Воздушные завесы устанавливаются в открытых проемах самого разного вида — от небольших дверей мелкого офиса (магазина) до гигантских ворот самолетных ангаров. Завесы защищают отапливаемые помещения от холодного наружного воздуха, кондиционируемые помещения, и холодильные и морозильные камеры — от теплого наружного воздуха, помещения пищевой и фармацевтической промышленности — от летающих насекомых, пуха цветущих растений и пыли.
Широкий диапазон условий работы по размерам проемов (от 1 до 500 м2 и более), по температуре наружного воздуха (от −50 до +40 °С), по продолжительности открытого состояния проема (от 5 минут до нескольких часов), по типу защищаемого помещения (от абсолютно продуваемого до герметичного) требует организации защиты в широком диапазоне параметров:
- расход воздуха на проем — от 200 до сотен тысяч кубометров в час,
- скорость потока на срезе сопла — от 4 до 25 м/с,
- тепловая мощность воздухонагревателей завес — от 2 кВт до нескольких мегаватт,
- мощность электропривода вентиляторов — от 30 Вт до сотен киловатт.
 |
 |
| Ю. Н. Марр, главный конструктор ЗАО «НПО “Тепломаш”» | К. В. Лесохин, главный инженер ЗАО «НПО “Тепломаш”» |
Массив завес, представленный в СНГ, насчитывает сотни конструкций и типоразмеров. Одно это делает актуальным упорядочение и стандартизацию основных параметров устройств.
Есть и другая причина разработки стандарта. Представления отечественных специалистов о защите проемов опираются на детально разработанные российскими учеными принципы и расчетные методики [1, 2]. Крайне необходимо закрепить и узаконить эти представления в связи с потоком в нашу страну западных стандартов, зачастую привносящих чуждые нашей науке и практике принципы.
Центральным моментом разработки стандарта стала его концепция. Чаще всего завеса рассматривается как инженерное сооружение, а именно — устройство локализующей вентиляции, которое уменьшает перемещение воздуха через открытый проем, снижая воздействие контакта наружной атмосферы с внутренним пространством здания. При этом может быть организована защита шиберующего типа, то есть струйное противодействие втеканию наружных и вытеканию внутренних масс воздуха. Шиберующая защита часто осуществляется нагретыми струями. Другой тип защиты — смесительный. Для этого организуют интенсивное струйное перемешивание свободно втекающего наружного воздуха с подготовленным внутренним (наружным) в количестве, достаточном для доведения температуры смеси до требуемой величины. Возможна и комбинированная защита как соединение шиберующей и смесительной с тем или иным приоритетом. Выбор типа защиты и подбор соответствующего оборудования ложатся на плечи проектантов, которые исходят из климатических и технологических требований, а также из особенностей строительной конструкции здания. Качество проекта, то есть эффективность защиты, оценивается через снижение теплопотерь при действии завесы в сравнении с открытым незащищенным проемом.
Оборудование как продукт машиностроительной отрасли включает в себя вентиляторы, воздухонагреватели (электрические, водяные, газовые), воздухораздаточные короба с воздуховыпускными соплами, систему автоматики, позволяющей регулировать расход воздуха и тепловую мощность. Все это также называют завесой. Современные производители в подавляющем большинстве выпускают завесы модулями в полной заводской готовности. Понятно, что к завесам как машиностроительным изделиям бессмысленно пытаться приложить требования и оценки эффективности, аналогичные предъявляемым к завесам — инженерным сооружениям. Требованиями к машиностроительным изделиям руководит другая логика. Ярким тому примером является ГОСТ 5976 «Вентиляторы радиальные общего назначения. Общие технические условия». Вентиляторы рассматриваются в соответствии со своим прямым функциональным назначением: обеспечить производительность и полное давление. Ни в одном разделе документа не упоминается, как должны быть устроены инженерные сооружения — вентиляционные сети, эффективность которых зависит не только от вентилятора, но и от соблюдения требований компоновки, например, поворотов, заслонок, теплообменников по отношению к вентилятору.
Таким образом, в основу концепции стандарта был положен машиностроительный аспект воздушных завес. Соответственно стандарт получил название «Воздушные завесы. Общие технические условия». Прямое функциональное назначение завесы — машиностроительного изделия: формирование дальнобойной (при необходимости подогретой) воздушной струи, имеющей в ближайшей окрестности сопла поперечное сечение, близкое к прямоугольной форме. Поэтому помимо обычных общетехнических требований в стандарте сформулированы требования к воздушной струе, безотносительно того, как ею распорядятся проектанты.
Разработчики понимали, что на самой начальной стадии стандартизации завес было бы неправильно подвергнуть регламентации такие параметры, как размеры завес и их сопел, расходы воздуха, скорости струй на выходе из сопла, тепловые мощности. Все эти параметры разрешено устанавливать производителям завес. Ограничению подлежат только допустимые отклонения от указанных производителем величин. Обязательные требования касаются таких разделов, как регулирование параметров завесы, перечня технических характеристик, приводимых в документации, требований безопасности. В частности, завесы с электрическим и газовым источником тепла должны быть оборудованы защитными отключающими устройствами, срабатывающими при заданном превышении температуры элементов конструкции или воздушного потока в течение гарантированного промежутка времени.
