Повышение энергетической и экологической эффективности систем вентиляции в помещениях с емкостями для очистки сточных вод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат наук Волков Всеволод Викторович

• Волков Всеволод Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Волков Всеволод Викторович

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературных данных

1.1. Применяемые схемы организации воздухообмена в помещениях с выделением вредностей

1.2. Методы нетрадиционного теплоснабжения применительно к станциям очистки сточных вод

1.3. Методы выбора рациональных режимов работы теплообменного оборудования

1.4. Методы расчета количества испаряющихся с водной поверхности водяных

паров и условия, влияющие на процессы испарения

1.5. Обзор существующих методов расчета поступления в окружающий воздух загрязняющих веществ от сточных вод

1.6. Обзор применяемых методов очистки вытяжного воздуха от загрязнений, выделяющихся от сточных вод

1.7. Выводы

ГЛАВА 2. Теоретические основы создания энергосберегающих и экологичных

систем микроклимата в помещениях с емкостями очистки сточных вод

2.1. Анализ возможных испарительных режимов в помещении с емкостями очистки сточных вод

2.2. Анализ состояния поверхности испарения в емкостях очистки сточных вод

2.3. Анализ возможных температуро-влажностных режимов

2.4. Анализ поступления в воздух рабочей зоны загрязняющих газов от емкостей очистки

2.5. Теоретический анализ путей повышения энергетической эффективности функционирования систем вентиляции в помещениях с оборудованием очистки сточных вод

2.6. Особенности выделения загрязняющих веществ в воздух от технологического оборудования очистки сточных вод

2.7. Исследование путей повышения энергетической и экологической эффективности систем вентиляции в помещениях с технологическим оборудованием очистки сточных вод

2.8. Выводы

ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов испарения

3.1. Выбор инструмента

3.2. Моделирование вытесняющей вентиляции в помещении с открытыми емкостями очистки

3.3. Выводы

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование температурно-влажностных режимов в помещении с открытыми емкостями сточных вод

4.1. Разработка и сооружение экспериментальной установки для изучения температуро-влажностной стратификации над емкостями

4.2. Методика проведения опытов и предварительной обработки экспериментальных данных

4.3. Анализ экспериментальных результатов

4.4. Экспериментальная оценка состава загрязняющих веществ, поступающих в помещение от очистных емкостей

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. Разработка и применение энергосберегающей экологичной системы вентиляции помещения с емкостями очистки сточных вод

5.1. Рекомендации по проектированию энергосберегающей и экологичной системы вентиляции в помещении с открытыми емкостями очистки сточных вод, включающие схему теплоснабжения, расчет режимов воздухообмена и выбор оборудования

5.2. Оценка разработанных мероприятий для сокращения расходов теплоты и электроэнергии на работу систем приточно-вытяжной вентиляции

5.3. Разработка мероприятий, обеспечивающих защиту воздушного бассейна от вредных выбросов, поступающих с вытяжным воздухом от очистных сооружений

5.4. Выводы

Заключение

Используемая литература

Приложение А. Фото организации измерений и графики, построенные по

результатам экспериментов №№2,3,4,5

Приложение Б. Практическая реализация результатов исследований

Приложение В. Патенты

Приложение Г. Вспомогательные материалы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В нашей стране большинство станций очистки сточных вод было устроено на открытом воздухе (см.рис. 0.1) в значительном удалении от жилых домов. По данным из [1] "Рассматриваемые источники загрязнения атмосферного воздуха относятся к так называемым "фугитивным" нестабильным во времени неорганизованным площадным источникам. Разовые мощности (г/с) выноса загрязняющих веществ (ЗВ) из этих источников в атмосферу существенно зависят от гидрометеорологических условий, в первую очередь, от скорости ветра, температур воздуха и водной поверхности, стратификации приземного (приводного) слоя воздуха, наличия и сплошности ледового покрова". По данным ВНИИВОДГЕО [2] с водной поверхности емкостей очистки с испаряющимися водяными парами выходят и газы, содержащиеся и образующиеся в сточных водах. Установленный набор ЗВ, учитываемых при различного рода природоохранных мероприятиях, представляет: метан, аммиак, сероводород, смесь природных меркаптанов в пересчете на этилмеркаптан, метилмеркаптан, фенол, формальдегид, углеводороды С6-С10, углеводороды С12-С19, диоксид азота, оксид азота, а так же выбросы хлора и хлороводорода, в случае использовании этого элемента в цикле очистки.

Рисунок 0.1-Фото Курьяновских очистных сооружений открытого типа и обстановки в близлежащем жилом районе при неблагоприятном ветре.

При испарении с поверхности сточных вод вместе с водяными парами в воздух попадают газы, такие как сероводород, аммиак и др., и вблизи таких сооружений имеют достаточную концентрацию в воздухе, чтобы ощущать их присутствие без инструментальных замеров. Ветер разносит эти ЗВ на ощутимые расстояния без

заметного снижения острого неприятного запаха [2]. Массовое жилищное строительство за последние годы привело к значительному приближению жилья к очистным сооружениям; запахи и газы от технологии очистки стали серьезным бедствием для жителей домов вблизи таких станций. Поэтому одним из решений проблемы являлось размещение очистных сооружений в закрытых сооружениях с разработкой решений по предотвращению попадания вредностей в атмосферный воздух.

В настоящее время осваивается устройство емкостей очистки в специальных помещениях (ПЁмк) в составе объекта очистных сооружений. В данной работе речь идет о классе очистных сооружений значительной производительности (10000-40000м3/сут), где емкости для сточной воды, располагаемые в помещении, имеют открытые поверхности. Решения с укрытыми емкостями существуют, но в данной работе не рассматриваются. Примером могут служить различного вида коттеджные септики, полностью закрытые, где технология работает автономно, а запах от очистки не выходит наружу. Применяемая в проектной организации ООО "ЦПИО" технология очистки сточных вод для очистных сооружений, обслуживающих целые микрорайоны, требует свободный доступ к содержимому емкостей для обслуживания оборудования и контроля процессов очистки. Эти условия принимаются как данность (не рассматриваются достоинства и недостатки технологии), а именно, стоит задача обеспечения санитарных условий в закрытых помещениях с открытыми поверхностями воды значительной площади

(600-800м2),

в которых обязательно наличие приточно-

вытяжной вентиляции.

Применяется несколько схем вентиляции такого рода помещений, но все эти схемы объединяет то, что несмотря на достаточно низкую по требованиям технологии допустимую температуру внутреннего воздуха (+5°С) и на отсутствие постоянных рабочих мест, приходится выдерживать значительно более высокую температуру воздуха в помещении с открытыми поверхностями емкостей очистки для поддержания санитарных условий (средняя температура стоков не опускается ниже +15 градусов в холодный период года, а испарение воды, имеющей более высокую температуру, чем окружающий воздух, особенно интенсивно). Поэтому оптимально выбранная схема раздачи воздуха, кратность воздухообмена, а так же средства и способы экономичного теплоснабжения систем вентиляции в таких помещениях актуальны; так же нередки случаи отсутствия теплосетей на площадке очистных сооружений, в этом случае

стоимость нагрева воздуха еще более возрастает, т.к. определяется ценой электроэнергии.

Степень разработанности темы исследования. Наличие в объеме помещения значительных водных поверхностей емкостей очистки (до 900 м2 в первых построенных зданиях) потребовало создание систем вытяжной вентиляции, которые должны удалять из помещения выделяющиеся с водной поверхности емкостей очистки сточных вод водяные пары и газы. Одной из основных вредностей, поступающих в помещение, является водяной пар. Системы вентиляции помещений с открытыми емкостями очистки, очевидно, могут иметь сходство с системами вентиляции бассейнов. Кратность воздухообмена определяется главным образом ассимиляцией влагоизбытков. На примере проектирования одного из первых закрытых очистных сооружений (очистные сооружения в г. Лобня), можно указать на следующие опробованные решения: системы приточно-вытяжной вентиляции проектировались по традиционным схемам смесительной и местной вентиляции [3]:

• организация воздухообмена в помещении по схеме - приток приготовленного наружного воздуха подается сверху, вытяжка влажного загазованного воздуха организована из рабочей зоны и из верхней зоны;

• приточный воздух нагревается в холодный и переходный периоды года до температуры притока /пнх=15°; равной температуре воздуха в помещении /вх=+15°; (расчетная температура воды в емкостях очистки по заданию технологов не ниже ^=+15°);

Для улавливания и удаления части испаряющихся водяных паров и вредных газов были использованы щелевые вытяжные воздуховоды (рис. 0.2), (оказавшиеся наименее эффективными), остальная часть удалялась через дефлекторы в крыше. Следующим решением была установка над поверхностью воды в емкостях очистки вытяжных зонтов (см. рис.0.3). Высота размещения зонта над поверхностью тоже сильно влияет на интенсивность распространения водяных паров и газов. А при частичном перекрытии -большая часть испарений прорывается мимо зонта. Это подтверждено замерами, проведенными автором на реальных станциях (очистные сооружения в г. Лобня 2-ая очередь).

Рисунок 0.2-Вытяжные щелевые устройства и приточные воздухораспределители в помещении 1-ой очереди строительства очистных сооружений в г. Лобня.

Рисунок 0.3-Вторая очередь строительства очистных сооружений в г. Лобня.

Устройство систем вентиляции в помещениях с емкостями открытого типа оказалось, во-первых, энергетически затратно, т.к. для обеспечения санитарных условий в помещении требовало значительных расходов на подогрев воздуха зимой, а во-вторых поставило новую задачу - очистка вытяжного воздуха от вредных газов, в т.ч. имеющих неприятный запах, т.к. простой выброс отработанного воздуха на улицу не снимал проблему поддержания приемлемых условий для близлежащего жилья, а очистка воздуха в сорбционных фильтрах осложняется его состоянием повышенной влажности; применение плазменно-каталитических агрегатов типа "Ятаган" в масштабах жилых

районов оказалось практически невозможным из-за их высокой удельной стоимости, одна из ступеней очистки, в частности, включает обеззараживание сточной воды гипохлоритом натрия, что затрудняет использование биофильтров для очистки выбросного воздуха из-за негативного влияния на микроорганизмы в биофильтре остаточного хлора, который может попадать в воздух помещения от воды в емкостях. Поэтому требуется продолжать поиск эффективных решений по защите атмосферного воздуха от вредных выделений из сточных вод.

Объектом исследования являются системы вентиляции в помещениях очистных сооружений, имеющих емкости сточных вод со значительной площадью открытой поверхности.

По паспорту специальности 05.23.03 соответствует областям исследований:

1. Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии.

2. Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.

3. Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума.

5. Тепловой, воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях и разработка методов расчета энергосбережения в зданиях.

Предметом исследования являются

• термодинамические процессы изменения состояния вентиляционного воздуха в помещениях очистных сооружений с открытыми емкостями (ПЁмк) и влияние параметров тепловлажностного режима в помещении на энергоемкость системы вентиляции, пути повышения качества воздушной среды и снижения энергоемкости систем вентиляции в ПЁмк;

• простые для практического применения методы расчета параметров тепловлажностного режима в ПЁмк.

• технология поддержания требуемых тепловлажностных режимов в ПЁмк;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической и экологической эффективности систем вентиляции в помещениях с емкостями для очистки сточных вод»

Цель работы.

Установление рациональных параметров внутреннего воздуха и воздухообмена в помещениях с открытыми поверхностями емкостей очистки сточных вод, разработка решений по эффективной реализации этих параметров, а так же по защите наружного атмосферного воздуха в зоне очистных сооружений. Разработка практических рекомендаций по проектированию систем вентиляции в ПЁмк.

Задачи исследования.

1. Проанализировать применяемые решения по системам вентиляции в помещениях с открытыми поверхностями воды, в т.ч. на действующих объектах, и теоретически обосновать возможности их оптимизации.

2. Экспериментально исследовать и выявить факторы формирования воздушной среды в помещениях со значительными площадями открытых поверхностей воды на действующих объектах.

3. Установить рациональные параметры внутреннего воздуха и воздухообмена в ПЁмк, разработать решения по энергосберегающему поддержанию этих параметров, а так же по защите наружного воздуха в зоне очистных сооружений, учесть выявленные недостатки существующих систем ОВ.

4. Разработать математическую модель для расчета параметров тепловлажностных режимов в ПЁмк. Уточнить и подтвердить принятые новые решения для систем ОВ в ПЁмк с помощью математического моделирования в доступном программном комплексе.

5. Разработать методические рекомендации по проектированию и расчету систем вентиляции в ПЁмк.

