В конструктивных расчетах и сборке систем вентиляции жилых помещений нужно обеспечить комфортный уровень шума для пребывания людей. Повышенный фоновый шум негативно влияет на психику и здоровье. Вместе с тем эффективная работа данной системы должна соответствовать заданным параметрам по объемам и частоте циркуляции воздуха и не быть энергозатратной.

В большинстве случаев требуемый результат по снижению уровня шума при работе с приточно-вытяжными вентиляционными системами достигается целесообразным подбором параметров и характеристик ключевых элементов на этапе разработки.

В расчетах каналов и соединительных элементов воздуховода важно отталкиваться от требуемого объема прогоняемого воздуха без дополнительного запаса. Превышение оптимального значения количества воздуха для циркуляции увеличит скорость течения в элементах воздуховодов и рост аэродинамических потерь. Чтобы компенсировать их, придется увеличивать площадь сечения каналов воздуховодов, а это повлечет нежелательные траты на материалы и усложнит монтаж.

Конфигурация и внутренние размеры комплекса воздуховодов для вентиляции определяются из расчета, что суммарное сопротивление всех участков и элементов сети равно напору, создаваемому вентилятором.

Связь характеристик вентиляционных систем с уровнем шума

В эмпирических формулах расчета уровня шума вентиляционной сети фигурируют расход воздуха, поперечные размеры воздуховода, безразмерные величины, характеризующие качество звукоизоляции помещения, а также значения сопротивления для ровных и изогнутых участков труб.

Уменьшение аэродинамических потерь воздуховода, расширение проходного сечения и установка вентилятора с меньшим расходом воздуха позволят сберечь электроэнергию. Потребляемая вентилятором энергия напрямую зависит от величины расхода воздуха и напора. Он, в свою очередь, прямо пропорционален скорости воздуха в воздуховоде.

Повысив скорость воздуха, можно уменьшить диаметр сечения воздуховода и сэкономить на покупке составных частей и монтаже. Повышение скорости достигается установкой высоконапорных вентиляторов. Имея ту же производительность, что и низконапорные, они будут расходовать больше электроэнергии и их эксплуатация обойдется дороже.

Конкретно сказываются на уровне шума следующие допустимые параметры вентиляционной системы:

1. Расход воздуха. Имея установленную конфигурацию и размеры системы воздуховодов, можно снизить уровень шума за счет уменьшения расхода.
2. Площадь сечения воздуховода. Ее увеличение дает более слабый шум на выходе из вентиляционных отверстий.
3. Коэффициент аэродинамического сопротивления. Определяется совершенством формы переходных участков трубопровода. Применение обтекаемых и плавных отводов, диффузоров и дросселей может помочь в достижении низкого шума при эксплуатации.
4. Все вышеперечисленные факторы могут быть учтены в зависимости от конкретной ситуации и задач, которые ставит проектировщик. Взвешенно и критически подходя к подбору всех параметров, удастся найти сбалансированное решение для конструкции будущей вентиляции.

Вернуться к оглавлению

Схема компоновки и план прокладки вентиляционных каналов системы вентиляции

При компоновке и размещении приточно-вытяжного комплекса надо руководствоваться следующими условиями:

1. По мере удаления от вентиляционной камеры или вентилятора сила звуковых колебаний в воздуховодах гасится. Потому целесообразнее расположить ее вдали от самых малошумных помещений.
2. Дроссельные редукторы желательно размещать на как можно большем расстоянии от рассматриваемого помещения. После него не помешает поставить концевые глушители или гибкие вставки из звукоизолирующих материалов.
3. Для вентиляционных каналов рабочие скорости течения воздуха принимаются в пределах допустимых в зависимости от класса, кубатуры помещения и требований к безопасному шумовому фону.
4. На всех участках вентиляционной сети минимизируют число гидравлических потерь, так как производимый крыльчаткой вентилятора шум тем больше, чем большее сопротивление встречается на пути воздушных масс.
5. Для систем высокой производительности обязательным условием бесшумной работы остается использование глушителей. Предполагаемые места под глушители должны быть непременно учтены на стадии проектирования.
6. Настройку параметров аэродинамики, тихоходности и наладку работы системы вентиляции рекомендуется проводить параллельно, чтобы достичь приемлемой громкости шума при сохранении требуемых показателей расхода среды.

Вернуться к оглавлению

Особенности выбора вентилятора

В выборе вентилятора надо руководствоваться следующими требованиями:

1. У устройства должен быть минимальный удельный уровень мощности звука и узкий спектр звуковых волн, соответствующий предъявляемым условиям эксплуатации.
2. Мощность вентилятора выбирается в соответствии с суммарными потерям при движении воздуха по каналам сети.
3. Не рекомендуется применять крыльчатку с числом лопастей меньше 12. Такие конфигурации зачастую создают дополнительные тона аэродинамического шума при прохождении воздушной среды через крыльчатку. Усиление шумов определяется отдельным устройством вентилятора, отклонением воздушных масс при попадании на крыльчатку и дальнейшим взаимодействием потока с внутренней поверхностью воздуховодов.
4. В сетях, где расход регулируется, отдельно учитывают воздействие изменения аэродинамических характеристик на громкость работы вентилятора. Снижение расхода при изменении угла установки лопастей может существенно усилить создаваемый шум.
5. Дополнительно отрегулировать громкость работы агрегата позволит понижение частоты оборотов рабочего колеса в диапазоне регулирования при неизменной мощности.
6. Штуцеры вентилятора и подключаемые участки воздуховода лучше соединять через гибкие вставки, гасящие вибрации, которые передает корпус агрегата на остальные участки.

Вернуться к оглавлению

В проектировании тихих систем вентиляции кроме подбора устройств с удовлетворительными шумовыми характеристиками нужно подбирать выгодные места их установки.

