/
Текст
Дополнительные сведения из области
холодильной техники
2.1. Сведения о климате..............................395
2.2. Влажный воздух и его диаграмма..................412
2.3. Механика жидкостей и газов......................438
2.4. Системы регулирования...........................465
2.5. Элементы акустики...............................490
2.6. Средства измерений и измерительные приборы......547
2.7. Таблицы.........................................600
2.1. Сведения о климате
2.1
2.1.1. Солнечное излучение1
Солнечное излучение является основным
фактором, определяющим погоду как в течение
дня, так и в различные времена года. С более
общей точки зрения солнечное излучение лежит
в основе распределения климатических зон, а
значит, и основных параметров, которые их оп-
ределяют, а именно: температуры, влажности
и движения воздуха.
Количество солнечной энергии, которая до-
стигает некоторой точки на поверхности зем-
ли, зависит и от угла падения солнечного излу-
чения, и от ослабления его интенсивности при
прохождении через атмосферу.
2.1.1.1. Интенсивность солнечного
излучения до его входа в атмосферу
Средняя интенсивность солнечного излу-
чения перед его прохождением через атмосфе-
ру равна примерно 1365 Вт/м2 и относится к
поверхности, перпендикулярной к этому излу-
чению. Эта величина называется солнечной
постоянной. Вследствие того что удаление Зем-
ли от Солнца в течение года периодически не-
1 Читатель, интересующийся этим вопросом, может
обратиться к следующим книгам:
- «Французский солнечный атлас (переносимая энер-
гия, расчеты теневых эффектов)» (АИав 8о1аие &апса18,
Р.С1аих, К.СИПев, А.Ревво, М.КаоивГ, РУС Ев.);
- «Солнце активное и пассивное (подход, тепловой ба-
ланс, условия жизни)» (8о1айе асбГ е1 развгГ, Сйг. СагйопеП,
Ей. Рапвгеппев);
- «Европейский атлас солнечного излучения» (АИаз
еигорееп йи гауоппетепГ 8о1айе, РУС ЕЙ.), разработан Ко-
миссией Европейского содружества;
- «Климатический атлас Франции» (Абаз сНтабдие йе
1а Ргапсе, К. Аг1егу).
Кроме того, многочисленные сведения о солнечном из-
лучении во Франции могут быть получены в Националь-
ном метеорологическом бюро, в отделе метеосводок, 2
ауепие Карр, 75007 Рапа, 1е1. (1) 45-55-95-02, роЯе 2273.
много изменяется, то и величина интенсивнос-
ти /0 “внеземного” солнечного излучения изме-
няется в пределах + 3 % от указанного выше
среднего значения.
Энергия этого солнечного излучения пере-
носится электромагнитными волнами, длина
которых заключена в диапазоне от 0,2 мкм до
примерно 3 мкм. Максимум интенсивности
приходится примерно на 0,5 мкм, т. е. находит-
ся в области видимого излучения (рис. 2.1.1-
1). Указанные выше пределы, а именно 0,2 мкм
и 3 мкм, определяют диапазон, который назы-
вается солнечным спектром.
Рис. 2.1.1-1. Распределение энергии в солнечном спек-
тре
2.1.1.2. Интенсивность солнечного
излучения на земной поверхности
При прохождении атмосферы некоторые
электромагнитные волны ослабляются в боль-
шей или меньшей степени. Чем ближе к зем-
ле, тем больше изменяется состав солнечного
спектра. На поверхности земли вся часть сол-
нечного спектра, соответствующая излучению
с длинами волн меньше 0,29 мкм (ультрафио-
летовое излучение), оказывается сильно ослаб-
ленной вследствие поглощения излучения озо-
новым слоем. Что же касается излучения в диа-
пазоне других длин волн, то его ослабление
происходит в основном из-за наличия паров
воды, а также дыма и частиц пыли.
Ослабление прямого солнечного излучения
атмосферой (это ослабление называется “зату-
ханием”), как уже говорилось, является след-
ствием поглощения, а также рассеяния. Часть
рассеянного излучения, однако, косвенным пу-
тем достигает земной поверхности - это так
называемое диффузное излучение Н. Его вели-
чина равна количеству энергии, падающей на
горизонтальную площадку. Кроме того, опре-
деление интенсивности I прямого солнечного
излучения осуществляется также путем изме-
рения потока энергии, достигающей горизон-
тальной площадки. Полное солнечное излу-
чение О, которое достигает земной поверх-
ности, равно
О = I • ып к + Н,
где к - высота солнца над горизонтом,
Доля а падающего солнечного излучения,
которая отражается землей, называется альбе-
до или показателем отражения', она позволя-
ет найти долю (1 - а) падающего полного сол-
нечного излучения 6, поглощаемую земной
поверхностью. Баланс солнечного излучения
для коротких длин волн равен
а = С(1-а),
где <2С - интенсивность солнечного излучения
на земной поверхности в диапазоне коротких
длин волн.
К этому нужно добавить излучение в диа-
пазоне больших длин волн (от 3 до 100 мкм),
вызванное различными нагретыми поверхнос-
тями н атмосферой. Баланс излучения для боль-
ших длин волн, или земного излучения, состав-
ляется из вторичного атмосферного излучения
А и излучения Е от различных переизлучаю-
щих поверхностей. Получаем
<2е=А-Е,
где 0,е - интенсивность солнечного излучения
в диапазоне больших длин волн на земной по-
верхности.
Полный баланс падающего солнечного из-
лучения <2, поглощаемого земной поверхнос-
тью, записывается следующим образом:
<2 = <2с^е-
В этом балансе, очевидно, главную роль иг-
рает полное солнечное излучение О, которое
может достигать относительно больших вели-
чин.
2.1.1.3. Расчет интенсивности прямого
и диффузного солнечного излучения
Интенсивность I прямого солнечного излу-
чения на поверхности земли может быть рас-
считана исходя из солнечной постоянной /0,
расстояния, которое проходит это излучение
внутри атмосферы, и содержания в атмосфере
молекул и частиц, находящихся на пути излу-
чения (пары воды, пыль и т.д.). Получаем
I = 10-ЯтТ,
где /0 =» 1365 Вт/м2 - солнечная постоянная',
<7 ® 0,914 - коэффициент пропускания чи-
стой атмосферы, свободной от различных взве-
шенных частиц и пыли;
т - величина, характеризующая путь, прой-
денный излучением в атмосфере. Для высот
над горизонтом больше 15° имеем
51П к р0 ’
где р - атмосферное давление, гПа;
р0 - атмосферное давление на уровне моря,
гПа;
Т - коэффициент непрозрачности, равный
воображаемому числу слоев чистой атмосферы,
которые имели бы такую же прозрачность, как
и рассматриваемая реальная атмосфера.
Если воздушная масса, через которую про-
ходит излучение, является чистой, холодной и
имеет низкое содержание воды, то коэффици-
ент непрозрачности равен 2, тогда как если воз-
душная масса теплая, влажная и с высоким со-
держанием взвешенных частиц, то этот коэф-
фициент может достигать 5. В некоторых боль-
Рис. 2.1.1-2. Изменение коэффициента
непрозрачности в зависимости от высоты
над уровнем моря
‘ В 1949 г. переименована в Джакарту. -Примеч. пер.
ших городах, а также промышленных зонах он
может иногда превышать указанные выше зна-
чения1.
На рис. 2.1.1-2 представлено изменение ко-
эффициента непрозрачности для различных
мест в зависимости от высоты. Эти данные со-
ответствуют летним месяцам. Зимой коэффи-
циент непрозрачности меньше, чем летом.
Для расчета диффузного солнечного излуче-
ния необходимо предварительно сделать неко-
торые предположения относительно величины
той доли прямого солнечного излучения, кото-
рая будет поглощена или рассеяна в атмосфе-
ре.
Полное солнечное излучение, достигающее
единицы площади поверхности земли, равно
сумме двух составляющих, указанных выше.
Для холодильной промышленности значе-
ние интенсивности солнечного излучения очень
важно, так как оно учитывается в расчете теп-
ловых нагрузок холодильного склада. Действи-
тельно, наибольшая интенсивность этого излу-
чения в течение года будет определять в боль-
шей или меньшей степени мощность испари-
теля, который необходимо предусмотреть, а зна-
чит, и мощность одного или нескольких комп-
1 В некоторых формулах, дающих значение интенсив-
ности прямого солнечного излучения, коэффициент непроз-
рачности вводится по-другому и его значение тогда колеб-
лется от 0,02 для темно-сииего неба до 0,20 для сильно заг-
рязненной атмосферы.
рессоров. Тепловая изоляция здания склада по-
зволяет значительно уменьшить влияние сол-
нечного излучения на холодильный баланс.
Другим фактором, играющим немаловаж-
ную роль, является продолжительность воз-
действия солнечного излучения’, она не входит
в расчет при определении максимальной холо-
дильной мощности установки, но учитывается
при определении продолжительности работы
установки и числа уровней мощности установ-
ки. Табл. 2.1.1-1 позволяет сравнить среднюю
продолжительность солнечного излучения для
различных городов. Отметим, что в течение
зимних месяцев продолжительность солнечно-
го излучения в Лилле и Марселе отличается
примерно в 3 раза, тогда как летом это разли-
чие менее выражено.
Таблица 2.1.1-1
Средняя длительность солнечного излучения (часы)
для различных городов Франции
Города Январь Июль За год
Биариц 75 225 1900
Брест 75 250 1800
Лилль 50 225 1600
Лимож 75 250 1900
Лион 100 300 2200
Марсель 150 375 2700
Нант 75 275 2000
Ницца 150 375 2800
Париж 75 225* 1800
Перпиньян 150 300 2600
Руан 75 225 1700
Сеи-Мало 75 250 1900
Страсбур 50 225 1650
Рис. 2.1.1-3. Средняя плотность потока солнечного из-
лучения на площадки различной ориентации и положения
в июле для 45° северной широты и коэффициента непроз-
рачности Т, равного 4 (атмосфера большого города)
Рис. 2.1.1-4. Средняя плотность потока солнечного из-
лучения на площадки различной ориентации в положения
в июле для 50° северной широты и коэффициента непроз-
рачности Т, равного 4 (атмосфера большого города)
На рис. 2.1.1-3 приведена средняя плот-
ность теплового потока, обусловленного из-
лучением, на стенки различной ориентации и
положения в июле для 45° северной широты и
коэффициента непрозрачности Т=4, соответ-
ствующего атмосфере большого города. Сред-
ние значения в течение дня для 23 июля и для
двух других значений коэффициента непрозрач-
ности даны в табл. 2.1.1-2.
Такие же данные, но для 50° северной ши-
роты (север Франции), представлены на рис.
2.1.1-4 и в табл. 2.1.1-3.
2.1.2. Температура воздуха
2.1.2.1. Основные сведения
Расчет тепловых нагрузок в помещении,
будь то холодильный склад или любое другое
сооружение, в котором требуется поддерживать
температуру ниже температуры внешнего воз-
духа, может быть осуществлен, если известны
не только величины прямого и диффузного сол-
нечного излучения, но и средние максимальные
температуры воздуха для некоторых ключе-
вых дней в году.
Что касается температуры, то мы только что
отметили, что речь идет о средней максималь-
ной, а не об абсолютной максимальной темпе-
ратуре. Если бы мощность холодильной уста-
новки была рассчитана на основе абсолютной
максимальной температуры, то эта установка
позволяла бы поддерживать температуру окру-
жающего воздуха (в холодильном складе или в
любом другом охлаждаемом помещении) на
требуемом уровне при любых обстоятельствах,
однако затраты были бы более значительными,
поскольку мощность холодильной установки
была бы выше.
Для абсолютной максимальной температу-
ры Технические условия Генерального заказчи-
ка, обычно выпускаемые Впгеап (ГЕШбез (кон-
структорским бюро), допускают, что темпера-
тура среды внутри помещений может быть на
несколько десятых градуса н даже (в случае
хранения некоторых продуктов и всегда в слу-
чае установок кондиционирования воздуха) на
Таблица 2.1.1-2
Средняя плотность потока солнечного излучения на площадки различной ориентации и положения
на 23 июля для 45* северной широты и различных коэффициентов непрозрачности
(пр. — прямой поток; дяф. — диффузный)
Атмосфера, коэффици- ент непро- зрачности Ориентация По- ток в ремя суток, часы
4 20 5 19 6 18 7 17 8 16 9 15 10 14 11 13 12 12 13 И 14 10 15 9 16 8 17 7 18 6 19 5 20 4
Промыш- ленная Т=5,8 Поверхность, перпендикулярная к излучению пр. диф. 0 0 43 46 221 150 400 207 531 230 620 231 677 223 708 215 718 210 708 215 677 223 620 231 531 230 400 207 221 150 43 46 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 3 28 54 86 166 125 306 152 442 169 554 180 627 185 652 187 627 185 554 180 442 169 306 152 166 125 54 86 3 28 0 0
Юг пр. диф. 0 0 0 19 0 60 0 99 46 135 139 166 223 191 281 206 301 211 281 206 223 191 139 166 46 135 0 99 0 60 0 19 0 0
Юго-запад (юго- восток) пр. диф. 0 0 0 19 0 55 0 83 0 107 0 130 0 153 77 177 213 198 320 212 382 218 389 213 338 194 236 157 108 101 15 29 0 0
Запад (восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 55 0 82 0 104 0 122 0 139 0 153 0 170 172 189 317 207 411 218 431 217 362 194 207 139 39 43 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр. диф. 0 0 0 19 0 56 0 84 0 105 0 122 0 137 0 147 0 154 0 160 66 168 192 175 272 179 277 168 185 130 40 44 0 0
Север пр. диф. 0 0 18 30 54 83 29 108 0 123 0 134 0 143 0 149 0 151 0 149 0 143 0 134 0 123 29 108 54 83 18 30 0 0
Больших городов 7=4,0 Поверхность, перпендикулярная к излучению пр. диф. 0 0 124 44 385 127 580 167 706 181 785 180 834 172 860 165 869 161 860 165 834 172 785 180 706 181 580 167 385 127 124 44 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 9 26 94 71 241 97 406 115 560 127 683 135 762 140 789 141 762 140 683 135 560 127 406 115 241 97 94 71 9 26 0 0
Юг пр. диф. 0 0 0 19 0 54 0 88 62 120 177 148 275 170 341 184 364 189 341 184 275 170 177 148 62 120 0 88 0 54 0 19 0 0
Юго-запад (юго- восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 50 0 76 0 99 0 121 0 142 94 162 258 179 389 189 471 191 493 183 449 164 342 133 189 88 43 28 0 0
Запад (восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 50 0 75 0 96 0 114 0 131 0 145 0 158 209 171 391 182 521 187 573 182 526 161 362 119 112 41 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр. диф. 0 0 0 19 0 51 0 76 0 97 0 114 0 130 0 139 0 146 0 149 82 153 244 154 362 153 402 141 322 112 116 42 0 0
Север пр. диф. 0 0 52 29 94 73 42 95 0 110 0 123 0 134 0 141 0 143 0 141 0 134 0 123 0 ПО 42 95 94 73 52 29 0 0
Чистая 7=3,5 Поверхность, перпендикулярная к излучению пр. диф. 0 0 167 42 450 117 643 151 764 164 838 163 884 155 908 149 916 145 908 149 884 155 838 163 764 164 643 151 450 117 167 42 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 12 25 110 64 268 86 440 102 598 113 724 120 804 124 832 126 804 124 724 120 598 113 440 102 268 86 ПО 64 12 25 0 0
Юг пр. диф. 0 0 0 18 0 52 0 83 67 114 188 141 292 163 360 177 384 181 360 177 292 163 188 141 67 114 0 83 0 52 0 18 0 0
Юго-запад (юго- восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 48 0 73 0 95 0 117 0 138 99 157 272 172 411 181 500 182 527 172 486 154 379 123 221 82 58 27 0 0
Запад (восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 48 0 72 0 93 0 112 0 128 0 141 0 154 221 165 415 174 556 176 620 169 583 149 422 111 151 39 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр. диф. 0 0 0 18 0 49 0 73 0 94 0 112 0 127 0 137 0 143 0 146 87 148 260 147 392 143 445 131 376 104 156 40 0 0
Север пр. диф. 0 0 69 28 ПО 69 47 90 0 106 0 120 0 131 0 138 0 141 0 138 0 131 0 120 0 106 47 90 ПО 69 69 28 0 0
Таблица 2.1.1-3
Средняя плотность потока солнечного излучения на площадки различной ориентации и положения
на 23 июля для 50* северной широты и различных коэффициентов непрозрачности
(пр. — прямой поток; диф. — диффузный)
Атмосфера, коэффици- ент непро- зрачности Ориентация По- ток Время суток, часы
4 20 5 19 6 18 7 17 8 16 9 15 10 14 11 13 12 12 13 11 14 10 15 9 16 8 17 7 18 6 19 5 20 4
Промыш- ленная Т=5,8 Поверхность, перпендикуляр- ная к излучению пр. диф. 0 0 75 69 244 160 406 207 525 229 604 233 654 228 683 223 692 221 683 223 654 228 604 233 525 220 406 207 244 160 75 69 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 8 42 65 91 171 126 297 150 417 167 515 179 579 185 601 187 579 185 515 179 417 167 297 150 171 126 65 91 8 42 0 0
Юг пр. диф. 0 0 0 28 0 65 0 101 72 138 173 170 262 197 372 212 344 217 322 212 262 197 173 170 72 133 0 101 0 65 0 28 0 0
Юго-запад (юго-восток) пр. диф. 0 0 0 27 0 58 0 84 0 107 0 130 0 154 111 179 243 200 345 216 402 223 405 217 352 196 250 161 124 109 27 43 0 0
Запад (восток) пр- диф. 0 0 0 27 0 58 0 83 0 103 0 119 0 135 0 150 0 167 166 186 307 205 400 215 426 215 368 195 229 148 68 64 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр- диф. 0 0 0 28 0 60 0 84 0 108 0 119 0 133 0 142 0 148 0 154 32 162 161 168 251 173 270 166 201 137 70 65 0 0
Север пр. диф. 0 0 31 45 54 87 15 106 0 118 0 129 0 137 0 143 0 144 0 143 0 137 0 129 0 118 15 106 54 87 31 45 0 0
Больших городов 7=4,0 Поверхность, перпендикуляр- ная к излучению пр- Диф. 0 0 183 64 413 134 586 167 700 180 771 182 815 178 839 173 847 171 839 173 815 178 771 182 700 180 586 167 413 134 183 64 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 20 38 109 74 247 97 396 ИЗ 533 126 641 135 711 140 735 141 711 140 641 135 533 126 396 113 247 97 109 74 20 28 0 0
Юг пр- диф. 0 0 0 27 0 59 0 90 96 121 221 150 326 173 396 187 421 192 396 187 326 173 221 150 96 121 0 90 0 59 0 27 0 0
Юго-запад (юго-восток) пр- диф. 0 0 0 26 0 53 0 76 0 98 0 119 0 141 136 162 298 179 424 190 501 194 518 185 470 166 361 135 209 94 65 40 0 0
Запад (восток) пр. диф. 0 0 0 26 0 53 0 76 0 95 0 112 0 127 0 141 0 154 204 168 382 180 511 184 569 180 531 162 388 126 166 59 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр. диф. 0 0 0 27 0 55 0 77 0 95 0 112 0 126 0 134 0 140 0 143 40 147 206 148 334 148 391 140 339 117 170 60 0 0
Север пр- диф. 0 0 75 42 92 76 21 93 0 107 0 119 0 129 0 135 0 137 0 135 0 129 0 119 0 107 21 93 92 76 75 42 0 0
Чистая 7=3,5 Поверхность, перпендикуляр- ная к излучению пр- Диф. 0 0 235 61 478 124 649 152 758 163 825 165 866 160 889 156 896 154 889 156 866 160 325 165 758 163 649 152 478 124 235 61 0 0
Плоская крыша пр. диф. 0 0 26 36 127 67 273 87 429 101 570 112 682 120 753 125 778 126 753 125 682 120 570 112 429 101 273 67 127 67 26 36 0 0
Юг пр- диф. 0 0 0 26 0 56 0 85 104 115 236 143 347 165 420 179 445 183 420 179 347 165 236 143 104 115 0 85 0 56 0 26 0 0
Юго-запад (юго-восток) пр- диф. 0 0 0 25 0 51 0 73 0 94 0 116 0 137 144 157 315 172 449 182 532 183 554 174 509 155 400 126 242 88 83 38 0 0
Запад (восток) пр- диф. 0 0 0 25 0 51 0 73 0 92 0 109 0 124 0 137 0 150 216 162 406 171 547 173 616 168 588 150 449 117 213 56 0 0
Северо-запад (северо-восток) пр. диф. 0 0 0 26 0 52 0 73 0 92 0 109 0 123 0 132 0 137 0 140 42 142 220 141 362 139 433 130 392 109 218 57 0 0
Север пр. диф. 0 0 96 40 106 72 23 88 0 102 0 115 0 126 0 132 0 134 0 132 0 126 0 115 0 102 23 88 106 72 96 40 0 0
несколько градусов выше номинальной темпе-
ратуры. Вследствие инерции стен и падения
внешней температуры ночью превышение внут-
ренней температуры, вызванное абсолютной
максимальной температурой внешней среды,
будет едва ощутимо. С другой стороны, для не-
которых промышленных установок кондицио-
нирования воздуха номинальная температура
окружающей среды должна поддерживаться во
что бы то ни стало, поэтому для них необходи-
мо рассчитывать мощность холодильной уста-
новки на основе абсолютной максимальной
температуры, которая, впрочем, может быть
равна средней.
В случае холодильных складов расчеты осу-
ществляются в основном исходя из средней
максимальной температуры летних месяцев,
потому что в это время вклад со стороны внеш-
ней среды будет самым значительным. В то же
время для кондиционируемых помещений, и
особенно для зданий с большой площадью
окон, нагрузки со стороны внешней среды мо-
гут быть максимальными в межсезонье, из-за
того что высота солнца над горизонтом мень-
ше и количество солнечной энергии, проника-
ющей через окна, значительно больше, чем ле-
том. Очевидно, соответствующая защита от
солнечного света (наружные шторы, например)
позволит уменьшить нагрев от солнца. Однако
при этом освещенность внутри помещения ока-
жется недостаточной, что приведет к необходи-
мости включать искусственное освещение.
2.1.2.2. Изменение температуры
воздуха1
Температура воздуха зависит от многих па-
раметров, основными из которых являются гео-
графическая широта, высота, близость к морю,
время года и состояние неба.
Для Франции именно близость к морю н
высота определяют тип климата в рассматри-
ваемом районе. Этот климат может быть кон-
1 Многочисленные сведения об изменении температу-
ры воздуха в различных частях страны могут быть получе-
ны в Национальном метеорологическом бюро, в отделе ме-
теосводок (Ме1еого1о(ре Кабопа1е, Вигеаи <1ез гепвецрютепк
те1еого1о|рцие8, 2 ауепие Карр, 75007 Раня. Те1. (1) 45-55-
95-02, ройе 2273).
тинентальным, океаническим, горным и среди-
земноморским.
На рис. 2.1.2-1 дан пример изменения тем-
пературы воздуха в течение дня в зависимости
от времени года (январь и июль) и от состоя-
ния неба.
Рис. 2.1.2-1. Пример изменения температуры воздуха в
течение суток в зависимости от времени года (вверху июль,
внизу январь) и от состояния неба (из “Практического
учебника по науке о климате” (Мапие! Ргайцие 4и Сгете
СИтайцие, Кескпа§е1, 8ргеп§ег, Ноптапп, КУС Е4.))
Пример изменения температуры воздуха в
зависимости от высоты приведен на рис. 2.1.2-
2 для разных месяцев года.
Табл. 2.1.2-1 позволяет сравнить средние
месячные и годовые температуры для четы-
рех городов, представляющих различные типы
климата Франции.
Что касается широты, то ее влияние на тем-
пературу зависит от удаленности от экватора
вследствие того, что вклад излучения изменя-
ется пропорционально углу падения солнечных
лучей, уменьшаясь по мере удаления от эква-
тора. Очевидно, это справедливо, только если
другие параметры, такие, как высота, удален-
ность от моря и т.д., остаются одинаковыми.
В масштабе Европы отметим, что средняя
максимальная температура июля для Рима
(расположенного на берету Средиземного моря
на высоте 46 м) равна примерно 36 °С, тогда
как для Стокгольма (находящегося на побере-
жье Балтийского моря на высоте 44 м) она па-
дает до 27 °С.
Таблица 2.1.2-1
Сравнение средних месячных и годовых температур, °С, для четырех городов, характеризующих четыре типа
климата Франции
Месяц Шербур (океанический кли- мат, определяемый Ла-Маншем) Нант (океанический ат- лантический климат) Лимож (континентальный климат) Ницца (средиземноморский климат)
Январь 6,4 5,0 3,3 8,3
Февраль 6,2 5,5 4,1 8,9
Март 7,7 8,6 7,4 10,8
Апрель 9,6 10,9 9,7 13,1
Май 12,2 13,9 13,0 16,5
Июнь 14,9 17,2 16,5 19,9
Июль 16,6 18,9 18,1 22,4
Август 16,8 18,9 17,8 22,3
Сентябрь 15,8 16,7 15,4 20,5
Октябрь 12,9 12,5 11,0 16,4
Ноябрь 9,7 8,4 7,0 12,2
Декабрь 7,4 5,5 3,9 9,1
Годовая 11,4 11,8 10,6 15,0
Рис. 2.1.2-2. Пример изменения средней температуры
воздуха по месяцам в зависимости от высоты
Кроме перечисленных факторов, температу-
ра зависит от высоты над землей. Если рассмат-
ривается изолированное сооружение большей
высоты, то для оценок необходимо уменьшить
максимальную температуру на 1 К д ля высоты
до 25 м и на 2 К для высоты до 100 м по срав-
нению с температурой на высоте 2 м над зем-
лей. С другой стороны, для городских центров
или в случае большой плотности застройки не-
обходимо увеличивать максимальные значения
температуры по сравнению с вышеуказанными
величинами. Отметим, что в течение дня мак-
симальные температуры достигаются там не-
много позже, чем в других местах, а также что
снижение температуры в конце дня происходит
медленнее. Как следствие, по сравнению с при-
городами, где плотность застройки невелика,
температура воздуха вечером и ночью в город-
ском центре может быть выше на 3-5 К.
2.1.3. Влажность воздуха1
С точки зрения физики, строго говоря, су-
ществует тесная связь между влажностью и
температурой воздуха. Эти две величины все-
гда входят в расчеты, касающиеся воздуха, на-
ходящегося в холодильном складе, холодильной
камере, в помещении с кондиционером или ус-
тановкой искусственного климата.
Количество влаги, содержащейся в воздухе,
может быть выражено различными способами,
соответствующими либо используемому мето-
ду измерения, либо предполагаемому примене-
нию. В частности, количество влаги можно вы-
разить через:
- упругость, или парциальное давление па-
ров воды,
1 Многочисленные сведения можно получить, обратив-
шись в Национальное метеорологическое бюро, в отдел ме-
теосводок (см. подстрочное примечание иа с. 401).
- гигрометрический показатель, или отно-
сительную влажность,
- содержание влаги, называемое также
удельной влажностью или абсолютной влаж-
ностью.
Все эти параметры будут объяснены подроб-
нее в разд. 2.2.
Как и температура внешней среды, абсолют-
ная влажность воздуха подвержена колебани-
ям не только в течение года, но и в течение
дня, однако изменения в течение дня происхо-
дят в небольших пределах. С другой стороны,
колебания относительной влажности более зна-
чительны, поскольку они являются функцией от
температуры воздуха.
На рис. 2.1.3-1 приведено изменение в те-
чение года среднего содержания влаги в возду-
хе (средняя абсолютная влажность) в Париже,
район Ле-Бурже, а на рис. 2.1.3-2 представле-
но изменение давления паров воды и относи-
тельной влажности воздуха там же в течение
дня в январе и июле.
Абсолютная влажность х уменьшается по
мере подъема над уровнем моря в точности так
же, как и температура. Это уменьшение может
составлять 15 % на каждую 1000 м высоты и
относится к средним месячным максимумам.
Если температура возрастает, то абсолютная
влажность также возрастает, но очень слабо.
При температуре и средней максимальной аб-
солютной влажности, равных соответственно
Рис. 2.1.3-1. Изменение в течение года среднего содер-
жания воды в воздухе в Париже, район Ле-Бурже
Рис. 2.1.3-2. Изменение в течение дня средней относи-
тельной влажности <р воздуха в Париже, район Ле-Бурже,
для января и июля
32 °С и 12 г на 1 кг сухого воздуха, абсолют-
ная влажность возрастет лишь до 13 г на 1 кг,
если средняя максимальная температура под-
нимается до 36 °С, при этом удельная энталь-
пия, соответствующая последним условиям,
равна 70 кДж/кг. И обратно, абсолютная влаж-
ность немного уменьшается, если средняя мак-
симальная температура понижается.
2.1.4. Температура воды и земли
Превращение солнечного излучения в теп-
ло на поверхности земли, будь то собственно
земля или вода, приводит к периодическим из-
менениям как в течение дня, так и в течение
года температуры различных слоев земли и
воды, расположенных под этой поверхностью.
Амплитуда колебаний температуры сильно
уменьшается по мере удаления внутрь земной
поверхности, твердой или жидкой. Так как
именно колебания солнечного излучения опре-
деляют температуру воздуха, то можно гово-
рить, что существует прямая связь между тем-
пературами воздуха, земли и воды.
2.1.4.1. Температура воды
В открытом море дневной нагрев за счет
солнечного излучения ощущается до относи-
тельно большой глубины. Из этого следует, что
для заданной плотности теплового потока ко-
лебания температуры воды’в поверхностном
слое небольшие и составляют около 0,2 - 0,3
К. Чем ближе к берету, тем дневные колебания
становятся больше и могут достигать несколь-
ких градусов, если глубина меньше 20 м.
Для пролива Ла-Манш средняя годовая тем-
пература воды составляет около 10 °С, т. е. она
практически равна температуре воздуха или
несколько превышает ее. Амплитуда годовых
изменений температуры воды в проливе Ла-
Манш достаточно высока, она достигает 6-8 К;
с другой стороны, в открытом океане для уме-
ренных широт эта амплитуда падает до 4 К. В
тропических морях температура воды достигает
28-29 °С, н ее изменения, как дневные, так и
годовые, очень малы. Однако уменьшение теп-
ла, вызванное морскими течениями, может зна-
чительно изменить эту картину, особенно вбли-
зи берегов.
В реках, глубина которых составляет лишь
несколько метров, изменения температуры в
течение дня остаются очень небольшими, по-
скольку постоянное перемешивание воды, вы-
званное ее течением, выравнивает температу-
ры в сечении потока. Напротив, внезапные ме-
теорологические возмущения могут очень бы-
стро привести к скачкам температуры, дости-
гающим 5 К. Средняя температура воды в
реке частично определяется температурой, ко-
торую она имеет иа выходе из своего источни-
ка. Воды, текшие с гор, имеют, как правило, в
среднем в течение года температуру ниже сред-
ней температуры воздуха, тогда как в других
случаях температура воды слегка выше темпе-
ратуры воздуха.
В табл. 2.1.4-1 дан пример изменения тем-
пературы реки Вилен в течение года, а табл.
2.1.4-2 на примере Сены в районе Парижа по-
зволяет сделать вывод, что в един и тот же день
года температура реки может сильно изменять-
ся из года в год в зависимости от различных
климатических параметров.
Что же касается озер, то при их достаточ-
ной глубине всегда существует расслоение, хо-
рошо заметное в вертикальном разрезе. Летом
самый теплый слой, т. е. имеющий самую ма-
Таблица 2.1.4-1
Изменение среднегодовой температуры реки (на
примере р. Вилен, принадлежащей бассейну Луары)
Месяц Дата Температура, °С
Январь 15.01.79 3,5
Февраль 12.02.79 10,5
Март 14.03.79 11,0
Апрель 18.04.79 12,0
Май 14.05.79 17,0
Июнь 11.06.79 20,5
Июль 08.07.79 21,0
Август 14.08.79 20,5
Сентябрь 17.09.79 24,0
Октябрь 22.10.79 15,0
Ноябрь 19.11.79 8,0
Декабрь 17.12.79 9,0
ленькую плотность, простирается практически
до глубины 10 м. Если зимой или весной тем-
пература воды однородна и равна 4°С, то ве-
тер может очень быстро изменить естественное
расслоение на противоположное. Любое охлаж-
дение воздуха передается воде, и поверхност-
ный слой с меньшей плотностью становится
более тяжелым, что влечет за собой появление
вертикальных потоков, затем, если температу-
ра продолжает падать, появляется слой льда на
поверхности.
Что касается температуры подземных вод, то
можно сказать, что она очень близка к средне-
годовой температуре воздуха, если глубина
меньше 10 м, а если больше, то их температу-
ра меняется так же, как и температура земли
(см. п. 2.1.4.2). Однако можно отметить очень
значительные перепады в зависимости от от-
дельных факторов, таких, как просачивание
воды из реки вблизи моря, зоны с постройка-
ми на поверхности и т.д.
2Л.4.2. Температура почвы
Дневные колебания температуры на повер-
хности почвы очень велики, выше колебаний
температуры воздуха. Напротив, амплитуда нз-
Таблица 2.1.4-2
Изменение средней дневной температуры реки дня разных лет (на примере Сены у моста Толбиак)
1976 г. 12/01 16/02 15/03 12/04 17/05 14/06 12/07 16/08 13/09 11/10 15/11 13/12
1,°С 9,1 4,2 7,1 15,2 20,2 27,5 28 27 21,2 20,6 11,4 6,3
1979 г. 17/01 21/02 12/03 19/04 16/05 20/06 18/07 29/08 10/09 17/10 21/11 13/12
Г,°С 2,9 4 7.9 12,4 17,2 18,2 21,4 19,0 15,4 16,1 8,7 10.5
менений быстро уменьшается, если продви-
нуться на несколько сантиметров в глубину.
Годовые колебания температуры на повер-
хности почвы еще более выражены, чем коле-
бания температуры воздуха (измеренной на вы-
соте 2 м). Эти колебания постепенно ослабева-
ют по мере проникновения в глубь земли и до-
стигают примерно 1 К на глубине 10 м. Пери-
од колебаний равен одному году, т. е. переход
от максимальной температуры к минимальной
и наоборот осуществляется за 6 месяцев.
Ослабление и фазовый сдвиг колебаний, как
дневных, так и годовых, зависит от теплопро-
водности слоев, через которые проходит тепло,
и от их способности накапливать тепло. До глу-
бины 10 м средняя температура земли, рас-
считанная за большой период, практически рав-
на средней температуре воздуха. Только для
очень больших глубин нагрев от ядра Земли
приводит к повышению температуры порядка
3 К на каждые 100 м глубины. Темп повыше-
ния температуры может сильно различаться для
разных местностей.
2.1.5. Ветер
Скорость и направление ветра оказывают
сильное влияние на тепловое состояние соору-
жения вследствие изменения коэффициента
конвективной теплопередачи с поверхности
внешних стен, а также проникновения воздуха
сквозь щели в стенах. Возмущение поля тече-
ния и, следовательно, поля давления, вызван-
ное препятствием, которым является сооруже-
ние, должно учитываться в расчетах при выбо-
ре местоположения на фасаде заборников и
выхлопа воздуха воздуходувок, обслуживаю-
щих кондиционируемое помещение или холо-
дильный склад путем добавления некоторого
количества свежего воздуха.
Поскольку скорость воздуха сильно изменя-
ется с высотой, обычно ее принято измерять на
стандартной высоте 10 м, что позволяет про-
водить сравнения.
Скорость ветра выражается в метрах в се-
кунду, а давление, обусловленное силой его
действия, - в паскалях. В течение долгого вре-
мени скорость ветра выражалась в баллах Бо-
форта, каждый балл соответствовал опреде-
ленному диапазону скорости ветра (табл.2.1.5-1).
На осредненное течение воздуха, обуслов-
ленное ветром, почти всегда накладываются
точечные вихри короткой продолжительности.
Коэффициент Воеп, равный отношению наи-
большей зарегистрированной скорости за пери-
од 2 с к среднечасовой скорости, заключен
между 1,5 и 2 для средних скоростей ветра, пре-
вышающих 5-6 м/с. Если скорость ветра не-
большая, то коэффициент Воеп значительно
возрастает.
Максимум скорости ветра, как правило,
приходится на полдень, этот максимум более
выражен летом, чем зимой (рис. 2.1.5-1).
Рис. 2.1.5-2 позволяет сделать вывод, что
средние скорости ветра зимой почти повсеме-
стно возрастают, а минимальные скорости
характерны для прибрежных районов в конце
лета и для внутренних районов чаще всего в
конце осени.
Кривая, представляющая изменение средне-
дневной скорости ветра в данной местности,
выравнивается по мере возрастания высоты,
при этом ветер меняет направление на проти-
воположное начиная с высот от 50 до 100 м.
Возрастание средней скорости й ветра с вы-
сотой 2 над начальным уровнем (10 м над зем-
лей) вычисляется по формуле
где а - показатель степени, равный 0,18 для
чистого поля и 0,28 для большого города. Это
соотношение графически представлено на рис.
2.1.5- 3 для различных мест. Первые шесть кри-
вых слева соответствуют местностям, располо-
женным внутри страны, тогда как остальные
пять относятся к местностям, находящимся на
побережье или в горных районах. Можно за-
метить, что в последнем случае средняя ско-
рость ветра удваивается для высот от 10 до
150 м.
По сравнению с другими метеорологичес-
кими величинами колебания скорости ветра,
как дневные, так и годовые, выражены слабо.
Это остается в целом верно и для частотности
Анемометрическая шкала Бофорта
Таблица 2.1.5-1
Балл Бофорта Скорость ветра, м/с Динамическое давление, мбар Сила ветра
0 0-0.2 0 Штиль
1 0,3-1,5 0-0,0098 Тнхий
2 1,6-3,3 0,02-0,06 Легкий
3 3,4-5,4 0,07-0,18 Слабый
4 5,5-7,9 0,19-0,38 Умеренный
5 8,0-10,7 0,39-0,71 Свежий
6 10,8-13,8 0,72-1,18 Сильный
7 13,9-17,1 1,19-1,80 Крепкий
8 17,2-20,7 1,81-2,63 Очень крепкий
9 20,8-24,4 2,64-3,66 Шторм
10 24,5-28,4 3,67 4,45 Сильный шторм
И 28,5-32,6 4,46-6,52 Жестокий шторм
12 32,7 н более 6,53 н более Ураган
Рнс. 2.1.5-1. Пример дневного изменения средней ско-
рости ветра для января н июля
направления ветра, которая практически не за-
висит от высоты, пока та не превосходит 100
м. Табл. 2.1.5-2 и 2.1.5-3 дают частотность на-
правлений и скорость ветра для Парижа (Ле-
Бурже).
2.1.6. Сводка данных о климате
Различные величины, такие, как солнечное
излучение, температура и влажность воздуха,
скорость ветра, которые встречались выше,
приведены в табл. 2.1.6-1 для некоторых евро-
Рнс. 2.1.5-2. Среднемесячные скорости ветра для неко-
торых городов
пейских городов. Интенсивность солнечного из-
лучения, как и температура, зависит не только
от географической широты рассматриваемого
места, но и от состояния неба (ясное или об-
лачное). Вот почему высокие температуры, ха-
рактерные для стран средиземноморского бас-
сейна, обусловлены в большей степени отсут-
ствием, часто длительным, облачности.
Рнс. 2.1.5-3. Средние скорости ветра
для различных мест в зависимости от вы-
соты
Таблица 2.1.5-2
Частотность направлений очень слабого ветра (Ж1 м/с) для Парижа (район Ле-Бурже) в результате
1000 замеров по данным ежедневных наблюдений (в 6,12 н 18 часов) за период 1951—1960 гт.
Направле- ние ветра Месяц Средне- годовое значе- ние
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
с 55 76 53 128 98 81 73 37 38 61 71 58 69
с-с-в 62 102 105 171 149 102 83 68 54 69 74 38 91
с-в 55 67 94 99 81 57 53 55 74 48 48 36 64
в-с-в 44 43 75 51 59 45 20 15 52 44 42 43 45
в 80 55 126 48 77 54 21 46 89 82 72 66 68
в-ю-в 9 17 29 8 18 18 10 24 20 19 20 18 18
ю-в 26 31 38 18 20 13 8 20 33 37 48 55 29
ю-ю-в 57 23 48 29 22 22 17 22 44 64 91 63 42
ю 75 85 67 34 40 43 18 41 58 80 124 134 65
ю-ю-з 101 89 61 54 54 47 53 78 63 98 100 103 75
юз 83 104 61 73 45 67 121 126 100 94 52 99 85
з-ю-з 105 78 68 67 51 80 98 106 87 51 68 103 80
3 144 131 99 82 139 156 218 199 166 140 88 113 139
з-с-з 39 38 28 34 45 82 80 75 57 47 30 26 48
С-3 26 32 24 26 50 70 60 58 34 31 29 17 38
с-с-з 39 29 24 78 52 63 67 30 31 35 53 28 44
Таблица 2.1.5-3
Частотность скоростей г ветра для Парижа (Ле-Бурже) в результате 1000 замеров
по данным ежедневных наблюдений (в 6,12 и 18 часов) за период 1951—1960 п .
Скорость, м/с Месяц Средне- годовое значение
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
Р<1 171 203 144 145 179 203 175 239 236 265 230 197 200
1<у<4 384 369 413 311 362 396 370 405 426 402 413 396 386
4<«<6 193 170 243 283 258 261 275 205 199 190 193 190 222
6<у<14 246 258 198 260 200 140 180 151 139 141 163 217 191
14<у<21 6 0 2 1 1 0 0 0 0 2 1 0 1
V>21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
При переходе от морского климата, господ-
ствующего на западе Европы, к континенталь-
ному климату Восточной Европы амплитуда
среднегодового изменения температуры удваи-
вается и, следовательно, значительно увеличи-
ваются предельные значения. На направления
и скорости ветра часто влияют местные особен-
ности, как, например, на равнинах.
2.1.7. Состояние воздуха
вне сооружения и диаграмма
влажного воздуха
Ранее мы видели, что воздух характеризу-
ется определенным набором параметров, таких,
как температура, влажность (абсолютная или
относительная), энтальпия и плотность. При
изменении одного или нескольких из этих па-
раметров изменяются и другие. Если известны
начальные характеристики данной массы воз-
духа, то всегда можно рассчитать характерис-
тики воздуха после каких-либо преобразований.
Но так как расчеты, как правило, трудоемки,
то специалисты заменяют их графическими ме-
тодами определения, более простыми и более
быстрыми.
Для этой цели используют диаграммы влаж-
ного воздуха. Существует много разновиднос-
тей этих диаграмм (более подробно они будут
рассмотрены в следующем разделе).
Таблица 2.1.6-1
Климатические таблицы для некоторых европейских городов с указанием их географических координат н
высоты над уровнем моря (если измерение солнечного излучения произведено на другой высоте, она указана в
скобках)
1„ - средняя температура воздуха, °С; I, - максимальная абсолютная температура воздуха, °С; 1„ — минимальная
абсолютная температура воздуха, °С; р„ - давление паров воды, гПа (»мбар); е - облачность, %; Р, - направление
ветра; V, - скорость ветра в м/с; О - среднедневная интенсивность полного солнечного излучения, кВтч/м2; О, -
максимальная дневная интенсивность полного солнечного излучения, кВгч/м2.
Город Месяц Р- е А V» О а,
Аахен Январь 1,8 17,1 -19,2 6,1 76 Ю-3 4,1 0,74 1,96
51° с.ш. Июнь 16,0 36,6 2,2 13,1 66 Ю-3 2,4 5,21 9,13
6° в.д. Июль 17,6 37,0 5,9 14,9 69 Ю-3 2,6 4,98 8,44
202 м Август 17,2 37,2 3,4 14,8 64 Ю-3 2,7 4,48 7,20
Среднегодовое 9,7 37,2 -20,3 9,9 67 Ю-3 3,0 2,89 5,32
значение
Аугсбург Январь -1,7 16,1 -26,5 4,8 72 3 2,8 1,09 2,39
48° с.ш. Июнь 16,1 34,8 3,3 13,3 58 3 2,8 5,45 8,81
11° В.Д. Июль 17,8 37,5 3,6 14,8 54 3 2,7 5,59 8,38
490 м Август 17,2 37,0 2,5 14,4 51 3 2,4 4,57 7,14
(461 м) Среднегодовое 8,2 37,5 -28,2 9,3 60 3 2,6 3,25 5,50
значение
Афины Январь 9,3 55 с-в 1,9 1,75 3,04
38° с.ш. Июнь 24,6 25 Ю-3 1,8 6,84 7,98
24° в.д. Июль 27,6 11 с-в 2,2 6,88 7,84
107 м Август 27,4 12 с-в 2,2 6,18 7,15
Среднегодовое 17,8 40 с-в 2,0 4,33 5,61
значение
Белград Январь -0,2 19,8 -19,5 71 ю-в 1,49 2,09
45° с.ш. Июнь 20,5 36,7 4,8 48 3 6,19 8,61
20° в.д. Июль 22,6 39,4 9,3 31 3 6,27 8,43
132 м Август 22,0 39,2 8,3 38 3 5,59 7,56
(243 м) Среднегодовое 11,8 39,4 -25,5 56 ю-в 3,82 5,80
значение
Берген Январь 1,5 13,3 -13,5 5,7 71 ю 3,2 0,20 0,47
45° с.ш. Июнь 12,6 31,8 0,6 10,7 68 с-с-з 2,9 4,14 7,66
5° в.д. Июль 15,0 30,5 5,2 12,8 74 с-с-з 2,4 3,49 6,17
45 м Август 14,7 29,7 5,4 12,5 71 с-с-з 2,6 1,86 4,12
Среднегодовое 7,8 31,8 -13,5 8,4 71 ю 3,2 2,15 4,04
значение
берлин Январь -1,1 12,6 -22,5 5,2 76 3 5,3 0,56 1,28
52° с.ш. Июнь 16,8 35,6 3,6 12,7 62 3 4,2 5,44 8,24
13° в.д. Июль 18,4 38,4 6,4 14,9 65 3 4,2 5,21 8,03
81 м Август 17,7 37,4 5,7 14,7 61 3 4,2 4,49 6,82
(33 м) Среднегодовое 8,7 38,4 -23,0 9,3 68 3 4,6 2,76 4,68
значение
Брно Январь -2,7 14,4 -21,6 4,4 72. С-3 0,68 2,04
49° с.ш. Июнь 17,8 35,4 0,8 13,0 50 с 5,62 9,61
17°в.д. Июль 19,3 36,1 5,7 14,8 49 с 5,53 9,03
223 м Август 18,5 35,4 5,1 14,4 47 с 4,74 7,59
(241 м) Среднегодовое 8,8 36,1 -30,4 9,1 58 С-3 3,06 5,52
значение
Брюссель Январь 2,2 15,3 -18,7 6,5 77 Ю-3 4,3 0,64 1,54
51° с.ш. Июнь 16,0 38,8 0,3 14,0 72 Ю-3 3,4 4,92 7,70
4° в.д. Июль 17,5 37,1 5,2 15,8 72 Ю-3 3,4 4,64 7,71
100 м Август 17,3 36,5 4,8 15,9 71 Ю-3 3,4 4,09 6,42
Среднегодовое 9,9 38,8 -18,7 10,7 73 Ю-3 3,8 2,66 4,68
значение
Продолжение табл. 2.1.6-1
Город Месяц ^ж 61 е А V» а Од
Будапешт Январь -1,1 15,1 -21,7 4,7 70 С-3 2,1 0,97 2,02
47° с.ш. Июнь 20,2 39,5 3,0 13,9 52 С-3 2,5 6,02 8,34
19° в.д. Июль 22,2 38,4 8,9 15,1 46 С-3 2,5 5,89 7,99
120 м Август 21,4 39,0 7,0 14,6 43 С-3 2,5 5,09 7,16
(130 м) Среднегодовое 11,2 39,5 -23,4 9,5 58 С-3 2,3 3,42 5,20
значение
Бухарест Январь -2,7 16,6 -30,0 3,5 74 3 2,2 1,35 2,41
44° с.ш. Июнь 20,9 37,2 7,1 11,9 55 в 1,5 6,60 8,53
26° в.д. Июль 23,3 39,3 8,6 13,1 41 в 1,4 6,45 8,25
82 м Август 22,7 41,1 7,1 12,4 38 в 1,5 5,74 7,36
(91м) Среднегодовое 11,1 41,1 -30,0 7,9 58 в 2,0 3,87 5,54
значение
Варшава Январь -3,5 10,7 -27,1 78 3 5,2 0,53 1,26
52° с.ш. Июнь 17,5 32,1 2,3 58 3 3,4 5,36 8,01
21° в. д. Июль 19,2 35,1 5,2 61 3 3,3 5,05 7,93
107 м Август 18,2 35,1 5,4 56 3 3,1 4,57 6,82
(130 м) Среднегодовое 8,1 35,1 -27,1 64 3 4,1 2,67 4,58
значение
Вена Январь -1,4 16,7 -21,9 4,5 75 3 3,2 0,76 1,72
48° с.ш. Июнь 18,1 36,1 4,1 13,8 56 3 3,1 5,33 7,96
16° В.Д. Июль 19,9 38,3 8,8 15,3 53 3 3,2 5,44 8,07
203 м Август 19,3 34,2 8,0 15,2 49 3 2,8 4,52 6,76
Среднегодовое 9,8 38,3 -22,6 9,5 62 3 3,0 3,03 4,92
значение
Гамбург Январь 0,0 14,4 -22,8 5,7 79 ю-з 5,0 0,52 1,26
54° с.ш. Июнь 15,3 34,5 1,3 12,8 67 3 3,9 5,44 8,13
10° в.д. Июль 17,0 35,1 3,4 14,9 70 3 4,0 4,82 7,50
14 м Август 16,6 35,7 2,4 15,1 71 ю-з 3,8 4,34 6,61
Среднегодовое 8,4 35,7 -29,1 9,6 72 Ю-3+3 4,2 2,68 4,60
значение
Дебрецен Январь -2,7 13,8 -30,2 4,4 69 ю-з 3,3 0,94 2,01
47° с.ш. Июнь 19,8 37,0 -0,4 11,1 54 ю-з 2,8 5,71 7,94
22° в.д. Июль 21,8 38,5 5,2 15,7 54 ю-з 2,7 5,90 7,77
123 м Август 20,8 39,0 2,7 14,6 44 ю-з 2,5 4,89 6,77
Среднегодовое 10,3 39,0 -30,2 9,6 58 ю-з 3,0 3,28 4,89
значение
Загреб Январь 0,2 17,9 -24,6 82 в 0,94 2,08
46° с.ш. Июнь 19,9 37,0 0,2 58 с-в 5,62 8,52
16° в.д. Июль 22,0 37,1 5,2 45 с-в 5,92 8,30
163 м Август 21,3 34,7 4,4 47 с-в 4,88 7,13
(157 м) Среднегодовое 11,6 37,1 -30,51 65 с-в 3,32 5,41
значение
Зальцбург Январь -2,5 15,2 -30,4 4,6 72 ю-в 2,2 1,03 2,03
48° с.ш. Июнь 16,0 35,0 0,2 13,5 64 ю-в 2,0 4,63 7,98
13° в.д. Июль 17,8 36,2 5,2 15,2 62 ю-в 2,1 4,91 7,76
435 м Август 17,1 36,3 2,0 15,1 55 ю-в 2,0 4,24 6,86
Среднегодовое 8,1 36,3 -30,6 9,4 65 ю-в 2,0 2,92 5,07
значение
Инсбрук Январь -2,8 18,5 -26,6 4,1 63 3 1,2 1,31 2,20
47° с.ш. Июнь 16,7 35,9 0,6 12,3 64 в 1,4 5,42 8,36
11° в.д. Июль 18,1 36,9 4,2 14,1 61 в 1,2 5,42 8,05
582 м Август 17,4 34,5 3,3 14,0 60 в Г,2 4,67 7,10
Среднегодовое 8,6 36,9 -26,9 8,5 62 в 1,3 3,45 5,33
значение
Продолжение табл. 2.1.6-1
Город Месяц !т 1, Р» е А V* О Од
Лион Январь 2,1 17,7 -20,7 6,4 74 С 3,1 1,08 2,65
46° с.ш. Июнь Г8,5 36,8 2,3 14,6 57 С 2,9 5,90 8,94
5° в.д. Июль 20,7 39,5 6,4 15,8 47 С 2,8 6,27 8,54
200 м Август 20,1 39,7 4,6 16,0 50 с 2,6 5,09 7,48
Среднегодовое 11,4 39,7 -24,6 10,8 61 с 3,0 3,44 5,63
значение
Лисабон Январь 10,8 20,6 -0,5 с 4,0 1,99 3,35
39° с.ш. Июнь 20,1 37,7 9,8 с 4,4 7,17 8,87
9°з.д. Июль 22,2 39,9 12,1 с 4,8 7,53 8,64
77 м Август 22,5 40,3 13,3 с 4,4 6,96 8,05
Среднегодовое 16,6 40,3 -1,2 с 4,1 4,73 6,24
значение
Мадрид Январь 4,9 18,0 -10,1 7,2 С-3 2,6 1,73 2,92
40° с.ш. Июнь 20,6 38,1 6,4 12,3 С-3 2,7 6,69 8,50
4°з.д Июль 24,2 39,1 8,5 12,9 С-3 2,9 7,22 8,20
667 м Август 23,6 38,9 9,2 12,9 С-3 2,9 6,48 7,45
Среднегодовое 13,9 39,1 -10,1 9,9 С-3 2,7 4,36 5,83
значение
Малага Январь 12,5 29,0 0,0 10,4 3 2,1 2,69 3,69
37° с.ш. Июнь 22,8 39,0 12,0 17,7 ю-в 1,9 7,22 8,82
4° з.д. Июль 25,2 40,6 12,0 20,6 ю-в 1,9 7,48 8,62
34 м Август 25,6 40,4 12,0 21,0 ю-в 1,9 6,82 7,87
(16 м) Среднегодовое 18,5 40,6 0,0 15,2 ю-в 2,1 4,91 6,28
значение
Неаполь Январь 9,0 18,3 -3,9 54 1,80 3,02
41° с.ш. Июнь 22,2 35,2 11,5 37 6,66 8,12
14° в.д. Июль 24,8 37,9 13,8 24 6,78 8,02
25 м Август 25,0 36,6 14,0 24 6,18 7,69
(72 м) Среднегодовое 16,8 37,9 -3,9 46 4,19 5,81
значение
Ницца Январь 7,5 22,2 -1,6 7,5 50 С-3 4,6 1,72 2,89
44° с.ш. Июнь 20,1 31,2 7,6 17,9 47 в 3,1 6,79 8,56
7° в.д. Июль 22,7 34,0 12,8 20,3 28 в 3,0 7,13 8,36
5 м Август 22,5 35,8 11,4 20,3 34 в 3,3 5,92 7,42
(Юм) Среднегодовое 14,8 35,8 -4,6 13,2 47 в 3,8 4,25 5,78
значение
Париж Январь 3,1 15,6 17,0 6,9 70 3 4,4 0,82 2,15
49° с.ш. Июнь 17,1 36,2 1,7 13,4 57 3 3,4 5,68 8,80
2° в.д. Июль 19,0 39,6 4,9 14,8 57 3 3,7 5,67 8,48
52 м Август 18,5 36,6 5,1 14,9 55 3 3,3 4,60 7,02
(65 м) Среднегодовое 10,9 39,6 -17,0 10,4 61 3 3,9 3,12 5,27
значение
Прага Январь -2,6 13,3 -21,2 4,6 75 3 0,64 1,77
50° с.ш. Июнь 16,2 37,2 4,0 11,7 56 3 5,44 9,49
14° в.д. Июль 17,9 35,5 8,5 13,4 56 3 5,44 9,01
197 м Август 17.4 35,0 6,9 13,1 51 3 4,63 7,44
(262 м) Среднегодовое 7,9 37,2 -27,1 8,4 63 3 2,95 5,37
значение
Рнм Январь 6,9 18,1 -5,0 53 1,69 2,78
42° с.ш. Июнь 22,1 34,9 9,2 37 6,58 8,15
12° в.д. Июль 24,7 40,1 11,9 22 6,86 8,06
46 м Август 24,5 39,2 13,2 19 6,16 7,52
(131 м) Среднегодовое 15,6 40,1 -5,4 45 4,19 5,70
значение
Окончание табл. 2.1.6-1
Город Месяц 1т 1, Р» е Р, V? О ох
Сараево Январь -1,4 16,5 -20,9 71 В 1,0 1,29 2,54
44° с.ш. Июнь 17,4 35,3 2,8 53 3 1,2 5,55 8,39
18° в.д. Июль 19,5 36,9 5,5 40 в-з‘> 1,3 5,83 8,30
537 м Август 19,7 38,1 4,6 39 в 1,6 5,05 7,40
(503 м) Среднегодовое 9,8 38,1 -23,4 59 в 1,4 3,45 5.58
значение
София Январь -1,7 16,9 -27,5 4,8 77 3 2,0 1,29 2,62
43° с.ш. Июнь 19,0 34,0 2,5 14,4 52 3 1,9 5,00 7,71
23° в.д. Июль 21,3 36,7 6,9 14,6 38 3 1,9 5,29 7,54
550 м Август 20,7 37,3 6,1 14,0 33 3 1,8 4,83 6,92
(588 м) Среднегодовое 10,4 37,5 -27,5 9,6 58 3 2,0 3,23 5,23
значение
Сплит Январь 7,8 6 54 с-в 3,5 1,90 3,21
44° с.ш. Июнь 22,9 17 38 с-в, ю-з 2,8 7,30 9,09
16° в.д. Июль 25,6 18 22 с-в 2,6 7,19 8,71
128 м Август 25,4 17 25 с-в 2,7 6,37 7,89
Среднегодовое 16,1 12 46 с-в 3,1 4,48 6,20
значение
Стокгольм Январь -2,9 9,6 -28,2 4,4 76 з-ю-з 3,9 0,32 0,83
59° с.ш. Июнь 14,9 32,2 1,0 П,2 55 з-ю-з 4,3 6,57 8,68
18° в.д. Июль 17,8 34,6 8,0 14,3 54 ю-з 3,7 5,58 8,26
44 м Август 16,6 31,0 4,8 14,3 56 ю-з 3,8 4,52 6,96
(12 м) Среднегодовое 6,6 34,6 -28,2 8,3 65 з-ю-з 3,8 2,82 4,56
значение
Цюрих Январь -1,1 16,0 -8,6 4,9 83 з/ю-з 2,6 0,83 1,85
47° с.ш. Июнь 15,9 34,9 3,3 12,3 63 3 2.9 5.45 8,41
9° в.д. Июль 17,6 36,4 5,6 13,8 59 3 2,7 5,80 8.41
569 м Август 17,0 34,7 4,1 13,8 58 3 2,6 4,56 7,18
(440 м) Среднегодовое 8,5 36,4 -24,8 8,9 69 3 2,8 3,11 5,22
значение
’’ Так в оригинале. -Примеч. пер.
На рис. 2.1.7-1 представлена диаграмма
МоШег, на которой по вертикальной оси отло-
жены температуры, по горизонтальной - абсо-
лютная влажность. Ломаная линия на этой ди-
аграмме ограничивает область, в которой мо-
жет изменяться состояние воздуха для европей-
ского континентального климата (например, в
Страсбурге). Параметры воздуха крайне редко
превосходят предельные значения /=35 °С для
температуры, й=69 кДж/кг для энтальпии и
х= 16 г на 1 кг сухого воздуха для абсолютной
влажности (или давления паров воды около
25 гПа).
Рис. 2.1.7-1. Границы изменения параметров воздуха
для европейского континентального климата на диаграмме
влажного воздуха типа МоШег
2.2. Влажный воздух и его диаграмма
2.2
Многие применения холодильной техники
имеют своей целью охлаждение окружающего
воздуха: например, в случае холодильного скла-
да, как правило, необходимо поддерживать воз-
дух при заданных температуре н влажности.
