Способы определения расхода воздуха

Как проводить измерение расхода воздуха в воздуховоде?

Экологически чистая атмосфера является важнейшим фактором нормальной жизнедеятельности человека. Поэтому сегодня такое большое значение придается эффективным системам вентиляции и кондиционирования воздуха.

Современная система вентиляции и кондиционирования в помещениях позволяет организовать комфортную жизнедеятельность человека.

Успешная долговечная эксплуатация таких систем невозможна без их качественной настройки и постоянного техобслуживания. Определению эффективности оборудования служат также регулярные измерения различных параметров работы, в том числе и измерение расхода воздуха в воздуховоде. Для этой важной операции разработаны различные методики и приборы.

Для чего необходимо проводить измерение расхода воздушной массы?

Схема вентиляции и кондиционирования в жилом помещении.

Течение воздуха по системе проветривания осуществляется при определенной скорости, на которую влияют многие факторы. Данный параметр, зависящий от конструкции и сечения вентиляционных каналов, является ключевым критерием для выяснения величины расходования воздуха в воздуховоде. Средняя скорость исчисляется на основе замеров уровня динамического давления.

При этом следует учитывать, что измерение реальной скорости воздуха имеет решающее значение для чистых жилых комнат, которые снабжаются однонаправленным воздушным потоком. В то же время фиксация уровня расхода воздуха является первостепенной операцией для жилых зон с разнонаправленными потоками воздуха.

Целью замеров расхода воздушной массы, перемещающейся в воздуховоде в чистые жилые помещения, является фиксация объема этой массы, прибывающей внутрь комнаты в единицу времени.

Измерения в воздуховоде производятся через специальное технологическое отверстие, точно соответствующее диаметру зонда.

Расход замеряется либо после воздушных фильтров (решеток), либо непосредственно в воздуховоде. В обоих случаях производится измерение скорости движения воздушной массы и учитывается площадь сечения трубы.

Для качественных замеров выбирается достаточно ровный и прямой отрезок трубы. Длина данного участка не может быть меньше 4-5 размеров диаметра после точки местного сопротивления. Вместе с тем до следующего местного сопротивления должно быть 2 или более диаметра канала.

Для фиксации средней скорости воздуха в воздуховоде следует произвести несколько измерений. Их количество зависит от диаметра круглой трубы или от размера сторон прямоугольного канала.

Типы измерителей расхода и скорости воздушного потока

При наладке вентиляционных систем возникает вопрос, какой именно контрольно-измерительный прибор задействовать для замеров скорости воздуха и его расхода в воздуховоде. Следует отметить, что на данный момент рынок специальной аппаратуры для измерения характеристик вентиляции предлагает большое количество самой разнообразной техники, которая учитывает многие факторы естественного и искусственного проветривания помещений.

В частности, при выборе оптимального инструмента необходимо знать, где именно – на вентиляционной входной решетке или прямо в воздуховоде – будут проводиться измерения. Еще важно знать, какие скорости движения воздуха допускаются в трубе, каковы допустимые температура и уровень запыленности вентиляционного канала.

Наиболее популярными типами таких приборов являются следующие:

Конструкция крыльчатого анемометра.

Термоанемометр. Осуществляет измерение скорости воздушной массы. Замеры производятся от специального датчика, который в нагретом состоянии помещается в воздушную струю. Скорость воздуха определяется в зависимости от скорости остывания датчика.

Ультразвуковой трехмерный анемометр. Данный прибор помещается в воздушный поток, где определяет скорость воздуха благодаря фиксации разницы частоты звука между выбранными контрольными точками

Крыльчатый анемометр. Скорость течения воздуха определяется при измерении скорости вращающейся крыльчатки прибора.

Трубка Пито. В данном приборе применяется цифровой электрический манометр. С его помощью в заданной точке потока фиксируется разница между полным и статическим давлением.

Балометр. Быстро определяет суммарный расход воздушной массы, концентрируя поток в точке замеров с заранее установленным сечением.

Измерение расхода на входной вентиляционной решетке воздуховода

Схема рабочих датчиков телескопического зонда.

