Система защиты от ледяного тумана для систем вентиляции в регионах крайнего севера

На сегодняшний день существует достаточно большое количество решений по компоновке вентиляционных установок для северных регионов.

Помимо обязательных требований к корпусу самой вентиляционной установки, таких как тепловая изоляция не менее 45 мм, элементы каркаса должны выдерживать низкие температуры, подогрев и утепление клапанов. Также существуют специальные требования к составу секций фильтрации и нагрева вентиляционных установок, а именно: не допустимо устанавливать водяной калорифер как первую ступень нагрева при расчетных температурах ниже -35 С (так как не успевает срабатывать защита от заморозки калорифера), для регионов где существует вероятность выпадения «ледяного тумана» (крупной ледяной взвеси), таких как: Якутия, Ханты-Мансийск, Чукотка и т.д., необходимо до фильтра ставить теплообменник без ребер, либо с редким шагом ребер.

Именно проблема защиты фильтров от ледяного тумана подробно рассмотрена в данной работе. Предложена полностью автоматизированная система защиты фильтров от ледяного тумана без дополнительных затрат энергии и материалов, как в случае с теплообменниками с редким шагом ребер.

Описание системы

Система защиты от ледяного тумана представляет из себя трубки возврата воздуха протянутые от секции вентилятора, к секции фильтрации (клапан-фильтровальному блоку - рис. 1), с последующим распределением воздуха на всю поверхность фильтра. Схема клапан-фильтровального блока с трубкой распределения воздуха приведена на рис. 2 и рис. 3. Предполагается следующий алгоритм работы данной системы:

- Клапаны C и D открываются по очереди, с промежутком времени необходимым для осуществления полной просушки фильтра;

- Фильтр находящийся за закрытым клапаном, обдувается теплым воздухом, который раздается через специальную трубку (рис. 3), за счет этого ледяной туман осевший на фильтре тает и испаряется.

Таким образом можно выделить две задачи исследования:

1) Установить время необходимое для просушки фильтра;

2) Определить наилучшую форму и расположения отверстий распределительной трубки.

На данном этапе, исследование будет проводиться только в части просушки фильтров, без оттайки. Так как имеются следующие неизвестные параметры: средний расход ледяного тумана оседающего на фильтре, удельная масса ледяной взвеси при различных температурах. Данные параметры можно установить только путем натурных испытаний непосредственно на месте эксплуатации, что будет реализовано при дальнейших исследованиях.

Расход воздуха через трубки возврата зависит только от диаметра данных трубок и от разниц давлений на нагнетательной и всасывающей стороне вентилятора с учетом потерь давлений в промежуточных элементах установки. И может быть рассчитан по формуле [2]:

формула расхода воздуха
Порядок соединения секций и трубок возврата воздуха

Рис. 1. Порядок соединения секций и трубок возврата воздуха: 1 – клапан-фильтровальный блок; 2 – блок нагрева; 3 – секция вентилятора; 4, 5 – трубки возврата воздуха; A, B – подача горячего теплоносителя; C, D – воздушные клапаны.

Принципиальная схема клапан-фильтровального блока

Рис. 2. Принципиальная схема клапан-фильтровального блока: 1 – Трубка раздачи воздуха (рис. 3б), 2 – Фильтр, 3 – Воздушные клапаны;

Конструктивная схема клапан-фильтровального блока

(a)

Трубка распределения воздуха

(b)

Рис. 3. a) Конструктивная схема клапан-фильтровального блока: 1 – Корпус блока, 2 – Сервисная дверь, 3 – Пол блока, 4 – Корпус фильтра, 5 – Опорная рама секции, 6, 7 – Трубки возврата воздуха, 8, 9 – Распределительная трубка, 10, 11 – Доборный элемент фильтра, 12 – Воздушный клапан, 13, 14, 15, 16 – Фильтры, 17 – Перегородка блока, C, D – Штоки для эл. приводов; b) Трубка распределения воздуха: 1 – ПВХ-трубка с отверстиями, 2 – заглушка, 3 – основание, 4 - поворот

Исследование процесса просушки фильтров

Для исследования процесса просушки фильтров была построена вентиляционная установка, с клапан-фильтровальным блоком конструкции приведенной на рис. 3. Состав секций установки соответствует рис. 1. Внешний вид установки приведен на рис. 4:

Внешний вид стенда для испытаний клапан-фильтровального блока

Рис. 4. Внешний вид стенда для испытаний клапан-фильтровального блока

Габаритный чертеж установки приведен на рис.5:

Габаритный чертеж экспериментального стенда

Рис. 5. Габаритный чертеж экспериментального стенда

Исследования проводились для геометрии и размещения трубки распределения воздуха представленной на рис. 6:

Геометрические параметры трубки распределения воздуха

(a)

Варианты расположения отверстий по отношению к фильтру

(b)

Рис. 6. a) Геометрические параметры трубки распределения воздуха, b) Варианты расположения отверстий по отношению к фильтру

Исследования проводились для полностью мокрого фильтра (фильтр опускался в воду) и для частично мокрого фильтра (вода разбрызгивалась специальным распылителем на фильтр). Степень намокания фильтра определяется начальной массой фильтра (см. таблицы 2 - 4 – исходные данные). Расход воздуха через установку при исследовании составлял L=30 000 м3/ч, при частоте вращения вентилятора 50Гц. Материал фильтров – стекловолокно, класс фильтрации G4 согласно [3]. Расход через трубки возврата воздуха при различных положениях клапанов представлен в таблице 1:

Таблица 1. Расход воздуха через трубки возврата воздуха при различных положениях клапанов, м3

Положение клапанов

Трубка обдува нижнего клапана

Трубка обдува верхнего клапана

Верхний клапан закрыт

91,8

88,3

Нижний клапан закрыт

116,6

45,2

Детали проведения замеров, а также сопоставление измеренных и расчетных данных будет приведено в других статьях. В результате измерений получены следующие данные:

Таблица 2. Исходные данные и результаты замеров скорости просушки фильтра при положении отверстий I согласно рис. 6 (b)

Исходные данные

Верхний клапан закрыт (замеры на верхнем клапане)

Нижний клапан закрыт (замеры на нижнем клапане)

Масса сухого фильтра, кг

2,465

Масса сухого фильтра, кг

2,437

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,045

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,065

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,829

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,717

Температура воздуха на момент просушки, С

23,3

Температура воздуха на момент просушки, С

21,9

Влажность воздуха на момент просушки, %

42,1

Влажность воздуха на момент просушки, %

44,5

Результаты замеров при высокой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,642

300

2,585

900

2,514

900

2,483

1500

2,484

1500

2,451

2100

2,474

2100

2,440

2700

2,465

2700

2,437

Результаты замеров при низкой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,558

300

2,525

900

2,496

900

2,465

1500

2,472

1500

2,448

2100

2,465

2100

2,438

2400

-

2400

2,437


Таблица 3. Исходные данные и результаты замеров скорости просушки фильтра при положении отверстий II согласно рис. 6 (b)

Исходные данные

Верхний клапан закрыт (замеры на верхнем клапане)

Нижний клапан закрыт (замеры на нижнем клапане)

Масса сухого фильтра, кг

2,462

Масса сухого фильтра, кг

2,432

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,511

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,656

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,882

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,782

Температура воздуха на момент просушки, С

20,2

Температура воздуха на момент просушки, С

20,6

Влажность воздуха на момент просушки, %

40,1

Влажность воздуха на момент просушки, %

41,7

Результаты замеров при высокой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,732

300

2,757

900

2,577

900

2,606

1500

2,531

1500

2,54

2100

2,507

2100

2,497

2700

2,469

2700

2,458

3000

2,462

3000

2,442

3300

-

3300

2,432

Результаты замеров при низкой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,569

300

2,535

900

2,497

900

2,463

1500

2,471

1500

2,443

2100

2,462

2100

2,432

Таблица 4. Исходные данные и результаты замеров скорости просушки фильтра при положении отверстий III согласно рис. 6 (b)

Исходные данные

Верхний клапан закрыт (замеры на верхнем клапане)

Нижний клапан закрыт (замеры на нижнем клапане)

Масса сухого фильтра, кг

2,462

Масса сухого фильтра, кг

2,432

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,352

Масса фильтра высокой влажности (полное намокание), кг

3,376

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,771

Масса фильтра низкой влажности (смачивание фильтра распылителем), кг

2,798

Температура воздуха на момент просушки, С

24

Температура воздуха на момент просушки, С

23,7

Влажность воздуха на момент просушки, %

44,8

Влажность воздуха на момент просушки, %

49,4

Результаты замеров при высокой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,765

300

2,672

900

2,603

900

2,52

1500

2,535

1500

2,47

2100

2,490

2100

2,440

3000

2,462

3000

2,432

Результаты замеров при низкой влажности фильтра

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

Время просушки, с

Масса фильтра, кг

300

2,544

300

2,550

900

2,478

900

2,474

1500

2,462

1500

2,451

2100

-

2100

2,441

2400

-

2400

2,432

Окончание просушки фильтров фиксировалось выравниванием массы фильтра с первоначально измеренной массой. Небольшие колебания исходной массы фильтра объясняются несколько разными условиями по влажности окружающего воздуха при проведении замеров, а так же износом фильтрующего материала по мере проведения замеров. Тем же объясняются немного разные массы мокрых фильтров. Однако колебания масс незначительны и результаты измерений дают достоверную качественную картину динамики просушки фильтров при различных положениях отверстий трубки распределения воздуха.

Заключение

Из таблиц 2-4 видно, что примерное время просушки частично смоченного фильтра составляет не более 40 мин. При этом наилучшие результаты по времени просушки частично смоченного фильтра получаются при направлении отверстий распределения воздуха под углом 45о (положение II согласно рис. 6b).

Наилучшие результаты по просушке полностью мокрого фильтра получаются при обдувании нижней части фильтра (положение I согласно рис. 6b). Это объясняется тем, что при полностью мокром фильтре имеет место активное стекание влаги в нижнюю часть фильтра, в то время как при частичном смачивании, влага удерживается в волокнах фильтров.

Таким образом, получены данные по динамике просушки фильтров, при обдуве через трубки распределения воздуха фиксированной геометрии. Доказана принципиальная работоспособность предложенной системы защиты от забивания фильтров вентиляционных установок ледяным туманом, в условиях крайнего севера.