Аэрация под действием тепловых избытков
Аэрация помещений промышленного здания
Лекция 11
Аэрация под действием тепловых избытков
11.1. Области применения аэрации
Аэрацией называется организованный естественный воздухообмен, возникающий за счет гравитационных сил или ветра или того и другого вместе. Аэрация может обеспечить весьма интенсивное проветривание помещений.
Разница между механической вентиляцией и аэрацией состоит в следующем. При механической вентиляции удаляются сравнительно малые объемы воздуха непосредственно от места его загрязнения и подается воздух в заданные места при довольно значительных давлениях вентилятора порядка
40 - 80 кг/м2.
Аэрацию применяют в цехах со значительными тепловыделениями, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30% предельно допустимой в рабочей зоне. Аэрацию не применяют, когда по условиям технологии производства требуется предварительная обработка приточного воздуха или приток наружного воздуха вызывает образование тумана либо конденсата.
В промышленных цехах одновременно с аэрацией может применяться и механическая вентиляция. Нельзя применять аэрацию в цехах, в которых имеются источники выделения газов и паров вредных веществ или пыли из–за опасности отравления окружающей среды. Кроме того, естественный приток в этих цехах способствует распространению вредных выделений по объему помещения. Не применяется аэрация и в кондиционируемых помещениях.
Преимущества аэрации:
1) организация воздухообмена без затраты механической энергии, большая экономическая выгода;
2) возможность широкого применения.
Недостатки аэрации:
Рекомендуемые материалы
1) невозможность обработки подаваемого воздуха;
2) непостоянство расхода воздуха во времени;
3) при организации аэрации возможно возникновения циркуляции воздуха в помещении.
Для притока наружного воздуха в теплый период года устраивают проемы в наружных стенах, располагая низ проемов на высоте 0,3 - 1,8 м от пола; приточные проемы можно размещать в два яруса и более в продольных стенах здания, которые должны быть свободны от пристроек.
Проемы для притока наружного воздуха в переходный и холодный периоды года устраивают в наружных стенах, располагая низ проемов в цехах высотой менее 6м на высоте не 3 м от пола (при этом проемы оборудуются козырьками или другими конструктивными элементами, отклоняющими приточный воздух под углом в верх), а в цехах высотой более 6 м на высоте не менее 4 м от пола.
Для притока наружного воздуха в многопролетных цехах могут устраиваться проемы в наружных стенах и фонари в "холодных" пролетах, которые должны чередоваться с "горячими", причем "холодные" пролеты отделяют от "горячих" спущенными сверху перегородками, не доходящими до пола на 2 - 4 м.
При расчете аэрации должны рассматриваться все три задачи воздушного режима здания:
внешняя - определение располагаемых давлений, обеспечивающих естественный воздухообмен; при этом решаются вопросы расположения здания на промышленной площадке, аэродинамики здания и рассевание удаляемых вредных веществ в окружающей среде;
краевая - определение характеристик сопротивления воздухопроницанию, составление уравнения баланса воздуха в помещении и вычисление площадей аэрационных проемов;
внутренняя - определение направления воздушных потоков в помещении, а также распределение скоростей и температур в помещении при известном расположении источников тепла, приточных и вытяжных отверстий.
Учитывая сложность процесса аэрации, практические расчеты ее проводят при определенных допущениях.
Основные из этих допущений следующие:
1) тепловой и воздушный режимы помещения считают установившимися во времени;
2) под температурой рабочей зоны понимают среднюю по объему зоны температуру воздуха;
3) изменение температуры по вертикали принимают по линейному или линейно–ступенчатому закону;
4) стеснения конвективных струй над нагретым оборудованием не учитывают;
5) энергию приточных струй не учитывают, считая, что она полностью рассеивается в объеме рабочей зоны;
6) при определении расходов через проемы не учитывают их высоту, пренебрегая изменением разности давлений по вертикали;
7) при составлении баланса воздуха в помещении не учитывают неорганизованный естественный воздухообмен.