Наилучшим образом можно осуществить точные замеры объемного расхода воздуха, используя в указанном месте любой подходящий анемометр или термоанемометр. При этом специалисты рекомендуют обратить особое внимание на анемометр, снабженный достаточно большой крыльчаткой. При своем диаметре от 60 до 100 мм она вполне сопоставима с габаритами решетки. Благодаря такому прибору можно достичь оптимального результата при минимальном количестве замеров.

Вместе с тем упростить процесс измерения и одновременно минимизировать возможные погрешности можно и с помощью дополнительных приспособлений, таких как, например, воронка. Эта несложная по конструкции принадлежность дает возможность проводить более точные измерения всего за один замер, что, как нетрудно догадаться, значительно экономит время работника. Получить доступ для замеров в труднодоступных местах позволит также применение специального телескопического зонда (удлинителя зонда).

При выборе для работы того или иного оборудования рекомендуется отдавать предпочтение тем приборам, которые имеют опции автоматического исчисления объемного расхода воздуха и определения усредненных показателей по времени и числу замеров. Если у прибора отсутствуют указанные функции, оба этих параметра придется определять своими силами.

Организация замеров расхода воздуха в воздуховоде

Процесс замера скорости воздуха с помощью зонда.

Прежде чем начать измерение непосредственно в воздуховоде, необходимо убедиться в том, что в стенке трубы имеется рабочее отверстие, предназначенное для контрольно-измерительных операций. Его диаметр должен точно соответствовать диаметру зонда.

Важно точно выбрать и место для замеров. В частности, указанное отверстие следует просверлить на прямом отрезке воздуховода, длина которого должна составлять не менее 5 диаметров трубы. При этом само отверстие надо располагать таким образом, чтобы расстояние до него равнялось 3 диаметрам, а после него – 2 диаметрам воздуховода.

В отличие от замеров на вентиляционной решетке, при измерении расхода воздуха внутри воздуховода рекомендуется применять крыльчатые анемометры с крыльчаткой небольшого диаметра (16-25 мм). Для данной операции используются также термоанемометры и дифференциальные манометры, снабженные пневмометрической трубкой.

Здесь следует отметить, что дифференциальные манометры не подходят для проведения замеров в воздуховодах, по которым проходит воздушная масса с заведомо невысокой скоростью (менее 2 м/сек). В этом случае необходимо воспользоваться термоанемометром или крыльчатым анемометром.

В случае достаточно высокого расположения воздуховода в помещении (например, под потолком комнаты) рекомендуется воспользоваться зондом с телескопической ручкой либо удлинителем зонда. Если при измерениях используется пневмометрическая трубка, то выбирать ее длину следует заранее, учитывая высоту точки измерения.

Несколько полезных советов по правильному использованию приборов

Если воздушный поток в воздуховоде характеризуется повышенным уровнем запыленности, термоанемометр и трубку Пито в таком случае лучше не применять. Так как отверстие в трубке, которое принимает суммарное давление потока, имеет маленький диаметр, при воздействии загрязненного воздуха оно может быстро засориться.

Термоанемометры не подходят для работы в условиях высоких скоростей воздушного потока (более 20 м/сек). Дело в том, что основной термодатчик, который характеризуется повышенной чувствительностью, под сильным давлением воздуха может просто разрушиться.

Использование контрольно-измерительных приборов для определения расхода воздуха должно осуществляться строго в номинальных температурных диапазонах, указанных в паспортах приборов.

В газоходах (воздуховодах, в которых протекает в основном нагретый воздух) рекомендуется использовать пневмометрические трубки, корпус которых изготовлен из нержавейки. Использование в указанных трубах оборудования с компонентами из пластика нежелательно по причине возможной деформации корпуса под воздействием высоких температур.

Проводя замеры скорости и расхода воздуха, надо следить, чтобы чувствительный датчик зонда был всегда сориентирован точно навстречу воздушному потоку. Несоблюдение данного требования ведет к искажению результатов измерений. Причем искажения и неточности будут тем значительнее, чем больше будет степень отклонения датчика от идеального положения.