В разрабатываемом здании вентиляторы располагают в специально отведенных звукоизолированных помещениях – в вентиляционных камерах. Камеры ставят обособленно от помещений с повышенными требованиями к тишине и комфортному уровню шума. Их оборудуют вдали от шахт лифтов, лестничных переходов, дверных и оконных проемов.

Вентиляторы, размещенные на открытых ярусах, крепят вдали от отражающих поверхностей, от углов, в места, где гарантируется незначительное проникновение шума в жилые и рабочие помещения, а также на окружающие здание снаружи строения.

Выводы воздуховодов в открытое пространство предполагается направить так, чтобы шум не направлялся в сторону жилых построек и мест отдыха. Корректное направление звука от работы вентиляции эффективно помогает в минимизации шумовых помех вентиляционных комплексов объектов.

Правильно разместив в пространстве и направив выходное отверстие вентиляции, вы добьетесь снижения шума до разрешенных пределов без дополнительных затрат.

Шум является одним из основных источников нарушения комфортного состояния. Шумы и звуки создаются волнами при сжатии и расширении в воздухе, воздуховодах, системе гидравлики, в жидкостях, передвигающихся по трубам. Основным параметром шума является его частота. Шум распространяется в очень широком спектре частот и измеряется в децибелах (дБ). Шум создается встроенными вентиляторами, насосами, потоками рабочих сред и т.д.

Меры по снижению шума основываются на двух видах операций, применяемых одновременно или последовательно:

­ меры, относящиеся к самому источнику шума;

­ меры, относящиеся к путям передачи шума.

Меры, относящиеся к источнику шума. В холодильном блоке основные источники шума – это компрессор и вентиляторы конденсатора. Низкий уровень шумовых характеристик зависит от правильного выбора холодильной установки, блока переработки воздуха, вентиляторов и т.п.

Не менее важным является выбор места расположения установки. Следует избегать расположения установки в углах помещения, и, по возможности, располагать установки как можно дальше от стен, так как отражаясь от стен, шум возрастает.

Монтируя установки снаружи здания, нужно избегать расположения их внутри шахт, и лестничных пролетов; вблизи окон и дверей.

Вибрация, передаваемая установкой на опоры, может быть погашена благодаря применению специальных противовибрационных материалов.

Меры, относящиеся к путям передачи шума. Эти меры относятся главным образом к снижению шума, передающегося по воздуховодам.

Мероприятия по снижению шума, связаны с использованием специальных способов подсоединения отдельных элементов, внутренним покрытиям воздуховодов, установкой шумоглушителей.

При подсоединении вентилятора к воздуховоду рекомендуется использовать антивибрационную прокладку, а также предусматривать прямой участок воздуховода сразу же после места его подсоединения.

Подсоединение воздухозаборников и распределителей к основному воздуховоду должно быть соосным. Отсутствие или неправильное размещение направляющих заслонок в воздухозаборниках и распределителях приводит к повышению шума.

В больших помещениях необходимо предусмотреть установку нескольких заборников и распределителей воздуха для более равномерного распределения воздушных потоков и уменьшения скорости прохождения воздуха.

Кроме того, применяют специальные шумоглушители, которые изготавливаются, например, из нескольких слоев минеральной ваты специально подобранной плотности. Внешняя поверхность ваты усилена стекловолокнистым покрытием.

Шумоглушители конструктивно делятся на пластинчатые и трубчатые. Пластинчатый шумоглушитель представляет собой коробку из тонкого металлического листа, проходное сечение которой разделено пластинами или ячейками, облицованными звукопоглощающим материалом. Трубчатый шумоглушитель выполняется в виде двух круглых или прямоугольных труб, вставленных одна в другую. Пространство между наружной (гладкой) и внутренней (перфорированной) трубой заполнено звукопоглощающим материалом. Размеры внутренней трубы совпадают с размерами воздуховода, на котором устанавливается шумоглушитель. Шумоглушитель может быть элементом как приточных, так и вытяжных систем. Чаще всего его устанавливают между вентилятором и магистральным воздуховодом. Необходимость установки шумоглушителя должна быть подтверждена специальным акустическим расчетом. Конструкторский расчет шумоглушителя состоит в определении:

­ площади поперечного сечения трубчатого шумоглушителя или суммарной площади каналов между пластинами для прохода воздуха пластинчатого шумоглушителя (живого сечения);

­ длины шумоглушителя, определяемой на основании частотных характеристик;

­ аэродинамического сопротивления (по опытным данным фирмы-изготовителя).

Расчет площади поперечного сечения выполняется из условий допустимой по шумообразованию скорости воздуха в шумоглушителе:

где F − площадь поперечного сечения шумоглушителя, м 2 ; L − расход воздуха через глушитель, м 3 /с; V доп − допустимая скорость воздуха в глушители, м/с.

Для общественных и административных зданий допустимая скорость воздуха в воздуховодах в зависимости от допустимого уровня звука приведена в таблице 3.

Таблица 3

Допустимый уровень звука, дБ
Допустимая скорость воздуха, м/с

Проблемы борьбы с шумом должны рассматриваться на стадии проектирования, когда есть возможность выбирать наиболее рациональные решения. После завершения работ по строительству объекта понижение уровня шума даже на несколько дБ представляется задачей намного более сложной и дорогостоящей.

9. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА В КОНДИЦИОНИРУЕМОМ
ПОМЕЩЕНИИ

Задача распределения приточного воздуха является весьма важной для эффективной работы системы кондиционирования. Воздухораспределение является своеобразным процессом обработки воздуха, совершаемым непосредственно при подаче его в помещение и формирует поля температур и скоростей в рабочей зоне. При этом в разных местах рабочей зоны могут возникать значительные отклонения температур от заданной, большая подвижность или, наоборот, застой. Таким образом, даже правильно запроектированная СКВ может не обеспечить эффект кондиционирования, если воздухораспределение выбрано и рассчитано неправильно. В основе теории воздухораспределения используются теоретические и экспериментальные данные аэродинамики.

Устройство, через которое воздух из приточного воздуховода поступает в помещение, представляет собой воздухораспределитель.