Из-за того что существуют различные источ-
ники поступления тепла (передача тепла из
внешней среды через стенки; выделение тепла
человеческим организмом н машинами, това-
рами на складе н т.д.), требуется охлаждение
окружающего воздуха путем циркуляции его к
испарителю (питаемому хладагентом) или к ох-
лаждающей батарее (обслуживаемой охлаж-
денной водой) и затем к рассматриваемому по-
мещению. В это помещение может поступать:
- либо воздух, полностью используемый
повторно, когда в циркуляции участвует 100 %
воздуха из обрабатываемого помещения. Такое
решение является довольно редким, потому что
воздух в помещении насыщается понемногу
различными загрязнениями, выделяемыми хра-
нящимися продуктами, человеческими организ-
мами н т.д. С другой стороны, это решение эко-
номически выгодно, особенно летом, посколь-
ку при этом не нужно охлаждать новые порции
воздуха, имеющие температуру внешней среды
(которая всегда выше температуры рассматри-
ваемого помещения), до температуры воздуха,
подаваемого в помещение;
- либо воздух, большая часть которого ис-
пользуется повторно, однако он смешивается
перед поступлением в помещение с некоторым
количеством нового воздуха. Так поступают в
большинстве случаев, будь то холодильные
склады или кондиционируемые помещения;
- либо воздух, обновляемый на 100 %. Та-
кое решение, однако, используется довольно
редко, только в специальных установках кон-
диционирования воздуха, когда хотят полнос-
тью исключить риск повторной подачи загряз-
ненного воздуха, например в случае некоторых
чистых помещений, камер для моделирования
заданных условий или в лабораториях.
Во всех случаях мы имеем дело с некото-
рым объемом вдуваемого воздуха при опреде-
ленных значениях температуры и влажности
для того, чтобы поддерживать требуемые пара-
метры окружающего воздуха. Если установка
работает с воздухом, полностью используемым
повторно или полностью обновляемым, то не-
которые характеристики этого воздуха должны
быть изменены (температура и влажность) в
целях достижения определенных условий вду-
ва для поддерживания параметров окружающе-
го воздуха в их заданных значениях. То же са-
мое будет в случае, если только часть воздуха
используется повторно, при этом предваритель-
но производится смешивание повторно исполь-
зуемого воздуха и нового воздуха.
Если известны параметры повторно исполь-
зуемого воздуха и нового воздуха, то матема-
тический расчет дает возможность определить
температуру н влажность смешанного, а затем
и вдуваемого воздуха после прохождения испа-
рителя или охлаждающей батареи. Однако та-
кие расчеты достаточно трудоемки, н, чтобы их
избежать, специалисты применяют метод гра-
фического решения этих задач. Для этого ис-
пользуют диаграмму влажного воздуха, приме-
нение которой особенно просто и которую мы
приведем в п. 2.2.3. Однако прежде нам необ-
ходимо уточнить некоторые общие понятия, от-
носящиеся к влажному воздуху.
2.2.1. Характеристики влажного
воздуха, определения
Воздух, окружающий нас со всех сторон, -
это смесь различных газов, содержание кото-
рых практически постоянно (это азот, кисло-
род, аргон), и водяного пара, содержание кото-
рого является переменным. Наименьшее содер-
жание практически равно 0 % (при низких тем-
пературах), а наибольшее - примерно 3 % по
массе или около 4 % по объему.
Мы только что отметили, что воздух явля-
ется смесью газов и паров воды, причем каж-
дый компонент имеет парциальное давление,
равное давлению, которое он бьгимел, если бы
был один.
Закон Дальтона, о котором мы уже говори-
ли в п. 1.3.4.10, утверждает, что полное давле-
ние смеси (влажного воздуха) равно
Рак = Раз + Руе ,
где рш - парциальное давление сухого воздуха;
р„е - парциальное давление паров воды.
Если газы обычно могут смешиваться в лю-
бых пропорциях, то воздух может вместить
лишь определенное количество паров воды,
потому что парциальное давление паров
воды в смеси не может быть больше парциаль-
ного давления насыщения р^5 этих паров при
рассматриваемой температуре. Существование
предельного парциального давления насыще-
ния проявляется в том, что все избыточные
пары воды сверх этого предела будут конден-
сироваться.
Мы увидим в разд. 2.2.3, что совокупность
точек, разграничивающих состояния воздуха
ненасыщенного н воздуха перенасыщенного,
образует кривую насыщения на диаграмме
влажного воздуха. Как только парциальное дав-
ление пара (говорят также: упругость паров
воды) достигает значения давления насыщения
происходит конденсация, которая, однако,
не всегда проявляется в виде осадка: на самом
деле иногда избыток паров воды может про-
явиться в виде мельчайших капелек воды или
кристалликов льда, которые остаются в возду-
хе во взвешенном состоянии (в виде облака или
тумана с изморозью).
2.2.1.1. Абсолютная влажность воздуха
До тех пор пока парциальное давление рче
паров воды будет меньше давления насыщения
руе в прн рассматриваемой температуре, можно
применять уравнение состояния идеальных га-
зов (см. п. 1.3.4.3) к каждому из компонентов.
Следовательно, можно записать:
- для сухого воздуха:
Т
Раз ~ ™аз * К'Р'ОЗ ' р,
- и для паров воды:
Т
Ру6 = Мус ’ Кр уе • — ,
где - масса сухого воздуха, кг;
т^ - масса паров воды, кг;
аз ~ удельная газовая постоянная сухого
воздуха, Дж/(кг-К) (см. табл. 2.7.1-2);
К т - удельная газовая постоянная паров
воды, Дж/(кг-К);
Т - температура влажного воздуха, К;
Г - объем влажного воздуха, м3.
Разделив почленно два этих уравнения, по-
лучаем
Раз _ таз ’ ^р,аз
Руе ‘ ^руе
ИЛИ
туе _ ^Р,аз Руе
^аз ^руе Раз
Если применить это соотношение к массе
сухого газа, равной 1 кг, то из отношения
туе
таз
найдем массу паров воды, содержащихся в 1
кг сухого воздуха и образующих прн этом смесь
из (1+х) кг влажного воздуха.
Эта масса паров воды, нли абсолютная
влажность, обозначается через х, и равна
х=туе ^КР,°* Руе .
^р,уе Раз
Из табл. 2.7.1-2 получаем
Пр(В = 287,1 Дж/(кг-К),
Ллгг=461,5Дж/(кг-К).
Отсюда следует, что
287,1 р^ =
461,5 Ра1
= 0,622^-, кг на 1 кг сухого воздуха,
Руе
и поскольку
Раз ~ Рак ~ Руе ’
то можно также записать
х = 0,622——
Рак ~ Рге
Мы видели в п. 1.3.4.3, что удельная газо-
вая постоянная обратно пропорциональна мо-
лярной массе газа. Следовательно, можно за-
писать
х — Муе Руе
Мы Рт
где М*е - молярная масса паров воды, равная
18,02 кг/кмоль, и Мт - молярная масса сухого
воздуха, равная 28,96 кг/кмоль. Тогда из пос-
ледней формулы снова найдем, что
Из формулы
х = 0,622——
Рак ~~ Руе
получаем
Руе (0,622+ х)
Пример
Пусть имеется влажный воздух при давле-
нии роЛ=1 ООО мбар. Если парциальное давле-
ние пара руС 5,25 мбар, то абсолютная влаж-
ность воздуха равна
х = 0,622——
Рак ~~ Руе
= 0,622
5,25
1000-5,25
= 0,00328 кг на 1 кг сухого воздуха =
= 3,28 г на 1 кг сухого воздуха.
Как мы увидим ниже, чтобы знать состоя-
ние воздуха, нужно еще знать либо температу-
ру, либо относительную влажность. Если обра-
титься к табл. 2.2.2-1, то получим, что суще-
ствует много состояний воздуха с абсолютной
влажностью 3,28 г/кг, например:
- воздух при 1 °С и относительной влажно-
сти 80 %,
- воздух при 11 °С и относительной влаж-
ности 40 %.
Если, как мы это уже видели, обозначить
через руе!. парциальное давление насыщенных
паров воды, то содержание воды во влажном
воздухе в состоянии насыщения будет равно
8
Рак ~ Руе,&
Если при заданной температуре содержание
воды х во влажном воздухе превысит содержа-
ние хх, соответствующее насыщению, то масса
паров веды, содержащихся в воздухе, будет рав-
на тм-х}, тогда как излишек воды тш(х-х) бу-
дет содержаться в нем в виде конденсата. Если
температура ( выше 0,01 °С (тройная точка),
этот конденсат будет находиться в жидкой фазе
(туман), а при температуре ниже 0,01 °С - в
твердой фазе (лед, иней).
2.2.1.2. Относительная влажность
воздуха
Относительной влажностью <р, или сте-
пенью влажности, или гигрометрическим по-
казателем для данной температуры называют
отношение парциального давления паров воды
к парциальному давлению насыщенных паров.
Следовательно,
<р = ^-.
Руе,з
Поскольку для ненасыщенного воздуха
Руе^уез’ то относительная влажность меньше
1. При насыщении р^-р^ следовательно, <р= 1.
Если абсолютная влажность больше, чем абсо-
лютная влажность при насыщении, то понятие
относительной влажности теряет смысл.
Вводя в уравнение
х = 0,622—^—
Рак ~~ Руе
величину полунаем
у._. 0,622
Рак ~~ Руе,з
и, следовательно,
Ф = —-------
0,622+ х
Пример
Для температуры 1 °Стабл. 2.2.2-1 дает зна-
чение давления насыщенных паров воды
/\,е5=6,56 мбар. Если при 1 °С давление паров
для рассматриваемого воздуха де=5,25 мбар,
то относительная влажность равна
Ф = — = 0,8 = 80%.
6,56
Мы получили в предыдущем примере, что
при парциальном давлении паров воды 5,25
мбар абсолютная влажность х составляет 3,28
г на 1 кг сухого воздуха. Следовательно, в на-
шем примере при температуре 1 °С получаем
также
Ф = -^______=
0,622 +г
= 0,00328 х1000=08 = 80о/о
0,622 + 0,00328 6,56
Мы увидим в разд. 2.6.4, как определить
степень влажности окружающего воздуха, зная
температуры, измеряемые с помощью сухого и
влажного термометров.
2.2.1.З. Плотность влажного воздуха
Плотность влажного воздуха раА равна
сумме плотности сухого воздуха и плотнос-
ти паров воды рге. Тогда получаем:
Рай ~ Рау "* Руе
Ранее, в п. 2.2.1.1, мы отмечали, что (урав-
нение состояния идеальных газов)
Г
Раз ~~ ™аз ’ Рр,аз ' у
ИЛИ
V Рр,аз'Т
И
Т
Руе — ’Р-руе ~у’
ИЛИ
. _ туе Руе
Р'’е V К -Т'
* 'р.уе *
Получаем в результате, что
П г I Р™
Рак р ТО т ’
Кр'Оз ‘ •* Кр уе ’ 1
где раА - плотность влажного воздуха, кг/м3;
р^ - парциальное давление сухого воздуха,
Па; “
Р™ - парциальное давление паров воды, Па;
^раз = Дж/(кг-К) - удельная газовая
постоянная сухого воздуха;
Круе = 461,5 Дж/(кг-К) - удельная газовая
постоянная паров воды;
Т - абсолютная температура, К.
Парциальные давления часто выражаются в
мбар, и поскольку 1 мбар=100 Па, то предыду-
щая формула примет вид
100-^ | 100 д, 100/^ ! 100А,е
РаА В.Р'О'-Т Круе-Т 287,1 Т 461,5-7'
= 0,3483-^ + 0,2166^-.
т т
Так как
Раз Рак Руе ’
получим
раН= 0,3483^- -0,1316^-;
это позволяет сделать вывод, что влажный воз-
дух всегда легче, чем сухой.
Применение уравнения состояния к влажно-
му воздуху' дает
Т
Рак = так Рр,ак '
ИЛИ
п так _ Рак
Кр.ак-Т’
где Кр ак - удельная газовая постоянная влаж-
ного воздуха, связанная с удельными газовы-
ми постоянными Кр ш сухого воздуха и Кр уе па-
ров воды соотношением
К„„ + х -7?
п _ _______Р^е
Кр,ак- 1,у
Плотность влажного воздуха может быть
также записана в виде
1 + Г Рак
Яра! + х-Круе Т
Пример
Рассмотрим воздух при тех же условиях, что
и в предыдущих примерах, т. е. при темпера-
туре 1 °С, давлении влажного воздуха 1000
мбар и парциальном давлении 5,25 мбар.
При этих условиях плотность рассматрива-
емого воздуха равна
ра„ = 0,3483 0,1316 =
= 0,3483^-0,1316-^ =
273 + 1 273+1
= 1,2686 кг/м3.
Так как абсолютная влажность воздуха
х=3,28 г/кг, имеем также
1 + Х Рак _
1+0,00328 100x1000
=-------------------х-----------=
287,1+0,00328x461,5 273+1
= 1,2686 кг/м3.
Диаграмма на рис. 2.2.1-1 позволяет легко
определить плотность воздуха в зависимости от
барометрического давления, температуры и сте-
пени влажности.
2.2.1.4. Удельный объем влажного
воздуха
Во многих расчетах по охлаждению возду-
ха необходимо знать удельный объем влажно-
го воздуха. Обозначим рассматриваемый объем
влажного воздуха через V, а массу сухого воз-
духа через т^, тогда получим удельный объем
V Кр,а^-Т Круе'Т
У1+х =---= ----+Х-2----=
аз Рак Рак
Л Т (Р Т
= ^ + х =461,5 —(0,622 + х).
Рак ^^р,уе ; Рак
По отношению к массе влажного воздуха
удельный объем записывается в виде
V
^ак =----7--->
шда+тте
при этом получаем отношение, связывающее
Л* с
/. X 1 + Х
3’1+х='лал(1 + х) =-,
Рак
где раЛ - плотность, которую мы обсуждали
выше.
Пример
Рассмотрим снова воздух при +1 °С, как и
в предыдущих примерах. Находим, что
у, = 461,5 х—————(о,622 + 0,00328) =
100000' 7
= 0,7908 м3/кг,
это значение дает объем влажного воздуха, со-
держащего единицу массы сухого воздуха.
В предыдущем примере мы получили
рай = 1,2686 кг на 1 м3 влажного воздуха,
следовательно,
у , = —-— = 0,7882 м3/кг.
аЬ 1,2686 '
Это число равно объему влажного воздуха,
содержащего единицу массы влажного возду-
ха. Так как х=0,00328 кг, получаем
Г1+х = уай (1 + х) = 0,7882(1 + 0,003 28) =
= 0,7908 м3/кг.
2.2.1.5. Энтальпия влажного воздуха
Она равна сумме энтальпий компонентов
влажного воздуха. Если обозначить:
через удельную энтальпию сухого воз-
духа, кДж/кг, и
через куе удельную энтальпию влажного
воздуха, кДж/кг,
то энтальпия влажного воздуха будет равна
Я = щда-Л(И+туг-йие.
Отнеся ее к массе сухого воздуха, полу-
чим
й — '^аг . 1л — И 4-г.к
"1+х ' куе кдз + Х-Пуе
таз таз таз
Удельная энтальпия сухого воздуха равна
к аз ~ Ср'ОЗ ’
где с - удельная теплоемкость сухого возду-
I - температура, ° С.
Если перепады температуры невелики, мож-
но положить ср<и=1 кДж/(кг-К), однако, как
только перепады температур станут большими,
расчеты следует проводить исходя из теплоем-
кости, средней между 0 °С и рассматриваемой
температурой Г.
Удельная энтальпия паров воды равна
куе = г0 +ср„ (,
где г0 = 2500 кДж/кг - скрытая теплота обра-
зования паров воды при 0 °С;
Сруе ~ удельная теплоемкость паров воды,
кДж/(кг-К);
(- температура, °С.
Для удельной теплоемкости паров воды
можно принять значение сриг=1,86 кДж/(кг-К),
эта величина мало меняется в интересующей
нас области температур (см. рис. 1.3.3-24).
Окончательно получаем
^1+х = Ср.аз '1 + Х (”0 + ср,™ ’ 0 =
= / + х(2500+1,861),
кДж на (1+х) кг влажного воздуха,
вплоть до того состояния, когда воздух макси-
мально насыщен влагой.
Когда в воздухе содержится, кроме пара,
еще н вода в жидком состоянии, т. е. когда со-
держание воды х больше значения хз, соответ-
ствующего насыщению, энтальпия этого воз-
духа равна
^х = ср,а, •1 + Хх(Г0 + Ср,™ • ') + (* ' хг) Сре1 • (
где последний член представляет энтальпию
массы жидкой воды (х - х^, удельная теплоем-
кость которой равна
Ср,е1 = 4>19 КДЖ/(КГ-К).
Следовательно, в этом случае имеем
А1+х = 1 + хД2500 +1,86 1)+(х-хх)-4,19 I.
Наконец, в случае, когда воздух по-прежне-
му насыщен, но температура ниже 0 °С, в воз-
духе содержится лед. Энтальпия воздуха умень-
шается на сумму количества тепла, отданного
при отвердевании льда (теплота отвердевания
/у=332 кДж/кг, см. табл. 1.3.3-7), и тепла, от-
данного прн охлаждении льда от 0 до I °С (при
теплоемкости льда с&, равной в среднем 2,05
кДж/(кг-К) для температуры от 0 до -20 °С, см.
табл. 1.3.1-3). Тогда получаем
А1+х = ср,а1 + ХЛо +Ср,™ {)-
-(х-х^г~ся-()=
= 1 + хх(2500 + 1,861)-
-(х-хх)(332-2,051)
Во всех случаях удельная энтальпия влаж-
ного воздуха А1+х, которую впредь для просто-
ты будем обозначать А, выражается в кДж на 1
кг сухого воздуха или (1+х) кг влажного возду-
ха.
Пример
Если мы вернемся к примеру ненасыщен-
ного воздуха при +1 °С, рассмотренному вы-
ше, абсолютная влажность которого равна
х=0,00328 кг на 1 кг сухого воздуха, то найдем,
что энтальпия равна
А = 1 + 0,00328 (2500+1,86 х 1) =
= 9,206 кДж на 1 кг сухого воздуха.
(Табл. 2.2.2-1 дает А=9,20 кДж/кг.)
2.2.1.6. Другие определения
Они относятся главным образом к точке
(температуре) росы, определяемой как темпе-
ратура, при которой начинается конденсация
воды в охлаждаемой газовой смеси, а также к
температурам сухого термометра и влажного
термометра, которые являются просто темпера-
турами, измеренными термометром с сухим
термочувствительным баллоном или термомет-
ром с влажным термочувствительным балло-
ном (шариком).
Мы вернемся к ним в разд. 2.2.3 при изуче-
нии диаграммы влажного воздуха и в разд.
2.6.2 при изучении приборов для измерения
температуры.
2.2.2. Таблицы влажного воздуха
Таблица 2.2.2-1
Характеристики влажного воздуха при давлении 1000 мбар в зависимости от температуры
и относительной влажности
р, - парциальное давление паров воды, мбар, х - абсолютная влажность, г на 1кг сухого воздуха, к - энтальпия
влажного воздуха, кДж/(1+х) кг.
1, °С Характе- ристика Относительная влажность, %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
А 0,14 0,27 0,41 0,55 0,68 0,82 0,96 1,10 1,23 1,37
-17 X 0,09 0,17 0,25 0,34 0,42 0,51 0,60 0,68 0,77 0,85
к -16,8 -16,6 -16,4 -16,2 -16,0 -15,8 -15,5 -15,3 -15,1 -14,9
Ру 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,50
-16 X 0,09 0,19 0,28 0,37 0,47 0,56 0,65 0,75 0,84 0,93
к -15,8 -15,5 -15,3 -15,1 -14,8 -14,6 -14,4 -14,1 -13,9 -13,7
Ру 0,16 0,33 0,49 0,66 0,82 0,99 1,15 1,32 1,48 1,65
-15 X 0,10 0,20 0,30 0,41 0,51 0,62 0,72 0,82 0,92 1,03
к -14,7 -14,5 -14,2 -14,0 -13,7 -13,5 -13,2 -13,0 -12,7 -12,5
Ру 0,18 0,36 0,54 0,72 0,90 1,09 1,27 1,45 1,63 1,81
-14 X 0,11 0,22 0,34 0,45 0,56 0,68 0,79 0,90 1,01 1,13
к -13,7 -13,5 -13,2 -12,9 -12,6 -12,3 -12,0 -11,8 -11,5 -11,2
Ру 0,20 0,40 0,59 0,79 1,00 1,19 1,39 1,58 1,78 1,98
-13 X 0,12 0,25 0,37 0,49 0,62 0,74 0,86 0,98 1,11 1,23
к -12,7 -12,4 -12,1 -11,8 -11,5 -11,2 -10,9 -10,6 -10,3 -10,0
Ру 0,22 0,43 0,65 0,87 1,08 1,30 1,52 1,74 1,95 2,17
-12 X 0,14 0,27 0,40 0,54 0,67 0,81 0,95 1,08 1,21 1,35
к -11,6 -11,3 -11,0 -10,7 -10,3 -10,0 -9,6 -9,3 -9,0 -8,6
Ру 0,24 0,47 0,71 0,95 1,18 1,42 1,66 1,90 2,13 2,37
-11 X 0,15 0,29 0,44 0,59 0,73 0,88 1,03 1,18 1,33 1,48
к -10,6 -10,3 -9,9 -9,5 -9,2 -8,8 -8,4 -8,1 -7,7 -7,3
Ру 0,26 0,52 0,78 1,04 1,29 1,55 1,81 2,07 2,33 2,59
-10 X 0,16 0,32 0,48 0,65 0,80 0,96 1,13 1,29 1,45 1,62
к -9,6 -9,2 -8,8 -8,4 -8,0 -7,6 -7,2 -6,8 -6,4 -6,0
Ру 0,28 0,57 0,85 1,13 1,41 1,70 1,98 2,26 2,55 2,83
-9 X 0,17 0,35 0,53 0,70 0,88 1,06 1,23 1,41 1,59 1,77
к -8,6 -8,1 -7,7 -7,3 -6,8 -6,4 -5,9 -5,5 -5,1 4,6
Ру 0,31 0,62 0,93 1,24 1,54 1,85 2,16 2,47 2,78 3,09
-8 X 0,19 0,38 0,58 0,77 0,96 1,15 1,35 1,54 1,73 1,93
к -7,5 -7,0 -6,6 -6,1 -5,6 -5,1 —4.6 —4 2 -3,7 -3,2
Ру 0,34 0,68 1,01 1,35 1,69 2,03 2,37 2,70 3,04 3,38
-7 X 0,21 0,42 0,63 0,84 1,05 1,26 1,48 1,68 1,90 2,11
к -6,5 -6,0 -5,4 -4,9 -4,4 -3,9 -3,3 -2,8 -2,3 -1,8
Ру 0,37 0,74 1,10 1,47 1,84 2,09 2,58 2,94 3,31 3,68
X 0,23 0,46 0,68 0,92 1,15 1,30 1,61 1,83 2,06 2,30
к -5,4 -4,9 -4,3 -3,7 -3,1 -2,8 -2,0 -1,4 -0,9 -о,з
Ру 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 2,41 2,81 3,21 3,61 4,01
-5 X 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50
к —4.4 -3,8 -зд -2,5 -1,9 -1,3 -0,6 0,0 0,6 1,2
Ру 0,44 0,87 1,31 1,75 2,18 2,62 3,06 3,50 3,93 4,37
—4 X 0,27 0,54 0,81 1,09 1,36 1,63 1,91 2,18 2,45 2,73
к -3,3 -2,6 -2,0 -1,3 -0,6 0,0 0,8 1,4 2,1 2,8
Ру 0,47 0,95 1,42 1,90 2,37 2,85 3,32 3,80 4,27 4,75
-3 X 0,29 0,59 0,88 1,18 1,48 1,78 2,07 2,37 2,67 2,97
к -2,3 -1,5 -0,8 0,0 0,7 1,4 2,2 2,9 3,7 4,4
Ру 0,52 1,03 1,55 2,07 2,58 3,10 3,62 4,14 4,65 5,17
-2 X 0,32 0,64 0,96 1,29 1,61 1,93 2,26 2,58 2,90 3,23
к -1,2 -0,4 0,4 1,2 2,0 2,8 3,6 4,4 5,2 6,1
Ру 0,56 1,12 1,69 2,25 2,81 3,37 3,93 4,50 5,06 5,62
-1 X 0,35 0,70 1,05 1,40 1,75 2,10 2,45 2,81 3,16 3,52
к 0,1 0,7 1,6 2,5 3,4 4,2 5,1 6,0 6,9 7,8
Продолжение табл. 2.2.2-1
1,°С Характе- ристика Относительная влажность. %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
р. 0,61 1,22 1,83 2,44 3,06 3,67 4,28 4,89 5,50 6,11
0 X 0,38 0,76 1,14 1,52 1,91 2,29 2,67 3,06 3,44 3,82
к 0,95 1,90 2,85 3,80 4,75 5,70 6,65 7,60 8,55 9,55
Ру 0,66 1,31 1,97 2,62 3,28 3,94 4,59 5,25 5,90 6,56
1 X 0,41 0,82 1,23 1,63 2,05 2,46 2,87 3,28 3,69 4,11
к 2,02 3,05 4,07 5,07 6,12 7,15 8,18 9,20 10,2 11,3
Ру 0,71 1,41 2,12 2,82 3,53 4,23 4,94 5,64 6,35 7,05
2 X 0,44 0,88 1,32 1,76 2,20 2,64 3,09 3,53 3,97 4,42
к 3,10 4,20 5,30 6,40 7,50 8,60 9,73 10,8 11,9 13,1
Ру 0,76 1,51 2,27 3,03 3,79 4,54 5,30 6,06 6,81 7,57
3 X 0,47 0,94 1,42 1,89 2,37 2,84 3,31 3,79 4,26 4,75
к 4,17 5,35 6,55 7,73 8,93 10,1 11,3 12,5 13,7 14,9
Ру 0,81 1,63 2,44 3,25 4,07 4,88 5,69 6,50 7,32 8,13
4 X 0,50 1,02 1,52 2,03 2,54 3,05 3,56 4,07 4,59 5,10
к 5,25 6,55 7,81 9,09 10,4 11,6 12,9 14,2 15,5 16,8
Ру 0,87 1,74 2,61 3,48 4,36 5,23 6,10 6,97 7,84 8,72
5 X 0,54 1,08 1,63 2,17 2,72 3,27 3,82 4,37 4,92 5,47
к 6,35 7,71 9,09 10,4 11,8 13,2 14,6 16,0 17,3 18,7
Ру 0,93 1,87 2,81 3,74 4,68 5,61 6,55 7,48 8,42 9,35
6 X 0,58 1,17 1,75 2,34 2,92 3,51 4,10 4,69 5,28 5,87
к 7,45 8,93 10,4 11,9 13,3 14,8 16,3 17,8 19,3 20,7
ру 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,01
7 X 0,62 1,25 1,87 2,50 3,13 3,75 4,38 5,02 5,65 6,29
к 8,55 10.1 11.7 13.3 14.9 16.4 18.0 19.6 21.2 22.8
Ру 1,07 2,14 3,22 4,29 5,36 6,43 7,50 8,58 9,65 10,72
8 X 0,67 1,33 2,01 2,68 3,35 4,03 4,70 5,38 6,06 6,74
к 9,68 11,3 13,1 14,7 16,4 18,1 19,8 21,5 23,2 25,0
РУ 1,15 2,29 3,44 4,59 5,74 6,88 8,03 9,18 10,32 11,47
9 X 0,72 1,43 2,15 2,87 3,59 4,31 5,04 5,76 6,49 7,22
к 10,8 12,6 14,4 16,2 18,0 19,8 21,7 23,5 25,3 27,2
Ру 1,23 2,45 3,68 4,91 6,14 7,36 8,59 9,82 11,04 12,27
10 X 0,77 1,53 2,30 3,07 3,84 4,61 5,39 6,17 6,94 7,73
к 11,9 13,9 15,8 17,7 19,7 21,6 23,6 25,5 27,5 29,5
ру 1,31 2,62 3,94 5,25 6,56 7,87 9,18 10,5 11,8 13,12
11 X 0,82 1,63 2,46 3,28 4,11 4,93 5,76 6,60 7,43 8,27
к 13,1 15,1 17,2 19,3 21,4 23,4 25,5 27,6 29,7 31,8
Ру 1,40 2,80 4,20 5,60 7,01 8,41 9,81 И.2 12,6 14,0
12 X 0,87 1,75 2,62 3,50 4,39 5,28 6,16 7.05 7,94 8,84
к 14,2 16,4 18,6 20,8 23,1 25,3 27,5 29,8 32,0 34,3
р* 1,50 3,00 4,50 6,00 7,50 9,00 10,5 12,0 13,5 15,0
13 X 0,93 1,87 2,81 3,75 4,70 5,65 6,60 7,55 8,51 9,45
к 15.3 17,7 20,1 22,5 24,9 27,3 29,7 32,1 34,5 36,9
Ру 1,60 3,20 4,80 6,40 8,00 9,60 11,2 12,8 14,4 16,0
14 X 1,00 2,00 3,00 4,01 5,02 6,03 7,05 8,06 9,09 10,1
к 16.5 19,1 21,6 24,1 26,7 29,2 31,8 34,4 37,0 39,5
Ру 1,70 3,40 5,11 6,81 8,52 10,2 11,9 13,6 15,3 17,0
15 X 1,06 2,12 3,19 4,26 5,34 6,41 7,49 8,58 9,66 10,8
к 17,7 20,4 23,1 25,8 28,5 31,2 33,9 36,7 39,4 42,0
Ру 1,81 3,63 5,45 7,27 9,09 10,9 12,7 14,5 16,4 18,2
16 X 1,13 2,27 3,41 4,56 5,71 6,85 8,00 9,15 10,3 11,5
к 18,9 21,7 24,6 27,5 30,4 33,3 36,2 39,1 42,1 45,1
Ру 1,94 3,87 5,81 7,74 9,68 11,6 13,6 15,5 17,4 19,4
17 X 1,21 2,42 3,63 4,85 6,08 7,30 8,58 9,79 11,0 12,3
к 20,1 23,1 26,2 29,3 32,4 35,5 38,7 41,8 44,8 48,1
Ру 2,06 4,12 6,19 8,25 10,3 12,4 14,4 16,5 18,6 20,6
18 X 1,28 2,57 3,87 5,17 6,47 7,81 9,09 10,4 11,8 13,1
к 21,2 24,5 27,8 31,1 34,4 37,8 41,0 44,3 47,9 51,2
Продолжение табл. 2.2.2-1
г,°с Характе- ристика Относительная влажность, %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ру 2,20 4,39 6,59 8,78 и,о 13,2 15,4 17,6 19,8 22,0
19 1,37 2,74 4,13 5,51 6,92 8,32 9,73 ИД 12,6 14,0
й 22,5 25,9 29,5 33,0 36,5 40,1 43,7 47,1 50,9 54,5
Ру 2,34 4,67 7,01 9,35 11,7 14,0 16,4 18,7 21,0 23,4
20 1,46 2,92 4,39 5,87 7,36 8,83 10,4 11,9 13,3 14,9
к 23,7 27,4 31,1 34,9 38,7 42,4 46,4 50,2 53,7 57,8
Ру 2,49 4,97 7,46 9,94 12,4 14,9 17,4 19,9 22,4 24,9
21 х 1,55 3,11 4,67 6,24 7,81 9,41 11,0 12,6 14,3 15,9
к 24,9 28,9 32,9 36,8 40,8 44,9 48,9 53,0 57,3 61,4
р» 2,64 5,28 7,93 10,6 13,2 15,9 18,5 21,1 23,8 26,4
22 1,65 3,30 4,97 6,66 8,32 10,1 И.7 13,4 15,2 16,9
и 26,2 30,4 34,6 38,9 43,1 47,7 51,7 56,0 60,6 64,9
Ру 2,81 5,62 8,42 11,25 14,0 16,8 19,7 22,5 25,3 28,1
23 1,75 3,52 5,28 7,06 8,83 10,6 12,5 14,3 16,2 18,0
к 27,4 32,0 36,4 41,0 45,5 50,0 54,8 59,4 64,2 68,8
Ру 2,98 5,96 8,95 11,9 14,9 17,9 20,9 23,9 26,8 29,8
24 1,86 3,73 5,62 7,49 9,41 11,3 13,3 15,2 17,1 19,1
к 28,7 33,5 38,3 43,1 47,9 52,8 57,8 62,7 67,5 72,6
Ру 3,17 6,33 9,50 12,7 15,8 19,0 22,2 25,3 28,5 31,7
25 1,98 3,96 5,97 8,00 9,99 12,1 14,1 16,2 18,3 20,4
к 30,0 35,1 40,2 45,4 50,4 55,8 60,9 66,3 71,6 76,9
Ру 3,36 6,72 Ю,1 13,4 16,8 20,2 23,5 26,9 30,2 33,6
26 2,10 4,21 6,35 8,45 10,6 12,8 15,0 17,2 19,4 21,6
к 31,3 36,7 42,2 47,5 53,0 58,6 64,2 69,8 75,4 81,1
Ру 3,56 7,13 10,7 14,3 17,8 21,4 24,9 28,5 32,1 35,6
27 2,22 4,47 6,73 9,02 н,з 13,6 15,9 18,3 20,6 23,0
к 32,7 38,4 44,2 50,0 55,8 61,7 67,5 73,7 79,5 85,7
Ру 3,78 7,56 п,з 15,1 18,9 22,7 26,4 30,2 34,0 37,8
28 2,36 4,74 7,П 9,54 12,0 14,5 16,9 19,4 21,9 24,4
к 34,0 40,1 46,1 52,3 58,6 65,0 71,1 77,5 83,9 90,3
Ру 4,00 8,00 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 32,0 . 36,0 40,0
29 2,50 5,02 7,55 10,1 12,7 15,3 17,9 20,6 23,2 25,9
к 35,4 41,8 48,3 54,8 61,4 68,1 74,7 81,6 88,3 95,1
Ру 4,24 8,48 12,7 17,0 21,2 25,4 29,7 33,9 38,2 42,4
30 2,65 5,32 8,00 10,8 13,5 16,2 19,0 21,8 24,7 27,5
к 36,8 43,6 50,4 57,6 64,5 71,4 78,6 85,7 93,1 100,3
Р’ 4,49 8,98 13,5 18,0 22,5 26,9 31,4 35,9 40,4 44,9
31 2,81 5,64 8,51 11,4 14,3 17,2 20,2 23,2 26,2 29,2
к 38,2 45,4 52,8 60,2 67,6 75,0 82,7 90,3 98,0 105,7
Р’ 4,75 9,51 14,3 19,0 23,8 28,5 33,3 38,0 42,8 47,5
32 2,97 5,97 9,02 12,1 15,2 18,3 21,4 24,6 27,8 31,1
к 39,6 47,3 55,1 63,0 70,9 78,8 86,8 95,0 103,2 111,3
Ру 5,03 10,1 15,1 20,1 25,1 30,2 35,2 40,2 45,3 50,3
33 3,14 6,35 9,54 12,8 16,0 19,4 22,7 26,1 29,5 32,9
к 41,0 49,3 57,4 65,8 74,0 82,7 91,1 99,9 108,6 117,3
Ру 5,32 10,6 16,0 21,3 26,6 31,9 37,2 42,5 47,9 53,2
34 3,33 6,66 10,1 13,5 17,0 20,5 24,0 27,6 31,3 34,9
к 42,5 51,1 59,9 68,6 77,6 86,5 95,5 104,7 114,2 123,7
Ру 5,62 11,2 16,9 22,5 28,1 33,7 39,4 45,0 50,6 56,2
35 3,52 7,05 10,7 14,3 18,0 21,7 25,5 29,3 33,2 37,0
к 44,0 53,1 62,4 71,7 81,2 90,7 100,4 110,2 120,2 129,9
Ру 5,94 П,9 17,8 23,8 29,7 35,6 41,6 47,8 53,5 59,4
36 3,72 7,49 11,3 15,2 19,0 23,0 27,0 31,2 35,2 39,3
к 45,5 55,2 '65,0 75,0 84,8 95,0 105,3 116,1 126,4 136,9
Ру 6,27 12,6 18,8 25,1 31,4 37,6 43,9 50,2 56,5 62,7
37 X 3,92 7,94 П,9 16,0 20,2 24,3 28,6 32,9 37,3 41,6
к 47,1 57,4 67,6 78,1 88,9 99,4 110,5 121,5 132,8 143,9
Окончание табл. 2.2.2-1
1, °С Характе- ристика Относительная влажность. %
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ру 6,62 13,2 19,9 26,5 33,1 39,7 46,4 53,0 59,6 66,2
38 X 4,15 8,32 12,6 16,9 21,3 25,7 30,3 34,8 39,4 44,1
к 48,7 59,4 70,4 81,4 92,8 104,1 115,9 127,5 139,3 151,4
Ру 6,99 14,0 21,0 28,0 35,0 42,0 49,0 56,0 63,0 69,9
39 X 4,38 8,83 13,3 17,9 22,6 27,3 32,1 36,9 41,8 46,8
к 50,3 61,7 73,2 85,1 97,1 109,2 121,6 133,9 146,5 159,4
Ру 7,38 14,8 22,1 29,5 36,9 44,3 51,6 59,0 66,4 73,8
40 X 4,62 9,34 14,1 18,9 23,8 28,8 33,8 39,0 44,2 49,5
к 51,9 64,0 76,3 88,7 101,3 114,1 127,0 140,4 153,8 167,7
Ру 7,78 15,6 23,3 31,1 38,9 46,7 54,4 62,2 70,0 77,8
41 X 4,88 9,86 14,8 20,0 25,2 30,5 35,8 41,3 46,8 52,5
к 53,6 66,4 79,1 92,5 105,9 119,6 133,3 147,4 161,6 176,3
Ру 8,20 16,4 24,6 32,8 41,0 49,2 57,4 65,6 73,8 82,0
42 X 5,14 10,4 15,7 21,1 26,6 32,2 37,9 43,7 49,6 55,5
к 55.3 68.8 82.5 96.4 110.6 125.0 139.7 154.7 169.9 185.3
Ру 8,64 17,3 25,9 34,6 43,2 51,8 60,5 69,1 77,8 86,4
43 X 5,42 11,0 16,5 22,3 28,1 . 34,0 40,1 46,2 52,5 58,8
к 57,0 71,4 85,6 100,5 115,5 130,7 146,5 162,2 178,5 194,7
Ру 9,10 18,2 27,3 36,4 45,5 54,6 63,7 72,8 81,9 91,0
44 X 5,71 11,5 17,5 23,5 29,7 35,9 42,3 48,8 55,5 62,3
к 58.7 73.7 89.2 104.7 120.7 136.8 153.2 170.0 187.3 204.9
Ру 9,58 19,2 28,7 38,3 47,9 57,5 67,1 76,7 86,2 95,8
45 X 6,02 12,2 18,4 24,8 31,3 38,0 44,7 51,7 58,7 65,9
к 60,6 76,5 92,5 109,1 125,9 143,2 160,5 178,6 196,7 215,3
Ру 10,1 20,2 30,3 40,3 50,4 60,5 70,6 80,7 90,8 100,8
46 X 6,35 12,8 19,4 26,1 33,0 40,1 47,3 54,6 62,1 69,8
к 62,4 79,1 96,2 113,5 131,3 149,7 168,3 187,2 206,6 226,2
Ру 10,6 21,2 31,8 42,4 53,1 63,7 74,3 84,9 95,5 106,1
47 X 6,66 13,5 20,4 27,5 34,9 42,3 49,9 57,7 65,7 73,8
к 64,2 81,9 99,8 118,2 137,3 156,5 176,1 196,3 217,0 238,0
Ру 11,2 22,3 33,5 44,6 55,8 67,0 78,1 89,3 100,4 111,6
48 X 7,05 14,2 21,6 29,0 36,8 44,7 52,7 61,0 69,4 78,1
к 66,3 84,8 103,9 123,1 143,3 163,7 184,5 206,0 227,7 250,2
Ру 11,7 23,5 35,2 46,9 58,7 70,4 82,2 93,9 105,7 117,4
49 X 7,36 15,0 22,7 30,6 38,8 47,1 55,7 64,5 73,5 82,7
к 68,1 87,9 107,8 128,3 149,5 171,0 193,3 216,1 239,5 263,3
Ру 12,3 24,7 37,0 49,3 61,7 74,0 86,3 98,7 111,0 123,3
50 X 7,75 15,8 23,9 32,3 40,9 49,7 58,8 68,1 77,7 87,5
к 70,1 91,0 112,0 133,8 156,1 178,9 202,5 226,6 251,5 276,9
Таблица 2.2.2-2
Характеристики влажного воздуха при давлении 1000 мбар в зависимости от температуры для относительной
влажности 100 %, т. е. для насыщенного состояния
- парциальное давление паров воды; х, - абсолютная влажность; к, - энтальпия паров воды; р - плотность
влажного воздуха; г - теплота парообразования для воды.
1, °С мбар х„ г/кг к,, кДж/кг Р-} кг/м Г, кДж/кг
-20 1,03 0,64 -18,5 1,38 2839
-19 1,13 0,71 -17,4 1,37 2839
-18 1,25 0,78 -16,4 1,36 2839
-17 1,37 0,85 -15,0 1,36 2838
-16 1,50 0,94 -13,8 1,35 2838
-15 1,65 1,03 -12,5 1,35 2838
-14 1,81 1,13 -н,з 1,34 2838
-13 1,98 1,23 -10,0 1,34 2838
-12 2,17 1,35 -8,7 1,33 2837
Продолжение табл. 2.2.2-2
Г, °с мбар г/кг К кДж/кг Р-, кг/м Г, кДж/кг
-11 2,37 1,48 -7,4 1,33 2837
-10 2,59 1,62 -6,0 1,32 2837
-9 2,83 1,77 -4,6 1,32 2836
-8 3,09 1,93 -3,2 1,31 2836
-7 3,38 2,11 -1,8 1,31 2836
3,68 2,30 -0,3 1,30 2836
-5 4,01 2,50 1,2 1,30 2835
-4 4,37 2,73 2,8 1,29 2835
-3 4,75 2,97 4,4 1,29 2835
-2 5,17 3,23 6,0 1,28 2834
-1 5,62 3,52 7,8 1,28 2834
0 6,11 3,82 9,5 1,27 2500
1 6,56 4,11 11,3 1,27 2498
2 7,05 4,42 13,1 1,26 2496
3 7,57 4,75 14,9 1,26 2493
4 8,13 5,Ю 16,8 1,25 2491
5 8,72 5,47 18,7 1,25 2489
6 9,35 5,87 20,7 1,24 2486
7 10,01 6,29 22,8 1,24 2484
8 10,72 6,74 25,0 1,23 2481
9 11,47 7,22 27,2 1,23 2479
10 12,27 7,73 29.5 1,22 2477
11 13,12 8,27 31,9 1,22 2475
12 14,01 8,84 34,4 1,21 2472
13 15,00 9,45 37,0 1,21 2470
14 15,97 10,10 39,5 1,21 2468
15 17,04 10,78 42,3 1,20 2465
16 18,17 11,51 45,2 1,20 2463
17 19,36 12,28 48,2 1,19 2460
18 20,62 13,10 51,3 1,19 2458
19 21,96 13,97 54,5 1,18 2456
20 23,37 14,88 57,9 1,18 2453
21 24,85 15,85 61,4 1,17 2451
22 26,42 16,88 65,0 1,17 2448
23 28,08 17,97 68,8 1,16 2446
24 29,82 19,12 72,8 1,16 2444
25 31,67 20,34 76,9 1,15 2441
26 33,60 21,63 81,3 1,15 2439
27 35,64 22,99 85,8 1,14 2437
28 37,78 24,42 90,5 1,14 2434
29 40,04 25,94 95,4 1,14 2432
30 42,41 27,52 100,5 1.13 2430
31 44,91 29.25 106,0 1,13 2427
32 47,53 31,07 111,7 1,12 2425 •
33 50,29 32,94 117,6 1,12 2422
34 53,18 34,94 123,7 1,11 2420
35 56,22 37,05 130,2 1.11 2418
36 59,40 39,28 137,0 1,10 2415
37 62,74 41,64 144,2 1,10 2413
38 66,24 44,12 151,6 1,09 2411
39 69,91 46,75 159,5 1,08 2408
40 73,75 49,52 167,7 1,08 2406
41 77,77 52,45 176,4 1,08 2403
42 81,98 55,54 185,5 1,07 2401
43 86,39 58,82 195,0 1,07 2398
44 91,00 62,26 205,0 1,06 2396
45 95,82 65,92 218,6 1,05 2394
46 100,85 69,76 226,7 1,05 2391
47 106,12 73,84 238,4 1,04 2389
Окончание табл. 2.2 2-2
Г, °с Рэе-15 мбар г/кг Л* кДж/кг Р-, кг/м Г, кДж/кг
48 111,62 78,15 250,7 1,04 2386
49 117,36 82,70 263,6 1,03 2384
50 123,35 87,52 277,3 1,03 2382
51 128,60 92,62 291,7 1,02 2379
52 136,13 98,01 306,8 1,02 2377
53 142,93 103,73 322,9 1,01 2375
54 150.02 109,80 339,8 1,00 2372
55 157,41 116,19 357,7 1,00 2370
56 165,09 123,00 376,7 0,99 2367
57 173,12 130,23 396,8 0,99 2365
58 181,46 137,89 418,0 0,98 2363
59 190,15 146,04 440,6 0,97 2360
60 199,17 154,72 464,5 0,97 2358
61 208,6 163,95 489,9 0,96 2356
62 218,4 173,80 517,0 0,95 2353
63 228,5 184,22 545,6 0,95 2350
64 239,1 195,55 576,4 0,94 2348
65 250,10 207,44 609,2 0,93 2345
66 261,5 220,13 643,9 0,93 2343
67 273,3 233,92 681,5 0,92 2341
68 285,6 248,66 721,7 0,91 2338
69 298,3 264,42 764,6 0,90 2336
70 311,6 281,54 811,1 0,90 2333
71 325,3 299,89 861,0 0,89 2331
72 339,6 319,85 915,1 0,88 2328
73 354,3 341,30 973,3 0,87 2326
74 385,5 364,67 1036,6 0,86 2323
75 385,50 390,20 1105,7 0,85 2320
80 473,60 559,61 1563,0 0,81 2309
85 578,00 851,90 2351,0 0,76 2295
90 701,10 1459,00 3983,0 0,70 2282
95 845,20 3398,00 9190,0 0,64 2269
100 1013,00 0,60 2257
Таблица 2.2.2-3
Точка росы для влажного воздуха при давлении 1013 мбар в зависимости от температуры сухого воздуха
и относительной влажности
Относительная влажность, %
Г,°С 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Точка росы, С
0 -9,2 -8,2 -6,5 -5,7 -4,9 -3,7 -3,0 -2,2 -1,5 -0,6 + 0
+2 -7,1 -5,7 -4,8 -3,7 -2,5 -1,9 -0,9 + 0 + 0,9 + 1,5 + 2
+4 -5,3 -4,1 -2,9 -1,9 -0,9 + 0 + 0,9 + 1,8 + 2,4 + 3,2 + 4
+6 -3,7 -2,2 -1,3 + 0 + 0,9 + 1,8 + 2,9 + 3,8 + 4,5 + 5,1 + 6
+8 - 1,9 + 0,5 -0,6 + 1,8 + 2,7 + 3,8 + 4,5 + 5,5 + 6,4 + 7,2 + 8
+10 + 0 + 1,5 + 2,5 + 3,7 + 4,5 + 5,8 + 6,8 + 7,6 + 8,5 + 9,2 + 10
+12 + 2 + 3,2 + 4,3 + 5,5 + 6,8 + 7,8 + 8,5 + 9,6 + 10,5 + 11,3 + 12
+14 + 3,7 + 4,8 + 6,2 + 7,4 + 8,5 + 9,6 + 10,5 + 11,4 + 12,3 + 13,1 + 14
+16 + 5,6 + 7 + 8,3 + 9,4 + 10,5 + 11,6 + 12,6 + 13,5 + 14,4 + 15,2 + 16
+18 + 7,4 + 8,9 + 10 + 11,3 + 12,4 + 13,5 + 14,6 + 15,5 + 16,5 + 17,2 + 18
+20 + 9,2 + 10,5 + 11,9 + 13,1 + 14,4 + 15,5 + 16,5 + 17,4 + 18,3 + 19,2 + 20
2.2.3. Диаграмма влажного воздуха1
2.2.З.1. Основные сведения
Мы видели в предыдущих параграфах, что
характеристики влажного воздуха, такие, как
абсолютная влажность, энтальпия и т.д., могут
быть получены расчетным путем. Хотя эти рас-
четы очень просты, они все-таки требуют вре-
мени и, как и во всех расчетах, в них могут
быть ошибки. Поэтому специалисты по конди-
ционированию воздуха используют диаграммы,
содержащие совокупность термодинамических
характеристик влажного воздуха.
Такое графическое представление имеет
многочисленные преимущества: оно позволяет
не только мгновенно найти другие параметры
состояния, если известны два из них (например,
температура и относительная влажность), но и
легко проследить за изменением состояния не-
которой массы воздуха, которая подвергается
преобразованиям в различных процессах (ох-
лаждение, нагрев, увлажнение, осушение) или
смешивается с другой массой воздуха.
Несмотря на то что они построены по од-
ному и тому же принципу, существует два раз-
личных типа представления данных на диаг-
раммах влажного воздуха, называемых также
психрометрическими диаграммами, причем
каждый тип представления сам имеет много
вариантов.
На диаграммах первого типа, используемых
в Германии, России и в большинстве восточ-
ных стран, энтальпия откладывается по оси
ординат и абсолютная влажность - по оси абс-
цисс. Речь идет о диаграмме И, х, широко изве-
стной под названием диаграммы МоШег по
имени ШсНагд МоШег, знаменитого профессо-
ра термодинамики Дрезденского университета,
который ее разработал. Эта диаграмма пред-
ставлена на рис. 2.2.3-1 в своем первоначаль-
ном виде, и мы специально приводим ее здесь
в качестве исторического документа.
Второй тип диаграмм применяется во Фран-
ции, США и в большинстве других стран. Его
разработал в 1902 г. НауИалб Сагпег, осново-
положник кондиционирования воздуха. На этой
диаграмме энтальпия откладывается по оси
абсцисс, а абсолютная влажность - по оси ор-
динат. Речь идет по-прежнему о диаграмме И,х,
которую мы привели на рис. 2.2.3-2.
Во Франции обычно используют эту диаг-
рамму или диаграмму, разработанную А1СУР\
которую мы советуем читателю приобрести в
этой организации. Речь идет о диаграмме очень
точной, поскольку ее размеры 50 х 50 см, и чте-
ние этой диаграммы облегчено, поскольку' она
напечатана в 3 краски. Кроме того, она содер-
жит очень много данных, перечисленных на
рис. 2.2.3-3.
Переход от диаграммы типа Сагпег к ди-
аграмме типа МоШег легкий: достаточно по-
вернуть диаграмму типа Сагпег обратной сто-
роной, поместить на оконное стекло, чтобы ви-
деть ее на просвет, и затем повернуть на 90°
по часовой стрелке.
Отметим, что все диаграммы влажного воз-
духа построены для заданного атмосферного
давления (101 325 Па для диаграммы А1СУЕ),
и, следовательно, необходимо либо применять
поправки для других давлений, либо использо-
вать другую диаграмму, построенную для рас-
сматриваемого давления.
2.2.З.2. Описание
Если обратиться к диаграмме на рис.2.2.3-
2, сразу же отметим, что она разделена на две
области линией относительной влажности
<р=1. Этой линии соответствует на рис. 2.2.3-3
указатель «Насыщенный влажный воздух». Мы
уже видели, что при заданной температуре воз-
дух способен содержать лишь ограниченное
количество влаги, а вся избыточная влага кон-
1 Читатель, желающий глубже познакомиться с этим
вопросом, может обратиться к тому II «Учебника по кон-
диционированию воздуха» (Мапие! <1и Сопббюппетеп! б’ац,
О. Апбге1е(Г бе КоГЬеск, КУС Еб.), полностью посвященно-
му диаграмме влажного воздуха.
1 Ассоциация инженеров в области искусственного кли-
мата, вентиляции и холода (Аввоаабоп без 1п§еп1еигк еп
СИтабцие, УепШабоп е1 Ргогб, 66, гие бе Коте, 75008 Рапз.
Те!.: (1)42-94-25-34).
Содержание влаги х, г/кг сухого воздуха --►
Рис.2.2.3-1. Диаграмма влажного воздуха МоШег (авторский вариант)
денсируется в виде тумана, частицы которого
могут быть либо в форме воды, если темпера-
тура выше О °С, либо в форме льда, если она
ниже О °С.
Следовательно, каждой температуре соот-
ветствует максимальная абсолютная влаж-
ность. и если соединить все эти точки, то по-
лучится линия насыщения, или линия, для ко-
торой относительная влажность равна 100 %.
Эта линия разделяет диаграмму на две отдель-
ные области:
- область, расположенную под линией на-
сыщения; в этой области воздух не насыщен
влагой, и
- область, расположенную выше линии на-
сыщения; в этой области влажный воздух со-
держит максимум паров воды, которые может
содержать при этой температуре. Избыток вла-
ги находится в жидкой (выше 0 °С) или твер-
дой (ниже 0 °С) форме.
Заметим, что для локализации некоторого
состояния воздуха на диаграмме, изображенной
на рис. 2.2.3-2, необходимо знать по крайней
мере два параметра, например температуру и
относительную влажность (в общем случае) или
энтальпию и абсолютную влажность. Очевид-
но, это состояние воздуха может быть локали-
зировано с помощью другой пары параметров.
Температура (, ’С
Рис. 2.2.3-2. Диаграмма влажного воздуха типа Сагпег, опубликованная Американским обществом инженеров по ото-
плению, охлаждению и кондиционированию воздуха (А8НКАЕ).
х - абсолютная влажность; <р - относительная влажность
Рис. 2.2.3-3. Сводка указателей, приводимых иа диаграмме влажного воздуха А1СУР:
I - температура, измеряемая сухим термометром, °С; у> - абсолютная влажность, т. е. масса влаги на единицу массы
сухого воздуха, кг/кг; е - относительная влажность, или гигрометрический показатель, %; 1Г - точка росы, °С; р - парци-
альное давление паров воды, содержащихся во влажном воздухе, Па; д' - энтальпия влажного воздуха, содержащегося в
единице массы сухого воздуха, Вт-ч/кг; Г - температура, измеряемая влажным термометром, °С; V* - объем влажного воз-
духа, содержащегося в единице массы сухого воздуха, м3/кг; у - темп изменения энтальпии, отнесенного к изменению
абсолютной влажности, Вт-ч/кг или Дж/кг, у=Дд'/Дк
Среди характеристических кривых на диа-
грамме влажного воздуха можно указать изо-
энтальпы. или линии равной энтальпии, кото-
рые являются в действительности очень поло-
гими дугами гипербол, что объясняет возмож-
ность их представления в первом приближении
прямыми линиями; изохоры, или линии равно-
го удельного объема; и, наконец, линии равной
влажной температуры, которые являются пря-
мыми линиями с наклоном, близким к накло-
ну изоэнталыты.
Все диаграммы влажного воздуха дополня-
ются шкалой, соответствующей отношению
изменений энтальпии и абсолютной влажнос-
ти (МЬх на рис. 2.2.3-2 и Д#7Ди' на рис. 2.2.3-
3), которая позволяет быстро определить, в ка-
ком направлении будет изменяться воздух с за-
данными характеристиками (угол изменения
Дй/Дх или Д#7Дм'). Это изменение происходит
параллельно прямой, соответствующей выше-
указанному углу изменения.
Относительно температуры росы, о которой
мы говорили в п. 2.2.1.6, отметим, что если,
исходя из заданного состояния, воздуха, охлаж-
дать его при постоянной абсолютной влажнос-
ти, то будет достигнута в некоторой момент ли-
ния насыщения. Соответствующая точка пере-
сечения горизонтали с линией насыщения
<р= 100 % называется точкой росы, потому что
если продолжать охлаждение рассматриваемо-
го воздуха, то обязательно наступит конденса-
ция части паров воды, которые в нем содержат-
ся. Соответствующая температура, или темпе-
ратура росы, отвечает пересечению вертикаль-
ной линии, проходящей через точку росы, с
осью абсцисс. На рис. 2.2.3-2 процессу охлаж-
дения воздуха, имеющего при температуре +20
°С относительную влажность 70 % при посто-
янной абсолютной влажности (т. е. без отделе-
ния воды, что может происходить, как мы уви-
дим далее, в случае некоторых охлаждающих
батарей), соответствует точка росы на линии
р= 1,0, относящаяся к температуре росы, близ-
кой к 14,5 °С.
Польза от диаграммы влажного воздуха за-
ключается в том, что, зная только два парамет-
ра состояния рассматриваемого воздуха, мож-
но сразу же найти все остальные путем просто-
го считывания.
Пример
Пусть имеется воздух при температуре +5
:С, измеряемой сухим термометром, и степени
влажности 70 %. Диаграмма А1СУР, обозначе-
ния которой мы будем использовать, исходя из
предположений, что /=+5 °С и 6=70 %, дает сле-
гающие значения:
- абсолютная влажность ю=0,00375 кг/кг,
- температура росы 1=0 °С,
- парциальное давление паров воды р=610
Ла,
- энтальпия д'=4 Втч/кг,
- температура, измеряемая влажным термо-
метром, /'=2,8 °С,
- удельный объем т'=0,793 м3/кг.
Мы предполагаем, что во всех этих расче-
тах барометрическое давление нормальное и
равно 101 325 Па.
Отметим, что диаграмма на рис. 2.2.3-2 дает
те же значения, что и диаграмма А1СУР, кро-
ме удельного объема, для которого получаем
примерно 0,803 м3/кг. Такие различия очень
часто встречаются то в одной, то в другой ди-
аграмме, отсюда возникает необходимость ис-
пользовать очень точные диаграммы. Мы пре-
доставим читателю определить путем расчета
точный удельный объем (см. п.2.2.1.4) и потом
сделать вывод, какая диаграмма является бо-
лее точной.
2.2.4. Примеры расчета с помощью
диаграммы влажного воздуха
2.2.4.1. Смесь двух различных масс
воздуха
Пусть имеется полностью определенная
первая масса влажного воздуха тЛА, следова-
тельно, известны по крайней мере два парамет-
ра, например температура и относительная
влажность. Пусть масса сухого воздуха, кото-
рая в ней содержится, равна т^. Также рас-
смотрим полностью определенную вторую мас-
су влажного воздуха таКВ. Мы можем нанести
положения этих двух состояний на диаграмме
влажного воздуха: пусть А отвечает массе воз-
духа так^ тлВ- массе воздуха та^в (рнс. 2.2.4-
1). На диаграмме им соответствуют абсолют-
ная влажность хА и энтальпия кА для точки Л и
абсолютная влажность хв и энтальпия Ив для
точки В.
Если смешать эти две массы воздуха, полу-
чим смесь М влажного воздуха, для которого
масса влаги равна сумме масс влаги в каждом
компоненте:
хм(та,.А + ^,в) = ХА -т^А + *в-т^.в
Тогда получаем
Рис. 2.2.4-1. Пример определения характеристик влаж-
ного воздуха, полученного в результате смешивания двух
масс воздуха различной влажности
ты,В _ хм ~ хА
тах.А ХВ ~ ХМ
энтальпия смеси равна сумме энтальпий каж-
дой из составляющих масс воздуха, или
кМ(таз.А +^.в) = ЬА -т^А + ИВ ’^.В
Отсюда
таз,В _ ~ ^А
таз,А НВ~НМ
Следовательно,
ХМ~ХА Ъм~Ъа
хв ~хм Ив~
Это соотношение показывает, что точки Л,
МиВ находятся на одной прямой, положение
точки М определяется отношением масс сухо-
го воздуха. Окончательно получаем
МА _ тмВ
МВ т«1,А
С какой бы диаграммой мы ни работали,
всегда можно линейкой измерить расстояние
между точками Л и В. Пусть это расстояние АВ.
Тогда из последнего соотношения можно полу-
чить
та!,Л + тж,В
И
та*,А + т<*,В '
Пример
Пусть имеется холодильный склад, в кото-
ром нужно обеспечить обновление воздуха. Для
этого, предположим, нужно смешать некоторую
массу влажного воздуха при температуре +2 °С
и относительной влажности 90 % с содержани-
ем сухого воздуха при расходе, например,
10 000 кг/ч с массой нового влажного возду-
ха, поступающего извне, при расходе сухого
воздуха, например, 2000 кг/ч, температуре
+26 °С (например, летом) и относительной
влажности 70 %. Определить характеристики
смеси.