Таким образом, правильный выбор контрольно-измерительных приборов для определения расхода воздушных масс в воздуховоде и их надлежащее применение во время работы позволит специалистам составить объективную картину вентиляции помещений. Особую важность этот аспект приобретает, когда речь идет о жилых помещениях.

Источник

Оценка точности определения расхода воздуха в системах вентиляции при их паспортизации

К. Е. Таратыркин, директор наладочной организации по воздуху ООО «АК-ИТР», taratyrkin@icloud.com

Пусконаладка систем вентиляции и их паспортизация проводятся в соответствии с ГОСТ 12.3.018-79 «Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний» [1] и СП 73.13330.2012 «Внутренние санитарно-технические системы зданий» [2]. ГОСТ 12.3.018-79 содержит требования к подготовке и проведению испытаний, требования к аппаратуре для измерения скоростей потока, а также определяет положение мерного сечения, количество точек замера и их координаты и содержит расчет погрешности измерения расхода в зависимости от специфики конкретного проводимого испытания – от испытательного оборудования, характеристик мерного сечения, атмосферных условий. В СП 73.13330.2012 определено значение максимального отклонения фактического расхода воздуха от предусмотренного в проектной документации. Согласно данному своду правил значение отклонения не должно превышать ±8 %, однако на практике при проведении аэродинамических испытаний не всегда удается получить результаты, удовлетворяющие указанному критерию. А ведь несоответствие расхода на величину более ±8 % является поводом для отказа от приемки системы вентиляции со всеми вытекающими отсюда последствиями. Причин несоответствия может быть множество, но вся ответственность в конечном счете ложится на организацию, производящую монтаж.

Однако давайте задумаемся: насколько требования, указанные в СП 73.13330.2012, выполнимы при проведении замеров в «полевых» условиях? Существуют ли объективные предпосылки для пересмотра нормы ±8 %? Размышления авторов по этому вопросу представлены в данной статье.

Наиболее вероятные причины отклонений

Естественно, причин несоответствия замеренного расхода проектному много, и, к сожалению, многие из них не зависят от качества монтажа вентиляционной системы или от мастерства и технической оснащенности наладчиков.

Во-первых, как известно, расход в системе зависит от ее аэродинамического сопротивления. При разработке проекта рассчитываются проектный расход, сопротивление системы воздуховодов, и, исходя из этого, подбирается соответствующий вентилятор. При монтаже вентиляционной системы ее фактические размеры будут несколько отличаться от проектных. Некоторые воздуховоды окажутся чуть длиннее, некоторые – чуть короче, радиусы поворота отводов могут оказаться чуть круче, и поэтому отводы будут создавать большее сопротивление. Воздуховоды и фасонные элементы имеют конструктивные допуски, поэтому фактические размеры у разных производителей могут отличаться. Шероховатость стенок каналов тоже может несколько отличаться от той, что предусмотрена расчетом. В совокупности все эти небольшие конструктивные отклонения вентиляционной сети могут привести к несоответствию расхода в системе расчетному.

Во-вторых, конструктивные допуски вентиляционной установки могут приводить к отклонению от номинала по расходу воздуха. Данное отклонение регламентируется в ГОСТ ИСО 5802–2012 «Вентиляторы промышленные. Испытания в условиях эксплуатации» [3] и может составлять до ±1,5 % по объемному расходу.

В-третьих, система вентиляции является открытой и определенным образом реагирует на изменение параметров окружающей среды. Приведем пример. Вентиляционная установка находится на крыше. Зима, мороз. В помещении включено отопление. Перепад температур и перепад высот создают естественную тягу, направленную из помещения. При работе вентиляционной установки эта тяга создает дополнительное сопротивление, и расход воздуха уменьшается.

Порывы ветра вблизи вентиляционной установки вызывают изменение статического давления. Это приводит к колебанию расхода вентилятора и, как следствие, скорости в мерном сечении. Поэтому в ветреную погоду точность аэродинамических испытаний может быть снижена. Таким образом, ввиду открытости вентиляционной системы колебания параметров окружающей среды – давления, температуры, влажности, скорости и направления ветра – оказывают влияние на расход воздуха.