Закономерности pacпространения приточных струй. Из круглого отверстия диаметром d о в неограниченное пространство поступает воздух (рис. 21, а). В наиболее общем случае отверстие закрывается специальными насадками: диффузорами, сетками, решетками и др. Если температуры воздуха выходящего из отверстия и в пространстве одинаковы, тогда ось струй искривляться не будет. Поток воздуха, выходящий из отверстия, турбулентный. Поэтому частицы имеют соответствующие скорости не только в направлении оси струи, но и в поперечном направлении. Это объясняет движение воздуха, окружающего струю, расширение границ струи и торможение струи, т.е. уменьшение скорости. Границы струи определить трудно, к тому же для неизотермических струй динамические (скоростные) и температурные границы не совпадают. Поэтому за динамическую границу струи принимают удвоенное расстояние от оси до точки, где скорость равна половине осевой (рис. 21, а).

Развитие струи характеризуется тремя участками. На участке формирования происходит слияние отдельных струек в сплошной поток в плоскости, перпендикулярной направлению выпуска. Начальный участок струи характеризуется постоянной скоростью и температурой по оси струи, постепенно формируясь в основной участок. Та часть струи, в пределах которой скорости не меняются, называется ядром сечения.

Наибольшее значение для расчётов воздухораспределения имеет поведение струи на основном участке. Здесь осевая скорость непрерывно убывает, а профили скоростей в поперечных сечениях подобны. Скорость в любой точке струи определяется в зависимости от расстояния х от места выпуска и расстояния y по формуле:

, (101)

где w x − скорость на оси струи; С = 0,082.

Если струя поступает в окружающую среду с другой температурой, то она является неизотермической. Неизотермичность струи учитывается критерием Архимеда (Аr):

, (102)

где β = 1/Т в − коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К; g = 9,8 − ускорение свободного падения, м/с 2 ; d о − диаметр воздухораспределительного устройства,м; w о − скорость выхода воздуха, м/с; (t в – t п) – рабочая разность температур, °С.

При Аr > 0,001 ось неизотермической струи заметно искривляется; при
t п > t в струя «всплывает» вверх, при t п < t в струя, наоборот, опускается вниз. Изменение закономерностей движений приточных неизотермических струй по сравнению с изотермическими приводит к несколько иным закономерностям распределения температур в струе. Это учитывается коэффициентом неизотермичности струи К н в формулах:

; (103)

. (104)

где w x и ∆t x − скорость и избыточная температура на оси струи на расстоянии х от места выпуска; m − коэффициент затухания скорости в основном участке; n − коэффициент затухания температуры, зависят от конструкции воздухораспределителя.

Искривленная ось траектории приточной неизотермической струи описывается уравнением:

. (105)

Совсем другими закономерностями описывается всасывающий факел. Устройства воздухоудаления представляют собой приемные отверстия вытяжного и рециркуляционного воздуха, оборудованные решетками и перфорированными панелями.

При всасывании в устройство воздухоудаления воздух поступает со всех сторон. На рис. 21, б показаны линии равных скоростей и линии токов для всасывающего отверстия. Закономерности течения воздуха в этом случае зависят от формы отверстия: у круглого отверстия уже на расстоянии одного диаметра скорость воздуха составляет всего 5 % от скорости в центре отверстия. По мере удаления от устройства скорость воздуха затухает быстрее, чем у приточной струи.

Сравнивая закономерности распространения простейшей приточной струи и характер всасывания, можно сделать вывод об их принципиальном различии. Приточные струи дальнобойны, то есть, могут распространяться в пределах значительной части помещения, определяя тем условия обитания. Вытяжной факел, напротив, быстро «угасает». Поэтому характер движения воздушных потоков и эффект воздухораспределения определяется в первую очередь приточными струями. По этой же причине расчёт сводится, прежде всего, к выбору приточных устройств, обеспечивающих в обитаемой зоне помещения заданные условия.

Классификация приточных струй. Различают приточные и вытяжные струи, затопленные и незатопленные. Затопленные струи различаются тем, что поступают в ту же среду, например, воздух в воздух. Вентиляционные струи всегда затопленные.

По геометрической форме приточные струи могут быть: компактными, плоскими и веерными.

Компактные струи образуются при выпуске воздуха из цилиндрических труб, круглых, квадратных и прямоугольных отверстий, как открытых, так и затененных решетками, перфорированными листами.

Плоские струи формируются при истечении воздуха из щелевых каналов воздушных завес, воздуховодов, прямоугольных вытянутых отверстий, как открытых, так и затененных решетками, перфорированными листами.

Веерные струи образуются при раздаче воздуха через насадки с плоским диском, поворачивающим струю на 90° и распространяющим поток воздуха во всех направлениях.

По способу распространенияструи различают: свободные , распространяющиеся без изменения своей формы и стесненные , имеющие на своем пути преграду из различных предметов или конструкций, или других струй.

Струи, имеющие ту же температуру, что и окружающая среда, называются изотермическими . Струи с температурой выше окружающей среды − неизотермическими , или слабонагретыми. Ось такой струи отклоняется кверху (струя всплывает). Струи с температурой ниже окружающей среды − тоже неизотермическими, или слабоохлажденными. Ось струи отклоняется книзу (струя тонет).

Струи, выпущенные параллельно какой-либо поверхности (обычно это потолок), налипают на него, но через некоторое расстояние происходит отрыв. Такая струя активнее обычной в 1,4 раза.

Струи могут быть настильными и отрывными. Настильные струи распространяются вдоль некоторой поверхности, например перекрытия, при этом их дальность действия увеличивается. Такой приём, как настилание струи применяют, например, для помещений малой высоты, при наличии гладкого перекрытия с тем, чтобы удлинить путь движения воздуха до рабочей зоны. Отрывные струи , напротив находят применение в помещениях большой высоты, а также при наличии поперечных по отношению к струе ребер.