Научная новизна:

1. Разработана новая методология проведения экспериментальных исследований с целью выявления особенностей формирования температуро-влажностной стратификации над открытыми поверхностями воды и, в т.ч., положение "ядра потока" внутреннего воздуха помещения над уровнем поверхности воды.

2. Предложен новый нетрадиционный подход при математическом моделировании процесса испарения влаги с открытой поверхности воды на основе условного скоростного профиля потока воздуха в околоводной зоне (The Law of the Wall - зависимость безразмерных показателей u+=/(y+)).

3. Доказано наличие закономерности для процессов ассимиляции обменным воздухом влаги, выделяющейся от открытых поверхностей воды (значительной площади) при условии малого отношения водных эквивалентов, проявляющейся в совпадении зависимостей термодинамических показателей вида

0x = (Ху — Хп )/(Xw - Хп): экспериментальным и аналитическим методом определен

показатель 0d, соответствующий теоретическим зависимостям для 0t, 0Ь характеризующим процессы тепло-массообмена при противоточном движении потоков.

Практическая значимость.

1. Разработанная технология очистки выбросного воздуха из ПЁмк рекомендуется к использованию в случае выбора сорбционного метода очистки выбросного воздуха; подтверждается патентом на полезную модель №124952.

2. Разработаны методические рекомендации по проектированию и расчету систем вентиляции для ПЁмк и применены при проектировании систем вентиляции очистных сооружений в ООО "ЦПИО", что подтверждается актом о внедрении.

3. Разработан экспериментальный стенд, включая аппаратную и программную реализацию, для изучения данных о температуро-влажностной стратификации над открытой поверхностью воды в помещении.

4. По результатам эксплуатации определены недостатки и сформулированы предложения по дальнейшему совершенствованию разработанных решений.

Теоретическая значимость

1. Изучены и изложены условия (температура, влажность, кратность воздухообмена) поддержания рационального тепловлажностного режима, требуемые для достижения энергосбережения при функционирования систем ОВ в ПЁмк.

2. Проведена модернизация существующих математических моделей в CFD комплексе Ansys Fluent для возможности исследования термодинамических процессов в воздухе помещения при наличии открытой поверхности воды.

3. Установлены отличия состава ЗВ, выделяющихся в ПЁмк для закрытых очистных сооружений, по сравнению с набором ЗВ, рекомендованных к учету по существующим методикам от НИИ Атмосфера для открытых очистных сооружений (для закрытых сооружений данных по ЗВ нет).

4. Установлено соотношение интенсивностей испарения влаги (ИИ) с открытой поверхности воды, вычисляемых по двум из существующих расчетных зависимостей

для бассейнов, и экспериментально определенным значением влаговыделений от открытых водных поверхностей, которое можно использовать как критерий оценки достоверности расчетных значений ИИ.

5. Для расчетов параметров воздухообмена и оценки эффективности ассимиляции влаги системой вентиляции предложены численные значения термодинамических показателей ©d, определенные для частных случаев применяемых систем вентиляции в ПЁмк и в бассейне на действующих объектах, и установленные экспериментально моделированием для новой разрабатываемой системы вентиляции.

Методологической основой диссертационного исследования являются: существующие теоретические и теоретико-эмпирические положения и экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых в области теплообменных процессов (характерных для ОВ) и процессов испарения с открытой поверхности воды; стандартные методики числнного математичского моделирования и экспериментального исследования процессов гидро-газодинамики; Основные методы исследования включают:

• анализ, обобщение и систематизация существующих расчетных зависимостей для процессов испарения воды;

• наблюдение состояния воздушной среды, как результата работы систем ОВ, и характерных технологических процессов на действующих объектах очистных сооружений и бассейне; планирование и проведение эксперимента по измерению параметров воздушной среды на объекте, в т.ч. программная автоматизация процесса регистрации измерений; обобщение экспериментальных данных;

• численное моделирование тепло-влагопереноса, основанное на методе конечных объемов, проводилось в специализированном комплексе Ansys Fluent, адаптированного для данной задачи идеализацией, формализацией механизма испарения с открытой поверхности воды; сравнение расчетных и экспериментальных характеристик процессов;

• формализация изучаемого процесса ассимиляции влаги обменным воздухом посредством использования термодинамического показателя ©d и выявленных в исследовании его численных значений;

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная новая методология проведения экспериментальных исследований с целью выявления особенностей формирования температуро-влажностной стратификации над открытыми поверхностями воды.

2. Способ оценки совершенства процессов вентиляции в ПЁмк посредством применения термодинамического показателя 0х = (Ху — Хп)/ (Хш — Хп), (где X означает

влагосодержание). Иллюстрация наличия закономерности для процессов ассимиляции обменным воздухом влаги, выделяющейся от открытых поверхностей воды (значительной площади) при условии малого отношения водных эквивалентов, проявляющейся в совпадении зависимостей термодинамических показателей вида 9х: экспериментальным и аналитическим методом определен показатель ©¿, соответствующий теоретическим зависимостям для ©ь ©I, характеризующим процессы тепло-массообмена при противоточном движении потоков.

3. Новый подход при математическом моделировании процесса испарения влаги с открытой поверхности воды на основе условного скоростного профиля потока воздуха в околоводной зоне.

4. Методические рекомендации по проектированию и расчету предлагаемой системы вентиляции для ПЁмк, в т.ч. результаты аналитического и экспериментального определения рациональных параметров тепловлажностного режима и воздухообмена в помещении с открытыми емкостями очистки сточных вод;

Степень достоверности результатов исследования:

Достоверность натурных экспериментов в пределах точности применяемых измерительных приборов обоснована обеспечением длительных процессов измерения (40 минут на один замер) до достижения неизменности наблюдаемых параметров путем автоматизированного их мониторинга каждые 20 секунд.

Принятые к использованию две существующие аналитичские зависимости для определения интенсивностей испарения (ИИ) оценены сопоставлением с экспериментально определенной ИИ для ряда натурных наблюдений при разных исходных условиях и найдено характерное между ними соотношение, по которому на следующем этапе работы стало возможно оценивать достоверность результатов математического моделирования.

На основании анализа всех полученных в настоящем исследовании данных не установлено, насколько близки к действительности значения интенсивностей испарения и термодинамических показателей, но можно утверждать, что найден диапазон их возможных значений; для практического применения внутри этого диапазона принимаются значения с учетом "запаса", в т.ч. мощность оборудования закладывается "по верхнему значению", а эффективность ассимиляции вредностей "по нижнему".

Личный вклад автора в получение результатов:

Постановка цели и задач, создание испытательного стенда и методики проведения измерений тепловлажностных режимов в помещении с емкостями сточных вод, обработка экспериментальной информации. Проведение математического моделирования с помощью программного комплекса Ansys Fluent характерных явлений тепловлагопереноса, происходящих в ПЁмк, написание пользовательского программного кода для испытательного стенда и для расширения базовых возможностей Ansys Fluent. Разработка схемы вентиляции. Разработка инженерной методики расчета.

Апробация результатов:

Основные результаты диссертационной работы докладывались:

1. Far East Con-2019 — Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям для ученых, преподавателей и представителей предприятий, ДВФУ, г. Владивосток, 1-4 октября 2019г. (International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies).

2. Международная научная конференция - «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность», организуемая НИИСФ РААСН при поддержке Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, ЦНИИП Минстроя России и Центра экспертиз, исследований и испытаний в строительстве города Москвы, г.Москва, 3-5 июля 2019г.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение: п.1 "Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников

энергии"; п.2 "Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха"; п.3 "Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума".

Результаты работы внедрены в проектных работах ООО "ЦПИО". Системы вентиляции запроектированы и реализованы на объектах:

1. «Очистные сооружения бытовых сточных вод производительностью 80 тыс. м3/сут с выделением 1-ой очереди строительства производительностью 40 тыс. м3/сут для канализования застройки мкр. №30 г. о. Балашиха МО» (Заказчик ООО "Мортон-РСО" 2011-2012г.)

2. «Канализационные очистные сооружения производительностью 40000 м3/сут с выделением 1-ой очереди строительства производительностью 20000 м3/сут для проектируемых жилых застроек «Дрожжино» и «Боброво» Ленинского района МО» (Заказчик ЗАО "Мосрегионстрой " 2013г.)

3. Канализационные очистные сооружения на земельном участке по адресу: Московская область, Балашихинский район, вблизи деревни Павлино, кадастровый номер 50:15:0090301:17 для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод от комплексной жилой застройки, расположенной по адресу: Московская область, г. Балашиха, вблизи дер. Павлино (Заказчик ООО "Мицинвестстрой " 2016-2017г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 — в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 — в научных изданиях, индексируемых в международных реферативных базах Scopus и Web of Science. По результатам работы получено 2 патента на полезную модель..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованной литературы из 110 источников, в том числе 59 на иностранных языках, приложений. Работа изложена (не включая приложения) на 183 страницах, содержит 7 таблиц и 103 иллюстрации (часть иллюстраций вынесена в приложение).

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

1.1. ПРИМЕНЯЕМЫЕ СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИЯХ С ВЫДЕЛЕНИЕМ ВРЕДНОСТЕЙ

Для рассматриваемого вида помещений с открытыми емкостями очистки сточных вод (ПЁмк), источником поступления вредностей является поверхность сточной воды. Эта поверхность занимает значительную долю площади всего пола помещения, что определяет характер распространения вредностей,- равномерно по всему помещению снизу вверх.

Рассмотрим особенности общеупотребимых систем приточно-вытяжной вентиляции. Для помещений с тепловыделениями в работе [4] оценку схем организации воздухообмена предлагается проводить по показателю, отражающему изменение температур воздуха:

Кьт = ^, (1.1-1)

г - г

в п

где гу, гв, - температуры удаляемого, вытяжного в рабочей зоне и приточного воздуха, °С.

Аналогично выглядят показатели для оценки по удалению влаговыделений и других вредностей (газов):

^ ^ С С /« м >ч\

К -- • К —п (1.1-2)

а - а с - с

в п в п

Многочисленные исследования традиционных систем смесительной вентиляции [4] показали, что температуры вытяжного Ц и в рабочей зоне гв воздуха обычно равны и поэтому показатель Кьт=1. При расположении приточных и вытяжных устройств в верхней зоне помещения и на близком расстоянии между этими устройствами, по результатам натурных испытаний отмечены случаи, когда часть холодного приточного воздуха с температурой гп<гв попадала в вытяжные устройства и температура вытяжного воздуха Ц оказывалась ниже температуры внутреннего (гу<гв) и показатель Кьт<1. Применительно к рассматриваемым задачам вентиляции помещения с поступлением вредностей из нижней зоны, недостатком схем смесительной вентиляции является то, что опускающиеся сверху струи приточного воздуха встречаются с поднимающимися вверх потоками испарившихся водяных паров и вредных газов и

часть из них возвращают в рабочую зону. Это снижает эффективность работы приточно-вытяжной вентиляции по удалению из помещения основной вредности - водяных паров и испаряющихся вредных газов.

Принципиально другой подход к организации воздухообмена применяется в системах вытесняющей вентиляции. В работе [5] указано, что для высоких помещений такая схема вытесняющей вентиляции при подаче обменного воздуха в рабочую зону наиболее энергетически эффективна. Покрытие сооружений ПЁмк, проектируемых в ООО ЦПИО (место работы соискателя), имеет уклон от 5,5 до 7м от уровня земли, а средняя высота составляет более 6 метров, поэтому целесообразно рассмотреть такую схему. В работе [4] приведен график - аппроксимирующая линия для нескольких экспериментально полученных точек показателя КЬ(КЬТ) в зависимости от отношения теплоизбытков, остающихся в рабочей зоне к полным теплоизбыткам (см.рис. 1.1), по которому можно оценить температуру уходящего воздуха, которая ожидается выше температуры внутреннего воздуха, что указывает на меньшее количество требуемого обменного воздуха для ассимиляции вредностей(теплоизбытков).

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 "п

т кэй

• — данные проф. М.И. Гримитлина [4];

ф— расчетные данные автора для административных помещений

по опытам шведских специалистов; ® — натурные наблюдения автора на текстильных предприятиях

Рисунок 1.1-Графическая зависимость показателя эффективности организации воздухообмена при подаче охлажденного воздуха в рабочую зону помещения -вытесняющая вентиляция (график взят из работы [6])

В [7] отмечено, что увеличение К не всегда приводит к снижению приведенных затрат, в т.ч. расходов теплоты и холода на обработку приточного воздуха; число режимов работы СКВ может достигать 12, для каждого режима имеется своя специфика, которую следует учитывать.