Следующая большая группа погрешностей связана с самой методикой испытаний и с техникой проведения измерений. Эти погрешности зависят от точности показаний приборов, точности позиционирования измерительного инструмента, правильности выбора мерного сечения и т. д. Большинство этих погрешностей учтено в ГОСТ 12.3.018–79 при оценке общей погрешности методики.

Погрешность методики определения расхода по ГОСТ 12.3.018

В соответствии с ГОСТ 12.3.018–79 предельная относительная погрешность определения расхода воздуха в процентах выражается следующей формулой:

где δφ – предельная относительная погрешность определения расхода воздуха, связанная с неравномерностью распределения скоростей в мерном сечении;

σ_L – среднеквадратичная относительная погрешность, обусловленная неточностью измерений в процессе испытаний.

Значение погрешности δφ зависит от формы воздуховода, количества точек измерения и расстояния от места возмущения потока до мерного сечения. В табл. 1 приведены значения погрешности δφ, представленные в ГОСТ 12.3.018–79.

Таблица 1

Форма мерного сечения Число точек измерений δ, %, при расстоянии от места возмущения потока до мерного сечения в гидравлических диаметрах Dh 1 2 3 5 > 5 Круг 4 20 16 12 6 3 8 16 12 10 5 2 12 12 8 6 3 2 Прямоугольник 4 24 20 15 8 4 16 12 8 6 3 2

Как следует из табл. 1, отклонение по расходу воздуха, вызванное неравномерностью профиля скорости в воздуховоде при расположении мерного сечения на расстоянии трех гидравлических диаметров (минимально допустимое в [1] расстояние) от места возмущения потока, может составить до 15 %. Значение погрешности σ_L определяется по формуле:

(2)

где σ_p, σ_B, σ_t – среднеквадратичные погрешности измерений динамического давления P_d потока, барометрического давления B_a, температуры t потока соответственно;

σ_D – среднеквадратичная погрешность определения размеров мерного сечения воздуховода; при 100 мм ≤ D_h300 мм величина σD = ±3 %, при Dh > 300 мм величина σ_D= ±2 %.

Таблица 2

Показание прибора в долях длины шкалы σp, σB, σt, %, для приборов класса точности 1,0 0,5 1,00 ±0,5 ±0,25 0,75 ±0,7 ±0,24 0,50 ±1,0 ±0,5 0,25 ±2,0 ±1,0 0,10 ±5,0 ±2,5 0,05 ±10,0 ±5,0

Как следует из табл. 2, значения погрешностей зависят от класса точности прибора и от того, в какой части шкалы прибора находится замеряемое значение скорости. Однако в последнее время появились приборы, которые имеют более высокий класс точности, а также более точно измеряют скорость воздуха в нижней части шкалы прибора. Возможно, это и послужило поводом к ужесточению требований и снижению значения допустимого отклонения до ±8 % (до 2012 года допустимое отклонение составляло ±10 %).

Приведем пример расчета предельной погрешности измерения расхода, взятый из ГОСТ 12.3.018–79.

«… Мерное сечение расположено на расстоянии 3 диаметров за коленом воздуховода диаметром 300 мм (т. е. δ_D = ±3 %). Измерения производят комбинированным приемником давления в 8 точках мерного сечения (т. е. по табл. 1 σ_φ = +10 %). Класс точности приборов (дифманометр, барометр, термометр) – 1,0. Отсчеты по всем приборам производятся примерно в середине шкалы, т. е. по табл. 2, σ_p = σ_B = σ_t = ± 1,0 %. Предельная относительная погрешность измерения расхода воздуха, %, составит: …».

Таким образом, мы видим, что методика аэродинамических испытаний, описанная в ГОСТ 12.3.018–79, во многих случаях имеет погрешность больше, чем допустимое в СП 73.13330.2012 отклонение замеренного расхода от проектного. В некоторых случаях погрешность может превышать 20 %.

