Обоснование выбора способа тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

в производственных помещениях, где основной целью воздухообмена является ассимиляция вредностей от технологического оборудования. Однако в жилых, общественных и административных зданиях и помещениях нам представляется целесообразным приводить затраты энергии/эксергии в расчете на одного человека.

Во втором случае сравнение может производиться на основе энергетического и эксергетического КПД. Данное сравнение связано с необходимостью выбора принципа определения КПД применительно к рассматриваемым системам. В этом случае совершенство способа обработки воздуха определяется отношением эксергетических характеристик реального процесса и его идеализированного аналога.

В последнее время отмечается мировая тенденция, направленная на сокращение затрат энергии во всех сферах деятельности. Не являются исключением и рассматриваемые в данной статье системы вентиляции и кондиционирования воздуха.

Применяются разнообразные методы и способы, направленные на сокращение количества потребляемой энергии: утилизации тепла (рециркуляция, рекуперация); различные методы снижения затрат энергии, связанные с режимом работы оборудования; новейшие системы автоматизации. Производители оборудования конкурируют в области снижения затрат потребляемой энергии. Однако все эти меры можно отнести к категории технических средств.

Необходимой является информация об эффективности использования энергии для каждого конкретного способа поддержания микроклимата и сравнение этих способов по некоторому общему объективному показателю. Необходим некоторый эталон, с которым будет производиться сравнение. В качестве эталона может быть предложен идеализированный аналог, то есть минимальное количество энергии, которое будет затрачиваться при осуществлении мер по поддержанию внутреннего микроклимата помещений.

В [2] предложен идеализированный аналог для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. При формировании аналога принято: в холодный период года - потери тепла и в теплый период - поступления тепла через ограждающие конструкции равны нулю. Минимальные затраты энергии связаны с потребностью в свежем приточном воздухе (его количество определяется, исходя из санитарной нормы) и необходимостью обработки этого воздуха (нагрев в холодный период и охлаждение в теплый). Таким образом, работа систем поддержания внутреннего микроклимата зависит не от технических характеристик зданий, а от температуры внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха и количества людей, находящихся в помещении.

В работе подробно рассмотрен расчет энергетических затрат на отопление жилых зданий, методика расчета величины минимально необходимых затрат на отопление и вентиляцию, приведены минимальные годовые затраты тепла (для идеализированного аналога) для некоторых городов России. Зная последние и фактические затраты, можно определить энергети-

ческий и эксергетический КПД систем отопления и вентиляции. Однако системы кондиционирования не были рассмотрены так подробно. Для данной отрасли техники, как отмечают авторы, лишь предложен возможный способ оценки количества потребляемой энергии.

Необходимо задаться некоторыми условиями: район строительства; параметры наружного воздуха; назначение помещений; параметры внутреннего воздуха; количество людей, находящихся в помещении; необходимый объем свежего приточного воздуха. Исходя из принятых условий, можно определить количество затрачиваемой энергии для идеализированного аналога и для сравниваемого варианта, далее вычислить его энергетический и эксергетический КПД по выражениям:

^от _ Чтт.

Qреал

у.от _ Ет1п

Чэкс ~ р ■

преал

Энергетический и эксергетический анализ в ряде случаев может дать существенный практический эффект. Однако результаты термодинамической и технико-экономической оценки в общем случае не совпадают, в конечном счете, для практики решающей является оценка результатов, полученных при технико-экономическом сравнении. Изменить подобную практику, как одно из решений, может смена принципов тарифообразования. В настоящее время потребитель, приобретая энергию, не заинтересован в её эффективном использовании с учетом потенциала. А производители энергии не делают различия при поставке её разного качества. Так, в Иркутской области стоимость высокопотенциальной электрической энергии сопоставима со стоимостью тепловой энергии, отпускаемой по тепловым сетям; стоимость тепловой энергии не зависит от графика подачи тепла и одинакова как при графике 150/70 (из подающей в обратную магистраль), так и 70/40 (из обратной в обратную магистраль). Изменение подобной практики должно увеличить эффективность использования энергии как в жилищно-коммунальном хозяйстве, так и в целом по стране, переведя энерго- ресурсосбережение на более высокий и качественный уровень.

В ходе эксплуатации в систему, образованную центральным кондиционером, поступают и выходят потоки вещества, теплоты и работы. В общем виде эксергетический баланс записывается так [3]:

£ Е- + £ Еч + £ Ь' = £ Е-' + £ Е^ + ДЕ + £ Ь'' + £ О , где £ Е £ Е; - эксергия входящих и выходящих потоков воздуха; £Еф £Е ^ - эксергия входящих и выходящих тепловых потоков; £ Ь', £Ь'' - потоки работы, входящие и выходящие из УКВ; £О - потери эксергии от необратимости.