Примером применения схемы вытесняющей вентиляции в помещении со значительными водными поверхностями является реализованная в 2002 г. система микроклимата в помещении плавательного бассейна детско-юношеской спортивной школы №7 в г. Москве [8] (см.рис.1.2) . Приготовленный приточный воздух подается через ламинарные воздухораспределители к водяным дорожкам по контуру водного бассейна. Приточный воздух воспринимает испаряющиеся с водной поверхности водяные пары, влажный воздух поднимается под потолок, откуда удаляется вытяжной установкой. В холодный период года часть вытяжного воздуха по рециркуляционному воздуховоду поступает на смешение с подогретым наружным воздухом, который зимой имеет низкое влагосодержание. Смешение влажного рециркуляционного воздуха с подогретым сухим наружным воздухом позволяет получить рациональное влагосодержание приточного воздуха, при котором не возрастает значительно перепад влагосодержаний между насыщенным влагой воздухом при температуре поверхности воды и влагосодержанием приточного воздуха. В потоке выбрасываемого вытяжного воздуха установлен теплоизвлекающий теплообменник установки утилизации теплоты вытяжного воздуха (с насосной циркуляцией антифриза [9]) на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха. Энергосберегающая система микроклимата, примененная в помещении плавательного бассейна в школе №7 (см.рис. 1.3) описана в [8].

Рисунок 1.2-Бассейн школы №7 в г. Москве.

утилизации; Кл - калорифер, питаемый горячей водой; ПВ - приточный вентилятор;

Р - секция для поступления рециркуляционного воздуха (зимой); Вт - вытяжной агрегат; Ф-воздушный фильтр; УУ - теплообменник установки утилизации; Р - секция выхода рециркуляционного воздуха (зимой) посредством воздуховода Рв;

ВВ -вытяжной вентилятор; ВП - воздухораспределители приточного воздуха;

ВУ - устройства забора вытяжного воздуха;

При условии сохранения минимально необходимого объема приточного наружного воздуха прием рециркуляции в холодный период (ХП) широко применяется при организации воздухообмена в помещениях с влаговыделениями, когда имеется резкая разница во влагосодержании наружного воздуха в теплый и холодный периоды (ТП и ХП). Таким образом достигаются сходные, более стабильные и ожидаемые режимы испарения в разные периоды года, достигаются более "мягкие" режимы работы оборудования, которые при таких условиях будут иметь сходные требуемые характеристики и более узкий диапазон регулирования.

1.2. МЕТОДЫ НЕТРАДИЦИОННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СТАНЦИЯМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Идеи использовать теплоту грунта или воды в последнее время часто становятся объектом исследования и применения [10], [11], [12], [13], [14]. При наличии сравнительно больших источников, например рек, которые практически не меняют внутреннюю энтальпию в результате отбора определенного потребностями человека количества теплоты, такой способ вполне может быть оправдан. Известны, однако, и неудачные попытки, например, устраивать развитые сети трубопроводов, помещенные в грунт, с целью использовать низкопотенциальную теплоту с помощью тепловых насосов. Эксплуатация в течение 5-6 лет показала, что в зоне нахождения трубопроводов отбора теплоты грунты постепенно остывают и перестают отдавать теплоту с первоначальной эффективностью. Тем не менее, применение современных тепловых насосов позволяет значительно удешевить стоимость теплоты. В пересчете на электричество эксплуатационный показатель выхода теплоты может доходить до 800% от затрачиваемой энергии на работу агрегата [15].

По данным из [11] в энергетическом балансе нетрадиционных источников энергии доля теплоты канализационных стоков составляет 13,1%. Методы теплоснабжения за счет низкопотенциальной теплоты от доступных источников нашли воплощение на очистных сооружениях г.Зеленограда [12]. На данном объекте успешно запущена теплонасосная установка, утилизирующая теплоту сточных вод. На данном объекте теплота используется для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции (РТС) № 3 г. Зеленограда. Схема с сайта [12] приведена на рис. 1.4. Особенностью данного решения является использование теплоты неочищенной сточной воды. Авторы нашли технические способы устроить циркуляцию загрязненной воды через канализационные напорные трубопроводы и теплообменники-утилизаторы и передавать низкопотенциальную теплоту промежуточному чистому теплоносителю. А чистый теплоноситель уже проходит через теплообменники в агрегатах - тепловых насосах (ТН).

Рисунок 1.4-Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая низкопотенциальное тепло сточных вод города Зеленограда Московской области.

Протяженность промежуточного чистого контура составляет 657 метров, т.о. сами ТН находятся в удобном месте на значительном удалении от резервуара сточных вод. Для данного решения заявлена тепловая мощность утилизации расчетная/испытательная 1716 кВт/1395 кВт при полной электрической мощности ТН 506 кВт/678 кВт. Эффективность теплогенерации расчетная/испытательная составляет более 330%/200% по сравнению с прямым электронагревом.

1.3. МЕТОДЫ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Система теплоснабжения тесно связана с использованием разного рода механизмов передачи теплоты между своими компонентами. Для повышения энергосбережения системы требуется знать и использовать наиболее эффективные режимы теплообмена. Для широко применяемых водо-воздушных перекрестно-точных теплообменников в литературе [6], [16], [17] имеются рекомендации, позволяющие проводить оценку режимов работы теплообменника. Рациональность режимов

теплообмена, в т.ч. перепадов температур и соотношения расходов воздуха и жидкости, оценивается по графику на рис. 1.5 с использованием показателя теплотехнической эффективности ©, который отражает реально достижимый перепад температур к максимально возможному при нагреве воздуха жидкостью:

0 = ^2наг ~ ^1наг (1 з_п

I -1 у ' '

1 ох 1наг

где /2наг, /1тг - конечная и начальная температуры нагреваемого теплоносителя (воздух);

Ь1ох - начальная температура теплоносителя (жидкость);

Аналогично, при охлаждении (без конденсации) воздуха жидкостью:

0 —(! з-2)

I -1 V • У

1 наг 1 ох

где Ь2ох, Ь1ох - конечная и начальная температуры охлаждаемого теплоносителя (воздух);

Ь1наг - начальная температура теплоносителя (жидкость);

И критериальных показателей Л и Ж:

число единиц переноса теплоты:

Л =3,6-К-Я(Ь-р-ор) (1.3-3)

где К, Вт- ч/(м -°С)- коэффициент передачи явной теплоты; обычно у

производителя имеется информация по этому параметру применяемого в агрегате

теплообменника,

¥, м2- площадь поверхности теплообмена;

и показатель отношения водяных эквивалентов потоков воздуха и жидкости:

з Ж =Ь-р-Ср / (О№-о№) (1.3-4)

Ь- расход воздуха, м /ч;

р- массовая плотность воздуха, кг/м3;

ор=1 кДж/кг°С - теплоемкость воздуха;

о№=4,2 кДж/кг°С - теплоемкость воды;

О№- массовый расход воды в процессе теплообмена, кг/ч;

Стрелками на графике по рис. 1.5 показана связь Ж и Л Первоисточник данной

методики указывает, что показатель Ш разумно выбрать ближе к 0,2 (побольше расход

жидкости на единицу расхода воздуха); показатель Л следует ограничить

значением 1,6^1,8 , т.к. при этом получается наиболее рациональная поверхность

теплообмена; при дальнейшем увеличении поверхности скорость роста эффективности теплообмена снижается, что означает большую добавочную поверхность теплообменника, приходящуюся на меньшую долю дополнительного съема теплоты.

1\11=к-Р-3,6/(1_-р-Ср)

Рисунок 1.5-Графическая зависимость показателя теплотехнической эффективности 01 теплообменников при перекрестно-противоточном движении воздуха и жидкости

(график построен по данным [6]).

При выборе рабочих перепадов температур обменивающихся теплотой теплоносителей, показатель ® (изменяется в пределах 0+1) следует ограничить значением 0,7; Если значение показателя ® при проверке выбранных перепадов температур оказывается менее 0,7, это означает, что выбранный режим теплообмена легко достигается.

Отечественный опыт [18] показал, что в климате России наиболее надежно применение установок утилизации с насосной циркуляцией антифриза. Такие системы позволяют использовать теплоту вытяжного воздуха на подогрев приточного в условиях низких отрицательных температур наружного воздуха. Применение антифриза требует

учитывать отличие режимов циркуляции и теплоотдачи этого теплоносителя от стандартных режимов с теплоносителем - водой. Для удобства расчетов разработаны зависимости (и описаны в многочисленных источниках [4]), позволяющие сделать пересчет необходимых параметров при переходе с воды на антифриз.

Рекомендуемая скорость движения антифриза в трубках в диапазоне 0,9^ 1,2м/с. Требуемую концентрацию антифриза для обеспечения незамерзания можно определить по графику (приложение "Г") рис. Г.1, а на рис. Г.2 приведен график возрастания требуемого напора в контуре циркуляции при замене воды антифризом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Волков Всеволод Викторович, 2020 год

- -

T

U+my +

-

loetaw

; z

- У _ _ _

buffer iayer

log-law region inner layer

10*

outer layer

Рисунок 3.2-Закон распределения скоростей [106] в пристеночной зоне при движении жидкости/газа вдоль стенки. (The Law of the Wall).

Большое множество существующих экспериментальных данных по профилям скоростей в пристеночных областях точно совпало с данным распределением. Таким образом, у+ может являться обоснованным критерием сходства характера течения и параметров воздуха в данной точке для различных элементарных объемов в пристенной области.

Условные параметры и+ и у+ называются безразмерной скоростью и безразмерным расстоянием от стенки и определяются соотношениями, которые описаны во многих источниках [106], [107], [108]:

ди

(для у+ 0-5)

и + = к ■ 1п(у +) + В (Константы к=2,5; В=5,5 дляу+ 30-300) (Константы к=5,0; В=-3,05 для у+ 5-30)* *: для буферной зоны (у+ 5-30) предлагается аппроксимация, но , строго говоря, характер течения в этой зоне не определен, поэтому получаемые значения и ,у+ только условно обеспечивают непрерывный переход между соседними зонами, что удобно для программирования;

u

u

u.

A

—; t

m

y

J y=0

y • u n

u += y+

(3.2-1) (3.2-2)

(3.2-3)

где и, м/с -локальная скорость на расстоянии от стенки равном у; ит, сдвиговая скорость;

ти, сдвиговое напряжение жидкости/газа около стенки; р, кг/м3 - плотность жидкости/газа; р, Па - с -динамическая вязкость; v, м2/с - кинематическая вязкость;

Применительно к CFD моделированию параметром y+ руководствуются при формировании расчетной сетки [109]. Для решения задач, связанных с воздухораспределением в помещениях от систем вентиляции, наиболее употребима модель k-s. Данная модель корректно обрабатывает сеточную ячейку в случае полностью развитого турбулентного потока. Около стенки, в вязком и буферном слоях не описанные в базовой модели k-s закономерности обрабатываются "улучшенными" пристеночными функциями Ansys Fluent при условии правильного выбора размера сеточных ячеек. Если условия в центре первой пристеночной ячейки попадают в диапазон 30< y< 300, профиль всего внутреннего слоя в одной ячейке моделируется пристеночными функциями; для настоящего исследования данный вариант не подходит, т.к. требуется дискретный доступ к этой области, что очень затруднительно выполнять в одной ячейке; если сетка достаточно мелкая, что первая пристеночная ячейка удовлетворяет условию y=1, то стэк, перпендикулярный поверхности воды (рис. 3.3а выделение красными маркерами), захватывает множество ячеек, позволяя определять параметры потока в нужном месте через параметры отдельных сеточных ячеек.

