Korekta veintilatora izvēle

Lai izvēlētos ventilatoru vajag zināt divas lietas: nepieciešamo gaisa apjomu (m3/h, l/s utt.) un pretestību (kPa, Pa, utt.).

Gaisa apjomu noteikt ir vienkārši. Bet pretestību sistēmā – kaut kas sarežģītāks, kur visi parasti “iekrīt”, pat pieredzējuši speciālisti. Projekts uz rasējuma lapas izskatās citādāk nekā dzīvē, vai ne? 😉 Neiztirzāšu problēmas starp montētājiem un projektētājiem, tas nav mans mērķis.

Ventilatoram ir jāpārvar gaisa berzes pretestība (gasavados, līkumos, restītēs, gaisa sadalītājos (difuzoros) u.t.t.), lai gaiss nepieciešamā apjomā būtu nogādāts patērētājam.

Attēlā parādīta ventilācijas sistēmas shēma, kuras cauruļu diametri aprēķināti iepriekšējā rakstā. Man ir slinkums veikt aprēķinus, tamdēļ iztirzāšu metodi, kā tas veicams.

Galvenais uzdevums ir: ventilatoram jāspēj pārvarēt berzi, kas rodas līdz visnoslogotākajam posma difuzoram. Nākošais – panākt nepieciešamo caurplūdi caur katru difuzoru. Spiediena zudumus caur difuzoru sākumā neņemam vērā. Nosaka spiediena kritumus gaisavados, līkumos u.t.t., ko var atrast grāmatās. Zudumus mūsu gadījumā nosaka no katra patērētāja līdz izmešanai – sauksim šos par posmiem. Tātad ir 3 posmi – 1. no difuzora ar caurplūdi 50 m3/h līdz izmešanai, 2. – no 100 m3/h difuzora līdz izmešanai un 3. – 70 m3/h līdz izmešanai. Tad izvēlas nepieciešamā izmēra difuzorus, meklē diagrammas, kur, mainoties caurplūdēm, mainās spiediena kritums. Kad nepieciešamā caurplūde ir noteikta, pieskaita šos, difuzorā radušos zudumus posma zudumiem. No visiem trim posmiem piemeklē posmu ar vislielākajiem zudumiem. Iegūtais lielums ir pretestība, (otrs nepieciešamais lielums) ko ņem vērā, izvēloties ventilatoru.

Gaisavadu dimensionēšana

Patiesībā diezgan vienkārša lieta, kur svarīgākais punkts ir gaisa ātrums gaisavadā. Izejot no tā, tiek piemeklēts nepieciešamais caurules diametrs. Tabulā zemāk atrodami ātrumi gaisavados, atkarībā no sistēmas veida un gaisavadu posmiem.

Caurules raksturojums	Komforta sistēma	Industriālā sistēma	Sistēma ar lieliem ātrumiem
Galvenie	4 – 7 m/s	8 – 12 m/s	10 – 18 m/s
Vidējie	3 – 5 m/s	5 – 8 m/s	6 – 12 m/s
Sazarotie	1 – 3 m/s	3 – 5 m/s	5 – 8 m/s

Tad nu ķersimies klāt. Uzdevums ir noteikt gaisavadu izmērus priekš trim telpām. Tur būs tikai nosūce, precīzāk runājot – mehāniskā nosūce, dabiskā pieplūde. Shēma attēlota zemāk.

Visu sistēmu esmu sadalījis posmos. Visi posmi sastāv no apaļajiem cauruļvadiem. Katrai no trim telpām ir citādāks gaisa nosūces apjoms. Piemeklēsim maksimālos pieļaujamos nosūces ātrumus gaisavados. Pieņemsim, ka tā ir komforta sistēma (skaties tabulu). Tā atbilst dzīvojamās mājas ventilācijas sistēmai. 1., 2. un 3. posms būs sazarotie cauruļvadi ar gaisa ātrumu līdz 3 m/s. 4. un 5. posmu pieņemsim par vidējiem cauruļvadiem ar maksimālo gaisa ātrumu tajos – 5 m/s. Ja sistēma būtu lielāka, sazarotāka, tad varētu pieņemt maksimālos ātrumus arī līdz 7 m/s. Bet tā mums šeit nav.

