Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017





Яндекс.Метрика
         » » Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

25.06.2015

Воздухоопорное здание для нормального функционирования требует избыточного давления воздуха, уровень которого, определяемый статическим расчетом, обычно не выходит за пределы 100—350 Па. Такое невысокое давление могут создавать любые промышленные вентиляторы, которые и являются основным воздухонагнетающим оборудованием пневматического сооружения.
При проектировании ВУ надо прежде всего решить вопрос о числе вентиляторов и назначении каждого из них, об их параметрах (напор и производительность) и обеспечении их устойчивой работы.
Воздухонагнетательная установка пневматического сооружения представляет собой в наиболее полном виде сложный агрегат, состоящий из нескольких вентиляторов (рабочих, резервных, дополнительных), запасных источников энергии и приборов автоматического или ручного управления. В простейшем виде ВУ — это один вентилятор (рис. 5.2,а). Существенной деталью установки является обратный клапан, препятствующий выходу воздуха из-под оболочки при выключенном вентиляторе (рис. 5.2, б—ж).
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Рабочие вентиляторы обеспечивают заданный уровень избыточного давления воздуха под оболочкой и необходимый объем подаваемого воздуха в условиях нормальной эксплуатации.
Резервные вентиляторы дублируют рабочие при выходе их из строя или профилактическом обслуживании. Параметры резервных и рабочих вентиляторов обычно одинаковы.
Дополнительные вентиляторы служат для поддержки рабочих в особых ситуациях, когда необходимо существенно увеличить приток воздуха под оболочку (компенсация утечек воздуха при внезапной разгерметизации оболочки, необходимость усиления воздухообмена) или повысить уровень избыточного давления воздуха (при ураганном ветре). Дополнительные вентиляторы отличаются повышенными параметрами, прежде всего по напору.
Вентиляторы, как правило, приводятся в действие электродвигателями, питающимися от внешней сети. Резервные источники электроэнергии нужны на случаи прекращения электроснабжения от сети. Ими служат генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, или передвижные электростанции (рис. 5.3). He исключается применение резервных мотовентиляторов, непосредственно связанных с двигателем внутреннего сгорания, минуя стадию выработки электроэнергии.
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Автоматическое управление резервными и дополнительными вентиляторами, равно как и включение резервных источников энергии, производится через релейные устройства, команды которым посылают датчики, реагирующие на падение давления воздуха под оболочкой, ожесточение сети, повышение скорости ветра и др. Случаи включения резервных и дополнительных ВУ рассмотрены в табл. 5.1.
Производительность вентиляторов Q назначается из условия удовлетворения двум требованиям; компенсации всех возможных утечек воздуха из-под оболочки при нормальных условиях эксплуатации и обеспечения кратности воздухообмена в помещении.
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Воздух из-под оболочки может выходить через материал оболочки (причем тем интенсивнее, чем сильнее материал напряжен); отверстия, пробиваемые иглой в заводских шитых швах; неплотности монтажных швов; вентиляционные отверстия; неплотности примыкания оболочки к опорному контуру и рамам входных проемов; неплотности в притворах дверей и ворот. Два последних вида утечки наиболее значительны. Количественная оценка каждого из перечисленных факторов весьма затруднительна. Поэтому при расчете обычно учитываются «интегральные» характеристики герметичности оболочки.
Для подсчета утечки воздуха из-под оболочки через отверстия и неплотности в стыках пользуются известной формулой, основанной на законе Торричелли о скорости идеальной жидкости при вытекании из малого отверстия:
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Обычно коэффициент μ = 0,6...0,7. Однако для практических расчетов более наглядно произведение μf — общая характеристика герметичности здания;
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Значения k экспериментально установлены при следующих способах уплотнения контура оболочки: стальными полосами вдоль ленточного бетонного фундамента 1 мм; мягкими фартуками, присыпанными грунтом, 2 мм; свободно лежащим мягким фартуком 3 мм. В зимнее время, когда фартуки нагружаются снегом и примерзают к основанию, значение k в двух последних случаях уменьшается примерно в 1,5 раза.