Решение
Обозначим на диаграмме влажного возду-
ха на рис. 2.2.4-1 через Л состояние воздуха с
температурой +2 °С и относительной влажнос-
тью 90 % и через В состояние воздуха, темпе-
ратура которого +26 °С и относительная влаж-
ность 70 %. Абсолютная влажность и энталь-
пия состояний Л и В могут быть непосредствен-
но определены по диаграмме влажного возду-
ха. Итак, получаем:
• для состояния Л:
т =10 000 кг/ч,
1Л = +2 °С,
<рл = 90%,
х. = 0,0039 кг/кг,
ИА = 11,84 кДж/кг;
• для состояния В:
та^,В О®® Ю/ч,
1В = +26 °С,
фв = 70%,
= 0,0148 кг/кг,
Ив = 63,8 кДж/кг.
Приведенные здесь значения определены по
диаграмме А1СУР, что объясняет их точность.
Отметим также, что количества воздуха, кото-
рые мы рассматриваем, как правило, даются в
единицах объема, поэтому их необходимо ум-
ножать на плотность, для того чтобы можно
было работать с массовыми расходами.
Длина АВ, измеренная на диаграмме
А1СУР, равна 19,7 см, отсюда получаем
МА = 19,7 х = зз см
12000
Точка М теперь может быть нанесена на
диаграмму, и это дает возможность определить
по диаграмме характеристики состояния. Нахо-
дим
Л, = 6,2 °С,
М ’ ’
<рм=98%,
х.. = 0,0057 кг/кг,
~ 20,5 кДж/кг.
Можно проверить значение хм по формуле,
приведенной выше:
Хм{таз,А + та;,в) = ХА ‘ ™а*,А + ХВ ' та*,В
Получаем
хм = 0,0057 кг/кг.
Точно так же для поскольку
^м^.а +т^в) = кА -т^А +ИВ
то
Им ~ 20,5 кДж/кг.
Степень влажности смеси циркулирующего
воздуха и нового воздуха очень близка к 100 %.
Эта смесь должна осушаться перед подачей в
помещение склада, тем более, что хранящиеся
продукты часто также выделяют влагу. При
этом будет исключена опасность образования
тумана и появления конденсации, нежелатель-
ных для сохранения продуктов в течение дли-
тельного времени и для хорошего содержания
самого сооружения.
Что касается испарителей, то они должны
быть в состоянии снизить температуру смеси с
6,2 °С до такой температуры, при которой, не-
смотря на различные источники иагрева (стен-
ки, тела с более высокой температурой и т.д.),
было бы возможно поддерживать на складе но-
минальную температуру, равную +2 °С.
2.2.4.2. Охлаждение воздуха
с осушением или без него
В холодильной камере, холодильном скла-
де и кондиционируемом помещении или поме-
щении с искусственным климатом воздух все-
гда используется как хладоноситель между ис-
парителем или батареей охлаждения и продук-
тами, которые должны содержаться при низкой
температуре, или окружающим воздухом, кото-
рый должен обновляться.
Любое охлаждение массы воздуха может
осуществляться одним из двух способов:
- без отделения влаги, т. е. при постоянной
абсолютной влажности х. Соответствующее из-
менение на диаграмме влажного воздуха идет
вдоль горизонтали, направленной к линии на-
сыщения. Поскольку такое изменение состояния
может быть измерено термометром, то говорят
об уменьшении нагретости воздуха;
- с отделением влаги, но при постоянной
температуре. Соответствующий процесс пред-
ставляется на диаграмме влажного воздуха про-
исходящим вдоль вертикальной линии по на-
правлению к оси абсцисс. Такое изменение со-
стояния не может быть прослежено с помощью
термометра, в этом случае говорят об уменьше-
нии скрытой теплоты.
В большинстве случаев происходит одновре-
менно и охлаждение и отделение влаги, следо-
вательно, имеет место потеря и тепла, характе-
ризуемого температурой, и скрытого тепла.
Изменение состояния во всех случаях идет
в направлении от поверхностной температу-
ры испарителя или батареи охлаждения. В за-
висимости от требуемого охлаждения опреде-
ляется температура охлаждающей среды (хлад-
агента, рассола или охлажденной воды).
Поскольку температура охлаждающей сре-
ды зависит от предполагаемого назначения хо-
лодильной системы, мы познакомимся с тремя
основными типами охлаждения, с которыми
будем иметь дело в дальнейшем.
2.2.4.2.1. Охлаждение
при кондиционировании воздуха
В большинстве установок кондиционирова-
ния воздуха, которые используются в разнооб-
разных отраслях (фармацевтической, текстиль-
ной, фотографической и т.д ), и во всех уста-
новках искусственного климата (учреждения,
квартиры, больницы н т.д.) поверхностная тем-
пература одной или нескольких батарей охлаж-
дения всегда выше 0 °С. Следует рассматривать
два случая в зависимости от поверхностной
температуры батареи.
а) Температура поверхности батареи
выше точки росы (сухая батарея). Чтобы про-
яснить существо дела, предположим, что состо-
яние воздуха, который нужно охладить, пред-
ставлено на диаграмме влажного воздуха (рис.
2.2.4-2) точкой 1. Точка росы для такого возду-
Рис. 2.2.4-2. Изменение состояния воздуха в ходе ох-
лаждения, определяемого поверхностной температурой ба-
тареи
ха обозначена буквой А, соответствующая тем-
пература, или температура росы, равна гк.
Температура поверхности /3, батареи выше
температуры /к, изменение состояния идет
вдоль прямой, соединяющей точку 1 н точку К,
температура охлаждаемого воздуха равна /2„
б) Температура поверхности батареи
ниже точки росы (влажная батарея). Темпе-
ратура поверхности батареи, соответствующая
точке 5, равна г3 (10 °С на рис. 2.2.4-2). Тогда
можно рассматривать изменение состояния воз-
духа как смешивание охлаждаемого воздуха
(состояние 7) с тонким слоем насыщенного воз-
духа, находящегося в контакте с поверхностью
батареи (точка 5), температура которого, следо-
вательно, предполагается постоянной. Смесь
(точка 2) находится на прямой, соединяющей
эти две точки.
В отличие от охлаждения с помощью сухой
батареи здесь происходит отделение воды, ко-
торая конденсируется на поверхности батареи,
стекает по ней под действием силы тяжести и
собирается в баке для конденсата, откуда затем
удаляется. Количество воды, удаляемой из воз-
духа, равно разности абсолютных влажностей,
или Ах=ху-хг кг на 1 кг сухого воздуха.
Скорость движения воздуха через проходное
сечение батареи не должна превышать 3 м/с из-
за опасности увлечения капель воды потоком
воздуха. Если такая опасность не предотвраще-
на, необходимо предусматривать отделение ка-
пель.
Пример
Пусть имеется установка кондиционирова-
ния воздуха, которая должна обеспечить его
охлаждение с расходом 10 000 м3/ч и началь-
ными параметрами /,=+30 °С и <р,=50 % таким
образом, чтобы конечные параметры были
/2=18 °С, ф2=77 %. Определить, каковы долж-
ны быть температура поверхности батареи, хо-
лодопроизводительность и, наконец, массовый
расход отводимой воды.
Решение
Поскольку известны начальное состояние 7
и конечное состояние 2 воздуха, обратимся к
диаграмме влажного воздуха. Для более ясно-
го представления изобразим ход соответствую-
щего изменения состояния на небольшой диаг-
рамме (рис. 2.2.4-2), однако точные величины
были определены по диаграмме А1СУР, разра-
ботанной для давления 101 325 Па (по предпо-
ложению, в нашей установке такое же давле-
ние).
Сразу же заметим, что точка 2 расположена
ниже горизонтали, проходящей через точку 7
(эта горизонталь определяет точку росы К), сле-
довательно, в нашем случае поверхностная тем-
пература батареи ниже температуры росы для
воздуха. Действительно, температура поверхно-
сти батареи соответствует температуре точки
пересечения продолжения прямой 7-2 с лини-
ей насыщения. Обозначим через 3 эту точку
пересечения. Тогда диаграмма влажного возду-
ха нам дает, что соответствующая температура
равна /3=+10 °С.
Температура поверхности батареи должна
быть равна +10 °С, и с учетом этого следует
выбирать для заданного типа батареи темпера-
туру циркулирующей внутри нее охлаждающей
среды (рассола или охлажденной воды).
Что касается холодопроизводительности ба-
тареи охлаждения, то ее можно рассчитать по
формуле
^вя = И’Рт(Л-Л2), кДж/ч,
где V - объемный расход воздуха, м3/ч;
рт - плотность этого воздуха, средняя меж-
ду состояниями 7 н 2, кг/м3;
Л1 - энтальпия воздуха на входе в батарею,
кДж/кг;
Л2 - энтальпия воздуха на выходе из бата-
реи, кДж/кг.
Значение рт получается из плотностей р] и
р2 воздуха на входе и на выходе из батареи.
Расчет рр произведенный как указано в п.
2.2.1.3, дает для руе ;=21,2 мбар (значения, счи-
танные с диаграммы А1СУР)
Р1 = 0,3483
1013
273 + 30
-0,1316
21,2
273+30
= 1,155 кг/м3.
Найдем таким же образом р2 (дляр^ 2=15,8
мбар):
р2 = 0,3483
1013
273 + 30
-0,1316
15,8
273 + 30
= 1,205 кг/м3.
Следовательно,
р- = Р^=и.5^1,202 = ||8д./м,
Что касается энтальпии, то диаграмма
А1СУР дает
Л] = 17,8 Вт-ч/кг, или 64,1 кДж/кг,
и
Лг = 12 Вт-ч/кг, или 43,2 кДж/кг.
Отсюда холодопроизводительность батареи
охлаждения равна
=10 000x1,18(64,1-43,2) =
= 246 620 кДж/ч - 69,05 кВт.
Что касается количества воды, удаляемой за
час, то она вычисляется по формуле
= У-Рт(х1 -х2),кг/ч.
Так как диаграмма влажного воздуха дает
X! =0,0133 кг/кг,
х2 = 0,0097 кг/кг,
то в результате получаем
Л/е =10000x1,18(0,01323 - 0,0097) =
= 42,48 кг/ч.
2.2.4.2.1. Охлаждение в холодильных
системах1
Речь идет в основном о поддержании тем-
пературы продуктов в пределах от 0 до +5 °С.
Это может быть достигнуто только с батарея-
ми охлаждения, температура поверхности ко-
торых ниже 0 °С. Влага, которая отделяется в
ходе процесса охлаждения, осаждается в виде
инея на поверхности батарей.
Многие неупакованные продукты, например
мясо, фрукты или овощи, постоянно отдают
влагу в воздух. К этому добавляется влага, по-
ступающая из наружного воздуха, как правило
более теплого. Эти поступления происходят в
результате открывания дверей и обязательного
обновления воздуха. Содержание воды в окру-
жающем воздухе не перестает увеличиваться,
и толщина слоя инея, осаждающегося на бата-
рее, возрастает, а значит, уменьшается площадь
сечения для прохода воздуха. Уменьшается не
только объемный расход, но и коэффициент теп-
лопередачи, зависящий от скорости воздуха.
При наличии вынужденной вентиляции должен
преодолеваться больший перепад давления, что
приводит к перерасходу потребляемой мощно-
сти для обеспечения такого же охлаждения.
С другой стороны, термическое сопротив-
ление слоя инея возрастает, следовательно,
уменьшается коэффициент К теплопередачи к
батарее, а значит, для обеспечения требуемой
холодопроизводительности необходимо снизить
температуру испарения, но это приводит к
уменьшению холодопроизводительности ком-
прессора и к возрастанию потребления им энер-
гии.
Наконец, продолжительность работы комп-
рессоров и вентиляторов возрастает по мере
утолщения слоя инея, и работа установки ста-
новится все менее и менее экономичной. В пре-
дельном случае батарея охлаждения или испа-
ритель может полностью покрыться льдом и
холодопроизводительность снизится практичес-
ки до нуля. Поэтому необходимо удалять иней
1 См. «Учебник по холодильной технике» (ЬейгЬисЬ Дет
КаИеТесЫпк, Н.Ь. топ СиЬе, ЕД С.Е МйПег, Кагкпйе, 3е еЛ,
В<1 П, 8. 825).
с батарей или испарителя от 1 до 4 раз в день
в зависимости от притока влаги.
Вместе с тем, чтобы не сталкиваться с не-
обходимостью слишком часто размораживать
батареи или испарители, предназначенные для
охлаждения воздуха примерно до О °С, следу-
ет предусматривать возможность работы со сло-
ями инея от 2 до 3 мм. Поэтому ребра на тру-
бах должны быть расположены на расстоянии
7-10 мм друг от друга (это расстояние называ-
ется «шаг»), даже до 20 мм в тех случаях, ког-
да предвидятся особенно большие притоки вла-
ги (например, при хранении мяса).
Бак для удаления инея должен подогревать-
ся, потому что если в нормальной ситуации вода
стекает в жидком состоянии, то при размора-
живании некоторые куски падают в твердом
состоянии и их удаление возможно только пос-
ле их таяния. Если время размораживания
слишком короткое, остаток инея под действи-
ем холода снова замерзает и превращается в
плотный лед, который уже нельзя удалить с по-
мощью обычного устройства для разморажива-
ния. Тогда необходимо останавливать установ-
ку и удалять лед с помощью теплой воды или
нагрева помещения.
2.2.4.2.З. Охлаждение замороженных
продуктов1
В основном все, только что сказанное, ос-
тается верным, с тем лишь различием, что при-
токи влаги более слабые из-за того, что при тем-
пературе замораживания хранящиеся продук-
ты либо упакованы, либо не упакованы, но на-
ходятся в замороженном состоянии и выделя-
ют меньше влаги. Кроме того, степень обнов-
ления воздуха часто не так уж велика.
Для температур окружающего воздуха от
-18 до -25 °С влага, отделяемая от воздуха, по-
является в виде инея, который называется су-
хим, или в виде небольших хлопьев, которые в
испарителях с принудительной циркуляцией
увлекаются потоком вдуваемого воздуха и, зна-
чит, не влияют на теплообмен. Следовательно,
можно ограничиться испарителями с располо-
1 См. подстрочное примечание к п. 2.2А.2.2.
жением ребер на расстоянии лишь 10 мм.
Обычно достаточно одного размораживания в
день.
Поскольку температура окружающего возду-
ха ниже, чем в предыдущем случае, то необхо-
димо нагревать не только бак для сбора талой
воды, но и всю систему удаления до ее выхода
в помещение с положительной температурой. В
противном случае есть опасность возникнове-
ния ледяной пробки, а значит, и разрыва тру-
бопровода, перелива воды через край бака и т.д.
Чем больше площадь батареи, через кото-
рую происходит обмен теплом, тем меньше раз-
ность температур между этой поверхностью и
воздухом и тем меньше количество отделяемой
воды. Следовательно, образование инея также
снижается, периоды размораживания более
редки, нет необходимости снижать температу-
ру испарения, работа компрессора становится
более рентабельной.
В некоторых производственных процессах,
например очистке воздуха путем конденсации
вредных паров, установки охлаждения должны
работать постоянно. Следовательно, необходи-
мо дублировать испарители таким образом, что-
бы во время размораживания од ного из испа-
рителей другой мог бы прийти на смену.
В некоторых холодильных складах охлаж-
дение воздуха может производиться с помощью
испарителей, образованных гладкими, т. е. без
ребер, трубами. Если слой инея возрастает, то
и площадь обмена возрастает и частично ком-
пенсирует уменьшение коэффициента теплопе-
редачи. Если испаритель образован гладкими
трубами, расположенными на достаточном рас-
стоянии друг от друга (3-5 их диаметров), то
нужно размораживать их не чаще чем через
несколько месяцев работы. Однако в сравнении
с современными испарителями, снабженными
ребрами, испарители из гладких труб требуют
больше металла для изготовления и являются
более дорогими. Следовательно, выбор типа
используемого испарителя должен быть обосно-
ванным.
2.2.4.З. Осушение
Мы сейчас видели, что для многих процес-
сов охлаждения необходимо осушать вдувае-
мый воздух и это осушение должно быть во вся-
ком случае связано с процессом охлаждения,
так чтобы температура поверхности батареи
охлаждения или испарителя была ниже точки
росы. Однако в некоторых специальных случа-
ях может потребоваться, чтобы охлаждение
было очень незначительным, а осушение интен-
сивным. Это может привести к необходимости
использования других способов осушения, в
частности путем сорбции.
В этом методе воздух, который нужно осу-
шить, соприкасается с определенными веще-
ствами, обладающими свойствами сорбции, т.е.
способными абсорбировать или адсорбировать
пары воды или воду в жидком состоянии, со-
держащуюся в воздухе. Уточним сначала, что
представляют собой эти явления.
Абсорбцией называется свойство некоторых
веществ захватывать молекулы других веществ.
Абсорбция является объемным процессом, при
этом абсорбирующее вещество полностью про-
никает в абсорбент.
Адсорбцией называется физико-химическое
явление, заключающееся в поглощении свобод-
ных молекул газа или жидкости (называемых
адсорбируемыми) поверхностным слоем неко-
торого тела, называемого адсорбентом. Если
какой-либо газ вступает в контакт с твердым
телом, предварительно дегазированным, то
часть газовой фазы исчезает: происходит сор-
бция. Молекулы, покидающие газовую фазу,
могут либо проникнуть внутрь твердого тела
(это абсорбция), либо остатый на поверхности
(это адсорбция), либо участвовать одновремен-
но в обоих процессах. Различают два вида ад-
сорбции: физическую адсорбцию, характеризу-
ющуюся образованием слабых ван-дер-вааль-
совых связей между адсорбируемыми молеку-
лами и адсорбентом, и химическую адсорбцию,
или хемосорбцию, характеризующуюся образо-
ванием настоящих химических связей между
адсорбируемыми молекулами и адсорбентом.
В адсорбции участвуют поверхности жид-
кость - газ, жидкость - жидкость (эмульсии),
твердое тело - газ и твердое тело - жидкость.
Если между адсорбцией и абсорбцией дела-
ется различие, то понятие сорбция указывает на
существование одновременно друх процессов.
2.2.4.З.1. Адсорбция с помощью силикагеля
Гель окиси кремния, или силикагель, явля-
ется наиболее часто применяемым адсорбен-
том. Силикагель представляет собой химичес-
ки чистый кварц (§Ю2), который подвергается
предварительной обработке таким образом,
чтобы его удельная поверхность, т. е. внешняя
поверхность на единицу объема, была очень
большой: удельная поверхность 1 г силикагеля
составляет от 300 до 500 м2. Пары воды удер-
живаются веществом путем адсорбции, проис-
ходящей вследствие капиллярности, и конден-
сируются на пористых поверхностях.
Силикагель адсорбирует не только пары
воды, но и другие пары, но именно для паров
воды эффективность силикагеля наилучшая.
Количество адсорбируемой воды зависит от
парциального давления паров воды, и это ко-
личество тем больше, чем выше давление. Ко-
личество адсорбируемой воды определяется для
каждого давления с помощью диаграммы ад-
сорбции, пример которой дан на рис 2.2.4-3.
Адсорбция - явление экзотермическое, так как
при конденсации паров воды выделяется теп-
Рис. 2.2.4-3. Пример диаграммы адсорбции паров воды
силикагелем (диаметр гранул от 2 до 4 мм, высота слоя
0,5 м, скорость воздуха 0,2 м/с)
ло, которое нужно учитывать в расчетах холо-
допроизводительности.
Если силикагель насыщен, он больше не
может адсорбировать воду и должен быть ре-
генерирован, что осуществляется путем нагре-
ва от 150 до 200 °С с помощью очень горячего
воздуха или перегретого пара. После остыва-
ния гель снова пригоден к употреблению. Ус-
тановки осушения с помощью силикагеля мо-
гут, следовательно, работать лишь в периоди-
ческом режиме. Если же они должны работать
непрерывно, то необходимо предусматривать
два слоя геля, при этом один обеспечивает
осуппу, в то время как другой регенерируется.
Чтобы устранить этот недостаток, созданы
устройства непрерывного действия, в которых
идет постоянная регенерация адсорбента горя-
чим воздухом в одной части установки, отде-
приводной выход обработанного
обработке герметичные
уплотнения из силиконовой резины
Рис. 2.2.4-4. Пример ротационного осушителя воздуха
и его диаграмма осушения (Вгу-Агг)
ленной от другой, где циркулирует осушаемый
воздух, с помощью герметичных соединений
(рис. 2.2.4-4). Этот осушаемый воздух прохо-
дит через диски, расположенные друг над дру-
гом, содержащие адсорбент и вращающиеся с
небольшой скоростью. Расход через такое уст-
ройство достигает 50 000 м3/ч.
2.2.4.3.2, Другие вещества, проявляющие
сорбционные свойства
К ним в основном относятся активирован-
ный алюминий, хлорид кальция и соли лития,
в частности бромид и хлорид.
В устройстве, изображенном на рис. 2.2.4-
5 в качестве примера, следует различать две
части: собственно осушитель и регенератор.
Осушаемый воздух всасывается с помощью
вентилятора и после прохождения фильтра по-
ступает внутрь осушителя, где происходит уда-
ление влаги путем контакта с раствором хло-
рида лития, распыляемого в верхней части.
Змеевик системы охлаждения позволяет умень-
шить скрытую теплоту конденсации паров
воды. Осушенный воздух выходит из другого
конца осушителя, имеющего 11-образную фор-
му.
В результате поглощения воды концентра-
ция хлорида лития в растворе адсорбента умень-
шается. Для восстановления ее начального зна-
чения раствор направляется с помощью насо-
са во вторую часть устройства: регенератор.
Там он также распыляется, змеевик системы
нагрева обеспечивает испарение воды из ра-
створа, эта вода подхватывается потоком воз-
духа. Устройство электрического или пневма-
тического регулирования обеспечивает конт-
роль концентрации хлорида лития в смеси.
2.2.4.4. Заключение
Два основных типа изменения состояния
влажного воздуха, которые встречаются в про-
изводстве холода, касаются смешивания двух
масс воздуха и охлаждения массы воздуха, ко-
торое чаще всего сопровождается осушением.
По этой причине мы дали два примера расче-
та.
Другие типы изменения состояния, которые
могут встретиться, - это нагрев и увлажнение.
Рис. 2.2.4-5. Осушение воздуха путем адсорбции влаги раствором хлорида лития (8уйете КаШаЬаг)
насос
В случае нагрева изменение состояния осу-
ществляется при постоянной влажности. Точ-
ка, изображающая состояние воздуха на диа-
грамме, перемещается вдоль горизонтальной
прямой слева направо.
Если речь идет об увлажнении, рассчиты-
вают отношение ДА/Ах и обращаются к соот-
ветствующим значениям, дающим углы изме-
нения и нанесенным на всех диаграммах (см.
шкалу по границе диаграммы на рис. 2.2.3-2).
Изменение состояния воздуха осуществля-
ется вдоль прямой линии, имеющей наклон,
равный углу изменения.
Наконец, каким бы ни было рассматривае-
мое изменение состояния, процедура расчета
остается всегда одной и той же: определить на-
правление изменения, отметить на диаграмме
или рассчитать конечное состояние и затем
снять с диаграммы, чаще всего путем просто-
го вычитания между начальным и конечным
состояниями, изменение энтальпии и абсолют-
ной влажности.
2.3. Механика жидкостей и газов
2.3
Любая холодильная установка характеризу-
ется переносом сред из одной точки в другую,
будь то холодный воздух, циркулирующий в
каналах, хладагент в жидком состоянии или его
пары, циркулирующие в трубопроводах, охлаж-
денная вода, горячая вода, подлежащая охлаж-
дению в системах охлаждения и т.д.
В большинстве этих каналов и трубопрово-
дов мы имеем дело со сплошной средой, ха-
рактеристики которой одинаковы во всех на-
правлениях (в этом случае говорят об изотроп-
ной среде) и которая, к тому же, может дефор-
мироваться, принимая геометрическую форму
емкости, в которой содержится. Вещество та-
кого типа называют сплошной средой, которая
в нашем случае может быть жидкой или газо-
образной. Законы равновесия или движения
этой среды составляют предмет механики жид-
кости и газа.
Законы равновесия изучает статика жид-
кости и газа, а законы движения - динамика
жидкости и газа, которая подразделяется на
гидродинамику, относящуюся к жидкостям, и
газодинамику, относящуюся к газам.
Постоянно сталкиваясь с различными тече-
ниями, холодильщики должны знать основные
свойства сред и явления, сопровождающие
любое течение, уметь измерять расходы и вы-
числять потери напора. Эти вопросы механи-
ки жидкости и газа будут рассмотрены нами в
дальнейшем.
Что касается основных характеристик сред,
то мы их уже упоминали в пп. 1.3.3.2.5 (для
жидкостей) и 1.3 .4.1 (для газов), где мы уточ-
нили, что подразумевается под идеальным га-
зом и паром.
2.3.1. Свойства жидкостей и газов
2.3.1.1. Сжимаемость
Сжимаемость можно определить как спо-
собность среды уменьшать свой объем под дей-
ствием давления.
Исходя из этого введем коэффициент сжи-
маемости с, равный
1 ДИ
с --------.
V ,\р
Так как удельный объем V связан с объемом
V соотношением
V
V = — ,
т
где т - масса рассматриваемой среды, то по-
лучаем также
1 ДИ 1 Ду с ,
с =---------------, бар
И Др у Др
Величина, обратная коэффициенту сжима-
емости, называется объемным модулем упруго-
сти и обозначается К, следовательно, имеем
К = - , бар.
с
Для жидкостей коэффициент сжимаемости
с очень мал, это означает, что в выражении
Др
относительное уменьшение объема ДИ/Имало.
Например, для воды
с = 0,00005 бар-1,
это означает, что при увеличении давления на 1
бар относительное уменьшение объема ДИИ рав-
но 0,00005, и, следовательно, вместо 1 литра
воды получим объем всего на 50 мм3 меньше.
Для газов необходимо рассмотреть два слу-
чая:
- изотермическое сжатие, т. е. сжатие, про-
исходящее при постоянной температуре. В этом
случае выводим из уравнения состояния иде-
альных газов при р-И=СОП8Г
^130111 —
р
При увеличении давления газа на 1 бар его
коэффициент сжимаемости будут равен
т. е. он в
--------= 20 000
0,00005
раз больше, чем для воды;
- адиабатическое обратимое сжатие, т. е.
сжатие, происходящее без обмена теплом с
внешней средой и без трения. В этом случае
выводим из уравнения состояния идеальных
газов при р- Г^сопд
1
Са(1 —
ур
В частном случае сухого воздуха, например,
показатель адиабаты у, равный отношению
удельных теплоемкостей при постоянном дав-
лении и при постоянном объеме (см.п. 1.3.1.4.4),
имеет значение 1,4, и, следовательно,
1
—-----
1,4р
это означает, что коэффициент сжимаемости
сухого воздуха в
------------= 14 286
1,4 х 0,00005
раз больше, чем для воды.
2.З.1.2. Вязкость
Вязкостью реальной жидкости или газа,
подвергаемых деформации сдвига, называется
свойство среды оказывать сопротивление сколь-
жению одних ее слоев относительно других.
Представим себе канал (рис. 2.3.1-1), в ко-
тором течет идеальная жидкость, и рассмотрим
Рис. 2.3.1-1. Схематическое представление поля скоро-
стей вну1ри жидкости, ограниченной двумя бесконечными
параллельными пластинами, расположенными на неболь-
шом расстоянии друг от друга (схема Куэтта)
две параллельные плоскости достаточно боль-
шой площади, чтобы можно было пренебречь
влиянием краев. Пусть одна из плоскостей не-
подвижна (например, внутренняя стенка кана-
ла), а другая представляет собой пластину, ко-
торая передвигается параллельно неподвижной
поверхности со скоростью ж
Если расстояние у между двумя поверхнос-
тями мало и постоянно, среду можно предста-
вить как совокупность тонких слоев, каждый из
которых приводит в движение нижний слой,
имеющий меньшую скорость и тормозящий
верхний слой, имеющий более высокую ско-
рость.
Это явление подобно тому, что происходит,
когда тянут центральную жилу из медного мно-
гожильного электрического кабеля. Остальные
жилы при этом также вытаскиваются, но тем
меньше, чем ближе они к краю кабеля. В ре-
зультате формируется некоторый градиент ско-
рости м’/у, и если он линейный, то сила Р\ не-
обходимая для преодоления вязкого сопротив-
ления К среды, вычисляется по следующей фор-
муле, которая выражает закон Ньютона:
Е = К = туА-—,
У
где А - площадь перемещающейся пластины,
т| - коэффициент пропорциональности, назы-
ваемый динамической вязкостью. Этот коэффи-
циент позволяет оценить силу, необходимую
для приведения среды в движение. Так как
можно записать
Р/А
Г1 = ~Т-
то приходим к выводу, что динамическая вяз-
кость равна частному от деления касательной
вязкой силы (на единицу площади) на гради-
ент скорости в направлении, перпендикулярном
рассматриваемой поверхности.
Если сила Р выражается в Н, площадь по-
верхности А - в м2, скорость и» - в м/с и рас-
стояние у в м, то динамическая вязкость будет
выражаться в Н с/м2, или в Па с. Определение
динамической вязкости дано в п. 1.1.1.2.
Все среды, которые подчиняются приведен-
ному выше закону' Ньютона, называются нью-
тоновскими, в отличие от неньютоновских
сред, для которых зависимость силы Р от сдви-
говой скорости (т. е. от градиента скорости) не
является линейной.
Отношение силы Р к площади А называет-
ся касательным напряжением, которое равно
Р
т = —, Н/м2.
А
В некоторых расчетах используют кинема-
тическую вязкость, равную частному от деле-
ния динамической вязкости среды на ее плот-
ность. В этом случае имеем
у = ~—,
Р
где V выражается в м2/с, если плотность р вы-
ражена в кг/м3.
Единицы вязкости, как динамической, так
и кинематической, приведенные выше, являют-
ся официальными единицами. Однако, посколь-
ку различные вязкости все еще выражают в еди-
ницах, не входящих в Международную систе-
му, читатель может обращаться к таблицам пе-
ревода 1.1.4-10 и 1.1.4-11.
Для кинематической вязкости до сих пор
встречаются различные данные в градусах Эн-
глера (Еп%1ег), Е, в секундах Сейболта (8ауЬо11
ЭпЕегзаГ), 811, и в секундах Редвуда (Кедм>оод
п°1), Ш. Две последние единицы применяются
главным образом в США н других американс-
ких странах. Табл. 1.1.4-12 позволяет перево-
дить друг в друга наиболее употребительные
единицы кинематической вязкости. (См. также
табл 1.1.4-10 и 1.1.4-11.)
Измерение вязкости производится с помо-
щью вискозиметров, которые могут быть раз-
личных типов. Каждый из них приспособлен к
измерению вязкости одного или нескольких ти-
пов сред. Для общего сведения назовем приме-
няемые для жидкостей абсолютный капилляр-
ный вискозиметр, вискозиметр с падающим
шариком, вискозиметр Энглера и вискозиметр
Куэтта с концентрическими цилиндрами; для
газов применяется газовый вискозиметр Ренки-
на. Некоторые виды измерений вязкости стан-
дартизированы (например, стандарт КЕТ 60-
100 для нефтепродуктов). Приборы для изме-
рения вязкости будут рассмотрены в п. 2.6.6.З.
Втабл. 2.3.1-1,2.3.1-2 даны коэффициенты для
вязкости различных сред, а коэффициенты вяз-
кости для хладагентов в жидком и газообраз-
ном состоянии приведены на рис. 2.3.1-2 и
2.3.1-3.
Таблица 2.3.1-1
Динамическая (т>) и кинематическая (у) вязкости
различных сред при +20 *С (если не указана другая
температура)
Пример. Динамическая вязкость спирта равна
Г|-106=1180, следовательно, т|=1180-10’< Н-с/м2.
Среда Р, кг/м3 трЮ6, Нс/м2 уЮ", м2/с
Бензол 880 650 0,74
Водород (0°С) 0,087 8,44 97
Газ в городской сети 0,5 13 26
Газ газогенераторный 1,0 17 17
Газ доменный 1,2 17 14
Г аз природный (») 0,78 10 12,8
Газы выхлопные (100°С) 0,95 19 20
Г азы выхлопные (300°С) 0,63 28,4 45
Глицерин 1 260 1 071 000 850
Дифил (100°С) 996 1 015 1,02
Дифил (200°С) 909 436 0,44
Керосин бытовой (1,5 Е) 860 5 160 6
Керосин тяжелый № 2 (200 960 1 460 000 1 520
Е)
Кислород 1,10 20 18
Масло смазочное 920 92 000 100
Метан 0,67 10,5 15,6
Нефть сырая 875 Ю3...10б 10...1000
Ртуть 13 550 1 540 0,114
Я12 жидкий 1 329 231 0,17
Я12, пары(0°С) 1 765 1 201 0,68
Спирт 790 1 180 1,5
Этиленгликоль 1140 30 800 27
Таблица 2.3.1-2
Кинематическая вязкость V для воды в жидком состоянии, для паров воды в состоянии насыщения
и для воздуха
Пример. Для воды при О °С кинематическая вязкость равна у 10б=1,79, следовательно, у=1,79- ИГ6 м/с=1,79 мм2/с.
Вода Насыщенные пары воды Воздух при давлении 1 бар
г,°С у10‘, м2/с р, бар 1,°С у-Ю6, м2/с 1,°С у-106, м2/с
0 1,79 1 99,1 21,6 0 13,2
10 1,31 2 119,6 12,1 20 15,0
20 1,01 3 132,9 8,8 40 16,9
30 0,81 4 142,9 7,0 60 18,9
40 0,66 5 151,1 5,9 80 20,9
50 0,56 10 179,0 3,1 100 23
60 0,48 20 211,4 1,7 200 36
70 0,42 30 232,8 1,2 400 64
80 0,37 40 249,2 0,92 600 99
90 0,33 50 262,7 0,74 800 137
100 0,29 100 309,5 0,39 1000 181
Рис. 2.3.1-2. Кинематическая вязкость V различных
жидких хладагентов и воды
2.3.2. Законы движения жидкостей
и газов
2.З.2.1. Определения, параметры
потока
Отметим прежде всего, что следует разли-
чать течения жидкостей, которые относятся к
динамике несжимаемых сред, и течения газов
и паров.
Большая часть потоков сред, с которыми
встречается холодильщик, относится к течени-
ям жидкостей, следовательно, нас будет инте-
ресовать главным образом динамика несжима-
емых сред. Мы ограничимся, впрочем, лишь
течением под давлением в трубах - случаем,
когда трубы полностью заполнены жидкостью,
в отличие от течений в открытых каналах.
Для изучения течения рассмотрим элемент
трубки тока, т. е. элемент, образованный со-
вокупностью линий тока. Под линией тока по-
нимается кривая, касательная в каждой точке
которой совпадает с направлением вектора ско-
рости в этой точке.
Существуют различные типы течений: ста-
ционарные, стационарные только в среднем,
стационарные однородные, стационарные нео-
днородные и т.д. Для того чтобы легче разли-
чать возможные типы течений, используют спе-
циальный коэффициент, который называется
числом Рейнольдса. С помощью него можно
выделить два основных класса течений: лами-
нарные и турбулентные.
В ламинарных течениях элементарные ча-
стицы жидкости движутся по траекториям, па-
раллельным линиям тока, а их скорость умень-
шается от оси течения, которое предполагается
симметричным, к периферии, где скорость рав-
на нулю вследствие прилипания молекул к стен-
ке. Этот тип течения довольно редко встреча-
ется, за исключением капиллярных трубок.
В турбулентных течениях, напротив, час-
тицы среды совершают беспорядочные движе-
ния во всех направлениях, причем этн движе-
ния накладываются на основное течение. Бла-
годаря переносу энергии от одной точки тече-
ния к другой, профиль скорости становится в
значительной степени плоским, практически
перпендикулярным к оси потока (рис. 2.3.2-1).
Рис. 2.3.2-1. Профили скорости, характерные для лами-
нарного и турбулентного режимов
Как мы уже говорили, число Рейнольдса Не
позволяет разграничить типы течений. Выра-
жение для числа Рейнольдса имеет вид
не = —— (безразмерная величина),
где
и> - средняя скорость течения, м/с;
г/ - диаметр трубы, в которой происходит
течение, м;
V - кинематическая вязкость среды, м2/с.
Многочисленные эксперименты показали,
что течение может рассматриваться как лами-
нарное, если Ке меньше 2320, и как турбулен-
тное, если Ке выше 2320.
Если Ке равно 2320, то говорят о критичес-
ком числе Рейнольдса (Кест), которому соответ-
ствует критическая скорость м> т. с. скорость,
при которой для данного диаметра д трубы н
для кинематической вязкости V среды, проте-
Рис. 2.3.2-2. Критическая скорость различных сред в
зависимости от диаметра трубы и температуры или давле-
ния
кающей в этой трубе, происходит переход от
ламинарного режима к турбулентному и обрат-
но. Отсюда получаем
Кест .
• V, м/с.
На рис. 2.3.2-2 представлена критическая
скорость для различных сред в зависимости от
диаметра трубы и температуры или давления.
При расчете потерь напора важно знать, с
каким типом течения имеем дело, потому что
для ламинарного течения потеря напора про-
порциональна его средней скорости, тогда как
для турбулентного течения потеря напора про-
порциональна квадрату средней скорости.
Среди других характеристик потока особен-
но важной является полное давление рм, рав-
ное сумме статического давления р динами-
ческого давления рА[п и давления, обусловлен-
ного силой тяжести ррез.
Мы вернемся к этому ниже, при обсужде-
нии теоремы Бернулли.
2.З.2.2. Уравнения движения
Эти уравнения не только очень многообраз-
ны (так как, кроме типов течения, о которых мы
уже говорили, нужно различать еще и одномер-
ные и двумерные течения, а также одномерные
изоэнтропические или неизоэнтропические те-
чения и т.д.), но часто н очень сложны. Вот по-
чему мы сформулируем только самые основные
законы, сделав предварительно несколько уп-
рощающих предположений, и будем рассматри-
вать только идеальные (или паскалевские) сре-
ды, т. е. среды, вязкость которых предполага-
ется нулевой. Это предположение, очевидно,
никогда не выполняется, но является допусти-
мым для многих сред, вязкость которых очень
мала.
2.З.2.2.1. Объемный и массовый расходы
Объемным расходам ду называют величи-
ну объема среды V, проходящей через некото-
рую поверхность за единицу времени I. Тогда
получаем
V
Чг=~ , М3/с.
Массовым расходом дт называют массу сре-
ды, проходящей через некоторую поверхность
за единицу времени Г.
т
Чт=~ , КГ/с.
Кроме того,
„ т
V =т-у = —,
Р
где V -удельный объем, м3/кг,
р - плотность, кг/м3.
За время I начальное сечение перемещает-
ся, например, на расстояние I в направлении
течения; соответствующий образующийся объем
равен
V = А-1,
Отсюда объемный расход составляет
д„ = А-= А м>.
Но так как одновременно
Р
получаем для массового расхода
дт = р-А-м>.
2.З.2.2.2. Уравнение неразрывности
Это уравнение непосредственно следует из
закона сохранения массы и выражает тот факт.
что в течение какого-либо промежутка време-
ни возрастание массы среды, находящейся в
данном объеме, должно быть равно массе сре-
ды, поступающей в этот объем, уменьшенной
на массу среды, вытекающей из объема. Так как
мы рассматриваем только стационарные тече-
ния и, кроме того, предполагаем, что не проис-
ходит ни возникновения, ни исчезновения сре-
ды во время ее движения (консервативное те-
чение), то между двумя сечениями 1 и 2 (рис.
2.3.2-3) имеем
Л] и'] • Р] = А2 • м>2 р2 , кг/с,
где Л] - площадь сечения 1, м2;
и1] - средняя скорость в сечении 1, м/с;
Р! - плотность среды в сечении 1, кг/м3;
А2 - площадь сечения 2, м2;
м>2 - средняя скорость в сечении 2, м/с;
р2 - плотность среды в сечении 2, кг/м3.
Рис. 2.3.2-3. Принципиальная схема трубки тока для
вывода уравнения неразрывности
Как мы подчеркивали, рассматриваемая
скорость является средней скоростью, так как
вдоль стенок скорость равна нулю (погранич-
ный слой), затем она возрастает и достигает
максимального значения вдоль линии тока, со-
впадающей с осью симметрии потока.
Следует отличать случай сжимаемых сред
от случая несжимаемых сред.
Для сжимаемых сред, например газов или
паров в процессе сжатия или расширения (та-
ков, в частности, случай, когда пары хладаген-
та проходят через регулирующий вентиль), пре-
дыдущая формула показывает, что объемный
расход не является неизменным при переходе
от одного сечения к другому, поскольку
Л] •И’] = А2 -М'2 —, м3/с,
Р1
где плотности р] и р2 известны, так как извест-
ны удельные объемы V, и у2 из диаграммы па-
ров рассматриваемой жидкости в зависимости
от состояния паров (температуры, давления) в
наблюдаемом сечении.
Для несжимаемых сред в стационарном те-
чении имеем, по предположению,^р]=р2. Сле-
довательно, предыдущее уравнение упрощает-
ся, и мы получаем
Ах • и’1 = Л2 • и»2 ,
что означает обратно пропорциональную зави-
симость скорости от площади сечения.
Пример
Пусть имеется труба, подобная изображен-
ной на рис. 2.3.2-3, в которой протекает несжи-
маемая жидкость. Если диаметр сечения 1 ра-
вен «7]=ЗО мм и скорость ^=2 м/с, а диаметр
сечения 2 равен с/2=15 мм, то скорость
= В’1
А, 7г-б7,2/4
— = и’1 —1-4-
А2 п-^2/^
Как несжимаемые можно рассматривать не
только все жидкие среды, которые обычно
встречаются в холодильных установках (мас-
ло, вода и т.д.), но также и газообразные сре-
ды (газы, пары), если только они не находятся
в процессе сжатия или расширения. Даже в вен-
тиляционных установках и кондиционерах воз-
дух обычно может рассматриваться как несжи-
маемый. С другой стороны, когда скорость газа
(в том числе и воздуха) превышает приблизи-
тельно 100 м/с, необходимо учитывать сжима-
емость.
2.З.2.2.З. Уравнение сохранения энергии,
или уравнение Бернулли
Это уравнение непосредственно вытекает из
закона сохранения энергии, который утвержда-
ет, что полная механическая энергия идеальной
несжимаемой среды в стационарном течении
сохраняется постоянной. Полная механическая
энергия Е массы т жидкости, содержащейся в
некотором сечении, равна сумме (рис. 2.3.2-4):
- потенциальной энергии, обусловленной
положением: на высоте г эта энергия равна
Рис. 2.3.2-4. Схематическое представление трубки тока
для вывода уравнения Бернулли
ЕРз = т-&-2-,
- потенциальной энергии, обусловленной
давлением и определяемой в соответствии с ос-
новным законом гидростатики (см. п. 1.3.5.2.4).
Этот закон утверждает, что давление в некото-
рой точке жидкости равно
р = р-#-г
или
2 = ^-.
Р'В
Вводя эту величину в уравнение, дающее
потенциальную энергию положения, получим
потенциальную энергию давления:
- кинетической энергии:
Д’ 1 2
Е„ = —т и»2
с 2
Полная механическая энергия в сечении 1
равна
Етц =ЕРз, + ЕРР1 +Ес, =т-^-г} +
р, 1 2
+ т — +—7и-и’1 ,
Р 2
в сечении 2 -
р2 1 2
Ет(г =т-з-?2+т-+- + -т-м’2,
р
где т - масса, кг;
% - ускорение силы тяжести, м/с2;
2 - высота, м;
р - давление, Н/м2;
р - плотность, кг/м3;
М' - средняя скорость, м/с.
Тоща полная механическая энергия выража-
ется в джоулях (Дж). Однако можно также вы-
ражать полезную механическую энергию на
единицу массы (Дж/кг), на единицу объема
(Дж/м3) или на единицу веса (Дж/Н).
Поскольку между сечениями 1 и 2 полная
механическая энергия не изменяется, то урав-
нение Бернулли (швейцарский математик,
1700-1782) запишется в виде
Р\ 1 2
ти-17-7, + т — +—т-м’Г =
р 2 1
Р2 1 2 .
= т-§-г2 +т—-+—т-у»2 = сопй,
Р 2
или
Р'2 ™2
Если линии тока между сечениями 1 и
2 го-
ризонтальны, получим
и, следовательно, уравнение Бернулли примет
вид
Р\ , _ Р2 , Ч
---1- — 1- .
Р 2 р 2
Даже если линии тока не являются горизон-
тальными, для газов их часто считают таковы-
ми, поскольку изменение энергии из-за изме-
нения высоты обычно пренебрежимо мало по
сравнению с изменением энергии из-за изме-
нения скорости.
Соотношение Бернулли для единицы объе-
ма можно записать следующим образом:
И’2
р • § • 2 + р + р— = СОП51,
каждый член в этом уравнении выражается в
единицах давления (Н/м^Па).
В этом уравнении член р называется ста-
тическим давлением, а член
н>2
динамическим давлением, их сумма
и2
р+р~г
образует полное давление в рассматриваемой
точке. Оставшийся член
р-^-7
часто называют гидростатическим давлением
(давлением за счет силы тяжести).
Полное давление измеряется с помощью
трубки Прандтля', мы вернемся к этому в п.
2.6.3.8.
Далее мы рассмотрим пример использова-
ния уравнения Бернулли.
Приведенное выше выражение уравнения
Бернулли касается, как мы это отмечали, иде-
альных сред, т. е. невязких. Напротив, для ре-
альных сред необходимо учитывать вязкость,
которая приводит к диссипации энергии меж-
ду сечением 1 и сечением 2, что означает, сле-
довательно, уменьшение полной энергии в на-
правлении течения.
Это уменьшение энергии обусловлено со-
противлением течению, оказываемым погра-
ничным слоем, расположенным вблизи стенки
трубы. Сопротивление проявляется через поте-
рю энергии на единицу объема (Дж/м3, эта еди-
ница имеет ту же размерность, что и давление,
выраженное в Н/м2). Такую потерю энергии
называют потерей напора Ар, величина ее за-
висит, кроме прочего, от степени шероховатос-
ти стенки. Швейцарский физик Прандтль впер-
вые разработал в 1904 г. теорию пограничного
слоя и порождаемых его наличием потерь на-
пора.
Применительно к сечениям 1 и 2 уравнение
Бернулли записывается в виде
2.З.2.2.4. Уравнение сохранения
количества движения, или уравнение
Эйлера
Это уравнение, полученное швейцарским
математиком Эйлером (1707-1783), вытекает из
закона сохранения количества движения, со-
гласно которому изменение количества движе-
ния материальной системы (в нашем случае
массы среды, рассматриваемой при тех же
предположениях, что и выше) равно полному
импульсу.
Напомним, что количество движения мас-
сы т, движущейся со скоростью и, равно про-
изведению этой массы на ее скорость, т е.
т и, кг-м/с.
Импульс же равен произведению силы Р,
приложенной к массе т, на промежуток време-
ни А/, в течение которого действует эта сила:
77-А/, Н-с (=кг-м/с).
Сила равна произведению массы на ускоре-
ние, отсюда получаем
или
У7-А? = т- Ди.
В случае трубки тока, для которой средняя
скорость равна и1 в сечении 1 и и2- в сечении
2, изменение количества движения за время А/
составляет
т-\ь2 -т-м\,
откуда следует уравнение сохранения количе-
ства движения:
У7-А? = т--н>2 .
Пример
Требуется рассчитать потери напора в ре-
зультате течения среды (очевидно, реальной,
иначе потеря напора была бы, по предположе-
нию, нулевой) в трубе, имеющей внезапное рас-
ширение (рис. 2.3.2-5).
Решение
Мы видели выше, что уравнение Бернулли,
примененное к реальной среде и выраженное
Вихрь
Рис. 2.3.2-5. Схематическое представление внезапного
расширения, для которого требуется рассчитать потерю на-
пора
через энергию на единицу объема (Дж/м3), что
эквивалентно давлению (Н/м2), записывается
следующим образом:
н’12 н'2 *
Р-2-21+Р1 +ру- = р-^-г2+р2+р—+Др.
Если мы предположим, что труба горизон-
тальна (г]=22), и запишем в качестве дополни-
тельного упражнения уравнение Бернулли че-
рез энергию на единицу веса (со - удельный вес
рассматриваемой среды), то получим
н'12 Р? н'2 *
со 2$ со 2$
Отсюда искомая потеря напора равна
Др=А-Р2+^-^2
со 2$
Следовательно, нам нужно найти р}- р2 и
для этого применить уравнение сохранения ко-
личества движения:
У7-А? = т-м>2 -т-н/],
которое можно записать
Поскольку
т = V р,
получаем также
V V
Р =----р-Ж,------р-Ж .
ДУ 2 ДУ 1
Так как
V
А.1
есть не что иное, как объемный расход, равный
Л2'Н’2 в сечении 2 и Л]-и,] в сечении 1 (закон
неразрывности), то можно записать, что
Р - А2 и’2 р-н’2 -А} •и’1 •р-и’1 =
= р'И2 • -р’Д] •Н’2.
Применительно к сечению 2 сила Р равна
(л -р2)-А>
и, следовательно,
(а -р2)-А = р-4’-н,2-р-4-и’2,
или
7 -^1 О О ^2 9
Р\ ~Р1 =Р'^2 -Р~Н’11 =Р-Ч-Р — ^1 =
А
(так как^4],м’]=Л2-м’2)
= р.М>2-р.М-2.М-1.
Отсюда искомая потеря напора составляет
\ 2 2
-^2 =
©
ц,2(ц,2-ц,1) , ,
8 2%
28
Эта потеря напора выражается в высоте
столба среды (Дж/Н=м), а в единицах давления,
т. е. в Н/м2 (Па), принимает вид
Это уравнение называют формулой Ве1ап§ег
или Вог<1а - Сато1 (Борда-Карно).
2.3.3. Диафрагмы и сопла
В любой холодильной установке происходит
циркуляция различных сред, и часто необходи-
мо знать массовые или объемные расходы, для
того чтобы контролировать различные парамет-
ры работы, особенно на приемных испытани-
ях и при определении производительности раз-
личных устройств.
Мы видели в п. 2.3.2.2.1, что массовый рас-
ход выражается соотношением
цт = р.Д-м>,
в котором известны легко определяемые плот-
ность р и площадь А. Напротив, скорость к из-
мерить непросто, часто приходится прибегать
к искусственному приему, который заключает-
ся в установке в трубопровод устройства,
уменьшающего площадь сечения. Оно позво-
ляет преобразовать часть потенциальной энер-
гии давления в кинетическую энергию. Эти ус-
тройства приводят также к потере напора, ко-
торая измеряется с помощью дифференциаль-
ного манометра; таким образом, измерение ско-
рости заменяется на измерение давления.
Основными применяемыми сужающими
устройствами являются диафрагмы, сопла и
трубки Вентури. Диафрагма (рис. 2.3.3-1) имеет
очень простую форму, ее изготовление также
несложно. Благодаря своим небольшим разме-
рам она легко устанавливается в месте соеди-
нения труб.
У сопла (рис. 2.3.3-2) кромки, находящие-
ся в потоке, закруглены, что позволяет умень-
шить влияние шероховатости стенок и вязкос-
ти среды. Его коэффициент сжатия выше, чем
у диафрагмы.
Рис. 2.3.3-1. Диафрагма
Рис. 2.3.3-2. Сопло
Рис. 2.3.3-3. Трубка Вентури (сходящаяся/расходя-
щаяся)
Трубка Вентури (рис. 2.3.3.-3) вносит наи-
меньшие возмущения в поток. Ее используют,
если требуется, чтобы создаваемая потеря на-
пора была по возможности наименьшей.
Измерения, производимые с помощью сужа-
ющих устройств, стандартизованы1.
Исходя из уравнения, дающего разность
между полным давлением и статическим дав-
лением2 (п.2.3.2.2.3):
Ар = |м-2
получим, ПОЛОЖИВ М'2=М',
, м/с.
Теоретический массовый расход тогда равен
Ят = Р^-
= А • ^2-Др-р , кг/с.
И для объемного расхода имеем
= ,м2/с.
Р у Р
Линии тока, особенно в случае диафрагмы,
не проходят в точности у кромок сужающего
устройства, кроме того, появляются потери за
счет трения. Это приводит к тому, что измерен-
ный расход не соответствует реальному значе-
нию, что учитывается введением коэффициен-
та сжатия а. Этот коэффициент приведен в
табл. 2.3.3-1 в зависимости от отношения пло-
щадей отверстий т, где
1 КЕ X 10-102 (180 5167) «Измерение расхода сред с
помощью диафрагм, сопел и трубок Вентури, установлен-
ных в трубопроводах круглого сечения, работающих под
давлением»;
КЕ X 10-104 «Измерение расхода сред с помощью ди-
афрагм, сопел и трубок Вентури; практическое руководство»;
КЕ X 10-105 (180 ТК 3313) «Измерение расхода пуль-
сирующего потока сред в трубопроводе с помощью диаф-
рагм, сопел и трубок Вентури».
2 Здесь допущена неточность. На самом деле, если есть
возможность измерить динамическое давление, то не тре-
буется никаких дополнительных устройств типа диафрагм,
сопел н т.д. для нахождения расхода. Эти устройства при-
меняют, только если доступно измерение лишь статических
давлений. Тогда (^р-р^-р^ где рг и рг - статические давле-
ния до и после, например, диафрагмы. (См.: Хансуваров
К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода,
количества и уровня жидкости, газа н пара. М.: Изд-во стан-
дартов, 1989). -Примеч. пер.
Таблица 2.3.3-1
Коэффициент сжатия а для сужающих устройств
в зависимости от отношения площадей т
Сужаю* щее устройст- во Отношение ппопдадей лг=<<И))2
0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
Диаф- 0,598 0,602 0,615 0,634 0,660 0,695 0,740 0,802
рагма Сопло 0,987 0,989 0,999 1,017 1,043 0,081 1,142
Трубка Вентури 0,968 0,989 1,001 1,020 1,048 1,092 1,155
диаметры й и О обозначены на рис. с 2.3.3-1
по2.3.3-3.
Уравнение, полученное таким способом,
справедливо только для постоянной плотнос-
ти. Это предполагает, что разность давлений
после сужающего устройства и перед ним не-
велика. Если же это не так, нужно учитывать
коэффициент расширения е, зависящий от от-
ношения
Р1 Р\ ’
а также показатель адиабаты у. Для несжимае-
мых жидкостей 8=1.
Коэффициент расширения 8 приведен в
табл. 2.3.3-2 и на рис. 2.3.3-4.
Окончательно, с учетом коэффициента сжа-
тия а и коэффициента расширения е, получа-
ем:
- для массового расхода
цт-а-Е-А^2Ар-р, кг/с,
- для объемного расхода
Таблица 2.3.3-2
Коэффициент расширения е газа или лара в
зависимости от отношения (Р1 -рзХР1
Предполагается, что показатель адиабаты равен 1,4
н отношение площадей заключено в пределах от 0,4 до 0,8.
Сужающее устройство Отношение давлений СР1~Р2^Р1
0,01 0,02 0,04 0,06 0,10 0,20 0,30
Диафрагма 0,997 0,992 0.984 0,975 0,97 0,92 0,88
Сопло 0,994 0,982 0,958 0,945 0,91 0,82 0,74
Рис. 2.3.3-4. Коэффициент расширения е для
сужающих устройств
Добавим для холодильщиков, сталкиваю-
щихся с тепловыми проблемами, что при из-
мерении расходов сред, имеющих температуру
выше 200 °С, необходимо еще учитывать теп-
ловое расширение самого сужающего устрой-
ства. Его диаметр <1^ для горячего состояния
связан с диаметром для холодного состоя-
ния следующим образом:
значение поправочного множителя к дано в
табл. 2.3.3-3.
Предыдущие уравнения для массового и
объемного расходов справедливы, если только
отношение давлений выше и ниже по потоку от
сужающего устройства будет меньше некоторой
величины, которая называется критической.
Когда отношение давлений достигает критичес-
кого значения, скорость среды (газа или пара)
становится равной скорости звука:
Х'сг = -^Р-У , м/с,
И
У
М 2 Ъ-1
р 1у + п
Таблица 2.3.3-3
Поправочный множитель к в зависимости
от температуры рассматриваемой среды
Материал, из которого изготовлена диафрагма или сопло Температура среды, °С
200 300 400 500
Сталь, хромистая сталь, 1,005 1,007 1,010 1,012
серый чугун
Сталь 18/8, красный чугун 1,007 1,010 1,014 1,018
Если скорость газа должна превышать кри-
тическую скорость, приведенную выше, то не-
обходимо применять сопло, расширяющееся
после самого узкого сечения. Такое устройство
называется соплом Лаваля.
Пример
Пусть имеется холодильная установка, в ко-
торой требуется измерить расход воды для ох-
лаждения конденсатора. Для этого в соответ-
ствующем трубопроводе диаметром 149 мм ус-
танавливают стандартную диафрагму диамет-
ром 125 мм. С помощью трубки Прандтля’
находят, что динамическое давление (т. е.
\р=р2-р}) равно 380 мбар. Тогда массовый
расход воды составляет
=а,-Е-Лд/2Ар-р,
где а=0,802, это значение дано в табл. 2.3.3-1
для те=(Й<Р)1 2=(125/149)2=0,70;
е=1, поскольку речь идет о несжимаемой
среде;
А лО2/4=3,14x0, 1252/4=0.01226 м2;
Др=380х100=38 000 Н/м2;
р=1000 кг/м3.
Получим
дт = 85,72 кг/с
или, для объемного расхода,
1 См. подстрочное примечание 2 на с. 448. В этом при-
мере необходимо измерять разность статических давлений
до и после диафрагмы. -Примеч. пер.
= 85Д2 = 0 72 мзус =
У р 1000 4
= 308592 л/ч.
Очевидно, можно было бы найти тот же
объемный расход из уравнения
2.3.4. Потери напора1
В конце п. 2.3.2.2.3, обсуждая уравнение
Бернулли, мы отмечали, что в случае реальной
среды необходимо учитывать потерю напора Др
между точками вверх и вниз по потоку. Эта по-
теря напора обусловлена трением главным об-
разом в пограничном слое вдоль стенок. Поте-
ря давления имеет место как на прямолинейных
участках трубопровода, так и на участках, со-
держащих различные конструктивные элемен-
ты и местные преграды.
К этой потере напора, которая называется
потерей на трение или распределенной, добав-
ляется вторая составляющая, обусловленная
всеми конструктивными элементами и препят-
ствиями в контуре. К ним относят все элемен-
ты рассматриваемого контура, которые не яв-
ляются однородными прямолинейными (пово-
роты канала, сужения и расширения канала,
ответвления, вентили, клапаны и т.д.). Потери
здесь возникают из-за того, что, когда поток
проходит через эти участки, происходит его за-
вихрение, отделение струек среды и т.д., что вы-
зывает дополнительные потери напора - мест-
ные.
2.З.4.1. Потери напора на трение
Для круглой трубы эти потери рассчитыва-
ются по формуле
Брг =Х 1- — н’2 , Па,
а 2
1 Книга “Расчет потерь напора” (Са1си1 дез рейез де
сЬаг^е, А.Воизз1саид, Ед. Рапз1еппез) полностью посвящена
этой теме.
где X - коэффициент потерь на трение; речь
идет о безразмерном коэффициенте, который
мы обсудим ниже;
/ - длина рассматриваемого трубопровода,
включая препятствия, измеряемая вдоль оси, м;
<1 - диаметр трубы, м; для некруглых тру-
бопроводов мы обсудим его величину ниже;
р - плотность рассматриваемой среды, кг/
м3;
V - скорость среды, м/с.
Величина X определяется следующим обра-
зом.
• В ламинарном потоке
Х = —,
Не
где Не - число Рейнольдса, о котором шла речь
в п. 2.3.2.1. Поскольку
Ке =----,
V
то потеря напора на трение в ламинарном по-
токе записывается как
, ,. V I р I „
Др =64-----.-._ = з2—.у.р-и, Па;
н>-а а 2 д2
это соотношение называется уравнением Хаге-
на - Пуазейля. Как мы уже отмечали выше, та-
кое течение встречается редко, однако, прежде
чем автоматически считать поток турбулент-
ным, следует проверить, не является ли он все
же ламинарным (в этом случае Ке<2320, см. п.
2.3.2.1). Добавим, что в случае ламинарного
течения коэффициент X не зависит от шерохо-
ватости.
• В турбулентном потоке необходимо рас-
сматривать два случая в зависимости от того,
гладкая труба или нет:
- в случае гладкой трубы и при числе Рей-
нольдса меньше чем 2-Ю4 получаем
X = 0,3164/Ще .