Для целей настоящего исследования нужен доступ к параметрам воздушной среды в произвольном месте в пределах некоторой ограниченной высоты от поверхности воды, поэтому используется повышенная плотность сетки в околоводной зоне (в зоне остальных стенок помещения используется относительно крупная сетка, т.к. не требуются особенности потока воздуха, проходящего вдоль стен, пола или покрытия; для остальных стенок профиль формируется встроенными пристеночными функциями Fluent). Среди свойств модели не имеется доступа к u+,y+ для любых ячеек, кроме самой первой пристеночной, неизвестно также сдвиговое напряжение, которое входит в зависимости (3.2-1). При "ручной" поверке y+ для вычисления сдвигового напряжения используют сдвиговый коэффициент (зависящий от Рейнольдса), для вычисления которого употребляется на выбор около двадцати формул [110], дающих разные

результаты. Это не приводит к серьезным ошибкам для единовременной поверки качества расчетной сетки. Но для полноценного использования для каждой сеточной ячейки на каждой итерации расчета - не годится. Fluent имеет много недокументированных bridge-механизмов, когда параметры в ячейке, находящейся на стыке областей, которые описываются разными аппроксимациями, вычисляются с учетом развесовки параметров, определенных по соответствующим зависимостям для этих принципиально разных прилегающих областей, поэтому сдвиговое напряжение в вязкой и буферной области затруднительно вычислить самостоятельно так же, как это заложено во Fluent. Значение "условной" кинематической вязкости для воздуха пользователю доступно в модели для сеточных ячеек, причем численные значения этой " условной" вязкости в пристеночном слое отличаются от табличных значений кинематической вязкости для воздуха, т.к. вычисляются сложным образом встроенными bridge-механизмами Fluent и учитывают в т.ч. соотношение вязких и турбулентных течений на данном расстоянии от стенки. А от этих значений вязкости зависит Рейнольдс (который влияет на сдвиговый коэффициент). Это обстоятельство так же не

V, +

позволит достичь совпадения значений y , полученных ручным счетом и счетом внутри Fluent (где значения y+, возможно, вычисляются для внутреннего использования, но никак недоступны пользователю для любых ячеек кроме самых первых пристеночных). Поэтому для пристеночного слоя (толщиной более 1 ячейки) применен способ косвенно вычислять y+ обратным ходом на основе известных скорости и расстояния от стенки (u, у), и известной зависимости u+=f(y+), рассчитывая на то, профиль вязкой, буферной и турбулентной зон в пристеночной области выстраивается по этому фундаментальному соотношению. Определенные таким образом характеристики у+ учитываются в алгоритме прохода от каждой сеточной грани водной поверхности вертикально вверх по сеточным ячейкам. На рис. 3.3 а) показан красными маркерами один из таких "столбиков", по которым на каждой итерации идет поиск ячейки, удаленной от поверхности воды на условное расстояние заданного y , и на этой высоте снимаются параметры скорости воздушного потока, а так же парамтеры влгосодержания/парциального давления для определения перепада, задающего интенсивность испарения. Алгоритм прохода вверх от водной ячейки разработан для корректной работы с любой сеткой. На рис. 3.3 б) показан слой, верхняя граница которого является геометрическим местом сходственных по условному профилю

скорости точек, где принимаются в расчет параметры воздуха. На каждой итерации слой уточняется, т.к. векторы скорости постоянно обновляются на каждой итерации расчета.

Рисунок 3.3

а) Трасса прохода от грани-поверхности воды на условную высоту у+ для получения

параметров воздушной среды в каждой точке над всей поверхностью воды в сходственных по скоростному профилю точках вязко-буферного пристеночного слоя

потока воздуха над водой. б) Векторы скорости (над каждой водной ячейкой) в околоводном слое воздуха, выбранном по высоте, равной заданному у+ (на рисунке соответствует толщине у+=30 -включает вязкий и буферный слои; синие стрелки за пределами данных слоев).

В настоящем исследовании была сделана попытка регулировать толщину

+

испарительного слоя по разным значениям у с целью найти такую условную толщину, которая адекватно будет отражать интенсивность испарения над каждой сеточной ячейкой для поверхности воды. Поскольку данный подход представлялся логичным и обстоятельно он был опробован для разных исходных данных, включая и фиксированную толщину от минимально возможной, равной высоте одной пристеночной ячейки, высоте 5мм, как в работе [97] , и вплоть до 2-ух метров, целесообразно заметить, что устойчивой модели не получилось. Вероятно, этот способ лучше подошел бы для смесительной вентиляции (как в работе [97]). Но в данном исследовании интерес представляет вытесняющая вентиляция, при которой вполне возможны интенсивные движения воздуха около поверхности воды, которые совместно

с фактором вноса пара в приводный слой, зависящего в т.ч. от скорости потока, создают серьезные помехи для сходимости решения.

Тем не менее, на основе данного профиля по y+ процесс испарения был относительно успешно смоделирован. Никакой насыщенный пристеночный слой не формируется, как сделали авторы [97]. В качестве границы раздела между воздухом помещения и водой используется тип "boundary condition=wall". (Объем воды в модель не входит, так же как и в [97]). Внесение пара в модель обеспечивается с помощью опции указания массовой доли пара для граничного условия "стенка" из пользовательской функции UDF. Для всех граней данной стенки (поверхность воды) находятся соответствующие сеточные ячейки (элементарные объемы), отстоящие от стенки на расстояние y =30 (по трассе рис. 3.3 а)); основными коэффициентами пропорциональности ИИ в модели для каждой водной ячейки являются отношение f Л0,8

u

скоростей, м/с ** - и разница влагосодержаний (dw — dB ), г/кг или парциальных

V 0,12 J

давлений (pw-pr), кПа, как в зависимостях Шаха(Ш) (1.4-9)-(1.4-11) [34] и Хэюрюнена(Х) (1.4-4)(1.4-5) [20]. Данные коэффициенты пропорциональности влияют на долю участия каждой водной ячейки в общем поступлении пара в помещение. (**Примечание: для отношения скоростей, меньшего 1 принимается 1 по (Ш [34]); на данный момент не установлено, полная магнитуда или горизонтальная проекция скорости дают лучшие результаты).

Настройка ИИ для модели осуществлялась дополнительным коэффициентом пропорциональности, подбираемым на основе характерного соотношения ИИ (см.рис. 3.4) между значением, экспериментально-аналитически определенным по (4.3-1), и расчетами по зависимостям (Х) (1.4-4),(1.4-5) и (Ш) (1.4-9)-(1.4-11) (глава 4, таблица 4.2), путем контроля результатов в мониторе Fluent (специальные окна контроля процесса расчета, см.рис. 3.5) сравнением всех трех показателей ИИ. Fluent обеспечивает расчет молекулярной диффузии водяного пара от места вноса (зона воды) в сторону с меньшей концентрацией - в помещение. В в разделе 1.4 рассмотрено, что процесс диффузии не является процессом, определяющим интенсивность испарения и конденсации [38]. В реальности насыщенный слой поддерживается непрерывно. Возможно поэтому в модели внос пара в количестве, определенном по недостатку доли пара до состояния насыщения в пристеночном слое (проверено множество значений

толщины) недостаточен и интенсивность испарения, получаемая таким способом занижена, что подтверждалось сравнением с контрольными расчетами по (Ш) [34] и (Х) [20]. Поэтому доля пара (с помощью пользовательской функции UDF) вносится повышенная относительно насыщенного состояния, что обеспечивается дополнительным коэффициентом пропорциональности, о котором сказано в начале текущего абзаца; правильность настройки модели непрерывно контролируется сравнением с (Ш) [34] и (Х) [20] в процессе расчета.

Е,кг/(ч • м2)

♦ эксперимент

! Х(1.4 4),(1.4 5)

АШ(1.4 9)-(1.4 11)

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05 0

♦

-ÉT

3 4

№ эксперимента

Рисунок 3.4-Оценочные соотношения интенсивности испарения, получаемой экспериментально-аналитически (4.3-1) и расчетами по инженерным зависимостям

Шаха( 1.4-9)-( 1.4-11) [34] и Хэюрюнена (1.4-4),(1.4-5) [20]. (точки удельной интенсивности испарения Е построены по результатам, приведенным в таблице 4.2).

(Для опытов №1 неизвестен воздухообмен, поэтому невозможно определить ИИ экспериментально-аналитически, как для остальных опытов).

По соотношениям ИИ между экспериментально определенным и расчетным (рис. 3.4) не представлятся возможным точно установить реальную интенсивность испарения, но есть основания полагать, что ее значение для модели рационально настроить равным среднему между значениями, определенными по (Ш) [34] и (Х) [20] для получения качественной картины распределения влаги в помещении. При этом, возможно, ИИ принимается завышенная относительно реальности, что уменьшит вероятность недооценки переувлажнения конструкций.

интенсивность испарения (ИИ) кг/ч:

средняя ИИ (модель) средняя ИИ ((Ш) [34]) средняя ИИ ((Х) [20]) значение ИИ на итерации (модель) значение ИИ на итерации ((Ш) [34]) значение ИИ на итерации ((Х) [20])

Рисунок 3.5-Расшифровка обозначений слева в рамке и изображение монитора расчета Fluent в правой части рисунка: контроль интенсивности испарения, получаемой расчетом в модели путем сравнения в реальном времени со значениями, определяемыми по зависимостям М.Шаха [34] и П.Хэюрюнена [20].

В зависимости (Ш) [34] и (Х) [20] входит скорость потока воздуха. Анализ картины векторного распределения скоростей воздуха показывает, что имеются разнонаправленные завихрения от множества отдельных подпотоков, при этом скорость в ядре потока и скорости в непосредственной близости от поверхности воды могут быть и разнонаправленными, и разномагнитудными. Скорость воздуха в ядре потока, очевидно, только определяет характер конвективных струй и не имеет непосредственного влияния на интенсивность самого процесса отрыва молекул пара от поверхности воды и попадания их в прилегающий воздух. На этот процесс заметнее влияет скорость воздуха в непосредственной близости от воды. Поэтому проверено 2 варианта учета данного параметра. Интенсивности испарения по (Ш) [34] и (Х) [20], вычисленные по двум вариантам, не показывают различие более 10%: • в расчет принимается единая средняя скорость ядра потока, равная 0.18м/с (по результатам экспериментов не наблюдались более значительные скорости подвижности воздуха над поверхностью воды в емкостях);

• в расчет принимается скорость (на выбранной высоте ^+=30 ) для каждой "водной сеточной ячейки", какая она получается по расчету в модели; т.о. выполняется учет доли каждой сеточной ячейки в общеей интенсивности поступления пара от водной поверхности за счет подвижности воздуха около воды;

Перепад влагосодержаний/плотностей/парциальных давлений, входящий в зависимости (Ш) [34] и (Х) [20], принимается для среднего значения, вычисленного для ограниченного объема, представляющего рабочую зону над емкостью, как это показано на рис. 3.6 красными маркерами и параметров насыщенного при температуре воды воздуха. Это обосновано тем, что "ручные" инженерные зависимости (Ш) [34] и (Х) [20] принимают как аргументы параметры воздуха в ядре потока, которое захватывает рабочую зону помещения, (например, для бассейна обычно /в=+28°С и фв=60%).

Рисунок 3.6-Красными маркерами обозначена рабочая зона, по которой вычисляются средние параметры воздуха над емкостью (влагосодержание/парциальное давление/плотность) для использования в зависимостях (Ш) [34] и (Х) [20].

На рис. 3.7 показан результат расчета процесса ассимиляции водяного пара, испаряющегося с открытой поверхности воды, приточным обменным воздухом.

и

13

15

Рисунок 3.7-Распределение влагосодержания (г/кг) в помещении с открытой емкостью

при действующей вытесняющей вентиляции, поддерживающей двукратный воздухообмен в помещении, с температурой приточного воздуха, равной температуре воды (/п=/№=+15 °С) при расчетных зимних условиях (влагосодержание приточного

воздуха й?п=0,3г/кг).

Количество приточного воздуха для данной 2Б модели выбрано из расчета 2,2-х крат (объем данного фрагмента помещения, обслуживаемого эжекционным

3 3

низкоскоростным воздухораспределителем, равен 74м , расход притока 185м /ч). Данные результаты соответствуют условиям отсутствия теплообмена через наружные ограждения. На рис. 3.8 показано распределение относительной влажности в помещении. При реальных зимних условиях теплообмена с ограждающими конструкциями внутренний воздух около покрытия будет остывать с повышением относительной влажности. Для исключения конденсации пара на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций требуются решения по осушению/подогреву верхней зоны под потолком. (Зона вблизи вертикальных ограждений менее подвержена этой опасности в случае традиционного размещения у наружных стен приборов отопления). Моделирование распределения водяного пара

подтверждает, что влагосодержание удаляемого воздуха соответствует соотношению (2.5-12) при еа=0,6:

(й - й ) (6 6 - 0 3) 0и = ^-<п1 = (6,6 0,3) = 0,6

а (^ - йп) (10,8 - 0,3)

4 13 23 33 42 52 62 71 81 90 100

Рисунок 3.8-Распределение относительной влажности (%) в помещении с открытой емкостью (условия такие же, как для рис. 3.7 (¿п=^=+15 ° С; йп=0,3г/кг)).