Nākošais solis ir, izejot no maksimālajiem ātrumiem un gaisa plūsmas apjoma cauruļvados, piemeklēt to šķersgriezuma laukumu.

V = v * S, kur

V- gaisa plūsmas apjoms, m³/s

v – gaisa plūsmas ātrums, m/s

S –  gaisavada (iekšējais) šķērsgriezuma laukums, m²

Lai  gan formula izskatās vienkārša, tā nemaz nav. Ir vairākas vietas, kur pielaist kļūdas. Tev vajag zināt riņķa līnijas laukumu, lai aprēķinātu apaļā gaisavada diametru.

S = 3,14 * D² / 4, kur D – diametrs, m

Nu lūk, saliekot abas šīs formulas kopā, aprēķini diametru.

Es pats izmantoju MS Excel, kur nav jāmokās, un iegūstu sekojošus rezultātus:

1.posms – DN 78 (diametrs 78 mm);

2. posms – DN 110;

3. posms – DN 90;

4.posms – DN 104;

5.posms – DN 125.

Nu lūk, diametri ir aprēķināti. Mani iegūtie rezultāti parāda minimālo diametru, pie kura gaisa plūsmas ātrums nepārsniedz maksimālo vērtību, vai tā ir 3 m/s vai 5 m/s.

Beidzamais solis ir piemeklēt reālus gaisavadus. Standarta apaļie cauruļvadi ir ar diametriem DN 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 310, 400 utt.

Tātad 1.posmam būs DN 80, 2.posmam – DN 125, 3.posmam – DN 100, 4.posmam – DN 125, 5.posmam – DN 125. Tas arī viss.

Nākošais, ko aprakstīšu būs korekta ventilatora izvēle, bet par to nākamajā rakstā.

Secinājumi.

1. Ātrums gaisavados ir cieši saistīts ar trokšņu veidošanos un arī ar sistēmas kapitālizmaksām. Jo lielāks ātrums, jo lielāks troksnis, taču mazāki cauruļu izmēri.

2. Sazarotie gaisavadi no vidējiem un galvenajiem atšķiras ar to, ka atrodas vistuvāk dzīvojamai telpai. Tieši tāpēc ātrumam tajos ir jābūt mazākam.

Mix vs Displacement ventilation/Divi gaisa piegādes veidi

Vienvārdsakot, iztirzāšu divus gaisa piegādes variantus. Miksēto ventilāciju (Mix ventilation) un slāņaino izspiešanas ventilāciju (Displacement ventilation).

Miksētā ventilācija

Miksēto ventilāciju galvenokārt pielieto nelielās telpās (birojos, mājokļos, veikalos utml.) ar zemiem griestiem (<3m). Pieplūdes un nosūces agregātus (difuzorus) novieto apmēram vienā augstumā (skatīt attēlu), gaisa vadi atrodas viens otram blakums. Difuzori var atrasties gan griestos, gan sienās, tuvu pie griestiem. Pienākošais gaiss var būt gan siltāks, gan vēsāks par darba zonā esošo. Vispirms tas sajaucas ar telpas augšējiem gaisa slāņiem, uzsilst un tad nonāk darba zonā. Jo lielāki siltuma izdalījumi (no cilvēkiem, tehnikas u.c.), jo sarežģītāk nodrošināt komfortablus apstākļus.  Gaisa parametri visā telpas augstumā ir vienādi.

Priekšrocības šādai sistēmai:

• Visplašāk pielietotākā gaisa piegādes sistēma, kur gan padotā-novadītā gaisa apjoms, gan gaisa plūsmas virzieni ir viegli nosakāmi;

• Iespējams ļoti precīzi regulēt gaisa temperatūru ( ±0,15% robežās) un mitrumu (±0,5%);
• Nodrošina labu gaisa un ventilācijas sadalījumu telpā dažādu slodžu gadījumā;
• Praktiski nav nepieciešama iekārtu apkalpe.