Распределенная потеря напора в турбулентном
потоке в гладкой трубе записывается в виде
0,3164 I р „
^М'чУ/У 2
это соотношение называется уравнением Бла-
зиуса',
Таблица 2.3.4-1
Абсолютная шероховатость с различных трубопроводов
Тип трубопровода Способ изготовления / состояние поверхности Б, ММ
Трубопроводы из алюминия, стекла, меди, латуни тянутые <0,0015
Трубопроводы стальные катаные 0,01...0,05
оцинкованные 0,10-0,16
Трубы ржавые 0,15...0,40
чугунные битуминированные 0,10...0,13
из стальных листов оцинкованные 0,15
гибкие 0,20...3,0
изПВХ гладкие 0,001...0,01
резиновые под давлением гладкие 0,0016
из рабицы гладкие 1,5...2,0
асбоцементные <0,15
деревянные 0,03...0,10
каменные 3,0...5,0
бетонные ие обработанные после опалубки 1...3
оштукатуренные гладкие 0,30-0,80
средней шероховатости 1...2
повышенной шероховатости 2-3
глиняные обожженные 0,7
керамические (муфты и прямые соединения) 0,02-0,25
- в случае шероховатой трубы коэффици- ент X зависит от относительной шероховато- сти стенки, выраженной как отношение абсо- лютной шероховатости е (в мм) стенки к диа- метру В (в мм) трубы. Относительная шерохо- ватость, следовательно, определяется как е/<7. Табл. 2.3.4-1 дает абсолютную шероховатость е для различных трубопроводов. • Выводы Чтобы избежать расчетов, специалисты по механике жидкостей и газов, такие, как Прандтль, Карман, Никурадзе, Со1еЪгоок и особенно МооВу, разработали диаграмму (рис. 2.3.4-1), позволяющую легко определить коэф- фициент X в зависимости от того, является ли режим течения ламинарным или турбулентным, а трубы гладкими или шероховатыми. Эта ди- аграмма рассчитана по следующим уравнени- ям: - в случае течения в гладких трубах: - = 218(Ке>/Х)-0,8 X (X зависит, следовательно, только от числа Рей- нольдса); - в случае течения в шероховатых трубах: ~^ = 1,14-21ёЕД7 (X зависит только от относительной шерохова- тости); - в переходных течениях: 1 (е/в 2,51 > ~7= = -21§ +——т= Д <3,71 Кеу/Х> (X зависит от числа Рейнольдса и от относитель- ной шероховатости е/В). Граница между гладкими трубами и шеро- ховатыми определяется по соотношению (Кеу/х) (еД?) = 200 . Теперь, когда мы разобрались с коэффици- ентом X, обсудим значение диаметра В в фор- муле Др. = Х- —•—•и'2. В 2 Для труб круглого сечения речь идет о диа- метре (внутреннем) трубы в обычном смысле. В случае некруглого сечения (рис. 2.3.4-2) не-
Рис. 2.3.4-1. Диаграмма Мооду, дающая коэффициент распределенной потери напора X для труб (из книги “Рабочие диаграммы по теплотехнике, авиакосмической
технике, сантехнике” (АгЬейвтарре НещГесЬтк, Каит1ий1есЬтк, ЗапйагГесЬтк, Ед. УО1, ОйззеШой)).
<1 - внутренний диаметр трубы, м; V - скорость потока, м/с; V - кинематическая вязкость, м2/с; а 4 - относительная шероховатость; к - абсолютная шероховатость в
тех же единицах, что и диаметр
2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЛАСТИ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Рис. 2.3.4-2. Гидравлический диаметр труб различных
сечений
обходимо применять так называемый эквива-
лентный, или гидравлический, диаметр с1ь, ве-
личина которого равна
где Л - площадь рассматриваемого сечения,
Р - его периметр.
Величина представлена на рис. 2.3.4-3 в
зависимости от вида соответствующего сече-
ния.
В частном случае труб прямоугольного се-
чения (это относится в первую очередь к уста-
новкам кондиционирования воздуха, однако
встречаются такие трубы и в холодильных ус-
тановках) диаграмма 2.3.4-3 позволяет непос-
редственно определить гидравлический диа-
метр.
Пример расчета потери напора на трение
Пусть имеется холодильная установка, кон-
денсатор которой охлаждается водой, а эта вода
охлаждается в контуре охлаждения. Рассчитать
потерю напора на трение в трубопроводе, по
которому вода возвращается из контура в кон-
денсатор, если известно, что:
- трубопровод изготовлен из стали и его
внутренний диаметр равен 82,5 мм;
- его полная длина, измеряемая вдоль оси,
включая 5 поворотов, равна 18,7 м;
- объемный расход воды равен 19,2 дм3/с
при температуре 26 °С.
(Потеря напора за счет препятствий в виде
поворотов, так же как полная потеря напора,
будет рассчитана ниже.)
Решение
Поскольку известен объемный расход Цу
воды (0,0192 м3/с), а также диаметр с1 трубо-
провода, площадь сечения которого, следова-
тельно, равна
л = ^-=3-^(°-0825)г= 0,00534 из,
4 4
то можно рассчитать скорость воды:
Рис. 2.3.4-3. Диаграмма для непосредствен-
ного определения гидравлического диаметра тру-
бопроводов прямоугольного сечения
Длинная сторона
0,0192 .
= — =----------= 3,6 м/с
А 0,00534 1
Кинематическая вязкость V воды при +26 °С
может быть рассчитана путем интерполяции
данных табл. 2.3.1-2. Находим
V = 0,89-10~6м2\с,
отсюда число Рейнольдса равно
Ке = ^ = М^ = 3,3.105
V 0,89-Ю-6
(что означает турбулентный режим течения).
Абсолютная шероховатость дана в табл.
2.3.4-1. Предположим, что труба тянутая, и
возьмем 8=0,02. Тогда относительная шерохо-
ватость равна
е 0,02 „ , л
- = = 2,4-10~4
а 82,5
Зная число Рейнольдса и относительную
шероховатость, из рис. 2.3.4-1 получаем
X =0,0145.
Отсюда потеря напора на трение на длине
18,37 м трубопровода (прямоугольные участки
+ изгибы) с учетом того, что плотность воды
при 26 °С близка к 1000 кг/м3, составляет
Др2 = Х
I Р
а'г'™
= 0,0145 X
18,7 1000
0,0825Х 2 Х
хЗ,62 = 21 298Н/м2 (Па)«0,213бар.
2.З.4.2. Местные потерн напора
Эта величина дается соотношением
ДА = С-уИ’2,Па,
где С, - коэффициент местной потери напора для
рассматриваемого элемента (поворот, развет-
вление, вентиль и т.д.); его величина дана
- в табл. 2.3.4-2 и 2.3.4-3 для трубопрово-
дов,
- в табл. 2.3.4-4 для воздуховодов1;
р и » - те же величины, что и в формуле,
дающей распределенную потерю напора.
1 «Воздуховодом» называется сеть для транспортиров-
ки н распределения воздуха.
Пример расчета местных потерь напора
В п. 2.3.4.1 мы рассчитали только потерю
напора за счет трения. Рассчитаем теперь по-
терю напора из-за образования вихрей в 5 по-
воротах, которые будем предполагать одинако-
выми и для которых отношение радиуса кри-
визны г к диаметру равно приблизительно 3.
Решение
Табл. 2.3.4-2 нам дает, что для поворота на
90° и г/а=3 коэффициент потери напора равен
С=0,15.
Так как мы знаем (предыдущий пример),
что
р = 1000 кг/м3,
тс = 3,6 м/с,
то можно отсюда получить, что потеря напора
в повороте на 90° равна
Др, = 0,15 х х з 62 = 972 па
25 2
или, для 5 поворотов на 90°,
Др, = 5 х 972 = 4860 Па.
Очевидно, можно сначала рассчитать сум-
му коэффициентов местных потерь напора, рав-
ную
5x0,15 = 0,75.
Отсюда
Др, = 0,75 х х 3,62 = 4860 Па (« 0,049 бар).
2.З.4.З. Полные потерн напора
Эта величина равна сумме потерь на тре-
ние Дрг и местных потерь напора Др,. Следо-
вательно, получаем
др, = дрг+др, = тс2+/;•—тс2.
а 2 2
Если существует много препятствий, коэф-
фициенты местных потерь напора складывают:
^^4'Т“'2+»'7'“'2 =
а 2 2
= р.и,2Гк!+уЛ
2 I а )
Таблица 2.3.4-2
Коэффициенты местных потерь напора
Элемент Обозначение Коэфф ицент потерь напора Местные потери напора, Н/м2 (Па)
Поворот 90°-й гладкий г/4=0,5 1,0 2,0 3,0 1,0 0,35 0,20 0,15
р=90° Поворот 60° 45° 1,3 0,8 0,4 Д/’ = С^М'2
Расширение канала плавное р=10° д — = 0,5 20° ^2 30° 40° внезапное (Вог4а-Сато1) Выход в открытый канал и'т ' 0,20 0,45 0,60 0,75 г.-4 1 А} 1,0 04 „ С4 _ а! е. II II 11
Сужение канала плавное р=30° 45° 60° внезапное Внезапный вход 0,02 0,04 0,07 (1/а-1)2(1-ЛЛ42) (1/а-1)2 Ар=Ц*’2 ДР = ?|Н’22 кромки острые а=0,63 зазубренные а-0,75 закругленные а=0,90 в виде сопла а=0,99
Диафрагма кромки острые Ио 1 1 ^1—‘ з> 4> 73 Чз II II <гт М |7Э ьэ |7Э
Ответвление кромки острые и>/и>1=0,5 1,0 2,0 3,0 1.Р? ”2 р=90° 60° 45° Ар=С^22
4,5 1,5 0,74 0,62 3,1 0,77 0,47 0,58 2,0 0,43 0,45 0,54
Препятствия а/Ь=0,1 0,25 0,5 1?ВО О ь 1 О с> А/> = С^2
0,7 1,4 4,0 0,2 0,55 2,0 0,07 0,23 0,9
16—1369
Можно поступить по-другому. Вычислим
длину трубопровода, эквивалентную препят-
ствиям, полагая, что
/ =с--
еч X'
В этом случае для нескольких препятствий,
сумма коэффициентов местных потерь напора
которых составляет эквивалентная длина
трубопровода равна
.
л
Полная потеря напора станет равной
А Т С + ^еч) Р 2
Для препятствий, образованных запорио-
регулирующей арматурой или элементами хо-
лодильного контура (фильтр, смотровое окно,
теплообменник), эквивалентная длина трубо-
провода приведена в табл. 2.3.5-3, 2.3.5-4 и
2.3.5-5.
Пример
Если мы вернемся к примеру пп. 2.3.4.1 н
2.3.4.2, то найдем полную потерю напора:
Др. = 21 298 + 4860 = 26 158 Па.
Если рассчитать / для 5 поворотов, то по-
лучим
. к <7 / с 0,0825
/м = УС’ —= (5x0,15)—------= 4,27 м ,
64 X ' ’ 0,0145
отсюда полная потеря напора равна
* А с(18,7 + 4,27) 1000 .
7\р. = 0,0145-^-----—А-----хЗ,6 =
' 0,0825 2
= 26160 Па.
Пример полного расчета
Пусть имеется холодильная установка, ра-
ботающая на К22, температура испарения -30
°С, температура конденсации +30 °С и холодо-
производительность <2=4,65 кВт. Определить
полную потерю напора в трубопроводе всасы-
вания, если известно, что он изготовлен из
меди, его внутренний диаметр 22 мм, его дли-
на, измеренная вдоль оси, 25,5 м, он содержит
8 поворотов на 90°, причем отношение радиу-
са кривизны к диаметру равно 2.
Таблица 2.3.4-3
Коэффициенты потерь напора С, для конструктивных
элементов на трубопроводах
Элемент Обозначение Значение ( для д
Я 100 200 300 мм
Вентиль с клапаном прямой 8.0 4,5 8,5 5.0 3,5 3,0
с наклонным штоком 2,0 3,0 2,0 2,5 1,5 2,5 1,5 2,5
с наклонным штоком 0,8 1.0 0.7 0.3 0,8 1.0 05 1,0
с разворотом под прямым углом 3.5 8.0 5.0 6,0
Задаижки без направля- ющей трубы с направляю- щей трубой 1 ен 0,15.... 0,08.... 0.30 0.12
Обратные клапаны с откидываю- щимся клапа- ном с направляю- щей для кла- пана 1,5 6 1,2 8 1,0 5 —
Конический вентиль - ф 1,0 - - -
Лирообразный компенсатор расширения гладкий гофрирован- ный о % /у 0.75 1.5 0.75 1.5 0,75 1,5 0.75 1.5
Отделители воды вход перпен- дикулярный вход по каса- тельной 3.0 5—8 3,0 5...8 3,0 5...8 3.0 5...8
Компенсатор расширения сильфонный ААЛ 1АА7 2,0 2.0 2,0 2,0
457
Таблица 2.3.4-4
Коэффициенты потерь напора для конструктивных элементов на воздуховодах
Предполагается, что на схеме 16 значения соответствуют случаю, когда длина I после внезапного расширения равна по
крайней мере 10 (т/л”~
Поворот
О Я/Р-ОД 1751.0 1Д 2 1 « _______,
С -63 5ЙЗ 533 ЙЯ 5Д? М7 0.1! 5 „им, (
ОТ/В-Т5|аЯ{1Д]>з1Г~'
- ~ ОД 03 035
3 элем. С — 1 <310,8
1.1 ЮЗ
0,4 0,25
0,2
5
Ратеетвлеше
оо с -и
Направляю-
щие лопатки
0,25
03
03
0.2
Г# 0,25|С-0,4
Г,/1Г ОД 1с- 0.5
ОТ
0,1
6
63 ЮЛ 1ТП5
Направля-
ющие ло-
патим
Д/4 - 0,25 ОД 1,0
Х/Г-0
0,2 0,4 0,6 0,8
с лопатками
15с -М 0.7 0,6 0,7 1,1
С
□ без лопаток
С -035
10
ОД
и
Я/Г-0,5 0,75 1
30 45
?0в
а- 10
60
0,2
ЭОС - 0,1 ОД 0,7 1,0 1,4
0,6
0,5
0,4
0,25
13.
035
0,15
1,0
0,1
Ответвление
0.6
0,4
а - 60° 5.0 23 13 0,8 0,5 0,6
а - 45*13д11з1о.7|о.4|О.4|оЗ
10
13
Х/Р - 035 ОД
60 90“
С
0,2
0.1
0,6
0,7
Расширение
канала
ЭОС - 03 03 оз ОД 0,7
0,75
0,05
1,0
0.05
О С - 0.9
О С - 135
ОД 10.75 1
ОД
1,0
2,0
3,0
К/Р
13 2
13 10.9 0.8 0.6 ОД
Свободнее всасывание
16
1.0|07|0.4 03 0.1 О
Л/Га- 0 10,210,4 ЮД Ю,8 П.О
215 30 45 90°
ОД 0,8 0,9 1
а- 5 7Д 10 15
С1-0.15 03 035 0,4
Диафрагма
Сжатие
канала
20
0“ 30“ 45“ 60“
0,2 0,4 0,6 0,8 1.0
1.5 3,5 8
1,6 1,2 1,05 1,0
13 ОД
1,8 9,1
*/Р
С
24
Х/Р-0,5
Л/Л- 0 |03 |0,4|0Д|0Л
ОД 0.45 03 03 0,1
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,7 0,4 0.7 0,8 0,8 0,8
25
Са - 0,1
‘Р
к/Р
С
12
15
18
21
Л/Г,-0,9 [0,8
0,06|038|
Цс
□ с
О
К
2
Перфорированная решетка
Свободное сечение, % 10 20 30 40 50 60 70 80
5 для V = 0,5 м/с 110 30 12 6 ЗД 23 ’З 1,4
1,0 120 33 13 43 4,1 17 11 1.4
( V ОТНОСИТСЯ 1 /5 128 36 143 7,4 4Д 3.0 23 1.8
к полному 2,0 134 39 153 7,8 43 33 15 13
сечст ело) д» 140 40 16,5 83 53 3,4 14 2.0
3,0 146 41 173 8Д 53 37 18 2.1
Для проволочных
решеток равно
примерно половине
Окончание табл. 2.3.4-4
5г<о1 **
-
0,4
5,0
~0
0.6
2,2
0,8
1,2
0,3
07
1,0
0,9
0,9
1,5
0,5
КО
1гю< ~
С-0,7+0,6-1,3
Камера
нагнетания
С - 0,4 + 0,2 = 0,6
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0,07 0,15 0,35 0,6 0.9
Решение
Согласно табл. 1.3.6-6 объемная холодопро-
изводительность К22 при температуре от -30
до +30 °С равна ^=1147,6 кДж/м3. Отсюда по-
лучаем объемный расход хладагента при вса-
сывании:
’--^1^=0’004,,5 м3/с
Площадь сечения трубопровода составляет
3,14 х (0,022)2
= 0,00038 м2,
4
4
а скорость хладагента -
0,00405 ,
и' = — =-------= 10,65 м/с.
А 0,00038 '
Кинематическая вязкость К22 в состоянии
насыщения равна (рис. 2.3.1-3)
у= ^б-Ю-^/с,
число Рейнольдса при этом
Ке = ^ = 1^^ = 1,45405
V 116106
(что означает турбулентный режим течения).
Абсолютная шероховатость меди 6=0,0015
мм (табл. 2.3.4-1), отсюда относительная ше-
роховатость составляет
1 = ^ = 6,8.ю-5
а 22
Для этого значения и для найденного числа
Рейнольдса по диаграмме, изображенной на
рис. 2.3.4-1, определяем коэффициент потери
напора на трение:
1=0,017.
Плотность хладагента в состоянии насыще-
ния при температуре -30 °С была приведена в
табл. 1.3.6-2. Получаем
р = 7,363 кг/м3.
Рассчитаем теперь эквивалентную длину
трубопровода с учетом поворотов.
Из табл. 2.3.4-2 находим, что
С = 0,2
для поворота на 90° и отношения г!<1, равного
2,0. Тогда для 8 поворотов
= 8x0,2 = 1,6.
Следовательно, 8 поворотов эквивалентны
трубопроводу длиной
• <- , у- 0,022 _.
/„ = > с • — = 1,6 х---= 2,1 м.
64 X 0,017
Отсюда полная потеря напора во всасыва-
ющем трубопроводе составляет
. , (^+4Ч) р 2 (25,5 + 2,1)
' а 2 0,022
х х 10,651 2 = 8906 Па « 0,089 бар.
Что касается влияния такой потери напора
на холодильный цикл, то этот вопрос обсужда-
ется в п. 1.3.6.2.4.4.3а.
2.3.5. Определение характеристик
запорно-регулирующей арматуры
на основе их коэффициентов к
Объемный расход среды, которая протекает
через вентиль, зависит не только от площади
свободного прохода между седлом и клапаном.
Он зависит также и от плотности рассматрива-
емой среды, потери напора в вентиле и разно-
сти давлений между входом и выходом из вен-
тиля. Для жидкого хладагента (формула для
паров хладагента имеет другой вид, см. табл.
2.3.5-1) получаем
а -к .
~ 'С .. .
уДРо Р# ’
где - объемный расход рассматриваемой
среды, в нашем случае жидкого хладагента,
м3/ч;
к* - коэффициент вентиля (задвижки), ко-
торый будет обсуждаться ниже, м3/ч;
.Ар - разность давлений (потеря напора)
между входом и выходом, бар;
Др0 - разность давлений (потеря напора)
между входом и выходом для эталонной жид-
кости (воды), бар;
р0 - плотность эталонной жидкости (воды),
кг/м3;
р^- плотность рассматриваемого хладаген-
та, кг/м3.
Таблица 2.3.5-1
Основные формулы для расчета коэффициента расхода к, вентиля паровых компрессионных и газовых компрессионных холодильных установок, а также
расчета объемных и массовых расходов хладагента (жидкость и пар для обычных паровых компрессионных установок и газ - для газовых)
Перепад давления Др, бар Паровые компрессионные холодильные установки Газовые компрессионные холодильные установки
Трубопровод на входе в регулирую- щий вентиль (жидкостный) Всасывающий и нагнетательный тру- бопроводы Трубопровод иа входе в устройство расширения Всасывающий и нагне- тательный трубопрово- ды
Расчет коэффи- циента расхода вентиля Докритм- ческая область Рг>Р|/2 Др<Р1/2 ((Др м’/ч к, = —2®=, 10 д/р • Др м’/ч 31,65 (Др м3/ч к = ’ 514уДр-р2’ м3/ч 514 \р„-Дрр2 м’/ч к 22,4д/Др-р2 м’/ч
Сверхкри- тическая область Рг<Р1/2 Лр>Р\/2 к ЕЕ ’ 31,65 У р, ’ м’/ч < = -^-^Ру •г1> ’ 257р11,л' 1 м3/ч *,=—& 25ПРу м’/ч к = ’ И.2 Л’ м’/ч
Расчет объем- ныхи массовых расходов Докрити- ческая область р2>Р1/2 Др<Р1/2 м’/ч Чт = ^к,^р-Др, кг/ч 9,"=31,65^’ кг/ч ]Лр- р, ч,.н - , К Ру м’/ч Чя=5ык 1 Г. кг/ч = 22,4*, Р1’ кг/ч
Сверхкри- тическая область Р1<Р1/2 Др>Р1/2 9-=з1>б5М’ 12у' кг/ч ?,у = 257 к, -Ргт/рн -Т], кг/ч ъ=”7к,.р1^, кг/ч ?™=П,2*,А, кг/ч
Примечание. р1 - давление перед вентилем, бар; р2 - давление за вентилем, бар; Др - потеря напора на вентиле, бар; - объемный расход хладагента (пар), м3/ч; -
объемный расход хладагента (газ), взятого при нормальных давлении и температуре (1013 мбар, 0°С); - массовый расход хладагента, кг/ч; р - плотность хладагента
(жидкость на входе в регулирующий вентиль), кг/дм3; рд, - плотность хладагента (газ на входе в устройство расширения), кг/м3, также для нормальных условий по давле-
нию и температуре (1013 мбар, 0°С); V2 - удельный объем паров прир, и Тр м3/кг; V' - удельный объем паров прир2 и Тр м’/кг; 7\ - термодинамическая температура газа
на входе в вентиль, К.
!. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЛАСТИ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Если в этой формуле исходить из разности
давлений для эталонной жидкости (воды)
&р0 =1бар,
то, выражая плотности в кг/дм3 (для воды р0=1
кг/дм3), получим
Как только становится известен объемный
расход хладагента в зависимости от коэффици-
ента расхода вентиля, а именно (опуская в пре-
дыдущих формулах индексы #для обозначения
хладагента):
, м3/ч.
Если теперь рассматривать не хладагент, а
воду, то для потери напора 1 бар предыдущая
формула дает
^,вода=^>м3/4-
Следовательно, коэффициент расхода
вентиля ку характеризует элемент запорно-
регулирующей арматуры и соответствует про-
сто объемному расходу воды в м3/ч (взятой при
температуре от +5 до +30 °С), которая прохо-
дит через этот вентиль при перепаде давления
на нем 1 бар.
Коэффициент к„, соответствующий макси-
мальному открытию клапана (100 %), позволя-
ет легко характеризовать всю серию вентилей
данного типа. Обычно ои ие должен отклонять-
ся более чем на ±10 % от значения, указанного
изготовителем.
В своих каталогах изготовители запорно-
регулирующей холодильной арматуры указыва-
ют, как правило, либо номинальную произво-
дительность рассматриваемого устройства, т. е.
такую, которая связана с холодопроизводитель-
ностью, получаемой для конкретного хладаген-
та с помощью конкретных трубопроводов (жид-
костного, всасывающего или нагнетательного,
т е. для горячих газов), либо коэффициент рас-
хода вентиля к^ либо, чаще всего, оба парамет-
ра.
В табл. 2.3.5-1 собраны все формулы, по-
: воляющие рассчитать коэффициенты расхода
вентилей, а также объемный и массовый рас-
ходы хладагента.
Задача состоит или в расчете потери напо-
ра на элементе арматуры, выбранного предва-
рительно для заданного объемного расхода,
или, наоборот, в выборе вентиля для заданно-
э объемного расхода, если известна допусти-
мая потеря напора.
или
можно рассчитать массовый расход хладагента:
<7га = <?„-1000р =
(поскольку плотность выражается в кг/дм3)
Холодопроизводительность тогда задается
соотношением (см. п.1.3.6.3.1.7)
Со =90т-9т,кВт,
где цйт - удельная холодопроизводительность,
кДж/кг.
Окончательно получаем
Со = ЛзМр-р ,
эо
где 20 выражается в кВт,
- в кДж/кг,
к„ - в м3/ч,
р - в кг/дм3.
Пример
Пусть требуется определить коэффициент ку
элекгроклапана, установленного на жидкостном
трубопроводе холодильной установки, работа-
ющей на К22, при следующих условиях:
холодопроизводительность <20=24 кВт,
температура парообразования 10= -30 °С,
температура конденсации Гс=+40 °С,
температура на входе в регулирующий вен-
тиль +30 °С,
потеря напора, допустимая для нашего элек-
троклапана, Ар=0,2 бар.
Решение
Удельная холодопроизводительность для
К22 между состояниями 1 (-30 °С) и 3 (+30 °С),
представленными на рис. 2.3.5-1, дана в табл.
1.3.6-2:
Чот =393,07-236,75 = 156,32 кДж/кг.
Та же таблица дает нам плотность жидкого
хладагента при +30 °С:
р = 1,173 кг/дм3,
теперь можно определить ку, который должен
иметь наш элекгроклапан:
ку = 3.6---= 1Д4 м3/ч.
Яоту1^Р-р
Если мы теперь обратимся к выписке из ка-
талога, приведенного в табл. 2.3.5-2, то обна-
ружим, что ку нашего электроклапана находит-
ся между ку для модели ЕУК6 и к* для модели
ЕVII10. В первом приближении вентиль ЕУВб
дает потерю напора больше предусмотренной,
а вентиль ЕУКЮ - меньше.
Для модели Е УВб найдем переохлаждение,
соответствующее потере напора на этом клапа-
не. Связь между к* элекгроклапана и потерей
напора имеет вид
Получаем при известных к^ и к^.
= 0,4
бар.
Если мы обратимся к табл. 1.3.6-2, то об-
наружим, что давление, соответствующее тем-
пературе жидкого хладагента +40 °С, равно
Рис 2.3.5-1. Термодинамический цикл в нашем приме-
ре установки с электроклапаном на жидкостном трубопро-
воде
15,34 бар, тогда как для 35 °С оно равно лишь
13,55 бар. Это означает, что давление падает
на 1,79 бар при разности температур 5 К. От-
сюда уменьшение температуры, соответствую-
щее уменьшению давления 0,4 бар, составляет
АГ = ^^ = 1,12 К.
1,79
В результате температура переохлаждения
хладагента станет равна
40-1,12 = 38,88 °С,
отсюда следует, что клапан ЕУВб является под-
ходящим, так как переохлаждение равно 10 К.
Выполняя такой же расчет для элекгрокла-
пана ЕУКЛО, мы обнаружили бы, что возника-
ющее переохлаждение еще меньше и эта мо-
дель также подходит. Однако модель ЕУВб на-
много дешевле, поэтому ее и следует выбрать.
Во всех случаях необходимо, чтобы сумма
потерь за счет трения, разности пьезометричес-
ких уровней (трубопроводы, идущие вверх),
потерь на фильтре, на элекгроклапане и т.д. не
Таблица 2.3.5-2
Выписка из каталога РалТою, относящаяся к электротапанам типа от ЕУН2 до ЕУК25
Тип Номиналь- ный расход Разность давлений для откры- тия с помощью стандартной катушки Температура среды, Максималь- ное рабочее давление Ро, бар Максимальное испытательное давление А, бар Значение к* м’/ч
Жидкостный трубопровод МИНИ- мадьиая максимальная (МОРО) (жидкость)
К22 перемен- ный ток постоян- ный ток
ЕУК6 16,2 0,05 21 18 -40 +105 35 46 0,8
ЕУКЮ 38,5 1,9
Рис. 2.3.5-2. Пример кривых, дающих коэффициенты
расхода ку вентиля для ручных задвижек (задвижки 6Г,
□ал§1оз«)
Таблица 2.3.5-3
Коэффициенты расхода м’/ч, вентиля и эквивалентная длина м, трубопровода для запорно-
регулирующей арматуры холодильных контуров, изготовленных из меди
Размеры трубы, мм Задвижка прямая Задвижка поворотная Обратный клапан прямой Обратный клапан пово- ротный Фильтр Смотровое окно Теплообмен ннк
к. 4ч к. 4, к. /ед к. /ед к. /ед к. 4, к.
6x1 0,3 0,6 0,5 0,2 0,56 0,2 — — 0,33 0,5 —
10x1 0,84 2,5 1,1 1,4 1,4 0,9 — — — — 1,87 0,5 — —
12x1 1,65 2,0 1,9 1,5 1,9 1,5 — — 2,7 0,7 3,26 0,5 — —
16x1 2,6 4,2 3,1 3,0 3,3 2,6 2,7 3,9 4,0 1,8 6,4 0,7 — —
22x1 4,6 8,1 6,9 3,6 7,5 3,0 7,6 3,0 6,5 4,0 12,5 1,1 13,8 0,9
28x1,5 9,5 5,8 11,7 3,8 13 3,1 14,3 2,5 13,9 2,7 25,5 0,8 16,8 1,8
35x1,5 28,5 2,2 34,5 1,5 20 4,5 22 3,7 35 1,5 47,3 0,8 34 1,5
42x1,5 35 3,9 42 2,7 32 4,7 24 8,3 44 2,5 73,1 0,9 34 4,2
54x2 44 8,6 53 5,9 44 8,6 38 11,5 69 3,5 117,8 1,2 53 5,9
76x3 62 23,3 74 16,4 65 21,2 65 21,2 120 6,2 253 1,4 93 10,4
89x3 91 25,4 ПО 17,4 80 32,8 95 23,3 — — 324 2
108x4 133 30,1 160 20,8 125 34,1 150 23,7 — — — — — —
Таблица 2.3.5-4
Коэффициенты расхода к„ м’/ч, вентиля и эквивалентная длина 1^, м, трубопровода для запорно-
регулирующей арматуры холодильных контуров, изготовленных из стали
Номиналь- ный диа- метр, мм Задвижка прямая Задвижка по- воротная Обратный клапан пря- мой Обратный клапан пово- ротный Фильтр Смотровое окно Теплообмен- ник
к. 4, к. 4ч к. к. 4ч к. 4ч к. 4ч к.
15 4 3,9 4,3 3,4 3 6,9 — — 4,1 3,7 6,4 1,5 —
20 7 4,5 7,5 3,9 5,3 7,8 6,6 5,1 6,5 5,2 12,5 1,4 13,8 1,2
25 12 5,2 12,5 4,8 7,5 13,4 9,5 8,3 13,2 4,3 25,5 1,2 16,8 2,7
32 19 7,9 20 7,1 14 14,5 17,5 9,3 35 2,3 47,3 1,3 34 2,5
40 29 7,1 32 5,8 20 14,9 24 10,3 44 3,1 73,1 1,1 34 5,1
50 47 8,7 50 7,7 31 20 38 13,3 69 4,0 117,8 1,4 53 6,8
65 78 11,3 85 9,5 55 22,7 65 16,2 120 4,8 253 1,1 93 7,9
80 118 И 125 9,8 80 23,9 95 16,9 — — 324 1,5 — —
100 187 16,1 200 14,1 125 36,1 150 25,0 — — — — — —
125 295 18,2 310 16,5 195 41,7 235 28,7 — — — — — —
150 425 22,7 450 21,6 284 50,8 — — — — — — — —
200 755 26,3 800 23,5 504 59,1 — — — — — — — —
250 1100 39,6 1170 35 738 87,9 —
300 1700 39,4 1800 35,2 1134 88,6 —
Таблица 2.3.5-5
Коэффициенты расхода к„ м’/ч, вентиля и эквивалентная д лина 4,, м, трубопровода запорно-регулирующей
арматуры для воды
Номиналь- ный диа- метр, мм Задвижка прямая Задвижка по- воротная Обратный вентиль Обратный клапан Вентиль наклонный Задвижка Всасываю- щий фильтр в виде сетки с вентилем
к. 4, ку 4о к. . 4ч к. 4, к. 4, к. 4ч к. 4ч
25 15 3,35 17,9 2,35 14,2 3,75 21,7 1,6 23,2 1,4 50,1 0,3 18,9 2,1
32 24,7 4,65 29,4 3,3 23,2 5,3 39,8 1,8 42,2 1,6 84,4 0,4 31,9 2,8
40 30,6 6,35 35,2 4,8 27,8 7,7 52 2,2 58,3 1,75 109 0,5 40,6 3,6
50 47,6 8,5 54 6,6 41,2 11,35 85,2 2,65 100,6 1,9 165,7 0,7 65 4,55
65 75,5 12,05 85 9,5 63,7 16,9 138,1 3,6 172,8 2,3 276,2 0,9 105,6 6,15
80 99 15,6 109,7 12,7 79,8 24,0 190,7 4,2 242,4 2,6 364,5 1,15 140 7,8
100 167,8 20,0 191,3 15,4 133,3 31,7 335,6 5,0 448,5 2,8 634,3 1,4 248,8 9,1
125 256,6 24,05 299,6 17,65 202,8 38,5 544,1 5,35 703,5 3,2 938 1,8 358,8 12,3
150 392,3 26,65 483,4 17,55 324,3 39,0 794,3 6,5 1025,4 3,9 1397,4 2,1 523,7 14,95
200 684,9 32,0 918,3 17,8 612,6 40,0 1454 7,1 1652 5,5 2357,8 2,7 875,1 19,6
превосходила разность р3 - р3, потому что в
противном случае наступит преждевременное
образование пара хладагента в жидкостном
трубопроводе, что почти всегда нарушает нор-
мальную работу регулирующего вентиля.
Для ручных задвижек определение характе-
ристик требует знания зависимости ку от уров-
ня подъема, потому что в отличие от электро-
клапанов, которые либо открыты, либо закры-
ты, они должны позволять регулировать расход
хладагента оптимальным образом, следователь-
но, в пределах, как можно более широких (рис.
2.3.5-2).
Табл. 2.3.5-3, 2.3.5-4 и 2.3.5-5 дают сред-
ние коэффициенты ку различных видов арма-
туры ХОЛОДИЛЬНЫХ контуров.
2.4. Системы регулирования1
2.4
Как и во всех других областях техники, в
холодильной промышленности используются
различные процессы и различные машины, ра-
боту которых требуется контролировать, что
обычно осуществляется с помощью одного или
нескольких параметров, таких, как температу-
ра, давление, расход, скорость вращения и т.д.
Чтобы управлять этими параметрами, очевид-
но, необходимо вмешиваться в заданный мо-
мент времени на некотором уровне в работу ус-
тановки.
Это может быть либо вмешательство чело-
века, либо автоматическое вмешательство.
Само собой разумеется, что вмешательство че-
ловека имеет множество недостатков: преж-
де всего, оно требует физического присутствия
(что не всегда возможно, например ночью), что-
бы закрыть единственный кран. Кроме того,
оно стоит дорого, не говоря уже о том, что мозг
человека не всегда способен определить точный
момент для вмешательства. Так, на фабрике по
изготовлению ледяных блоков выемка отливок
из формы долгое время осуществлялась “на гла-
зок”, в результате простого наблюдения за ро-
стом массы отливок.
Вот почему, с тех пор как электричество ста-
ло распространенным повсюду, чаще всего об-
ращаются к автоматическим средствам на-
блюдения, контроля, которые не только значи-
тельно уменьшают вмешательство человека, но
н, кроме того, позволяют обеспечить высокую
точность выполнения возложенных на них фун-
кций, называемых функциями регулирования.
Эти функции обеспечиваются регуляторами,
множество моделей которых от простых отклю-
чающих устройств до самых сложных автома-
1 См. также “Учебник по системам регулирования и
управления энергией” (Мапие1 де 1а ге§и|айоп е! де 1а §ей1оп
де Гелетее, К.Сувзаи, РУС Ед.).
тов, способных обеспечить централизованное
техническое управление многочисленными хо-
лодильными линиями, позволяют осуществить
регулирование работы холодильных установок.
После того как будут даны основные опре-
деления, необходимые для лучшего понимания
того, что такое система регулирования, мы пе-
рейдем к обзору основных компонентов обору-
дования для регулирования и затем к современ-
ным системам регулирования.
2.4.1. Определения1
Словом регулирование обозначают процесс,
в ходе которого одна величина, называемая ко-
нечной регулируемой величиной, например тем-
пература или давление, должна поддерживать-
ся постоянной (или на некотором уровне, зада-
ваемом оператором), несмотря на внешние воз-
мущения. Чтобы регулирование было возмож-
но, конечная величина (регулируемая) должна
непрерывно измеряться и постоянно сравни-
ваться с опорной, или номинальной, величиной.
Регулятор начинает действовать в зависимости
от измеренного отклонения.
Представим себе холодильную камеру, в ко-
торой находится испаритель (рис. 2.4.1-1). Если
терморегулирующий вентиль установлен пра-
вильно, то температура в камере достигнет но-
минального значения. Но из-за влияния извне,
например после многократного открывания
дверей, температура окружающего воздуха из-
менится и восстановить ее можно будет только
с помощью терморегулирующего вентиля. Мно-
гочисленные внешние (и внутренние) возмуще-
ния, такие, как открывание дверей, поступле-
ние товаров с температурой более высокой, чем
на складе, увеличение притока свежего возду-
1 См. стандарт МЕС 01-351 “Электротехнический сло-
варь: автоматическое управление и регулирование”.
возмущающие воздействия
Рис. 2.4.1-1. Принципиальная схема регулирования хо-
лодильной камеры:
х - конечная регулируемая величина (температура); у -
конечная величина, характеризующая состояние регулиру-
ющего органа (открытый или закрытый регулирующий
вентиль); г - возмущающее воздействие (например, откры-
вание дверей); - опорное значение (заданное опорное
значение)
ха и т.д., приводят к изменению заданной тем-
пературы и поэтому называются возмущающи-
ми величинами.
Описание методов регулирования требует
применения специальной терминологии. Мы
считаем необходимым уточнить здесь наиболее
часто используемые и наиболее важные поня-
тия.
Абсолютная погрешность - для автомати-
ческой системы регулирования это разность
между задающей (опорной) величиной и регу-
лируемой величиной в данный момент време-
ни.
Временной отклик - изменение выходной
величины системы во времени, вызванное из-
менением одной из входных величин.
Время задержки - интервал времени меж-
ду моментом, когда начинается изменение вход-
ного сигнала, и моментом, когда начинается
соответствующее изменение выходной величи-
ны.
Входной параметр - подводимый к систе-
ме параметр, который не зависит от других.
Выходной параметр - параметр, выдавае-
мый системой.
Датчик - часть измерительного преобразо-
вателя, которая преобразует входной сигнал в
измеряемый.
Двухступенчатое регулирование - режим
ступенчатого регулирования, при котором вы-
ходная величина принимает одно из двух задан-
ных значений.
Дифференциальное регулирование (В-ха-
рактеристика) - режим плавного регулирова-
ния, при котором выходная величина пропор-
циональна скорости изменения (производной по
времени) входной величины.
Задающая (опорная) величина - постоянная
или зависящая от времени величина, входная
для разомкнутой системы управления или для
системы регулирования, поддерживающей по-
стоянный или соответствующий внешним усло-
виям уровень, значение которого требуется вос-
произвести.
Интегральное регулирование ([-характери-
стика) - режим плавного регулирования (ре-
гулирования с плавающим уровнем), при кото-
ром скорость изменения выходной величины
(производная по времени) пропорциональна
отклонению входной величины от номинально-
го значения (т. е. в случае регулятора пропор-
циональна абсолютной погрешности).
Исполнительный механизм - конечный ре-
гулирующий орган механического типа.
Каскадное регулирование - совокупность
систем регулирования, когда опорная величи-
на для одного регулятора поступает из другой
системы регулирования.
Комбинированное регулирование - состав-
ное регулирование, образованное различными
режимами плавного регулирования (Р1, РВ,
РЮ, Р1ВВ).
Конечный регулирующий орган - элемент
исполнительной цепочки, который непосред-
ственно воздействует на регулируемую величи-
ну.
Контроль - наблюдение за системой или
частью системы в целях обеспечения ее нор-
мальной работы и обнаружения случаев ее не-
нормальной работы, что осуществляется путем
измерения одного или нескольких параметров
системы и сравнения результатов этих измере-
ний с заданными значениями.
Коэффициент дифференциального регули-
рования - для элемента, работающего в режи-
ме идеального дифференциального регулирова-
ния, это частное от деления выходной величи-
ны на скорость изменения входной величины.
Коэффициент интегрального регулирова-
ния - для элемента, работающего в режиме
интегрального регулирования, это частное от
деления скорости изменения выходного сигна-
ла на отклонение входной величины от номи-
нального значения.
Коэффициент преобразования - для линей-
ной системы с синусоидальным сигналом это
отношение амплитуды выходного сигнала к
амплитуде соответствующего входного сигнала.
Многоступенчатое регулирование - ступен-
чатое регулирование, использующее более двух
ступеней.
Параметр - величина, значение которой
может либо изменяться само по себе, либо быть
измененным.
Плавающий уровень регулирования - режим
плавного регулирования, при котором скорость
изменения выходной величины является функ-
цией входной величины.
Плавное регулирование - режим регулиро-
вания, при котором возможно изменять выход-
ную величину непрерывным образом в некото-
ром ограниченном интервале.
Помпаж - периодические колебания, как
правило нежелательные, возникающие в систе-
ме регулирования.
Постоянная времени дифференциальная -
для элемента, работающего в режиме идеаль-
ного дифференциального регулирования, это
величина, равная коэффициенту дифференци-
ального регулирования, если входная и выход-
ная величины имеют одинаковую размерность.
Постоянная времени интегральная - для
элемента, работающего в режиме интегрально-
го регулирования, величина, обратная коэффи-
циенту интегрального регулирования, если
входная и выходная величины имеют одинако-
вую размерность.
Преобразователь измерительный - прибор,
который подучает информацию в виде некото-
рой физической величины (его входная вели-
чина) н преобразует ее по определенным пра-
вилам в информацию того же или другого типа.
Различают преобразователи для Измерения рас-
хода, давления, температуры и т.д.
Преобразователь сигнала - прибор, кото-
рый преобразует стандартный сигнал, при этом
тип выходной величины является тем же, что
и тип входной величины.
Пропорциональное регулирование (Р-харак-
теристика) - режим плавного регулирования,
при котором изменение выходной величины
пропорционально отклонению входной величи-
ны от номинального значения.
Регулирование типа “высокий уровень -
низкий уровень ” - двухступенчатый режим ре-
гулирования, при котором обе ступени имеют
один знак.
Регулирование типа “да - нет ” - двухсту-
пенчатый режим регулирования, при котором
одна из двух ступеней имеет нулевое значение.
Регулирование типа “плюс - минус ’’ - двух-
ступенчатое регулирование, при котором ступе-
ни имеют противоположные знаки.
Регулятор - элемент системы регулирова-
ния, выполняющий несколько функций в этой
системе, одной из которых является сравнение
сигнала реакции системы с опорным сигналом;
другими функциями могут быть усиление, кор-
рекция и т.д.
Сдвиг фаз - для линейной системы с сину-
соидальным сигналом это разность фаз соот-
ветствующих выходного и входного сигналов.
Сигнал - измеримая величина, одна или не-
сколько характеристик которой несут информа-
цию, относящуюся к одной или нескольким дру-
гим величинам, представленным этим сигна-
лом.
Согласующее устройство - измерительный
преобразователь, выходной сигнал которого
является стандартным сигналом.
Статическое отклонение - значение аб-
солютной погрешности в стационарном режи-
ме, когда все входные величины поддержива-
ются постоянными.
Ступенчатое регулирование - режим регу-
лирования, при котором выходная величина
может принимать лишь конечное число значе-
ний, называемых ступенями.
Ступенчатый отклик - временной отклик
системы, вызванный скачкообразным измене-
нием (в случае позиционного изменения) одной
из входных величин, остающейся на новом
уровне. *
Управление - действие, совершаемое над
системой или в системе для достижения опре-
деленных целей.
Управление автоматическое - управление,
которое не требует никакого, прямого или кос-
венного, воздействия человека на конечный ре-
гулирующий орган.
Управление ручное - управление, которое
требует прямого или косвенного воздействия
человека на конечный регулирующий орган.
Управляющее устройство - система, содер-
жащая все элементы для обеспечения управле-
ния (регулирования) управляемой (регулируе-
мой) системой.
Управляющий (регулирующий) параметр -
выходной параметр для управляющего (регули-
рующего) устройства и одновременно входной
параметр управляемой (регулируемой) систе-
мы.
Усилитель - прибор, применяемый для уве-
личения уровня сигнала путем подведения не-
обходимой энергии от дополнительного источ-
ника.
Характеристическая кривая - кривая, да-
ющая в стационарном режиме значения выход-
ной величины в зависимости от значения вход-
ной величины, при этом другие входные вели-
чины являются постоянными и равными неко-
торым заданным значениям.
Эксплуатация - совокупность операций уп-
равления и контроля системы и, при необходи-
мости, операций по обеспечению надежности
работы и безопасности оборудования и персо-
нала.
Техническая документация, предоставляе-
мая поставщиками, так же как техническая ли-
тература, посвященная регулированию, содер-
жит рад других понятий, которые читатель мо-
жет найти в стандарте АРКОВ. ЫГС 01-351,
упоминавшемся выше.
2.4.2. Установка с регулирующим
устройством
Рассмотрим снова наш пример холодильной
камеры с испарителем, оснащенным терморе-
гулирующим вентилем. Необходимо различать
две основные части, которыми являются:
• установка, в которой предусматривается
регулирование, или регулируемая система, ко-
торая содержит:
- холодильную камеру,
- испаритель,
- терморегулирующий вентиль;
• регулирующее устройство, которое содер-
жит:
- измерительный датчик,
- регулятор,
- исполнительный механизм.
Объединение этих двух систем называется
контурам управления, речь идет о совокупнос-
ти элементов, включая элемент, сравнивающий
сигналы (компаратор), а также соответствую-
щие цепи действия и отклика. Такой контур
представляют на функциональной схеме или
блок-схеме (рис. 2.4.2-1).
Характеристики регулирующего устройства
выбирают в зависимости от поведения установ-
ки, для которой производится регулирование. В
связи с этим ее поведение необходимо опреде-
лить предварительно, и оно может быть двух
типов: статическое и динамическое.
Статическое поведение регулируемой ус-
тановки определяется характеристическими
кривыми для ее различных элементов, в нашем
случае для испарителя и терморегулирующего
контур регулирования
регулирующее устройство
регулируемая установка
Рис. 2.4.2-1. Функциональная схема контура управле-
ния для холодильной камеры:
х - конечная регулируемая величина (температура хо-
лодильной камеры); у - конечное регулирующее действие
(открывает или закрывает регулирующий вентиль); г - воз-
мущающие величины (например, открывание дверей); » -
опорная величина
Рис. 2.4.2-2. Ступенчатый отклик регулятора, использующего пропорциональное регулирование: изменение конечной
регулируемой величины во времени (а); изменение регулирующей величины во времени для идеального регулятора (6) н
для регулятора с постоянной времени Т (в)
0. .10 мВ
преобразователь
колебательный
контур
конденсатор
Рис. 2.4.2-3. Датчики влажности разных типов:
а - волосяной; 6 - со спиралью из синтетического материала; в - с электрическим конденсатором
вентиля, а также ее коэффициентом преобра-
зования, или коэффициентом усиления К. Этот
коэффициент определяется как отношение из-
менения выходной величины к изменению
входной величины.
Динамическое поведение, в свою очередь,
характеризуется временным ступенчатым от-
кликом (определения этих понятий были даны
ранее), а нахождение соответствующих значе-
ний, как правило, производится эксперимен-
тальным путем. На рис. 2.4.2-2 дан пример сту-
пенчатого отклика для регулятора, использую-
щего пропорциональное регулирование.
Регулирующее устройство состоит, как уже
говорилось, из датчика, регулятора и управля-
ющего органа.
Детектор, или датчик, - это устройство для
измерения. Любой датчик объединяет в одном
корпусе усилитель, преобразователь и согласу-
ющее устройство. Существуют специализиро-
ванные датчики для всех измеряемых величин:
температуры, влажности, скорости воздуха, рас-
хода, давления и т.д.; и для каждой из этих ве-
личин существуют различные модели.
Например, есть датчики температуры, осно-
ванные на расширении твердого тела или жид-
кости, на сопротивлении металлов, на термо-
сопротивлении и т.д. Для того чтобы хорошо
выполнять свою функцию, любой датчик дол-
жен обладать рядом качеств, из которых самы-
ми важными являются: чувствительность, ли-
нейность, точность, достоверность и надеж-
ность. В качестве примера на рис. 2.4.2-3 при-
веден принцип работы различных типов датчи-
ков влажности.
После усиления и преобразования в некото-
рый сигнал полученные датчиком данные пе-
редаются в регулятор.
Регулятор представляет собой главную часть
всей системы регулирования. Как видно из рнс.
2.4.2-4, он всегда состоит из трех частей: вход-
ного блока, где обрабатываются сигналы, по-
сланные датчиком; собственно блока регулиро-
вания, выполняющего различные функции, на
основании которых осуществляется ввод опор-
ной величины и задается закон соответствия;
выходного блока, откуда посылаются команды
в управляющий орган.
Рис. 2.4.2-4. Блок-схема электрического регулятора.
Входной блок: 1 - вход; а - термопара; б - постоянное напряжение 0...10 В; в - постоянный ток 0...20 мА; г - термо-
метр сопротивления; д - дистанционное согласующее устройство.
Блок регулирования: 2 - преобразователь конечной регулируемой величины; 3 - индикатор мгновенного значения; 4 -
внутреннее устройство для задания опорного значения; 5 - преобразователь внешнего опорного значения тг; 6 - компара-
тор; 7 - предусилитель абсолютной погрешности х^; 8 - блок питания; 9 - дифференциальный элемент, 10 - интегральный
элемент, 11 - ограничитель помех интегрального элемента; 12 - прерыватель интегрального элемента; 13 - устройство для
модификации структуры (изменение закона действия); 14 - устройство для задания интервала пропорциональности; 15 -
усилитель конечной регулирующей величины у, 16 - индикатор выходного сигнала
Выходной блок: 17 - выход; а - трехгочечный выход; б - двухточечный выход; в - выход постоянного тока; г - выход
постоянного напряжения
Существует очень большое число типов ре-
гуляторов. Их можно классифицировать по раз-
личным категориям. Различают:
• в зависимости от конечной регулируемой ве-
личины.
- регуляторы температуры,
- регуляторы влажности,
- регуляторы давления,
- регуляторы расхода
- и т.д.;
• в зависимости от источника питания;
- регуляторы, не использующие источник
питания,
- регуляторы электрические,
- регуляторы электронные,
- регуляторы пневматические,
- регуляторы элекгропневматические;
• в зависимости от поведения процесса регу-
лирования во времени;
-регуляторы дискретного действия, в том
числе:
- двухступенчатые регуляторы типа “сиг-
нал - отсутствие сигнала”,
- многоступенчатые регуляторы;
- регуляторы плавного действия', в том
числе:
- регуляторы плавающего типа,
- регуляторы пропорционального дей-
ствия (Р),
- регуляторы интегрального действия (I),
- регуляторы дифференциального дей-
ствия (В),
- регуляторы двойного дифференциаль-
ного действия (ВВ),
- регуляторы комбинированного дей-
ствия (Р1, РВ, Р1В, Р1ВВ).
1 См. также “Плавное регулирование холодильных ус-
тановок. Изменения, происходящие в контуре” (Ьа ге§и1айоп
рго§гез8|уе 4ез тзГаИабопз йт^опПциез. УапаГгопз роиг ип
сисип, А Не^1ш, Кехие Ргабцие 4и РгоШ, 1998, № 674, р.
104-112).
2.4.3. Регуляторы различных типов
2.4.З.1. Двухступенчатые регуляторы
типа “сигнал - отсутствие сигнала”
или “высокий уровень - низкий
уровень” сигнала и многоступенчатые
регуляторы
Можно пояснить идею регулятора типа “сиг-
нал - отсутствие сигнала”, рассматривая хоро-
шо всем знакомое устройство - электрический
обогреватель. Если задать опорную температу-
ру, например 20 °С, то управляющий орган даст
возможность подавать напряжение на установ-
ку до тех пор, пока датчик температуры окру-
жающей среды не зарегистрирует температуру
20 °С. Как только датчик, который может быть
биметаллическим термометром или стеклянной
колбой с капилляром, заполненным жидкостью
или газом, зарегистрирует температуру, равную
опорной, он воздействует на управляющий
орган (контактор или реле) для отключения по-
дачи напряжения.
Только лишь когда температура окружающе-
го воздуха упадет ниже, например, 18 °С, кон-
тактор вновь подаст напряжение на прибор.
Конечная регулируемая величина х, т. е. тем-
пература, колеблется между 18 и 20 °С, этот
интервал температур образует статический
диапазон Ха (рис. 2.4.3-1) регулятора, равный
в нашем случае 2 К.
Однако следует заметить, что, когда опор-
ная температура 20 °С достигнута, отдача теп-
ла не прекращается мгновенно, несмотря на
отключение напряжения в обогревателе. На са-
мом деле он продолжает излучать некоторое
количество тепла до тех пор, пока не будет до-
стигнуто равновесие между температурой его
поверхности и температурой окружающей сре-
ды, которая, предположим, поднялась до 21 =С
Точно так же, когда температура упадет до
18 °С и выключатель подаст напряжение на
обогреватель, подача тепла не начнется мгно-
венно, так что некоторое время температура
окружающей среды будет падать, например до
17 °С, прежде чем начнет действительно под-
ниматься. Разность между 17 и 21 °С, равная
4 К, называется динамическим диапазоном и
представлена на рис. 2.4.3-1 величиной^.
В нашем примере обогревателя две пози-
ции: позиция “сигнал”, когда на прибор пода-
но напряжение, и позиция “отсутствие сигна-
ла”, когда подача напряжения на прибор отклю-
чена. Существует также вариант “высокий уро-
вень - низкий уровень”, который тоже относит-
ся к дискретному типу.
Предположим теперь, что наш обогреватель
имеет два уровня мощности, каждый из кото-
рых управляется регулятором “высокий уро-
вень - низкий уровень”. Все вместе образует ре-
гулятор, имеющий четыре позиции, и в этом
случае говорят о многопозиционном регулято-
ре. Такой регулятор может управлять, напри-
мер, группой холодильных установок, имеющей
много ступеней.
Мы рассмотрели пример электрического
обогревателя потому, что это устройство нам
знакомо и оно показалось нам наиболее подхо-
дящим для лучшего понимания системы, дей-
ствующей по типу “сигнал - отсутствие сигна-
ла”. Однако в любой холодильной установке ча-
биметаллический
органу
Рис. 2.4.3-1. Схема регулятора типа “сигнал - отсутствие сигнала” на примере регулятора температуры с биметалли-
ческим датчиком:
Х^- статический диапазон; Хк ~ динамический диапазон; То - период включения; Т1 - время задержки; Т- постоянная
времени
сто встречаются регуляторы этого типа, такие,
как регулятор постоянного давления или двух-
позиционные вентили с магнитным управлени-
ем: полное открытие или полное закрытие.
Из предыдущих рассуждений легко можно
сделать вывод, что регулятор “сигнал - отсут-
ствие сигнала” (также называемый двухступен-
чатым) не позволяет получить очень точное ре-
гулирование конечной регулируемой величины,
которая не является постоянной, потому что не-
прерывно колеблется около опорного значения.
Однако это устройство очень простое и недо-
рогое и, как правило, удовлетворяет потребно-
стям в регулировании, когда можно допустить
вышеуказанные колебания и их последствия,
что имеет место в случае некоторых холодиль-
ных групп.
2.4.З.2. Регуляторы плавающего типа
Речь идет о регуляторах, в которых испол-
нительный механизм (как правило, электричес-
кий двигатель) может занять любое промежу-
точное положение между полностью закры-
тым и полностью открытым. Регулятор должен
быть оснащен реверсивным контактом, который
позволял бы двигателю вращаться в противо-
положном направлении и вернуться при необ-
ходимости к закрытому положению, даже если
он вращался в сторону открытия, но не достиг
его (рис. 2.4.3-2).
В действительности можно говорить о трех-
позиционном регуляторе, работа которого счи-
тается удовлетворительной, только если ско-
рость вращения двигателя не слишком высокая
и не слишком низкая, потому что в случае, на-
Рис. 2.4.3-2. Принципиальная схема регулятора плава-
ющего типа с реверсивным реле и нейтральной зоной
пример, холодильной камеры было бы невоз-
можно поддерживать заданную температуру
при слишком быстром изменении тепловых
нагрузок (частые операции поступления и от-
пуска товаров в течение одного дня, например).
Для преодоления этого недостатка существуют
системы плавающего типа, имеющие перемен-
ную скорость, которая уменьшается по мере
приближения к положению равновесия.
2.4.З.З. Регуляторы
пропорционального действия (Р)
Как мы уже видели, роль любого регулято-
ра заключается в приведении конечной регули-
руемой величины к заданному значению. Глав-
ной характеристикой регулятора пропорцио-
нального действия является то, что положение
исполнительного механизма пропорционально
отклонению конечной регулируемой величины
от заданного значения.
Рассмотрим другой знакомый нам пример,
а именно обогреватель, оснащенный терморе-
гулирующим вентилем. Если опорная темпера-
тура равна 20 °С, подъем штока будет, допус-
тим, равен 50 % от максимального значения.
Для 21 °С этот подъем равен нулю, тогда как
для 19 °С он будет равен 100 %. Величина^,
равная здесь 21-19=2 К, называется интерва-
лом пропорциональности, и ее можно выразить
в процентах от конечной регулируемой величи-
ны, как показано на рис. 2.4.3-3.
Из этого рисунка видно, что изменение ин-
тервала пропорциональности (здесь А^=20 %)
Конечная регулируемая величина
Рис. 2.4.3-3. Пример кривой изменения конечной регу-
лирующей величины регулятора плавного действия в зави-
симости от конечной регулируемой величины
устройство для задания
Рис. 2.4.3-4. Принципиальная схема электрического
регулятора пропорционального действия:
Я] - датчик (температуры); й, - реостат слежения, П3 и
й4 - постоянные сопротивления; 8 - потенциометр для за-
дания опорной величины
приводит к изменению наклона соответствую-
щей прямой. Интервал пропорциональности не
может, однако, слишком уменьшаться, иначе
регулятор превратится в регулятор типа “сиг-
нал - отсутствие сигнала” и появится опасность
колебаний температуры.
Регуляторы пропорционального действия
могут быть электрического (электронного) или
пневматического типа.
В электрическом регуляторе пропорцио-
нального действия имеется четыре сопротивле-
ния, образующих мостик Уитстона (Л] - П4 на
рис. 2.4.3-4). Сопротивление играет роль
датчика температуры (если измеряется этот па-
раметр). Изменение сопротивления А, приво-
дит к появлению разности потенциалов между
точками А и В, а это вызывает соответствую-
щую реакцию серводвигателя в нужном направ-
лении.
устройство для задания
опорного значения
клапан
Рис. 2.4.3-5. Принципиальная схема пневматического
регулятора пропорционального действия
В пневматическом регуляторе (рис. 2.4.3-
5) имеется устройство, работающее на сжатом
воздухе и состоящее в основном из трубы и пла-
стинки, которая вследствие изменения рассто-
яния между трубой и пластинкой, вызванного
изменением конечной регулируемой величины,
обеспечивает изменение давления сжатого воз-
духа, применяемого для управления в исполни-
тельном механизме.
Во избежание неустойчивого поведения этой
системы регулирования необходимо предусмат-
ривать демпфер, назначением которого являет-
ся восстановление пропорциональности между
конечной регулируемой и конечной регулирую-
щей величинами.
2.4.З.4. Регуляторы интегрального
действия (I)
Если в системе регулирования пропорцио-
нального действия положение исполнительно-
го механизма пропорционально отклонению ко-
нечной регулируемой величины от опорного
значения, то в системе регулирования интег-
рального действия уже скорость реакции ис-
полнительного механизма пропорциональна
указанному выше отклонению. Другими сло-
вами, чем больше отклоняется конечная регу-
лируемая величина от опорного значения, тем
быстрее произойдет коррекция, поскольку ис-
полнительный механизм будет реагировать уже
с высокой скоростью исполнения. Наоборот,
если измеренное отклонение “опорное значе-
ние - конечная регулируемая величина” неве-
лико, то исполнительный механизм работает
медленно.
Регуляторы интегрального действия, прин-
ципиальная схема которых приведена на рис.
