CC BY
36
АСУ, И 1НФОРМАЦ ИОННАЯ
■ТЕХНИК А И ТЕХНО. »НЕРГЕТИК Июшта»
УДК 696/697:681.5
ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУХЗОННЫХ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
ПОТАПЕНКО А.Н., БЕЛОУСОВ А.В., КОЛТУНОВ Л.И., ПОТАПЕНКО Е.А.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
В работе представлены основы математического моделирования двухзонных электрофильтров, включая постановку задачи определения электростатических полей с учетом особенностей их конструкции, дискретные модели исследуемого объекта, результаты численных расчетов с учетом изменения основных соотношений размеров электрофильтров и с определением рациональных соотношений их размеров. Также представлены некоторые особенности применения двухзонных электрофильтров в энергоэффективных вентиляционных системах в составе АСДУ инженерных систем зданий.
Одно из основных направлений решения проблем энергосбережения в существующих системах теплоснабжения зданий связано с реконструкцией элеваторных тепловых узлов, приточно-вентиляционных установок (ПВУ), тепловых завес и других инженерных систем зданий путем создания локальных систем автоматического регулирования (САР) и учета тепловой энергии на базе современного энергосберегающего оборудования [1]. При этом не менее важными являются вопросы обеспечения качества воздуха с учетом решения проблем энергосбережения в зданиях многочисленных мегаполисов с многомиллионным населением и в связи со сложной экологической обстановкой в них. В статьях Ю.А. Табунщикова (Россия) [2], ^ Ватт (Великобритання) [3], ^ Фитцнер (Германия) [4], Д. Еловитц (США) [5], П. Фангер (Дания) [6] и др., посвященных проблемам и перспективам развития систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) в XXI веке, вопросы технологии и технических решений, связанные с защитой окружающей среды и заботой о здоровье человека, ставятся на первое место.
В современных системах вентиляции и кондиционирования значительное развитие получили электростатические воздухоочистители, особенно в городах промышленно развитых стран, в которых уровень загрязнения воздуха находится вблизи опасной зоны с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) загрязнения воздуха. Электрические способы очистки воздуха используются в ПВУ офисных и другого назначения зданий [7], в производственных условиях для улавливания и очистки воздуха от сварочного дыма, пыли и др. твердых частиц
© А.Н. Потапенко, А.В. Белоусов, Л.И. Колтунов, Е.А. Потапенко Проблемы энергетики, 2006, № 5-6
при различных способах сварки [8], в зданияях аэропортов для повышении качества воздуха [9], в системах кондиционирования и вентиляции воздуха для «чистых помещений» и объектов здравохранения и др. В настоящее время не только в административных, но и в жилых помещениях, широко применяются автономные воздухоочистители в основном 4 видов [10]: электростатические заряженные фильтры, двухзонные электростатические фильтры, фильтры типа HEPA и фильтры с фотокатализатором, включающие помимо электростатической ионизации и систему фотокаталитической фильтрации. При этом важно отметить, что новые технологии очистки воздуха предоставляют совершенно новые возможности, причем электрофильтры не создают такого аэродинамического сопротивления, например, как волокнистые фильтры. Следует отметить, что в бывшем СССР еще в 60-е годы были разработаны и исследованы двухзонные электрофильтры для очистки воздуха в системах вентиляции зданий [11], однако в России они широко стали применяться только с конца 80-х годов и, в основном, в производственных условиях для улавливания и очистки воздуха от сварочного дыма, пыли и др., причем после появления на отечественном рынке двухзонных электрофильтров западных фирм. В последние годы электрофильтры этого типа (например, производства фирмы ООО «Элстат», г. Москва) используются как для очистки воздуха от сварочного дыма, так и для очистки приточного воздуха в помещениях административных зданий, на предприятиях сферы обслуживания и др. Кроме того, появились отечественные разработки на базе электростатических фильтров, позволяющие уничтожать микроорганизмы и вирусы в воздухе и обеспечивать стерильную зону вблизи рабочего места, и др. При этом необходимо отметить, что вопросы энергосбережения и обеспечения относительно высокого качества воздуха в помещениях зданий находятся в противоречии.