Конструкции воздухораспределительных устройств. По конструктивному исполнению воздухораспределители и устройства воздухоудаления весьма разнообразны: решетки, плафоны, сопла, перфорированные панели и воздуховоды, различного рода насадки и т.д. Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее характерных из них.

Приточная регулируемая решетка (рис. 22, а) получила широкое применение в помещениях со стороны стен, в основном в многокомнатных административных, общественных и лечебных зданиях. Различные модификации решетки снабжаются поворотными перьями 1, которые позволяют управлять направлением струи (горизонтально, направленно на перекрытие или в нижнюю зону), выбирать тип струи, изменять дальнобойность струи и равномерность параметров в рабочей зоне. Направляющие 2 обеспечивают выход воздуха под углом к плоскости отверстия, близким к нормальному. Тяга 3, устанавливаемая в потоке воздуха, позволяет изменять расход приточного воздуха.

Многообразные конструкции воздухораспределителей, предназначенные для подачи приточного воздуха со стороны перекрытия, получили наименование потолочных анемостатов. Некоторые конструкции таких устройств показаны на рис. 22, б, в, д, е. Все они создают веерные (настильные или отрывные) струи. В таких случаях происходит весьма интенсивное снижение скорости и избыточной температуры. Это объясняется развитой поверхностью, в пределах которой происходит эжекция. Двухструйный плафон (рис. 22, б) даёт возможность при поднятом диске 1 получать отрывную веерную струю, а при опущенном − настильную струю. Под диском при подаче воздуха через плафон возникает разрежение. Для стабилизации режима работы в центре диска имеется отверстие, через которое выходит очень малая часть потока. Этот воздух выходит струей под диск, где возникает разрежение. В модернизированной конструкции плафона диск имеет много мелких отверстий, т.е. перфорацию. В этом случае кроме веерной струи в центре образуется ассимметричная струя.

Многодиффузорный плафон (рис. 22, в) сконструирован так, что создаётся принудительный угол расширения воздушного потока. Количество диффузоров определяет число полных веерных струй. Комбинированный приточно-вытяжной плафон (рис. 22, г) находит применение в случае, когда подача и удаление воздуха производятся через вышерасположенный технический этаж. Подача воздуха производится полными веерными струями. В центре плафона производится удаление воздуха из помещения. В такой конструкции важно принять меры к устранению перетекания приточной струи во всасывающее отверстие. Такая конструкция получила широкое распространение.

Центробежный анемостат (рис. 22, д) работает следующим образом. Приточный воздух подаётся по стрелке 1. На турбину 2 он поступает тангенциально, т.е. по касательной. Поэтому своей энергией воздух приводит турбину 2 во вращение. При этом в нижней части подсасывается воздух из помещения. На выходе 3 происходит интенсивное перемешивание приточного и рециркуляционного воздуха. Поэтому даже в низких помещениях удаётся распределить воздух при большой рабочей разности температур.

Вращающийся воздухораспределитель показан на рис. 22, е. Отличие его от всех ранее рассмотренных заключается в импульсном характере формирования струи. В этом случае получается наибольшее гашение скоростей и избыточных температур. Сам воздухораспределитель вращается относительно неподвижного подводящего патрубка. Воздух, проходя через каналы, образованные направляющими перегородками, выходит в помещение. При выходе воздуха возникает пара сил, которая и приводит во вращение подвижную часть воздухораспределителя. При этом в одном и том же фиксированном направлении воздух поступает импульсно, отдельными порциями. Это обеспечивает весьма быстрое гашение параметров.

Схемы вентилирования помещения учитывают место подачи приточного и удаление вытяжного воздуха. Различают такие схемы, как «сверху-вниз», «сверху-вверх», «снизу-вверх», и другие. Для помещений большой высоты (более 8 м) применяется подача в среднюю зону. Для каждой схемы характерна своеобразная циркуляция воздушных потоков, В результате каждый раз формируется определенное соотношение между характерными температурами воздуха.

Три температуры являются характерными для помещения: температура воздуха в рабочей зоне t в (обычно задана); температура приточного воздуха t П. (определяется обычно графически по I-d диаграмме); температура уходящего воздуха t у.

Расчёт воздухораспределения производят в следующем порядке :

­ анализируют конструктивно-планировочные характеристики помещения и размещение оборудования;

­ выясняют возможности подачи приточного воздуха со стороны перекрытия (при наличии вышерасположенного этажа) или со стороны стен;

­ выбирают схему вентилирования помещения: «сверху-вверх» и другие.

­ выбирают тип и конструкцию воздухорасиределителя в зависимости от требований к точности поддержания параметров (настенная решетка, потолочный анемостат, перфорированная панель).

­ для выбранной конструкции определяются величины коэффициентов m и n, К н, входящих в формулы (103) и (104);

­ по формуле (104) определяют d o - характерный размер воздухораспределителя и по формуле (103) - скорость в опасной точке w x . Полученная скорость сравнивается с допустимой по гигиеническим соображениям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверкин А.Г. Примеры и задачи по курсу «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение»: Учебное пособие. – Пенза: ПГАСА, 2002. – 116 с.

2. Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика: Учебное пособие. – М.: «Евроклимат», изд во «Арина», 2000 – 416 с.

3. Бражников А.М., Малова Н.Д. Кондиционирование воздуха на предприятиях мясной и молочной промышленности. – М.: Пищевая пром-сть, 1979. – 265 с.

4. Малова Н.Д. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию для предприятий пищевой промышленности. – М.: ТермоКул, 2005. – 304 с.

5. Краснов Ю.С., Борисоглебская А.П., Антипов А.В. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке. – М.: ТермоКул, 2004. – 373 с

6. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: Учебник для вузов. – СПб.: Политехника, 2001. – 423 с.

7. Сотников А.Г. Термодинамические основы обработки воздуха. Конспект лекций: В 2 ч. – Л.: ЛТИХП, 1977, – 136 с.

