Расчет механической вентиляции

Вентиляция – организованный и регулируемый воздухообмен, обеспечивающий удаление из помещения воздуха, загрязненного вредными газами, парами, пылью, а также улучшающий метеорологические условия в цехах. По способу подачи в помещение свежего воздуха и удалению загрязненного, системы делят на естественную, механическую и смешанную.

Механическая вентиляция может разрабатываться как общеобменная, так и местная с общеобменной. Во всех производственных помещениях, где требуется надежный обмен воздуха, применяется приточно-вытяжная вентиляция. Высота приемного устройства должна зависеть от расположения загрязненного воздуха. В большинстве случаев приемные устройства располагаются в нижних зонах помещения. Местная вентиляция используется для удаления вредных веществ 1 и 2 классов из мест их образования для предотвращения их распространения в воздухе производственного помещения, а также для обеспечения нормальных условий на рабочих местах.

Расчет выделений тепла

А) Тепловыделения от людей

Тепловыделения человека зависят от тяжести работы, температуры окружающего воздуха и скорости движения воздуха. В расчете используется явное тепло, т.е. тепло, воздействующее на изменение температуры воздуха в помещении. Для умственной работы количество явного тепла, выделяемое одним человеком, составляет 140 ВТ при 10­^оС и 16 ВТ при 35^оС. Для нормальных условий (20^оС) явные тепловыделения одного человека составляют около 55 ВТ. Считается, что женщина выделяет 85%, а ребенок – 75% тепловыделений взрослого мужчины. В рассчитываемом помещении (5х6 м) находится 4 человек. Тогда суммарное тепловыделение от людей будет:

Q­₁=4*55=220 ВТ    

Б) Тепловыделения от солнечной радиации.

Расчет тепла поступающего в помещение от солнечной радиации Q_ост и Q_п (ВТ), производится по следующим формулам:

- для остекленных поверхностей

Q_ост=F_ост*q_ост*A_ост

- для покрытий

Q_п=F_п*q_п

где F_ост и F_п - площади поверхности остекления и покрытия, м²

q_ост и q_п – тепловыделения от солнечной радиации, Вт/м², через 1 м_­² поверхности остекления (с учетом ориентации по сторонам света) и через 1 м² покрытия;

А_ост – коэффициент учета характера остекления.

В помещении имеется 2 окна размером 2х1,2 м². Тогда F­_ост=4,8 м².

Географическую широту примем равной 55^о, окна выходят на юго-восток, характер оконных рам – с двойным остеклением и деревянными переплетами. Тогда:

q_ост=145 Вт/м², А_ост=1,15

Q_ост=4,8*145*1,15=800 Вт

Площадь покрытия F_п=20м². Характер покрытия – с чердаком. Тогда,

q_п=6 Вт/м²

Q_п=20*6=120 Вт

Суммарное тепловыделение от солнечной радиации:

Q₂=Q_ост+Q_п=800+120=920. Вт   

В) Тепловыделения от источников искусственного освещения.

Расчет тепловыделений от источников искусственного освещения проводится по формуле:

Q₃=N*n*1000, Вт     

где N – суммарная мощность источников освещения, кВт;

n – коэффициент тепловых потерь (0,55 для люминесцентных ламп).

У нас имеется 4 светильника с двумя лампами на 40Вт. Тогда получаем:

Q₃=(4*2*0.04*0.55)*1000=176 Вт

Г) Тепловыделения от радиотехнических установок и устройств вычислительной техники.

Расчет выделений тепла проводится аналогично расчету тепловыделений от источников искусственного освещения:

Q₄=N*n*1000, Вт   

Коэффициент тепловых потерь для радиотехнического устройства составляет n=0,7 и для устройств вычислительной техники n=0,5.

В помещении находятся: 4 персональных компьютера типа Pentium PRO по 600 Вт (вместе с мониторами) и 2 принтера EPSON по 130 Вт.

Q₄=(4*0.6+2*0.13)*0.5*1000=1330 Вт

Суммарные тепловыделения составят:

Q_с=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄= 2646 Вт    

Q_изб – избыточная теплота в помещении, определяемая как разность между Q_с – теплом, выделяемым в помещении и Q_расх – теплом, удаляемым из помещения.