Что касается воздушной струи, то после многочисленных дискуссий внутри сообщества производителей завес в качестве рекомендуемого параметра была оставлена единственная оценка — коэффициент качества струи. Из теории турбулентных струй известны расчетные выражения для определения скорости на оси струи, а также расхода в струе в зависимости от расстояния до сопла. Эти зависимости выведены теоретически и подтверждены экспериментально как для плоских, так и для осесимметричных струй, лишенных всех возможных внешних и внутренних возмущающих воздействий, за исключением тех, которые необходимы для формирования стандартной струи. Формирование стандартной плоской струи предполагает обязательное наличие начального участка длиной около 6 калибров с постоянной скоростью, равной скорости на срезе сопла. Далее, после короткого переходного участка (им часто для простоты пренебрегают) развивается основной участок струи, характеризуемый подобием профилей скорости в безразмерных координатах и падением скорости на оси струи обратно пропорционально корню из расстояния от сопла.
Реальные струи могут очень сильно отличаться от стандартных. Во-первых, высокий уровень турбулентности в сопле, например от вентилятора, приводит к укорачиванию начального участка, вплоть до его полного исчезновения. При этом падение скорости на оси струи происходит более быстрыми темпами. Во-вторых, неодинаковая скорость истечения вдоль и поперек сопла (неравномерная эпюра скорости) также приводит к укорочению начального участка и другим искажениям структуры струи. В-третьих, прямоугольные струи конечной протяженности подвержены по краям воздействию трехмерных эффектов сворачивания, в связи с чем на некотором удалении от сопла они приближаются по своей структуре к осесимметричным. Насчет последнего экспериментально было показано, что деформация структуры изначально прямоугольной струи соответствует закону деформации плоской струи (падение скорости на оси обратно пропорционально корню из расстояния, но с другим коэффициентом), вплоть до расстояния от сопла, равного четырем-пяти длинам сопел. Этого достаточно, чтобы считать струи завес в плоском приближении с корректировкой для любых размеров проемов.
Учитывая, что любые возмущения в той или иной степени способствуют увеличению темпа падения скорости на оси струи, был предложен корректировочный коэффициент качества струи, совокупно учитывающий эти возмущения и равный отношению скорости на оси реальной струи из завесы к скорости в стандартной струе на том же расстоянии от сопла. С целью сохранения идентичности коэффициента качества у модулей различной длины, но с одинаковыми удельными расходами и потоками импульса из числа возмущений была исключена деформация струи от сворачивания ее концов. Иными словами, коэффициент качества относится только к плоской струе. Для достижения плоской структуры при проведении испытаний струя должна истекать в пространство, ограниченное двумя параллельными плоскими стенками по краям сопла (или завесы, если в корпусе имеют место несколько сопел). Стенки должны быть перпендикулярны размаху струи. Длина стенок в направлении струи — от двух до трех длин сопла (или завесы). Ширина стенок в поперечном направлении соответственно — от двух до трех толщин струи в конечном сечении измерения (толщина струи приблизительно равна половине длины расстояния от сопла до сечения измерения).
Важный раздел стандарта — обязательное приложение Б «Определение тепловой мощности и подогрева воздуха». Наибольшие сложности возникли при изложении этого раздела для завес с водяным источником тепла. Сложности связаны с проблемой пересчета тепловых характеристик водяных воздухоподогревателей при отклонении расхода воды и температур воздуха и воды от эталонных, то есть указанных в технических условиях и другой технической документации. Анализ этого вопроса в рамках теории теплообменных аппаратов [3] продемонстрировал весьма ограниченные возможности пересчета без использования решений уравнений теплообмена для аппаратов конкретных конструкций, используемых в завесах. Поэтому в стандарте записано требование проведения тепловых испытаний водяных воздухоподогревателей при эталонных условиях.
Федеральный закон от 23 ноября 2009 года № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» требует введения понятия энергоэффективности машиностроительных изделий. Попытка ввести понятие энергоэффективности завесы как машиностроительного изделия при всей, казалось бы, очевидности такого показателя не увенчалась успехом. Острые дискуссии внутри сообщества производителей завес показали, что необдуманное решение этого вопроса может привести к непредсказуемым неприятностям для производителей и потребителей завес. Учитывая, что федеральные законы и подзаконные акты не требуют немедленного введения энергоэффективности завес, было принято решение посвятить этому специальный стандарт.
Подводя итог разработки стандарта по воздушным завесам, следует отдавать отчет в том, что закрепление системы представлений отечественной науки о способах защиты проемов, типах и классификации завес есть лишь первый шаг в этом направлении. Дальнейшие разработки должны быть посвящены следующим вопросам:
- типовые требования при организации защиты проемов (шиберующего, смесительного и комбинированного типов);
- разумная оценка энергоэффективности завес — машиностроительных изделий и инженерных сооружений;
- методы аэродинамических и тепловых испытаний завес в системе защиты проема с использованием теории подобия.
Разработчики выражают благодарность сообществу российских производителей завес за активное участие в обсуждении всех разделов стандарта, за критические замечания и ценные предложения, высказанные в многочисленных дискуссиях.
Использованные источники
- В.М.Эльтерман. Воздушные завесы. Изд. 2-е.М.: Машиностроение. 1969.
- Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 1/ В. Н. Богословский, А. И. Перумов, В. Н. Посохин и др. 4-е издание. М.: Стройиздат. 1992.
- В.Г.Булыгин, Ю. Н. Марр. О тепловых характеристиках водяных воздухоподогревателей/ Инженерные системы. АВОК — Северо-Запад. № 3.2013.