1. Основные особенности конструкции и схема модели двухзонного электрофильтра. Для построения математической модели рассмотрим основные особенности конструкции электрофильтра, изображенного на рис. 1.
t/. иг
V'
7
9 8
7ГТ
7
V
Л
Рис. 1. Основная схема конструкции двухзонного электрофильтра
Электрофильтр состоит из корпуса 1, с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которого установлены: ионизационная камера 4 (ионизатор), состоящая из параллельных заземленных пластин 5 и коронирующих электродов 6 между ними, а также осадительная камера 7 (осадитель), состоящая из набора параллельных чередующихся заземленных электродов 8 и потенциальных
электродов 9, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Высокое напряжение на коронирующие электроды 6 ионизационной камеры 4 подается от источника их, а на потенциальные электроды 9 осадительной камеры 7 - от источника и2. Ионизационная 4 и осадительная 7 камеры установлены на некотором расстоянии 8 между ними. Расстояние между заземленными пластинами 5 ионизационной камеры 4 равно Ь0. Коронирующие электроды 6 размещены относительно торца заземленных пластин 5, обращенных к осадительной камере 7, на расстоянии Ь. При этом длина Ьх заземленных пластин 5 связана с Ь0 соотношением Ьх > Ь0. Как правило, напряжение их больше, чем напряжение и2. Следует отметить, что количество электродов в ионизаторе и осадителе определяется типом электрофильтра. Коронирующие электроды в электрофильтрах выполнены из тонкой металлической проволоки [8, 12].
Основная схема для моделирования двухзонного электрофильтра с учетом симметрии исследуемой задачи показана на рис. 2. В этой схеме для моделирования неоднородных и неодномерных электростатических полей электрофильтра предусмотрена возможность изменения расстояния между ионизационной и осадительной камерами (8=уяг) по направлению потока воздуха и возможность перемещения коронирующего электрода по оси симметрии между заземленными пластинами ионизатора (Ьх=уаг) (см. рис. 1).
Г2 Г4
Г| Г, ч г5
Г || В(Г'< Го \ 0(Г,) Гб
Г.. к, п Г8 г7
Рис. 2 Схема для моделирования двухзонного электрофильтра
На рис. 2. приняты следующие обозначения:
• Гх - Гх1 - границы исследуемой области двухзонного электрофильтра, причем Г2, Г4, Г8 - граничные поверхности плоских электродов, соответственно, ионизационной и осадительной камер, а Кх — проволочный коронирующий электрод электрофильтра;
• -в(Г;) - исследуемая область двухзонного электрофильтра;
• -0(Г;) - некоторая область с границей Г0 в виде осажденного слоя, например, расположенного на заземленных пластинах осадительной камеры.
При моделировании двухзонного электрофильтра учитывается, что к электродам Кх и Г2 прикладывается напряжение их , а к электродам Г4 и Г8 - и2.
2. Постановка задачи определения электростатических полей электрофильтра. Для исследования особенностей распределения
электростатических полей в межэлектродных пространствах двухзонных электрофильтров приняты следующие допущения, позволяющие исключить из рассмотрения факторы, не оказывающие существенного влияния на общий характер исследуемого процесса и характерные для этих типов электрофильтров:
• исследуется плоскопараллельное электрическое поле с учетом симметрии этих электрофильтров и в соответствии с особенностями конструкций;
• в случае учета осажденного слоя пыли на электродах предполагается, что этот слой имеет одинаковую толщину Их и характеризуется диэлектрической проницаемостью єх [13];
• предполагается, что концентрация дисперсной фазы в межэлектродном промежутке достаточно мала [14], и ее влиянием на характеристики коронного разряда можно пренебречь [13].
Одна из важных задач при исследовании особенностей двухзонных электрофильтров связана с определением степени взаимного влияния расположения электродов в ионизационной и осадительной камерах на электростатическое поле в области -Й(Г;) с учетом расстояний между ионизационной и осадительной камерами.
Наибольшее практическое применение для расчета характеристик униполярного коронного разряда получил метод Дейча-Попкова, который основан на единственном дополнительном допущении, согласно которому при переходе от электростатического поля к полю с объемным зарядом расположение силовых линий поля остается неизменным.
При вычислении характера распределения электростатического поля в области -Й(Г;) не определяется плотность тока и зависимость между плотностью тока и напряженностью поля.
