Эффективные схемы защиты завесами проемов больших размеров современных промышленных зданий

Один из них хорошо известен. Поскольку завеса стала машиностроительным изделием, то производитель вынужден был обозначить в документах основную характеристику назначения, которая показывала бы масштабы воздействия завесы. Не оказалось ничего проще и понятнее для неискушенного потребителя, чем рекомендуемая высота установки или эффективная длина струи. При этом никого не беспокоило, что все эти длины и высоты зависят от множества привходящих обстоятельств и что пользоваться подобными характеристиками можно только при выполнении профессионального расчета соответствия выбранных завес заданным условиям. В результате, теперь сплошь да рядом завесы подбирают не в проектных институтах, а по рекомендациям производителей, проектанты лишь устанавливают модули, делают обвязку, подключение и автоматику. Что же касается рекомендаций производителей, то здесь есть все: от примитивного желания продать товар любой ценой до расчетных программ подбора завес различного уровня сложности, ответственности и профессиональной направленности. Но не в этом самое главное изменение. Модульная организация защиты безгранично расширила возможности проектантов в плане размеров проемов. Возникла необходимость защищать не только стандартные проемы 4*4м, но и 10*10м, и 12*12м ,и даже такие «черные дыры», как 18*18м.

Проемы больших размеров характерны для самолетных и вертолетных ангаров, для помещений по обслуживанию спецтехники, кораблестроительных заводов и прочих машиностроительных предприятий, выпускающих крупногабаритные машины. Для самолетных и вертолетных ангаров, например, характерна конфигурация вытянутого параллелепипеда, у которого одна из длинных стенок является воротами и полностью открывается, протяженность ворот может достигать 100 м , высота до 16 м, при этом бывают ворота из трех разновысоких частей (рис. 1).

2. Как правило, большие проемы придают зданию герметичный характер. Это означает, что сумма площадей всех отверстий в ограждениях: открытых окон, дверей, аэрационных проемов и т.д. существенно меньше площади проема. В зданиях продуваемого типа сумма площадей примерно одного порядка с площадью проема. Это, в свою очередь, накладывает определенные особенности на аэродинамику струйной защиты проема. Если представить, что ядро постоянного расхода струи завесы затекает в проем вместе с некоторой частью эжектированных снаружи масс, т. е. в замкнутый объем поступает масса, то давление воздуха внутри помещения будет повышаться. Разность давлений на проеме уменьшится и поток перестроится таким образом, чтобы эжектированные наружные массы перестали затекать в проем. Напротив, если часть ядра постоянного расхода отделяется и уходит на улицу (завеса избыточной силы), то давление в помещении начнет понижаться. Разность давлений на проеме увеличится и поток перестроится на полное затекание ядра струи в проем.

Данная особенность (следствие отрицательной обратной связи) имеет численное выражение в виде устремления к единице показателя работы завесы q = Gз/(Gз + Gн) → 1, где Gз – расход воздуха через завесу, Gн – расход наружного воздуха, затекающего в проем при действии завесы. Понятно, что в помещениях герметичного типа, если завеса рассчитана на работу в режиме, близком к q = 1 (Gн = 0), то небольшое отклонение от этого режима будет компенсировано соответствующим изменением внутреннего давления в помещении.

Если расчет завесы выполнен неправильно и отклонение от равновесного режима достаточно велико, то струи завес не защитят проем по всей высоте. Они завернут внутрь проема, не достигнув пола, а в образовавшейся незащищенной бреши возникнет интенсивный воздухообмен, сопровождающийся большими теплопотерями. На рис.2 приведены схемы трех режимов течения струи верхней завесы. Схема на рис.2в как раз и соответствует режиму q = 1, когда от ядра постоянного расхода струи отделяются и уходят наружу все эжектированные струей наружные массы воздуха. Напротив, на рис.2а показан предельный режим полного затекания струи со всей наружной эжекцией в проем. Численно он характеризуется показателем q = q*. На рис.2б представлен промежуточный режим для q < q*< 1. Понятно, что в помещениях герметичного типа реализация этих режимов невозможна.