Q_изб=Q_с-Q_расх

Q_расх=0,1*Q_с=264,6 Вт

Q_изб=2381,4 Вт

Расчет необходимого воздухообмена

Объем приточного воздуха, необходимого для поглощения тепла, G (м³/ч), рассчитывают по формуле:

G=3600*Q_изб/C_р*p*(t_уд-t_пр)    

где Q_изб – теплоизбытки (Вт);

С­_р – массовая удельная теплоемкость воздуха (1000 Дж/кгС);

р – плотность приточного воздуха (1,2 кг/м³)

t_уд, t_пр – температура удаляемого и приточного воздуха.

Температура приточного воздуха определяется по СНиП-П-33-75 для холодного и теплого времени года. Поскольку удаление тепла сложнее провести в теплый период, то расчет проведем именно для него, приняв t_пр=18^оС. Температура удаляемого воздуха определяется по формуле:

t_уд=t_рз+a*(h-2)    

где t_рз – температура в рабочей зоне (20^оС);

      а – нарастание температуры на каждый метр высоты (зависит от тепловыделения, примем а=1^оС/м)

      h – высота помещения (3м)

t_уд=20+1*(3-2)=21^оС

G=2381,4 м³/ч

Определение поперечных размеров воздуховода

Исходными данными для определения поперечных размеров воздуховода являются расходы воздуха (G) и допустимые скорости его движения на участке сети (V).

Необходимая площадь воздуховода f (м²), определяется по формуле:

V=3 м/с

f=G/3600*V=0,22м² 

Для дальнейших расчетов (при определении сопротивления сети, подборе вентилятора площадь воздуховода принимается равной ближайшей большей стандартной величине, т.е. f=0,246 м². В промышленных зданиях рекомендуется использовать круглые металлические воздуховоды. Тогда расчет сечения воздуховода заключается в определении диаметра трубы.

По справочнику находим, что для площади f=0,246 м² условный диаметр воздуховода d=560 мм.

Определение сопротивления сети

Определим потери давления в вентиляционной сети. При расчете сети необходимо учесть потери давления в вентиляционном оборудовании. Естественным давлением в системах механической вентиляции пренебрегают. Для обеспечения запаса вентилятор должен создавать в воздуховоде давление, превышающее не менее чем на 10% расчетное давление.

Для расчета сопротивления участка сети используется формула:

P=R*L+Ei*V2*Y/2   

где R – удельные потери давления на трение на участках сети

      L – длина участка воздуховода (8 м)

          

Еi – сумма коэффициентов местных потерь на участке воздуховода

      V – скорость воздуха на участке воздуховода, (2,8 м/с)

      Y – плотность воздуха (принимаем 1,2 кг/м3).

Значения R, определяются по справочнику (R – по значению диаметра воздуховода на участке d=560 мм и V=3 м/с). Еi – в зависимости от типа местного сопротивления.

Результаты расчета воздуховода и сопротивления сети приведены в таблице для сети, приведенной на рисунке 4.1 ниже.

 

 

 

 

Рис. 4.1.

                                               

 

 

         

                                               Таблица 4.1.

Расчет воздуховодов сети.

№ уч.	G м3/ч	L м	V м/с	d мм	М Па	R Па/м	R*L Па	Еi	W Па	Р Па
1	2381	5	2,8	560	4,7	0,018	0,09	2,1	9,87	9,961
2	2381	3	2,8	560	4,7	0,018	0,054	2,4	11,28	11,334
3	4320	3	4,5	630	12,2	0,033	0,099	0,9	10,98	11,079
4	2381	3	2,8	560	4,7	0,018	0,054	2,4	11,28	11,334
5	6480	2	6,7	630	26,9	0,077	0,154	0,9	24,21	24,264
6	2381	3	2,8	560	4,7	0,018	0,054	2,4	11,28	11,334
7	8640	3	8,9	630	47,5	0,077	0,531	0,6	28,50	29,031

 

Где М=V2 *Y/2, W=M*Ei        

Pmax=P1+P3+P5+P7=74,334 Па

Таким образом, потери давления в вентиляционной сети составляют Р=74,334 Па.