Предполагается, что осажденный слой толщиной Их на электроде Г4 имеет диэлектрическую проницаемость в1 (рис. 2). Область -0(Г;) имеет граничную поверхность с электродом Г4 и с воздушной средой в электрофильтре по границе Г0. При этом считается, что между электродами осадительной камеры размещены два диэлектрика, один - это осажденный слой с диэлектрической проницаемостью є1=єгє0, а второй - воздушная прослойка с є2=є0, где є0 -диэлектрическая проницаемость вакуума; єг - относительная диэлектрическая проницаемость слоя.
Для исследуемого плоскопараллельного электростатического поля уравнение Лапласа имеет вид
&*&■• '»
Краевые условия:
• на границах Гь Гз, Г5, Гб, Гп
д2 - о; (2)
д п
• на границах Г7, Г9, Г10 (ось симметрии)
д2 - о; (3)
д п
• на границах Г2, Г4, соответственно,
фг2 =0 и фГ4 =0; (4)
• на коронирующем электроде К1
фк1 =ф01; (5)
• на электроде Г 8
ф&2 =ф02; (б)
• на границе по контуру Г 0:
- равны тангенциальные составляющие поля в виде условия
Elt=E2t; (7)
- равны нормальные составляющие электрической индукции в виде условия
D1n=D2n> (8)
• на электродах К1 и Г8, соответственно,
S2E2Кi=^сbК; е2Е2П=^<сЬГ. (9)
Здесь ХсЬК и ХсЬГ - соответственно плотность свободного электрического заряда на электродах К1 и Г8; к и 1п - соответственно тангенциальные и нормальные компоненты этих векторов; Е2К1 и E2Гi - соответственно напряженность электрического поля по нормали к i - точкам электродов К1 и Г8.
Граничное условие (8) можно представить через потенциал ф:
,1 дг_=_г2 * (10)
д п 1 д п 2
Граничное условие (9) на электродах К1 и Г8 можно представить через потенциал ф, соответственно, в виде:
дф ^ сЬК Зф ^ сЬГ
я = — ; я = . ( )
ОН 8 2 ОН 8 2
Здесь ei с индексом 1 относится к осажденному слою на электроде, а с индексом 2 - ко второму диэлектрику.
В случае отсутствия осажденного слоя D(Гi) поле потенциала ф определяется из уравнения (1) с учетом граничных условий (2) - (6) и (11).
После определения поля электрического потенциала ф определяются компоненты напряженности поля Ех и Еу:
дх ’ у ду
Модуль напряженности поля | Е | в каждой /-ой точке исследуемой области определяется следующим образом:
Е =А/ Е2х + Е2у. (13)
Для оценки плотности электростатической энергии W, запасенной в любой зоне межэлектродного пространства двухзонного электрофильтра, можно использовать формулу
W=-2 8о8г1Е 2. (14)
Из условия (11) определяется величина плотности свободного электрического заряда на электродах К1 и Г8:
дф . дф
^сЬК =-82Т"—; ^сЪГ --82Т-. (15)
дп дп
Зная Лсе, можно вычислить другие линейные электрические параметры системы электродов электрофильтра, по аналогии с [15]. При этом величины заряда че и емкости се определяются при помощи следующих зависимостей:
Чв — ^ сЪ1; (16)
qe
св — и, (17)
где с0 - емкость, определенная при е2=е0. Значение с0 получается, когда во всех вычислениях, связанных с расчетом се , полагается ег=1.
Значения с0 и св будут отличаться только в том случае, если исследуемый электрод частично покрыт слоем пыли, т.е. часть его поверхности соприкасается с воздухом, а часть - с осажденным слоем, образующим дополнительную поверхность изолятора как и в случае, показанном на рис. 2, только применительно, например, к потенциальному электроду (граница Г8), находящемуся под высоким потенциалом фк2 =ф02. Тогда граничное условие на Г8 вместо (9) будет иметь вид
е2Е2п - е1Е1п=^сЪ. (18)
После перехода от напряженности поля к электрическому потенциалу ф условие (18) примет вид
81 £2 дн^-1 сь. (19)
д Н1 дп 2
Учитывая, что для осажденного слоя е1=е0ег , а для е2 при условии ег=1 (для воздуха) можно считать, что е2=е0 , тогда условие (19) представляется в виде
8 0
дп1 дп2
При определении электрических полей в межэлектродных пространствах двухзонных электрофильтров используется подход [16], основанный на применении прямой и обращенной моделей для плоскопараллельного электростатического поля с целью построения полной картины исследуемого поля электрофильтра в виде распределения эквипотенциальных линий ф и линий электрической функции потока V. Этот подход позволяет исследовать электрические поля электрофильтров при изменении расстояния между их камерами, при перемещении коронирующих электродов в ионизационных камерах, а также с учетом осажденного материала на электродах осадительных камер и при изменении количества электродов в них.