Эксфильтрация через пробиваемые иглами отверстия шитых швов может быть заметной, особенно при сильных натяжениях оболочки. Специальные исследования показывают, что негерметичность при натяжении материала 51-019, равном 7 кН/м, достигает 1-10в-5 м2 на 1 м длины шва. В оболочках, прослуживших некоторый срок, она еще выше. После трехлетней эксплуатации следует вводить поправочный коэффициент 1,4.
Воздухообмен в помещении зависит от функции сооружения. В складах, например, воздухообмен ограничен, и производительность ВУ по воздуху Q будет целиком определять утечки воздуха. С другой стороны, если помещения требуют усиленного воздухообмена (до 3—5 объемов в час), то производительность ВУ определяется кратностью обмена воздуха. Упрощенно можно считать, что утечки воздуха пропорциональны линейным размерам помещения, тогда как воздухообмен пропорционален их кубу. Поэтому малые здания, для которых производительность ВУ рассчитана по утечкам, имеют интенсивный воздухообмен, большие — наоборот. Если в качестве примера взять два типовых сооружения УПС-8 и УПС-20, то при р=160 Па получим следующую картину (табл. 5.2).
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Как видно из последней графы табл. 5.2, производительность, рассчитанная по утечкам воздуха, обеспечивает более чем 10-кратный обмен воздуха в малом здании, но менее чем двукратный в большом.
Производительность вентиляторов может зависеть также и от заданного времени наполнения оболочки воздухом при монтаже сооружения. Обычно оно не превышает 30 мин.
Если производительность одного вентилятора оказывается недостаточной, что для большеразмерных зданий не редкость, то в состав ВУ их включают два или более. Например, оболочку павильона США на ЭКСПО-70 в Осаке обслуживали четыре одновременно работавших вентилятора, а покрытие над стадионом в Понтиаке поддерживается десятью вентиляторами.
Компенсация утечек и обеспечение обмена воздуха требуют постоянной подачи воздуха. Однако имеются дополнительные статьи расхода воздуха периодического характера. К ним относятся в первую очередь расход воздуха при шлюзовании, который при интенсивном пользовании входами, например в выставочных павильонах, может считаться постоянным и суммироваться с указанными выше расходами. В обычных же условиях этот расход учитывают не всегда, мирясь с тем, что временное снижение уровня давления воздуха под оболочкой будет быстро восстановлено, так как производительность ВУ всегда несколько превышает сумму возможных утечек воздуха. Дополнительный приток может потребоваться и при необходимости усиленной вентиляции (гипервентиляции) помещения для борьбы с летним перегревом, а также для компенсации повышенных утечек воздуха в случаях повреждения оболочки (в том числе ее прогорания при пожаре в помещении).
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Для воздухоопорных зданий применяются осевые и центробежные вентиляторы низкого давления (рис. 5.4). Осевые вентиляторы с приводом от электродвигателя проще и несколько дешевле. В то же время они более шумны, особенно при высокой частоте вращения. Центробежные вентиляторы обладают значительно более высоким напором и производительностью, их легко приспособить к приводу от любого двигателя. Поэтому они стали основным типом вентилятора для воздухоопорных зданий, тогда как осевые вентиляторы применяются для сравнительно малых сооружений с легкой оболочкой.
Практикой эксплуатации установлен оптимальный тип вентилятора — центробежный двухстороннего всасывания, соединенный с электродвигателем клиноременной передачей. Преимущества двухстороннего всасывания усматриваются в повышении производительности, улучшении условий работы вала (двухопорная схема вместо консольной), снятии осевой нагрузки с подшипников. Клиноременная передача удобна тем, что позволяет регулировать параметры вентилятора заменой его шкивов, а также способствует уменьшению шума и скорости воздушного потока в результате снижения частоты вращения вентилятора. Однако она несколько увеличивает габариты ВУ и снижает кпд примерно на 4 %.
Параметрами вентиляторов служат Q0 — производительность по воздуху (м3/с) при нулевом напоре и H0 — напор (Па) при нулевой производительности. Можно приближенно считать, что промежуточные значения рабочей производительности вентилятора Q и избыточного давления р воздуха под оболочкой связаны с параметрами Q0 и H0 зависимостью эллиптического вида:
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