ПОДБОР ВЕНТИЛЯТОРА

Требуемое давление, создаваемое вентилятором с учетом запаса на непредвиденное сопротивление в сети в размере 10% составит:

P_тр=1,1*P=81,7674 Па    

 

В вентиляционной установке для данного помещения необходимо применить вентилятор низкого давления, т.к. Р_тр меньше 1 кПа.

Выбираем осевой вентилятор (для сопротивлений сети до 200 Па) по аэродинамическим характеристикам т.е. зависимостям между полным давлением Р_тр (Па), создаваемым вентилятором и производительностью V_тр (м/ч).

С учетом возможных дополнительных потерь или подсоса воздуха в воздуховоде необходимая производительность вентилятора увеличивается на 10%:

V_тр=1,1*G=2620 м/ч    

По справочнику выбираем осевой вентилятор типа 06-300 N4 с КПД n_в=0,65 первого исполнения. КПД ременной передачи вентилятора n_рп=1,0.

Расчет зануления

Степень воздействия электротока на организм человека зависит от его величины о протяженности воздействия. В случае если устройства питаются от напряжения 380/220 В или 220/127 В в электроустановках с заземленной нейтралью применяется защитное зануление. На рисунке 4.2 представлена принципиальная схема зануления.

Ro - сопротивление заземления нейтрали

Rh - расчетное сопротивление человека;

1 - магистраль зануления;

2 - повторное заземление магистрали;

3 - аппарат отключения;

4 - электроустановка (паяльник);

5 - трансформатор.

Рис. 4.2 Схема зануления

Зануление применяется в четырехпроводных сетях напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью. Зануление осуществляет защиту путем автоматического отключения поврежденного участка электроустановки от сети и снижение напряжения на корпусах зануленного электрооборудования до безопасного на время срабатывания защиты. Из всего выше сказанного делаем вывод, что основное назначение зануления - обеспечить срабатывание макси­мальной токовой защиты при замыкании на корпус. Для этого ток короткого замы­кания должен значительно превышать установку защиты или номинальный ток плавких вставок.

Расчет сводится к проверке условия обеспечения отключающей способности зануления: J­_кз­ > 3J­­^н_пл.вст > 1,25J^н_авт

Исходные данные: мощность питающего трансформатора 160 кВ*А; схема соединения обметок трансформатора – «звезда»; электродвигатель серии 4А; U = 380 В; тип – 4А160М2, N = 18,5 кВт.

Расчет J­_кз производится по формуле: J­_кз= U_ф/(Z_т/3+Z_п)

где U_ф – фазное напряжение, В; Z_т – сопротивление трансформатора, Ом; Z_п – сопротивление петли «фаза-нуль», которое определяется по зависимости

Z_п = √(R_ф + R_н)² + (X_ф + X_о + X_и)² 

Где R_н; R_ф – активное сопротивление нулевого и фазного проводников, Ом; X_ф; X_о – внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводников соответственно, Ом; Х_и – внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль», Ом.

Значение Z_т зависит от мощности трансформатора, напряжения, схемы соединения его обмоток и конструктивного исполнения трансформатора. При расчетах зануления Z_т берется из таблицы.

Расчетные полные сопротивления масляных трансформаторов

 

Мощность трансформатора кВ*А	Номинальное напряжение обмоток высшего напряжения, кВ	при соединении обмоток “звездой”, Ом	при соединении обмоток “треугольником”, Ом
40	6…10	1,949	0,562
63	6…10	1,237	0,360
100	6…10	0,799	0,226
160	6…10	0,487	0,141
250	6…10	0,312	0,090
400	6…10	0,195	0,056
630	6…10	0,129	0,042
1000	6…10	0,081	0,027
1600	6…10	0,034	0,017

В данном случае Z_т = 0,487 Ом.

1. Зная мощность Р электродвигателя рассчитываем номинальный ток электродвигателя J­­^н_эл.дв.