рабочее состояние механизм
Рис. 2.4.3-6. Принципиальная схема электрического
регулятора интегрального действия
2.4.3-6, хорошо приспособлены для регулируе-
мых систем с небольшим временем задержки
(например, в случае регулирования давления
или расхода), но значительно хуже подходят для
установок с высоким значением постоянной
времени.
2.4.З.5. Регуляторы дополнительного
дифференцирующего действия
В этом случае действие регулятора пропор-
ционально скорости изменения абсолютной
Регулятор пропорцио-
нального действия: измене-
ние конечной регулирующей
величины .у пропорциональ-
но изменению конечной ре-
гулируемой величины х
Регулятор интегрально-
го действия: конечная регу-
лируемая величина изменя-
ется со скоростью, пропорци-
ональной абсолютной по-
грешности X
Регулятор пропорцио-
нального и интегрального
действия: конечная регулиру-
ющая величина у изменяется
частично пропорциональ-
ным, частично интеграль-
ным способом
Регулятор пропорцио-
нального, интегрального и
дифференцирующего дей-
ствия дополнительное к
пропорциональному и интег-
ральному действие регулято-
ра пропорционально скорос-
ти изменения абсолютной
погрешности, а не значению
этой погрешности
Рис. 2.4.3-7. Сводка характеристик регуляторов про-
порционального (Р), интегрального (I), пропорционально-
го н интегрального (Р1), а также пропорционального, ин-
тегрального и дифференциального (РЮ) действия
погрешности, а не величине самой погрешно-
сти. Если изменение отклонения постоянное
или нулевое, то и дифференцирующее действие
тоже нулевое. Дифференцирующее действие не
возникает, если отклонения не изменяются во
времени, поэтому такой способ действия при-
меняется только в сочетании с пропорциональ-
ным или интегральным действием. Следова-
тельно, не существует регулятора только на ос-
нове дифференцирующего действия.
2.4.З.6. Регуляторы комбинированного
действия
Речь идет в основном о регуляторах пропор-
ционального и интегрального (Р1) действия и о
регуляторах пропорционального, интегрально-
го и дифференцирующего (РЮ) действия, фун-
кции которых показаны на рис. 2.4.3-7.
2.4.4. Современное регулирование:
программируемые автоматы
и централизованное техническое
управление
2.4.4.1. От обычного оборудования
регулирующих систем
к информационным электронным
системам
Различие между обычным оборудованием
регулирующих систем и электронным регули-
рующим оборудованием можно легко почув-
ствовать, рассматривая основной орган любой
холодильной установки - регулирующий вен-
тиль.
Если применяется простой терморегулиру-
ющий вентиль, то его задачей является обес-
печение требуемого перегрева паров хладаген-
та. выходящих из испарителя. Однако этот пе-
регрев снижает теплообмен из-за уменьшения
площади контакта жидкого хладагента со стен-
ками испарителя. Кроме того, поскольку термо-
регулирующий вентиль принадлежит к катего-
рии регуляторов пропорционального действия,
положение исполнительного механизма зависит
только от мгновенного значения перегрева и не
учитывает его изменение во времени, отсюда
возникает расхождение с опорным значением.
В противоположность этому, благодаря при-
менению электронного регулирующего венти-
ля, можно проинтегрировать переменную по
времени (такой тип регулирующеТо вентиля
принадлежит к категории регуляторов пропор-
ционального и интегрального действия) и, сле-
довательно, работать с минимальным перегре-
вом, равным тепловой нагрузке, отводимой ис-
парителем.
Такой результат возможен только потому, что
электронный регулирующий вентиль включает
вычислительное устройство, которое постоян-
но измеряет разность температур, зарегистри-
рованных двумя датчиками, расположенными
на входе и выходе из испарителя. Эта разность
используется для оптимизации расхода посту-
пающего хладагента.
Кроме того, такое регулирование является
точным, потому что электронный регулирую-
щий вентиль благодаря применению микропро-
цессоров может управлять системой, которую
он обслуживает (в нашем случае испарителем),
значительно более рациональным образом. Это
означает, что ввиду высокой точности и скоро-
сти он способен не только повысить надежность
и рентабельность холодильной установки, но и,
кроме того, автоматизировать операции по
эксплуатации, облегчить обнаружение непола-
док и, наконец, управлять ее работой на рас-
стоянии. Дистанционное управление позволя-
ет централизовать всю информацию, поступа-
ющую с обслуживаемых участков, и с помощью
нее оптимизировать их работу.
2.4.4.1. Программируемые автоматы1
Мы сейчас перечислили преимущества
электронного регулирующего вентиля, они дол-
1 См. также: “Программируемый автомат” (Ь’аиТотаТе
рго^гаттаЫе. Ь.Заггу, СЬаийа§е, УепЫайоп, Соп&НоппетепТ,
1988, № 1,2, р. 15—18);
“Требования и применение в промышленности про-
граммируемых систем для дистанционного управления и ав-
томатического контроля” (Ех1§епсе$ е1 аррПсаНопв дев
зувГетаев рго§гаттаЫез роиг 1а 1е1е§евиоп е1 аи1осоп1го1е далз
Гтдия1пе, В. Воиг§ео1я, РЬ. Оаху де У1гхИ1е, Р.КовЙса,
СЬаийа§е. УепйНаТюп, СопддюппетепГ, 1988, №1,2, р. 19-
20);
“Надежность и эксплуатация автоматов” (НаЬПйе еТ
гпатТепапсе дев аи1ота1ев, 3. де КарЬеНв, СЬаийа^е,
УепНиМюп, СопдШоппетепГ, 1988, № 1, 2, р. 35-38);
жны быть еще дополнены возможностью на-
страивать параметры регулятора так, чтобы его
интегральное действие зависело не только от
типа рассматриваемой установки, но также от
режима ее использования и накладываемых
ограничений.
Все эти возможности реализуются, только
если регулирующий вентиль объединен с про-
граммируемым автоматом, который, по опреде-
лению1 , есть “электронное устройство, содер-
жащее автоматическую (не информационную)
память, программируемую пользователем с по-
мощью специального языка, для внутреннего
хранения программ, таких, например, как: ло-
гические операции, временная задержка, пре-
образование аналогового сигнала в цифровой
и обратно, сравнение, арифметический расчет,
настройка, слежение, регулирование и т.д.”
Итак, задача программируемого автомата
заключается в обработке информации, посту-
пающей от датчиков температуры, давления и
т.д. (эта информация образует входные данные),
и, в зависимости от введенных программы и
параметров, в выработке команд (выходные
сигналы), которые должны выполняться раз-
личными устройствами (регулирующими вен-
тилями, кранами, контакторами, двигателями
и т.д.). К этому нужно добавить возможность
связи путем обмена информацией между авто-
матами и вычислительными машинами, а так-
же диалог человек - машина благодаря приме-
нению мониторов и принтеров.
Структура программируемого автомата
практически такая же, как у микроЭВМ, т е.
он состоит, как и компьютер, из центрального
блока обработки данных памяти, интерфейса с
“Программируемые автоматы и вычислительные маши-
ны” (АиТотаТез ргодгаттаЫез е! огдтаТеигз, М.ВоигдШоп,
Кесие Ргабцие ди Ггсмд, 1988, № 662, р. 56—63);
“Программируемые автоматы” (Ьез аиТотаТез
ргодгаттаЫез, Р.Засциагд, 8.8апдге, Кехие РгаНцие ди Гго1д,
1992, № 753, р. 18-21; 1992, № 754, р. 34-37);
“Промышленные программируемые автоматы” (Ьез
аиТотаТез ргодгаттаЫез тдизТпек, О.М1сЬе1, С.Ьаиг§еаи,
В.Езр1аи, Ед. Оипод ТесЬшцие).
1 Стандарт МЕС 63-850 “Промышленные приборы низ-
кого напряжения, программируемые автоматы”.
Рис. 2.4.4-1, Общая схема
программируемого автомата
периферийными устройствами, входных и вы-
ходных модулей и устройства для ввода про-
грамм (рис. 2.4.4-1) Количество входных и
выходных модулей, как правило, велико, они
собраны в единый корпус или стойку (рис.
2.4.4-2)1.
Центральный блок - это главная система
любого программируемого автомата, потому
что он содержит микропроцессор (или несколь-
ко), представляющий собой интегральные мик-
росхемы, объединенные в одном кристалле.
Микропроцессор является в некотором смысле
дирижером и выполняет двойную задачу: с од-
ной стороны, обеспечивает работу систем авто-
мата и, с другой стороны, реализует инструк-
ции программы.
Для этого микропроцессор имеет память,
в которой ои начинает искать программы по
определенным адресам, располагает их в сво-
их регистрах, затем анализирует получившую-
ся последовательность из 0 и 1, наконец выпол-
няет требуемое и представляет результат своей
работы, выдавая новую последовательность из
О и 1.
1 “Программируемые автоматы” (Без аи1ота1ез рго§-
гаттаЫез, Р.3асциаг<1,Зег^е 8ал<1ге, Кеуие РгаБцие <1и ЕгоЫ,
1992, № 753, р. 18-21).
Промежуточные результаты расчета хранят-
ся в оперативной памяти, или КАМ (память
с произвольным доступом), в которой происхо-
дят все операции записи-чтения. Именно в этой
памяти записываются различные параметры
регулируемой установки, такие, как опорные
значения. Поскольку эти данные должны сохра-
няться даже в случае аварии электропитания,
оперативная память должна иметь автономное
питание от батарей: она становится неисчеза-
ющей.
Постоянная память КОМ (память только
для чтения) может использоваться только для
чтения, и ее содержимое не может быть ни из-
менено, ни удалено. В ней хранятся два типа
программ: операционная система, или 08
(Орегабоп Зуйеш), которая является основной
программой в программном обеспечении и об-
легчает взаимодействие с периферийными ус-
тройствами, и прикладные программы пользо-
вателя. Существует постоянная память, которую
пользователь может изменять: она называется
РКОМ (программируемая память только для
чтения), однако программирование такой памя-
ти возможно сделать только один раз, следова-
тельно, она является необратимой.
Существует память, которую можно изме-
нять многократно: это ЕРКОМ (стираемая про-
• Основная стойка
(стандартная, короткая или 19')
• Блок питания
• Процессор автомата
• Интерфейсы ввода/вывода:
- интерфейсы ввода/вывода,
- аналоговые вводы и выводы,
- цифровые вводы и выводы
• Сопряжения информационные:
- сопряжения с оборудованием,
- сопряжения для обмена данными,
- сетевые сопряжения
Рис. 2.4.4-2. Пример сборки програм-
мируемого автомата
траммируемая память только для чтения), или
постоянная память с возможностью програм-
мирования и стирания. Такое стирание проис-
ходит путем воздействия ультрафиолетового
облучения (для этой цели предусмотрено не-
большое кварцевое окошко), при этом среда
становится проводящей для электрических за-
рядов и они исчезают.
Работа автомата происходит в двоичной
истеме исчисления (табл. 2.4.4-1), в которой
каждое состояние представляется 0 или 1 (со-
ответствующими размыканию или замыканию
электрической цепи) - битами (двоичными
цифрами). Все числа выражаются в двоичной
системе, т. е. представляются исключительно
комбинациями цифр 0 и 1. В десятичной сис-
теме самая правая цифра указывает число еди-
ниц (заключенное между 0 и 9), затем цифра,
расположенная левее, обозначает число десят-
ков, следующая - сетей и т.д., вес каждой циф-
ры возрастает по мере продвижения налево. В
двоичной системе основание равно 2, вес каж-
дой позиции, занимаемой цифрой, будет увели-
чиваться как 2 в степени, равной номеру этой
позиции. При этом нумерация производится
справа налево, начиная с нуля.
С помощью слова, или группы из 4 бит,
можно записать числа до 15, т. е. обозначить
16 различных команд. Для чисел больших 15
представление в двоичной системе требует ело-
Таблица 2.4.4-1
Примеры «слов» из 4 бит, выраженных
в двоичной системе
Вес цифр Разложение Число по основанию 10
25 8 2 4 21 2 2° 1
Число по основанию 2
0 0 0 0 0= 0
0 0 0 1 1= 1
0 0 1 0 2+0= 2
0 0 1 1 2-1 3
0 1 0 0 4+0+0= 4
0 1 0 1 4+0+1= 5
0 1 1 0 4+2=0= 6
0 1 1 1 4+2+1= 7
1 0 0 0 8+0+0+0= 8
1 0 0 1 8+0+0+1= 9
1 1 1 1 8+4+2+]= 15
ва в 8 бит, которое называется байт. Такие сло-
ва позволяют представлять числа от 0 до 255,
или 256 команд.
Все слова хранятся в памяти, которая раз-
бита на блоки, измеряемые в килобайтах, или
кБ, один килобайт соответствует 210 байт, или
1024 байт.
Сопряжения, о которых мы говорили выше,
позволяют обеспечивать связь с периферией:
принтером, клавиатурой, монитором, пультом
управления и т.д., которые могут находиться на
большом расстоянии, до 1500 м.
Интерфейсные платы являются соедини-
тельными устройствами, позволяющими соеди-
нять датчики с входом автомата и выход авто-
мата с исполнительными механизмами.
Устройства для ввода программ чаще все-
го состоят из функциональных кнопок, сим-
вольно-цифровой клавиатуры, а также экрана
на жидких кристаллах. Оии имеют двойную
задачу: с одной стороны, дать возможность за-
плывать, изменять, стирать или передавать
Программу в память, а с другой стороны, вы-
полнять шаг за шагом программу регулирова-
ния, визуализировать или изменять данные.
Для того чтобы все это оборудование могло
работать согласованно, программируемый ав-
томат всегда имеет часы для синхронизации,
сигналы от которых передаются по управляю-
щим шинам. Например, сигналы часов задают
темп выдачи данных или адресов, в то время
как другие специфические сигналы выдаются
при запросе информации, ответом может быть
либо готовность центрального блока, либо зап-
рос на прерывание.
Сигналы, вырабатываемые часами синхро-
низации, имеют частоту от 1 до 25 МГц, отсю-
да следует, что скорость обработки информации
очень высока (порядка пикосекунды, или трил-
лионной доли секунды), это позволяет обраба-
тывать за очень короткое время очень большое
число сигналов.
На рис. 2.4.4-3 приведен пример програм-
мируемого автомата, который позволяет реали-
зовать функции управления и регулирования
различного технического оборудования, а так-
же многочисленные функции управления энер-
гией. Его основными элементами являются:
• компактный базовый модуль для неизме-
няемых установок (вверху справа) или несколь-
ко модулей в том случае, когда предусматрива-
ется расширение (вверху слева), эти модули
обеспечивают функции автоматического регу-
лирования, слежения за управлением и опти-
мизации;
• внешние интерфейсы (или внутренние),
выполненные в виде стойки, и вставляемые
преобразователи (в центре слева), задача кото-
рых заключается в обеспечении совместимос-
ти и передачи сигналов между модулями и пе-
риферийными устройствами (датчиками, ис-
полнительными органами и т.д.);
• терминал для чтения и задания парамет-
ров (внизу справа), который позволяет осуще-
ствлять интерактивный диалог с помощью дис-
плея и клавиатуры, задавать опорные парамет-
ры, проводить коррекцию времени и даты, со-
здавать временные программы, осуществлять
ручное вмешательство в линии связи и подпрог-
раммы, задавать реальные значения и опорные
значения, временные параметры и состояние
линий переключения и, наконец, осуществлять
опрос и устранение неполадок.
Для своей работы любой программируемый
автомат должен использовать программное
обеспечение, которое может быть следующих
видов:
Рис. 2.4.4-3. Пример программируемого автомата (А81000, 81аеГа Соп1го18ув1ет)
• операционная система, или основное про-
граммное обеспечение, которое располагается
в памяти и служит для обеспечения безотказ-
ной работы машины и для управления входа-
ми и выходами;
• программное обеспечение, содержащееся
на обычных носителях (кассеты или дискеты)
• прикладное программное обеспечение.
Для того чтобы общаться с автоматом, нуж-
но использовать машинны изыки, которые мо-
гут быть различных типов код »вый, булевский,
СгаГсе! и т.д.
Существуют различные типы автоматов:
• автоматы, являющиеся комплектующи-
ми элементами, они могут быть полностью
вмонтированы в устройство, которым они уп-
равляют;
• автоматические системы, у которых воз-
можности обработки значительно более широ-
кие, чем у автоматов-комплектующих, они
включают в себя периферийные устройства,
такие, как принтеры для печатания схем авто-
матизации, эксплуатационных журналов и со-
общений о неполадках, кроме того, эти автома-
ты часто имеют устройства для задания диа-
грамм, параметров, программ и т.д. Они осна-
щены интерфейсами для связи с другими сис-
темами через сеть передачи данных.
Добавим в заключение, что программируе-
мые автоматы могут обладать дополнительны-
ми свойствами авторегулирования и автонаст-
ройки. Авторегулирование мажет быть опреде-
лено как функция, позволяющая регулятору для
какого-нибудь произвольного процесса автома-
тически определять физические параметры это-
го процесса. Автонастройка - это функция,
позволяющая при известных в одной точке фи-
зических параметрах процесса обработать их
для оптимизации регулирования и преобразо-
вать их в соответствии с любыми физически-
ми изменениями (температуры, давления и
т.д.), для того чтобы эти параметры оптимизи-
ровали регулирование.
Наконец, отметим, что программируемый
автомат позволяет обеспечить работу одного
или нескольких исполнительных механизмов
без вмешательства человека и в соответствии
с точными инструкциями. Если на очень боль-
ших установках имеются многочисленные ло-
кальные автоматы, то можно собрать всю ин-
формацию в одном месте и оттуда контролиро-
вать совокупность установок: речь идет о цен-
трализованном техническом управлении, сокра-
щенно ЦТУ.
2.4.4.З. Системы централизованного
технического управления,
дистанционного наблюдения
и дистанционного управления1
Принцип работы системы централизованно-
го технического управления основан, как ука-
зывает название, на централизации более или
менее значительной информации, посылаемой
локальными автоматами через сеть. Основны-
ми функциями системы централизованного тех-
нического управления являются следующие:
• управление оборудованием в соответствии
с дневным графиком, аналоговым или цифро-
вым доступом и специальными программами;
• управление энергией;
• защита имущества и персонала с помо-
щью специального оборудования, контроль до-
ступа;
• диалог человек/машина на понятном язы-
ке с визуализацией и запросом, обеспечиваю-
щий вывод на принтер или монитор парамет-
ров, значений, измеренных датчиками, сигна-
лов о неполадках, времени работы, положения
исполнительных механизмов регулирования
или управления, схем, значений превышения
предельных уровней;
• возможность воздействия на исполнитель-
ные механизмы с помощью центрального пуль-
та, а также разнообразных почасовых, специа-
лизированных, автоматических, математичес-
ких или отвечающих на реакцию программ;
• хранение информации для обработки или
архива;
• обработка в информационном режиме
любых значений, которые могут быть представ-
лены в форме графиков или другой форме, а
также функций управления, расчета примени-
тельно к этим величинам.
Благодаря централизации любой информа-
ции обслуживающий технический персонал
немедленно ставится в известность о малейшей
аномалии в работе, точное определение место-
нахождения которой позволяет быстро принять
меры. Кроме тогб, автоматы, работающие в ре-
жиме авторегулирования и автонастройки, по-
зволяют в сочетании с рациональным центра-
лизованным управлением установки в значи-
1 См. также: “Основы централизованного технического
управления” (СотргешТге 1а ОТС, Г-Р.Оешв, Кеуце Ргабцие
Ди Его1<1, 1987, № 638, р. 46-53);
“Обычное централизованное техническое управление”
(Ьа ОТС аррпуо^вее, З.-М.Оште!, Кеуие РгаНцие Ди Рго1<1,
1987, №638, р. 56-61);
“ЦТУ н холодильные установки” (ОТС е1 тйаНабопз
йт§опйцие8, Р.Ргапск, Кеуце Ргайцце &1 Рго1<1, 1987, № 638,
р. 63-67);
“Дистанцнонный сервер Ма1аГ (Чп зегуеиг 1е1ета11цие
сЬех Ма1а1, М.РоШег, Р.РесоигГ, Кеуие Ргабцие Ди Его1<1,1987,
№642, р. 101-105);
“Цифровое регулирование н ЦТУ” (Ке@и1а11оп пи-
тепцие е1 ОТС, С.ВаПоу, Кеуие Ргабцие &1 Рппф, 1987, №
642, р. 106-114);
“Ог регулирования к ЦТУ” (йе 1а ге§и1абоп а 1а ОТС,
С.РетеПе, Кеуие Ргабцие &1 Гго1<1, 1987, № 654, р. 44-48).
тельной степени экономить энергию в резуль-
тате повышения эффективности и оптимизации
времени работы. Отсюда, в итоге, следует бо-
лее длительный срок эксплуатации оборудова-
ния и более быстрая окупаемость установок.
Предыдущие рассуждения позволяют пред-
сказать важность двух основных функций лю-
бой системы централизованного технического
управления: дистанционного наблюдения и ди-
станционного управления, первая из которых
интересует техническую службу, а вторая -
службу управления.
Действительно, технические службы нужда-
ются в оперативной информации о состоянии,
в котором находятся порученные им установ-
ки: неполадки в оборудовании, переход темпе-
ратуры за предельные значения, разрегулиро-
вание, остановки для обслуживания, время ра-
боты различного оборудования, контроль ре-
зультатов (главным образом коэффициентов
полезного действия) и т.д. Отсюда следует не-
обходимость дистанционного наблюдения, ко-
торое можно определить как средство, позво-
ляющее передать техникам необходимую ин-
формацию о состоянии оборудования, превыше-
нии предельных значений и показания счетчи-
ков. Отметим, что дистанционное наблюдение
дает информацию в реальном масштабе време-
ни и позволяет организовать работу в наилуч-
ших условиях, для того чтобы поддерживать все
автоматизированные устройства в оптимальном
состоянии, следовательно, обеспечить все их эк-
сплуатационные качества.
Со своей стороны, служба управления же-
лает иметь информацию о количестве потреб-
ляемой энергии, об оборудовании, нуждающем-
ся в обслуживании, и, главным образом, о пред-
полагаемой технической модернизации. Отсю-
да следует необходимость дистанционного уп-
равления, которое можно определить как сред-
ство, предназначенное для управленцев и даю-
щее им возможность располагать результатами
потребления энергии и всей информацией, по-
зволяющей составлять план работы. Оконча-
тельно дистанционное управление дает инфор-
мацию о полезном времени,позволяет опреде-
лить коэффициенты полезного действия, соот-
Таблица 2.44-2
Распределение информации о холодильной установке
н ее эксплуатации между техническими службами
и службами управления
Тип информации Техническая служба Служба управления
Наблюдение за оборудовани- ем •
Неполадки, аварии •
Невозможность доступа для обслуживания •
Разрегулирование производст- венного оборудования •
Работы по обслуживанию, уход • -► □
Контроль результатов (темпе- ратуры окружающей среды) • -> □
Время работы оборудования • -> О
Счетчик используемой энер- гии (электричество, газ и т.д.)
Счетчик потребления ресурсов (вода для охлаждения)
Средние коэффициенты по- лезного действия — —
Дополнительные сведения, касающиеся эксплуатации • ◄— —
ношения и т.д. и дает возможность по итогам
работы контролировать ее качество1.
Табл. 2.4.4-2 представляет в качестве при-
мера распределение информации между техни-
ческой службой и управлением.
Технологии, применяемые для обеспечения
этих функций дистанционного наблюдения и
дистанционного управления, требуют различ-
ных типов структуры системы, которые мож-
но разбить на две большие категории: системы
централизованные и системы нецентрализован-
ные, т. е. смешанные централизованные/децен-
трализованные и децентрализованные.
В централизованной системе (рис. 2.4.4-4)
все логические функции и расчеты выполняют-
ся в центре приема и обработки, оснащенном
оборудованием для расчета и хранения в памя-
ти. Этот центр получает от каждого участка ин-
формацию, выдаваемую различными датчика-
ми состояния и измерительными датчиками
1 См. также: “Управление потреблением энергии холо-
дильными установками супермаркетов” (Оевбоп епег§ейцие
дев тЯаПабопз бт^огШциев дев ИуреппагсИев, ЦГ.ОаиШегт,
Кеуие Ргабцие ди Епмд, 1989, № 686, р. 88-97).
Сеть
Рис. 2 4.4-4. Структура централизованной системы, в которой вся информация собирается в центре, вырабатывающем
команды и контролирующем их надлежащее исполнение
(темпера-пр. давлений, расходов и т.д.). Про-
граммное обеспечение центрального вычисли-
тельного блока должно быть в состоянии про-
вести обработку информации, выработку опор-
ных значений или команд, которые зависят от
хранящихся в памяти параметров для каждого
из обслуживаемых участков.
Для неиентрализованных систем можно
предусмотреть множество решений в зависимо-
сти от желаемой степени децентрализации. Мы
приведем два примера.
В смешанной централизованной/децентра-
лизованной системе (рис. 2.4.4-5) вся логичес-
кая часть системы сосредоточена в техническом
помещении, предназначенном для наблюдения.
Вычислительная машина, снабженная необхо-
димыми программами, может обеспечить все
функции автоматики, регулирование, програм-
мирование, регистрацию, а также выполнить
расчеты требуемых соотношений и коэффици-
ентов полезного действия.
Системы дистанционного наблюдения и ди-
станционного управления ограничены переда-
чей информации, выработанной на местах.
Центр приема имеет ограниченную функцию
визуализации, печати и архивации событий.
В полностью децентрализованной систе-
ме (рис. 2.4.4-6) все функции управления вы-
полняются на рабочих участках с помощью
обычного оборудования и системы дистанцион-
ного наблюдения и дистанционного управления
передают лишь информацию о состоянии и чис-
ловые значения нескольких величин. В центре
сбора и обработки информации проводятся раз-
личные простые расчеты, используемые для
управления. Следовательно, этот центр должен
ие только выполнять функции визуализации,
печати и архивации, но и располагать возмож-
ностью проводить простые расчеты.
Рис. 2.4.4-5. Структура централизовашюй/децентрализованной системы, в которой вся информация обрабатывается
на месте вычислительными машинами, там же вырабатываются команды н контролируется их выполнение; в центр посту-
пают только данные об аномалиях и результаты работы
2.4.4.4. Выбор системы
централизованного технического
управления
В принципе, каждая из вышеуказанных си-
стем в состоянии выполнять одни и те же фун-
кции, и выбор наиболее подходящей структу-
ры будет зависеть от используемых критериев
и важности каждого из них.
Не претендуя иа полноту и не давая какой-
либо оценки значимости этих систем, мы мо-
жем отметить:
• критерии, относящиеся к характеристикам
системы.
- возможность передачи параметров состо-
яния и предельных значений,
- возможность передачи показаний счетчи-
ков,
- возможность передачи результатов изме-
рений,
- возможность выполнения расчетов,
- возможность обеспечения выполнения ло-
гических функций;
• критерии, относящиеся к эксплуатации сис-
темы'.
- способность работы с неполной нагрузкой,
- тип используемых телеграфных связей,
- возможность дистанционных регулиров-
ки и управления,
- приспособленность оборудования к рабо-
те в условиях производственных помещений,
- возможность приспособления местного
персонала к работе с новым оборудованием;
• критерии, относящиеся к стоимости внедре-
ния (см. дальше) и эксплуатации.
В табл. 2.4.4-3 приведена сводка критериев
выбора различных возможных структур1.
Что касается цены, читатель может обра-
титься к статье “Выбор электронной системы”,
1 См. также: “Выбор электронной системы” (СЬо1х (Тип
хуяете е1ес1гошцие, В.Разци|ег, Кеуие Ргабцие би ЕгоМ,
1988, №662, р. 64-69);
“Как выбрать микроэлектронное оборудование” (Сот-
теп! сЬо151г вол ецшртеп! пмсго-тГогтабцие, Ьа Сопишзыоп
ГпГогтабцие бе ГА1С\Т, СЬаиЯа§е, УепТПабоп, Сопбйюп-
петеп!, 1990, № 4, р. 42—44).
Коммуникационная сеть
Рис. 2.4.4-6. Структура децентрализованной системы типа 2, в которой все логические функции выполняются с помо-
щью обычного оборудования (регуляторов, оптимизаторов, автоматов), аномалии и показания счетчиков собираются в
центре для обработки
указанной в подстрочном примечании на с. 483,
в которой дан числовой пример для частного
случая птицефермы.
1.4.4.5. Примеры централизованного
технического управления1
2.4.4.5.1. Островные прилавки на основе
витрин-холодильников
Все супермаркеты имеют витрины-холо-
дильники и холодильные камеры, экономичная
работа которых может быть обеспечена только
с помощью системы технического управления.
Как мы уже видели, существуют различные
виды этих систем. Среди них можно остано-
1 См. также: “За кулисами Города Науки и Промышлен-
ности: чудо ЦТУ” (Папз 1ез соиНзхез де 1а Сйе’ дев Зсхепсев
е1 де Г1пдиз(пе де 1а \411еЙе: 1а д1Уа дев ОТС, Кеуие Рга&дие
ди Его1д, 1989, № 688, р. 29-31);
“Дистанционные наблюдения и дистанционная связь в
супермаркете” (ТеквигуеШапсе е11е1есоттшисаИоп еп
ЬурегтагсЬе, М.-О.ИйНр, Кеуие РгаИцие ди Епмд, 1991, №
731, р. 4-8).
виться на децентрализованной системе, обра-
зованной электронными платами (рис. 2.4 4-7).
Плата Л является мозгом каждого ряда или хо-
лодильной камеры, на ней расположены квар-
цевые часы высокой точности, и она содержит
все параметры регулирования рада или холо-
дильной камеры. ПлатаЛ управляет регулиро-
ванием холодопроизводительности, сигналами
к размораживанию и сигналами о неполадках.
Она может быть запрограммирована после под-
соединения к внешнему устройству ввода про-
грамм и последующего интерактивного диало-
га. Она может быть также присоединена к шине
данных, общей для всех плат А магазина для
обеспечения дистанционного наблюдения, ко-
торое осуществляется с помощью отдельной
платы. При такой конфигурации совокупность
плат Л может быть запрограммирована с помо-
щью компьютера.
Одна или несколько плат В (максимум 4)
связаны с помощью шины данных с платой Л.
Эти платы получают информацию от одного
или нескольких температурных датчиков из
Таблица 2.4.4-3
Критерии выбора системы технического управления холодильной установкой
Комбинированная централи- зованая/децентрализованная Централизованная Децентрализованная Обычная
Преимущества
• надежность
• нечувствительность к • нечувствительность к • нечувствительность к
небольшим неполадкам небольшим неполадкам небольшим неполадкам
• централизованный кон- • централизованный кон- • наличие специалистов по
троль троль установке
• наблюдение • наблюдение
• диагностика неполадок • диагностика неполадок
• дешевый уход • дешевый уход
• энергетическая оптими- • энергетическая оптими- • энергетическая оптими-
зация подсистем регули- зация подсистем регули- зация подсистем регули-
рования рования рования
• энергетическая оптими- • энергетическая оптими-
зация всей установки зация всей установки
• стратегия гибкого кон- • стратегия гибкого кон-
троля (упрощает измене- троля (упрощает измене-
ние данных об установ- ние данных об установ-
ке) ке)
Недостатки
• значительные затраты на внедрение • специально обученный персонал • чувствительность к ма- лейшим неполадкам • значительные затраты • специально обученный персонал • отсутствие энергетиче- ской оптимизации всей установки • очень ограниченные возможности контроля с помощью компьютера • относительно высокая стоимость ухода • отсутствие энергетиче- ской оптимизации всей установки • отсутствие энергетиче- ской оптимизации под- систем • невозможность контроля с помощью компьютера • относительно высокая стоимость ухода
Рис. 2.4.4-7. Прилавки островного типа на основе витрин-холодильников (или холодильных камер) как пример цент-
рализированного технического управления (Воппе1 Вейт§егайоп)
каждой витрины и передают сведения к плате
А. Платы В управляют также заданием темпе-
ратуры и сообщениями о неполадках, которые
с ней связаны. Эти платы управляют реле раз-
мораживания, которые, в свою очередь, управ-
ляют группой электромеханических устройств
(рубильник + контактор), находящейся в каж-
дой витрине для обеспечения электрического
размораживания
Для витрин с естественным разморажива-
нием все платы В, исключая те, которые соеди-
нены шиной с платой/1. могут быть заменены
автономными термометрами.
Дополнительными функциями системы яв-
ляются: регулирование суточного теплового ре-
жима с помощью ночных шторок или заслонок;
электронное регулирование с помощью ленточ-
ных нагревателей; диагностические функции,
выполняемые с помощью электронных плат и
пульта; специальные виды сообщений о непо-
ладках (засорение водяных трубопроводов и
т.д); электронное согласование работы регули-
рующего вентиля и регулятора скорости.
Реле на платах А, сигнализирующие о не-
поладках (охватывающие 10 видов неполадок
на холодильном участке), как и реле, сигнали-
зирующие о неполадках в машинном зале, об-
рабатываемых автоматически, связаны с дис-
петчерским пунктом Ттап5пе(
Этот пункт, находящийся в помещении, мо-
жет быть обеспечен программами и справоч-
ной базой; печатающее устройство может пе-
чатать сообщения о неполадках, адресованные
конкретному специалисту. При обнаружении
неполадки (которая может быть обработана в
наиболее удобное время, зарегистрирована и
т.д.) автоматическое устройство посылает сооб-
щение холодильщику (возможно хранение 5 те-
лефонных номеров), обеспечивающему уход и
обслуживание оборудования магазина; это осу-
ществляется через мини-централизозанную ли-
нию технического обслуживания (рис. 2.4.4-8).
Эта централизованная линия может полу-
чать телефонные звонки из многих магазинов:
она обрабатывает возникающие сообщения о
неполадках, запоминает адреса для связи и зво-
нит специалистам в соответствии с определен-
ными приоритетными классами событий. Спе-
циалисты на расстоянии могут оценить, исхо-
дя из базы данных, возможности пункта и вы-
работать команды дистанционного управления.
Функции дистанционного слежения за не-
поладками и дистанционных консультаций под-
держиваются с помощью простой шины в виде
кабеля 3x2,5, связывающей группу плат Л (до
50) с интерфейсной платой. Неполадки в ма-
шинном зале обрабатываются автоматом, так-
же соединенным с этой платой. Интерфейсная
плата может быть продублирована в другом
помещении магазина, она позволяет собрать в
одном месте все сведения о температурах и не-
поладках на холодильных постах и в машин-
ном зале. К ней могут быть присоединены пе-
чатающее устройство и модем.
Набор отказов по четырем группам холо-
дильных постов (оборудование с положитель-
ной температурой, морозильное оборудование,
холодильные камеры с положительными тем-
пературами, холодильные камеры с отрицатель-
ными температурами), так же как и неполадки
в машинном зале, передается на удаленный
пункт к холодильщику (рис. 2.4.4-8). Кроме
того, с помощью простого доступа через ком-
пьютеры типа РС управляющий может полу-
чать на расстоянии все опорные значения па-
раметров постов “холода” (температуры, раз-
мораживание, перечень неполадок, параметры
регулирования и т.д.) и при необходимости из-
менять их с помощью программы доступа.
Конфигурация дистанционного управления
определяется на основе современных автома-
тов, при этом информация, касающаяся холо-
дильных постов и машинного зала, собирается
(через интерфейс Я8485/К8232) и обрабатыва-
ется компьютером, обеспечивающим централи-
зованное техническое управление группой си-
стем. Используя библиотеку цветных графичес-
ких представлений для каждого магазина, этот
компьютер заменяет ими обычные сводные схе-
мы, которые не способны наглядно показать
изменение параметров во времени. Компьютер
позволяет показать информацию, изменяющу-
юся в зависимости от результатов дистанцион-
ного наблюдения, дистанционного управления,
МАГАЗИН
Торговые залы
Машинный зал
Островные
прилавки
ВВИЕ)
ЙЙ
Автометы
Персональный
компьютер
Холодиль-
ные каме-
ры
Центральный
блок компрессоров
Техническое помещение
Управляющий
Оперативная связь
йМИМЙМММММт
ЛияШ связи :: 4
Прием отказов
Управление информацией
Вызов специалистов
управления
Персональный
компьютер
Структура центрального технического
Рис. 2.4.4-8. Орг* низация дистанционного наблюдения на примере системы централизованного технического управ-
епия для супермаркета (Вопле! Кейт§егайоп)
-бора измеренных параметров (дистанционно-
го измерения) и опорных значений параметров.
Компьютер управляет также таблицей непола-
док в системе водоснабжения.
В этой сложной системе стремятся макси-
мально децентрализовать техническое управле-
ние с помощью плат регулирования и програм-
мируемых автоматов. Компьютеры при этом
используются только в качестве средств связи,
они обеспечивают техническое наблюдение и не
зависят от самой системы.
2.4.4.5.2. Холодильные станции
На рис. 2.4.4-9 представлен пример струк-
туры системы, способной обеспечить управле-
ние централизованным холодильным снабже-
нием на различных уровнях.
• 7-1369
Рис. 2.4.4-9. Структура системы, работающей на четырех уровнях (с возможным расширением) от управления одним
компрессором до управления всей холодильной установкой (8<а1ес(гошс 600, 81а11п1еспо)
Рис. 2.4.4-10. Пульт, обеспечивающий чтение информации и задание параметров для системы управления и системы
частичного контроля (слева) или полного контроля (справа) холодильной установки (81а1ес1готс 600, 81а1 Ьйеспо)
• Уровень Г. управление лишь одним комп-
рессором, при этом обеспечиваются функции
управления, контроля за безопасностью, регу-
лирования холодопроизводительности и вмеша-
тельства в случае отказа.
• Уровень 2\ управление двумя компрессо-
рами, при этом к предыдущим функциям до-
бавляется управление совместной работой ком-
прессоров.
• Уровень 3: управление машинным залом.
К функциям уровня 2 добавляются управление
и наблюдение за работой насосов для хладаген-
та, регулирование сепараторов жидкости и
489
теплообменников.
• Уровень 4\ управление всей холодильной
установкой, включая контуры охлаждения, что
добавляет многочисленные дополнительные
функции, такие, как размораживание испари-
телей, контроль за температурой, давлением и
т.д., а также все вмешательства в случае непо-
ладок.
Управление всеми этими функциями осуще-
ствляется с помощью пульта, позволяющего
считывать информацию и задавать параметры
(рис. 2.4.4-10, слева для уровней 1 и 2, справа
для уровней 3 и 4).
2.5. Элементы акустики
2.5
2.5.1. Общие понятия и определения
В состав всех холодильных установок вхо-
дит такое оборудование, как компрессоры, на-
сосы, вентиляторы. Работа их двигателей вы-
зывает нежелательное явление, а именно воз-
никновение шумов в результате движения ме-
ханических деталей. Эти шумы частично рас-
пространяются непосредственно по воздуху
(или в любой другой сплошной среде), а час-
тично передаются на расстояние косвенным
образом через различные трубопроводы и воз-
духоводы. Независимо от способа распростра-
нения шумов необходимо иметь устройства,
способные максимально снижать вредные зву-
ки. В качестве таких устройств могут исполь-
зоваться защитные звукопоглощающие оболоч-
ки. или звукоуловители для шумов, передаю-
щихся по воздуху; или проставки из звукоизо-
ляционного материала, или поглотители вибра-
ций.
Однако какими бы ни были частные меро-
приятия по звукоизоляции, не следует упускать
из виду, что практически всегда могут быть ре-
ализованы общие подходы к ограничению вред-
ных шумов, осуществление которых требует
принятия в дальнейшем менее жестких частных
мер. Так, например, если технические помеще-
ния с оборудованием для кондиционирования
воздуха, обслуживающим здание, расположить
как можно дальше от рабочих комнат или жи-
лых помещений, то шумы, издаваемые комп-
рессорами, будут значительно меньше беспоко-
ить персонал или жильцов, чем при другом рас-
положении оборудования. Точно так же можно
выбрать такое наружное размещение градирни,
при котором работа ее вентиляторов не будет
доставлять никакого беспокойства окружаю-
щим.
Таким образом, на основе приведенных
выше рассуждений можно сделать вывод, что
еще на стадии эскизного проекта установки
необходимо вместе с Генеральным заказчиком
определить наиболее предпочтительное распо-
ложение технических помещений, в которых
будет установлено оборудование, генерирующее
шумы.
Термины и определения1
Главным из терминов является понятие зву-
ка, который можно определить как механичес-
кие колебания материальных частиц упругой
твердой, жидкой или газообразной среды в не-
котором интервале частот, воспринимаемом
ухом. Хотя, по определению, колеблющиеся
материальные частицы могут принадлежать
любой среде, человеческое ухо воспринимает,
как правило, только те колебания, которые пе-
редаются по воздуху2. Интервал частот, в ко-
тором ухо человека воспринимает звук, распо-
ложен в диапазоне примерно от 16 колебаний
в секунду (нижний предел чувствительности,
следовательно, около 16 Гц) до 20 000 колеба-
ний в секунду (т.е. верхний предел чувствитель-
ности около 20 000 Гц). Звуки с частотой ниже
16 Гц называются инфразвуком (они издают-
1 Термины, не определенные ниже, можно найти в сле-
дующих документах:
ИГ 830-101 “Акустика. Общие термины и определе-
ния”; № 830-103 “Акустическая аппаратура. Термины и
определения”; № 830-105 “Акустика, термины и опреде-
ления. Физиология и психология акустических воздей-
ствий”; № 830-106 “Акустика, термины и определения.
Строительная акустика”.
2 В принципе, это не совсем верно. Подводные плов-
цы, например, воспринимают звуковые волны, распростра-
няющиеся в воде. Кроме того, механизм восприятия чело-
веком звуковых волн зависит не только от уха как такового,
но и от нервных окончаний, связанных с ухом. - Примеч.
пер.
Рис. 2.5.1-1. Типовые колебания частиц воздуха для простого звука, сложного звука и шума.
рк - атмосферное давление; рА - максимальное акустическое давление; р - эффективное акустическое давление, рав-
ное 0,71 рл, /- частота (обозначается также через А/)
ся, например, земной корой во время землетря-
сений), тогда как звуки с частотой свыше 20 000
Гц называются ультразвуком. Инфразвуковые
и ультразвуковые колебания недоступны для
человеческого уха, одиако могут улавливаться
органами слуха некоторых животных.
Если колебания среды носят синусоидаль-
ный характер, звук называют простым или чи-
стым (рис. 2.5.1-1). Несколько простых звуков,
слышимых одновременно, образуют совокуп-
ность, называемую сложным звуком, в котором
отношения частот элементарных звуков между
собой могут быть выражены целыми числами
(гармониками). Чистый звук с наименьшей ча-
стотой называют основным тоном, остальные -
обертонами. Если колебания среды носят про-
извольный характер, такой звук называют шу-
мом. В некоторых случаях шум вызывает рас-
стройства человеческого организма.
Другие определения
Акустика - раздел физики, изучающий зву-
ковые явления, те. процессы возникновения,
распространения, восприятия и воздействия
механических колебаний материальных частиц
в упругих средах.
Акустические колебания (или акустическая
вибрация) - движение частиц упругой среды
относительно среднего (равновесного) положе-
ния.
Периодическая величина - переменная ве-
личина, принимающая одинаковые значения
через равные интервалы другой переменной
величины, от которой она зависит (время, про-
странство и т.д.).
Период - минимальная разность между дву-
мя значениями независимой переменной, при
которой величины, характеризующие периоди-
ческие явления, принимают одинаковые значе-
ния.
Цикл - совокупность состояний или значе-
ний, через которые проходит периодическая
функция или явление, прежде чем возвратить-
ся в исходное состояние или принять исходное
значение.
Основная частота - для периодической
величины синусоидальная компонента, имею-
щая ту же частоту, что и сама периодическая
величина.
Гармоника - для периодической величины
синусоидальная компонента, частота которой
равна произведению целого числа больше еди-
ницы на основную частоту.
Спектр акустический - набор гармоничес-
ких синусоидальных звуковых волн (чистых
тонов), совокупность которых образует данный
сложный звук. На практике измерения прово-
дят в полосах частот конечной ширины. Разли-
чают спектры в полосе октавы, одной трети ок-
тавы или в полосах шириной 1 Гц.
Волна - изменение физического состояния
среды, вызванное местным возмущением сре-
ды и распространяющееся в ней.
Волна продольная - волна, в которой на-
правление колебаний материальных частиц или
любых точек среды совпадает с направлением
распространения волны.
Волна поперечная - волна, в которой на-
правление колебаний материальных частиц или
любых точек среды перпендикулярно направ-
лению распространения волны.
Длина волны - минимальное расстояние в
направлении распространения периодической
волны между двумя точками, колебания кото-
рых совпадают по фазе.
Поле акустическое - зона пространства, в
которой существуют акустические колебания.
Давление статическое - давление в любой
точке неподвижной сплошной среды, существу-
ющее в отсутствие акустических колебаний.
Давление акустическое мгновенное - раз-
ность между давлением в любой точке непод-
вижной среды в данный момент времени и ста-
тическим давлением в этой точке.
Удлинение - перемещение частицы в упру-
гой среде, представленное вектором, конец ко-
торого соответствует положению частицы в дан-
ный момент времени, а начало - положению,
которое занимала бы частица в тот же момент
времени в отсутствие акустических колебаний.
2.5.2. Физические характеристики
звука
2.5.2.1. Длина волны
Как мы уже уточнили выше, звук представ-
ляет собой механические колебания частиц сре-
ды и при распространении подчиняется основ-
ному соотношению любого колебательного дви-
жения, а именно:
Т=с-Т=с//,
где X - длина волны, м;
с - скорость распространения колебаний в
среде, м/с;
Т - период колебаний, с;
/= 1/Т- частота колебаний, с1 или Гц.
Определения понятий длины волны и пери-
ода уточнены в п. 2.5.1.
2.5.2.2. Скорость распространения
колебаний
Скорость распространения колебаний, или
скорость звука, о которой мы только что гово-
рили, может определяться как скорость распро-
странения (перемещения) изменений физичес-
кого состояния среды, сопровождающих коле-
бания. Она является, следовательно, скоростью
фазы. Чтобы перемещение изменения физичес-
кого состояния имело место, необходимо нали-
чие среды - распространителя колебаний, ко-
торая может быть твердой, жидкой или газооб-
разной. Для газовой среды скорость распрост-
ранения колебаний (возмущений) определяет-
ся по формуле
где у ~Ср/Су - показатель адиабаты (встречав-
шийся в п. 1.3.1.4.4);
р - давление в рассматриваемом газе, Н/м2
(Па);
р - плотность данного газа, кг/м3.
Однако в п. 1.3.4.7 мы видели, что для газа
массой т, занимающего объем V, справедливо
соотношение
ти = а0
Мт у Р То
' Ро Т
т.е.
т Л V Р
- = р = а0-^-У--
V Ро
4
Т ’
поскольку - относительная плотность
газа по отношению к воздуху.
Следовательно,
РРот
ао<ТрТо
где ав - плотность воздуха при 0°С и давлении
101 325 Па, т.е. 1,293 кг/м3;
р0 - нормальное атмосферное давление, т.е.
101 325 Па;
с/ - плотность газа по отношению к возду-
ху, равная МД13 (Мт - его молекулярная мас-
са), кг/кмоль;
Тй - абсолютная нормальная температура,
т.е. 273,15 К.
Приведенная формула называется формулой
Лапласа, по имени французского физика, име-
ющего многочисленные труды в области элек-
тричества, акустики, гидромеханики.
Таким образом, в этих условиях имеем
, м/с.
В случае воздуха, например, при темпера-
туре 0°С, т.е. 273,15 К, считая воздух^щухатом-
ным газом, для которого у=1,4 и молекулярная
масса Л/т=29 кг/кмоль, получаем
с = 91,2^1,4 -^-^ =331,17 м/с.
Отметим два обстоятельства:
- с одной стороны, скорость звука в газе не
зависит от давления в нем;
- с другой стороны, скорость звука в газе
пропорциональна корню квадратному из абсо-
лютной температуры газа, т.е. для одного и того
же газа, взятого при абсолютных температурах
Т и Г, скорости с и с' будут относиться, как
В табл. 2.5.2-1 даны значения скорости зву-
ка в воздухе при различных температурах. Не-
большая разница в значении для 0°С по срав-
нению с рассчитанным выше значением объяс-
няется тем, что мы округлили молекулярную
массу воздуха до 29 кг/кмоль.
Скорость звука в воздухе в зависимости от
его температуры I, °С, можно быстро рассчи-
тать по формуле
с = 332+0,6 Г, м/с.
Скорость звука в жидкостях выражается
формулой
1
с ~ ’ м/с,
где К -------сжимаемость жидкости, м2/Н
Г-р
< величина, обратная модулю объемной упруго-
сти);
р - плотность жидкости, кг/м3.
Таблица 2.5.2-1
Изменение скорости звука в воздухе
в зависимости от температуры
Температура, °С С» м/с Температура, °С С, м/с
-10 325,6 20 343,8
0 331,8 30 349,5
10 337,8 40 355,3
Таблица 2 5.2-2
Изменение скорости звука
в дистиллированной воде в зависимости
от температуры
Температура, °С с, м/с Температура, °С С, м/с
0 1407 20 1484
10 1449 30 1510
В табл. 2.5.2-2 приведены значения скорос-
ти звука в дистиллированной воде. Заметим,
что в пресной воде прн +8°С скорость звука
составляет примерно 1435 м/с, тогда как в мор-
ской воде при +15°С она близка к 1500 м/с.
В твердых телах нужно рассматривать рас-
пространение двух типов звуковых волн: про-
дольных н поперечных, каждый тип волн име-
ет свою скорость распространения. Продольной
называют волну, в которой направление пере-
мещения колеблющихся частиц совпадает с на-
правлением распространения волны, тогда как
в случае поперечной волны направление пере-
мещения колеблющихся частиц перпендикуляр-
но направлению распространения волны. Ско-
рость распространения продольных волн опре-
деляется формулой
где Е - моруль упругости рассматриваемого
твердого тела при растяжении или сжатии, Н/
м2;
ц. - коэффициент Пуассона твердого тела
(безразмерный), равный отношению относи-
тельной поперечной деформации к относитель-
ной продольной при простом продольном рас-
тяжении;
р - плотность твердого тела, кг/м3.
Для поперечных волн имеем
Г1 /
С. - »---------, м/с.
1 \Р 2(1+11)
Скорость звука в твердых телах гораздо
выше, чем в газах или жидкостях. Ее значения
для различных материалов приведены в табл.
2.5.2-3.
Таблица 2.5.2-3
Скорость продольных звуковых волн
в различных материалах при окружающей
температуре +20°С
Материал С, м/с Материал С, м/с
Стекло 5200 Дерево, сосна 3300
Алюминий 5100 Дерево, пихта 4200
Сталь 5000 Кирпичная кладка 3500
Бетон 4000 Пробка 500
Дерево, дуб 3850 Резина 50
2.5.2.З. Акустическая скорость
Атлетической скоростью (скоростью колеба-
ний или скоростью частицы) называют отноше-
ние геометрического отклонения частицы от
равновесного положения к времени, за которое
это отклонение происходит.
Абсолютная величина акустической скоро-
сти определяется как
и = |а-и|,
где а - амплитуда колебательного движения, м;
2л
и = 2л/= —
- круговая частота пульсаций,
рад/с.
2.5.2.4. Акустическое давление
и уровень акустического давления
Источник звуковых волн порождает акус-
тическое давление р, зависящее от времени и
выражаемое уравнением
р = ДлСО8(<вЖр),
где рА - максимальная амплитуда давления
(см. рис. 2.5.1-1);
Ф - угол сдвига по фазе.
Величина эффективного акустического дав-
ления связана с максимальным давлением со-
отношением
Р= ^2 'Ра= 0,71 Ра~
Эффективное акустическое давление соот-
ветствует среднеинтегральному значению мгно-
венного акустического давления за данный вре-
менной интервал, обычно за один период, в
зоне пространства, в которой существуют аку-
стические колебания (и которую мы назвали
акустическим полем); эффективное давление
чаще всего меняется при переходе от одной точ-
ки к другой. Чем сильнее частицы колеблются
относительно их среднего равновесного поло-
жения, тем интенсивнее звук, больше размах
(амплитуда) колебаний а и значительнее расши-
рение и сжатие воздуха. Акустическое давле-
ние измеряется в Н/м2, Па или мнкробарах
(мкбар);
1 Н/м2=1 Па =10 мкбар.
Акустическое давление и акустическая ско-
рость связаны отношением
р = ир-с,
где р - плотность воздуха, кг/м3;
с - скорость звука, м/с.
Предыдущее выражение представляет собой
акустический закон Ома.
Можно записать
Коэффициент г называют характеристичес-
ким импедансом рассматриваемой среды. Он
имеет размерность кг/(м2-с).
В табл. 2.5.2-4 приведены характеристичес-
кие импедансы для различных сред. Можно за-
метить, что самый низкий импеданс у воздуха.
Таблица 2.5.2-4
Характеристический импеданс г различных сред
Среда Р, кг/м3 С, м/с 2=рС, кг/(м2-с)
Сталь 7900 5000 3950-Ю4
Гранит 2800 6400 1800-Ю4
Бетон 2000 4000 800-Ю4
Кирпич 1500 4300 650-Ю4
Дерево (пер- пендикулярно волокнам) «500 5000 250-104
Вода 1000 1450 145-Ю4
Пробка 200 500 10-Ю4
Резина « 1000...2000 от 60 до 150 от 6 до 30-Ю4
Воздух 1,2 344 413
Таблица 2.5.2-5
Характеристики различных акустических полей в зависимости от звукового давления в воздухе
Акустическое давление р, 0,1 Н/м2 Акустическая интенсивность /. мкВт/см2 Скорость колебаний и, см/с Акустическая амплитуда а при частоте 1000 Гц, 10’6 см Уровень акустического давления, дБ (А)
1 0,0025 0.025 4 74
10 0,25 0,25 40 94
100 25 2,5 400 114
1000 2500 ' 25 4000 134
Акустическое давление обычного разговора
находится в пределах от 0,1 до 1,0 Н/м1 2 * * на рас-
стоянии 1 м от говорящего. Наиболее слабое
акустическое давление, воспринимаемое челове-
ческим ухом (порог слышимости), равно 2-Ю’5
Н/м2, тогда как болевой порог достигается при
давлении 20 Н/м2. В табл. 2.5.2-6 даны звуко-
вые давления, порождаемые различными ис-
точниками звука.
Акустическое давление, которое восприни-
мается человеческим ухом в нормальных усло-
виях, может, следовательно, меняться в диапа-
зоне отношений 20/(2-10'5)=10б, т.е. от едини-
цы до миллиона. Поскольку в таком диапазоне
цифр трудно ориентироваться, условились оп-
ределять уровень акустического давления как
двадцатикратный десятичный логарифм1 отно-
шения текущего значения акустического давле-
ния к опорному значению, в качестве которого
принят порог слышимости, т.е. 210'5 Н/м2 .
Этот уровень акустического давления выража-
ется в децибелах2. Один децибел (дБ) равен 1/
10 бела, безразмерной единицы, используемой
главным образом для выражения отношения
двух значений мощностей. Один бел равен де-
сятичному логарифму этого отношения. Име-
ем
1 См.: “Логарифмы и акустика” (ЕоеагНЬтез е1
асоизбцие, В.ЬеНезте, Кеуие Ргабцие <3и ГгоЫ, 1990, №714,
р. 98-107).
2 Определение децибела приведено в стандарте ХЕ Х02-
202 “Периодические явления и связанные с ними величи-
ны”. Единица “бел” названа в честь Александра Грейама
Белла (1847-1922), американского физика, который изгото-
вил в 1876 г. первые микрофон и телефон и изобрели 1886 г.
граммофон.
Ь = 201?-^, дБ,
Ро
где р0 - опорное значение акустического дав-
ления, соответствующего порогу слышимости,
те. 2-10-5Н/м2 .
Таким образом, уровень акустического дав-
ления порога слышимости равен
Ь = 201? — = 201? = 0 дБ.
Р Ро 2-10“-
Уровень акустического давления, соответ-
ствующий болевому порогу, следовательно, ра-
вен
Ьр = 201?— = 201?—= 201? 10б =
Р Ро 2-Ю"5
= 120 дБ.
В табл. 2.5.2-5 приведены различные харак-
теристики звукового поля. Можно сразу заме-
тить преимущества использования логарифмов
для выражения уровня акустического давления,
поскольку он меняется только от 74 до 134 де-
цибел, в то время как давление меняется в от-
ношении от 1 до 1000.
В табл. 2.5.2-6 дано несколько примеров
акустических давлений и уровней акустических
давлений, соответствующих источникам звуков
и заключенных между порогом слышимости и
болевым порогом.
Уровни акустического давления уравнове-
шиваются с помощью уравновешивающих ко-
эффициентов А, о которых мы будем говорить
в разд. 2.5.4, поэтому они выражаются в деци-
белах акустических (А).
Таблица 2.52-6
Акустическое давление различных источников звука и уровень соответствующего акустического давления
(уравновешивающий коэффициент А)
Акустическое давление, Н/м2 Уровень акустического давления, дБ (А) Источник звука
(200) (140) (Реактивный двигатель на испытательном стенде)
(63,2) (130) (Реактивный самолет с полной тягой на расстоянии 30 м)
20 120 Болевой порог, близкий взрыв
6,325 110 Самолет на расстоянии 10 м ; автомобильный сигнал на расстоянии 1 м ; рок-оркестр
2 100 Столярный или котельный цех
1,125 95 Метро, грузовой автомобиль на расстоянии 7 м, мотоцикл
0,632 90 Салон автобуса, миксер на расстоянии 0,7 м
0,2 80 Уличный шум при интенсивном движении, контора с многочисленными пишущими машинками
0,1125 75 Автомобиль на расстоянии 7 м
0,0632 70 Купе поезда, классический оркестр, телевизор
0,0356 65 Разговор на расстоянии 1 м
0,02 60 Человеческая речь, радио, небольшая контора
0,00632 50 Бесшумный автомобиль
0,002 40 Тихая улица, часы, звукозаписывающая студия, тихая деревня
0,000632 30 Тихая комната
0,0002 20 Шум листвы, шепот на расстоянии 1,2 м
0,0000632 10 Шелест листвы
0,00002 0 Порог слышимости
2.5.2.5. Акустическая мощность
и уровень акустической мощности
В свободном поле, т.е. либо на открытом
пространстве, где отражающим элементом яв-
ляется только почва, либо в безэховой камере,
мгновенная атлетическая мощность IV, прихо-
дящаяся на элемент данной поверхности, рас-
положенной перпендикулярно направлению
распространения звуковой волны, выражается
отношением
2
Иг=А-^—,Вт,
рс
где А - площадь рассматриваемой поверхнос-
ти, м2;
р - акустическое давление, Н/м2;
р - плотность среды, кг/м3;
с - скорость звука, м/с.
Как мы уже видели,
р = ирс,
следовательно, можно также записать
!Р = Аи2рс, Вт.
В частном случае для воздуха импеданс р-с
равен 413 кг/(м2-с), откуда имеем
Ж =413 Л и2, Вт.
Поскольку акустические мощности, как пра-
вило, очень малы, их выражают в большинстве
случаев в микроваттах (мкВт).
В табл. 2.5.2-7 приведены примеры акусти-
ческих мощностей.
В диффузном поле, т.е. в таком акустичес-
ком поле, в котором средняя объемная энергия
имеет одну и ту же величину в каждой точке
пространства, а плотность акустического пото-
ка одинакова по всем направлениям (гомоген-
ное изотропное поле), акустическая мощность
определяется по формуле
с-А-Е
>И=------, Вт,
4
где с - скорость звука, м/с;
А - площадь рассматриваемой поверхнос-
ти, м2;
Е - средняя объемная энергия, Дж/м3.
Заметим, что в табл. 2.5.2-7 приведен очень
широкий диапазон изменения мощностей ис-
точников звука. Отношение максимальной
мощности к минимальной для помещенных в
таблице примеров составляет
^ = 440”.
10“12
Именно поэтому акустические мощности
условились преобразовывать в уровни акусти-
ческих мощностей с помощью логарифмов от-
ношений таким образом, чтобы оперировать
только простыми числами.
Уровень акустической мощности опреде-
ляется как удесятеренный десятичный лога-
рифм отношения данной акустической мощно-
сти к базовой акустической мощности, в каче-
стве которой принята акустическая мощность
порога слышимости, т.е. 1012 Вт. Поскольку
речь идет о логарифме отношения двух вели-
чин, полученный результат выражается в деци-
белах (дБ), так же как и для уровня акустичес-
кого давления.