Термодинамический показатель еа, вычисляемый по результатам моделирования системы вытесняющей вентиляции для разных условий (температура воды и влагосодержание приточного воздуха), попадает в диапазон 0,55^0,65 при 2,2-кратном воздухообмене. При увеличении кратности воздухообмена показатель еа снижается, т.е. эффективность ассимиляции водяного пара обменным воздухом падает, т.е. меньшая доля пара будет выведена с удаляемым воздухом и большая доля его будет оставаться в помещении. Следовательно требуемая производительность осушителей верхней зоны может снижаться медленно при повышении кратности воздухообмена.

3.3. ВЫВОДЫ

Разрабатываемая система вентиляции в помещении с открытыми емкостями предназначена для ассимиляции основной вредности - водяного пара. Характер распространения водяного пара по помещению изучался на основе моделирования воздушных потоков и потоков пара в комплексе ANSYS Fluent версии 14.5. Механизм поступления водяного пара от открытой поверхности воды в воздух помещения не заложен в базовый функционал комплекса Fluent, поэтому реализован в данной работе посредством применения пользовательского кода UDF.

Для выбора контрольных объемов (сеточных ячеек), по состоянию воздуха в которых определяется перепад влагосодержаний/парциальных давлений и скорость потока при определении основных коэффициентов пропорциональности для ИИ, найден критерий определения расстояния от поверхности воды по безразмерному значению _у+~30, на стыке буферной и турбулентной зон пристеночного слоя, и этот критерий универсален для любых проверенных исходных условий (летние, зимние). Настройка модели при конкретных исходных условиях выполняется дополнительным коэффициентом пропорциональности путем сопоставления со значениями ИИ, полученными по широко применяемой методике П.Хэюрюнена (1.4-4)(1.4-5) [20] и современной (актуализация 2018г.) методике М.Шаха (1.4-9)-(1.4-11) [34]. Модель имеет потенциал для дальнейшего уточнения путем подбора коэффициента пропорциональности для ИИ, но в данной работе не получены дополнительные данные, которые бы позволили это сделать. С целью уменьшения вероятности недооценки переувлажнения конструкций при использовании результатов моделирования в методических рекомендациях, настоящая настройка выполнена для промежуточного значения ИИ, равного среднему между вычисляемыми по (Ш) [34] и (Х) [20], что оценено как завышенное относительно реальности значение.

На основании многочисленных расчетов для разных исходных условий (температура воды, температура и влагосодержание воздуха, характер воздухораспределения, местная осушка, местный подогрев и т.п.) можно заключить, что картина параметров воздушной среды, главный интерес в которой представляет влагосодержание, полученная расчетом в данной модели, не может отражать точную реальную картину испарения с открытых поверхностей сточных вод, но можно

рассчитывать, что модель отражает качественную картину влагораспределения, на основании которой определен возможный диапазон значений термодинамического критерия еа, равный 0,55^0,65 для условий 2,2 кратного водухообмена. При повышении кратности воздухообмена более 2,2, значение критерия еа уменьшается, т.е. степень ассимиляции влаги обменным воздухом снижается. Разрабатываемая методика инженерного расчета подразумевает соблюдение рекомендуемой кратности 2,2 для возможности использования предлагаемых зависимостей.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМОВ В ПОМЕЩЕНИИ С ОТКРЫТЫМИ ЕМКОСТЯМИ СТОЧНЫХ ВОД

4.1. РАЗРАБОТКА И СООРУЖЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРО-ВЛАЖНОСТНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ

НАД ЕМКОСТЯМИ

В качестве отправной точки для исследования микроклимата в помещениях с емкостями очистки выбраны действующие очистные сооружения в г. Лобня (Московская область), являющиеся первым подобного рода объектом, выпущенным по проекту ОАО ЦНИИЭП инженерного оборудования (место работы соискателя). Изучался характер изменения влагосодержания и температуры по высоте помещения над емкостями с открытой поверхностью воды разной степени подвижности/загрязнения, в т.ч. без и с подачей барботажного воздуха.

В результате анализа доступных средств для проведения замеров параметров воздуха выбрана технология 1-Wire, интерфейс которой разработан Dallas Semiconductor, включающая недорогие компоненты и исходные программные модули, позволяющие посредством программирования настраивать систему под требуемые задачи.

Для экспериментального измерения параметров внутреннего воздуха в помещении с емкостями очистки смонтирована и применена следующая измерительная система, схема которой представлена на рис. 4.1

На базе 1-Wire сети, соединены 11 отстоящих друг от друга датчиков в цепь с тем, чтобы можно было провести замеры температуры и влажности в нескольких точках по высоте над водной поверхностью (см. рис. 4.2). Датчики выполнены в контейнере iButton, имеют высокую механическую защищенность. Для связи в 1-Wire сеть каждый датчик снабжен двумя электрическими контактами (см. рис 4.3). Для защиты электропроводки от влаги датчики помещаются в дополнительные контейнеры и изолируются герметиком (см. рис. 4.4).

Рисунок 4.1-Принципиальная схема измерительной установки 1-персональный компьютер; 2 -комбо датчики В81923 (гигрохрон)-регистратор температуры и влажности; 3- датчики В819212 (термохрон) - термометр; 4-емкость с

открытой поверхностью сточной жидкости; Рисунок 4.2-Фото цепи датчиков.

Рисунок 4.3-Фото датчика в контейнере ТБиИоп.

Рисунок 4.4-Фото дополнительной упаковки каждого датчика.

Сеть 1-Шке позволяет, в т.ч. с помощью компьютера, снимать показания датчиков. Для обслуживания системы написана программа для ПК, с помощью которой непрерывно опрашиваются все 11 датчиков в сети, и по результатам измерений строятся графики градиента температуры и влажности над водной поверхностью (см. рис. 4.5). Длительность 1-ого замера составляет примерно 20 секунд.

Рисунок 4.5-Снятие результатов замеров с помощью компьютера

По характеру строящихся графиков в режиме реального времени можно судить о том, показывают ли датчики стационарный режим, или пока еще находятся в процессе восприятия параметров среды (при изменении положения датчика в пространстве, его показания меняются постепенно, с учетом времени на остывание/нагревание корпуса окружающим воздухом и насыщения/осушения чувствительного к влаге сенсора).

4.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Цепь с датчиками подвешивается над водной поверхностью (см. рис. 4.6). При этом два самых нижних - датчики температуры - измеряют температуру в толще жидкости и температуру поверхности; непосредственно над поверхностью и выше -размещаются комбо датчики температуры и влажности; Цепь подвешена с помощью выносной консоли, укрепленной на лестнице-стремянке; на этой же стремянке

установлен нетбук под управлением Microsoft Windows с программой обслуживания 1-Wire сети (см. рис. 4.7). Время автономной работы данной системы более 8 часов, что оказалось более чем достаточно для длительных замеров над разными емкостями.

Рисунок 4.6-Размещение цепи датчиков над поверхностью испарения Рисунок 4.7-Фото измерительной установки

Длительность измерений для одной емкости для получения стационарных условий составила в среднем 40 минут (см. рис. 4.8).

При выполнении автоматических замеров с записью результатов в память компьютера, дополнительно проводятся замеры подвижности воздуха и температуры в трех точках по высоте над поверхностью жидкости с помощью термоанемометра Testo 425 (рис. 4.9).

75,498893 70,498893

100,49889 95,498893

ё

g 90,498893 * 85,498893

m -.....* 4VíÉ

80,498893 4 A

852

1352

1852 секунды

2352

*исунок 4.8-Результаты продолжительных измерений температуры и влажности над

поверхностью испарения

Рисунок 4.9-Фото термоанемометра Testo 425

В помещении с емкостями очистки сточных вод 1-ой очереди строительства очистных сооружений в г.Лобня проведены замеры для четырех характерных емкостей (рис. 4.10):

a) Нитрификатор (интенсивное барботирование);

b) Мешалка (интенсивное перемешивание);

c) Отстойник (спокойная сильно замутненная жидкость);

d) Фильтр доочистки (с барботированием);

Время начала и продолжительности измерений для каждой емкости фиксировалось для последующей коррекции результатов измерений в соответствии с методикой производителя компонентов DS1923 и DS1931Z. Для каждой емкости выполнены замеры около 40 минут непрерывного считывания показаний датчиков, при этом сохранены в память последние 80 показаний, что отражает состояние воздуха над емкостью на протяжении 25-30 минут.

Рисунок 4.10-Четыре типа емкостей очистки: (слева направо и сверху вниз): a) Нитрификатор (интенсивное барботирование); Ь) Мешалка (интенсивное перемешивание); ^ Отстойник (спокойная сильно замутненная жидкость); d) Фильтр доочистки (с барботированием);

Предварительная обработка экспериментальных данных осуществлялась с учетом выполнения всех предусмотренных компенсаций:

• погрешность измерений с помощью термодатчиков Б819212 составляет 0,375°С в рабочем диапазоне -5°С^+26°С; (т.к. эти датчики планируются для измерения температуры жидкости, то рабочий диапазон достаточен);

• погрешность Б81923 для температурных измерений составляет 0,5°С в диапазоне -20°С^+85°С; и 5% для измерений влажности в рабочем диапазоне 0%^100%;

При этом необходимо выполнить несколько этапов коррекции измерений:

1. Программная коррекция - заключается в пересчете полученных значений по специальным формулам с использованием коэффициентов, аппаратно зашитых в датчик при изготовлении и калибровке; это касается и измерений температуры, и измерений влажности;

2. Коррекция показаний влажности в зависимости от измеренной тем же датчиком температуры, т.к. калибровка датчика выполнена для стандартной температуры +25°С и все измерения влажности при других температурах требуется пересчитать по соответствующим формулам;

3. Программная компенсация дрейфа насыщения - требуется для емкостных датчиков влажности при использовании их долгое время в условиях высокой влажности; для данной коррекции потребовались данные о начале и продолжительности измерений для каждой емкости;

4. Взаимная коррекция: несмотря на высокую чувствительность датчиков (минимальное регистрируемое изменение параметра среды: 0,0625°С и 0,04%), разброс показаний между отдельными датчиками, помещенными в одинаковую среду, существенно выше; для взаимной компенсации датчиков между собой выполнены тестовые замеры: все датчики помещены в термопакет и длительное время проводятся измерения состояния среды; после того, как показания перестают меняться, вычисляются средние показания для всех датчиков и линейная поправка для каждого датчика до среднего значения температуры, и влажности. Данная поправка не повышает точность измерений, но позволяет получить более согласованную картину между соседними датчиками, т.к. в эксперименте интересно изменение градиента влагосодержания и температуры.

4.3. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Всего проведено 5 исследований на объектах в разные периоды года для изучения температуро-влажностных режимов в помещениях со значительными площадями открытых водных поверхностей (таб. 4.1).

Таблица 4.1-Экспериментальное изучение температуро-влажностных режимов в

помещениях с открытыми поверхностями воды

№ Год Место проведения замеров

1 10.07.2012 г. Лобня, комплекс очистных сооружений, 1 очередь

2 16.05.2013 г. Лобня, комплекс очистных сооружений, 1 очередь

3 22.01.2014 г. Лобня, комплекс очистных сооружений, 2 очередь

4 02.07.2015 г. Лобня, комплекс очистных сооружений, 2 очередь

5 29.03.2013 г. Москва, бассейн школы №7

Примечание: 1 и 2 очередь - два корпуса в комплексе; системы вентиляции в них запроектированы по-разному;

По данным измерений по высоте построены показания температуры, влажности и парциального давления водяного пара в воздухе над поверхностью сточной жидкости для емкостей с характерными режимами; дополнительно нанесены показания, снятые термоанемометром.

Для оценки изучаемых режимов с помощью термодинамических показателей по результатам проведенных экспериментов выполнены соответствующие вычисления (по соотношениям (2.5-15),(2.5-11)) и построены условные зависимости ©I и ©d от высоты над поверхностью воды. Данные показатели вычислены для каждой экспериментальной точки, поэтому по характеру графиков можно условно оценивать, какую эффективность будет иметь процесс при условии забора вытяжного воздуха в данных точках, т.е. на разных высотах от поверхности воды (графики см. ниже для каждого эксперимента). Следует отметить, что зависимость ©I в некоторых случаях превышает 1, это означает, что к теплосодержанию внутреннего воздуха добавляется энтальпия от солнечной радиации или от других источников, это означает, что показатель ©I нельзя расценивать и использовать традиционным способом, т.к. он уже не является однозначной

характеристикой интересующего процесса тепло-массообмена между водой в емкости и воздухом.