Рассмотрим наиболее распространенные компоновочные схемы центральных УКВ с составлением баланса энергии/эксергии в них. Подбор установок был проведен для следующих условий: район строительства - г. Иркутск; количество обрабатываемого воздуха - 6000 м3/ч (обеспечение санитарной нормы для 100 человек, постоянно пребывающих в помеще-

нии); потери давления в вентиляционной сети - 200 Па; выходные параметры воздуха соответствуют оптимальным параметрам внутреннего воздуха (табл. 1). В качестве оборудования используются УКВ производства компании ВТС.

воздуха или температуры смеси наружного и рециркуляционного воздуха до температуры приточного воздуха или температуры, необходимой для его дальнейшей тепловлажностной обработки. В обоих случаях воздух, подвергающийся нагреву, имеет низкие

Таблица 1

Характеристики наружного и внутреннего воздуха [4-5]

Период Барометрическое давление, кПа Параметры наружного воздуха Параметры внутреннего воздуха

Температура, °С Энтальпия, кДж/кг Температура, °С Относительная влажность, %

Холодный 95 -36 -36,1'' 20-212 30-45

Теплый 25,6 55,93 22-254 30-60

1 Вычислено при ¡р=78% - среднемесячной относительной влажности воздуха в 15 ч наиболее холодного месяца.

2Данный спектр температур охватывает жилые помещения и помещения категорий 1, 2 и 3а общественных зданий.

3Вычислено при ¡р=58% - среднемесячной относительной влажности воздуха в 15 ч наиболее теплого месяца.

4Данный спектр температур охватывает помещения как жилых, так и общественных зданий.

Таким образом, для холодного периода года наиболее экономичным вариантом будут являться параметры микроклимата ^=20 °С и ф=30 %, а для теплого периода - ^=25 °С и ф=58 %.

Условно принимаем, что в помещении отсутствуют другие поступления тепла, влаги и вредностей, кроме как от присутствующих в нем людей, занимающихся легкой работой. Тогда явные и полные тепло-поступления в помещение будут соответственно равны в холодный период - 10 кВт и 15 кВт, а в теплый период - 6,5 кВт и 14,5 кВт. Поступления влаги будут равны 7,5 кг и 11,5 кг для холодного и теплого периодов соответственно [5]. Угловой коэффициент луча оп

процесса е = ^ равен: для холодного периода - 7200

кДж/кг, для теплого - 4540 кДж/кг. Перепад температур между внутренним и приточным воздухом принимаем равным 1 °С (минимальное отклонение при размещении людей в зоне прямого воздействия и обратного

Таблица2

Технические данные вентиляционных установок, оснащенных _воздухонагревателями различных типов__

Параметр Вентиляционная установка с электронагревателем Вентиляционная установка с водяным нагревателем

Граничные потери давления воздуха в фильтрующей секции, Па 11-150 11-150

Потери давления воздуха в нагревателе, Па 14 30

Потребляемая мощность нагревателя, кВт 55,28 55,46

Падение давления теплоносителя, кПа - 0,68

Параметры теплоносителя, °С - 150/70

Расход теплоносителя, м3/ч - 0,59

Потребляемая мощность электродвигателя вентилятора, кВт 0,493 0,515

Потери давления воздуха в шумоглушителе, Па 11 11

температуру и влагосодержание. В процессе нагрева повышается температура воздуха, а его влагосодержание не изменяется. В настоящее время наибольшее распространение получили три способа нагрева воздуха:

■ с помощью жидкостного воздухонагревателя (источником энергии служит тепловая сеть);

■ с помощью электрического воздухонагревателя;

■ с помощью теплообменника прямой конденсации.

Данные процессы характеризуются различной энергетической эффективностью и имеют сходные области применения.

Для прямоточной обработки воздуха чаще всего применяется следующий тип установки, включающий в себя воздушный клапан, фильтр, воздухонагреватель, вентилятор и шумоглушитель (рисунок). Технические данные установки приведены в табл. 2.

потока приточной струи), следовательно температуры воздуха на выходе из УКВ будут равны 19 °С для холодного периода и 23 °С - для теплого (для теплого периода учитывается нагрев в 1°С при транспортировке воздуха от УКВ до обслуживаемого помещения).

