмерных стационарных воздушных потоков в поперечном сечении цеха с местными отсосами с целью определения влияния способа подачи приточного воздуха на структуру воздушных потоков.
В качестве объекта исследования рассмотрено двухмерное сечение цеха с технологическим оборудованием наружных размеров: ширина - 1100 мм и высота — 1000 мм. Оборудование размещалось в два ряда в поперечном сечении цеха и оборудовано двухсторонним бортовым отсосом. Помещение цеха имеет ширину 18,0 м и высоту 12,0 м. Расчетная кратность воздухообмена составляла 10 ч"1. Температура ограждающих конструкций помещения и приточного воздуха принята равной 18С.
Исследовалось три варианта подачи приточного воздуха на высоте 0,8/z (9,6 м) от пола: плоскими струями с подачей воздуха вертикально вниз; неполными веерными струями с использованием перфорированного воздуховода круглого сечения, углом раскрытия струи 45 и подачей воздуха вниз; плоскими струями с подачей воздуха вертикально вниз по центру помещения и под углом 20 к вертикали по сторонам помещения.