Влияние турбулентных пульсаций

В последнее время чувствительность приборов для определения скорости воздуха в воздуховоде значительно выросла. Современные приборы стали чувствительны к пульсациям турбулентного потока, которые, в свою очередь, могут внести некоторую погрешность в результаты измерений.

Определим погрешность, вносимую турбулентными пульсациями потока. На рис. 1 представлен принципиальный график изменения продольной составляющей мгновенной скорости в произвольной точке сечения в зависимости от времени.

Пульсации продольной скорости в произвольной точке сечения в зависимости от времени

Из рис. 1 видно, что мгновенную скорость в определенной точке пространства можно представить как сумму осредненной по времени скорости и пульсации скорости:

(3)

В соответствии с теорией Прандтля пульсационная составляющая продольной скорости потока зависит от пути смешения и градиента продольной скорости от оси к стенке. Путь смешения представляет собой длину пробега макроскопического турбулентного объема жидкости (газа) [4] и определяется, как:

где k – экспериментальная постоянная (постоянная Кармана) k = 0,4;

y – расстояние от стенки трубопровода до произвольной точки сечения.

Пульсационная составляющая определяется выражением:

(5)

Из теории Прандтля следует, что абсолютное значение пульсаций скорости увеличивается от стенки канала к его оси, а процентное отношение пульсационной составляющей скорости к осредненной по времени скорости в любой точке сечения будет постоянно для потока с заданными параметрами:

(6)

Результаты расчета пульсационной составляющей скорости в зависимости от скорости потока в воздуховоде круглого сечения диаметром 400 мм представлены в табл. 3. При этом профиль скорости в воздуховоде принимался в соответствии со степенным законом:

(7)

где u – осредненная по времени скорость в произвольной точке сечения;

u₀ – осредненная по времени скорость на оси трубопровода;

R – радиус трубопровода;

η – эмпирический коэффициент.

Эмпирический коэффициент η зависит от числа Рейнольдса и определяется по графику (рис. 2).

Зависимость коэффициента n от числа Рейнольдса

Точки замеров, обозначенные в табл. 3 (y₁ = 0,054D и y₂ = 0,28D), соответствуют координатам замера скорости в круглых воздуховодах согласно ГОСТ 12.3.018–79. Таким образом, при проведении замеров отклонение замеренной скорости от осредненной по времени, вызванное турбулентными пульсациями потока, может составлять ±5…±7 %.

Таблица 3

10 Скорость воздуха на оси воздуховода, м/с Re n Скорость u в точке y1 = 0,054D, м/с Пульсации скорости u’ в точке y1 = 0,054D, м/с Скорость u в точке y2 = 0,28D, м/с Пульсации скорости u’в точке y2 = 0,28D, м/с Δu, % 1 2,16·10 4 6 0,69 0,046 0,908 0,061 6,7 5 1,08·10 5 7,2 3,67 0,204 4,61 0,256 5,6 2,16·10 5 7,7 7,49 0,389 9,28 0,482 5,2

Среднеквадратичное отклонение пульсационной составляющей от осредненной по времени скорости при этом будет равно:

(8)

Следовательно, значение среднеквадратичного отклонения составит приблизительно 3,5…5 %.

Оценим вероятность получения погрешности измерения скорости более 1 % либо в большую, либо в меньшую сторону от средней скорости. Оценку вероятности проведем для одного, трех и десяти замеров. Для этого условимся, что результаты условных замеров подчиняются закону нормального распределения случайной величины. В таком случае вероятность получить отклонение, превышающее среднее значение скорости более чем на 1 %, составит:

• для одного измерения – 42 %;
• для трех измерений – 7,4 %;
• для десяти измерений – 0,17 %.

Приведенные выше результаты расчетов показывают, что влияние турбулентных пульсаций скорости может ощущаться лишь при небольшом количестве замеров. Например, измерив скорость в одной точке три раза, мы с вероятностью 7,4 % ошибемся более чем на +1 % или на –1 %. При этом результаты замеров скорости в других точках сечения с большой долей вероятности нивелируют это отклонение.