Самый распространенный процесс обработки воздуха в установках систем вентиляции и кондиционирования - это его нагрев от температуры наружного

Рассмотрим распределение затрат энергии в данных вентиляционных установках. За температуру окружающей среды примем температуру наружного воздуха, тогда эксергия забираемого снаружи воздуха будет равна нулю. В случае с применением электрического нагревателя, вся подводимая к установке энергия является эксергией. И ее затраты равняются

Компоновка прямоточной вентиляционной установки, оснащенной

воздухонагревателем

55,773 кВт. В случае с водяным нагревом, затраты эксергии состоят из двух слагаемых:

— затраты электрической энергии (эксергии) на привод вентилятора, равные 0,515 кВт;

— затраты эксергии воды, поступающей из тепловой сети:

Ee = Q(

Тв -То.

= 55,46-

■ = 2 4,38 7 кВт.

Тв ' 292

Суммарные затраты эксергии в данном случае составят 24,902 кВт.

В результате данных расчетов мы видим, что сопоставимые при традиционном подходе мощности установок (55,773 и 55,975 кВт) имеют значительные

расхождения по энергоэффективности при сравнении их эксергетических характеристик (55,773 и 24,902 кВт).

Разница эта ещё более возрастает при способе подачи энергии из обратной в обратную тепловую магистраль - 55,773 и 17,693 кВт. Использование в воздухонагревателях систем вентиляции и кондиционирования воздуха тепловой энергии, обладающей меньшей работоспособностью (ценностью) по сравнению с электрической, позволяет существенно увеличить эксергетический КПД данных систем, и, в конечном счете, более эффективно использовать энергетические ресурсы.

Библиографический список

1. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / Бродянский [и др.]; под. ред. Долинского А. А., Бро-дянского В. М. Киев: Наукова думка, 1991. 360 с.

2. Степанов В. С., Степанова Т. Б. Эффективность использования энергии. Новосибирск: Наука, 1994. 257 с.

3. Szargut J. International progress in second law analysis // Energy. 1979. 5, №8. - 9. P. 709 - 718.

4. Строительная климатология. СНиП 23-01-99*. Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу (ГОССТРОЙ РОССИИ). М., 2003.

5. ГОСТ 30494-96. Межгосударственный стандарт. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

6. Межгосударственная научно-техническая комиссия по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС), М.: Изд-во стандартов, 1996.

7. Внутренние санитарно-технические устройства. Отопление: справ. для студентов вузов, обучающихся по строительным специальностям: в 3 ч. / В.Н. Богословский [и др.]. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1990. Ч. 1. 344 с.

УДК 629.113.001

К ВОПРОСУ О ТЕСТОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ А.И. Федотов1, Е.М. Портнягин2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматривается процесс диагностирования, описываются его составляющие. Отдельное внимание уделено тестовому воздействию на объект диагностирования, поскольку данная составляющая схемы процесса научно не обоснована. Приведены примеры тестовых воздействий, их выбор и влияние выбора на результат постановки диагноза.

Ил. 8. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: диагностирование; тестовое воздействие; диагностический параметр.

ON THE TEST EFFECTS ON THE OBJECT OF DIAGNOSIS A.I. Fedotov, E.M. Portnyagin

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article examines the process of diagnosis, describes its components. Special attention is paid to the test effects on the object of diagnosis, since this component of the flow chart has not been proved scientifically. The authors provide examples of test effects, their choice and the influence of the choice on the diagnosis result. 8 figures. 7 sources.

Key words: diagnosis; test effect; diagnostic parameter.

Непрерывное усложнение конструкции технических объектов выводит на новый уровень требования, предъявляемые к процессам их диагностирования в условиях эксплуатации. Процесс диагностирования сложных технических объектов обычно включает тестовое воздействие (рис. 1), при котором они функционируют на характерных режимах. При этом измеряются диагностические параметры, которые связаны с параметрами их технического состояния. Постановка диагноза осуществляется посредством сравнения измеренных значений диагностических параметров с нормативными значениями.

Процесс установления и измерения диагностических параметров достаточно хорошо изучен, и как правило, не вызывает проблем. Разработаны требования к диагностическим параметрам: чувствительность, однозначность, стабильность, информативность - они достаточно хорошо структурированы [1].

Обработка диагностической информации также хорошо проработана как теоретически, так и экспериментально. Существует большое число традиционных высокоэффективных методов обработки диагностической информации, в том числе выделение экстремумов, фильтрация широкополосных сигналов, преобразование Фурье и многие другие.