Эксперимент №1 (10.07.2012). (фотографии приведены выше на рис. 4.6- 4.10) На момент проведения измерений механическая вентиляция не работала. В помещении ПЁмк были открыты все двери и окна, через которые осуществлялся воздухообмен. Дефлекторы в кровле были открыты. Для оценки располагаемого гравитационного давления, побуждающего движение воздуха внутрь здания и выход через дефлекторы, определена разница весов столбов наружного воздуха и воздуха над емкостями, по соответствующим точкам измерений построены графики плотности воздуха (рис. 4.11) над каждой емкостью.

Рисунок 4.11-Стратификация плотности внутреннего воздуха над емкостью и

плотность наружного воздуха;

Методом Симпсона найден определенный от 0 до 5 метров интеграл функции, описывающей изменение плотности воздуха по высоте, что позволяет найти вес столба

влажного воздуха над емкостью. По результатам вычислений, располагаемое гравитационное давление, побуждающее замещение столба внутреннего воздуха наружным оказалось очень мало - 0,04+0,2 Па, поэтому воздух проникал в помещение главным образом за счет ветра с той или другой стороны здания. Приблизительная оценка количества обменного воздуха приводится ниже. Установившийся в помещении без механической вентиляции температуро-влажностный режим был исследован для получения сравнительной оценки с данными следующих экспериментов. По характеру изменения парциального давления (рис. 4.12) , плотности и влагосодержания (рис. 4.14) можно сделать вывод, что в данных условиях при отсутствии организованной вентиляции происходит повышение влагосодержания в верхней зоне помещения.

t, °с

Нитрификатор, 0=775м3/ч

Рп.кПа

Отстойник вторичный

30 29 28 27 26 25 24 23 22

>,85

V 2,8

\ \_ v=0,16 >,75 "7 7

\ >,65

v=o,37 Ь УГ 2,6

Г !,55 2т5^

-50

t, °С

30

50 150 250

высота от уровня воды, см

Мешалка

28

25

23 22

>,85

\\ v=0,17 7,8

\ L v=0,18 \ - ) >,75

\J=Д' 2,7

Л -; X* >,65

2,6

>,55

350

Рп,кПа Ф, % °с

100 30

50 150 250

высота от уровня воды, см

Фильтр ДООЧИСТКИ, Ц=165м3/ч

-50

50 150 250

высота от уровня воды, см

350

150 250

высота от уровня воды, см

Рисунок 4.12-Результаты замеров температуры, влажности, скорости воздуха над

емкостями

Условные обозначения (здесь и ниже на аналогичных диаграммах):

-з температура воды,°С;

I температура воздуха над водой,°С;

-1 относительная влажность воздуха над водой, %;

-( Парциальное давление водяных паров в воздухе, кПа;

--2 показания термоанемометра: график температуры,°С, и скорость, м/с в

выбранных точках. Пояснения: левая ось-температура (°С, синий график); правая ось -влажность (%, красный); для парциального давления (кПа, зеленый);

Для всех типов емкостей наблюдается его резкий рост от 2,5 метров и выше от поверхности воды.При обработке данных учтен характер изменения внешних погодных условий - использованы показания температуры и влажности наружного воздуха в разные периоды времени, соответствующие каждому измерению (рис. 4.13).

Рисунок 4.13-Изменение погодных условий в день измерений.

Дополнительно оценивалась толщина пограничного слоя - слоя воздуха (рис. 4.14, и вынесенные в приложение "А" рис. А.4, А.11, А.21, А.31), непосредственно примыкающего к водной поверхности, в котором происходит наибольшее взаимодействие воздуха с водой и ярко выраженный характер восприятия влаги.

По виду зависимостей термодинамических показателей ®ь®а на рис. 4.15 можно отметить, что не является практически полезным в данном исследовании, т.к. в помещении всегда присутствуют тепловыделения, долю влияния которых трудно учесть в процессе тепло и массообмена между приточным воздухом и водой. С другой стороны, поступления влаги однозначно определяются только процессом взаимодействия с водой, поэтому показатель удобен для оценки тепловлажностного режима в помещении.

Рисунок 4.14-Изменение плотности (р) и влагосодержания внутреннего воздуха

над емкостью (для 4х типов емкостей);

Рисунок 4.15-Изменение показателей и 0! (вычисленных по выражениям (2.5-11),(2.5-15)) в зависимости от высоты над поверхностью воды в емкости.

По результатам замеров построены усредненные зависимости влагосодержания по высоте помещения. Замеры в верхней зоне не проводились, но по характеру изменения влагосодержания по высоте можно предположить, что оно все больше растет ближе к потолку помещения; реальное среднее влагосодержание по всему объему помещения будет больше, чем найденное интегрированием по высоте для нижней части помещения (высота от воды точки последнего замера составляет 343см.) (рис. 4.16). Здесь и далее для аналогичных графиков усредненного влагосодержания по высоте сглаженная кривая линия разбита на множество точек, позволяющих точно определить площадь под кривой и, соответственно среднее влагосодержание (выделено пунктирной линией) по всему объему помещения.

основании экспериментальных замеров по всей высоте помещения. Пунктиром показан результат усреднения интегрированием.

На 1-0 диаграммах (рис. 4.17) показано состояние воздуха в помещении над исследуемыми емкостями. Тонкой прямой и пунктирной линиями, точками Б и ва показаны вспомогательные построения, разобранные в разделе 2.5 для изучаемых процессов. Сплошной красной линией соединяются точки состояний, соответствующие разным положениям по высоте от нижнего до верхнего датчика. По характеру этой сплошной заметно, что основной воздухообмен неорганизованно происходит в средней части помещения; воздух продувается насквозь через помещение на высоте около 2

метров от пола (приточный наружный воздух проникает через открытые двери и окна с одной стороны здания и выходит через открытые проемы с другой стороны в зависимости от направления ветра).

Рисунок 4.17-Отображение на 1-0 диаграмме состояния воздуха в экспериментальных точках над емкостями очистки: (слева направо и сверху вниз): нитрификатор; отстойник; мешалка; фильтр доочистки;

Синим пунктиром выделена область параметров уходящего воздуха и на основе этого указан термодинамический показатель (0,56+0,69) для данного процесса естественной вентиляции проветриванием (такое повышенное значение показателя совсем не означает, что в помещении организован удовлетворительный воздухообмен, т.к. в верхней зоне, очевидно, присутствует повышенная влажность). Оценка влаговыделений в объеме всего помещения с поверхности воды 610м по зависимостям

Хэюрюнена (1.4-4),(1.4-5) и Шаха (1.4-9)-( 1.4-11) дает значения, соответственно, 31кг/ч и 12кг/ч влаги. Значению 31кг/ч влаговыделений и перепаду влагосодержаний между уходящим 16,96 г/кг (рис. 4.16) и приточным 12,96 г/кг воздухом соответствует воздухообмен около 6780м /ч (по (2.2-1)). При общей площади открытых проемов (окон и дверей) в помещении около 12,7м2, через половину этой площади может проникать (а через вторую половину выходить) соответствующее количество воздуха при средней скорости через сечение проемов около 0,3м/с. Сплошной красной линией соединяются точки состояний, соответствующие разным положениям по высоте от нижнего до верхнего датчика. По характеру сплошной красной линии можно оценить, что средняя по высоте часть здания продувается "навылет" неорганизованным потоком воздуха через открытые проемы.

Эксперимент №2 (16.05.2013) и последующие эксперименты в помещениях со значительными открытыми водными поверхностями и работающей механической вентиляцией показали сходные размеры пограничного приводного слоя по высоте, позволяющие судить о месте нахождения "ядра потока", которое требуется для определения исходных данных для большинства методик расчета интенсивности испарений, рассмотренных в разделе 1.4, так как в литературе не удалось найти информацию по этому вопросу. Фото организации измерений в экспериментах №№2,3,4,5 и соответствующие графики, построенные по результатам измерений, приведены в приложении А.

По закономерностям, разобранным в разделе 2.5 , следует, что процесс изменения параметров воздуха в помещении направлен по лучу, соединяющему точки притока и насыщенного при температуре воды возудха, и имеет (на диаграмме) смещение вертикально вверх за счет дополнительных теплопоступлений, в т.ч. от солнечной радиации, или вниз за счет теплопотерь (см. приложение "А", рис. А.7, А.14, А.24, А.25).

В отличие от экспериментов №1 и №2, где для вытяжной системы применяются щелевые воздухозаборные устройства, эксперименты №3 и №4 проведены в помещении с воздухозаборными зонтами. (в момент проведения эксперимента №1 не работала механическая вентиляция). Для №2 по сравнению с №4 и №5 наблюдается более стабильное (неизменное) влагосодержание по мере возрастания высоты от поверхности воды. Щелевые заборные устройства незначительно влияют на процесс распространения влаги. Для №4 и №5 наблюдается снижение влагосодержания в зоне 2-3 метра от уровня

воды и затем возрастание влагосодержания по высоте. По итогам эксперимента установлено, что зонты выбранного размера работают неэффективно. Воздух с влагой и вредными выделениями прорывается мимо зонтов и поднимается к потолку.

На момент проведения эксперимента №4 была зафиксирована нештатная работа станции. Часть емкостей была закрыта пеной, выделяющейся из-за нарушенного биологического режима очистки. Измерения над емкостью с пеной показали большую интенсивность испарений (рис. А.20 входное сечение зонта над емкостями) по сравнению с нитрификатором, где в толщу воды подавался барботажный воздух, очевидно пена создает увлажняемую поверхность увеличенной площади по сравнению даже с поверхностью барботируемой емкости.

Расчетный расход вентиляционного воздуха составляет 20000м3/ч для помещений (эксперименты №№1-4), что соответствует трехкратному воздухообмену. При этом состояние внутреннего воздуха не комфортное. Заметно ощущались запахи и повышенная влажность. Показатель термодинамической эффективности ассимиляции влаги приточным воздухом оценен в диапазоне 0,4-0,58 для рассмотренных помещений и примененной схемы воздухообмена.

Конструктивные особенности обследованной в эксперименте №5 системы вентиляции бассейна приведены в приложении А. Из анализа параметров воздуха в разных точках помещения следует, что в помещении почти по всему объему наблюдается равномерный уровень влажности и температуры (в отличие от параметров воздуха в исследуемом помещении очистных сооружений г. Лобня). Исключение касается только непосредственно околоводной зоны, где наблюдается характерная экспоненциальная стратификация влагосодержания (выраженной температурной стратификации в отличие от ПЁмк над водой в бассейне не наблюдается), далее по высоте помещения влагосодержание и температура сохраняются примерно одинаковыми. На рис. А.31 это хорошо просматривается. При этом по ходу движения воздуха вверх (где под потолком сосредоточены вытяжные устройства по коротким торцевым сторонам помещения) осуществляется подмес приточного сухого воздуха (с уровня балконов, а далее под потолком). Судя по общей пониженной влажности в помещении равной 25%-30%, автоматика системы настроена не оптимальным образом, но характер воздухораспределения представляется рациональным. Можно сделать вывод, что удаление воздуха из верхней зоны принятым количеством обменного воздуха

не является достаточным условием защиты от влаговыделений; требуется интенсивная дополнительная осушка пространства под потолком помещения. Это достигается подачей значительной части общего притока (23500м /ч) в зону под потолком. На рис. А.32 показана область попадания показателя ©d для данного помещения бассейна. Характерным является то, что показатель ©I очень мало отличается от ©d , что совсем не наблюдается для ПЁмк г.Лобня. Постоянство показателя ©d по высоте можно условно охарактеризовать так: вытяжку воздуха можно устроить на любом уровне в значительном диапазоне по высоте и степень ассимиляции влаги будет при этом одинаковая. С учетом известных параметров вытяжного воздуха показатель ©d по соотношению (2.5-11) для данного помещения бассейна равен 1,165; для единообразия с экспериментами №1-4 на рис. А.32 так же показана возможная область значений ©d в зависимости от высоты забора вытяжного воздуха.