Как показывают данные табл. 2.5.2-7, вы-
ражение мощностей через их уровни позволя-
ет значительно ограничить и упростить значе-
ния, с которыми приходится иметь дело. Полу-
чаем
^=101ё—, дБ,
где И^Ю-12 Вт.
Выше мы уточнили, что
Таблица 2.5.2-7
Акустические мощности различных звуковых источников и соответствующие уровни акустических
мощностей
Акустическая мощность, Вт Уровень акустической мощности, дБ Источник звука
(40 000 000) (196) (Ракета « Сатурн в на взлете)
(100 000) (170) (Прямоточный воздушно-реактивный двигатель)
(10000) (160) (Турбореактивный двигатель)
(1 000) (150) (Четырехмоторный самолет)
(100) (140) (Резкий автомобильный гудок)
(Ю) (130) (Большой оркестр)
1 120 Болевой порог
о,1 ПО Радио, включенное на полную громкость
0,01 100 Автомобиль на автостраде
0,001 90 Шум в метро
0,0001 80 Громкий разговор
0,00001 70 Нормальный разговор
0,000001 60 Контора
0,0000001 50 Тнхий разговор
0,00000001 40 Шепот
0,000000001 30 Шум листвы
0,000000000001 0 Порог слышимости
2
IV = А-^—,
р-с
следовательно,
2
р-с
Подставляя эти величины в уравнение для
уровня акустической мощности, получаем
Д=1018-^^-==
Ао-ро/(р-с)
= Ю1§
= 20-ьЮ = ЬР +Ю
Ро Ао Ао
Следовательно, если А=А0, то
Представим себе точечный источник звука,
создающий сферическое звуковое поле, для ко-
торого Л 0=1 м2. На расстоянии г имеем
А = 4ту-'.
Следовательно.
^%+Ю 18 — =1+10(1§ 4л+2 18 г)=
=1,р+10 (1,1+2 18 г)=А+11+20 18 г,
опада
1 = ^-20 18Г-П.
Таким образом, на основании данной фор-
мулы можно сделать вывод о том, что, удваи-
вая удаление от источника звука, мы снижаем
уровень акустического давления на 20 18 2=6
дБ. На самом деле в безэховой камере (в откры-
том поле) эта величина равна только 5 дБ вслед-
ствие отражения звука от почвы. Если источ-
ник звука не точечный (например, вентилятор
на крыше), предыдущее выражение становит-
ся справедливым только на расстоянии несколь-
ких метров от источника.
Однако на практике звук редко распростра-
няется по всем направлениям равномерно. Су-
ществуют направления преимущественного
распространения, которые учитываются коэф-
фициентом направленности <0, таким, что
^+101§—,
где 0 равен отношению плотности акустичес-
кого потока, излучаемого в данном направле-
нии, к плотности сферического акустического
потока, излучаемого источником звука той же
мощности. Величина 2 зависит от данного те-
лесного угла, в котором излучается звуковая
энергия. В соответствии с этой зависимостью
имеем
величина телесного угла 4я 2я я я/2
значение 2 12 4 8
1.5.2.6. Интенсивность акустической
волны и уровень интенсивности
Интенсивность акустической волны (сила
звука), называемая также поверхностной акус-
тической мощностью, равна частному от деле-
ния мгновенной акустической мощности, про-
ходящей через элемент поверхности, на пло-
щадь этого элемента. Для поверхности площа-
дью Л акустическая интенсивность определяет-
ся выражением
А А р-с
а поскольку
р=и-р-с,
имеем также
1=р-и, Вт/м2,
или
1=и3-р-с, Вт/м2.
В частном случае для воздуха, у которого
р-с = 413. имеем
2
1 = -^ =413И2>ВТ/М2‘
В табл. 2.5.2-5 можно найти значения ин-
тенсивностей звуковых волн, соответствующие
различным значениям акустических давлений.
Если теперь вернуться к формуле
рассматривая интенсивность излучения через
сферу радиуса гр получим
4тг Г]
Рассматривая сферу радиуса г2, имеем
4л г/
Пренебрегая потерями энергии при распро-
странении звука в среде, можно, следователь-
но, записать
секает единицу поверхности за одну секунду,
содержится в цилиндре длиной с, взяв эту по-
верхность за основание цилиндра, можно за-
писать
Е-с=1
либо
Е = -, Дж/м3,
с
где I выражено в Вт/м2 и с - в м/с.
В случае диффузного поля мы видели, что
/ 2 'Г2'
т е. интенсивность звуковой волны обратно про-
порциональна расстоянию от источника звука.
Далее мы увидим, что порог слышимости со-
ответствует акустической интенсивности 10~12
Вт/м2, в то время как болевой порог достигает-
ся при интенсивности 1 Вт/м2. Следовательно,
в данном случае акустическая интенсивность
меняется в отношении 1/10 |2=1012. Поэтому'
для акустической интенсивности, так же как для
акустического давления и акустической мощно-
сти, условились, с целью упрощения чисел, с
которыми приходится работать, ввести понятие
уровня акустической интенсивности Ьр равно-
го удесятеренному десятичному логарифму от-
ношения данной интенсивности звука к ее опор-
ному (базовому) значению. Поскольку речь идет
о логарифме отношения двух величин, резуль-
тат выражается в децибелах (дБ). Имеем
^=10 дБ,
1о
где опорное (базовое) значение интенсивности
звука /0 равно 1012 Вт/м2.
На рис. 2.5.3-1 показаны уровни интенсив-
ности звука для четырех значений акустичес-
кой интенсивности.
2.5.2.7. Плотность звуковой энергии
Плотностью звуковой энергии называют ко-
личество акустической энергии в виде как ки-
нетической, так и потенциальной энергии од-
новременно, содержащейся в единице объема
звукового поля. Так как энергия, которая пере-
откуда плотность звуковой энергии равна
4И2
я = Дж/м3;
А представляет собой в данном случае эквива-
лентную поверхность поглощения рассматри-
ваемого участка.
2.5.3. Психофизиологические
характеристики звука
Выше мы уже уточняли разницу между шу-
мом и звуком. Сейчас мы можем добавить и
другое различие: звуки, производимые источ-
ником периодических колебаний, носят харак-
тер музыкальных (тональных), в то время как
шумы обладают сплошным спектром, т е. час-
тоты содержащихся в них синусоидальных волн
образуют непрерывный ряд значений, целиком
заполняющих некоторый интервал. Понятно,
что вследствие чистоты звук может быть легко
охарактеризован, чего нельзя сделать в случае
шума.
Музыкальный звук характеризуется высо-
той, силой звука (интенсивностью) и тембром.
Эти характеристики называют психофизиоло-
гическими, так как они носят преимуществен-
но субъективный характер, т.е. могут заметно
отличаться в зависимости не только от физио-
логии человеческого уха, которое принимает
данный звук, но и от оценки, получаемой этим
звуком в той зоне головного мозга, куда посту-
пают импульсы, передаваемые слуховым нер-
вом.
2.5.3.1. Высота звука
Высота звука (его тон) может быть опреде-
лена как характеристика, позволяющая отли-
чать низкий звук от высокого. При равном аку-
стическом давлении более высоким будет звук
с большей частотой, следовательно, отличить
два звука можно по их частотам. Сравнение
частот производится по отношению самой вер-
хней частоты^ к самой нижней частотеко-
торое называется интервалом I высоты двух зву-
ков с частотами^ и Таким образом,
Интервал частот двух звуков, в котором от-
ношение верхней частоты к нижней равно 2, те.
Номер октавы Пределы частот (Г,.Л),Гц Средняя частота Л, Гц
1 44... 88 63
2 88... 176 125
3 176... 352 250
4 352... 704 500
5 704... 1408 1000
6 1408... 2816 2000
7 2816... 5600 4000
8 5600... 12000 8000
При желании более глубоко проанализиро-
вать шумы можно также рассмотреть не толь-
ко октаву, но и треть октавы, или терцию, для
которой отношение верхней частоты к нижней
отвечает условию
называют октавой.
Выше мы уже говорили, что ухо человека
слышит звуки с частотой от 16 до 20 000 Гц.
На практике шумы, порождаемые различными
агрегатами и механизмами, которые встречают-
ся в холодильной технике, в большинстве сво-
ем имеют диапазон частот от 44 до 12 000 Гц.
Поэтому обычно, чтобы лучше оценивать шумы
в этом диапазоне, его подразделяют на восемь
октавных полос, граничные частоты которых
имеют отношение 2 н которые характеризуют-
ся средней частотой полосы /т, определяемой
как
Тогда относительная ширина каждой
октавной полосы будет постоянной величиной,
принимающей значение
в =
Исходя из предыдущих рассуждений, полу-
чаем следующие характеристики 8 октавных
полос.
средняя частота определяется как
а ширина полосы равна
2.5.З.2. Физиологическая
интенсивность звука
Физиологическую интенсивность, или силу
(громкость), звука можно определить как свой-
ство, позволяющее отличать сильный (громкий)
звук некоторой частоты от слабого (тихого) зву-
ка этой же частоты. Сила звука зависит от та-
ких факторов, как:
- чисто физический, о котором мы уже го-
ворили как об интенсивности звуковой волны
(силе звука) в п. 2.5.2.6 и который соответству-
ет мгновенной акустической (звуковой) мощно-
сти, получаемой единицей поверхности ушно-
го приемника (барабанной перепонки);
- чисто физиологический, в качестве кото-
рого выступает чувствительность уха и состоя-
ние слухового нерва.
На практике эта чувствительность такова,
что при равенстве звуковой мощности, улавли-
ваемой ухом, интенсивность звукового ощуще-
ния сильно меняется в зависимости от частоты
рассматриваемого звука. Поэтому каждой слы-
шимой частоте соответствует минимум улавли-
ваемой звуковой мощности, ниже которой чув-
ствительность отсутствует. Если все точки,
представляющие минимумы улавливаемых зву-
ковых мощностей на единицу поверхности в
зависимости от частот, соединить непрерывной
линией, получим нижнюю кривую на рис. 2.5.3-
1, характеризующую порог слышимости при
различных частотах. Заметим, что максималь-
ная чувствительность уха находится в пределах
частоты 1000 Гц и соответствует силе звука по-
рядка 10-12 Вт/м2.
Можно легко подсчитать, что соответству-
ющее этой силе эффективное звуковое (атлети-
ческое) давление, входящее в формулу
^ = 10"2.
р-с
для воздуха, в котором р с=413, будет равно
р « 2-10-5Н/м2.
Таким образом, можно заключить, что ухо
является чрезвычайно чувствительным орга-
ном, способным обнаруживать случайные ко-
лебания давления порядка 10-миллиардных
долей атмосферы с амплитудой колебаний воз-
Рис.2.5.3-1. Изменение чувствительности уха в зависи-
мости от частоты звука
духа около 10~9 см, т.е. величиной, равной од-
ной десятой расстояния между ядром и элект-
роном самого маленького из атомов - атома во-
дорода.
Болевой порог также имеет максимальное
значение в окрестности частоты 1000 Гц, и сила
звука при этом достигает 1 Вт/м2, т.е. эффек-
тивное давление равно 20 Н/м2. Соединяя меж-
ду собой точки, соответствующие болевому
порогу при разных частотах, получим верхнюю
кривую на рис. 2.5.3-1, представляющую мак-
симумы интенсивностей звука, воспринимае-
мых ухом. Поскольку ухо чувствительно к час-
тоте, можно предположить, что прослушивание
двух звуков абсолютно одинаковой силы, но с
разными частотами не производит одинаково-
го впечатления. Принимая в качестве базового
слуховое ощущение, испытанное человеком при
данном уровне звукового давления на частоте
1000 Гц, американские ученые НеТсйет и Мил-
кой провели многочисленные эксперименты с
большим количеством людей, чтобы выяснить,
при каком сочетании частоты и силы звука ис-
пытываемое этими людьми слуховое ощущение
воспринимается как эквивалентное ощущению
звука с частотой 1000 Гц при базовом уровне
звукового давления. Если, например, испытуе-
мым давали прослушать звук с уровнем акус-
тического давления 40 дБ (А) при частоте 1000
Гц, они получали некоторое звуковое впечатле-
ние, или психологическое (субъективное) вос-
приятие силы звука. Далее частота и сила зву-
ка менялись, и после статистической обработ-
ки мнений испытуемых о том, при каком соче-
тании частоты и силы звука достигалось пер-
воначальное ощущение, было установлено, что
звук силой 40 дБ (А) с частотой 1000 Гц созда-
ет такое же субъективное впечатление, как:
75 дБ (А) при 31,5 Гц,
57 дБ (А) при 63 Гц,
45 дБ (А) при 125 Гц,
40 дБ (А) при 250 Гц,
37 дБ (А) при 500 Гц,
37 дБ (А) при 2000 Гц,
33 дБ (А) при 4000 Гц,
48 дБ (А) при 8000 Гц.
Рис. 2.5.3-2. Кривые рав-
ного восприятия громкости
звука, называемые изофона-
ми (регламентированы 180)
Соединяя перечисленные точки, можно по-
лучить кривую, называемую изофоной, причем
фон1 определяется как характер слухового ощу-
щения, связанного главным образом с акусти-
ческим (звуковым) давлением. Чтобы обозна-
чить каждую кривую, ей присваивают номер,
представляющий характер восприятия звука
данной интенсивности и частоты, выражаемый
в фонах, где фон соответствует ощущению дан-
ного звукового давления в децибелах на часто-
те 1000 Гц2.
В конкретном случае, который мы упомяну-
ли выше, изофонический уровень был равен 40
фонам, причем в качестве характеристики это-
го уровня нами использовалась безразмерная
единица фон, определяющая изофонический
уровень данного звука. Стандарт № 830-105
уточняет, что изофонический уровень звука или
шума равен п фонам, когда громкость звука или
1 Стандарт ХЕ 830-105 “Акустика, термины и опреде-
ления. Физиология и психология акустических воздей-
ствий”.
2 В отечественной литературе фон определяется как
уровень звукового давления, для которого уровень равно-
громкого с ннм звука стандартного чистого тона с частотой
1000 Гц равен 1 дБ. Иначе говоря, 1 фон - это 1 дБ звуко-
вого давления тона частотой 1 кГц с поправкой на частот-
ную характеристику уха. - Примеч. пер.
шума воспринимается средним нормальным
слушателем так же, как громкость звучания
чистого тона с частотой 1000 Гц, которое рас-
пространяется по отношению к слушателю
плоскими волнами и уровень звукового давле-
ния которого на л дБ превышает уровень базо-
вого звукового давления, равного 20 мкПа.
Кривые равной психологической интенсив-
ности звука (равного восприятия громкости),
т е. изофонические кривые, приведены на рис.
2.5.3-2.
2.5.З.З. Тембр
Тембр определяется стандартом МЕ 830-105
как характер слухового ощущения, позволяю-
щего различать звуки одинаковой громкости с
одинаковой тональностью. Тональность опре-
деляется как характер слухового ощущения,
связанного главным образом с частотой звуков.
Тембр определяется при одном и том же основ-
ном тоне количеством и составом отдельных
гармоник (обертонов), смешивающихся с ос-
новным тоном, их частотами, амплитудами, а
также характером нарастания и спада ампли-
туд соответственно в начале и конце звучания.
Следовательно, тембр является характеристи-
кой преимущественно сложных звуков. Так,
например, когда одна и та же музыкальная нота
играется на двух различных инструментах,
наше ухо воспринимает ее по-разному, потому
что она имеет различный тембр ввиду отличий
в гармониках, сопровождающих основной тон
(ноту, частоту).
2.5.4. Взвешенные звуковые уровни
и показатели звукового
дискомфорта
Мы видели, что шум состоит из набора чи-
стых звуков различных частот с разными уров-
нями звуковых давлений, целиком заполняю-
щих некоторый непрерывный интервал спект-
ра. Для оценки шума мы разделили весь диа-
пазон слышимых частот на 8 октавных полос,
каждая из которых характеризуется своей сред-
ней частотой. Таким образом, представляя шум
уровнем его звукового давления в зависимости
от частот, мы получаем спектр уровней акусти-
ческого давления в октавах. Разумеется, мож-
но разделить шум по терциям (рис. 2.5.4-1), что
повысит точность его представления. Уровни
звуковых давлений в октавах или в терциях да-
ются нам соответствующими измерительными
приборами, например шумомерамн (см. разд.
2.5.6). Однако чувствительность человеческо-
го уха для различных октав (терций) не одина-
кова и возрастает прн переходе от низких час-
тот к высоким. Поэтому результаты измерений
следует привести к некоторому общему уров-
ню давления за счет взвешивания результатов,
полученных в разных октавах или терциях, пу-
тем их умножения на некоторые весовые коэф-
фициенты, позволяющие учесть изменение чув-
ствительности уха в зависимости от частоты.
Значения этих коэффициентов, приведенные в
табл. 2.5.4-1, применимы к определению уров-
ней шумов. Так, например, если полученный в
результате измерений уровень звукового давле-
ния на частоте 250 Гц был равен 80 дБ, то ре-
альный взвешенный уровень составит:
• 80-8,6=71,4 дБ (А) для весового коэффи-
циента А;
• 80-1,3=78,7 дБ (В) для весового коэффи-
циента В,
• 80-0=80 дБ (С) для весового коэффициен-
та С;
Таблица 2.5.4-1
Весовые коэффициенты А, В, С и В
применительно к невзвешенным уровням звукового
давления
Частота, Гц А В С О
10 -70,4 -38,2 - 14,3
12,5 -63,4 -33,2 - И,2
16 -56,7 -28,5 -8,5
20 -50,5 -24,2 -6.2
25 -44,7 -20,4 -4,4
31,5 -39,4 -17,1 -3,0
40 -34,6 - 14,2 -2,0 -- 14
50 -30,2 -11,6 -1,3 -12
63 -26,2 -9,3 -0,8 -11
80 -22,5 -7,4 -0,5 -9
100 -19,1 -5,6 -0,3 -7
125 -16,1 -4,2 -0,2 -6
160 -13,3 -3,0 -0,1 -5
200 - 10,9 -2,0 0 -3
250 -8,6 -1,3 0 — 2
315 -6,6 -0,8 0 - 1
400 -4,8 -0,5 0 0
500 -3.2 - 0,3 0 0
630 - 1.9 -0.1 0 0
800 -0,8 0 0 0
1 000 0 0 0 0
1 250 -0.6 0 0 2
1 600 + 1,0 0 -0,1 6
2 000 + 1,2 -0,1 -0,2 8
2 500 + 1,3 -0,2 -0,3 10
3 150 + 1,2 -0,4 -0,5 11
4 000 + 1,0 -0,7 -0,8 И
5 000 + 0,5 - 1,2 -1,3 10
6 300 -0,1 - 1,9 -2,0 9
8 000 - 1,1 -2,9 -3,0 6
10 000 -2,5 -4,3 -4,4 3
12 500 -4,3 -6,1 -6,2 0
16 000 -6,6 -8,5 -8,5
20 000 -9,3 - И,2 -П,2
• 80-2=78 дБ (Е>) для весового коэффици-
ента В.
Весовой коэффициент А обычно использу-
ется, когда общий невзвешенный уровень ниже
55 дБ, коэффициент В - для уровня от 55 до 85
дБ, коэффициент С - для уровня выше 85 дБ.
Весовой коэффициент В используется, чтобы
количественно оценить дискомфорт, вызванный
очень сильными шумами (нанример, создавае-
мыми реактивным самолетом).
На практике все приборы для измерения
уровней акустического давления оборудованы
Рис. 2.5.4-1. Пример спект-
ра уровня звукового давления
по третям октав для теплового
насоса в техническом помеще-
нии. Приведены взвешенные
значения (весовой коэффици-
ент А)
встроенными схемами взвешивания1, в резуль-
тате чего они сразу показывают взвешенное
значение уровня звукового давления в данной
октаве или терции. Кроме того, они позволяют
узнать общий взвешенный уровень звукового
давления, т.е. суммируют взвешенные уровни,
чтобы дать единый результат.
В примере акустического спектра шума, из-
даваемого тепловым насосом, приведенном на
рис. 2.5.4-1, измерительный прибор просумми-
ровал следующие уровни звукового давления:
- 40 дБ (А) при 31,5 Гц;
- 43 дБ (А) при 40 Гц;
- 43,5 дБ (А) при 50 Гц;
- 47,5 дБ (А) при 63 Гц;
- 50 дБ (А) при 80 Гц и т.д.
В результате получаем полный уровень зву-
кового давления, выраженный в дБ (А). Далее
1 См. стандарт ХЕ С97-010 “Фильтры октавных, полу-
октавных и третьоктавных полос, предназначенные для
анализа шумов и вибраций”.
мы узнаем, как просуммировать логарифмичес-
ки уровни звуковых давлений. Весовые кривые
фильтров (схем) для взвешивания уровней зву-
ковых давлений, регистрируемых измеритель-
ными приборами, приведены на рис. 2.5.4-2.
Указание полного уровня акустического дав-
ления очень удобно, так как это позволяет с по-
мощью одного числа потребовать, например,
чтобы шум, испытываемый в данном помеще-
нии, не превосходил определенного уровня. Для
технического помещения, в котором находится
наш тепловой насос (рнс. 2.5.4-1), можно по-
требовать, например, чтобы полный уровень
шума не превышал 45 дБ (А). Поскольку пол-
ный уровень шума этого теплового насоса ра-
вен 52,7 дБ (А) (он будет рассчитан в разд.
2.5.5), можно утверждать, что следует предпри-
нять специальные меры по отношению к источ-
нику шума (например, установить кожух, см.
рис. 2.5.7-7).
Тем не менее существуют другие возможно-
сти устанавливать пороговые значения шума,
Частота, Гц
Рис. 2.5.4-2. Кривые весовых коэффициентов А, В, С и О приборов для измерения уровней акустического давления
которые не должны превышаться, они заклю-
чаются в использовании показателей шумово-
го дискомфорта. Основным из них является
показатель 180, или показатель МВ.1 (Ькйве
Яайп§ - класс шума), соответствующий уров-
ням акустического давления при 1000 Гц семей-
ства кривых уровня постоянного дискомфорта
(рис. 2.5.4-3). Уровни кривых для других час-
тот приведены в табл. 2.5.4-2. Если мы вновь
обратимся к нашему примеру с тепловым на-
сосом, можно было бы потребовать, скажем,
чтобы показатель дискомфорта 180 имел зна-
чение не выше 50. Эго означает, что если мы
обратимся к спектру на рис. 2.5.4-1, то на ди-
аграмме рис. 2.5.4-3 весь этот спектр должен
быть расположен ниже кривой 180 50. Впро-
чем, можно заметить, что ои находится ниже
кривой 180 40. В целом, как правило, показа-
тель 180 на 5-6 дБ ниже полного уровня дав-
1 См. стандарт КГ 830-010 “Кривые КК для оценки
шума”.
ления, выраженного в дБ (А). Кроме 180, су-
ществуют и другие показатели. Упомянем толь-
ко два из них, наиболее важные: РМ<1В
(Регсе1Уе<1 Моке Оес1Ье1), используемый для
количественной оценки дискомфорта, вызыва-
емого шумом взлетающих самолетов, и 81Ь
(8реесЬ ТШегГегепсе Ьеуе1), используемый для
оценки шума в тех случаях, когда он ухудшает
слышимость.
2.5.5. Сложение двух шумов
Выше мы установили, что источник шума
характеризуется давлением, мощностью и ин-
тенсивностью звука, а также уточнили смысл
преобразования этих величин в такие показа-
тели, как уровень давления, уровень мощнос-
ти и уровень интенсивности соответственно.
Однако только интенсивности могут склады-
ваться, в то время как сложение давлений, мощ-
ностей или различных уровней выполнить не-
возможно. Поэтому используем следующие
формулы или диаграммы.
Таблица 2.5.4-2
Уровни акустических давлений при различных частотах для кривых уровней постоянного показателя
дискомфорта ХК
Показатель ЫК Частота Гц
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
0 55,4 35,5 22,0 12,0 4,8 0 -3,5 -6,1 -8,0
5 58,8 39,4 26,3 16,6 9,7 5 +1,6 -1,0 -2,8
10 62,2 43,4 30,7 21,3 14,5 10 6,6 +4,2 +2,3
15 65,6 47,3 35,0 25,9 19,4 15 П,7 9,3 7,4
20 69,0 51,3 39,4 30,6 24,3 20 16,8 14,4 12,6
25 72,4 55,2 43,7 35,2 29,2 25 21,9 19,5 17,7
30 75,8 59,2 48,1 39,9 34,0 30 26,9 24,7 22,9
35 79,2 63,1 52,4 44,5 38,9 35 32,0 29,8 28,0
40 82,6 67,1 56,8 49,2 43,8 40 37,1 34,9 33,2
45 86,0 71,0 61,1 53,8 48,6 45 42,2 40,0 38,3
50 89,4 75,0 65,5 58,5 53,5 50 47,2 45,2 43,5
55 92,9 78,9 69,8 63,1 58,4 55 52,3 50,3 48,6
60 96,3 82,9 74,2 67,8 63,2 60 57,4 55,4 53,6
65 99,7 86,8 78,5 72,4 68,1 65 62,5 60,5 58,9
70 103,1 90.8 82,9 77,1 73,0 70 67,5 65,7 64,1
75 106,5 94.7 87,2 81,7 77,9 75 72.6 70,8 69,2
80 109,9 98.7 91,6 86,4 82,7 80 77,7 75,9 74,4
85 113,3 102,6 95,9 91,0 87,6 85 82,8 81,0 79,5
90 116,7 106.6 100,3 95,7 92,5 90 87,8 86,2 84,7
95 120,1 110,5 104,6 100,3 97,3 95 92,9 91,3 89,8
100 123,5 114,5 109,0 105,0 102,2 100 98,0 96,4 95,0
105 126,9 118,4 113,3 109,6 107,1 105 103,1 101,5 100,1
ПО 130,3 122,4 117,7 114,3 111,9 ПО 108,1 106,7 105,3
115 133,7 126,3 122,0 118,9 116,8 115 113,2 111,8 110,4
120 137,1 130,3 126,4 123,6 121,7 120 118,3 116,9 115,6
125 140,5 134,2 130,7 128,2 126,6 125 123,4 122,0 120,7
130 143,9 138,2 135,1 132,9 131,4 130 128,4 127,2 125,9
2.5.5.1. Случай п источников звука
с одинаковым акустическим уровнем
Для этого случая повышение уровня опре-
деляется как
АЛ = 10 1§и.
Это повышение напрямую определяется из
рис. 2.5.5-1.
Пример
Допустим, что в техническом помещении
находится 3 одинаковых компрессора с одним
и тем же уровнем акустического давления. Оп-
ределить повышение уровня давления при од-
новременной работе всех компрессоров.
Решение
Согласно вышеприведенной формуле име-
ем
АЛ=10 3 = 10x0,47 = 4,7 дБ.
Эта величина приведена также на графике
рнс. 2.5.5-1.
Рис. 2.5.5-1. График для определения повышения акус-
тического уровня в результате действия нескольких одина-
ковых источников звука
Рис. 2.5.5-2. График определения повышения суммар-
ного акустического уровня от двух источников звука с раз-
личными уровнями
2.5.5.2. Случай источников звука
с разными акустическими уровнями
В этом случае повышение звукового уровня
в результате сложения шумов от двух источни-
ков звука с акустическими уровнями Г, и Ь2
определяется как
(
ДЬ = 1О18 1+Ю 10
Повышение уровня может быть непосред-
ственно определено из графика на рис. 2.5.5-2
в зависимости от разностей уровней двух рас-
сматриваемых источников.
Пример
Вернемся к примеру теплового насоса, аку-
стический спектр которого приведен на рис.
2.5.4-1. Зная, что распределение уровней акус-
тического давления по октавам имеет вид
Частота, Гц 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000
Уровень, дБ (А) 40 48 49 42 42 36 34 28
определить полный уровень его акустического
давления.
Решете
Сложение рассматриваемых уровней может
производиться в любом порядке. Мы будем
придерживаться следующей последовательно-
сти. Разность уровней между первыми двумя
октавами (40 и 48 дБ) составляет 8 дБ. По гра-
фику рис. 2.5.5-2 определяем, что общий уро-
вень при сложении этих двух шумов повысит-
ся на 0,6 дБ по отношению к более высокому
уровню, т.е. 48+0,6=48,6 дБ (А).
Сложим этот уровень с уровнем 3-й октавы
(125 Гц), т.е. 49 дБ. Их разность 0,4 дБ, и тот
же график дает нам повышение полного уров-
ня на 2,8 дБ. Отсюда имеем новое промежуточ-
ное значение уровня 49+2,8=51,8 дБ (А).
Добавим к этому уровню уровень 4-й окта-
вы (250 Гц), т.е. 42 дБ. Разность равна 9,8 дБ,
прибавка, согласно графику, составляет 0,4 дБ.
Новое промежуточное значение уровня
51,8+0,4=52,2 дБ (А).
Складывая полученное значение с уровнем
5-й октавы (500 Гц), т.е. 42 дБ, вначале опять
находим разницу (10,2 дБ), затем по графику
определяем прибавку (0,4 дБ), в итоге получа-
ем 52,2+0,4=52,6 дБ (А).
То же самое делаем для 6-й октавы. Раз-
ность равна 16,6 дБ, добавка 0,1 дБ. В резуль-
тате имеем 52,6+0,1=52,7 дБ (А).
Прибавляя уровень 7-й октавы, видим, что
прн разности 18,7 дБ добавка практически рав-
на нулю, т.е. 52,7+0=52,7 дБ (А).
То же самое получаем и при сложении это-
го значения с уровнем 8-й октавы, а именно при
разности 24,7 дБ добавка также нулевая.
Таким образом, для значения полного уров-
ня акустического давления нашего теплового
насоса получаем величину
I, =52,7 дБ (А).
Разумеется, вместо графика можно было бы
воспользоваться приведенной выше расчетной
формулой. Например, согласно этой формуле
повышение уровня шума в результате сложения
уровней давления в первых двух октавах 12=40
дБ и 7^=48 дБ составляет
Д7 = 101® (1 +1 (ПГ) = 1 о 1е(1 +10"0’8)=
= 101/1 + -1Л
V ю°’8>1
Рассчитаем величину 1О08, пользуясь табли-
цами логарифмов, логарифмической линейкой
или калькулятором. Получим 1Оо>8=6,31.
Следовательно,
ЛЛ=10 +-у = 10 1е 1,15=10x0,06 =
= 0,6 дБ,
т.е. получаем величину, которая сразу указана
на графике рис. 2.5.5-2.
2.5.6. Измерение шумов
и вибраций1
Измерение шума производится с помощью
приемника звукового давления, так как этот
параметр легче всего зарегистрировать. Среди
всех приборов для измерения звукового давле-
ния наиболее удобным и простым является мик-
рофон, посколы^ он работает как преобразо-
ватель, который выдает на выходе электричес-
кий сигнал с напряжением, пропорциональным
замеряемому акустическому давлению. Основ-
ными характеристиками микрофона являются
1 См. следующие стандарты: С97-320 “Методы из-
мерения характеристик микрофонов. Общие требования”;
МГ 830-002 “Нормальные частоты для акустических изме-
рений”; Ир 830-006 “Определение акустической мощнос-
ти, излучаемой различными источниками шума. Часть 0:
Руководство по применению основных нормативно-техни-
ческих документов и составлению перечня типов испыта-
ний”; № 830-007 “Акустика. Нормативный ноль, исполь-
зуемый в качестве опорной базы при тарировке тональных
аудиометров в воздушной среде”; ИР 830-008 “Руководство
по составлению нормативных документов для измерения
шумов в воздухе и их воздействия на человека”; с Мр 831-
001 по ИР 831-990: различные стандарты по методам изме-
рений, звукоизмерительным приборам н т.д.
его чувствительность и направленность, одна-
ко он должен обладать и другими качествами,
такими, как отсутствие влияния на показания:
температуры, влажности, высоты, ветровых
нагрузок, магнитных полей, вибраций конст-
рукции и присутствия оператора. Наиболее
широкое применение находят электродинами-
ческие катушечные микрофоны, емкостные
микрофоны и пьезоэлектрические микрофоны.
При необходимости получать значения пол-
ного уровня акустического давления измери-
тельный прибор должен быть более сложным,
способным не только анализировать шумы в
пределах октавы или терции, но и суммировать
соответствующие уровни. Для этой цели ис-
пользуют приборы, называемые сонометрами
(шумомерами), которые включают в основном
микрофон, усилители, частотные фильтры, или
схему весовых коэффициентов А, В, С либо О,
показывающее устройство и все чаще и чаще
печатающее устройство или устройство для за-
писи результатов измерений на бумажный но-
ситель. Анализ шумов может выполняться по-
разному. либо в пределах ширины нескольких
постоянных частотных полос, т.е. октав или тер-
ций, как было показано в разд. 2.5.3, либо в
пределах ширины постоянной полосы, причем
последний способ главным образом использу-
ется при поисках источника шума.
На рис. 2.5.6-1 представлен пример соно-
метра, блок-схема которого приведена на рис.
2.5.6-2.
Среди других приборов д ля измерения шума
можно назвать дозиметры1 (рис. 2.5.6-3), пред-
ставляющие собой небольшие карманные при-
боры для персонала, подвергающегося шумо-
вому воздействию, или коробочки, закрепляе-
мые на рабочих местах. В конце рабочего дня
они показывают интегральное значение уров-
ня звукового воздействия в дБ (А) на данном
рабочем месте или на данного работника.
1 В отечественной литературе понятие “дозиметр”, как
правило, связывается только с измерением ионизирующе-
го излучения. В данном случае названный прибор не имеет
никакого отношения к ионизирующим излучениям и рабо-
тает совсем на другом принципе. - Примеч. пер.
Высококачественный
модуль НЫЙц
сонометр л
2231
Графическое
печатующее
устройство
2316
Г: ВЦ>«
Портативный
компьютер
2. Вставить модульную
схему
1. Перед началом работы
/крепить таб пичку на ли-
цевой стороне
3. Ввести программу
4. Извлечь модульную
схему
Рис. 2.5.6-1. Модульный высокоточный сонометр (модель 2231, Вгие! & К]ает)
Существуют также различные приборы для
измерения вибраций, называемые датчиками
вибраций (ускорений) или акселерометрами
(рис. 2.5.6-4).
Обычно они крепятся на механизме, вибра-
ции которого нужно измерить. Принцип их дей-
ствия основан на формир звании электрическою
сигнала с напряжением, пропорциональным
скорости, ускорению либо перемещению чув-
ствительного элемента, в качестве которого ис-
пользуется, как правило, инерционная масса
(грузик).
Существуют многочис генные способы изме-
рения шума, в том числе в лабораториях, в от-
крытом поле (безэховых камерах), в отражаю-
щих камерах, на рабочих местах и т.д. Тем не
менее все эти способы стандартизованы во из-
бежание разбросов результатов измерений дан-
ного шума, которые могут иметь место вслед-
ствие различных условий использования конк-
ретной измерительной аппаратуры.
2.5.7. Звукоизоляция шумов
в воздушной среде
2.5.7.1. Общие положения
При проектировании холодильных устано-
вок, обслуживающих, например, холодильный
склад, необходимо иметь в виду, что шум, из-
даваемый компрессорами, двигателями н дру-
гими агрегатами, расположенными в техничес-
ком помещении (машинном зале), как прави-
ло, не оказывает особенно вредного акустичес-
кого воздействия, поскольку обслуживающий
персонал находится в техническом помещении
не постоянно и всегда может предохранить себя,
надевая соответствующие звукоизолирующие
каски или наушники.
Однако в некоторых случаях рабочие ком-
наты сотрудников могут находиться рядом с
машинным залом или примыкать к нему. Ко-
нечно, такое решение далеко не самое лучшее,
но иногда оно оказывается неизбежным Тогда
Частотные фильтры: фильтры А, С и линей-
ный (от 10 Гц до 20 кГц или от 1 Гц до 70 кГц). Об-
резанный линейный фильтр предназначен для из-
мерений в слышимом диапазоне спектра, тогда как
фильтры с расширенной зоной чувствительности в
области высоких и низких частот необходимы для
измерений инфра- и ультразвука.
Микрофон. Переключатель полярности напряжения (0, 28, 200
В) позволяет использовать почти все микрофоны серии В & К По-
ставляемый в комплекте прибора стандартный микрофон типа 4155
с предварительно установленной полярностью может использовать-
ся в подавляющем большинстве случаев Однако иногда возникает
необходимость его заменить. В этих случаях можно воспользоваться
сонометром 2231 класса 0 с микрофоном 1/2" типа 4133 и удлини-
тельным кабелем АО 0027. Для измерения высокой частоты лучше
всего подходят микрофоны 1/4" типа 4135 и 4136 или 1/8" типа 4138
Разъем
для подключения
фильтра
Выход АС
Частотный
фильтр
Усилитель
Дейст-
вующее
значе-
ние
Экран
Модуль
интерфейса
219101
Блок
управления
экраном
Табло (экран). Экран на
жидких кристаллах позволяет
высвечивать четыре буквенно-
цифровых знака, квазианалого-
Пиковое
значение
Запоминание
пикового
значения
Запоминание
действующего
значения
Чувствительный элемент (демодуля-
тор). Восприятие пикового и среднеинтеграпь-
ного (действующего) значения сигнала проис-
ходит параллельно на двух частях демодулятора.
Поэтому сонометр может показывать как пико-
вые, так и действующие значения одного и того
же сигнала. Это свойство особенно ценно при
анализе переходных процессов и импульсных
сигналов. Каждая часть демодулятора имеет ди-
намический диапазон до 70 дБ.
Смеситель
Преобразователь
А/Л (аналого-
цифровой)
Преобразователь А/Х (аналого-цифро-
вой) Принимает данные, поступающие от демо-
дулятора со скоростью, определяемой введенной
программой
Преобразова-
тель М/А
(цифро-анало-
говый)
вую шкалу, имеет индикаторы перегрузки и разряд-
ки батарей электропитания. Каждый знак может
набираться из 14 элементов, позволяющих высве-
тить точную и ясную информацию (например, ре-
зультат: 0,1 дБ) Размеры и разрешающая способ-
ность квазианалоговой шкалы, скорость смены по-
казаний, высвечиваемых на экране, определяются
специальным модулем. Модуль В2 7110 позволяет
обеспечить индикацию результатов в виде отноше-
ния к основной величине.
Буферное
запоминающее
устройство
Цифровое сопрягающее устрой-
ство (интерфейс). Модуль интерфейса
21 9109 позволяет связать сонометр с
печатающим графическим устройством
(принтером) типа 2318, с компьютером
или любым электронным прибором,
снабженным интерфейсом К.5232С
Максимальная скорость передачи ин-
формации 9600 бод*. Сонометр 2231
имеет свою собственную программу со-
единений и может сопрягаться с компь-
ютером независимо от используемого
модуля.
Микропроцессор Мозг сономет-
ра, который контролирует работу всех остальных частей. Здесь происходит ана-
- лиз и обработка поступающих сигналов в соответствии с введенной программой
Заменяя программу, можно максимально использовать возможности микропро-
цессора в зависимости от областей использования, обеспечивая этим самые высо-
кие характеристики в каждом конкретном случае.
* Бод - единица скорости передачи информации. 1 бод равен скорости, при которой за 1 с по каналам связи передается один импульс
тока (элементарный кодовый или вспомогательный символ). По международным нормам длительность такта, позволяющего надежно пере-
давать один символ, составляет 20 мс, что соответствует скорости в 50 бод. Назван по имени французского изобретателя ЖМЭ Бодо
(1.М.Е.Ваийо1, 1845-1903). В настоящее время следует применять единицу СИ: секунда в минус первой степени (с-1). - Примеч. пер
Рис. 2.5.6-3. Пример шумового дозиметра (модель
4436, Вгйе! & К]аег)
необходимо принять специальные меры, чтобы
шум, существующий в техническом помеще-
нии, не превосходил некоторого порогового зна-
чения в рабочих комнатах в результате переда-
чи через общую стенку.
Похожая ситуация имеет место, если обору-
дование по кондиционированию воздуха обслу-
живает рабочие или жилые помещения. В этом
случае техническое помещение, в котором рас-
положены холодильные машины, почти всегда
примыкает к комнатам, где находятся люди.
В обоих приведенных случаях необходимо
обеспечить такой уровень акустического воздей-
ствия, производимого техническим оборудова-
нием, который ни в коем случае не может по-
служить причиной дискомфорта в примыкаю-
щих помещениях, и, если это условие не вы-
полняется, следует принимать специальные ме-
ры.
Однако источником шума может быть не
только и не всегда техническое помещение: гра-
дирни или простой вентилятор также могут ока-
заться причиной вредного воздействия на ок-
ружающих, если не принять соответствующие
предохранительные меры.
Кроме того, следует уточнить, что существу-
ют понятия “звукоизолирование”, означающее
комплекс мероприятий, осуществляемых для
создания определенных звукоизолирующих ус-
тройств, и “звукоизоляция”, означающее конк-
ретные устройства и приспособления, снижа-
ющие интенсивность звука между двумя дан-
ными точками, одна из которых расположе-
Рис. 2.5.6-4. Пьезоэлектрический акселерометр (модель 8318, Вгйе1 & К)аег):
М - инерционная масса чувствительного элемента (груз); Р - пьезоэлемеит, В - основание; В. - обод предварительной
затяжки
на снаружи, а другая внутри какого-либо ко-
жуха1 .
Вначале, следовательно, мы рассмотрим ос-
новные шумы типового холодильного оборудо-
вания, а затем продемонстрируем различные
средства, предохраняющие от них.
2.5.7.2. Шумы, производимые
различным оборудованием
Знание звуковых уровней, будь то уровни
давлений или уровни мощности различного
оборудования, такого, как компрессоры, двига-
тели, насосы н т.п., разумеется, необходимо,
чтобы проектировщик мог судить о том, следу-
ет или не следует предусматривать специаль-
ные звукоизолирующие устройства.
К сожалению, звуковые уровни не всегда
указываются в каталогах изготовителей. Поэто-
му приходится запрашивать заводы, которые
должны быть в состоянии поставлять точные
сведения. Кроме того, эти сведения должны со-
провождаться необходимыми уточнениями от-
носительно условий измерения звуковых уров-
ней, поскольку стандартизована методика изме-
рения звуковых уровней только отдельных шу-
мов (например, для вентиляторов в кожухе).
Чтобы сравнение уточненных акустических ха-
рактеристик одного и того же оборудования раз-
ных изготовителей при различных условиях
измерений было правомерным, проектиров-
щик, очевидно, должен быть в состоянии сам
привести все эти характеристики к одинаковым
условиям.
Если на стадии технического проектирова-
ния ему необходимо располагать точными ха-
рактеристиками, то при эскизном проектирова-
нии достаточно пользоваться приближенными
значениями звуковых уровней, подсчитанных
на основе более или менее точных эмпиричес-
ких формул, некоторые примеры которых мы
даем ниже. Однако следует подчеркнуть, что
при наличии двух одинаковых агрегатов при-
веденные в каталоге производителя акустичес-
кие характеристики одного из них нельзя срав-
нивать с характеристиками другого агрегата,
1 Определения даны в стандарте МР 830-106.
если они рассчитаны по эмпирической форму-
ле, поскольку условия вывода формул часто
очень сильно отличаются от условий измерения
акустических характеристик заводом-изготови-
телем.
В результате такого некорректного сравне-
ния можно получить ошибочный вывод, нане-
ся тем самым вред изготовителю, заслуга ко-
торого заключается в уточнении дополнитель-
ных сведений, представленных в его каталоге,
и оборудование которого в реальности может
быть менее шумящим, чем то, с которым оно
сравнивалось.
2.5.7.2.1. Шум, производимый
компрессором1
На стадии эскизного проектирования уро-
вень полного звукового давления на расстоянии
1 м от компрессора, установленного в закры-
том техническом помещении, может быть рас-
считан по следующему эмпирическому соотно-
шению:
Ь= 68+8 18 0О, дБ (А),
где ^0 - холодопроизводительность рассматри-
ваемого компрессора, кВт.
Нельзя упускать из виду, что даже такую
формулу следует использовать с осторожнос-
тью, поскольку уровень среднего звукового дав-
ления может быть различным не только у раз-
ных типов компрессоров (например, у поршне-
вого и спирального компрессоров), но и у ком-
прессоров одного и того же типа (например, у
герметичного сварного и разъемного герметич-
ного).
2.5.7.2.2. Шум, производимый
электродвигателем
Электродвигатели, предназначенные для
привода компрессора, насоса или вентилятора,
всегда являются источником шумов, вызванных
в большинстве случаев трением в шарикопод-
шипниках и явлением индукции. Разумеется,
1 См. стандарт МР 831-123 “Шум, издаваемый холо-
дильным оборудованием, снабженным герметичными и
разъемными герметичными компрессорами. Правила испы-
таний для измерения акустической мощности".
двигатели, оснащенные подшипниками сколь-
жения вместо шарикоподшипников, также слу-
жат источником шумов, но гораздо более сла-
бых. Двигатели, называемые двигателями с
обдуваемым корпусом или обдуваемыми реб-
рами жесткости, оборудованы специальным
охлаждающим вентилятором, производящим
собственный шум, который также нужно учи-
тывать.
2.5.7.2.З. Шум, производимый насосом
При определении уровня акустического дав-
ления насосов для хладагента на расстоянии
одного метра можно исходить из значений,
приведенных в табл. 2.5.7-1.
Таблица 2.5.7-1
Уровень акустического давления насосов для
хладагента (или охлажденной воды) на расстоянии 1 м
(оценочные величины для эскизного проектирования)
Мощность двига- теля, кВт 0,5 1 2 4 10 20 40
Уровень акусти- ческого давления, ДБ (А) 61 66 70 74 80 84 88
2.5.7.2.4. Шум, производимый
вентилятором1 *
Шум, производимый вентилятором, всегда
складывается из аэродинамического и механи-
ческого шумов. Механический шум могут вы-
зывать различные причины: плохая уравнове-
шенность ротора, стуки в шарикоподшипниках
или подшипниках скольжения, резонанс корпу-
са, наличие передаточного механизма и т.д. Что
касается причин аэродинамического шума, то
в качестве таковых выступают движение воз-
духа по различным участкам воздушного тракта
вентилятора, межлопаточным зазорам перед
1 В качестве дополнительной литературы рекомендуют-
ся парижские издания “Практического руководства по вен-
тиляторам” (Ргабцие дез уепбЫеигз, З.Еема), одна из час-
тей которого посвящена прикладной акустике вентиляторов,
а другая - акустическому расчету вентиляторов. Рекомен-
дуется, кроме того, “Обработка шумов вентиляционных ус-
тановок” (Ее ТгаПетепТ ди ЬтиН дапз 1ез 1пз1а11аЦоп8 де
уепШабоп), также парижские издания.
местными сопротивлениями, закрутка и завих-
рение воздуха, главным образом в ограничен-
ных слоях на поверхности лопаток (лопастей),
и особенно вблизи передних и задних кромок,
где возникает отрыв струй воздушного потока.
Основная частота аэродинамических шу-
мов, порождаемых вентилятором, зависит от
частоты его вращения п (мин1) и числа лопа-
ток г и выражается отношением
Сравнение звуковых характеристик различ-
ных вентиляторов производится на основе
уровня их акустической мощности. Табл. 2.5.7-
2 позволяет сравнить 5 вентиляторов с одина-
ковым объемным расходом и одинаковым при-
ростом давления.
Из данных таблицы видно, что центробеж-
ные вентиляторы с лопатками, наклоненными
вперед, называемые также беличьей клеткой,
наиболее бесшумные, однако потребляемая ими
мощность самая высокая. Центробежные вен-
тиляторы с лопатками, изогнутыми назад, бо-
лее шумные, а самыми шумными являются ло-
пастные (осевые) вентиляторы.
В большинстве случаев, когда вентилятор
работает в точке максимального значения КПД,
его уровень акустической мощности минима-
лен, за исключением вентилятора с лопатками,
изогнутыми вперед, для которого уровень аку-
стической мощности продолжает падать, если
его рабочая точка перемещается от точки мак-
симального КПД в левую часть характеристи-
ческой кривой.
Полный уровень акустической мощности
для вентиляторов любого типа может быть
рассчитан на основе следующего эмпирическо-
го соотношения, называемого формулой МасН-
хоп-ОтаЬат или Ветапек:
=10 1§ К+20 1§ Др, (с точностью ±4 дБ),
тде V- объемный расход, м3/ч;
Др, - полный прирост давления, Па.
Результаты расчета по вышеприведенной
формуле могут быть непосредственно получе-
ны из графика на рис. 2.5.7-1.
Таблица 2.57-2
Сравнение акустических характеристик различных вентиляторов, установленных на свободное нагнетание,
с одинаковыми расходами (ГМ О 400 м’/ч) и одинаковым приростом давления 0до=377 Па)
Характеристика Лопастной вентилятор Центробежный вентилятор
Ах 12/560 УАН/710 ТЬЕ/710 УКХ/800 УКЮ'ЗОО
№1 №2 №1 с лопатками, изогнутыми вперед №2 с лопатками, изогнутыми назад №3 с лопатками, изогнутыми назад
Число лопаток г 12 12 42 8 8
Частота вращения, мин'1 1 480 1 380 460 710 730
Окружная скорость, м/с 43,5 51 17 35 36
Основная частота, Гц 296 276 322 95 98
Уровень акустической мощно-
ста
невзвешенный, дБ 93 95 86 8 84
взвешенный (А), дБ (А) 90 90 78 82 79
Потребляемая мощность, кВт 1,92 1,50 2,06 1,38 1,50
Поскольку полный уровень акустической
мощности не всегда является достаточным для
проведения точного анализа шума на различ-
ных частотах, иногда приходится прибегать к
анализу октавных уровней мощностей. Уровень
акустической мощности соответствующей окга-
зы имеет величину
ДБ’
где - полный уровень алогической мощ-
ности, о котором мы уже говорили, и
- относительный уровень акустической
мощности в данной октаве, дБ, величина кото-
рого приведена на рис. 2.5.7-2 и в табл. 2.5.7-3
для вентиляторов различных типов.
Пример
Дан центробежный вентилятор с лопатками,
изогнутыми вперед, расход которого равен
16,66 м3/с и полный прирост давления 1000 Па.
Определить его взвешенный уровень акустичес-
кой мощности (фильтр А) по октавам.
Решение
Уровень алогической мощности по октавам
дается соотношением
ДБ-
Как только мы рассчитаем для каждой
из средних частот по октавам, нам останется
только взвесить полученные результаты.
Рнс. 2.5.7-1. Диаграмма эмпирического
определения полного уровня акустической
мощности вентиляторов любого типа
Рис. 2.5.7-2. Относительный уро-
вень акустической мощности различ-
ных типов вентиляторов с распреде-
лением по октавам
Величина А может быть получена из со-
отношения
^=10 1ёу+2018Дрг
т.е.
1§(16.66х3600)+20 1§ 1000 «
«10 18 (6-10'1-20 1§ 1О’=1О7,7 дБ.
Учитывая, что полученный результат имеет
точность ±4 дБ. можно считать, что фактичес-
кое значение Л расположено между верхним
пределом 107.7-4=111."’ дБ и нижним преде-
лом 107.7-4=103.7 дБ
График на рис. 2.5.7-1 дал нам величину 112
дБ, т.е. значение, очень близкое к полученному
выше верхнему пределу Мы примем среднюю
величину
^=107.7^.
Поскольку самые точные величины 1^ге1
приведены в табл. 2.5.7-3. можно рассчитать
значение Результаты этих расчетов све-
дены в табл. 2.5.74. Чтобы получить результа-
ты в дБ (А), т е. взвешенные значения, нам ос-
тается только использовать значения весового
коэффициента А, приведенные в табл. 2.5.4-1.
Окончательные результаты расчета сведены
в табл. 2.5.7-5.
Когда скорость вращения вентилятора ме-
няется от И] до п2, его уровень акустической
мощности переходит от к Ьт следующим
образом:
П2
При изменении диаметра колеса вентилято-
ра от О, до уровень акустической мощнос-
ти также меняется от до Ья,2 по формуле
^=^+101^.
их
Таблица 2.5.7-3
Относительный уровень акустической мощности различных типов вентиляторов с распределением
по окт авам
Средняя частота октавы Гц Центробежные вентиляторы Лопастные вентиляторы
Лопатки, изогнутые вперед Лопатки, изогнутые назад
63 -2 -9 -9
125 -7 -8 -8
250 -12 -7 -7
500 -17 -12 -7
1000 -22 -17 -8
2000 -27 -22 -10
4000 -32 -27 -14
8000 -37 -32 -18
Таблица 2.5.7-4
Расчет октавных уровней акустической мощности Ь»-ЛС1 на примере вентилятора
Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ь**, дБ 107,7 107,7 107,7 107,7 107,7 107,7 107,7 107,7
Еждй, дБ 2 -1 -12 -17 -22 -27 -32 -37
Ьяг.оа, дБ 105,7 100,7 95,7 90,7 85,7 80,7 75,7 70,7
Таблица 2.5.7-5
Расчет взвешенных октавных уровней акустической мощности /.и-л.ой (фильтр А) на примере вентилятора
Тм.схХ, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ег.оо, дБ 105,7 100,7 95,7 90,7 85,7 80,7 75,7 70,7
Весовой коэффициент А, дБ -26,2 - 16,1 -8,6 -3,2 0 + 1,2 + 1,0 - 1Д
Г/га,осъ дБ (А) 79,5 84,6 87,1 87,5 85,7 81,9 76,7 69,6
2.5.7.2.5. Шум, производимый градирней
Известно, что большинство градирен, кон-
денсаторов с воздушным охлаждением и кон-
денсаторов-испарителей оборудованы вентиля-
торами, которые, как мы только что видели, яв-
ляются причиной шума. Но к этим шумам нуж-
но добавить шумы, вызванные струящейся во-
дой, которые обычно становятся заметными
только во время остановки вентиляторов. Для
того чтобы иметь возможность обсуждать меры
по защите от шума градирен, необходимо знать
его уровень. Поэтому целесообразны запросы
производителям градирен в целях уточнения
уровней их акустических мощностей в различ-
ных направлениях. Вместе с тем на стадии эс-
кизного проектирования можно исходить из
уровней акустической мощности, определяемых
следующими эмпирическими формулами:
• для градирни, оборудованной центробеж-
ными вентиляторами,
2^=88+10 дБ;
• для градирни, оборудованной лопастными
(осевыми) вентиляторами,
1^=96+1018Ра,дБ,
где Ра - мощность, потребляемая электродви-
гателями вентиляторов, кВт.
2.5.7.З. Снижение шума,
распространяющегося в свободном
пространстве
2.5.7.З.1. Уровень звукового давления
в открытом пространстве
В разделе 2.5.2 мы уже уточняли, касаясь
уровней звукового давления, что для точечного
источника звука уровень звукового давления на
расстоянии г в сферическом звуковом поле оп-
ределяется как
Ьр= 20 11, дБ.
Если источник звука может излучать акус-
тическую энергию только в полусфере (напри-
мер, в случае вентилятора, установленного на
плоской крыше), соотношение между уровнем
звукового давления и уровнем акустической
мощности принимает вид
^ = ^-201§г-8, дБ.
Однако предыдущие соотношения не учиты-
вают поглощения звука воздухом, которое ме-
няется в зависимости не только от частоты, но
и от температуры воздуха и степени его влаж-
ности. Данные по затуханию акустических ко-
лебаний в результате поглощения воздухом аку-
стической энергии в зависимости от перечис-
ленных параметров приведены в табл. 2.5.7-6.
Эти данные должны, следовательно, учитывать-
ся при расчете параметров звукового поля в
Таблица 2.57-6
Ослабление уровня звукового давления, дБ, в результате поглощения акустической энергии воздухом
Значения поглощенных уровнен даны на расстоянии 100 м от источника звука.
Л Относительная влажность воздуха <р, %
30 1 50 70 90
Гц Температура, °<
- 10 0 15 30 - 10 0 15 30 -10 0 15 30 - 10 0 15 30
63 0,0 0,0 0,0 0,0 0.0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
125 0,1 0,1 0,1 0,1 0.1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,1
250 0,3 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2
500 0,7 0,5 0,3 0,3 0,5 0,3 0,2 0,3 0,4 0,2 0,2 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3
1000 1,3 1,4 0,7 0,6 1,4 0,9 0,5 0,6 1,1 0,6 0,5 0,6 0,9 0,5 0,5 0,6
2000 1,9 3,6 2,0 1,3 2,8 2,4 1,2 1,3 2,9 1,8 1,0 1,3 2,4 1,4 1,0 1,3
4000 2,7 6,8 5.8 3,3 4,6 6,6 3,4 2,7 5,7 5,1 2,5 2,7 6,0 4,0 2,2 2,7
8000 3,8 10,0 13,6 7,9 6,3 13,1 8,6 5,4 8,8 11,6 6,1 5,2 10,3 9,6 4,9 5,2
свободном пространстве путем уменьшения
значений уровней звукового давления, получен-
ных по вышеприведенным формулам, на соот-
ветствующие величины из табл. 2.5.7-6.
В некоторых случаях нужно также учиты-
вать направленность <2 источника звука (см.
конец п. 2.5.2.5).
2.5.7.З.2. Устройства для снижения шума
Наиболее простой мерой, как мы уже гово-
рили, является оснащение установок бесшум-
ным или малошумящим оборудованием. Поэто-
му, если выбранное оборудование не обеспечи-
вает требований по непревышению заданного
верхнего предела уровня звукового давления на
некотором расстоянии, следует попытаться най-
ти другое, менее шумное оборудование. Но при
таком подходе надо вначале рассмотреть раз-
ницу между уровнем шума на данном расстоя-
нии при работе выбранного оборудования и тре-
буемым уровнем и решить, насколько она ве-
лика. Действительно, если эта разница не очень
велика, замена оборудования менее шумным,
позволяющим поддерживать уровни шума ниже
заданного верхнего предела, всегда окажется
более рентабельной, даже если при этом зат-
раты на нее окажутся немного выше, чем при
сохранении первоначально выбранного обору-
дования и принятии специальных мер по сни-
жению шума.
С другой стороны, если после выбора ме-
нее шумного оборудования той же категории
окажется, что даже при этих условиях невоз-
можно соблюсти предписанные требования по
непревышению уровня звукового давления на
некотором расстоянии, иногда бывает выгоднее
сохранить более шумное и часто лучше рабо-
тающее первоначально выбранное оборудова-
ние и принять дополнительные меры по сни-
жению шума, поскольку принимать их нужно
будет в любом из этих двух случаев. Вместе с
тем во всех случаях наилучшим решением ос-
тается, разумеется, такое, при котором выбор
малошумящего оборудования и устройства сни-
жения шума обеспечивают действующее значе-
ние уровня шума в рассматриваемой точке го-
раздо ниже предписанного уровня. Тем самым
вы будете избавлены от необходимости сразу же
предпринимать дополнительные меры по сни-
жению шума в случае каких-либо непредвиден-
ных событий, например износа отдельных ша-
рикоподшипников, что всетда повышает произ-
водимый оборудованием шум, поскольку быс-
тро снизить его обычно довольно сложно.
Когда оборудование находится снаружи, ос-
новной способ снижения шума в какой-либо
точке окружающего его пространства заключа-
ется в установке одного или нескольких экра-
нов между источником звука 5 и данной точ-
кой пространства Р (рис. 2.5.7-3). Действен-
ность такого способа зависит от частоты звука
77777777^77777777777777
Рис. 2.5.7-3. Расчет расстояния Д=а+Ь-с при определении звукоизоляции с помощью экрана (расстояние слева от экра-
на берется с отрицательным знаком)
Таблица 2.5.7-7
Ослабление звука в результате установки экрана
в зависимости от расстояния Л, рассчитанного
в соответствии с рис. 2.5.7-3
з, м Средняя частота октавы, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000
•0,7 0
0,5 1 0
-0,3 2 1 0
-0,2 2 1 0 0
-0,1 4 2 1 0 0
- 0,05 4 4 2 1 1 0 0
0 5 5 5 5 5 5 5
0,05 6 6 7 8 10 11 13
0,1 б 7 8 10 и 14 17
0,2 7 8 10 11 14 17 19
0,3 8 9 10 13 16 19 21
0,4 8 10 11 14 17 20 22
0.5 9 10 12 15 18 21 23
0,8 10 11 13 17 19 23 26
1,0 10 12 15 18 21 24 27
1,5 11 рГ 17 20 23 25 28
2 12 15 18 21 24 27 29
з 14 17 20 22 26 28 31
4 15 18 21 23 27 31 33
5 16 19 22 25 28 32
8 18 21 23 27 30 33
:о -' 19 21 25 28 31
1 5 20 23 26 29 32
20 21 25 28 31
•0 23 26 29 32
40 25 28 31
!0 26 28 32
50 28 31
и расположения экрана. Материал экрана и его
масса играют только второстепенную, очень
незначительную роль. Данные по ослаблению
звука в результате установки экрана приведе-
ны в табл. 2.5.7-7. Они зависят от частоты и
расстояния Л, равного а+Ь—с (рис. 2.5.7-3), ко-
торое берется со знаком “минус”, если точка Р
видна из источника звука1.