3. Дискретные модели исследуемого объекта. Для удобства записи краевых задач в дискретной области используются символические равенства типа Ьпф^=8,
где Ь - заданный линейный оператор дифференцирования, действующий на функции ф(х,у,1) и \{х,у,£) в заданных точках исследуемой области; £ - правая часть этого уравнения [17].
Представим задачу определения электростатического поля для двухзонного электрофильтра без учета осажденного слоя, по аналогии с [16].
3.1. Для определения потенциалов ф и эквипотенциальных линий используем прямую модель для плоскопараллельного поля. Уравнение Лапласа с учетом граничных условий для дискретной области Вй(ф) двухзонного электрофильтра в операторной форме запишем в следующем виде:
Ькф
с*};
Ьхх фтп + Ьууф тп — 0, (хт ,уп )е (ф),
фтп — Ъ1, (хт,уп)^ K1,
фтп — Ъ2, (хт,упГ8, (21)
фтп — 0, (хт ,уп)^ Г2,Г4,
Ьпфтп — 0, (хт,упГ1,Г3,Г5,Г6,Г11,
Ьххфтп + Ьууфтп — 0, (хт,уп)е Г7,Г9,Г10.
Здесь Ьхх=д1/дх2; ЬУУ=д2/ду2; Ьп=д/дп. Постоянные величины Ъ1 и Ъ2 в прямой и обращенной моделях одинаковые и определяются значениями потенциалов, которые прикладываются к электродам исследуемого электрофильтра.
Последнее уравнение системы (21) является условием симметрии и отличается от первого уравнения этой системы видом конечно-разностной аппроксимации Ь ууфпт. Особенность этого условия заключается в следующем: в отличие от уравнения Лапласа после его записи в конечных разностях необходимо учитывать, что потенциалы относительно плоскости симметрии равны друг другу.
Тогда в конечных разностях последнее уравнение системы имеет вид
ф1+1,} -2ф>,/ +ф>-1,/ + Ф>,/+1 - 2ф>,/ +ф>,/-1 — 0 (22)
к1 к1
Здесь к - шаг сетки в дискретной области В^(ф).
С учетом условия симметрии фу+1=фу-1 потенциал из уравнения (22) определяется из выражения
—( Фi+l,j+Фi-l,./ +2ф,]+1)/4. (23)
Кроме того, это условие может быть записано в виде Ьпфу=0, однако точность решения системы (21) в этом случае будет несколько хуже.
3.2. Обращенная модель исследуемого электрофильтра для определения электрической функции потока V и распределения равных линий этой функции для плоскопараллельного поля в виде операторных уравнений записывается следующим образом:
Lhv-J
Lxxvmn + Lyyvmn = 0, (xm ,yn)^ Bg( v)
Lnvmn = 0, (xm,yn^1,Г8,Г2,Г4,
vmn = b1,(xm,yn)^ Г1,Г10,Г11, (24)
vmn = b2, (xm ,yn) ^ Г9, vmn = 0, (xm,yn)^ Г3,Г5,Гб,Г7.
Из условия (11) можно определить распределение плотности свободного электрического заряда по поверхности электродов, например, по поверхности Г8 в виде
. ф,/+1— фи
^ и— к 80. (25)
Зная плотность свободного электрического заряда исследуемого объекта, можно определить другие линейные электрические параметры для электродных систем с использованием зависимостей (16) и (17).
Компоненты напряженности электрического поля с использованием конечных разностей определяются следующим образом:
E Vi+i,j -<Vi-i,j ; E <Vi,j+i-4i,j-i (2б)
Ex = 2h ’ Ey = 2h • <26)
Плотность электростатической энергии W, запасенной в любой зоне межэлектродного пространства двухзонного электрофильтра, определяется по формуле (14) с учетом | E |.