Не обойдена вниманием исследователей и заключительная часть процесса диагностирования сложных объектов - постановка диагноза. Наряду с традицион-

ными методами применяются и самые "молодые", основанные на использовании методов нечеткой логики или нечетких множеств, а также экспертных и нейронных сетей [2].

Диагностические параметры

Диагностические нормативы

ДИАГНОЗ

Рис. 1. Схема процесса диагностирования сложного объекта

Не нашла единого научного обоснования только "вершина" схемы процесса диагностирования (см.

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405853, 745582, e-mail: fai@istu.edu

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405853, 745582, e-mail: fai@istu.edu

2Портнягин Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405136, 89501206161, e-mail: gekk@inbox.ru

Portnyagin Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405136, 89501206161, e-mail: gekk@inbox.ru

рис. 1) - тестовое воздействие на объект. Каждый исследователь и учёный трактует понятие "тестовое воздействие" по-своему, точно также, по-своему, и подбирает тестовое воздействие для диагностирования того или иного объекта.

К примеру, диагностирование топливных насосов высокого давления (ТНВД) принято производить на специализированном стенде, где, дискретно изменяя частоту вращения, измеряются диагностические параметры "объемы цикловой подачи каждой секцией ТНВД". Стенды реализуют статический метод диагностирования. При этом количество дискретных значений частоты вращения вала ТНВД, при которых выполняют измерения цикловой подачи каждой секцией, определяется формой его внешней скоростной характеристики (рис. 2).

Статический метод диагностики ТНВД весьма трудоемок и имеет низкую информативность. В условиях эксплуатации каждый четвертый, отрегулированный на стенде ТНВД, требует донастройки на автомобиле, либо ремонта. Этот факт лишний раз подтверждает, что существующие статические методы диагностирования не учитывают динамику реальных процессов функционирования сложных технических объектов.

Ещё одним ярким примером трудоемкого статического метода является диагностирование аппаратов пневматического тормозного привода (ПТП) на стенде К-245. В процессе диагностирования на входе аппарата ПТП дискретно устанавливают заданные значения давления в режиме его наполнения, а затем опорожнения. При каждом установленном значении входного давления измеряется давление на выходе аппарата ПТП (рис. 3). Метод требует больших затрат труда и времени. Наибольшие потери времени при реализации данного метода связаны с обеспечением точности установления давления на входе в диагностируемый пневмоаппарат.

Известны попытки снижения потерь времени при реализации статического метода за счет отказа от установления дискретных значений давления на вхо-

де диагностируемого пневмоаппарата. На рис. 4 приведены результаты реализации псевдостатического метода диагностирования аппаратов ПТП. Для их получения авторы изменяли давление на входе пневмоаппарата непрерывно (как в режиме наполнения, так и в режиме опорожнения), но с очень малым темпом 0,05 МПа/с [6].

На рис. 4,а представлена псевдостатическая характеристика исправного пневмоаппарата, на рис. 4,6 представлена псевдостатическая характеристика пневмоаппарата с повышенным трением большого поршня, на рис. 4,е представлена псевдостатическая характеристика пневмоаппарата с повышенным трением малого поршня, на рис. 4,г представлена псевдостатическая характеристика пневмоаппарата с повышенным трением между поршнями.

Псевдостатические методы позволили несколько сократить время диагностирования сложных объектов, но не отразились на информативности диагностики, и она по-прежнему осталась невысокой. Общим недостатком описанных методов является то, что в процессе диагностирования не оценивается механизм реакции объекта (ТНВД или ПТП) на входное динамическое воздействие. То есть, неизвестно, как проявит себя объект, если скорость изменения управляющих команд будет изменяться так же, как они изменяются в условиях эксплуатации. Зачастую сложный технический объект безукоризненно отрабатывает статические (и псевдостатические) тестовые воздействия, но при этом крайне плохо функционирует в динамике [3].

Важным шагом в эволюции тестовых воздействий на объект стали динамические воздействия, породившие, в свою очередь, новые динамические методы диагностирования. Яркими примерами динамических методов диагностирования являются:

> метод определения мощности двигателя внутреннего сгорания по его разгонной характеристике В.М. Лившица [4];

> метод диагностирования тормозных систем автотранспортных средств на инерционных роликовых

250

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

частота вращения, [об/мин]

Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика ТНВД автомобиля КамАЗ: 1 - режим пуска; 2 - холостой ход; 3-4 -зона работы антидымного корректора; 4 - режим максимального крутящего момента; 4-5 - зона работы прямого корректора; 5 - режим номинальной мощности; 6 - начало действия регулятора; 7 - полное выключение подачи

топлива

96

ВЕСТНИК ИрГТУ №5 (52) 2011