8. Строительные нормы и правила. Отопление, вентилящия и кондиционирование воздуха. СНиП 41-01-2003 – М.: Изд-во ЦНТИ, 2004.

9. Строительные нормы и правила. Строительная климатология. СНиП 23-01-99 – М.: Изд-во ЦНТИ, 2000.

10. Строительные нормы и правила. Строительная теплотехника. СНиП II-3-79* – М.: Изд-во ЦНТИ, 1998.

11. Техническая термодинамика: Учебник для вузов /Под ред. В.И. Крутова – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. школа, 1981. – 439 с.

12. Цветков Ю.Н. Бурцев С.И. Кондиционирование воздуха: Учебное пособие. – Л. ЛТИХП, 1986. – 81 с.

13. Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. – 3-е изд., перераб. – М.: Агропромиздат, 1989. – 223 с.

Истечение в вязкостном потоке. Рассмотрим истечение через малое отверстие площадью F из области l с высоким (атмосферным) давлением р1 в область 2 низкого давления р2. При уменьшении рг скорость истечения и, следовательно, количество протекающего газа непрерывно увеличивается до тех пор, пока скорость истечения через отверстие не становится равной скорости звука. . Дальнейшее уменьшение р2 не приводит к увеличению скорости и количества протекающего газа; они остаются постоянными.

Поток газа, проходящий через сечение привыражается

формулой

(25)

где г = - <: 1; F- площадь отверстия; k- постоянная Больцмана; Pi

mr - масса молекулы; T1- абсолютная температура в области /. Для воздуха при 200 Cv = 1,403; T1 = 293° К и

(26)

где Q в мм рт. ст. - л/с; р - в мм рт. ст.; F - в см2. Максимальное значение Q при

для воздуха rKp = 0,52.

Сопротивление и пропускную способность отверстия для воздуха при 20° С подсчитаем по формулам (18) и (19). При 1 > г > 0,52

При 0,52 ;> г

При 0,1 > г

тогда поток газа

где п - число молекул в единице объема при давлении рх. Из формулы (3) для идеального газа

Поток через отверстие площадью F из области с давлением рх в область с давлением р2

Но так как характер течения определяется только вероятностью попадания молекулы в отверстие из любой точки камеры, то и из области с давле-

где L - в л/с; F - в см2; г - - (P1 > рг).

Таким образом, пропускная способность отверстия в вязкостном режиме является функцией г отношения давлений, пока это отношение не станет меньше 0,1.

Значения пропускной способности на единицу площади отверстия для воздуха при разных значениях г:

Приведенные формулы и значения величин действительны для отверстий, которые весьма малы по сравнению с размерами камер. Края отверстия должны быть как можно более тонкими, в противном случае линии течения значительно изменяются и уравнения дают ошибочные результаты.

Истечение в молекулярном потоке. При рассмотрении истечения в молекулярном потоке из камеры с давлением рх в камеру сдавленней рг прежде всего следует учесть, что длина свободного пробега молекул больше характерного размера камеры. Отсюда следует, что градиент давления вблизи отверстия и линии течения не образуются. Молекула газа может попаеть в отверстие непосредственно из любой точки камеры. Количество протекших через отверстие молекул будет, таким образом, определяться только их тепловым движением и, согласно законам молекулярно-кинетической теории, число молекул, прошедших через единицу сечения в единицу времени, может быть подсчитано по уравнению (12)

Истечение жидкости через отверстие может происходить при постоянном и переменном напоре. Если истечение жидкости через отверстие происходит в атмосферу или другую газовую среду, то такое отверстие называется незатопленным . Если же истечение идет под уровень, а не в атмосферу - затопленным .

При истечении струи в атмосферу из малого отверстия в тонкой стенке происходит изменение формы струи по ее длине, называемое инверсией струи . Обуславливается это явление в основном действием сил поверхностного натяжения на вытекающие криволинейные струйки и различными условиями сжатия по периметру отверстия. Инверсия больше всего проявляется при истечении из некруглых отверстий.

Рисунок - Инверсия струй

Рассмотрим истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре. Отверстие в тонкой стенке - это отверстие, диаметр которого минимум в 3 раза больше толщины стенки, т.е. d o > 3δ .

При истечении жидкости, через отверстие в тонкой стенке на некотором расстоянии от стенки (l = d o), происходит сжатие струи. Площадь живого сечения струи будет меньше площади отверстия. Это объясняется тем, что частицы жидкости при входе в отверстие имеют скорости различных направлений.

Струя отрывается от стенки у кромки отверстия и затем несколько сжимается. Цилиндрическую форму струя принимает на расстоянии, равном примерно одному диаметру отверстия. Сжатие струи обусловлено необходимостью плавного перехода от различных направлений движения жидкости в резервуаре, в том числе от радиального движения по стенке, к осевому движению струи.

а - в атмосферу; б - под уровень жидкости

Рисунок - Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке

Сжатие струи характеризуется коэффициентом сжатия - отношение площади сечения струи в месте наибольшего сжатия к сечению отверстия.

где S cж - площадь живого сечения струи; S - площадь отверстия.

Коэффициент сжатия e определяется опытным путем и для круглых отверстий равен 0,64.

Задачей расчета истечения жидкостей является определение скорости и расхода при истечении. Скорость истечения определим по уравнению Бернулли . Для этой цели запишем уравнение Бернулли для реальной жидкости для двух живых сечений 1-1 и 2-2 , проведя плоскость сравнения через ось отверстия:

В сечении 1-1 геометрический напор z 1 = H , а в сечении 2-2 z 2 = 0. Сосуд открыт, истечение через отверстие происходит в пространство с атмосферным давлением, следовательно p 1 = p 2 = p а. скоростью в поперечном сечении сосуда по сравнению со скоростью в отверстии можно пренебречь, т.е. принять w 1 = 0. скорость в сечении 2-2 w 2 = w с.