Задача определения поля электрического потенциала для двухзонного электрофильтра с учетом осажденного слоя записывается аналогичным образом.
4. Результаты численных расчетов двухзонных электрофильтров. Численные расчеты были выполнены с целью выявления основных особенностей плоскопараллельного электростатического поля исследуемых электрофильтров с учетом определения семейства эквипотенциальных поверхностей, распределения равных поверхностей электрической функции потока и поверхностей равных напряженностей поля Ei для двухзонного электрофильтра при 5=var и Lx=var, а также с учетом осажденного материала на электродах осадительных камер и при изменении количества электродов в них.
С учетом закона подобия и размерности, а также выбрав за базовые величины максимальную разность потенциалов между электродами Hm=9^2 и характерный размер моделируемого объекта L0, параметры исследуемого процесса в безразмерном виде - следующие:
ф* = Ф /Um; x = x/Lo; y = y/Lo.
Учитывая, что напряженность электрического поля определяется как
Ei = -grad ф, (27)
тогда в безразмерном виде компоненты напряженности электрического поля:
E x = ^*/Sx ; E y = -дф*/сУ . (28)
На рис. 3 показаны результаты расчета плоскопараллельного
электростатического поля для представления полной картины этого поля исследуемого электрофильтра; на рис. 3, а приведен пример характерного распределения семейства эквипотенциальных поверхностей этого поля, полученных на основе прямой модели (см. систему уравнений (21)); на рис. 3, б приведен пример характерного распределения равных поверхностей электрической функции потока, соответствующих условиям как на рис. 3, а, но полученных на основе обращенной модели (см. систему уравнений (24)); на рис. 3, в приведен пример характерного распределения семейства поверхностей равных напряженностей электростатического поля.
в
Рис. 3. Результаты расчета плоскопараллельного электростатического поля :а) распределение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля с шагом Аф'; б) распределение равных поверхностей электрической функции потока поля с шагом Аv; в) распределение поверхностей равных напряженностей электростатического поля с шагом АЕ*
На рис. 4 (кривая 1) показана в относительных величинах зависимость максимальной эффективной площади ионизации Р е для ионизационной камеры электрофильтра от величины перемещения коронирующего электрода Ь х по ходу газа (см. рис. 1) при следующих соотношениях размеров: Ь1=78 мм, 5=5 мм, и1/и2=2, Ь0=48 мм. При этом ¥ е=¥е/¥тах, где ¥тах - максимальная площадь ионизационной камеры электрофильтра, определяемая как Ь0хЬ1: ¥е - площадь ионизационной камеры, в которой сконцентрирована высокая напряженность поля, а именно, проинтегрирована область, в которой напряженность поля изменяется от Ет1„=2/3Е1 (Е1 - напряженность однородного поля осадительной камеры) до Етах , причем Ь Х=ЬХ/Ь0. На рис. 4 (кривые 2, 3 и 4) показаны зависимости функции ¥ е от аргумента Ь х соответственно при 5=25 мм, 5=30 мм и при существенном удалении осадительной камеры, а также при условиях, аналогичных рис. 4, кривая 1.
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
Рис. 4. Зависимость эффективной площади ионизации электрофильтра от Ьх при разных 8
Анализ зависимостей рис. 4 показывает, что с уменьшением величины зазора 8 между камерами электрофильтра значительно увеличивается эффективная площадь ионизации ¥ е , в которой сконцентрирована высокая напряженность электрического поля, по сравнению с зависимостью ¥ е(Ь х) (кривая 4) при существенном удалении осадительной камеры. При этом часть из экстремумов, характерных для этих зависимостей и находящихся в ионизаторе со стороны осадительной камеры, при уменьшении 8 увеличиваются (на рис. 4, кривые 1 - 3) и смещаются во внутрь ионизатора. При зазоре 8=5 мм (см. рис. 4, кривая 1) наблюдается максимальное значение ¥ е , причем этот максимум находится в ионизационной камере на расстоянии, равном ¿=(3/5)^0 относительно торца пластин, обращенных к осадительной камере.