По этой формуле можно вычислить параметры Q0 и H0, зная р и Q, определяемые соответственно статическим расчетом и расчетом производительности вентилятора. Недостающим вторым уравнением может служить установленное практикой соотношение между р и H0
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

При установившемся режиме работы ВУ давление воздуха под оболочкой поддерживается на уровне р, а подача воздуха равна его утечкам через неплотности (Q=L). Подставляя в (5.3) выражение L из (5.2) с учетом (5.4), округленно получим, м3/ч:
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Номинальный (паспортный) напор H вентилятора должен обеспечивать заданный уровень избыточного давления р воздуха под оболочкой, который определяется расчетом. Он должен компенсировать падение напора при прохождении потоком воздуха местных препятствий в виде диффузоров и обратных клапанов, струеотклоняющих карманов или щитков, воздуховодов и др., сумма которых, выраженная в Па, составляет примерно
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

На практике не всегда точно руководствуются результатами расчетов по формулам (5.5) и (5.6), что иллюстрирует рис. 5.5. Некоторые «выпадения» из средних результатов можно объяснить. Например, точка 5 соответствует укрытию радиолокационной антенны — помещению с весьма высокой степенью герметизации, тогда как точка 10 — плавательному бассейну, где необходим интенсивный воздухообмен.
Установка излишней мощности не вызывает пропорционального перерасхода электроэнергии. Правильное регулирование работы ВУ путем дросселирования заслонками всасывающих или напорных патрубков вентиляторов, установки двухскоростных двигателей, переключения соединений обмоток двигателей с треугольника на звезду или периодического включения вентиляторов может привести к существенному снижению расходуемой энергии.
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

В зависимости от выбранной производительности вентилятора Q (м3/с) и напора р (Па) мощность электродвигателя определяется формулой, кВт,
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Эмпирическая формула, связывающая мощность двигателя ВУ с площадью F, м2, предложена Р. Брилкой:
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Формула (5.9) более пригодна для зданий средних и больших размеров. Для малых она дает заниженный результат, почему мощность не следует принимать ниже 2—3 кВт.
На графике рис. 5.5,б сопоставлены зависимости (5.9) с данными практики по нескольким воздухоопорным зданиям, смонтированным в различных странах.
Несмотря на то, что воздухонагнетательным устройством может служить любой промышленный вентилятор соответствующих парам, предпочтительнее использовать вентиляторы специального изготовления, обладающие высокой надежностью в работе и рядом специфических характеристик. В частности, они должны быть приспособлены к очень длительной бесперебойной работе в любых внешних условиях (температура, влажность, осадки, пыль и т.п.), иметь защиту от неполнофазного режима, перегрева, быть оборудованными техникой безопасности (заземлением, сетками на всасывающих патрубках, защитными кожухами на приводных ремнях и др.). В целях снижения уровня шума, особенно при применении осевых вентиляторов, может быть, придется оборудовать ВУ звукопоглощающими кожухами. Если предъявляется требование обеспыливания подаваемого воздуха, то в состав ВУ включают фильтры.
В статических расчетах обычно фигурируют два уровня избыточного давления воздуха под оболочкой — минимальный, обеспечивающий стабильность ее формы при действии внешних нагрузок, и максимальный, ограничиваемый прочностью материала оболочки. Наличие этих пределов часто наводит на мысль об автоматическом выключении ВУ в моменты, когда избыточное давление достигает верхнего предела, и включении при падении давления до нижнего предела.
На первых порах освоения пневматических сооружений нами было испытано много систем датчиков, реагирующих на изменение давления и дающих команду вентиляторам: анероидные коробки, сильфоны, дифференциальные манометры, патентованные прессостаты и даже сами оболочки как мембраны, реагирующие на давление воздуха. Однако в дальнейшем стало ясным, что принцип «включение-выключение» несостоятелен, и в настоящее время, как правило, основные рабочие вентиляторы используются в непрерывном режиме. Дело в том, что изменение избыточного давления воздуха даже в широких диапазонах связано со сравнительно малым дополнительным объемом воздуха, который теряет или приобретает оболочка. Поэтому цикл переключения оказывается очень коротким.
Продолжительность цикла включения вентиляторов определяется суммой времени падения давления воздуха под оболочкой от рмакс до рмин при выключенном вентиляторе и времени поднятия давления от рмин до рмакс при работающем вентиляторе. Время падения давления
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Полный цикл составит около 2t.
Особенно коротка цикличность у транспортабельных зданий, не отличающихся высокой герметичностью. Ho и для зданий в стационарных условиях эксплуатации, при хорошей герметизации опорного контура, характеризуемой показателем μf=0,08, он невелик. Так, для сферического купола диаметром 26 м и высотой 19 м (V=7570 м3), при рмин = 200 и рмакс = 500 Па, утечки, найденные по формуле (5.2), составляют:
Обеспечение функционирования воздухоопорных зданий

Экономия электроэнергии, ожидаемая от периодического выключения вентиляторов, сводится на нет частыми пусковыми моментами и общим падением кпд электродвигателей. Кроме того, цикличное натяжение оболочки неблагоприятно сказывается на стойкости защитного покрытия тканевой основы материала оболочки. Тем не менее периодическое включение может оказаться рациональным при двух действующих вентиляторах в ВУ. Один из них работает постоянно, второй автоматически включается при понижении давления. В этом случае частота включения снижается.