Сделав соответствующие подстановки и сокращения, получим:

В выражении потери напора h п называются местным сопротивлением и определяются по формуле:

где ζ (зета) - коэффициент местного сопротивления (для входа в трубу без закругленных кромок ζ = 0,5, а с закругленными кромками ζ = 0,1).

Таким образом:

откуда окончательно получаем:

Величина называется коэффициент скорости и обозначается через φ. Коэффициент φ представляет собой отношение действительной скорости истечения к теоретической, определяется опытным путем.

Таким образом скорость истечения реальной жидкости:

Зная скорость истечения жидкости можно определить расход жидкости через отверстие:

Подставляя значения, для скорости и коэффициента сжатия получаем:

где е - коэффициент сжатия струи,

S - площадь отверстия,

φ - коэффициент скорости,

Произведение коэффициента сжатия струи на коэффициент скорости называется коэффициентом расхода и обозначается μ. Следовательно :

И уравнение расхода через отверстие получает окончательный вид:

В практике часто приходится иметь дело с истечением жидкости не в атмосферу и не в газовую среду, а в пространство, заполненное этой жидкостью. Такой случай называется истечением под уровень или истечением через затопленное отверстие.

При истечении под уровень расчетные формулы для скорости и расхода остаются прежними, только H принимается как разность уровней.

При истечении через отверстие в боковой стенке напор не будет одинаковым для всех точек по сечению отверстия, в этом случае расход жидкости может быть определен путем суммирования, т.е. интегрирования элементарных расходов по всему сечению отверстия.

При истечении жидкости через короткий цилиндрический патрубок (насадок) происходит дополнительная потеря энергии, главным образом вследствии внезапного расширения струи в патрубке.

Рисунок - Истечение через насадок

Поэтому скорость истечения жидкости через патрубок меньше скорости ее истечения через отверстие в тонкой стенке. Вместе с тем, расход жидкости, вытекающей через патрубок больше, чем при истечении через отверстие. Так как струя, после входа в насадок сжимается примерно так же, как и при истечении через отверстие в тонкой стенке, а затем струя постепенно расширяется до размеров отверстия и из насадка выходит полным сечением. Поэтому коэффициент сжатия струи на выходе из патрубка е = 1, что приводит к повышению значения коэффициента расхода μ и соответственно расхода жидкости.

Внешний цилиндрический насадок может быть значительно улучшен путем закругления входной кромки или устройства конического входа.

Рисунок - Истечение жидкости через насадки а - расширяющиеся конические; б - сужающиеся конические; в - коноидальные; г - внутренние цилиндрические.

Конически сходящиеся и коноидальные насадки применяют там, где необходимо получить хорошую компактную струю сравнительно большой длины при малых потерях энергии (в напорных брандспойтах, гидромониторах и т.д.). Конически сходящиеся насадки используют для увеличения расхода истечения при малых выходных скоростях.

РЕФЕРАТ

Пневматические устройства играют важную роль в механизации производства. В последнее время они также широко используются при решении задач автоматизации.

Пневматические устройства в системах автоматики выполняют следующие функции:

Получение информации о состоянии системы с помощью входных элементов (датчиков);

Обработка информации с помощью логико-вычислительных элементов (процессоров);

Управление исполнительными устройствами с помощью распределительных элементов (усилителей мощности);

Совершение полезной работы с помощью исполнительных устройств (двигателей).

КОМПРЕССОР, ПНЕВМОЦИЛИНДР, РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ, УСИЛИЕ, СКОРОСТЬ, ДАВЛЕНИЕ, РАСХОД, НОМОГРАММА.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все чаще для автоматизации производственных процессов и отдельных операций используется новая отрасль техники - мехатроника, которая включает в себя совокупность механических, гидравлических, пневматических, электронных элементов. Широкое распространение в последнее время получает пневмоавтоматика благодаря ряду существенных достоинств пневмосистем: легкое управление исполнительными механизмами, сравнительно большая скорость рабочего перемещения и др. Электрогидравлические и электропневматические системы автоматического управления получают все более широкое распространение в самых различных областях техники, включая робототехнические и автоматизированные комплексы машиностроительной, космической, авиационной, химической, пищевой, атомной и других отраслей промышленности. Сочетая в себе известные достоинства электрической связи и управления с быстродействием и относительной легкостью мощных гидро- и пневмоприводов, эти системы вытесняют чисто механические и электрические системы управления и контроля.

Технический прогресс в области создания материалов, способов конструирования и производства способствует улучшению качества и увеличению разнообразия пневматических устройств, что послужило основой для расширения области их применения как средств автоматизации.

Для реализации прямолинейного движения часто используют пневмоцилиндры, т.к. они характеризуются низкой стоимостью, легкостью монтажа, простотой и прочностью конструкции, а также широким диапазоном основных параметров.

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Пневматические исполнительные устройства предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в механическое линейное перемещение или вращение. Они используются для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных основных и вспомогательных операций. Линейное перемещение обеспечивается пневмоцилиндрами, поворотное движение - исполнительными устройствами, имеющими в качестве рабочего органа лопасть или шестерню с рейкой,

В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воздуха действует на поршень только в одном направлении, в обратную сторону поршень со штоком перемещается под действием пружины или внешних сил. Пневмоцилиндры с пружинным возвратом используют для выполнения небольших перемещений и с небольшими развиваемыми усилиями, так как встроенная пружина, сжимаясь, значительно снижает усилие, развиваемое поршнем.

В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком под действием сжатого воздуха происходит в прямом и обратном направлениях.

Поворотные пневмодвигатели могут быть поршневыми и лопастными,

Кроме названных выше типов, в промышленности используются также пневмоустройства специального назначения. К ним относятся бесштоковые цилиндры, позиционные цилиндры, пневмокаретки, цилиндры с полым штоком, с тормозом и пневмозахваты.

В процессе монтажа, наладки и эксплуатации пневматических исполнительных устройств необходимо предусматривать ряд конструктивных мер безопасности.