3. Другая особенность помещений герметичного типа связана с высокой кратностью циркуляции воздуха, проходящего через завесу. Если температура воздушной смеси, оттекающей от проема, ниже расчетной внутренней температуры (а только так и бывает), то через короткое время порядка одной минуты температура всего воздуха помещения понизится до температуры смеси. Завеса начнет всасывать воздух с температурой смеси и внутренняя эжекция также придет с этой более низкой температурой. В результате, поток от проема станет более холодным в сравнении с первоначальной температурой смеси. Еще через минуту произойдет дальнейшее понижение температуры и т. д. Даже при самой замечательной аэродинамике завесы очень быстро в помещении установится уличная температура. Чем больше разница температур между расчетной внутренней и расчетной первоначальной температурой смеси, втекающей в помещение, тем быстрее происходит выхолаживание помещения. Для замедления выхолаживания необходимо достаточно сильно уменьшить разницу этих температур. Либо завесы должны быть с подогревом воздуха, либо необходима раздельная аэродинамическая и тепловая защита, т.е. при холодных завесах тепловая компенсация осуществляется отдельными воздухоподогревателями. В пределе, для поддержания в помещении постоянной расчетной внутренней температуры при открытом проеме и действии завесы необходимо удерживать температуру смеси равной температуре внутренней. Если для защиты проемов обычных размеров зачастую требуется тепловая мощность одного порядка с тепловой мощностью на компенсацию теплопотерь здания через ограждения, то в зданиях с проемами больших размеров мощность защиты проема становится несопоставима с теплопотерями через ограждения. Величина ее выражается мегаваттами и даже десятками мегаватт. Однако требования технологического регламента обычно сводятся к поддержанию температуры выше нуля в течение, например, получаса открытых ворот независимо от наружной температуры. Это означает, что для объекта защиты должна создаваться тепловая станция, мощность которой будет использоваться всего 1 – 2 раза в сутки по полчаса.

4. Актуальность решения задач эффективной защиты ворот современных зданий. До 2009г. Тепломаш не занимался подобными задачами. В 2009 году один крупный заказчик обратился к нам с проблемой защиты ворот самолетных ангаров. Размеры ворот 14*40 м. Ворот было много. Требовалось быстрое техническое решение и коммерческое предложение. Инженерное решение было найдено на основе выпускавшейся на тот момент самой мощной промышленной завесы 700-й серии (рис. 3).

У нее длина сопла 2 м, ширина 150 мм, площадь 0,3 м2. Ничего не меняя в конструкции завесы, была изменена конфигурация сопла, ему была придана форма, близкая к квадратной (590*620 мм). Эта конструкция и была поименована 800-й серией ( рис.4 ).

Понятно, что новую завесу следовало развернуть при установке на 90° (рис. 5).

Удельный расход воздуха увеличился от 7000м3/ч/м до почти 19000м3/ч/м. Так в Тепломаше началась разработка новых еще более мощных завес для защиты крупных проемов. На рис.6 показан пример установки этих завес на воротах цеха завода тихоходных турбин (г.Колпино под Санкт-Петербургом).

Информация о наших мощных завесах мгновенно распространилась по всей стране. Заявки на защиту крупных проемов десятками посыпались в Тепломаш. Подчас задавались самые экзотические условия работы, вплоть до часами незакрывающегося проема при минус 40 град. На все заявки были даны рекомендации с инженерными решениями с использованием наших новых мощных завес. Подавляющее большинство инженерных решений того периода опиралось на традиционный метод защиты проема. И только значительно позже мы постепенно стали переходить на новые нетрадиционные методы защиты.
Что это такое?