Другой способ решения проблемы шумов
заключается в применении специальных кры-
шек, коробов или кожухов для покрытия ими
шумящего оборудования. Однако в случае ис-
пользования вентиляторов, которые являются
одними из наиболее шумных агрегатов, необ-
ходимо предусматривать в этих кожухах соот-
ветствующие проходы достаточного размера
для нагнетания и всасывания, что порождает
новые проблемы, не считая требования стой-
кости материала кожухов к погодным воздей-
ствиям. Поэтому такое решение обычно исполь-
зуется для оборудования, которое установлено
в помещениях или под навесом (см. рис. 2.5 7-7).
Наконец, еще одним решением является ус-
тановка звукоуловителей или глушителей. Та-
кое решение часто используется на воздухово-
дах у входа воздуха и нагнетательных воздухо-
водах градирен. Глушители и звукоуловители
рассматриваются в п. 2.5.7.6.
2.5.7.4. Снижение уровня шума,
распространяющегося внутри
помещения по воздуху
В закрытом помещении, где звук частично
поглощается, а частично отражается от стен,
пола и потолка, уровень звукового давления Ьр
на расстоянии г от источника звука определя-
ется формулой
1 См.: “Акустика" (Асоий1цие, ЕС1аш, 8ЕВГГ Еб ). Су-
ществует также вторая книга этого автора: “Шум обору-
дования” (Ье Ьгий без ецшретепСа).
'8—1369
( о 4>
Ь =7^+101^ 1-^- + -
где Ь № - уровень акустической мощности источ-
ника, дБ;
0 - коэффициент направленности (см. ни-
же);
А - эквивалентная поглощающая поверх-
ность помещения, м2 (см. ниже).
Коэффициент направленности принимает
следующие значения:
0=1 для источника, находящегося в центре
помещения (например, в геометрическом цен-
тре параллелепипеда или куба, представляюще-
го собой внутренний объем);
0=1, если источник расположен по центру
одной из стен;
0=4, если источник расположен в середине
пересечения двух поверхностей (например, сте-
ны и пола, стены и потолка, двух стен);
2=8, если источник размещен в точке пере-
сечения трех поверхностей, образующих трех-
гранный прямой угол (например, в углу, где схо-
дятся две стены и пол или две стены и пото-
лок).
Что касается эквивалентной поглощающей
поверхности, то она рассчитывается по форму-
ле
Л=Б4,.-а,
где Л(. - площадь поверхности помещения, м2,
с коэффициентом поглощения по ЗаЫпе а.
Коэффициент поглощения материала внут-
ренних поверхностей помещения представляет
собой часть акустической мощности, падающей
на них, которая поглощается этим материалом.
Он равен, следовательно, отношению погло-
щенной энергии к падающей. Для большинства
материалов коэффициент поглощения резко
возрастает при повышении частоты звука. При
низких частотах его значение будет тем боль-
ше, чем больше толщина поглощающего по-
крытия. В табл. 2.5.7-8 читатель сможет найти
значения коэффициентов поглощения по 8аЫпе
для различных стенных покрытий. На рис.
2.5.7-4 также приведены значения коэффици-
ентов поглощения различных материалов, но в
гораздо более широком диапазоне частот.
Добавим, что размещение звукоизоляцион-
ных панелей, предусматривающее между пане-
лью и стеной воздушную прослойку незначи-
тельной толщины (фанера, гипсолитовый кар-
тон и т.п.), которая позволяет панелям вибри-
ровать в унисон с акустическими колебаниями,
обеспечивает очень хорошее поглощение звука
на низких частотах.
Такая конструкция особенно эффективна в
окрестностях частоты
/—ЛЧгц,
2я V е • т
где с - скорость звука в воздухе, м/с;
р - плотность воздуха, кг/м3;
Рис. 2.5.7-4. Коэффициент поглощения а по 8аЬше некоторых материалов для средних частот различных октав:
а - гладкая штукатурка; Ь - легкие панели из древесио-волокнистых плит толщиной 2,5 см; с - то же самое с воздуш-
ной прослойкой 5 см; 4 - маты из стекловаты внавалку толщиной 3 см; е - клеенчатая ткань (брезент) с воздушной про-
слойкой толщиной 5 см, заполненной стекловатой внавалку/- фанера многослойная клееная толщиной 3 мм с воздуш-
ной прослойкой 5 мм, ничем не заполненной; % - совокупность пористых материалов, способных к резонансу
Таблица 25.7-8
Значения коэффициентов поглощения а по $аЫпе для различных материалов при средних значениях частот
в двух октавах
Материал Частота, Гц
250 1000
Известковая штукатурка 0,03 0,04
Гладкая штукатурка иа каменной кладке 0,02 0,03
Мрамор, листовое железо, огнеупорный кирпич 0,01 0,02
Дерево 0,03 0,04
Бетон, рабица 0,10 0,05
Покрытие из стекловолокна толщиной 1 см 0,15 —
Древесно-волокнистая плита толщиной 2,5 см 0,25 0,50
толщиной 5,0 см 0,35 0,75
толщиной 2,5 см на расстоянии 3,0 см от стеикн 0,30 0,75
толщиной 2,5 см с пространством до стены 3 см, заполненным шлаковатой 0,80 0,80
Плита древесио-волокнистая звукоизоляционная с отверстиями или прорезями толщиной 1,3 см 0,20 0,40
толщиной 1,3 см на расстоянии 5 см от стенки 0,30 0,40
Плита прессованная, из минерального волокна толщиной 1 см 0,15 0.50
толщиной 2 см 0,20 0,70
толщиной 3 см 0,40 0,80
толщиной 5 см 0,60 0,90
Плита прессованная, из минерального волокна на расстоянии 2,5 см от стенки 0,40 0,80
иа расстоянии 5,0 см от стенки 0,65 0,95
Плита прессованная, из минеральных волокон толщиной 2,0 см с воздушной прослойкой толщиной 3 см, покрытая перфорированными пластинами процент отверстий - 10 0,40 0,80
процент отверстий - 20 0,50 0,90
Деревянная панель толщиной 5 см, вплотную прижатая к стенке 0,07 0,05
Фанера многослойная клееная толщиной 8 мм иа брусках 5 см 0,22 0,09
Мягкая обивочная ткань толщиной 1 см, наклеенная иа бетой 0,08 0,26
Портьеры (шторы) плотные иа расстоянии 9 см от стенки 0,01 0,63
Оконное стекло 0,30 0,17
е - толщина воздушной прослойки, м;
т - поверхностная плотность панели, кг/м2.
Для воздуха при температуре 20°С
г 60
/ = ~г=, Гц.
уе-/и
График на рис. 2.5.7-5 позволяет сразу оп-
ределить величину эквивалентной поглощаю-
щей поверхности в зависимости от объема по-
мещения исходя из среднего значения коэффи-
циента а для комплекта стен помещения.
Уравнение
^=^+1018Г-^
<4% г
4")
+ —
А)
можно переписать в виде
Ьр Ъцу — 1018
4яг2 А)
Рис. 2.5.7-5. Трафик для определения площади эквива-
лентной поглощающей поверхности помещения в зависи-
мости от его объема и среднего значения коэффициента по-
глощения 8аЬ1пе а. Затушеванная зона соответствует наи-
более распространенным значениям а
где величина определяется непосред-
ственно из графика на рис. 2.5.7-6. Зная и
Ь -Ь„п можно легко найти значение Ь .
Р УУ7 р
Существует и другая возможность для оп-
ределения эквивалентной попющаюшей повер-
хности помещения Л. Она состоит в измерении
времени реверберации 1г помещения, связанно-
го с площадью эквивалентной поглощающей
поверхности следующей формулой, именуемой
формулой 8аЫпе:
г = 0,16 — , с,
и)
где V- объем помещения, м3;
А - площадь эквивалентной поглощающей
поверхности.
Время реверберации /г соответствует проме-
жутку времени, в конце которого, начиная с
момента прекращения действия источника зву-
ка, звуковое давление уменьшится до 1/1000®
первоначальной величины, т.е. уровень звуко-
вого давления упадет на 60 дБ. Зная время ре-
верберации, эквивалентную поглощающую по-
верхность определяют по формуле
Рис. 2.5.7-6. График для определения разности в закрытом помещении в зависимости от удаленности источника
звука н эквивалентной поглощающей поверхности помещения
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Оборудование
Без звукоизоляции
Базовый акустический спектр
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Звукоизолирующий
экран
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Юб
Жесткий кожух с внутренним звуко-
поглощающим покрытием +
антивибрационные подставки
75300 000 4600
Частота, Гц
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Ю0
| СО €ро 2400 эеор
% 300 1200 4600 *
Частота, Гц
Антивибрационные
подставки
отверстием *
антивибрационные подставки
Частота, Гц
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Частота, Гц
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
Уровень звукового давления
на расстоянии 1 м, дБ
с внутренним звукопогло-
щающим пофытием
антивибрационные подстав*»
Рис. 2.5.7-7. Возможности уменьшения шума, производимого оборудованием, в зависимости от характера специаль-
ных мер, принимаемых с этой целью: экраны, короба и кожухи, звукопоглощающие покрытия, антивибрационные под-
ставки (из “Технической энциклопедии” (Епсус1оре<йе Нез 8с1епсез 1гк1из1ле11ез, ЫЬгаше Апз1Ие 0ш11е1), приложение
‘Электроника и механика”)
I V 1
^=0,16— ,М2.
На практике окружающий шум, действую-
щий в техническом помещении или распрост-
раняющийся в смежных с ним комнатах, мож-
но снизить за счет воздействия на отраженный
от стен звук. Для этого ищут способы умень-
шения времени реверберации, делая помеще-
ние максимально “глухим”, что может быть
достигнуто путем облицовки стен помещения
поглощающим материалом площадью А' с ко-
эффициентом поглощения по БаЫпе а.
Если до акустической обработки помещения
его эквивалентная поглощающая поверхность
была Л, то после установки поглощающих ма-
териалов она становится Л+Л'а, откуда умень-
шение уровня отраженного звука и, следова-
тельно, общего уровня шума будет равно
А+А'-а „
Ю ---------, дБ.
Когда мы имеем дело с рабочими комната-
ми для персонала, примыкающими к машин-
ному залу, можно действовать таким же обра-
зом, что позволяет снизить окружающий шум,
одна из составляющих которого обусловлена
шумом, исходящим из соседнего технического
помещения и проникающим в рабочие комна-
ты отчасти напрямую, а отчасти после отраже-
ния.
Возвращаясь к техническому помещению,
заметим, что перед тем, как предусматривать
поглощающие покрытия, следует изучить воз-
можность укрытия шумящих механизмов (ком-
прессоров, двигателей и т.п.) соответствующи-
ми кожухами. Как показывает рис. 2.5.7-7,
наилучшее решение состоит в установке двой-
ного кожуха с антивибрационными подставка-
ми. Однако полностью закрыть механизм уда-
ется не всегда, так как в кожухе необходимо
предусматривать различные отверстия (венти-
ляционные, для кабелей, трубопроводов и т.п.),
кроме того, кожух должен легко сниматься.
Заметим, что расчет и проектирование зву-
козащитных кожухов достаточно сложны, по-
скольку толщина их стенок, материал, форма и
способы крепления устанавливаемого оборудо-
вания зависят от акустической мощности меха-
низма и спектра его шумов.
1.5.7.5. Снижение шума,
распространяющегося от помещения
с источником шума в смежное
помещение через общую стенку
Мы видели, что, когда какое-либо количе-
ство звуковой энергии доходит до стенки, часть
этой энергии отражается от стенки и возвраща-
ется в то же помещение, где находится источ-
ник энергии, а часть проникает в стенку. Часть
проникшей в стену акустической энергии погло-
щается в ней, а часть проходит через стену и из-
лучается ее задней поверхностью (рис. 2.5.7-8).
Установление этого факта позволяет нам
определить степень звукоизоляции Оь между
двумя смежными помещениями как разность
между уровнем давления ЬрХ звука, отраженно-
го в помещение с источником звука, и уровнем
давления Ь 2 звука, проникшего в соседнее по-
мещение. Следовательно, имеем
^ь~^р\~^р2 ’ ДБ-
Ранее мы уже уточнили, что уровень звука
в помещении частично зависит от уровня от-
раженного шума. Однако вышеприведенная
Рис. 2.5.7-8. Распространение зву-
ковой энергии из помещения с источ-
ником звука в смежное помещение
Рис. 2.5.7-9. Кривые изменения коэффициента акусти-
ческого ослабления трех вариантов стенки:
1 - стена из пористых шлакоблоков толщиной 20 см
5ез штукатурки; 2 - та же стена, оштукатуренная с одной
тороны; 3 - та же стена, оштукатуренная с двух сторон
поверхностная плотность 360 кг/м2)
формула никоим образом этого ие учитывает.
Чтобы охарактеризовать звукоизоляцию неза-
висимо от отражающих характеристик поме-
щения, куца проникает звук, вводят понятие сте-
пени нормированной1 звукоизоляции Оп по от-
ношению к базовому (стандартному, опорно-
му) помещению, опорное значение эквивален-
тной поглощающей поверхности Ао которого
принято равным 10 м2. Имеем
Ла Ап
^Г^10 »8 =Яь+10 18-у, ДБ,
где А - эквивалентная поглощающая поверх-
ность помещения, куца проникает звук, м2.
Для характеристики ослабления звука в ре-
зультате его прохода через стенку введено по-
нятие коэффициента акустического ослабления
Я, выражаемого в децибелах и равного деся-
тикратному значению десятичного логарифма
величины, обратной коэффициенту звукопере-
дачи т:
1 См. стандарт КГ 830-106 “Акустика. Термины и оп-
ределения. Строительная акустика”.
1
К = 10 1§-, дБ,
т
где коэффициент звукопередачи т равен отно-
шению интенсивности звука 72, проходящего
через стену, к интенсивности звука 7р падаю-
щего на стену со стороны помещения, где на-
ходится источник звука. Следовательно,
71
В случае, когда звук только проходит через
стену, разделяющую два отражающих помеще-
ния, коэффициент акустического ослабления
может быть рассчитан по формуле
5
К=ЬРГЬР2+™ ^7, дБ,
где Ь х и - уровни акустического давления
для помещения, где находится источник звука,
и помещения, туда проходит звук соответствен-
но, дБ;
8 - поверхность стены, разделяющей поме-
щения, м2;
А - эквивалентная поглощающая поверх-
ность помещения, туда проходит звук м2.
Если рассматриваемая стейка твердая, ее
можно уподобить простому осциллятору с низ-
ким уровнем затухания. В этом случае коэффи-
циент акустического ослабления запишется как
/? = 201ёу—-,
2р-с
а поскольку и=2л/ то
к-2о1е('Шро+2о'Е^-
где т - масса единицы поверхности стенки, кг/
м2;
/- рассматриваемая частота, Гц;
р - плотность материала стенки в предпо-
ложении ее однородности, кг/м3;
с - скорость звука в материале стенки, м/с.
Произведение т-/показывает, что коэффи-
циент звукоизоляции будет тем выше, чем боль-
ше масса единицы поверхности стены и выше
частота; это явление называют двойным пра-
вилом масса/частота.
Рис. 2.5.7-10. Пример глушителей, уста-
новленных на всасывающих и нагнетательных
воздуховодах градирни
Коэффициент акустического ослабления дая
каждого типа стенки можно измерить в лабо-
раторных условиях.
На рис. 2.5.7-9 показаны результаты изме-
рений коэффициента акустического ослабления
стены из пористых шлакоблоков толщиной 20
см без штукатурки и оштукатуренных.
Совокупность полученных в различных ок-
тавах значений представляет собой так назы-
ваемую кривую коэффициента акустического
ослабления. Задав желаемый уровень звуково-
го давления, передаваемый через стену, мож-
но, таким образом, легко предпринять необхо-
димые меры по подбору такого значения т-/,
которое обеспечит соблюдение требований по
непревышению уровня звукового давления в
данном помещении.
2.5.7.6. Снижение шума,
распространяющегося из помещения
с источником шума в смежные
или отдаленные помещения
через воздуховоды
По воздуховодам, как правило, шум распро-
страняется в различные помещения в случае
установок для кондиционирования, что не име-
ет прямого отношения к холодильной технике.
Но при необходимости можно обратиться по
этому вопросу к специальной литературе1. Сле-
дует, однако, отметить, что в таких установках
1 См., например, “Практическое руководство в области
индустрии искусственного климата” (Мапие) Ргабцие ди
Оеше СИтаПцие, РУС Ед.), в котором гл. 337 полностью
посвящена проблемам снижения шума в установках по кон-
диционированию воздуха.
очень часто используют специальные устрой-
ства для снижения уровня шума, которые на-
зываются звукоуловителями или глушителями
и которые мы сейчас кратко опишем, имея в
виду то обстоятельство, что подобные устрой-
ства холодильщик в случае необходимости смо-
жет применить, например, на всасывающих
или нагнетательных воздуховодах градирен
(рис. 2.5.7-10).
Глушители, используемые для градирен, яв-
ляются звукопоглощающими. Они представля-
ют собой короб, изготовленный из стального
листа, внутри которого установлены акустичес-
кие экраны, т.е. каркас из листовых паралле-
лепипедов, заполненный пористым материа-
лом, таким, например, как стекловата или ми-
неральные волокна, снижающим акустическую
энергию за счет ее поглощения. Толщина 7 эк-
ранов и расстояние между ними являются ос-
новными характеристиками, которые подлежат
точному определению. Действительно, погло-
щение звука возрастает с ростом частоты, при
этом свободное пространство Ь между экрана-
ми должно быть меньше длины поглощаемой
звуковой волны, а толщина экранов <1 должна
составлять не более четверти длины волны, в
противном случае акустическая энергия будет '
проходить через звукоуловитель без ослабления.
Акустическое ослабление О, обусловленное
наличием глушителей на основе акустических
экранов (рис. 2.5.7-11), определяется соотноше-
нием
Р
Р=1,5а-т 7,
А
Рис. 2.5.7-11. Глушитель со звукопогло-
щающими акустическими экранами
где а - коэффициент поглощения звукоизоля-
ционного материала (см. табл. 2.5.7-8);
Р=2(Ъ+И) - длина периметра одиночной
ячейки для прохода воздуха;
А=Ь-к - площадь одиночной ячейки для про-
хода воздуха;
I - длина глушителя;
Ь - ширина пространства между экранами;
к - высота глушителя.
При определении размеров глушителей сле-
дует иметь в виду, что они будут создавать по-
тери давления воздушного потока, поэтому ве-
личина потерь давления должна быть совмес-
тима с полным напором, который обеспечива-
ется вентиляторами. Изготовители глушителей,
как правило, приводят характеристики их обо-
Рис. 2.5.7-12. Кривые поглощения звука глушителями,
оборудованными акустическими экранами, при измене-
нии их толщины <1 и расстояния между ними 5 на единицу
длины
рудования в виде типовых кривых степени по-
глощения звука, образец которых приведен на
рис. 2.5.7-12. С помощью таких кривых мож-
но оценить влияние толщины звукопоглощаю-
щих экранов, расстояния между ними и их про-
тяженности на степень звукоизоляции.
2.5.8. Звукоизоляция шумов,
распространяющихся в твердых
телах, с помощью
вибропоглощающих устройств1
Общие сведения
Естественная вибрация имеющих вращаю-
щиеся детали механизмов, таких, как компрес-
соры, двигатели, вентиляторы, насосы и т.п.,
передается фундаменту или основанию, на ко-
тором они закреплены. Например, компрессор
будет передавать свою вибрацию на фундамент,
к которому он крепится, насос - трубопроводу,
который к нему прикреплен, а вентилятор - не
только фундаменту, но и воздуховоду, к которо-
му подсоединен.
Итак, в случае компрессора его вибрации,
особенно передающиеся иа фундамент, будут
затем передаваться воздуху, порождая тем са-
мым воздушные шумы, слышимые, если они
1 См. серию стандартов от ХЕ Е90-001 до ХЕ Е90-601,
в которых рассматриваются вопросы вибраций и механичес-
ких ударов.
испускаются в интервале частот, воспринимае-
мых ухом человека. Для вентилятора происхо-
дит точно такое же явление: фундамент, как и
листовой воздуховод, воспринимая вибрации
вентилятора, передает эти вибрации воздуху,
тем самым возбуждая акустические колебания.
В этих двух случаях шум, порожденный виб-
рациями твердого тела, т.е. распространяющий-
ся в твердом теле, преобразуется затем в воз-
душный шум. Чтобы максимально снизить
опасность возникновения подобных воздушных
шумов, приходится принимать меры по сниже-
нию вибраций, передающихся от механизмов
с вращающимися деталями к их крепежным
узлам. Некоторые из этих мер достаточно про-
сты, как, например, установка гибких рукавов
между вентилятором и воздуховодом или виб-
ропоглощающих проставок в виде сильфонов
с металлической оплеткой между компрессором
и всеми трубопроводами, подходящими к нему
и отходящими от него. Другие вибропоглоща-
ющие устройства более сложны. Особенно это
Рис. 2.5.8-1.Идеальная конструкция нижнего основа-
ния технического помещения на базе плавающей плиты,
изолированной от фундамента и стен здания (из “ЬеЬгЬисЬ
Дет Ка11е1ес1ш1к”,У. И, Н.Ь. уоп СиЬе, Е<1. С.Г.МиПег,
КагкгиЬе):
1 - плинтус; 2 - напольное покрытие; 3 - плавающая
плита; 4 - полимер; 5 - звукоизоляция; 6 - бетонная плита;
7 - боковая звукоизоляция
касается специальных проставок между осно-
ванием механизма и его фундаментом. Это мо-
гут быть либо маты из упругого материала,
либо виброизоляторы. Именно такие два типа
устройств мы в дальнейшем рассмотрим более
подробно. Вместе с тем следует отметить, что,
каким бы ни было выбранное решение, насто-
ятельно рекомендуется выполнять помост, на
котором будет установлен массивный механизм
с вращающимися деталями, так, как показано
на рис. 2.5.8-1, т.е. на плавающей плите, изо-
лированной от фундамента и стен здания.
В случае небольших механизмов, когда по-
мост не содержит плавающей плиты, можно
предусматривать разобщающую проставку из
специального вибропоглошающего материала.
Тем не менее такое решение не освобождает
проектировщика от необходимости предусмат-
ривать второй виброизолирующий мат или виб-
роизоляторы между механизмом и помостом
для его крепления.
2.5.8.1. Виброизолирующие маты
Виброизолирующие маты прокладываются
между механизмом и его основанием и/или
между основанием и помостом и предназначе-
ны для того, чтобы.
- воспринимать и сглаживать действие не-
уравновешенных движущихся масс;
- закреплять механизм, предотвращая его
боковое скольжение;
- равномерно распределять силу веса и си-
ловые воздействия со стороны механизма на
максимально возможную площадь опорной по-
верхности и, исходя из этого, снижать напря-
жение в ней.
Такие маты изготавливаются из различных
материалов: пробки, войлока, резины, но луч-
ше всего подходят для этой цели резиновые или
синтетические пластины, так как они могут
иметь рельефную наружную поверхность, су-
щественно повышающую их эффективность
(рис. 2.5.8-2).
Определение размеров виброизолирующих
матов производится исходя из основных пара-
метров монтируемого на них механизма: мас-
сы, числа оборотов, частоты возбуждения виб-
Рис. 2.5.8-2. Виброизолирующие маты с рельефом в виде продольных канавок (слева) и бобышек (справа)
раций и т.д. На основе этих параметров под-
бирают наиболее подходящие характеристики
матов, а именно: модуль упругости материала,
собственную частоту, результирующую частоту,
толщину и т.д. Обычно указания по подбору
характеристик виброизолирующих матов при-
водятся в каталогах изготовителей.
2.5.8.2. Виброизоляторы1
Виброизоляторы - устройс гва, которые од-
новременно обладают в раз личной степени и
упругими и поглощающими (рассеивающими)
свойствами. Упругость проявляется в способ-
ности деформирования опоры с амплитудой,
почти пропорциональной нагрузке, и возмож-
ности возвращения в исходное состояние пос-
ле снятия нагрузки. Поглощение (рассеивание)
энергии является результатом затормаживания
движения, в результате которого амплитуда ко-
ц’баний уменьшается. Виброизоляторы в ос-
новном подразделяются на два типа: пружин-
ные стщтьные амортизаторы и полимерные уп-
ругие подвески. Пружинные амортизаторы (рис.
2.5.8-3) способны воспринимать более высокие
агрузки, чем полимерные подвески, и имеют
более низкие собственные частоты. С другой
стороны, пружинные амортизаторы не гасят
высокие частоты даже при очень низких зна-
чениях собственных частот, в результате чего
выступают в известной мере как проводники
продольных акустических колебаний. Следова-
б) крепежная пластина
а) основной элемент
(пружина)
в) регулятор высоты и
крепежная пластина
Рис. 2.5 8-3. Примеры пружинных амортизаторов
тельно, их использование в большинстве слу-
чаев требует принятия дополнительных мер.
Принцип определения характеристик вибро-
изоляторов один и тот же для пружинных амор-
тизаторов и для полимерных подвесок (опор).
По поводу последних изложим следующие со-
ображения.
Виброизоляторы, включающие упругий по-
лимерный элемент (природный или синтетичес-
кий), всегда обладают как упругими, так и дем-
пфирующими свойствами. Наименование “дем-
пфирующие опоры”, которое обычно применя-
ется для них, следует считать не вполне удач-
ным, поскольку они обладают одновременно
г) пружина в стакане
1 Эта часть в большинстве абзацев содержит указания,
приведенные в работе “Упругие подвески” (Биврепыопв
е1азбдие8, ьоиек РА1Л,8'ГКА).
X
Рис. 2.5.8-4. Распространение вынужденных колебаний отвращающихся механизмов
как свойством упругости, так и возможностью
демпфирования (рассеивания) колебаний, те.
существенно различными характеристиками.
Упругая подвеска механизма располагается
в установке виброизоляторов между крепежны-
ми узлами механизма и его опорой (плитой,
фундаментом, шасси и т.д.). Тип виброизоля-
торов, их число, размещение, индивидуальные
характеристики, способ установки зависят от
характеристик всей совокупности опор и само-
го механизма и выбираются таким образом,
чтобы обеспечить требуемый результат.
2.5.8.2.1. Характеристики упругой
подвески
2.5.8.2.1.1. Вибрации механизма
Механизм, установленный на упругих под-
весках, начинает вибрировать в тех случаях,
когда на него воздействуют периодические зна-
копеременные нагрузки, приводящие к более
или менее значительным колебаниям. Свобод-
ными или собственными колебаниями называ-
ют колебания механизма, при которых возвра-
щение в положение равновесия происходит
только под действием собственных восстанав-
ливающих сил. Вынужденными колебаниями
или колебаниями с подводом энергии называ-
ют колебания, в которые механизм вовлекает-
ся либо в результате его собственной работы
(при наличии неуравновешенных масс), либо
под воздействием импульсов из окружающей
среды. Число степеней свободы механизма рав-
но числу независимых параметров, которые
определяют его положение в данный момент
времени. Плоскопараллельное перемещение
механизма в данном направлении или враще-
ние вокруг какой-либо из осей представляет
собой движение в отношении одной из степе-
ней свободы.
Колебательное движение механизма являет-
ся периодической вибрацией синусоидального
типа (рис. 2.5.8-4) со следующими характери-
стиками:
- частота л=1/7-ю/2л, или число полных
колебаний в единицу времени, Гц;
- период Т-1/п, или продолжительность од-
ного полного колебания, с;
- круговая частота, ©=2тги=2л/7’, рад/с;
- максимальная амплитуда А, или макси-
мальное отклонение от положения равновесия
при каждом колебании (на установившемся ре-
жиме максимальная амплитуда вынужденных
колебаний остается постоянной);
- максимальная скорость гтах=Л •©;
- максимальное ускорение утах= -Л-®2;
- мгновенная амплитуда х=А зш ©/;
- мгновенная скорость г=Л •© со8 ©/;
- мгновенное ускорение у.= -Л •ю2з1п ®/.
Рис. 2.5.8-5. Линейные жесткости и моменты сопротивления кручению упругой подвески
Формула утах= -А со2 позволяет сделать вы-
вод, что даже при небольших амплитудах вы-
сокочастотные вибрации могут привести к воз-
никновению больших ускорений (большие зна-
чения со).
2.5.8.2.1.2. Упругие характеристики гибкой
подвески
Упругие характеристики подвесок определя-
ют возможности перемещения механизма по
отношению к фундаменту'. Эти перемещения,
как правило, представляются в прямоугольной
системе координат с осями Ох, Су и Сг, центр
которой совпадает с центром тяжести С меха-
низма в состоянии равновесия, а оси параллель-
ны осям симметрии механизма (рнс. 2.5.8-5).
Указанным перемещениям препятствуют:
- линейные жесткости (упругости):
Кх вдоль оси Сх доя продольных перемеще-
ний,
К вдоль оси Су для поперечных перемеще-
ний,
Кг вдоль оси Сг для вертикальных переме-
щений.
Для каждой оси линейная жесткость подвес-
ки равна сумме линейных жесткостей всех
опор;
- коэффициенты сопротивления кручению, или
восстанавливающие моменты:
Сх для вращения вокруг оси Сх (или кре-
на),
Су для вращения вокруг оси Су (или танга-
жа),
Сг для вращения вокруг оси Сг (или рыска-
ния).
Восстанавливающие моменты подвески за-
висят от собственной жесткости опор, а также
от их расположения и ориентации по отноше-
нию к центру тяжести механизма.
2.5.8.2.1.3. Демпфирующие характеристики
упругой подвески
Демпфирующие характеристики полимер-
ных подвесок представляют собой результат
действия сил, аналогичных силам вязкого тре-
ния, которые имеют величину’
П-7.
где К - коэффициент сопротивления (демпфи-
рующий коэффициент);
V - относительная скорость перемещения
подвешенного механизма в момент времени г.
Если у недемпфирующей подвески посте-
пенно повышать степень демпфирования (ве-
личину коэффициента Л), оставляя при этом
другие величины неизменными, амплитуды
свободных колебаний, начиная с данного на-
чального отклонения от положения равновесия,
будут становиться все меньше. Критическим
значением демпфирующего коэффициента бу-
дет такое значение, при котором возврат меха-
низма в положение равновесия произойдет без
колебания по асимптотической (апериодичес-
кой) траектории. При этом демпфирующий ко-
эффициент обозначим через Кс. Определим сте-
пень демпфирования е для коэффициента дем-
пфирования К как
е=Я/Яс,
где е=1 соответствует критическому значению
степени демпфирования.
Если рассматривать подвеску для демпфи-
рования вынужденных колебаний с переменной
круговой частотой со, можно заметить, что для
упругих демпферов естественного типа произ-
ведение 8-со остается почти постоянным, при-
чем данная особенность будет справедлива и
для условий резонанса, т е.
8-СО=80-С00=СОП51,
где соо - резонансная круговая частота (см. п.
2.5.8.2.2.2, замечание 2), а е0 - степень демп-
фирования, характеризующая резонансную ча-
стоту. Доказано, что е0 является характеристи-
ческой постоянной данного упругого демпфера,
следовательно, степень демпфирования подвес-
ки 80 равна степени демпфирования каждого
демпфера в отдельности, если все они изготов-
лены из одного и того же материала.
1.5.8.2.2. Работа упругой подвески
2.5.9.2.2.1. Статическое нагружение
В тех случаях, когда механизм установлен
на фундамент с помощью твердых опор, при-
крепленных к нему более чем в трех точках
(статически неопределимое крепление), опре-
делить нагрузки, действующие на каждую из
опор, невозможно. Вместе с тем, если опоры
упругие, их жесткость (упругость) известна, то
расчетным путем или даже непосредственным
измерением деформаций каждой из опор мож-
но определить нагрузку на них и при необхо-
димости исправить неравномерность нагруже-
ния. Каково бы ни было число крепежных де-
талей, при жестком креплении, например с по-
мощью болтов, во избежание чрезмерной кон-
центрации местных напряжений необходима
очень высокая равномерность расположения
крепежных отверстий (элементов крепления) н
соответствие между опорной поверхностью
механизма и опорной поверхностью фундамен-
та. Вот почему, чтобы избежать слишком вы-
соких допусков на изготовление, приходится
устанавливать прокладки, недостатки которых
хорошо известны: ослабление затяжки, смятие,
износ, шум. И напротив, при упругих опорах
возможны за счет незначительных усилий бо-
лее широкие допуски при изготовлении крепеж-
ных узлов.
Кроме того, упругая подвеска обеспечивает
возможность незначительных смещений без
возникновения опасных напряжений. Такие
смещения могут быть вызваны, например, тер-
мическим расширением шасси, корпусов, обо-
лочек и т.п.
2.5.9.2.2.2. Динамическое нагружение
а) Случай колебаний системы с одной степе-
нью свободы
Работа подвески достаточно сложна, и в це-
лях облегчения понимания основных принци-
пов ее работы мы схематически рассмотрим
наиболее простой случай механизма массой М,
закрепленного на фундаменте с помощью уп-
ругой подвески 5, жесткость которой в направ-
лении оси 02 равна К. Механизм имеет возмож-
ность перемещения только вдоль вертикальной
оси 02 (рис. 2.5.8-6).
• Свободные колебания (собственные)
В идеальном случае, когда отсутствует дем-
пфирование (рассеивание энергии), механизм,
выведенный из состояния равновесия с откло-
Рис. 2.5.8-6. Механизм с вращающимися деталями и
его упругая подвеска
нением А, будет колебаться по синусоидально-
му закону в соответствии с уравнением
2 = А 8Ш СО0Г,
где круговая частота ю0 собственных колебаний
имеет величину
В случае диссипации энергии (демпфирова-
ния) механизм будет колебаться относительно
положения равновесия по синусоидальному за-
кону (рис. 2.5.8-7) согласно уравнению
2 = А • -кшсод/,
где собственная круговая частота колебаний
диссипативной системы равна
®0 ) = <»0 V1 “80 ’
а е'о - степень демпфирования для круговой ча-
стоты ю'о. Величина е'о довольно близка к ве-
личине е0, поэтому можно записать:
®о «®оз/1_8о2 •
В случае природного каучука е0 мало по
сравнению с единицей (от 0,02 до 0,1), поэто-
му ю'о очень близка к ю0.
• Вынужденные колебания
В этом случае предполагают, что на меха-
низм вдоль вертикальной оси действует неко-
торая возмущающая сила, изменяющаяся по
произвольному (в данном случае синусоидаль-
ному) закону с частотой ю:
Р=Р..81П И/.
м
Рис. 2.5.8-7. Пример собственных затухающих колебаний
Когда подвеска жесткая, возмущающее уси-
лие передается полностью на фундамент меха-
низма. Упругая подвеска характеризуется соб-
ственной частотой го0 и степенью демпфирова-
ния е0. Возмущающая сила, действующая с ча-
стотой со, возбуждает собственные колебания с
частотой ®0. Под действием диссипативных
сил собственные колебания очень быстро зату-
хают, и в результате система входит в режим
вынужденных колебаний с частотой со, кото-
рые сопровождаются передачей на фундамент
усилия
Р'=Р'М ЯП соГ.
При этом передаточный коэффициент к,
определяемый как отношение максимального
усилия Р'м, передающегося на фундамент, к
максимальному возмущающему усилию Р
принимает вид
Х = 1 + 4е0
Рм С V
к м
В табл. 2.5.8-1 приведены выражения для
возмущающего и передающегося на фундамент
усилий, а также передаточные коэффициенты
в зависимости от типа подвески. На рис. 2.5.8-
8 показано, как меняются значения передаточ-
ного коэффициента (коэффициента усиления)
в зависимости от отношения <й/го0 для различ-
ных значений е0.
Ослабление (затухание, демпфирование) Е,
выраженное в процентах, дополняет до 100
коэффициент усиления л. Поскольку мы рас-
сматриваем упругие опоры, член 4е02 из фор-
мулы для % пренебрежимо мал по сравнению с
единицей, в результате чего можно записать
Е = 100
(ю/ю0)2-2
(<й/<й0)2 -1
= 100 1-
(<й/<й0 у -1?
%.
Для данной возмущающей частоты го ослаб-
ление зависит от собственной частоты го0 под-
вески. Д ля заданного направления соотношения
между собственной частотой го0, проекцией ка-
сательной на ось деформаций к кривой “нагруз-
ка - деформация” для данной подвески и воз-
мущающей частотой го приведены на рис. 2.5.8-
9. Исходя из значения возбуждающей частоты
(например, 1500 мин-1) определяют значение
проекции касательной для данной подвески,
обеспечивающее приемлемое ослабление (зату-
хание) амплитуды колебаний. В основном стре-
мятся к тому, чтобы затухание было не ниже
50%. График на рис. 2.5.8-9 позволяет для при-
веденного примера определить, что при длине
проекции касательной 2,6 мм затухание соста-
вит 80%.
Чтобы обеспечить удовлетворительные ха-
рактеристики подвески, значение го/<й0 стара-
ются принять как можно выше, что требует
низких значений го0 и, следовательно, % при
умеренных значениях е0. Эго приводит к огра-
ничению усиления вне зоны резонанса и сла-
бому влиянию е0 на значение X в зоне ослабле-
ния вибраций.
Замечание 1
На практике нередко приходится иметь де-
ло с переменным значением го, поскольку
режимы работы механизма, а следовательно, и
значения го могут меняться. В этом случае
Основные параметры жесткой и упругой подвесок
Таблица 2.5.8-1
Подвеска Возмущающее усилие Передаваемое усилие Передаточный коэффициент
Жесткая /'"“/'мзт шГ Р=Ризт а>1 Х=1
Упругая (о>о, е») Р=Рм$т <л1 Р-Р'мзт а>1 Х = ^= [ 1+^
Рис. 2.5.8-8. Изменение передаточного коэффициента (коэффициента усиления) в зависимости от отношения
частот и/и0
Возмущающая частота, об/мин (Гц)
Рис. 2.5.8-9. Соотношение между собственной и возмущающей частотами, затуханием и пре, кцией касательной к кри-
вой “нагрузка - деформация” для данной подвески в случае вынужденных колебаний
виброизоляция подбирается для режима с
наименьшим значением го.
Замечание 2
Все механизмы обязательно должны запус-
каться и останавливаться. При запуске частота
го меняется от 0 до установившегося значения
(зоны ослабления вибраций), неизбежно про-
ходя при этом через резонансную зону го=го0.
В этом случае чрезвычайно важно, чтобы от-
резок времени, в течение которого механизм
находится в этой зоне, был возможно более ко-
ротким, а подвеска обладала достаточно высо-
кими демпфирующими свойствами, дабы мак-
симальное усилие, развиваемое в этой зоне, не
оказалось опасным для системы.
Замечание 3
Обычно используемые для подвесок мате-
риалы обладают степенью демпфирования е0
от 0,02 до 0,1. Некоторые синтетические мате-
риалы могут иметь значение е0 до 0,2. В зоне
поглощения вибраций формула для передаточ-
ного коэффициента может быть упрощена, по-
скольку, как мы уже уточняли ранее, член 4е02
пренебрежимо мал по сравнению с единицей
и, следовательно,
го2/го* -1
В зоне резонанса имеем
X = 1/2е0,
значит, для природных упругих материалов уси-
ление в резонансной зоне может составлять от
5, т.е. 1/(2х0,1), до 25, т.е. 1/(2х0,02).
б) Общий случай
Описанный выше идеальный случай носит
весьма упрощенный характер: движение с од-
ной степенью свободы (вертикальное) с един-
ственной возмущающей силой (также действу-
ющей вертикально), вектор которой проходит
через центр тяжести механизма и совпадает с
вектором восстанавливающей силы упругости
подвески. На практике все не так просто. Ме-
ханизм может двигаться во всех направлениях,
указанных ранее. Теоретически он может иметь
столько собственных частот, сколько у него сте-
пеней свободы, причем эти частоты не являют-
ся независимыми и могут быть взаимосвязаны.
Если одна из них возбуждается в направлении
своей степени свободы, она может порождать
вибрации той же частоты в направлении всех
других степеней свободы. То же самое может
иметь место и с возмущающими частотами,
которые могут меняться, действовать в несколь-
ких точках и в различных направлениях или
вокруг различных осей. Поэтому общий случай
может оказаться чрезвычайно сложным. К сча-
стью, симметрия системы и соответствующие
устройства, используемые при сборке, допуска-
ют значительные упрощения модели колебаний
механизма, которые обычно позволяют с дос-
таточной для практики точностью применять
полученные выше результаты. Тем не менее в
ряде случаев только углубленное изучение воп-
роса даст возможность найти эффективное ре-
шение.
2.5.8.2.З. Различные типы упругих
подвесок
2.5.8.2.3.1. Упругие подвески прямого действия
Упругими подвесками прямого действия
называют такие подвески, которые препятству-
ют передаче вибраций от механизма к фунда-
менту (шасси, каркасу). Виброизоляция не пре-
дотвращает вибраций самого механизма, но
ослабляет передачу вибраций. По отношению
к жесткому креплению, которое передает виб-
рации на несущую конструкцию, амплитуды
вибраций самого механизма могут быть более
значительными. Механизм при этом в извест-
ном смысле независим от узлов крепления. Так,
в частности, крепится “плавающий” двигатель
в автомобилях, устанавливаемый на упругой
подвеске, которая за счет увеличения подвиж-
ности двигателя под капотом не передает виб-
рации двигателя кузову и сидящим в нем пас-
сажирам. Если чрезмерные амплитуды колеба-
ний механизма недопустимы, единственным
средством их снижения без ухудшения дей-
ственности под вески является увеличение под-
вешенной массы (балластировка). Для данной
возмущающей силы амплитуды обратно про-
порциональны колеблющейся массе. Для неко-
торых особенно неуравновешенных или имею-
щих высокие значения динамического дисба-
ланса механизмов (одноцилиндровые низкообо-
ротные компрессоры, высокооборотные центри-
фуги) такой прием просто необходим. Подоб-
ные механизмы в этом случае жестко крепятся
на массивном шасси или плите, вместе с кото-
рой они устанавливаются на упругую подвес-
ку. Увеличение подвешенной массы позволяет
достичь хорошей внброизоляции и незначи-
тельных колебаний системы. Наиболее пред-
почтительно устанавливать на упругих подвес-
ках прямого действия крупные агрегаты: ком-
прессорные, вентиляторные, насосные и т.п.
2.5.8.2.3.2. Защитные упругие подвески
Защитными упругими подвесками называ-
ют подвески, предохраняющие механизм от
воздействия внешних вибраций. Установка под-
весок, обеспечивающих виброизоляцию меха-
низма от влияния внешних вибраций, действу-
ющих в заранее определенных направлениях,
всегда оправданна. В самом деле, при доста-
точно гибких подвесках ускорения, сообщаемые
механизму, будут очень незначительными и, по-
скольку он не подвержен другим нагрузкам, его
положение будет оставаться практически неиз-
менным. Амплитуды колебаний фундамента
(основания, шасси) при этом почти полностью
будут поглощаться упругими креплениями.
2.5.8.2.3.3. Палужесткие подвески
Полужесткими называют подвески, кото-
рые ие обеспечивают ослабления вибраций
для данной частоты и возмущающей силы, т.е.
для которых
41
В соответствии со сделанными выше вы-
кладками такие подвески не будут представлять
интереса в обычных случаях, поскольку их ис-
пользование приводит не к ослаблению, а к уси-
лению вибраций. Вместе с тем они могут дать
достаточно приемлемые результаты на практике
для следующих случаев.
а) Взаимовлияние частот
На практике для простой подвески возмож-
ны вибрации механизма по многим направле-
ниям (до 6, как уточняется на рис. 2.5.8-5). Пра-
вильно спроектированная н собранная подвес-
ка должна учитывать природу возмущающих
вибраций, получаемых механизмом в одном нз
направлений, и обеспечивать его неподвиж-
ность по всем другим направлениям. Однако по
конструктивным соображениям не все крепеж-
ные узлы могут быть размещены в наиболее
подходящих местах и механизм, испытываю-
щий возмущающие воздействия в одном из на-
правлений, вследствие этих воздействий может
колебаться и по другим направлениям, напри-
мер по двум. В этом случае говорят о взаимо-
влиянии вибраций. Собственные частоты по
разным направлениям неодинаковы. Взаимо-
влияние между вибрациями в двух направле-
ниях имеет следствием снижение более низкой
собственной частоты н повышение более высо-
кой. В результате резонансная кривая будет
иметь вместо одного максимума два. При этом
по-прежнему недопустима работа ни в облас-
ти одного резонанса, ни в области другого. Из-
за того что обеспечение высокой податливости
опор по всем направлениям невозможно, дале-
ко не всегда удается получить значения соб-
ственных частот по двум направлениям одно-
временно настолько низкими по отношению к
возмущающей частоте, чтобы обе они были рас-
положены в зоне ослабления вибраций. И на-
оборот, располагая собственные частоты по
одну и другую стороны от возмущающей час-
тоты, можно добиться незначительного ослаб-
ления амплитуд и в том и в другом направле-
нии.
б) Влияние более высоких гармоник возмуща-
ющей силы
Основная циклическая частота и вынуж-
денных колебаний редко бывает единственной.
Часто она содержит более высокие гармоники,
те. частоты, кратные основной: 2и, Зи и т.д.
Если обеспечить виброизоляцию по отноше-
нию к основной частоте и невозможно, то, мо-
жет быть, с помощью полужесткой подвески
удастся ослабить вибрации с более высокими
частотами. Это тем более интересно, что, как
правило, низкие частоты являются неслыши-
мыми и сопровождаются, кроме того, доволь-
но слабыми значениями механических ускоре-
ний, в то время как высокие частоты генериру-
ют акустические колебания в слышимом диа-
пазоне, которые могут быть исключены соот-
ветствующей виброизоляцией.
2.5.8.2.3.4. Влияние внешних коммуникаций
Во всех предыдущих случаях мы предпола-
гали, что из всех внешних устройств рассмат-
риваемый механизм связан только с упругой
подвеской. На практике существуют и другие
коммуникации, такие, как трубопроводы нагне-
тания и всасывания в случае холодильных ком-
прессоров, электрические кабели и т.п. Они
должны быть выполнены таким образом, что-
бы по отношению к ним механизм мог иметь
максимально возможную свободу перемеще-
ний. Подобная предосторожность позволяет
избегать разрушений, не ухудшать виброизоля-
цию введением дополнительных жесткостей и
не передавать непосредственно через эти ком-
муникации вибрации, для уничтожения которых
было приложено, между прочим, столько уси-
лий. Виброизоляция ослабляет передачу вибра-
ций, но не препятствует колебаниям механиз-
ма, следовательно, нужно предусматривать со-
хранение во всех направлениях около механиз-
ма достаточно свободного пространства, чтобы
обеспечить возможность его перемещений.
2.5.8,2.4. Расчет упругой подвески
Для того чтобы рассчитать упругую подвес-
ку, необходимо точно знать основные характе-
ристики механизма, который устанавливается
в подвеску, и, в частности, иметь чертеж, ука-
зывающий расположение центра тяжести и пре-
дусмотренные крепежные точки. Такой чертеж
позволяет к тому же оценить некоторые допол-
нительные параметры, например моменты
инерции.
Когда мы имеем дело со сложным агрега-
том, лучше всего обратиться к изготовителю.
С другой стороны, в простых случаях, т.е. ког-
да имеется только одна степень свободы или
движение в двух направлениях с незначитель-
ным смещением центра тяжести, можно будет
рассчитать подвеску в соответствии с нижепри-
веденными указаниями на основе минималь-
ных сведений о механизме, таких, как:
• расположение центра тяжести, масса, чис-
ло и расположение крепежных точек, что по-
зволяет определить нагрузку на каждую опору;
• возмущающая частота (или скорость вра-
щения), что позволяет определить деформацию
каждой опоры в зависимости от желаемого ос-
лабления вибраций;
• основное направление действия возмуща-
ющего усилия, что позволяет определить пре-
обладающую упругость опоры в требуемом на-
правлении.
2.5.8.2.4.1. Определение центра тяжести
механизма
а) Обращение к изготовителю
Обычно изготовитель в состоянии указать
расположение центра тяжести и массу механиз-
ма, устанавливаемого в подвеску. Если это не-
возможно, следует определить эти характерис-
тики либо графически, либо эксперименталь-
но.
б) Графическое определение центра тяжести
Этот способ может использоваться, только
если для каждого агрегата, входящего в состав
подвешиваемого механизма, известны располо-
жение центра тяжести н масса. В этом случае,
если механизм состоит из двух элементов, дей-
ствуют так, как указано на рис. 2.5.8-10.
Вначале из центров тяжести каждого из аг-
регатов А и В, расположенных на расстоянии Ь
друг от друга, откладывают в определенном
масштабе векторы весов РА и Рв. Далее прово-
дят прямые АР'в=ВРв и ВР'а=АРа, как показа-
но на правом чертеже, и точки Р 'в и Р 'А соеди-
няют еще одной прямой. Центр тяжести О бу-
дет находиться на пересечении прямых АВ и
Р'АР'В- После этого легко измерить расстояния
аъЬ.
Если механизм состоит из трех элементов,
центр тяжести определяют так, как указано на
рис. 2.5.8-11.
Рис. 2.5.8-10. Определение центра тяжести механизма, состоящего из двух элементов
Вначале из центров тяжести каждого из эле-
ментов А, В и С проводят в определенном мас-
штабе векторы весов РА, РвиРс. расположен-
ные друг от друга на расстояниях I и I'. Чтобы
определить центр тяжести элементов Л и В, дей-
ствуют так же, как в случае, показанном на рис.
2.5.8-10. Затем вновь рассматривают центры
тяжести О' и С, к которым приложены соответ-
ственно веса (РА+Р^ и Рс. После этого полу-
чают таким же образом центр тяжести О всей
совокупности элементов.
Во всех случаях расстояния на чертежах сле-
дует откладывать с неукоснительным соблюде-
нием выбранного масштаба, а векторные пря-
мые, обозначающие соответствующие веса,
проводить строго вертикально, с длиной, про-
порциональной весу (например, 1 см=1 да/Н).
Если центры тяжести разных элементов не
лежат в одной вертикальной плоскости, распо-
ложение общего центра тяжести определяют по
двум проекциям: виду спереди и виду сбоку с
размерами, соответствующими каждой из про-
екций.
в) Экспериментальное определение центра
тяжести
Экспериментальное определение центра тя-
жести может производиться либо с помощью
ролика, либо путем подвешивания механизма.
В первом случае для данного измерения
(длина, ширина и высота) центр тяжести рас-
положен в вертикальной плоскости, проходящей
через продольную ось ролика, на который ук-
ладывается механизм, в момент его уравнове-
шивания на ролике. В результате центр тяжес-
ти находим как точку пересечения трех плос-
костей (по длине, ширине и высоте механизма),
определяемых, как указано выше.
Рис. 2.5.8-11. Определение центра тяжести механизма, состоящего из трех элементов
Рис. 2.5.8-12. Определение нагрузки на опоры меха-
низма для случая, когда ограничения на число и располо-
жение точек опоры отсутствуют
Во втором случае механизм подвешивают на
тросе и центр тяжести находят на продолжении
вертикали, исходящей из точки подвеса. Для
точного определения центра тяжести эту опе-
рацию повторяют дважды, каждый раз меняя
точку подвеса.
2.5.8.2.4.2. Определение нагрузки на опору
а) Случай, когда число и расположение точек
опоры не заданы и ограничения на их количе-
ство и расположение отсутствуют
В этом случае число и расположение точек
опоры определяют таким образом, чтобы на-
грузка на каждую опору во всех точках была
одна и та же. Представим себе, что механизм
имеет продольную ось симметрии с центром
тяжести в точке О и весом Р (рис. 2.5.8-12).
Если принять число точек опоры равным 6,
нагрузка на каждую опору должна составлять
Рх=Р/6.
Поскольку Р]/' + можно заклю-
чить, что
К + 4 - А-
6) Случай, когда число и расположение точек
опоры заданы
При этом нагрузки на каждую опору могут
быть неодинаковы. В зависимости от степени
равномерности нагружения рассмотрим два ва-
рианта: с четырьмя точками опоры и с числом
точек опоры больше четырех.
61) Случай с четырьмя точками опоры
Обозначим через А, В, Си О четыре точки
опоры, через О центр тяжести, через Р полный
Рис. 2.5.8-13. Определение нагрузок на опоры меха-
низма для случая четырех точек опоры при их заданном
расположении
вес подвешиваемого агрегата и через РА, Рв, Рс
и Ро нагрузки в точках А, В, С и Д соответ-
ственно (рис. 2.5.8-13).
Получим
Эт /
р =—---^-Р,
а ь а '
т1
Р =-±-Ск.р
в Ь а
Если РА, Р№ Рс и Ро заметно отличаются
друг от друга, нужно будет подобрать четыре
различные опоры, теоретически дающие одну
и ту же деформацию при названных различных
нагрузках.
62) Случай с числом точек опоры больше че-
тырех
Прн этом желательно, чтобы соблюдалась
симметрия механизма относительно продоль-
ной вертикальной плоскости (рис 2.5.8-14).
Слева от центра тяжести О находится два
одинаковых по отношению к плоскости симмет-
рии ряда из п опор, справа от него также нахо-
дится два одинаковых ряда из р опор, которые,
однако, могут отличаться от левых рядов опор.
Проблема заключается в том, чтобы подо-
брать левые и правые опоры с разной упругос-
тью, обеспечивающей одинаковые деформа-
ции при нагрузке на все опоры 2п+2р. В этих
условиях все опоры, расположенные слева от
Рис. 2.5.8-14. Определение нагрузок на опоры меха-
низма для случая, когда число точек опоры больше четы-
рех и их расположение задано
центра тяжести О, будут нагружены одним и
тем же усилием (Д а все опоры, расположен-
ные справа, будут нагружены одним и тем же
усилием К. Получим
2(/1+/2+...+/„) = а(Х]+х2+...+х.;,)
и
2п(2+2рВ. = 0.
Отсюда нагрузка на п опор равна
р =____________Х1 + Л.2 + --- + Хр________р
2и(Х1 + А,2_|--НЛ.?) + 2р (/] +1г-\---ь/„)
и нагрузка на р опор -
К =_______________________________________Р,
2и(А,1 + Л.2-1 \-У.р) + 2р (/1 -ь/2 4-у1п)
Если (2 кН отличаются не слишком силь-
но, можно будет выбрать опоры одинаковых
размеров, но с разной жесткостью.
Пример
Пусть механизм имеет одну вертикальную
плоскость симметрии со смещенным в этой
плоскости центром тяжести О и шесть точек
опоры, откуда и=2 ир=1. Имеем
2 =--------------Р
4Х + 2(/1 + /2)
И
К =-----!1±12------Р.
4Х + 2(/, + /2)
Если сила веса механизма 500 даН, Х=0,4
м, ^=0,3 м, /,,=0,9 м, то можно найти, что
(2=50 даН и К= 150 даН.
Примечание
Если выбраны опоры одинакового размера,
но с различной жесткостью, увеличивается
опасность их неправильной установки в резуль-
тате перемены местами, что может привести к
снижению демпфирующей способности подвес-
ки. Следовательно, при сборке подвески надо
внимательно следить за правильностью уста-
новки опор.
Однако всегда проще собрать подвеску с
одинаковыми опорами. Если при заданном рас-
положении точек крепления на шасси не удает-
ся напрямую отцентрировать и собрать подвес-
ку, можно выйти из положения, закрепив на
основном шасси переходник (промежуточное
шасси) с максимально возможной жесткостью,
на котором затем укрепить одинаковые упругие
опоры в желаемом количестве и с расположе-
нием по своему усмотрению. Если промежуточ-
ное шасси (переходник) выполнить в виде бе-
тонной плиты (т.е. дополнительной массы), то
тем самым можно увеличить массу подвеши-
ваемого механизма, что повысит качество под-
вески.
2.5.8.2.4.3. Определение деформации упругих
опор
а) Деформация и проекция касательной к кри-
вой "нагрузка - деформация ” на ось деформа-
ции
Если рассматривать характеристическую
кривую “нагрузка - деформация” для данной
опоры, то деформация опоры и проекция каса-
тельной к этой кривой иа ось деформации оп-
ределяются графически, как показано на
рис. 2.5.8-15.
Для данной величины статической нагруз-
ки деформация соответствует смятию (просе-
данию) опоры под действием этой нагрузки,
однако упругость в положении под нагрузкой
определяется проекцией на ось деформации
касательной к кривой “нагрузка - деформация”
в точке, соответствующей величине статичес-
кой нагрузки. Значение этой упругости исполь-
зуется в качестве одной из основных величин
(в виде длины проекции) при определении соб-
ственной частоты опоры.
Проекция касательной
Рис. 2.5.8-15. Характеристическая кривая “нагрузка -
деформация” упругой опоры
Характеристика “нагрузка - деформация”
для многих опор в зоне статических нагрузок
является линейной, следовательно, величины
проекции касательной на ось деформации и
самой деформации совпадают (рис. 2.5.8-16).
В этом случае оптимальной рабочей точкой
является точка перегиба кривой “нагрузка - де-
формация”, в окрестностях которой достигает-
ся максимально возможная длина проекции
касательной, а следовательно, наиболее низкая
из возможных собственная частота опоры.
б) Рабочие зоны
Зона ОМ (рис. 2.5.8-16) является зоной, в
которой деформация почти прямо пропорцио-
нальна статическим нагрузкам. Ордината точ-
ки М называется номинальной статической на-
грузкой. Зона МР является зоной динамичес-
ких нагрузок, соответствующих в обычных слу-
чаях многократным ударам, прн условии, что
их периодичность и полная деформация оста-
ются в обычных пределах. В зоне Р2, которая
соответствует случайным и выходящим из раз-
ряда обычных ударам, кривая изгибается вверх.
Жесткость опоры повышают, для того чтобы
снизить амплитуду колебаний. Вместе с тем
необходимо отметить, что вследствие упругой
амортизации это изменение зависит также и от
времени воздействия ударного импульса.
в) Ослабление колебаний и возмущающая час-
тота
Для данной возмущающей частоты и сте-
пень ослабления колебаний зависит от соб-
ственной частоты и0 подвески (следовательно,
от длины проекции касательной). Для большин-
ства механизмов с вращающимися деталями
циклическая возмущающая частота, мин"', мо-
жет быть принята равной числу оборотов де-
тали в минуту. Как было показано на рис. 2.5.8-
9, в случае возмущающей частоты, определяе-
мой сразу по числу оборотов, стремятся обес-
печить максимально возможное ослабление
амплитуды колебаний с учетом характера кри-
вой “нагрузка - деформация” опоры. Тем не
менее выбор легко деформируемой опоры не
должен ухудшать устойчивость подвески.
2.5.8.1.5. Пример выбора подвески
для компрессорного агрегата
Имеем компрессорный агрегат со следую-
щими характеристиками:
- вес 6000 даН;
- частота вращения 400 мин-1;
- положение центра тяжести известно;
- число точек опоры 8;
- нагрузка на каждую опору 6000/8=750
даН;
- статическая деформация опоры - см. табл.
2.5.8-3.
Выбор опоры производится в зависимости
от ее характеристик упругости с учетом направ-
ления действия возмущений. Различают глав-
ным образом следующие типы опор:
Таблица 2.58-2
Размеры низкочастотных упругих опор ЕУПХЮМ (РаиШга), мм
0А В Артикул ЕУПХЮМ 0С 0С1 0Сг С, 01Г 0,7 Р
Целиком из резины Рисунок С узлами для крепления Рисунок
60 40 810 780 2 М 10 25 25 40 Мб 6
85 70 810 006 1 810 766 2 М 16 20 30 30 60 М8 8
95 90 810 008 1 810 768 2 М 16 20 30 30 60 М8 8
108 90 810009 1 810 769 2 М 16 20 30 34 70 мю 10
140 120 810 013 1 810 773 2 М 16 40 35 35 70 мю 10
125 140 810 014 1 810 784 2 М 16 25 30 25 70 мю 10
140 90 810 019 1 810 779 М 16 28 12 28 70 мю 10
140 56' 810020 1 810 770 2 М 16 30 30 30 70 мю 10
155 150 810015 1 810 775 2 М 16 25 30 30 90 М14 14
188 180 810016 1 810 776 2 М24 40 40 40 90 М14 14
250 230 — — 810 733 3 — 70 70 150 6хМ24 40
350 290 — — 810 736 3 — 85 85 196 8хМ 24 40
По поводу деталей, имеющихся на складе, обращаться к действующему тарифу.