Чтобы свести к минимуму риск нанесения травм персоналу, рекомендуется применять защитные ограждения.

При высокой скорости движения рабочего органа устройства или в случае больших инерционных нагрузок, собственный демпфер пневмодвигателя может оказаться недостаточным для смягчения удара. Для снижения скорости рабочего органа до включения собственного демпфера рекомендуется использовать схемы замедления или устанавливать наружные демпферу, ослабляющие удар. В последнем случае конструкция должна обладать достаточной жесткостью.

Во избежание травм персонала, повреждения оборудования и объектов производства, необходимо предусматривать конструктивные меры, обеспечивающие соблюдение безопасности при падении давления. Такие меры особенно необходимы в системах с подвешенными грузами и в подъемно-транспортных механизмах.

Если пневмопривод управляется с помощью трехпозиционных пневмораспределителей, у которых в нейтральном положении все выходы сообщены с выхлопом, или возобновляет работу после того, как давление в пневмосистеме было сброшено, возможен резкий рывок рабочего органа с места и затем его движение с чрезмерно высокой скоростью. Это обусловлено тем, что в одну полость цилиндра подано высокое давление, в то время как в другой полости давление отсутствует, и нет никакого противодействия движению поршня, которое обычно бывает при вытеснении воздуха из полости пневмоцилиндра. В этих случаях необходимо предусматривать меры против резких рывков - например, применяя устройства плавной подачи воздуха.

Все виды нагрузок на шток поршня должны быть приложены только в осевом направлении. Неизбежные боковые нагрузки, приложенные к концу штока, не должны превышать значения, допустимые для каждого типа пневмоцилиндра. Не рекомендуется использовать пневмоцилиндр как амортизатор.

Если в пневмоцилиндре есть воздушный демпфер, он может работать только при условии, что шток доходит до своего крайнего положения. Поэтому, если длина хода поршня определяется какими-либо внешними ограничителями, необходимо убедиться, что демпфирование действительно имеет место.

Если пневмоцилиндр должен работать при полностью открытом клапане воздушного демпфера, необходимо выбрать тип цилиндра, снабженный резиновым демпфером. Не рекомендуется эксплуатировать привод с завинченным до упора регулировочным винтом демпфера, так как это может привести к повреждению уплотнения цилиндра.

Прежде чем затягивать резьбовое соединение на конце штока требуется привести его в полностью утопленное положение. При затяжке шток не должен вращаться.

При техническом обслуживании оборудования необходимо, прежде всего, убедиться, что в результате отключения питания не произойдет падение транспортируемых объектов или узлов оборудования, находящихся в поднятом или неустойчивом положении. Только после этого можно отключать электрическое и пневматическое питание, обязательно удостоверившись в том, что давление в системе полностью сброшено.

1. Свойства воздуха

Рабочим телом для исполнительных устройств электропневмоавтоматики служит сжатый воздух, представляющий собой смесь из азота и кислорода (по объему примерно 78% и 21%, соответственно) и других газов, содержащихся в небольших количествах (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.

Основными и наиболее распространенными параметрами сжатого воздуха являются температура, давление и удельный объем (или плотность).

Давление представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.

Атмосфера Земли на ее поверхности развивает давление в одну физическую атмосферу. Давление, отсчитываемое сверх величины атмосферного давления, называется избыточным или манометрическим и указывается в технических характеристиках пневматических устройств.

Полное давление равно сумме избыточного и атмосферного давления:

Полное давление газа пропорционально его абсолютной температуре Т и концентрации молекул n , которую можно определить как отношение;

где N - число молекул, находящихся в сосуде; V - объем сосуда.

Давление р газа равно:

.

Коэффициент пропорциональности представляет собой постоянную Больцмана, равную:

.

Чаще известен объем V сосуда и масса т заключенного в нем воздуха. В предположении, что воздух является идеальным газом (отсутствует межмолекулярное взаимодействие), давление р внутри сосуда может быть определено по формуле Клапейрона:

,

где R - универсальная газовая постоянная (для воздуха R =287 Дж/кг К), которая равна внешней работе, совершаемой при постоянном давлении одним килограммом воздуха при нагревании его на 1 градус; Т -температура в градусах Кельвина (абсолютная температура).

Нулевая температура по Цельсию в физике

.

Если концентрация газа в сосуде равна нулю, то полное давление в таком сосуде тоже равно нулю. Можно считать, что на поверхности Земли сосуд обладает некоторой потенциальной энергией, так как весь окружающий ею воздух находится под атмосферным давлением и, входя в сосуд, может совершить работу.

Так работают многие вакуумные устройства, например, вакуумные приводы, вакуумные присоски и т.п. Говорят, что эти устройства работают на разрежение.

Сосуд будет также обладать потенциальной энергией, если давление газа внутри него будет больше атмосферного (т.е. p и >0). Здесь газ также может совершить работу, но уже при выходе из сосуда в атмосферу, т.е. привести в действие устройства, работающие на нагнетание.

Поскольку большинство устройств промышленной электропневмоавтоматики работает на нагнетание, а магистральное давление существенно больше атмосферного, при расчете усилий удобно пользоваться избыточным давлением. В термодинамических расчетах пользуются полным давлением.

В системе СИ единицей измерения давления служит паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой в 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 (I Па = 1 Н/м 2).

Соотношения между единицами давления приведены в таблице 2.

Таблица 2. Соотношение между единицами давления

Единицы	кГс/см 2	Бар	Па	р si	мм рт.ст.
1 кГс/см 2		0,98	9,81 10 -4	14,22	735,6
1 Бар	1,02		10 5	14,5	750,3
1 Па	1.02 10 -5	10 -5		1,45 10 -4	7,5 10 -3
1 р si (фунт-сила/кв.дюйм)	0,07	0.07	6,9 10 -3		51,71
1 мм рт.ст.	1,36 10 -4	133,3 10 -3	133,3	19,34 10 -3
1 мм вод.ст	10 -4	9,81 10 -5	9,81	1,42 10 -3	7,36 10 -2

2. Основные термодинамические законы

Во многих случаях уравнения состояния идеальных газов в пневмоавтоматике можно использовать с достаточной точностью и для реальных газов.