На основе проведенных расчетов для реальных соотношений размеров двухзонных электрофильтров и с учетом выполненных экспериментальных исследований ведущими сотрудниками фирмы ООО «Элстат», г. Москва (осуществляющей производство этих фильтров) было совместно разработано новое техническое решение, обладающее новизной и соответствующее критерию “изобретательский уровень” [18].
Дальнейшие исследования особенностей двухзонного электрофильтра показали, что при увеличении количества электродов в осадительной камере эффективная площадь ионизации уменьшается, но максимальное значение ¥ е остается на прежнем расстоянии, равном /,=(3/5)^0. На рис. 5 показан пример для сравнения зависимостей ¥ е(Ь х) для 2-х разных количеств электродов в осадительной камере. При этом для кривой 1 (рис. 5) зависимость ¥ е от величины перемещения коронирующего электрода Ьх в ионизационной камере соответствует условиям как на рис. 4 (кривая 1), причем в осадительной камере находится количество электродов и1=3 с расстоянием между ними /1 =24 мм; для кривой 2 (рис. 5) зависимость ¥ е(Ь х) соответствует условиям как на рис. 5 (кривая 1), но при п2 =5 и 12 =12 мм.
Рис. 5. Функциональная зависимость Г е (Ьх) при разных количествах электродов
На рис. 6 приведены результаты численных расчетов в виде
эквипотенциальных поверхностей для центральной части осадительной камеры электрофильтра для исключения краевого эффекта, так как длина этих электродов намного больше расстояния между ними и больше, чем Ь\. При расчетах принималось (см. рис. 2), что на граничной поверхности электрода Г4 осаждается слой с диэлектрической проницаемостью бь Кроме того, считалось, что он частично покрыт проводящим материалом в виде тонких слоев (на рис. 6 они показаны в виде некоторых фиксированных областей ^ - Л3).
7
г„
Рис. 6. Распределение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля для центральной части осадительной камеры электрофильтра
Анализ результатов расчета показал, что в центральной части осадительной камеры электрофильтра с однородным электростатическим полем после
появления осажденного слоя наблюдается появление неоднородного электростатического поля. При заданной разности потенциалов между электродами Г4 и Г8 осадительной камеры электрофильтра на граничных поверхностях Г01 - Г0з (область -0(Г;), на рис. 2) напряженность поля Ет больше, чем в случае, если бы слоя с диэлектрической проницаемостью в1 на электроде Г4 не существовало. Из этого следует, что увеличивается вероятность пробоя межэлектродного расстояния в осадительной камере за счет увеличения напряженности поля. При этом также ухудшается процесс осаждения пыли в осадительной камере электрофильтра. Следовательно, по количеству пробоев межэлектродного пространства необходимо оценивать степень загрязненности осадительной камеры электрофильтра, а не по перепаду давления на нем, чтобы затем выполнять очистку его электродов.
4. Пример энергоэффективной вентиляционной системы с использованием двухзонного электрофильтра. Для примера рассмотрим некоторые особенности энергоэффективной вентиляционной системы с использованием двухзонного электрофильтра (рис. 7). Вентиляционная система снабжена локальными САР температуры приточного воздуха, подаваемого в обслуживаемое помещение (ОП) здания. Локальные САР входят в состав нижнего уровня автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) инженерными системами здания. Состав элементов нижнего уровня системы следующий: воздушные клапаны (ВК1, ВК2) с исполнительными механизмами (М1, М2), фильтры (Ф1 и Ф2 - 1 и 2 ступени очистки), воздухонагреватели (ВН1(К), ВН2(К)), вентиляторы приточной (В1) и вытяжной (В2) систем с соответствующими электроприводами (М3, М4), циркуляционные насосы (Н21, Н2) с электроприводами (М51, М5), регулирующие клапаны (К31, К3) с исполнительными механизмами (М61, М6), обратные клапаны (КО21, КО2), частотные преобразователи (ПЧ1, ПЧ2), локальные регуляторы (ТС1, ТС2) на базе специализированных контроллеров со встроенными функциями, датчики температуры теплоносителя (ТЕ8а, ТЕ10а), датчик температуры приточного воздуха (ТЕ10б), датчики перепада давлений на элементах оборудования (РЕ) и датчик пробоев межэлектродного пространства (ЕЕ6а) в электрофильтре Ф2.