Trūkumi šādai sistēmai:

• Blīvuma izmaiņu iespaidā sasilušais gaiss celsies augšup, traucējot svaigam, vēsam gaisam piekļūt darba zonā;
• Gaiss visā telpā ir ar vieniem parametriem (temperatūru, mitrumu), respektīvi nevajadzīgi tiek patērēta enerģija gaisa apstrādei, nodrošinot svaigu gaisu ārpus cilvēka darba zonas, t.i. >2m;
• Pieplūdes un novades ventilācijas caurules bieži vien izskatās slikti un aizņem daudz vietas.

Slāņainā izspiešanas ventilācija

Slāņaino izspiešanas ventilāciju pielieto jau lielākās telpās, piemēram, hallēs, trenažieru zālēs, auditorijās, kur ir samērā augsti griesti (>4m). Svaigs gaiss tiek padots no izvirzījumiem sienās tuvu grīdai (skatīt attēlu) vai no grīdas, taču novadīts – no griestiem. Telpas platumam vēlams būt <20m. Ja tā būs platāka, svaigs gaiss līdz telpas vidum neaizplūdīs. Slāņainā izspiešanas ventilācija ir efektīva pie gadījuma, kad pievadāmā gaisa temperatūra ir zemāka par gaisa temperatūru darba zonā. Pieplūstošais vēsais gaiss nonāk grīdas līmenī, lēnām sasilst un ceļas uz augšu, atkarībā no termālās slodzes (siltuma izdalījumiem) darba zonā. Gaisa kustība notiek gaisa blīvuma izmaiņu rezultātā. Viss piesārņotais, smacīgais un siltais gaiss „uzkāpj” līdz griestu līmenim un caur plākšņu vai rotējošo rekuperatoru tiek novadīts atmosfērā. Cilvēks normāli izdala tik lielu siltuma daudzumu kā 100W spuldzīte.

Priekšrocības šādai sistēmai:

• Labāka svaigā gaisa kvalitāte darba zonā;
• Vismaz par 30% zemāki izdevumi par patērēto enerģiju;
• Var efektīvi apvienot ar rekuperāciju, t.i. ienākošais svaigais gaiss gaisa apmaiņas agragātā uzņem no telpas novadītā gaisa siltumu;

Trūkumi šādai sistēmai:

• Samērā sarežģīts gaisa plūsmas apjoma, virziena, temperatūras aprēķins, kas katrai telpai ir unikāls;
• Tā kā gaisa pieplūde ir turpat vai darba zonā, grūti likvidēt t.s. “caurvēju”(gaisa plūsmas ātrums pie >0,2m/s) un nodrošināt komfortablu temperatūru;
• Ventilācijas caurules un lielais pieplūdes difuzors darba zonā neizskatās pieņemami.

Moljēra jeb I-d diagramma piemēros (sausināšana, mitrināšana)

Gaisa sausināšana.

b). Vēl gaisa sausināšanu panāk, laižot gaisu caur materiāliem, kuri adsorbē ūdens tvaiku (aktivizētais silīcijs, u.c.). Tā, ka gaisa apstrādes procesā siltums no gaisa netiek ne pievadīts, ne atņemts, tad tas notiek pie nemainīgas entalpijas (I).

Piemērs iz dzīves. Nepieciešams sausināt gaisu. Āra gaisa parametri – temperatūra t = 20°C, relatīvais mitrums φ = 50%. Lai darbotos tehnoloģiskā iekārta, gaisa mitrumam telpā jābūt φ = 20%.

Tātad vēlreiz – mums nepieciešams sausināt, kontaktējot gaisu ar adsorbentu. Tas nozīmē, ka nekur netiek ne pievadīts, ne atņemts siltums. Process pārvietosies nevis un augšu (sildīšanā) vai leju(dzesēšanā), bet pa entalpijas I asi, t.i. pie nemainīgas entalpijas I.

Stāvokli Moljēra diagrammā attēloju augstāk.  punkts 1 raksturo ieņemtā gaisa parametrus, punkts 2 – telpā ieplūstošā gaisa parametrus. Gaisa relatīvais mitrums φ ir samazinājies (50% ->20%), tāpat arī gaisa mitruma saturs d (~0,0073kg/kg -> 0,0044kg/kg), taču temperatūra t ir pieaugusi (20°C -> 27°C). Varam aprēķināt, cik kondensāta izdalīsies no ieņemtā gaisa pie dažādas gaisa plūsmas.