11.2. Понятие о внутреннем избыточном давлении
Внутренним избыточным давлением называется разность давлений внутри и снаружи здания на одном и том же уровне.
Ризб = Рвн – Рн . (11.1)
Величина избыточного давления может быть как положительной величиной, так и отрицательной. Рассмотрим как изменяется давление по высоте здания (рис.11.1)
Для плоскости 1–1 избыточное давление будет равно
Р1 изб = Рв – Рн . (11.2)
|
|
Рис.11.1. Изменение внутреннего избыточного давления внутри цеха
Для плоскости 2–2 внутреннее давление будет
, (11.3)
где — плотность воздуха при средней температуре воздуха в помещении, кг/м3.
Средняя температура воздуха в помещении
. (11.4)
Наружное давление для плоскости 2–2
(11.5)
От величины давления внутри цеха в плоскости 2–2 отнимем величину давления снаружи цеха в той же плоскости; тогда получим величину избыточного давления в плоскости 2–2
;
или
. (11.6)
Таким образом, если под влиянием тепловых избытков в какой–нибудь плоскости внутри цеха имеется избыточное давление Ризб, то во всякой плоскости, лежащей на Н1 м ниже, избыточное давления уменьшается на величину 
.
Определим избыточное давление в плоскости 3–3.
Наружные давления в плоскости 3–3
(11.7)
Давление воздуха внутри здания
(11.8)
Избыточное давление внутри цеха в плоскости 3–3
(11.9)
т.е. во всякой вышележащей плоскости избыточное давление увеличивается на величину 
.
Для расчета естественного воздухообмена в цехе под действием гравитационных сил следует пользоваться таким правилом: внутреннее избыточное давление по направлению вверх от любой горизонтальной плоскости увеличивается, а по направлению вниз — уменьшается на величину 
.
Если избыточное давление в какой–то плоскости больше нуля, то через отверстие воздух будет выходить наружу. Если избыточное давление меньше нуля, то наоборот, воздух будет поступать в помещение, а если оно равно нулю, то движение воздуха через отверстие прекратится. Плоскость, в которой внутреннее избыточное давление равно нулю, носит название нейтральной зоны (плоскости).
11.3. Аэрация за счет теплового напора
Рассмотрим стену здания с двумя отверстиями 1 и 2 (рис.11.2). Пусть температура воздуха внутри помещения больше чем снаружи tв > tн, тогда 
.
Вследствие неравенства плотностей возникает гравитационный напор, под действием которого через нижнее отверстие наружный воздух будет поступать в помещение, а через верхнее отверстие внутренний воздух будет выходить наружу.
Определим положение нейтральной плоскости. Допустим, что на H1 м от центра первого отверстия внутреннее избыточное давление равно нулю: тогда в плоскости центра этого отверстия внутреннее избыточное давление равно:
|
|
Рис.11.2. Естественный воздухообмен в помещении
. (11.10)
Следовательно, в плоскости первого отверстия давление снаружи будет больше давлений внутри помещения на величину и равно динамическому давлению воздуха в первом отверстии.
, (11.11)
где 
— коэффициент расхода.
В плоскости центра второго отверстия внутреннее избыточное давление будет равно:
(11.12)
следовательно:
. (11.13)
Разделив почленно уравнение (11.11) на (11.13), получим:
, (11.14)
но 
и 
т.к. G1 = G2 = G = const.
Подставляя значение скоростей 
и 
в формулу (11.14) получим
. (11.15)
Рекомендуем посмотреть лекцию "21. Русский сентиментализм".
Если принять равным 
и 
, то можно сделать вывод, что нейтральная плоскость находится на расстоянии от отверстий обратно пропорционально квадратам их площадей.
Если 
, то 
; в этом случае нулевое избыточное давление находится по середине высоты между отверстиями.
Так как Н = Н1 + Н2, то из уравнения (11.15) можно получить
, отсюда 
И тогда расстояние от центра верхних проемов до нейтральной зоны, т.е. до плоскости нулевого избыточного давления:
(11.16)