5. Традиционный метод организации защиты сводится к размещению завес внутри помещения. Сопла завес располагаются вблизи кромки проема. Завесы оснащены воздухоподогревателями. Быстро стало понятно, что наши завесы 800-й серии во многих случаях не могут защитить проемы. Иногда из-за значительной высоты проема, иногда из-за слишком низкой температуры наружного воздуха, случалось, оба фактора имели место одновременно. Подчас все усилия оказывались тщетными – выхолаживание помещения происходило слишком быстро даже при очень больших тепловых мощностях. Первый шаг в повышении эффективности - использование схемы раздельной аэродинамической и тепловой защиты. На рис.7 и 8 представлены схемы формирования защитной струи от верхней шиберующей завесы. На рис.7 завеса имеет свой воздухоподогреватель,

а на рис.8 завеса холодная, но тепловая компенсация осуществляется отделенными от завес воздухоподогревателями, установленными вне зоны струйного взаимодействия завесы с наружным воздухом.

Теоретически можно показать, что экономия тепловой мощности от раздельной защиты достигает 50%. Практически величина экономии лежит в диапазоне от 30 до 40%. В связи с этим, мы начали создавать новые мощные завесы 800-й серии без воздухоподогревателей. Так возникла завеса КЭВ-П8081А на базе одного осевого вентилятора №8 (Рис.9).

Аналогична по конструкции разрабатываемая завеса КЭВ –П8091А с осевым вентилятором №12,5. Параметры завес приведены в таблице на рис. 10.

Установка завес на рис. 11.

Разновидности традиционных решений: сдвоенные холодные завесы ( рис 12),

дистанционированные двойные ряды завес с комбинацией холодных и подогретых струй (рис13).

Для некоторых заказчиков мы предложили установку сдвоенного ряда холодных завес, а за ним ряд завес с водяным нагревателем. Был случай, когда потребовался тройной ряд холодных завес и за ним четвертый ряд водяных. При всей необычности такого рода проектных предложений все они относятся к традиционному типу защиты: есть проем, за ним внутри помещения устанавливаются модули завес, создающие защитную струю требуемого импульса, чтобы в помещениях герметичного типа параметр q оказался близок к 1.

6. Масштабы тепловой компенсации при раздельной защите. На примере ангара с воротами 16*56 м мощность тепловой компенсации за пределами пространства, охваченного струйными движениями потоков из завесы, для удержания температуры на уровне 12 град достигает 18 МВт. У другого заказчика был ангар с воротами 14*100 м. Наружная температура -26 град, внутренняя +16 град. Там было предложено поставить сдвоенный ряд завес КЭВ-П8081А, всего 222 завесы. Средняя температура втекающей смеси была 9 град. Для поддержания внутренней температуры на уровне 16 град потребовалась бы тепловая мощность завес с нагревом около 30 МВт. Тепловая компенсация отдельно от завес составила 20 МВт, экономия 33%.

Вывод первого шага – необходима дальнейшая разаработка радикальных мероприятий по снижению тепловой мощности.

7. Экранирование струи завесы. Предварительные оценки показали, что отвод сопловой части завесы от кромки проема внутрь помещения, т.е. частичное экранирование струи ограждением, позволяет в ряде случаев повысить температуру втекающей смеси и уменьшить тепловую мощность компенсации теплопотерь. Оценки распространяются только на холодные струи верхних завес. Течение в проеме с экранированной верхней струей представлено на рис. 14.

На участке до сечения «а» теплопотери экранированной струи отсутствуют. Далее в проеме развивается структура, контактирующая наружной стороной с холодным воздухом (температура t1) и обрастающая холодными эжектированными массами. Однако эти массы не вступают в прямой контакт с ядром постоянного массового расхода струи, поскольку между ними протекают массы, эжккектированные на участке «а» с температурой t2. Теплые массы, перемешиваясь с холодными, продолжают экранировать ядро постоянного расхода. Экранируемое ядро охлаждается медленнее. В зависимости от установившегося режима течения часть эжектированных масс затечет в проем вместе с ядром постоянного расхода и внутренними эжектированными массами. Полные теплопотери защитной структуры будут определяться тремя обстоятельствами: интенсивностью охлаждения ядра постоянного расхода струи, средней разностью температур ядра и наружных эжектированных масс, величиной расхода воздуха, отделяющегося и уходящего от струи наружу, и величиной расхода наружного воздуха, затекающего в проем. Для более строгих оценок была разработана, во-первых, методика расчета аэродинамических параметров защитной структуры экранированной струи. Во-вторых, потребовалось ввести оценку интенсивности охлаждения ядра постоянного расхода струи. Существо второй оценки состоит в приложении к ядру постоянного расхода методов теории теплообменных аппаратов с введением конвективного коэффициента теплоотдачи. Детали оценки приведены в недавней публикации (Ю.Н.Марр. Теплообмен в струйных течениях//Инженерные системы-АВОК-Северо-Запад.№3.2014). Результаты расчета основных параметров защиты проема экранированной струей приведены в таблице на рис. 15