Часть датчиков предназначена только для автоматического контроля:
• датчик перепада давлений РЕ5а на фильтре Ф1 - для сигнализации о степени засоренности Ф1;
• датчик пробоев межэлектродного пространства (ЕЕ6а) в электрофильтре Ф2 - для сигнализации о степени загрязненности его осадительной камеры;
• датчики перепада давлений РЕЗа и РЕ7а на вентиляторах В1 и В2 - для контроля работы вентиляторов системы.
На среднем уровне АСДУ находится контроллер телеметрии (ТС). На верхнем уровне АСДУ расположено автоматизированное рабочее место диспетчера на базе персонального компьютера (ПК). ТС представляет собой контроллер для выполнения вычислительных и логических функций (универсальный контроллер) и предназначен для передачи сигналов управления с верхнего уровня на локальные регуляторы САР и сбора информации (с ее предварительной обработкой) с регуляторов нижнего уровня и первичных измерительных преобразователей с последующей передачей на верхний уровень.
двухзонного электрофильтра
Регулирование вентиляционной системой обеспечивается с диспетчерского пульта управления через контроллер ТС на основе алгоритма управления этой системой. При этом в отопительный период наружный воздух, пройдя воздушный клапан ВК2 и фильтры Ф1 и Ф2, поступает в воздухонагреватель ВН1(К) первой ступени, в котором нагревается до заданной температуры, регулируемой с помощью регулятора ТС1 локальной САР1. Затем подогретый воздух поступает в воздухонагреватель ВН2(К), в котором нагревается до величины, стабилизируемой с помощью регулятора ТС2 локальной САР2. Основной целью регулирования в приточно-вентиляционной установке (ПВУ) является обеспечение заданной температуры приточного воздуха, поступающего в помещение (актовый зал, спортивный зал и т.д.) здания.
При этом в ПВУ предусмотрено как регулирование температуры теплоносителей в воздухонагревателях ВН1(К) и ВН2(К) с целью стабилизации температуры приточного воздуха, так и возможность изменения расхода приточного воздуха в системе вентиляции с учетом заданного алгоритма управления с помощью частотных преобразователей электроприводов ПЧ1 и ПЧ2 вентиляторов В1 и В2. Следует отметить, что в переходные (весенне-осенние) периоды отопительного сезона первая ступень подогрева воздуха не используется, что важно в целях энергосбережения.
Работа приточной и вытяжной систем сблокирована. Например, при выключении вентилятора ПВУ также выключается вентилятор вытяжной системы, а соответствующие воздушные клапаны ВК1 и ВК2 закрываются. Аналогично происходят обратные процессы при включении вентилятора ПВУ.
На примере показано, как решается основная задача для систем вентиляции, а именно: подача в помещения здания чистого воздуха с заданной температурой для разбавления и замещения загрязненного. В типовые схемы систем вентиляции могут входить фильтры различной эффективности и, соответственно, сопротивления. Новые технологии очистки воздуха предоставляют совершенно новые возможности. Совмещая электрические способы очистки с другими способами, можно добиться высокой эффективности без значительного увеличения расхода энергии в вентиляционной системе [7]. Аэродинамическое сопротивление двухзонных электрофильтров производительностью 1-4 тыс. м3/ч составляет 0,02 кПа, а расход электроэнергии на очистку 1000 м3 воздуха - не более 0,08 кВт*ч (без учета затрат на его перемещение) [12]. Использование электрофильтров совместно с волокнистыми существенно повышает эффективность очистки от мелкодисперсных фракций в приточно-вентиляционных установках [7].
В заключение следует отметить, что в данной работе представлены основы математического моделирования двухзонных электрофильтров, включая постановку задачи определения электростатических полей с учетом особенностей конструкции, дискретные модели исследуемого объекта и результаты численных расчетов, а также некоторые особенности их применения в энергоэффективных вентиляционных системах в составе АСДУ. При исследованиях было установлено, что уменьшение расстояния между камерами и смещение коронирующего электрода в ионизационной камере относительно центральной части приводит к значительному увеличению эффективности зарядки улавливаемых частиц за счет создания области с относительно высокой напряженностью поля, а также было выявлено рациональное соотношение размеров для этих типов электрофильтров. Установлено, что с увеличением количества электродов в осадительной камере снижается эффективная площадь ионизации F*e за счет уменьшения краевых эффектов, но при этом не смещается максимум F*e. Выявлено, что осажденные слои на электродах осадительной камеры электрофильтра приводят к тому, что увеличивается вероятность пробоя межэлектродного расстояния за счет возникновения неоднородного поля с существенным увеличением напряженности его в некоторых областях осадительной камеры. Следовательно, по количеству пробоев межэлектродного пространства электрофильтра можно определять степень загрязненности его осадительной камеры и косвенно оценивать эффективность его работы.