Для целей настоящего исследования более интересен показатель ©d для условий подачи притока только в рабочую зону. Проведем ряд вычислений для получения косвенной оценки показателя ©d (для помещения бассейна с системой вытесняющей вентиляции) по условному влагосодержанию уходящего воздуха. Для этого примем, что приточный воздух Gn1, подаваемый в нижнюю зону, ассимилирует влагу, поступающую от поверхности бассейна и далее воздух с условным влагосодержанием dyc поднимается вверх. Условным, так как фактически его измерить нельзя, ввиду того, что по всей высоте помещения осуществляется подмес сухого приточного воздуха. В то же время, вычислить его можно, зная расходы смешиваемых объемов и результирующее влагосодержание смеси dCM и притока dn.

d = dcm • (G„i + g.,2 + G'.J - dn • (g.,2 + G.,) г/кг

ус f-t '

gn1

где Gn1=14834 кг/ч - приток в околоводную зону; Gn2=14834 кг/ч - приток в среднюю зону; Gn3=29668 кг/ч - приток в зону под потолком;

dn=3,81 г/кг - влагосодержание приточного воздуха, являющегося смесью 55% подогретого наружного и 45% рециркуляционного;

dCM=6,89 г/кг принято среднее с учетом расходов приточного воздуха во вторую и в третью (верхнюю) зоны (dCM2=6,99 г/кг; dCM3=6,83 г/кг);

_ 6,89 • (14834 +14834 + 29668) - 3,81- (14834 + 29668)

X —--16,15 г/ кг;

ус 14834

Таким образом, 0, — (16,15—3,81) — 0,64 d (22,87 - 3,81)

©¿=0,64 - термодинамический показатель, дающий условную оценку процесса ассимиляции влаги при вытесняющей вентиляции в помещении бассейна при подаче всего притока в околоводную зону.

По результатам экспериментов №№1-5 построены зависимости ©¿=/(N0 (см. рис. 4.18), соответствующие малым значениям отношения водных эквивалентов Ж, характерных для процессов массообмена между вентиляционным воздухом и сточными водами в емкостях. Вычисления проводились по формулам (2.5-11),(2.5-15),(2.5-20) для всех экспериментальных данных по стратификации температуры и влажности над открытой водной поверхностью. При этом минимальный напор перепада влагосодержаний принят между влагосодержанием насыщенного воздуха при температуре воды и влагосодержанием на "уровне стыка" пограничного слоя и ядра потока воздуха, который равен 1,5м; на этой высоте ярко выраженный градиент изменения влагосодержания заканчивается и заканчивается доминирующий процесс взаимодействия воздуха с поверхностью воды. Выше над водой влагосодержание или сохраняется, или меняется незначительно, как результат смешивания с соседними слоями воздуха. Измерения проводились в вертикальной проекции только для одной точки над емкостью, - в соседних точках стратификация может отличаться из-за различных условий, в т.ч. горизонтальных потоков воздуха. В случае отсутствия данных для пограничной высоты принимались данные ближайшей точки по высоте. На рис. 2.9 показана зависимость ©1=/(М) по соотношениям из [71] для малых Ж; на рис. 4.18 график для ©¡=/(N1) дублируется; это позволяет увидеть, как хорошо совпадают теоретические зависимости ©! и опытные зависимости ©¿. Для экспериментальных точек внутри пограничного слоя воздуха (слоя от уровня воды до "стыка") минимальный напор принимался в данной точке, как если бы воздух удалялся непосредственно из этого места и дальнейших процессов ассимиляции не происходило, для этой зоны графики построены пунктиром (для экспериментальных точек, максимально приближенных к уровню воды термодинамический показатель ©d приближается к единице.

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

для энтальпии ось ^=Ро—К1 • Р/(вв• сн); для влагосодержания ось И(1=(с1у-(111)/А(1Ср Рисунок 4.18-Зависимость экспериментально вычисленного показателя , построенного по соотношениям (2.5-11),(2.5-15),(2.5-20), от числа единиц переноса влаги N и зависимость показателя ®ь построенного по соотношениям из [71] для противоточной схемы тепло-массообмена между воздухом и водой. Для имеющихся экспериментальных точек накладывается на ©!.

** 2 В ПЕмк очистных сооружений г.Лобня с площадью пола 1067м , средней высотой

з

6м и расходом вытяжного воздуха 20000м3/ч кратность воздухообмена можно примерно оценить как 20000/(1067*6)=3,1. В помещении бассейна школы №7 для площади пола 1682м, высоты помещения 10,5м и расходом приточного воздуха

47000м3/ч кратность

воздухообмена можно оценить как 47000/(1682*10,5)=2,6. Это сравнительно низкая кратность для такого рода помещений, т.к. характерная кратность для бассейнов обычно равна значению в диапазоне от 4 до 7. При 45% рециркуляции (на момент проведения измерений в бассейне школы №7), кратность воздухообмена по наружному приточному воздуху равна 47000*0,55/(1682*10,5)=1,4. Органолептически внутренняя воздушная

среда в помещении бассейна воспринималась комфортно. Даже если не принимать во внимание наличие запахов в помещении ПЁмк очистных сооружений г.Лобня, то воздушная среда была главным образом не комфортная при любом посещении в течение нескольких лет.

По результатам экспериментов проведены оценочные вычисления влагопоступлений в помещение тремя способами и занесены в таблицу. Первый способ: на основании распределения усредненного влагосодержания (рис. А.6, А.13, А.23, А.33) в помещении при известных параметрах притока (расход, влажность) интенсивность испарений составит:

Кс = Кр - <) • , кг/ч (4.3-1)

Второй способ: использование соотношений Хэюрюнена (1.4-4),(1.4-5);

Третий способ: использование соотношений Шаха (1.4-9)-(1.4-11);

Результаты вычислений сведены в таблицу. Очевидно, точность вычислений каждым из способов низкая, т.к. параметры измерены в выборочных точках помещения и распространить их по всему объему приведет к значительным погрешностям, но сопоставление результатов все же дает некоторую картину, т.к. наблюдается закономерность, позволяющая сравнить и оценить применимость методик Шаха(1.4-9)-(1.4-11) и Хэюрюнена(1.4-4),(1.4-5) в практических инженерных расчетах.

Таблица 4.2-Сопоставление интенсивности испарений в помещениях с открытыми поверхностями воды для экспериментов №1-5, оцененной тремя способами

Год 2 Интенсивность испарений Ж, г/(ч-м )

Способ 1 Способ 2 (Х) Способ 3 (Ш)

1 10.07.2012 - 51 20

2 16.05.2013 53 116 34

3 22.01.2014 193 331 67

4 02.07.2015 82 188 45

5 29.03.2013 133 422 158

Примечание: для эксперимента 2012 г. неизвестен реальный воздухообмен;

Можно сделать вывод, что зависимости Хэюрюнена [20] дают стабильно большие значения в сравнении с зависимостями Шаха [34]. Можно так же предположить, что интенсивность реальных испарений может соответствовать некоторому среднему между ними значению.

4.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СОСТАВА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПОСТУПАЮЩИХ В ПОМЕЩЕНИЕ ОТ ОЧИСТНЫХ

ЕМКОСТЕЙ

Для оценки достоверности теоретических методов расчета поступления загрязняющих веществ (ЗВ) от сточных вод проведен отбор проб воздуха и исследования данных проб в специализированной лаборатории. Образцы воздуха были взяты вблизи нескольких характерных источников. Отбор воздуха производился с помощью компрессора путем создания "вакуума" в колбе, - замещением отсасываемого воздуха воздухом вблизи колбы (см.рис. 4.19, 4.20). Один отбор продолжался около 2030 минут, пока весь воздух в колбе с большой вероятностью был заменен на исследуемый образец.

Рисунок 4.19-Организация отбора проб воздуха вблизи аэротенка (аэротенк вход). Фото выполнено в помещении очистных сооружений г.Лобня.

Далее 3 образца воздуха были переданы в лабораторию. Метод исследования: Газовая хромато-масс-спектрометрия (газовый хроматомассспектрометр 8Ышад2и ОСМ8 0Р2010и11га). Отчет из лаборатории приведен в приложении. Анализ отчета приведен ниже. В таблице 4.3

Рисунок 4.20-Организация отбора проб воздуха вблизи аэротенка и песколовок. Фото выполнено в помещении очистных сооружений г.Лобня.

Таблица 4.3-Состав загрязняющих веществ, обнаруженный вблизи поверхностей очистных емкостей для технологической линии очистных сооружений в г.Лобня

Место отбора образца Компонент Аэротенк вход (Образец 1) Песколовки (Образец 2) Аэротенк (Образец 3) ПДК, мг/м

Содержание компонента, % / мг/м

Углекислый газ (С02) 6,44 % / 126500 2,70 % / 53035 10,84% / 212928 9000

Содержание компонента, ррт / мг/м

Метан СН4 17,26 / 12 58,34 / 41 29,98 / 21 7000

Закись азота (К20) 155 / 304 22 / 43 281/551 -

Аммиак (КН3) < 0,037 20

Сероводород (Н28) < 0,00047 10

Метил меркаптан (С^Н) < 0,0011 0,2

Пересчет результатов, предоставленных лабораторией, проведен по формуле пересчета ррт в мг/м3 для оценки по ПДК:

Сзв=Сррт • Мгаза/22400, мг/м3 (4.4-1)

где СЗВ, мг/м3-концентрация ЗВ для сравнения с ПДК;

Сррт,мл/м3- концентрация ЗВ выходные данные из лаборатории;

Мгаза,мг/моль-молярная масса известного газа ( [111], [112], [113]), содержащегося в пробе

22400, мл/моль-переводной коэффициент;

Пример:

С(ррт)=155 ррт;

М(К20)=44 грамм/моль;

155ррт*44000 мг/моль /22400 мл/моль =304мг/м3;

М(СН4)=16 грамм/моль;

М(С02)=44 грамм/моль;

Чтобы посчитать С02 необходимо учесть, что 1% = 10000 ррт; (обычное содержание углекислого газа в воздухе составляет около 321ррт [114] или 0,031% [56]).

Примечание по достоверности результатов:

1) По данным лаборатории, проводившей анализ, ошибка может составлять до

30%.

2) Более практически ценными были бы замеры вытяжного воздуха непосредственно перед выбросом в атмосферу, но замерить вытяжной воздух в нужном месте не было возможности, - все вытяжные короба на установках заглушены, поэтому пробы были взяты у поверхности емкостей.

3) Т.к. К20 и С02 тяжелее воздуха, эти газы оседают в нижней части помещения, поэтому их концентрация в рабочей зоне и в вытяжном воздухе ожидается ниже концентрации, замеренной около поверхности емкостей;

Оценка результатов:

Анализ не обнаружил превышения ПДК почти по всем вредным выделениям, за исключением углекислого газа С02 и закиси азота К20. Если и присутствуют неприятные запахи (их причиной может быть, например, сероводород, метан, аммиак) то, концентрации этих веществ существенно ниже ПДК.

Концентрация СО2 (у поверхности емкостей) от 6 до 20 раз превышает ПДК, и является определяющей вредностью.

Относительно опасности превышенной концентрации закиси азота К20 нет однозначного мнения:

С одной стороны, закись азота - это оксид азота и формально нужно использовать [115] ГН 2.2.5.3532-18, тогда имеет место многократное превышение ПДК (ПДК

оксидов азота 5 мг/м ). С другой стороны, во многих странах мира, среди которых Российская Федерация и страны Европейского Союза, добавка Е942 (закись азота) является разрешенной для изготовления продуктов питания. При этом она выполняет функцию пропеллента и упаковочного газа внутри упаковок продуктов, что позволяет дольше их хранить. В РФ N2O разрешён в качестве экстракционного и технологического растворителя в пищевых производствах, максимальное остаточное количество согласно ТИ [116] (п. 5.3.22 СанПиН 2.3.2.1293-03). По разным литературным данным, ПДК закиси азота в воздухе рабочей зоны должно быть значительно выше, чем для оксида и диоксида азота. При наркозе его используют до 70 % в смеси с кислородом, т.е. газ относительно безвредный.. Среди известных свойств можно привести такие: N2O химически не взаимодействует с водой, растворами кислот и щелочей.

По данным Национального Института производственной гигиены США (NIOSH), ПДК закиси азота на рабочем месте не должны превышать соответственно 25 ppm (ppm бывают массовые и объемные, в пересчете, соответственно будет 45 или 49 мг/м3, какие ppm приводятся, не уточнено). В Германии приняты несколько другие стандарты: ПДК закиси азота составляет 100 ppm (181 или 196 мг/м3).

По данным [Davenport Н., 1980; Pietrapaoli P. et al., 1984; Alien W., 1985; Neidhardt A. et al., 1986] "Даже в хорошо оборудованных операционных Англии, США, Италии, Канады без специальных средств защиты в воздухе обнаруживалось 5+10 ppm фторотана и 400+1000 ppm (почти до 2000 мг/м ) закиси азота. Содержание последней в воздухе стоматологических кабинетов составляло 3000 ррm и выше ".

Откуда следует вывод, что закись азота не представляет однозначной опасности для персонала очистных сооружений.

Однако, с точки зрения загрязнения окружающей среды, закись азота способствует глобальному парниковому эффекту в 300раз сильнее, чем углекислый газ и удерживается в атмосфере 114 лет1, что, по-видимому, обязует принимать меры по очистке выбросного воздуха [117]. Есть и другие мнения, что N2O опасности не представляет.