Опыт других стран

Европейские нормы, которые регламентируют приемку систем вентиляции, менее жесткие, чем российские. Например, стандарт EN 12599 «Вентиляция для зданий – Процедуры проведения испытаний и измерительные методы для передачи систем кондиционирования воздуха и систем вентиляции» [5] допускает отклонение расхода всей системы от проектного ±15 %, а для каждого отдельного помещения допускается отклонение до ±20 %. При таких нормативах сдача и наладка систем вентиляции становятся вполне решаемой задачей и перестает быть «подвигом».

В работе [6] предпринята хорошая попытка разобраться в вопросе, какое отклонение расхода считать справедливым. Авторы провели прямое численное моделирование турбулентных течений при числах Рейнольдса, характерных для вентиляционных систем. Численное моделирование проводилось с применением специализированного программного обеспечения. Результаты, полученные по компьютерной модели, сверялись с данными экспериментов [7]. При этом была показана хорошая сходимость модели с опытом. Далее было проведено исследование отклонения фактического расхода, определенного по модели, от замеренного по методикам стандартов ISO 3966, EN 12599, Pr EN 16211 в тех же модельных течениях. Методики указанных выше стандартов аналогичны ГОСТ 12.3.018–79, но отличаются количеством точек замеров и их расположением. Также было исследовано влияния удаления мерного сечения от мест возмущения потока (от отводов). Некоторые результаты, полученные в [6] для прямоугольных воздуховодов, приведены в табл. 4.

Таблица 4

1 (5) EN 12599 3 (9) 1 (3) Pr EN 16211 1 (6) Нестандартный метод 1 (5) Схема испытаний Количество осей (точек) Макс. погрешность, % L / D, расстояние от места возмущения 5 10 45 ISO 3966 5 (25) 4 4 2 10 7 7 8 8 5 17 11 9 15 6 4 15 7 7

Согласно [6] и [7] профиль скорости в воздуховоде полностью устанавливается лишь на расстоянии, равном приблизительно 45 гидравлическим диаметрам от места возмущения.

Заключение

В данной статье были проанализированы основные факторы, влияющие на точность определения расхода в системах вентиляции, причем влияние некоторых из этих факторов было оценено количественно. Например, ГОСТ 12.3.018–79 допускает погрешность описанной в нем методики определения расхода воздуха более 20 %. Отклонение параметров вентиляционной установки от номинала может составлять до ±1,5 % [3].

EN 12599, регламентирующий приемку систем вентиляции в Европе, определяет максимальное отклонение замеренного расхода от проектного не более ±15 % для системы в целом, а для отдельных помещений не более ±20 % [5].

Ввиду объективных обстоятельств, изложенных в данной статье, критерий приемки системы вентиляции, определенный в СП 73.13330.2012, – максимальное отклонение замеренного расхода от проектного не более ±8 % – является необоснованным, не имеющим под собой никакой – ни научной, ни практической базы. Поэтому авторам представляется необходимым поднять вопрос о пересмотре значения допускаемого отклонения в сторону увеличения согласно последним достижениям теории и практики.

Литература

1. ГОСТ 12.3.018–79 «Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний». – М., 1979.
2. СП 73.13330.2012 «Внутренние санитарно-технические системы зданий». – М., 2012.
3. ГОСТ ИСО 5802–2012 «Вентиляторы промышленные. Испытания в условиях эксплуатации». – М., 2012.
4. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. – М.: Госуд. изд. техн.-теор. лит-ры, 1953.
5. EN 12599 «Вентиляция для зданий – Процедуры проведения испытаний и измерительные методы для передачи систем кондиционирования воздуха и систем вентиляции». 2012.
6. Care I., Bonthoux F., Fountane J.-R. Measurement of air flow in duct by velocity measurements. EDP Sciences, 2014.
7. Bonthoux F., Fountane J.-R. Measurement of flow rate in a duct by investigation of the velocity field. Uncertainty linked to position and number of measurement points. – Roomvent, 2002.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №3’2017

распечатать статью —> pdf версия

Источник