Summary
The article presents the fundamentals of mathematical modeling of two-region electric filters, including the problem setting of determining the electric fields taking into account their construction, discrete models of the object under research, the results of numeric calculations taking into account the changes in basic relations of their sizes. Also we present some of the features of use of the two-region electric filters in the energy-efficient ventilation systems as a part of ASDC of building engineering systems.
Литература
1. Балыхин Г.А. Сергеев С.К. Энергосбережение в системе Министерства образования РФ. Итоги и перспективы // Энергоэффективность: Опыт, проблемы, решения. - 2003. - №3. - С. 54-57.
2. Табунщиков Ю.А. Строительные концепции зданий XXI века в области теплоснабжения и климатизации // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика(АВОК). - 2005 - №4. - С.10-14.
3. Wyatt T. Перспективы развития систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха в Великобритании // АВОК. - 2000, №3.- С. 14—17. (Перепечатано из журнала REHVA, third quarter, 1999).
4. Fitzner K. Взгляд из Германии на перспективное развитие систем ОВК // АВОК. - 2000. - №3. - С.19-21. (Перепечатано из журнала REHVA, third quarter, 1999).
5. Elovitz D. Обоснованный выбор систем ОВК // АВОК. - 2002. - №5. - С. 30-33. (Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE).
6. Fanger P. Качество внутреннего воздуха в XXI веке: в поисках совершенства // АВОК, 2000. - №2. - С. 14-16. (Перепечатано из журнала «Indoor Air», вып. 10, № 2, 2000).
7. Сеппанен O. Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. - № 5. - 2000. - С. 23-28.
8. Гримитлин М.И. Состояние и перспективы развития отечественного вентиляционного оборудования для сварочного производства // Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве: Труды I Междунар. научно-практической конференции.- Одесса: Изд-во Астропринт, 2002.- С.64-79.
9. Monk B. Качество воздуха в аэропортах // АВОК. - № 2. - 2000. - С. 39-44. (Перепечатано из журнала RCI, № 12, 1998).
10. ^zzi К. Автономные воздухоочистители: новые идеи // АВОК. - № 5. -2002. - С. 56-59. (Перепечатано с сокращениями из журнала GT).
11. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. -М.: Химия, 1967. - 344с.
12. Гоник А.Е., Жуков Н.Н. Электрические и механические фильтры кассетного типа для очистки воздуха от сварочных аэрозолей // Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве: Труды I Междунар. научно-практической конференции. - Одесса: Изд-во Астропринт, 2002. - С.169-174.
13. Мирзабекян Г.З., Тениешвили З.Т. Влияние питающего напряжения на электрические силы, действующие на осажденный слой пыли // Электричество, 1989. - № 9. - С. 26-30.
14. Основы электрогазодинамики дисперсных систем / И.П. Верещагин, В.И. Левитов, Г.З. Мирзабекян., М.М. Пашин. - М. : Энергия. - 1974. - 480 с.
15. Савов В. М., Богданов Е. С., Георгиев Ж. Д. Анализ экранированной несимметричной полосковой линии методом граничных элементов // Электричество. - 1991. - № 5. - С. 42-46.
16. Потапенко А. Н., Штифанов А. И., Белоусов А. В. Особенности численного моделирования электростатических полей в прикладных задачах // В
сб. науч. тр: Математическое моделирование технологических процессов в производстве строительных материалов и конструкций. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1998 - С. 103-113.
17. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М. : Наука, 1977. - 656 с.
18. Патент №2145910 (Россия). Двухзонный электрофильтр для очистки газов / Гоник А.Е., Жуков Н.Н., Потапенко А.Н., Белоусов А.В., Штифанов А.И. -Опубл. в Бюл. №6, 2000 г.
Поступила 06.04.2006