     Р = √3 * U_н* J­­^н_эл.дв cos α /1000 [кВт]

J­­^н_эл.дв = 1000*Р/√3 * U_н cos α     [А]

где Р – номинальная мощность двигателя, кВт; U_н – номинальное напряжение, В; cos α = 0,92 – коэффициент мощности, показывающий, какая часть тока используется на получение активной мощности и какая на намагничивание;

J­­^н_эл.дв = 1000*18,5/√3 *380*0,92 = 30,6А

2. Для расчета активных сопротивлений R_н и R_ф необходимо предварительно выбрать сечение, длину и материал нулевого и фазного проводников. Сопротивление проводников из цветных металлов определяется по формуле:

R = ρ*ℓ / S [Ом]

где ρ – удельное сопротивление проводника (для меди ρ = 0,018; для алюминия ρ = 0,028 Ом*мм²/м); ℓ - длина проводника, м; S – сечение, мм². Сечение фазных проводников определяется по величине номинального тока электродвигателя плюс токовая нагрузка от других электродвигателей и осветительных приборов: в данном случае принимаем равной 70А. Тогда суммарная нагрузка составит 101А.

Задаемся алюминиевым проводником сечением 25 мм² и длиной ℓ = 150м для фазного и нулевого проводов. Сечение нулевого проводника и его материал выбирается из условия, чтобы его проводимость была бы равна проводимости фазного проводника, т.е. сечения нулевого и фазных проводников должны быть равны.

Активное сопротивление фазного и нулевого проводников из алюминия при ℓ = 150м, S = 25мм²  составят:

R_ф = 0,028*150/25 = 0,17 Ом; R_н = 0,028*150/25 = 0,17 Ом.

3. Для медных и алюминиевых проводников внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого проводников X_ф и X_о невелико и составляет 0,0156 Ом/км, т.е. X_ф = 0,0156*0,15 = 0,0023 Ом; X_о = 0,0156*0,15 = 0,0023 Ом. Величину внешнего индуктивного сопротивления петли «фаза-нуль» в практических расчетах принимают равной 0,6 Ом/км.

4. Находим основные технические характеристики электродвигателя 4А 106М2: N = 18,5; cos α = 0,92.

J^пуск /J^ном = 7,5

5. Зная J­­^н_эл.дв  вычисляем пусковой ток электродвигателя.

J^пуск_Эл.дв = 7,5* J­­^н_эл.дв  = 7,5*30,6 = 229,5А

Определяем номинальный ток плавкой вставки

J­­^н_пл.вст = J^пуск_Эл.дв/α = 229,5/2,5 = 91,8А

где α – коэффициент режима работы (α = 1,6…2,5); для двигателей с частыми включениями (например, для кранов) α = 1,6…1,8; для двигателей, приводящих в действие механизмы с редкими пусками (транспортеры, вентиляторы), α = 2…2,5. В нашем случае принимаем α=2,5.

6. Определяем ожидаемое значение тока короткого замыкания:

J_кз > 3J­­^н_пл.вст = 3*91,8 = 275,4А

Рассчитываем плотность тока δ в нулевом и фазном проводниках. Допускаемая плотность тока в алюминиевых проводниках не должна превышать 4-8А/мм².

δ = J­­^н_эл.дв  /S = 30,6/25 = 1,2 А/мм²

7. Определяем внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль», зная, что Х_и = 0,6 Ом/км

Х_и = 0,6*0,15 = 0,09 Ом

8. Рассчитываем сопротивление петли «фаза-нуль» Z_п и ток короткого замыкания.

Z_п = √(R_ф + R_н)² + (X_ф + X_о + X_и)² =

 

= √(0,17+0,17)² + (0,0023+0,0023+0,09)²  = 0,35 Ом

 

J_кз = U_ф/(Z_т/3+Z_п) = 220/(0,487/3+0,35) = 429 А

 

Проверим обеспечено ли условие надёжного срабатывания защиты:

J­_кз­ > 3J­­^н_пл.вст ; 429 > 3*91,8 А; 429 > 275,4 А

J­_кз > 1,25J^н_авт;

Как видим, J_кз более чем в три раза превышает номинальный ток плавкой вставки предохранителя и, следовательно, при замыкании на корпус плавкая вставка перегорит за 5…7с и отключит повреждённую фазу.

По расчётному номинальному току плавкой вставки выбираем предохранитель стандартных параметров: ПН2 – 100;   J­­^н_пл.вст = 100А. Или выбираем автоматический выключатель по J^н_авт = 1,25; J­­^н_эл.дв = 1,25*30,6=39А. Выбираем из таблицы 6а автоматический выключатель модели А3712Ф; J­­^н_авт=40 А.