Бойлем в 1662 г. в Англии, а затем независимо от него Мариоттом в 1676 г. во Франции было установлено, что если газ занимал некоторый первоначальный объем V 0 и имел давление р о , то послесжатия до объема V 1 его давление p 1 , при условии, что температура газа не изменяется (изотермический процесс), повысится до величины, при которой произведение начального объема и давления будет равно произведению конечного объема и давления (рисунок 1,а);

.

Французским ученым Ж. Шарлем в 1787 г. было установлено, что если газ занимает постоянный объем (изохорный процесс), то при увеличении или уменьшении первоначальной температуры газа внутри постоянного объема первоначальное давление, соответственно, увеличится или уменьшится пропорционально изменению температуры (рисунок 1,б):

,

откуда

.

При неизменном давлении (изобарный процесс) нагревание или охлаждение первоначального объема газа приводит, соответственно, к возрастанию или уменьшению объема пропорционально изменению температуры в градусах Кельвина:

.

Это было установлено Ж. Гей-Люссаком в 1802 году.

При адиабатном процессе нет теплообмена между системой и окружающей средой. Приближенно можно считать адиабатным процесс в нетеплоизолированной системе, если он осуществляется столь быстро, что теплообмен между системой и окружающей средой практически не успевает происходить. Адиабатный процесс описывается уравнением

где k - показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении р к теплоемкости газа при постоянном объеме V .

Изотермический, изобарный, изохорный и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса (от греч. многообразный). Этот процесс описывается уравнением

где n - показатель политропы: при n = k - процесс политропный; при n =0 -

процесс изобарный; при n =1-изотермический; при n =±?-изохорный.

3. Истечение сжатого воздуха через отверстие

1

Основными соотношениями, необходимыми для описания работы пневматических устройств, являются соотношения, описывающие законы движения воздуха. Принимается, что воздух является идеальной жидкостью, т.е. такой жидкостью, в которой частицы перемешаются одна относительно другой без трения. Предположим, что движение установившееся и свойства жидкости в данном сечении остаются постоянными, т.е. давление и температура не изменяются. Обозначим через c , p , g , ? , z , соответственно, скорость движения жидкости, давление, ускорение силы тяжести, плотность жидкости и высоту над плоскостью отсчета. Уравнение Бернулли в дифференциальной форме, выражающее закон сохранения энергии, записывается в виде:

.

Интегрирование этого уравнения дает выражение закона движения жидкости:

.

Величина Н - постоянная интегрирования, представляет собой полный

напор, развиваемый движущейся жидкостью. Он равен сумме напоров скоростного, пьезометрического и геометрического. Учитывая низкую плотность воздуха, величиной z обычно пренебрегают. Поэтому.

.

Для идеальной жидкости запас энергии в каждом сечении потока остается неизменным. У реальных жидкостей, имеющих трение, запас энергии от сечения к сечению по направлению потока убывает. Уравнение для реальной жидкости между двумя произвольными сечениями потока имеет вид:

.

Обычно гидравлические потери Н 12 принимают пропорциональными изменению кинетической энергии, т.е.

,

где величина ? называется коэффициентом гидравлических потерь; с - средняя скорость в сечении потока.

В случае истечения воздуха из резервуара с достаточно большими размерами (рисунок 2) скоростью воздуха перед отверстием можно пренебречь и тогда

.

Рисунок 2

Величина называется коэффициентом скорости.

В каналах пневматических сопротивлений скорость течения воздуха сравнительно велика, и поэтому, с достаточной степенью точности можно считать, что теплообмен между протекающим воздухом и стенками канала отсутствует и, следовательно, истечение происходит по адиабатическому закону. Поэтому, можно записать: F -площадь сечения А-А; ? 2 -плотность воздуха в сечении А-А.

.

В полученном выражении за плотность воздуха в сечении отверстия площадью F принята плотность в среде, куда происходит истечение.

На самом деле плотность воздуха в этом сечении иная. Выравнивание плотности воздуха в струе с плотностью воздуха окружающей среды происходит в сечении Б-Б, расположенном на некотором расстоянии от отверстия. При этом площадь сечения Б-Б меньше площади отверстия F . Отношение сжатого сечения к расчетному называют коэффициентом сжатия струи. Произведение коэффициента сжатия на коэффициент скорости называют коэффициентом расхода ? . Таким образом, для уточнения в формулу для определения расхода G m вместо ? следует Рисунок 3

ввести ? .

На практике приходится рассчитывать расход воздуха не для отверстия с тонкими стенками, а для различных видов дросселирующих сопротивлений, имеющих более сложную конфигурацию, В этих случаях коэффициент расхода определяют экспериментально, и он является поправочным коэффициентом, учитывающим геометрию дросселя.

Расход (рисунок 3) имеет максимальное значение при

.

Показатель адиабаты k для воздуха равен 1,4, следовательно, ? кр = 0,528.

Момент равенства ?=? кр соответствует в канале дросселирующего сопротивления скорости течения воздуха, равной скорости звука. Экспериментально показано, что если в дальнейшем понижать давление р 2 , то расход G m -давление в полости до подводящего отверстия; р i -1 -давление в полости за подводящим отверстием; G кр - критическое значение массового расхода, определяемое по формуле

,

где d -диаметр подводящего отверстия.

Максимальная погрешность при таком определении расхода равна 3,4%.

Список литературы

1. Электропневмоавтоматика в производственных процессах: Учебное пособие; под редакцией Е.В. Пашкова. – 2-е издание, переработанное и дополненное. – Севастополь: издательство СевНТУ, 2003. -496с., ил.

2. Расчет пневмоприводов: Справочное пособие. Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. – Москва: «Машиностроение», 1975. -274с.