для следующих условий: Нпр = 4 м, В = 4 м, bз = 0,15 м, vз = 12 м/с, t1 = -300°С, t2 = 180°С, Gз = 31100 кг/час. Расчет выполнен для нескольких разностей давлений на проеме от 6 до 10 Па. При разности давлений на проеме 10 Па возникает предельный режим q*, когда вся струя при любом экранировании полностью затекает в проем. Поэтому и формируется низкая средняя температура смеси Как видно из таблицы, по мере увеличения экранирования в первых двух строках (ΔР = 6 и 7 Па) температура смеси имеет максимум, а тепловая мощность компенсации минимум. С ростом разности давлений (8 и 10 Па) температура смеси только растет, тепловая мощность снижается. Температура смеси и величина компенсации имеют существенно немонотонный характер в зависимости от разности давлений на проеме и степени экранирования. Это является признаком достаточной сложности явления. Тем не менее, в ограниченном диапазоне параметров можно уверенно рекомендовать метод экранирования струи для повышения температуры смеси при защите проемов холодными завесами, поскольку расчетное увеличение эффективности составляет 30-40%

8. Организация защиты типа «домик». Рассмотрим защиту двумя рядами завес, установленных по разные стороны проема: внутри помещения и снаружи. Схема защиты типа «домик» представлена на рис.16.

Внутренний ряд завес всасывает воздух изнутри помещения и выбрасывает его под таким углом к плоскости проема в сторону улицы, что ядро постоянного расхода струи (вместе с внутренней эжекцией) затекает в помещение. Наружный ряд всасывает воздух с улицы и направляет струю под некоторым большим углом к плоскости проема в сторону улицы. Его ядро постоянного расхода (вместе с наружной эжекцией) уходит на улицу. Между ядрами постоянных расходов наружного и внутреннего рядов образуется циркуляционная зона, которая при определенных условиях может играть роль термического сопротивления теплопередаче от внутренности здания к наружному воздуху и уменьшать теплопотери в сравнении с защитой сдвоенным рядом модулей. Тепловая схема защиты «домиком» представлена на рис.17.

Результаты сравнительной оценки эффективности организации защиты обычным сдвоенным рядом завес и типа «домик» приведены в таблице на рис. 18.

Экономия тепловой мощности в сравнении с традиционной схемой достигает 60%. Такой значительный эффект определяется не только повышением температуры ядра постоянного расхода (и соответственно, температуры втекающей смеси), но и уменьшением практически вдвое расхода потока, втекающего от одного ряда завес в помещение.

9. Выводы.

1. Организация защиты проемов большого размера мощными завесами в случае традиционных инженерных решений приводит к необходимости нерационального использования больших тепловых мощностей.
2. Раздельная аэродинамическая и тепловая защита проемов с установкой холодных завес и компенсационным подогревом воздуха за пределами пространства воздушных потоков от завесы позволяет снизить тепловые мощности до 40%.
3. Экранирование холодной струи верхней завесы снижает тепловую мощность компенсационного подогрева на 30 – 40%.
4. Организация защиты проемов «домиком» с использованием наружного и внутреннего рядов холодных завес позволяет дополнительно сэкономить тепловую мощность до 60%.