С целью быстрого восстановления очистительных биопроцессов после нештатных нарушений цикла очистки, служба эксплуатации очистных сооружений г.Лобня

1 http://epa.gov/climatechange/ghgemissions/gases/n2o.html

добавляет в сточную воду некий реагент под названием «БИОФОКС». Образец №2 взят в помещении песколовок, где реагент не добавляется, где концентрации обсуждаемых вредностей многократно ниже, чем в павильонах с емкостями. Очевидно, реагент может являться причиной высокого содержания К20 и С02. Можно отметить, что по [43] скорость испарения воды зависит от присутствия постороннего газа (вблизи поверхности испарения); конкретно для углекислого газа по сравнению с воздухом скорость испарения при прочих равных относится как 4:5.

Согласно последней методике ОАО НИИ Атмосфера [1] есть данные по осредненной концентрации ЗВ над поверхностями испарения типовых производственных сооружений станций аэрации хозяйственно-бытовых сточных вод. Если сопоставить ожидаемые концентрации ЗВ по [1] и по настоящему эксперименту см.таблицу 4.4, то количественного совпадения не наблюдается:

Таблица 4.4-Сравнение концентрации ЗВ вблизи характерных источников. В ячейке слева вверху данные НИИ Атмосфера [1]*, справа внизу - данные настоящего эксперимента для технологической линии очистных сооружений в г.Лобня

[1] Эксперимент Аммиак Азота оксид* Метилмеркаптан Метан Сероводород

Песколовки 0,23 0,073 0,0014 2,95 0,033

< 0,037 43 < 0,0011 41 < 0,00047

Аэротенк 0,095 0,07 0,0013 2,57 0,032

< 0,037 551 < 0,0011 21 < 0,00047

ПДК в рабочей зоне 20 5 0,2 7000 10

* в методике [1] приведены более высокие концентрации ЗВ в сравнении с методикой [2];

** согласно данным по оксиду азота, в [1] не уточняется, какой из оксидов азота имеется в виду; в пробах эксперимента обнаружен оксид К20.

Т.о. данный эксперимент не подтвердил наличие набора ЗВ в ожидаемых концентрациях, который принимается как данность по методике из [1] и [59]. Это, во-первых, может быть связано с большой разницей в технологических режимах между процессами очистки в открытых сооружениях (для которых разработаны методики [1], [59]), а во-вторых, с особенностью биологического режима, который установился на объекте в г.Лобня на момент проведения замеров. По сообщениям обслуживающего персонала, штатная работа очистных сооружений периодически нарушается

несанкционированными сбросами в канализацию от промпредприятий. Для однозначного вывода по составу ЗВ в сооружениях закрытого типа требуется провести несколько замеров в разное время и собрать статистику. Но обнаруженные на момент проведения замеров ЗВ в помещении, так же как и ЗВ, сопутствующие технологическим процессам в очистных сооружениях согласно методике [1], возможно улавливать сорбционным фильтром "Фолтер", который предполагается к применению.

4.5. ВЫВОДЫ

В рассматриваемых помещениях ПЁмк устройство щелевых воздухозаборных устройств, а так же вытяжных зонтов размерами, максимально допустимыми с учетом технологических ограничений, неэффективно для проектной кратности воздухообмена, равной 3.

Нарушения штатного режима работы очистных сооружений (из-за несанкционированных валовых сбросов от промпредприятий) приводят к повышенной интенсивности влаговыделений и ЗВ в помещение ПЁмк.

Схемы смесительной вентиляции с местными отсосами, примененные в помещении очистных сооружений г.Лобня имеют показатель эффективности по влагообмену Эа в диапазоне 0,4+0,55. Исследование случая неорганизованной вентиляции проветриванием показало повышенный показатель эффективности Эа в диапазоне 0,56+0,69, но одно лишь высокое значение данного показателя не является признаком удовлетворительной работы вентиляции, а только характеризует соотношения параметров приточного и уходящего воздуха. В помещении могут присутствовать зоны повышенной влажности, как это наблюдалось в данном случае. При этом кратность воздухообмена оценена равной не более 1.

По опытным данным термодинамический показатель эффективности тепломассообмена имеет большой разброс значений (для рассмотренных помещений) и не позволяет его обобщить, в т.ч. отделить процессы тепло-массообмена между воздухом и водой от других процессов теплообмена в помещении. Э1 не подходит для практического применения в рассматриваемых процессах в помещениях с открытыми водными поверхностями. Показатель Эа, с другой стороны, удобен для учета

поступления влаги от воды в воздух помещения и показывает значения в сравнительно узком диапазоне для каждой из рассмотренных схем вентиляции.

На основе измерений и расчетов для помещения бассейна для схемы вытесняющей вентиляции при подаче приточного воздуха в 3 зоны по высоте помещения значение показателя Эа получается в диапазоне 0,1+0,3. Для схемы вытесняющей вентиляции при подаче приточного воздуха только в зону поверхности воды показатель по экспериментальным данным косвенно оценен значением 0,64 по измерениям и расчетам для помещения бассейна.

Параметры внутреннего воздуха, определяющего интенсивность влаговыделений, используемые в различных зависимостях (см.раздел 1.4) для расчета интенсивности влаговыделений, следует принимать на высоте 1,5м от поверхности воды. Это справедливо как для помещений ПЁмк в г.Лобня, так и для помещения бассейна в школе №7 г.Москве, где применены принципиально разные схемы вентиляции. Для всех измерений, проведенных над зеркалом воды, для пограничного слоя (от уровня воды до высоты 1,5м над водой) наблюдается сходный экспоненциальный характер изменения параметров воздуха - влагосодержания и температуры воздуха.

Оценка интенсивности влаговыделений на основе экспериментальных данных показывает, что расчеты по зависимостям М.Шаха (1.4-9)-(1.4-11), возможно, занижают, а расчеты по зависимостями финских специалистов (1.4-4)(1.4-5), возможно, завышают реальное значение интенсивности влаговыделений. Насколько в действительности процессы испарения ближе предсказываются той или иной методикой (Ш,Х), в данной работе не установлено. Тем не менее, можно предполагать, что расчеты по зависимостям финских специалистов (Х) позволят заложить оборудование заведомо достаточной мощности. С неизвестной степенью точности можно считать, что фактическая интенсивность испарений с водной поверхности является некоторым промежуточным значением, между значениями интенсивностей, определенных по зависимостям Шаха и Хэюрюнена.

Экспериментальные замеры поступления загрязняющих вредных веществ от сточных вод показали допустимость применения фильтра "Фолтер" для очистки вытяжного воздуха. Одновременно подтверждена целесообразность подачи приточного воздуха в рабочую зону для максимального разбавления вредностей, т.к. зафиксировано превышение ПДК по углекислому газу, который может скапливаться в нижней зоне помещения.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКОЛОГИЧНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЯ С ЕМКОСТЯМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

5.1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ И ЭКОЛОГИЧНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В ПОМЕЩЕНИИ С ОТКРЫТЫМИ ЕМКОСТЯМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, ВКЛЮЧАЮЩИЕ СХЕМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ВОЗДУХООБМЕНА И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

По результатам исследования разработана принципиальная схема теплоснабжения системы вентиляции для помещения с открытыми емкостями очистки (рис. 5.3) и методические рекомендации по расчету параметров системы вентиляции и подбора режимов работы оборудования. 1. Общие положения.

1.1. Данные рекомендации применимы для варианта схемы вытесняющей вентиляции при подаче притока к открытым поверхностям емкостей очистки (обычно поверхность емкости имеет заглубление ниже уровня обходных дорожек), использовании рециркуляции внутреннего воздуха (а не вытяжного) и размещение вытяжных устройств под потолком помещения по схеме, рис. 5.1. Опционально требуется применение осушителей под потолком помещения.

1.2. Последовательность расчета представлена в блок-схеме на рис. 5.2.

1.3. Данные рекомендации применимы для системы теплоснабжения приточных и вытяжных агрегатов с использованием тепловых насосов, принципиальная схема которой приведена на рис. 5.3, а описание системы дано в п.п.2;

1.4. Расчет воздухообмена и воздухораспределения в помещении с открытыми емкостями очистки (ПЁмк) производится с целью обеспечить выполнение санитарных условий внутри помещения, а так же обеспечить защиту близлежащего жилья от неприятных запахов, связанных с технологиями очистки сточных вод; обеспечить минимизацию затрат энергетических ресурсов при выполнения этих задач.

1.5. Наиболее распространенный вид ПЁмк не требует постоянного присутствия персонала. Параметры воздуха рекомендуется принимать как для сухого помещения из условия минимизации подогрева наружного воздуха в ХП, а так

же минимизации испарений, что может быть обеспечено при температуре воздуха не ниже расчетной температуры стоков в ХП (+15°С для Москвы) и влажности 60%.

1.6. Воздухообмен в ПЁмк следует обеспечивать по прямоточной схеме в ТП, и использованием низкопотенциальной теплоты очищенной сточной воды для подогрева приточного воздуха в ХП; при этом рекомендуется круглогодичное использование низкопотенциальной теплоты очищенной сточной воды для подогрева вытяжного воздуха перед ступенью сорбционной очистки (,что в данном случае обеспечивает снижение его относительной влажности).

1.7. При оценке требуемых параметров водо-воздушных теплообменников предлагается использовать показатель теплотехнической эффективности "©" (в диапазоне 0+1) перекрестно-противоточного теплообменника, который численно равен отношению достигаемого перепада температур к максимально возможному (обзор методики приведен в разделе 1.3). Зависимости, отражающие теоретически достижимые показатели теплообмена, представлены в [16]. Для быстрой проверки достижимости требуемого режима работы теплообменника вычисляется этот показатель. Значение © порядка 0,6+0,7 или меньше указывает на то, что нужный режим может быть легко обеспечен при разумных теплообменных поверхностях (приточные и вытяжные агрегаты с нужной схемой обработки воздуха и входящими в состав агрегатов теплообменниками можно заказывать у разных производителей и заранее с достаточной точностью определять достигаемые температуры и, соответственно, мощности нагрева/охлаждения). Значения © ближе к 1 означают, что требуется очень развитая поверхность теплообмена, которая в большинстве случаев экономически и конструктивно нецелесообразна и следует изменить параметры режима для достижения более низких значений показателя ©.

Рисунок 5.1-Схема организации воздухообмена в системе вентиляции помещения с

емкостями очистки. 1-емкость с очищаемой водой; 2-приточные эжекционные воздухораспределители; 3-вытяжные устройства и воздуховоды; 4-осушительные

агрегаты;

Проверка условий применимости методики

с.

Начало

>

Сбор исходных данных, включая климатологические и технологичские

Вычисление влагопоступлений Wис по (5.1-2)

I

выбор количества Gп из условия рекомендуемой кратности 2,2; вычисление количества удаленной влаги Wис.yд через йу, определяемое по (5.1-4) при ®ьэ=0,б;

Расчет теплообменников в составе вытяжного и приточных агрегатов: -

Теплообменник перед сорбционным фильтром

У

Теплообменник утилизации

теплоты выбросного воздуха

Теплообменник 1 ступени подогрева приточного наружного воздуха

Теплообменник 2 ступени подогрева приточного наружного воздуха

Теплообменник 3 ступени подогрева приточного наружного воздуха

Рисунок 5.2-Блок-схема последовательности расчета.

Рисунок 5.3-Принципиальная схема теплоснабжения системы вентиляции (работа

системы описана в п.п.2). 1,2,3-теплообменники в составе приточного агрегата 1,2,3 ступени подогрева приточного воздуха; 4,5- теплообменники в вытяжном агрегате, подогрева перед сорбционным фильтром (4) и теплоутилизации выбросного воздуха (5); 6,7-ТН (холодильные машины 1 и 2); 8-насосы подачи очищенной канализационной воды; 9-осушитель; 10-бак для антифриза; 11-резервуар очищенной канализационной воды;

1.8. При наличии в помещении нескольких идентичных технологических линий с одинаковым комплектом очистных емкостей (с площадями открытых поверхностей барботажных и небарботажных емкостей ^^ и 5^), занимающие схожие по размеру объемы частей целого помещения ПЁмк, то рекомендуется выделить к рассмотрению одну линию и занимаемый ею условный объем части

помещения. Это может быть целесообразно с т.з. выбора одинаковых агрегатов, обслуживающих функционально и по размеру одинаковые части помещения. Иначе следует рассматривать помещение целиком.