Gk (kondensāta apjoms, l/s) = G (gaisa plūsma, m³/s) * 1,2 (koeficients) * Δd (sākuma un beigu gaisu mitruma saturs, kg/kg).

Ja gaisa plūsma 0,1 m³/s -> Gk = 0,1 * 1,2 * (0,0073 – 0,0044) = 0,00035 l/s = 1,25 l/h

Ja gaisa plūsma 1 m³/s -> Gk = 1 * 1,2 * (0,0073 – 0,0044) = 0,0035 l/s = 12,5 l/h

Ja gaisa plūsma 10 m³/s -> Gk = 10 * 1,2 * (0,0073 – 0,0044) = 0,035 l/s = 125 l/h

Mitruma satura starpība Δd ir atkarīga no tā, cik biezs ir adsorbenta slānis un cik ātri gaiss caur to izplūst. Protams, ka nekas dabā nav konstants, t.i., no āra ieņemtā gaisa parametri visu laiku mainās. Darbinot kaut kādu tehnoloģisko agregātu darbiniekiem būs vienalga, cik kondensāta aizies kanalizācijā, viņiem būs svarīgi šajā gadījumā nodrošināt tieši gaisa relatīvo mitrumu φ = 20% robežās. Jo precīzāku ciparu viņi gribēs, jo dārgāku kondicionēšanas agregātu vajadzēs.

Gaisa mitrināšana.

Gaisa mitrināšanu veic, izsmidzinot gaisa plūsmā ūdens pilienus vai ļaujot gaisa plūsmai saskarties ar atklātu ūdens virsmu.

Zemāk attēlots piemērs, kad gaisam kontaktējot ar ūdeni, kura temperatūra T_ū ir aptuveni vienāda ar mitrā termometra temperatūru T_M.

Tātad relatīvais mitrums φ un mitruma saturs d pieaug, temperatūra t samazinās, bet entalpija I paliek nemainīga (I = const) – notiek adiabātiska mitrināšana. Teorētiski gaisa mitrums var pieaugt līdz φ = 100%, bet praktiski φ < 100%. Mitruma starpība Δd ir atkarīga no tā, cik liela ir gaisa un ūdens kontakta virsma un ilgums.

Ja kontaktējošā ūdens sākuma temperatūra Tū > T_M, tad gaisa entalpija I pieaugs (Process 1-2). Ja, savukārt, Tū < T_M – samazināsies (Process 1-3). Situācijas katīt zemāk.

Lai paaugstinātu gaisa entalpiju no I₁ līdz I₂, gaisam ar ūdeni jāpievada siltuma daudzums

Q = G * 1,2 * (I₂ – I₁),

bet lai pazeminātu tā entalpiju no I₁ līdz I3 – jāatņem siltuma daudzums

Q = G * 1,2 * (I₁ – I₃).

Kad gaiss kontaktē ar ūdens tvaiku, gaisa mitrināšana notiek pe nemainīgas temperatūras t (t = const), pieaugot entalpijai I. Šādu procesu sauc par izotermisku mitrināšanas procesu. Šāds process tiek attēlots ar taisni, kas vilkta no punkta 1, kurš raksturo gaisa sākuma stāvokli, līdz krustpunktam ar robežlīniju φ = 100% punktā 2. Tas attēlots zemāk.

Kā redzams pēc diagrammas, gaisa mitruma saturs d pieaug, tāpat arī relatīvais mitrums.

Kontaktējot gaisu ar pietiekami aukstu ūdeni, tā entalpiju I var pazemināt līdz I₂ (attēlā zemāk), pie kuras gaisa mitruma saturs d paliek nemainīgs (o,oo5 kg/kg), lai gan joprojām būs saskarē ar ūdeni. Pie vēl zemākas temperatūras t gaisa entalpiju I var pazemināt līdz I₃ un tā mitruma saturs var samazināties par Δd (d₂ – d₃), tātad notiks gaisa sausināšana.

Moljēra diagrammas programmu variet atrast šeit: http://www.ivprodukt.se/Documents/IVProdukt/Documents/Mollier%20chart%202.1b.exe

Moljēra jeb I-d diagramma piemēros (sildīšana, dzesēšana, sausināšana)

Moljēra jeb I-d diagramma (turpmāk I-d) grafiski attēlo gaisa parametru (temperatūra, relatīvais mitrums, entalpija un mitruma saturs) savstarpējās sakarības. Tā ir attēlota slīpleņķa koordinātu sistēmā. Uz vertikālās ass izvēlētā mērogā atliek entalpiju vērtības (I), pieņemot par koordinātu sākumu absolūti sausa gaisa termodinamisko stāvokli pie 0°C. Mirtuma satura vērtības (d) liek uz ass, kura ar vertikāli veido leņķi 135°. Bez tam diagrammā attēlotas pastāvīgu mitrā termometra temperatūru (gaisa temperatūra ar termometru, kura “galviņa” ir mitra) līnijas t = const un pastāvīgu relatīvo mitrumu līnijas d = const. Piesātinātā gaisa līnija φ = 100% jeb 1,0 diagrammas laukumu sadala divās daļās. Augšējā daļā virs līnijas φ = 100% atrodas mitrā gaisa zona, zem – pārsātinātā gaisa (miglas) zona. Diagrammas apakšējā daļā ir skala, pēc kuras var noteikt ūdens tvaika parciālo spiedienu p. Katram gaisa stāvoklim I-d diagrammā atbilst noteikts punkts, kura koordinātes var atrast pēc jebkuriem diviem (no pieciem) gaisa parametriem (I, d, t, φ, p). Pēc I-d diagrammas var noteikt tādus gaisa parametrus kā rasas punkta temperatūru (piesātināta gaisa temperatūra pie dotā nemainīgā mitruma satura) un mitrā termometra temperatūru (piesātināta gaisa temperatūra pie nemainīgas entalpijas), bet arī viegli attēlot dazādus gaisa apstrādes procesus – gaisa sildīšanu, dzesēšanu, mitrināšanu un sausināšanu.

Moljēra diagramma ir ļoti svarīga kaloriferu, dzesētāju, mitrinātāju, galu galā čilleru, dažādu ventagregātu aprēķinos, kuros uzstāda sarežģītu automātiku, lai pie mainīgiem āra gaisa parametriem nodrošinātu noteiktus jeb konstantus iekštelpu  gaisa parametrus. Praktiski visi nozīmīgākie aprēķini gaisa kondicionēšanā balstas uz šīs diagrammas bāzes.

1. Gaisa sildīšana.

Gaisa sildīšana kaloriferī jeb gaisa sildītājā (siltuma apmaiņas aparāts, kurā gaiss saskaras ar sausu, sakarsētu virsmu) noris pie nemainīga gaisa mitruma satura. I-d diagrammā (attēlā zemāk) šādu procesu attēlo ar taisni, kura vilkta no punkta 1, kas raksturo gaisa sākuma stāvokli (manā gadījumā punktu 1 raksturo divi lielumi – relatīvais mitrums φ = 50% un gaisa temperatūra t =  20°C), uz augšu paralēli gaisa mitruma saturam d, līdz krustojumam ar nosprausto gaisa beigu temperatūru (punkts 2, manā gadījumā t = 30°C).

Kā redzams no diagrammas, sildot gaisu, tā entalpija  I  palielinās (No ~38 kJ/kg līdz ~49 kJ/kg), tāpat arī temperatūra t (No 20°C līdz 30°C), taču relatīvais mitrums φ samazinās (No ~50% līdz ~28%). Gaisa mitruma saturs d paliek nemainīgs ~0,0072 kg/kg.

Siltuma daudzumu (kW), kas nepieciešams gaisa sasildīšanai aprēķina pēc formulas Q (siltuma daudzums, kW) = G (pievadāmā gaisa daudzums, m³/s) * 1,2 (koeficients) * ΔI (beigu un sākuma gaisa entalpiju starpība, kJ/kg)

Tātad, ja, piemēram, sildītāja ventilators nodrošina gaisa plūsmu 0,5 m³/s, tad sildītājam ir jāsilda ar Q = 0,5 * 1,2 * 11 = + 6,6kW jaudu, lai šis gaiss atbilstu punkta 2 gaisa parametriem. Respektīvi, 1 punkts apraksta caur ventilatoru plūstošo gaisa daudzumu vienā pusē, bet punkts 2 – šo pašu, kaloriferī sasildīto un pievadīto otrā pusē.

2. Gaisa dzesēšana

Gaisa dzesēšana, kas noris virsmas dzesētājā (siltuma apmaiņas aparāts, kurā gaiss saskaras ar sausu, aukstu virsmu), arī noris pie nemainīga gaisa mitruma satura d. I-d diagrammā (attēlā zemāk) šādu procesu attēlo ar taisni, kura vilkta no punkta 1, kas raksturo gaisa sākuma stāvokli (manā gadījumā punktu 1 raksturo divi lielumi – relatīvais mitrums φ = 50% un gaisa temperatūra t =  30°C), uz leju paralēli gaisa mitruma saturam d, līdz krustojumam ar nosprausto gaisa beigu temperatūru (punkts 2, manā gadījumā t = 30°C un d – tādā pašā vērtībā kā punktā 1).

Kā redzams no diagrammas, dzesējot gaisu, tā entalpija  I  samazinās (No ~64 kJ/kg līdz ~54kJ/kg), tāpat arī temperatūra t (No 30°C līdz 20°C), taču relatīvais mitrums φ palielinās (No ~50% līdz ~91%). Gaisa mitruma saturs d paliek nemainīgs ~0,0133 kg/kg.

Siltuma daudzumu (kW), ko nepieciešams atņemt, lai atdzesētu gaisu, aprēķina pēc tās pašas formulas:

Q = G *1,2 *ΔI. Tā, piemēram, ja gaiss sākumā atbilst 1 punkta parametriem un dzesētājs nodrošina gaisa plūsmu 0,5 m³/s, tad dzesētājam jādarbojas ar jaudu Q = 0,5 * 1,2 * 10 = – 6kW. Tad dzesētais gaiss atbildīs punkta 2 parametriem.

3. Gaisa sausināšana

Sausināt gaisu var vairākos veidos.

a). Apskatīsim, kas notiks, ja gaisu dzesēs vēl vairāk (iepriekšējā piemērā, nevis līdz 20°C, bet, piemēram, 10°C). Ar gaisa sausināšanu, šajā gadījumā, saprot gaisa atdzesēšanu zem rasas punkta temperatūras (kad φ = 100%). Turpinot dzesēšanu no gaisa dzesētāja virsmas izkrīt kondensāts, kura daudzumu var noteikt pēc formulas Gk (kondensāta daudzums, l/s) = G (pievadāmā gaisa daudzums, m³/s) * 1,2 (koeficients) * Δd (sākuma un beigu gaisa mitruma saturu starpība, kg/kg).

Piemers: Gaisa plūsmas apjoms – 0,5 m³/s. Stāvokļa diagramma zemāk.

Tātad kondensāts izdalīsies laikā, kad temperatūra būs sasniegusi ~18°C (punkts 2) un kritīs līdz punktam 3 (t = 10°C). Aprēķināsim Gk = 0,5 * 1,2 * (0,0133 – 0,00763) = 0,0034 l/s = 0,2 l/min = 12,25 l/h. Aprēķināsim, cik siltuma daudzuma vajadzēs atņemt gaisam, lai no sākotnējā gaisa parametriem, ko raksturo punkts 1, nonāktu līdz beigu gaisa parametriem, ko raksturo punkts 3. Q = G * 1,2 * ΔI = 0,5 * 1,2 * (64 – 30) = 20,4 kW. Tātad, piemēram, lai atdzesētu 30°C (φ = 50%) karstu āra gaisu līdz temperatūrai 10°C ar pienākošu gaisa plūsmu 0,5 m³/s, dzesētāja jaudai  jābūt -20,4 kW. Jārēķinās ar no karstā gaisa izdalītā ūdens – kondensāta novadi kanalizācijā. Tā apjoms būs 0,2 litri minūtē.

Moljēra diagrammu ātrākiem aprēķiniem ar datoru variet atrast šeit: http://www.ivprodukt.se/Documents/IVProdukt/Documents/Mollier%20chart%202.1b.exe