Нижняя крепежная пластина
Артикул ЕУПХЮМ Артикул монтажного комплекта Рису- нок о Е Е О н
810 780 337 566 а 98/102 8,2 117 65 5
810 766 337 567 а 124/128 10,2 158 110 5
810 768 337 567 а 124/128 10,2 158 110 5
810 769 337 568 а 178/182 10.2 214 150 6
810 773 337 568 а 178/182 10,2 214 150 6
810 784 337 568 а 178/182 10,2 214 150 6
810779 337 568 а 178/182 10,2 214 150 6
810 770 337 568 а 178/182 10,2 214 150 6
810 775 337 569 ь 170 10.5 200 — 8
810 776 337 569 ь 170 105 200 — 8
Технические характеристики низкочастотных упругих опор ЕУПЮОМ (РаиЫга)
Таблица 2.5.8.-3
Номинальная статическая нагрузка, даН Деформация ±15%, мм 0А при номинальной нагрузке, мм Высота В, мм Артикул Номинальная статическая нагрузка, даН Деформация ±15%, мм ОЛпри номинальной нагрузке, мм Высота В, мм Артикул жесткости
60 10 80 40 810 780 800 10 166 56 810 770
100 15 105 70 810 766 1300 30 175 150 810 775
150 18 124 90 810 768 2000 35 240 180 810 776
400 20 136 90 81» 769 5000 50 345 230 810733 Д 60
600 24 175 120 810 773 8000 50 345 230 810733 Д 75
800 26 170 140 810 784 9000 60 500 290 810736 Д 60
800 16 175 90 810 779 14000 60 500 290 810736 Д 75
Кривые “нагрузка - деформация” при осевом сжатии
ДаН
даН
ДаН
даН
- равночастотные опоры, горизонтальная и
вертикальная упругости которых почти одина-
ковы;
- опоры с преобладающей осевой упругос-
тью;
- опоры с преобладающей радиальной уп-
ругостью;
- низкочастотные опоры: длина проекции
касательной для них довольно велика, что обес-
печивает незначительную собственную часто-
ту (несколько Гц).
В нашем примере для возмущающей цик-
лической частоты 400 мин-1 минимальная де-
формация, обеспечивающая нахождение под-
вески в зоне ослабления амплитуды колебаний,
составляет 12 мм (см. рис. 2.5.8-9).
Каталог изготовителя, например компании
РАЦЬЗТЯА, указывает, что нужно выбрать низ-
кочастотные опоры ЕУГОСОМ, которые обес-
печивают достаточно высокие деформации при
статическом нагружении. Наиболее подходящей
моделью таких опор являются опоры артикула
810779 со следующими характеристиками:
- наружный диаметр в ненагруженном со-
стоянии Л =140 мм (табл. 2.5.8-2),
- высота в ненагруженном состоянии й=90
мм (табл. 2.5.8-2),
- деформация 16 мм при нагрузке 800 даН
(табл. 2.5.8-3),
- ослабление амплитуды колебаний 50%
(рис. 2.5 8-9).
В качестве примера размеры и технические
характеристики опор ЕУГОСОМ приведены в
табл. 2.5.8.-2 И2.5.8.-3.
2.6. Средства измерений и измерительные приборы1
2.6
2.6.1. Общие положения
Любая холодильная установка в процессе
эксплуатации требует поддержания на заданном
уровне значений различных параметров, будь
то температура холодильной камеры, давление
нагнетания компрессора или уровень масла.
Как мы уже видели в разд. 2.4, существует раз-
личная регулирующая аппаратура, назначение
которой заключается в том, чтобы текущее зна-
чение заданной регулируемой величины в ко-
нечном итоге оставалось на уровне, максималь-
но близком к заданному значению. Чтобы вы-
полнить это условие, необходимо располагать
измерительной аппаратурой, которая будет фик-
сировать конечное значение регулируемой ве-
личины (температуру, давление, уровень и т.п.),
измерять, оценивая ее значение по отношению
к принятой базовой шкале (масштабу), а затем
сравнивать полученное значение с заданным,
что позволит определить уровень и направле-
ние воздействия на конечное значение регули-
руемой величины.
Указанный тип измерительной аппаратуры
встраивается в контур регулирования работы
установки и не может быть отделен от него.
Следовательно, такая аппаратура постоянно ис-
пользуется только для измерения конечного зна-
чения одной и той же регулируемой величины
(например, только температуры окружающей
среды в данной холодильной камере). Однако
существуют другие средства измерений и изме-
рительные приборы, независимые, или авто-
номные, т.е. переносные, которые могут ис-
пользоваться для измерения, конечно, одного и
того же параметра, но в любом месте. Это мо-
жет быть, например, переносной термометр для
1 Средства измерений в основном рассматриваются в
стандартах от \Т Е10-010 до \Т Е10-107.
измерения мгновенных значений температуры
в различных холодильных камерах или анемо-
метр, который размещают перед отверстием,
подающим охлажденный воздух, чтобы опре-
делить его скорость в различных точках сече-
ния воздушной струи. Измерительные прибо-
ры могут быть классифицированы по разным
признакам, например в зависимости от того,
являются ли они встроенными и объединенны-
ми с системой или автономными, переносны-
ми; оснащены обычной шкалой для визуально-
го снятия показаний или оборудованы записы-
вающим устройством. Однако лучше всего их
классифицировать в зависимости от измеряе-
мых величин: температуры, давления, уровня,
скорости и т.п.
2.6.2. Приборы для измерения
температуры1
2.6.2.1. Общие положения
В п. 1.3.1.1 мы уже уточняли, что темпера-
тура - это прежде всего субъективное понятие,
порожденное ощущениями тепла и холода, ко-
торые, однако, не могут быть ни измерены, ни
проградуированы2. Однако потребность в изме-
рении температуры или разработке температур-
ной шкалы возникла еще в древние времена.
Первая практическая попытка удовлетворить
эту потребность восходит к 1590 г., когда про-
фессор медицины Падуанского университета
8аШопо изготовил так называемый термоскоп
(впрочем, некоторые историки приписывают
изготовление термоскопа Галилею), который
открыл дорогу всей современной термометрии.
Термоскоп представлял собой стеклянную труб-
1 Приборы для измерения температуры рассматривают-
ся в стандартах от \Е Е18-010 до \Е Е18-015.
2 См. работу “Измерение температур” (1а темпе де»
1етрега1иге, Е МП 1е1, РУ С Ед.).
ку, верхний конец которой сообщался с атмос-
ферой, а нижний - с баллоном, содержащим
каплю окрашенного спирта, представляющего
собой жидкий указатель, поднимающийся или
опускающийся в зависимости от изменений
температуры. Этой проблемой интересовались
и другие ученые, однако во всех случаях их ап-
параты указывали только “уровень тепла и хо-
лода”. К началу XVIII в. положение измени-
лось. Благодаря исследованиям французского
физика АгпопЫопк, неаполитанского профессо-
ра ВаПо1о и двух известных физиков - прус-
ского, Фаренгейта, и французского, Реомюра,
появилась возможность определить базовые
температурные точки, а именно таяния снега
(или плавления льда) и кипения воды. Однако
первый термометр в 1740 г. изготовил шведс-
кий ученый Цельсий. Его термометр имел две
опорные точки: 0 для плавления льда и 100 для
кипения воды, которые породили шкалу Цель-
сия. В 1794 г. Комиссия мер и весов, создан-
ная национальным Конвентом, приняла прин-
цип ртутного термометра с возрастающей сто-
градусной шкалой, постановив, в частности,
что “термометрическим градусом будет одна
сотая часть расстояния между температурой
таяния льда и температурой кипения воды”.
Градуировка температуры по отношению к двум
фиксированным точкам, указанным выше, была
весьма полезной, поскольку перекрывала диа-
пазон наиболее распространенных температур,
однако не давала никакого представления о
сущности самого понятия “температура”. В
1824 г. появились работы Карно, которые по-
ложили начало термодинамике, и тогда же лорд
Кельвин, предполагая, что тепло вызывается
энергией движения молекул (см. п. 1.3.3.2.5.3),
предложил новую шкалу, рассматривая темпе-
ратуры не только как градуируемые величины,
но и как измеряемые, хотя и очень сложными
приборами типа газовых термометров. Так ро-
дилась шкала Кельвина, которую много раз из-
меняли, с тем чтобы учесть изменения, обус-
ловленные техническим прогрессом и позволя-
ющие улучшить определение опорных точек.
Согласно последней шкале, называемой Меж-
дународной практической температурной шка-
лой 1968 г. МГГПП-68 (Е1РТ-68), таких опор-
ных точек четыре1, а именно:
• 13,81 К, или-259,34°С, соответствующая
равновесию между жидкой, твердой и газооб-
разной фазами водорода (тройная точка водо-
рода);
• 273,16 К, или +0,01°С, соответствующая
равновесию между жидкой, твердой и паровой
фазами воды (тройная точка воды);
• 373,15 К, или 100°С, соответствующая
равновесию между жидкой и паровой фазами
воды (точка кипения воды);
• 3695 К, или 3422°С, соответствующая рав-
новесию между жидкой и твердой фазами воль-
фрама (температура плавления вольфрама).
Кельвин, как единица термодинамической
температуры, и градус Цельсия определены в
п. 1.1.1.2, так же как и соотношение, которое
существует между этими двумя единицами.
Табл. 1.1.4-23 и 1.1.4-24 позволяют легко пе-
ревести одни единицы измерения температуры
в другие.
Существует множество разновидностей тер-
мометров, классифицируемых в зависимости от
промежуточной измеряемой физической вели-
чины, изменения которой позволяют опреде-
лить изменение температуры. В основном раз-
личают:
- термометры, работающие за счет тепло-
вого расширения различных тел: жидких, твер-
дых, кварца, газов и измерения упругости на-
сыщенных паров;
- электрические или магнитные термомет-
ры;
- оптические термометры.
Наиболее употребительные типы термомет-
ров будут нами изучены ниже, а их диапазоны
измерения даны в табл. 2.6.2-1.
Измерение температуры всегда является до-
вольно тонкой операцией, которая требует боль-
шой тщательности и аккуратности при своем
1 Так во французском оригинале. На самом деле
МПТШ-68 основана на 11 реперных точках (см., например:
Физ. энцикл. словарь. М., 1983. С. 401). -Примеч.пер.
Таблица 2.6.2-1
Диапазоны использования термометров различных типов
Измерительный прибор Диапазон измерений, °С
Спиртовой термометр -100... +50
Обычный ртутный термометр из простого стекла -35... +300
Ртутный термометр из стекла с газовым заполнением -35... +500
Ртутный термометр из кварцевого стекла -35 ... +800
Термометр с биметаллической пластиной до +300
Термометр с твердым стержнем, меняющим длину до +600
Термометр с жидкостью, меняющей объем (плотность) -25... +500
Термометр с никелевым сопротивлением -100... +150
Термометр с платиновым сопротивлением -200... +500
Термопара медь/константаи -200... +500
Термопара железо/коистантан -200... +800
Термопара иикель/никель-хром -200...+1100
Термопара платина/ платина-родий -200... +1600
Оптический пирометр +600 и выше без ограничений
осуществлении во избежание погрешностей,
например, за счет подвода тепла излучением.
Расчет относительной ошибки измерения, если
необходимо его выполнять, нужно производить
достаточно строго, чтобы не повлиять на точ-
ность измерения.
Эксперименты показывают, кроме того, что
большая часть возможных ошибок измерения
очень часто является следствием плохо управ-
ляемых экспериментальных условий и субъек-
тивной переоценки значимости некоторых фак-
торов, влияющих на результаты измерений.
Следовательно, перед тем как предпринять рас-
чет, который будет внушать доверие, необходи-
мо полностью осознать общие условия измере-
ния.
2.6.2.2. Термометры с тепловым
расширением вещества
2.6.2.2.1. Ртутные термометры
Среди ртутных термометров наиболее ши-
роко используются такие, которые имеют запол-
ненный ртутью шарик с очень тонкой стенкой,
позволяющей быстро достичь теплового равно-
весия между температурой ртути в шарике и
замеряемой температурой среды. В стандарт-
ном исполнении они пригодны для измерения
температур до ЗОО°С, если их заполнить азо-
том, область применения расширяется до
500°С, а при выполнении шарика из кварцево-
го стекла вместо обычного - до 800°С. Ниж-
ний предел их использования ограничен тем-
пературой -35°С, поскольку температура зат-
вердевания ртути равна -39°С.
Для измерения еще более низких темпера-
тур используют другие жидкости, в частности
спирт, толуол и пентан.
Поскольку, как правило, столбик жидкости
термометра всегда выступает над средой, тем-
пературу которой хотят измерить, при точных
измерениях необходимо проводить корректи-
ровку результатов измерений, вводя так назы-
ваемую поправку на выступающий столбик. В
случае ртути эта поправка рассчитывается по
следующей формуле:
М =
п^е1 к
6300 ’ ’
где и - число градусов термометра, соответству-
ющее высоте выступающего столбика;
1е1 - эффективная температура, равная по-
казанию термометра, °С;
1се ~ средняя температура выступающего
столбика, измеренная на половине его высоты,
°С.
Поправка на выступающий столбик добав-
ляется к показаниям термометра, если только
отсутствуют четко выраженные противополож-
ные рекомендации. На практике термометры
снабжаются защитной оболочкой, что еще боль-
ше снижает точность измерений.
2.6.2.2.2. Пружинные термометры
с расширением жидкости
Такие термометры снабжены капсулой (тер-
мобаллоном), которая тоже заполнена расши-
ряющейся жидкостью (ртуть нли нефть) и
вставлена в цилиндрическую оболочку датчи-
ка погружного типа (рис. 2.6.2-1).
Термобаллон с помощью гибкой капилляр-
ной трубки связан со спиралеобразной трубкой
(пружиной), которая через передаточный меха-
низм сообщается со стрелкой указателя (термо-
метр с круглым циферблатом). Расширение
жидкости в термобаллоне при его нагреве при-
водит к повышению давления в зависимости от
температуры. В термометрах такого типа ци-
ферблат не всегда находится в той точке, где
производится измерение, а может быть выне-
сен от нее на расстояние в несколько метров,
иногда до 50 м. Однако в этом случае темпера-
тура жидкости, заполняющей капиллярную
трубку, может отличаться от температуры жид-
кости в термобаллоне, в результате чего давле-
ние при больших расстояниях будет перемен-
ным. Для устранения этой погрешности ее не-
обходимо скорректировать Корректировка про-
изводится за счет включения в состав термо-
манометра второй капиллярной трубки, точно
такой же, как первая, но без термобаллона. Тер-
деформируемая
.полая пружина
рычаг передаточного
механизма
передаточный
механизм
гибкая
капиллярная
трубка
датчик
погружного
типа
Рис. 2.6.2-1. Принципиальная схема термомаиометра,
т.е. термометра, преобразующего изменение температуры
в изменение давления
моманометр - прибор весьма удобный, однако
дорогостоящий. Время от времени необходимо
производить его поверку с помощью обычного
стеклянного термометра. Точность измерений
находится в диапазоне ±(1-3)%.
При измерениях температуры газов, и в ча-
стности воздуха, такой термометр имеет очень
большое значение постоянной времени. Для
автоматического контроля температуры термо-
манометр можно объединить с регистрирую-
щим устройством и самопишущим прибором
ленточного или роликового типа, привод кото-
рого может осуществляться либо часовым ме-
ханизмом, либо двигателем.
2.6.2.2.З. Термометры с паровым
заполнением
Такие термометры полностью идентичны
термометрам с расширением жидкости (рис.
2.6.2-2).
Однако термобаллон у них заполнен легко
испаряющейся жидкостью и связан через гиб-
кую трубку с манометрической полой пружи-
ной циферблата. Жидкость, заполняющая гиб-
кую трубку, служит только для передачи изме-
нений давления и, следовательно, не требует
Рис. 2.6.2-2. Принципиальная схема термометра с па-
ровым заполнением
наличия компенсатора. Работа этого термомет-
ра основана на строгом соответствии между
температурой и давлением насыщенных паров.
Поскольку при нагревании давление насыщен-
ных паров жидкости повышается гораздо быс-
трее, чем давление идеального газа, такой тер-
мометр обеспечивает высокую точность, со-
ставляющую ±(1-2)% от диапазона измерения.
В качестве наполнителя термобаллона обычно
используются эфир, хлористый этил, ртуть.
2.6.2.2.4. Термометры, основанные
на регистрации теплового расширения
твердых тел
Принцип работы этих термометров основан
на разнице в коэффициентах расширения двух
твердых тел. В случае стержневых термомет-
ров стержень из материала с низким коэффи-
циентом теплового расширения, например ин-
вара или фарфора, вставляется в трубку из ма-
териала с высоким коэффициентом теплового
расширения, например латуни. Такие термомет-
ры используются в основном в качестве регу-
ляторов температуры. Они развивают значи-
тельные усилия для привода регулирующих
органов, а изменение длины стержня составля-
ет не более 0,01 мм на градус.
Термометры с биметаллической пластиной
рис. 2.6.2-3) оборудованы двумя металличес-
кими лентами из материалов с различными
линейными коэффициентами теплового расши-
рения, сваренных между собой. Изменения тем-
пературы вызывают более или менее значитель-
ные деформации ленты, движение которой пе-
редается перу самопишущего устройства. Их
можно использовать в качестве самопишущих
термометров, или термографой (рис. 2.6.2-4),
тибо в качестве регуляторов местной темпера-
туры. Прибор, показанный на рис. 2.6.2-4, по-
зволяет регистрировать температуру (в диапа-
зоне от -15 до +60° С, датчик на основе биме-
таллической пластины) и относительную влаж-
ность (от 20 до 100%, датчик на основе пучка
волос).
2.6,2.3. Термометры сопротивления
Такие приборы для дистанционных измере-
ний температуры основаны на свойстве метал-
Рис. 2.6.2-3. Принципиальная схема термометра с биме-
таллической пластиной
Рис. 2.6.2-4. Дисковый датчик-регистратор 0 125 мм
(модель МимШ^ие, Зи1е8 ТНскагс! Тпйгитепй)
лической проволоки менять электрическое со-
противление при возрастании температуры.
При низких температурах в качестве чувстви-
тельного элемента используют никелевую про-
волоку, при высоких (до 500°С) - платиновую.
Сопротивление изготавливается из тонкой про-
волоки, намотанной или натянутой на стержень
из электроизоляционного материала, и помеща-
ется в защитную стеклянную оболочку. Термо-
метры сопротивления, как правило, устанавли-
ваются в сети постоянного тока с выпрямите-
лем. Напряжение их питания может меняться
от 6 до 24 В. Сопротивление включается в ка-
честве одного из плеч моста Уитстона, а ток,
протекающий по этому мосту, измеряется с по-
мощью гальванометра с подвижной рамкой.
Вместе с тем, можно предусмотреть схему, ос-
нованную на принципе сравнения двух токов,
использующую гальванометр с перекрестными
рамками (логометр, см. рис. 2.6.2-5).
Сопротивление датчика, как правило, рав-
но 100 Ом при 0°С и меняется от 0,6 % / К для
никеля до 0,4 % / К для платины.
Рис. 2.6.2-5. Принцип из-
мерения температуры с помо-
щью термометра сопротивле-
ния
термометр
сопротивления
Частным случаем термометров сопротивле-
ния являются термометры, в качестве чувстви-
тельного элемента которых используются полу-
проводники (германий, кремний и т.п.) и спе-
каемые оксиды переходных металлов. Наибо-
лее часто они изготавливаются в виде стерж-
ней. дисков или шариков. Такие датчики назы-
вают терморезисторами (термисторами) с от-
рицательным (СТМ) или положительным (СТР)
температурным коэффициентом либо просто
термисторами1. Их сопротивление при повы-
шении температуры плавно уменьшается. Из-
менение сопротивления почти в 10 раз больше,
чем для проволочных резисторов, т е. около 5%/
К. Например, при колебаниях температуры в 1
К изменения сопротивления могут достигать
1000 Ом. что резко повышает точность изме-
рений (рис. 2.6.2-6). Однако они обладают од-
ним недостатком - нелинейностью зависимос-
ти сопротивления от температуры.
Термометры на основе терморезисторов ис-
пользуются для измерения мгновенных значе-
ний температур, поскольку их постоянная вре-
мени не превышает нескольких секунд. Термо-
резистор, размещенный на кончике датчика,
чаще всего включается в одно из плеч моста
Уитстона. Его электропитание обеспечивается
с помощью батареек (рис. 2.6.2-7). Кроме того,
в зависимости от среды, температура которой
измеряется, термометр на основе терморезис-
торов комплектуется сменными зондами.
Во всех случаях нагрев чувствительного эле-
мента, вызванный протекающим по нему то-
ком, приводит к очень небольшим ошибкам из-
1 Термисторы рассматриваются в стандартах С93-
271 и ГДЕ 093-271,;.
датчики втачках
измерения
провода
регулировочные
сопротивления
к точкам
измерения
4—8
общий
провод
Рис. 2.6.2-6. Характеристические кривые термисторов
мерения. Измерения производятся с помощью
приборов, оборудованных подвижными катуш-
ками с перекрестной обмоткой (логометрами)
или подвижной рамкой. Переключатель позво-
ляет одновременно измерять температуру во
многих точках. Результаты измерений, как пра-
вило, высвечиваются на табло в виде цифр.
Рис. 2.6.2-7. Термометр на основе герморезисторов для
измерения мгновенных значений температуры (ДШез К1-
сЬагб 1п51гитеп18)
Рис. 2.6.2-8. Принципиальная схема самописца, печа-
тающего данные в виде ряда последовательных точек, ко-
торый может быть объединен с термометром сопротивле-
ния
Такие термометры бывают разных видов:
для измерения точечных значений температур,
температур воздушного потока и т.д. Их мож-
но также подключать к регуляторам с преры-
вистой аналоговой регистрацией, например, с
помощью регистратора, обеспечивающего за-
пись показаний в виде ряда последовательных
точек, который имеет стрелку, закрепленную на
подвижной рамке и отмечающую данные через
очень короткие расстояния на диаграммной бу-
маге с медленной подачей (рис. 2.6.2-8).
2.6.2.4. Термоэлектрические
термометры, или термопары
Если подогревать точку контакта концов
двух проводов из двух различных металлов или
сплавов (например, меди и константана), одно-
временно поддерживая на других концах этих
проводов более низкую температуру, в них воз-
никает электродвижущая сила (термоэдс), ве-
личина которой зависит от разности темпера-
тур горячей и холодной точек контакта (спаев)
и может быть измерена с помощью милливольт-
метра. Этот принцип измерения температур
носит название термоэлектрического или тер-
мопарного.
На рис. 2.6.2-9 показаны характеристики
наиболее распространенных термопар с диапа-
зонами их применения.
Термоэлектрические термометры обладают
очень малой постоянной времени и высокой
точностью, особенно для измерения точечных
значений температуры. Для повышения точно-
сти измерений необходимо располагать опор-
ной точкой с постоянной температурой, назы-
ваемой термостатируемой точкой, температура
которой поддерживается постоянной с помо-
щью электронагревателя. Другим способом по-
вышения точности измерений является исполь-
зование температурной компенсации с помо-
щью мостовой схемы, сопротивление одного из
плеч которой зависит от температуры. Этот тип
термометров используется для измерения вы-
соких температур, таких, как температура про-
дуктов сгорания горючих газов. Примеры схем
для измерения температур с помощью термо-
пар приведены на рис. 2.6.2-10.
2.6.2.5. Оптические пирометры
Начиная с температур примерно 1600°С тер-
мометры, которые мы только что рассмотрели,
применяться не могут. Дтя измерения высоких
значений температур служат термометры дру-
гого типа, действие которых основано на изме-
рении оптической яркости источника тепла,
сравниваемой затем с яркостью нити лампы
накаливания или другого источника света с из-
вестными характеристиками. Существуют раз-
личные типы оптических пирометров, моно-
Рис. 2.6.2-9. Электродвижущая сила, возникающая в
различных термопарах
термопара
Рис. 2.6.2-10. Примеры схем под-
ключения термопар: слева - с управля-
ющим термостатом, поддерживающим
постоянное значение опорной темпера-
туры, справа - с мостом Уитстона
Рис. 2.6.2-11. Прин-
ципиальная схема пиро-
метра с исчезающей ни-
тью накала (за счет под-
стройки тока накала нить
становится неразличи-
мой с источником света)
Рис. 2.6.2-12. Бихрома-
тический пирометр с элект-
ронным блоком обработки
сигнала (модель ТК7380В
АО1Р Мезигез)
хроматические с исчезающей нитью накала,
среди которых наиболее известен пирометр
ВлЬаис! (рис. 2.6.2-11), бихроматический с ячей-
кой (рис. 2.6.2-12) или с объемным излучени-
ем.
2.6.2.6. Пирометры с оптико-
механическим сканированием1
Здесь речь идет о приборах, более извест-
ных под названием инфракрасных камер. Они
1 См стандарт КГ XI0-023 “Теплоизоляция. Инфра-
красный метод количественной оценки тепловых неоднород-
ностей в наружной облицовке зданий”, а также следующие
статьи: “Практическое применение термографии”
(АррНсабопз ргабдиез <1е 1а Легто^гарЫе, Е.НигЬе, СЬаид-
Его1д-Р1отЬепе, 1990, №513, р.77-81); “Термография в хо-
лодильной технике” (Ьа Щегто^гарЫе роиг 1е 1го1д аизы,
Е.НигЬе, Кегле РгаПдие ди Гнид, 18.07.91, р.65-66); “Инф-
ракрасная термография” (Ьа 1Ьегто§гарЫе 1пГгагои2е,
О.Райето, Кегие Ргайдие ди Гго1д, 1992, №747, р.26-27);
“Инфракрасная термография” (ТЬегто^гаркпе 1пГгагои§е,
М.КоЫп, СЬаийа^е, УепЫайоп, 1992, №12, р.39-40).
очень широко используются дая измерения тем-
ператур поверхностей на основе огромного ко-
личества точечных замеров, позволяющих по-
лучать распределение температурных полей на
большой поверхности. Такой прибор может
быть очень полезен для визуализации состоя-
ния наружной теплоизоляции холодильного
склада или холодильной камеры. Кроме того
он обладает высокой чувствительностью, позво-
ляющей обнаруживать и помечать небольшие
тепловые мосты, обусловленные наличием раз-
личных крепежных деталей, а следовательно,
и поврежденные стыки, изъяны теплоизоляции
ее повреждения, которые очень четко просту-
пают на графических изображениях темпера-
турных полей. Такие изображения могут быть
как черно-белыми, гак и цветными. В первом
случае более теплые места, те. тепловые мос-
ты. будут выглядеть более светлыми в отличие
от более холодных мест. Для цветного изобра-
жения температурных полей интерпретация
цветов возможна только при наличии соответ-
ствующей физической картины, помеченной
значениями изотерм.
На рис. 2.6.2-13 приведен образец низкотем-
пературного пирометра, у которого результаты
Рис. 2.6.2-13. Низкотемпературный инфракрасный пи-
рометр (модель ТЬегторойй 80, АО1Р Меяигз)
измерений высвечиваются на экране. Такой
пирометр предназначен для измерения темпе-
ратур в очень широком диапазоне (от -30° до
-1300°С), оборудован разъемом для подключе-
ния аналогового устройства, позволяющего
представлять результаты измерений в виде кар-
тины распределения температурных полей.
Независимо от того, какой вид термографии
используют - черно-белый или цветной, она
остается очень тонким инструментом контро-
ля, в совершенстве владеть которым может
только специалист, тем более, что при прове-
дении измерений необходимо учитывать внеш-
ние факторы, такие, например, как сила ветра,
поскольку даже небольшие его порывы могут
полностью “смазать” тепловую картину, или
солнечное излучение, сильно искажающее ре-
зультаты измерений.
2.6.2.7. Прочие термометры
В качестве одного из отличительных призна-
ков термометров может выступать также диа-
пазон измеряемых температур, т.е. термомет-
ры могут быть низкотемпературные и высоко-
температурные. Для измерения высоких темпе-
ратур можно использовать:
-термочувствительные карандаши, которые
при вполне определенной температуре необра-
тимо меняют свою окраску. Могут быть, одна-
ко, и такие карандаши, в которых в результате
физических превращений в их стержне изме-
нение оттенка носит обратимый характер;
- таблетки, которые при достижении опре-
деленной температуры внезапно расплавляют-
ся, позволяя тем самым фиксировать значение
этой температуры;
- плавкие конусы (конусы Зегера), также
размягчающиеся при фиксированной темпера-
туре.
Для измерения низких температур могут
служить:
- газовый термометр, основанный на изме-
рении давления идеального газа в замкнутом
постоянном объеме, которое строго пропорци-
онально его абсолютной температуре. Т емпера-
тура газа определяется по величине его давле-
ния. В некоторых случаях измерение темпера-
туры производится на основе измерения скоро-
сти звука в газообразном гелии (метод стоячих
волн Кшкй). Этот тип термометра использует-
ся для измерения температур выше 2 К;
- полупроводниковый термометр, сопротив-
ление которого растет при понижении темпе-
ратуры. Наиболее точными среди термометров
этого типа являются термометры на основе гер-
мания с добавками мышьяка или гелия. Ис-
пользуются в диапазоне температур от 0 до при-
мерно 1 К;
- термометр сопротивления на основе спла-
ва из меди или золота с небольшим содержа-
нием железа, минимальное сопротивление ко-
торого достигается в диапазоне температур от
7 до 25 К;
- термометр сопротивления на основе чис-
того металла, например платинового сопротив-
ления, укрепленного в кремниевом за киме и
установленного в ампулу из кремния, заполнен-
ную гелием, который позволяет измерять тем-
пературы, достигающие значения тройной точ-
ки водорода, т.е. около 14 К;
- термометр адиабатического размагничи-
вания парамагнитного вещества, такого, как же-
лезоаммонийные квасцы или цериево-магние-
вый нитрат. При измерениях с помощью таких
термометров для получения истинного значе-
ния температуры необходимо согласование
“магнитной температуры” с термодинамичес-
кой шкалой температур
2.6.2.8. Измерительные приборы
многоцелевого назначения,
используемые при измерении
температур
Отдельные производители предлагают аппа-
раты, пригодные для измерения ие только тем-
пературы, но и других величин, наиболее час-
то объединяемых с температурой, а именно
влажности и скорости воздушного потока. На
рис. 2.6.2-14 представлен прибор, способный
одновременно измерять температуру, влажность
и скорость воздуха
Характеристики различных датчиков, ис-
пользуемых в комплекте с таким комбинирован-
ным прибором, приведены в табл. 2.6.2-2.
К прибору, изображенному на рис. 2.6.2-14,
можно также подключить либо печатающее ус-
тройство, либо согласующий переходник для
подключения к компьютеру. Печатающее уст-
ройство (рис 2.6.2-15, а) имей память на 2500
значений измеряемой величины позволяющую
запомнить и/или отпечатать эти значения в фор-
ме протокола, содержащего, кроме того, дату
измерения, время суток и номер измерения.
Переходник для подключе нит к РС-компьюте-
ру (рис. 2.6.2-15, б) обеспечивает связь с ин-
формационно-вычислительной системой, по-
зволяющей выдавать измеренные значения на
принтер или монитор. Это позволяет, например,
выполнив в течение рабочего дня необходимые
измерения, обраоотать их вечером на компью-
тере, не нуждаясь в подключении соответству-
ющей информационно-вычислительной систе-
мы, что облегчает проведение измерений пря-
мо на монтажной площадке.
Рис. 2.6.2-14. Прибор для измерения температуры воз-
душного потока, его скорости и влажности (модель Тея1о
451, Те81ой1епп).
1 разъем для подключения печатающего устройства
и компьютерной приставки РС; 2 - цифровое табло для од-
новременной индикации значений двух измеряемых вели-
чин: 3 гнездо для размещения батарейки или аккумулято-
ра; 4 кнопка индикации максимального, минимального и
среднего значения измеряемой величины; 5 — клавиша
“пуск/стоп”; 6 - клавиша “пуск/стоп/ средняя величина”:
7 перевод измеряемой величины; 8 - разъем для подклю-
чения датчика “влажность-температура”; 9 - разъем для
подключения анемометра и датчика температуры; 10 -
разъем для подключения сети; 11 — аналоговые выходы
2.6.3. Приборы для измерения
давлений1
2.6.З.1. Общие положения
В п. 1.3.5.1, к которому читатель при жела-
нии може! обратиться, мы уже рассмотрели
1 См. стандарты КГ В35-701, с КЕ Е15-012 по КЕ
Е15-100 исКГ ХЮ-521 по КЕ ХЮ-525
Рис. 2.6.2-15. Печатающее устройство (а) для запоминания и воспроизведения результатов измерений н переходник
(б) для передачи данных по замерам в компьютер при выполнении измерений с помощью многофункционального прибо-
ра, изображенного на рис. 2.6.2-14.
а) 1 бумажный носитель информации; 2 - подача бумаги; 3 - включение печати; 4 память; 5 клавиша включения
ручного режима; 6 - клавиша включения автоматического режима; 7 разъем для подключения прибора или переходника;
8 клавиша очистки памяти; 9 подключение блока питания.
6) 1 клавиша переключения трех положений передачи данных; 2 - разъем для подключения к печатающему устрой-
ству, 3 разъем для подключения к прибору; 4 - соединительный кабель (к компьютеру)
понятие давления. Однако измерительные при-
боры прсдна шачены /щя измерения не просто
давления, а вполне конкретного его значения,
поэтому вначале нам нужно уточнить, что по-
нимается под терминами “избыточное давле-
ние”, “абсолютное давление” и “вакуум”.
Эксперименты с манометрической капсу-
лой и магдеоургскими полушариями (см. п.
1.3.5.3.1) позволили нам продемонстрировать
существование атмосферного давления, вели-
чина которого на уровне моря, называемая нор-
мальным атмосферным давлением, при 0°С
близка к 1,013 бар, т.е. 101 300 Па.
Исходя из этой величины можно опреде-
лить:
- избыточное, или относительное, давление
как превышающее атмосферное давление и рас-
считываемое на основе указанной величины
нормального атмосферного давления;
отно< иг у пьный вакуум, соответствующий
давлению ниже атмосферного и рассчитывае-
мый также на основе величины нормального
атмосферного давления
Если сложить избыточное и атмосферное
давление, получится абсолютное давление.
Ноль абсолютного давления соответствует пол-
ному отсутствию всякого давления, т.е. абсо-
лютному вакууму. Разумеется, имея два значе-
ния избыточного давления либо два значения
абсолютного давления, всегда можно измерить
разность между ними, которую называют пере-
падом давления.
Представители различных профессий, име-
ющие дело с давлением, могут использовать в
разговоре выражения, принятые в их отрасли.
Например, специалисты по центральному ото-
плению, говоря о котлах с топками, на ш.вакх.
их наддуваемыми котлами или топками с над-
дувом, а говоря о трубах, называют их вытяж-
ными трубами и трубами с разрежение м
Для измерения давлений существует множе-
ство разнообразных приборов, которые можно
разделить на три большие категории:
• приборы для измерения обычных давлений,
т.е. от атмосферного до давле ния порядка 50
МПа,
• приборы для измерения вакуума, т.е. давле-
ний ниже атмосферного, которые, в свою оче-
редь, могут быть сгруппированы в четыре ин-
тервала, а именно:
- низкий (грубый) вакуум, т.е. 1 мбар<р <103
мбар,
Таблица 2.6.2-2
Характеристики датчиков температуры, влажности и скорости воздушного потока, используемых в комплекте
с многоцелевым измерительным прибором (рис. 2.6.2-14)
Датчики температуры Описание Чувстви- тельный элемент Диапазон измере- ний
И— 15° » 010 Малоинерционная пластин- чатая термопара, 1о,и>=3 с (постоянная времени) ЬЯСг—№ -200 ... +500°С
^-.-,-7.- * Термопара в виде таблетки на жестком стержне для измере- ния температуры плоских поверхностей, /099=2 5 с МСг № -200 ... +600°С
|+- _ ► 0 1,5 Малоинерционная термопара для измерения температуры жидких и сыпучих сред, 1(1,99 = 1 С МСг—№ 200 ... +600°С
к 150 Т, 0 0.5 Малоинерпионная проволоч- ная термопара для измерения температуры жидких и газо- образных сред, Го.99 по возду- ху = 9 с ТйСг—№ -200 ... +600°С
Лопастные термоанемометры
|+ 180 + 0 25 ' Термоанемометрический датчик, точность ±1% конеч- ной величины Осевая крыль- чатка №Сг-№ 0,4... 40,0 м/с -30... >140“С
|Я _ '_ 180 > -Г7 1 11 0 16 Термоанемометрический датчик, точность ±1% конеч- ной величины (до 40 м/с) Осевая крыль- чатка Ы1Сг-Ы1 0,4... 60 0 м/с 30... +140 °С
|< 180 > 0 12 Анемометрический датчик, точность ±2,5% конечной величины Осевая крыль- чатка 0,6 ...20,0 м/с
И. 560 > 0 25 стальной наконечник Т ерм оанем ометрический датчик для повышенных температур (до 350°С), точ- ность ±2,5% конечной вели- чины Осевая крыль- чатка МСг-М 0,4... 20,0 м/с -40... +350°С
280 0 100 Анемометр большого диа- метра (0 100 мм). Точность ±0,Зм/с; диапазон от 20 до +60°С Осевая крыль- чатка 0,2 ...15,0 м/с
Датчик влажности
14. _ 245 > Датчик для измерения темпе- Емкостный, 0... 100% относи-
ратуры и влажности окру- ста тельной влажности
жающей среды -20 ...+70°С
0 21
- средний вакуум, т.е. 10-3мбар<р<1 мбар,
- высокий (глубокий) вакуум, т.е. 10’7 мбар
<р<10'3мбар,
- сверхвысокий (сверхглубокий) вакуум, т.е.
р<10'7мбар;
• приборы для измерения высоких давлений,
т.е. выше 50 МПа.
Каждая из этих категорий содержит различ-
ные приборы, диапазоны измерения которых в
большей или меньшей степени пересекаются.
В целом различают:
- барометры, используемые для измерения
атмосферного давления, отсчет показаний ко-
торых начинается от абсолютного нуля;
- манометры, служащие обычно для изме-
рения положительного давления, отсчет пока-
заний которых начинается либо с абсолютного
нуля для абсолютного давления, либо с атмос-
ферного давления для избыточных давлений;
- вакуумметры, индикаторы вакуума, изме-
рители разрежения, микроманометры и мано-
закуумметры, используемые для измерения дав-
лений ниже атмосферного, отсчет показаний
которых начинается либо с атмосферного дав-
ления, либо с абсолютного нуля.
За исключением измерительных приборов
гидростатического типа, т.е. таких, в которых
величина измеряемого давления определяется
.то наблюдаемой высоте уровня столба жидко-
сти, все остальные манометры имеют усили-
тельный механизм, предназначенный для уве-
личения перемещений, как правило очень не-
значительных, чувствительного органа и позво-
ляющий тем самым повысить разрешающую
способность циферблата, проградуированного
з выбранных единицах измерения давления. Во
время изучения диаграммы Л, 1§р (п. 1.3.6.2.4)
мы увидели, что существует точное соотноше-
ние между температурой жидкости и давлени-
ем ее насыщенных паров. Именно поэтому ма-
нометры, используемые в холодильной техни-
ке, имеют двойную шкалу давление/температу-
ра. Однако если шкала давлений может быть
использована для любых хладагентов, то тем-
пературная шкала будет давать правильные по-
казания только для данного хладагента. Так,
например, манометр, предназначенный дая ис-
пользования в холодильной установке, работа-
ющей на К.22, при абсолютном давлении 11,92
бар будет показывать температуру 30°С, в то
время как, будучи смонтированным на установ-
ке, заправленной Я23, и показывая для того же
давления 11,92 бар те же 30°С, данный мано-
метр даст ложную информацию, поскольку на
самом деле температура 1323 при давлении
11,92 бар составит -2 5 °С.
Не следует, кроме того, упускать из виду; что
любой прибор для измерения давления являет-
ся хрупким аппаратом и может сохранять пер-
воначальную точность в течение долгого вре-
мени только в том случае, если он не был под-
вержен ударам, температурным воздействиям
или вибрациям, на которые он не рассчитан. В
современных холодильных установках измере-
ние большинства параметров и управление ими
осуществляются на расстоянии, особенно в ус-
тановках с централизованным дистанционным
управлением (см. п. 2.4.4.3). В этом случае зна-
чение измеренного давления должно быть пре-
образовано в сигнал, который можно передавать
на расстояние, для чего используют, как пра-
вило, пневматические, электрические или элек-
тронные преобразователи1. Можно также пре-
образовать обычный манометр в самопишущий
прибор, заменяя указательную стрелку на перо
самописца, вычерчивающее кривую колебаний
давления на диаграмме, образованной враща-
ющимся диском или движущейся лентой.
Монтаж манометра иа трубопроводе должен
производиться с соблюдением определенных
правил: отверстие дая отбора давления долж-
но быть просверлено в гладкой стенке вдали от
местных сопротивлений или изгибов и предназ-
начаться только для установки манометра.
Большинство приборов дая измерения давле-
ний должны регулярно подвергаться проверкам,
которые проводятся с помощью эталонных при-
боров путем сравнения показаний эталонного
и проверяемого приборов.
1 См. стандарт ЦТЕ С46-302 С “Измерения и управле-
ние в технологических процессах. Испытания и процедура
приемки линии передачи абсолютного и избыточного дав-
лений и перепада давлений”.
2.6.З.2. Барометры
В основном различают металлические и
ртутные барометры. Принцип работы металли-
ческого барометра уже рассматривался в п.
1.3.5.3.1 (рис. 1.3.5-14) в связи с эксперимен-
тальной схемой, позволяющей демонстрировать
существование атмосферного давления. Откач-
ка воздуха из мембранной полости позволяет
исключить влияние изменений температуры на
деформацию мембраны, и ее прогиб остается
таким же, каким он был в момент тарировки.
Поскольку нормальное атмосферное давление
составляет примерно 10,13 Н/см:. необходимо
укрепить мембранную коробку стальной пружи-
нящей пластиной, сила упрутости которой дол-
жна в каждый момент времени уравновешивать
силу атмосферного давления, препятствуя тем
самым смятию мембранной коробки. Деформа-
ция мембранной коробки передается через шар-
нирное соединение с помощью рычага, враща-
ющегося относительно неподвижной точки,
стрелке, другой конец которой перемещается по
соответствующей шкале. Конец стрелки может
быть заменен пером, позволяющим обеспечить
графическую регистрацию изменений давления
в зависимости от времени
Металлические барометры - удобные в ис-
пользовании и очень точные приборы, однако
с течением времени они теряют точность вслед-
ствие потери упругости двух основных деталей:
мембранной коробки и пружинящей пластины.
Качества ртутных барометров в известном
смысле противоположны металлическим баро-
метрам. Так в отличие от последних ртутные
барометры очень хрупки, поскольку содержат
стеклянную трубку высотой около 1 м, нижний
открытый конец которой погружен в кювету,
заполненную ртутью. Будучи очень громоздки-
ми и, как следствие, неудобными для транспор-
тировки, они используются либо в лаборатори-
ях, либо в домашних условиях. Трубка Торри-
челли, которую мы уже использовали в экспе-
риментальной схеме на рис. 1.3.3-17, может
рассматриваться как предшественник ртутного
барометра.
2.6.З.З. Манометры с 11-образной
трубкой
11-образные манометры состоят из стеклян-
ной трубки, изогнутой в виде буквы 11, напол-
ненной водой, спиртом или ртутью, и представ-
ляют собой простейшие приборы для измере-
ния избыточного давления или разрежения
(рис. 2.6.3-1). В табл. 2.6.3-1 приведены плот-
ности наиболее часто используемых для запол-
нения 11-образных манометров жидкостей. 11-
образные манометры используются в обычном
диапазоне температур для давлений от 0.1 мбар
до 2,5 бар при заполнении водой и от 1 мбар
до 2,5 бар при заполнении ртутью. Их точность
составляет около 1%.
Для измерения слабых давлений (ниже 2-3
мбар) с помощью 11-образной трубки каждая ее
ветвь наполняется жидкостью с низкой плотно-
стью. плавающей поверх более плотной жид-
кости, например нефть поверх воды; на этом
принципе основана работа двухжидкостного
манометра (рис. 2.6.3-2). Смысл такой конст-
рукции заключается в увеличении разности
уровней, которое достигается с ее помощью (в
Рис. 2.6.3-1. Принципиальная схема V-образного ма-
нометра с равными ветвями
Таблица 2.6.3-1
Плотность основных жидкостей, используемых
в манометрах с жидкостным наполнением
(гидростатические манометры)
Жидкость Вода Нефть Спирт Бензин
Плотность, г/см3 1 0,79...0,82 0,80 0,879
Жидкость Толуол Нитробензол Хлороформ Ртуть
Плотность, г/см3 0,864 1,20 1,50 13,55
Ар—Л-д-Др
Рис. 2.6.3-2. Принципиальная схема двухжидкостного
манометра.
р] и р2 - плотности двух жидкостей
42 раза для пары анилин- вода по отношению к
трубке, заполненной только одной водой).
В случае еще более слабых давлении, т.е.
начиная с тысячных долей ми ьтибара. исполь-
зуют микроманометры среди которых наибо-
>сс употребительные представляют собой на-
клонное колено (рис. 2.6.3-3).
Наклон трубки увеличивает перемещение
уровня жидкости при одном и том же измене-
нии давления по сравнению с вертикальной
трубкой, что повышает точность измерений.
Некоторые модели оборудованы специальным
шарнирным механизмом, позволяющим менять
уклон трубки от 1:25 до 1:2. Наиболее совер-
шенные образцы микроманометров позволяют
измерять абсолютные давления порядка 10‘6
мбар.
Все Н-образные манометры могут быть ис-
пользованы для измерения разности давлений
(дифференциальные манометры). При этом из-
меряемые давления соединяются с двумя вет-
вями трубки. Наконец, если одну из ветвей 11-
образного манометра отвакуумировать как в
ртутном барометре, то его можно использовать
для измерения абсолютного давления.
2.6.З.4. Торовые маятниковые
манометры
Такие манометры представляют собой, в
сущности, полый тор, размещенный в верти-
кальной плоскости с возможностью вращения
вокруг оси, перпендику.ырной по отношению
к этой плоскости и смещенной относительно
центра тора (рис. 2.6.3-4).
Внутренняя полость тора разделена непро-
ницаемой перегородкой и жидкостной перемыч-
кой на два объема один из которых сообщает-
ся с атмосферой, а другой - с измеряемым дав-
лением. В равновесном положении (давление
в обеих частях полости равно) уровень жидко-
сти, котора" частично заполняет полость тора,
один и тот же с двух сторон. Однако, если на
одну из сторон жидкой перемычки начинает
действовать избыточное давление Др, равнове-
Рис. 2.6.3-3. Пример микроманометра
с наклонным коленом (модель ЕЫ.5,
А1гПо\у)
Рис. 2.6.3-4. Принципиальная схема торового маятни-
кового манометра
сие нарушается и жидкость поднимается к дру-
гой стороне, порождая тем самым вращающий
момент, приложенный к тору. В результате тор
разворачивается вокруг оси, перпендикулярной
плоскости размещения тора, приводя к появле-
нию приложенного к центру тяжести тора про-
тиводействующего момента, обусловленного
наличием противовеса. Поворот происходит до
тех пор, пока оба момента не уравновесятся.
Измеряемая разность давлений при этом будет
пропорциональна синусу угла а отклонения
тора от равновесного положения. Связь полос-
тей тора с точками, в которых измеряется дав-
ление, обеспечивается с помощью гибкой ре-
зиновой трубки или. для более высоких давле-
ний, капиллярной трубки. При использовании
такого манометра в качестве дифференциаль-
ного никаких изменений в его конструкции не
требуется, достаточно лишь заменить во второй
части тора атмосферное давление на давление,
разность по отношению к которому нужно из-
мерить. Точность торовых маятниковых мано-
метров составляет порядка 1% от диапазона
измерений. Их область использования лежит в
диапазоне от 1,5 до 2 мбар для небольших при-
боров и от 0,2 до 0,3 бар для более крупных
приборов.
2.6.З.5. Колокольные и поплавковые
измерители давления
Колокольный измеритель давления пред-
ставляет собой резервуар, наполненный рабо-
Рис. 2.6.3-5. Принцип работы колокольного измерите-
ля давления
чей жидкостью (нефть, ртуть или спиртоводя-
ная смесь), в которую погружен колокол. В га-
зовую полость под колоколом подводится изме-
ряемое давление (рис. 2.6.3-5).
Для приборов с простым колоколом граду-
ировка шкалы может быть выполнена от 0 до 2
мбар или от 0 до 50 мбар. Заменяя индикатор-
ную стрелку на перо самописца, прибор мож-
но легко превратить в регистрирующее устрой-
ство.
Принцип работы поплавкового измерителя
давления аналогичен (рис. 2.6.3-6).
Рис. 2.6.3-6. Принцип работы поплавкового измерите-
ля давления
2.6.З.6. Пружинные манометры
Пружинные манометры - наиболее много-
численные и, как правило, наиболее употреби-
тельные средства измерения давлений, приме-
няемые в холодильной технике. К этой катего-
рии в первую очередь относятся используемые
в холодильных установках манометры с труб-
кой Бурдона и сильфонные манометры со сталь-
ной пружинящей пластиной. Среди пружинных
манометров различают следующие.
а) Манометры с металлической мембра-
ной. Изготовлены в виде двух плоских дисков
с зажатой между ними металлической гофри-
рованной мембраной, гофры которой сформи-
рованы таким образом, чтобы обеспечить ли-
нейность характеристики “давление/деформа-
ция”.
б) Манометры с трубкой Бурдона (рис.
2.6.3-7). Снабжены дутообразной трубкой
овального или близкого к прямоугольному се-
чения, изготавливаемой обычно из нержавею-
щей стали, а также, в некоторых специальных
случаях, из латуни, меди или сплава “монель”.
Такая трубка изготавливается в заводских ус-
ловиях по специальной технологии, обеспечи-
вающей сохранность ее упругих свойств во вре-
мени. Разумеется, толщина стенок трубки за-
висит от максимального давления, которое в нее
может быть подано.
Под влиянием внутреннего давления сече-
ние трубки раздувается, все больше и больше
приближаясь по форме к окружности. При этом
У величение площади сечения трубки сопровож-
дается возникновением в ней упругих сил, как
в пружине. Трубка может быть изогнута в фор-
ме буквы С, как показано на рис. 2.6.3-7, но
может бьггь также изготовлена в виде плоской
спирали, винтовой линии или буквы П. Мано-
метры с трубкой Бурдона являются надежны-
ми инструментами, стойкими к механическим
воздействиям, и могут быть использованы в
очень широком диапазоне давлений: от 1 мбар
до 6000 бар при точности измерений порядка
1%. Однако в целях сохранения их начальной
точности в течение продолжительного времени
манометры с трубкой Бурдона рекомендуется
использовать для измерения давлений, макси-
мальное значение которых не превышает трех
четвертей максимального давления на их шка-
ле.
в) Манометры с мембранной коробкой.
Представляют собой приборы, чувствительный
элемент которых выполнен в виде двух, как
правило гофрированных, мембран, скреплен-
ных по краям (пайкой, сваркой, склеиванием и
т.п.). Основным преимуществом такой схемы
является увеличение деформации при одном и
том же давлении, поскольку для одинаковых
наружных диаметров прогиб мембранной ко-
робки почти вдвое больше прогиба обычной
мембраны. Точность этих приборов достигает
обычно значений нс хуже 0,2%. Их можно ис-
пользовать для измерения абсолютных давле-
ний. если из коробки предварительно откачать
воздух (принцип барометра-анероида, см п
2.6.3.2). При необходимости повышения точно-
сти измерений можно использовать модели с
несколькими мембранными коробками.
г) Сильфонные манометры. Имеют чув-
ствительный элемент в виде гофрированной
трубки из нержавеющей стали, томпака (крас-
ной латуни) или монеля, зажатой в пружине или
стальной пластине с возможностью деформа-
ции под действием давления, подаваемого
внутрь трубки. Манометры этого типа облада-
ют высокой, прочностью, стойкостью к воздей-
ствию ударов, вибраций и забросов давления.
На рис. 2.6.3-8 представлен сильфонный мано-
метр с двойной шкалой. Шкала давления про- |
градуирована в кг/см2, ч ю очень близко к шка-
ле, проградуированной в барах. Однако чита-
тель должен заметить, что кг/см2, строго гово-
ря, не является единицей давления. На самом
деле имеется в виду кгс/см2 (тоже, впрочем,
запрещенная к применению единица измере-
ния), причем 1 кгс/см2=0,981 бар.
2.6.З.7. Электрические
микроманометры
Электрические микроманометры представ-
ляют собой два электрода, которые вместе с
мембраной образуют электрическую емкость с
воздушной прослойкой (рис. 2.6.3-9).
Когда мембрана под действием разности
давлений двигается относительно среднего рав-
новесного положения, емкость двух воздушных
конденсаторов меняется, что приводит к появ-
лению электрического сигнала, который мож-
но измерить. В таких микроманометрах часто
можно менять диапазон измерений, который
составляет, например, от 0 до 2 мбар или от 0
до 50 мбар. Эта схема может быть вмонтиро-
вана в коробку небольших размеров, в резуль-
тате чего мы получим портативный микрома-
Рис. 2.6.3-7. Принципиальная схема манометра с трубкой Бурдона (слева) и пример такого манометра, оборудованного
двойной шкалой (давление и соответствующая этому давлению температура насыщенных паров) для В502, К22 и К12
(модель М2-500-М Вейо):
1 трубка Бурдона; 2 - крепление трубки; 3 пружина, 4 - зубчатый сегмент; 5 управляющая тя а; 6 зубчатое
зацепление; 7 стрелка. 8 - шкала
Рис. 2.6.3-8. Принципиальная схема сильфонного манометра (слева) и пример его выполнения с двойной шкалой (дав-
ление и соответствующая температура насыщенных паров) для аммиака (модель МН3-100К, В1ош1е1|е/КеГсо):
А - пружина; X - сильфон; К крепление сильфона. /'- вилка, управляющая движением индикаторной стрелки; V -
винт регулировки нуля Г измеряемое давление; а и Ъ - крепежные винты
измеряемое давление мембрана
Рис. 2.6.3-9. Принципиальная схема микроманометра,
работающего по типу воздушного конденсатора
нометр, как правило, с цифровым табло, кото-
рый можно носить с собой (рис. 2.6.3-10).
Встроенный микрокалькулятор обеспечива-
ет вычисление квадратного корня из значения
давления, что позволяет одновременно получать
Рис. 2,6.3-10. Цифровой карманный микроманометр,
работающий на батарейках (емкостный микроманометр)
на табло скорость потока, если измеряется пе-
репад давления на трубке Пито (см. п. 2.6.3.8).
2.6.З.8. Трубки Пито и Прандтля
Трубки Пито и Прандтля используются для
измерения динамического давления (скоростно-
го напора) в потоке движущейся сплошной сре-
ды, т е. давления, которое является результатом
полного преобразования кинетической энергии
потока в энергию давления. Скоростной напор
рассчитывается по формуле
1
Р<Г2 Р'н ' Па’
где - скорость потока, м/с;
Рис.2.6.3-11. Трубка Прандтля, используемая для изме-
рения давлений в но/оке жидкости или газа:
1 канат огбора скоростного напора; 2 статическое
давление: 3 полное давление; 4 манометр с наклонной
трубкой: 5 I-образный мапомеф
р - плотность среды, кг/м3.
Самым простым измерительным прибором
является трубка Пито, в носовой части которой,
устанавливаемой в потоке среды параллельно
его оси, имеются отверстия для отбора давле-
ния. Однако чаще используется прибор, извес-
тный под названием трубки Прандтля (рис.
2.6.3-11), который позволяет измерять одновре-
менно и статическое и полное давление в по-
токе.
Прибор имеет два отвеи^Иоля отбора дав-
ления. Одно, расположенное на переднем кон-
це носовой части трубки, параллельной пото-
ку, отбирает давление заторможенного потока,
т.е. полное давлениер,=р +ра- Другое отверстие
имеет форму щели, ось которой перпендикуляр-
на оси потока. Через него отбирается статичес-
кое давление в потоке. Тогда динамическое дав-
ление ра (или скоростной напор) будет равно
разности полного и статического давлений, т.е.
РгРгР.
Его величину определяют, соединяя две вет-
ви манометра с двумя выходами трубки Пран-
дтля, как показано на рис. 2.6.3-11. В любом
случае необходимо помнить, что следует разли-
чать трубопроводы с избыточным давлением
или разрежением (рис. 2.6.3-12).
Рис. 2.6.3-12. Распределение давлений в трубопроводах с избыточным давлением (слева) и разрежением (справа)
2.6.З.9. Специальные приборы
для измерения вакуума, используемые
в холодильной технике1
Перед заправкой холодильной установки
хладагентом необходимо по целому ряду при-
чин (см. разд 4.1.4) отвакуумировать холодиль-
ный контур с помощью вакуумного насоса. Глу-
бина'вакуума при этом должна быть достаточ-
ной для того, чтобы при данной окружающей
температуре (которая также соответствует тем-
пературе воздуха в трубопроводах контура)
вода, находящаяся во взвешенном состоянии в
воздухе внутри трубопроводов, могла испарить-
ся и в виде паров была удалена из контура в
процессе вакуумирования. При температуре
20°С, например, давление насыщенных паров
воды равно 23.3 мбар, следовательно, чтобы
вода могла испариться, давление в контуре дол-
жно упасть ниже этой величины. При темпе-
ратуре -25 °С для испарения воды давление
нужно понизить до 0,67 мбар. Отсюда стано-
вится понятной необходимость иметь в распо-
ряжении достаточно точные приборы .для изме-
рения вакуума, чтобы быть уверенным в том,
что ссе пары воды, содержащиеся в холодиль-
1 См. стандарты КГ ХЮ 500 “Вакуумная техника, тер-
мины и определения, общие понятия”; ХЮ-502 ‘ Вакуум-
ная техника. Термины и определения. Вакуумные маномет-
ры. Многоязычный словарь”; ХЮ-520 “Вакуумная техни-
ка. Измерение давления в промышленных вакуумных сис-
темах”; ХЮ-521 “Вакуумная техника. Манометры. Повер-
ка. Метод прямого сравнения”; ХЮ-523 “Вакуумная тех-
ника. Общие методы повер. л манометров .для низких дав-
лений”; ХЮ-524 “Вакуумная техника. Динамический ме-
тод поверки манометров”.
ной установке, будут удалены. Как мы уже уточ-
няли в п. 2.6.3 1, вакуум подразделяется на низ-
кий (грубый), средний и высокий и для изме-
рения различных категорий вакуума использу-
ются различные приборы.
Основным среди этих приборов является
мембранный мано вакуум метр, однако мембра-
на в нем не гофрированная, как в приборах,
описанных в п. 2.6.3.6, а гладкая, гибкая, что
обеспечивает ее деформацию при меньших дав-
лениях. Для мановакуумметра, представленно-
го на рис. 2.6.3-13, шкала измерений програ-
дуирована от 1 до 1000 мбар, но диапазон от 1
до 100 мбар занимает примерно 3/4 шкалы,
причем 1/4 шкалы приходится на диапазон от
1 до 10 мбар, так что в этом диапазоне градуи-
ровка наиболее подробная и частая, что обес-
печивает высокую точность показаний прибо-
ра.
Рис. 2.6.3-13. Пример мановакуумметра дая измерения
абсолютного давления в диапазоне от 1 до 1000 мбар
Для измерения давлений ниже 1 мбар мож-
но использовать два других типа приборов1 *,
позволяющих регистрировать давления до 10‘3
мбар. Такими приборами являются:
- вакуумметр, работающий по принципу ма-
нометра Мак-Леода и состоящий из двух стек-
лянных резервуаров, заполненных ртутью, ко-
торая перетекает из одного резервуара в дру-
гой в зависимости от величины измеряемого
давления;
- термопарный вакуумметр; в нем исполь-
зуют нить накаливания, помещаемую в разре-
женный газ, которая нагревается проходящим
по ней током. Это приводит к теплообмену, в
том числе конвективному, между нитью и тер-
мопарой, интенсивность которого зависит от
давления.
Для измерения глубокого и сверхглубокого
вакуума используют ионизационные вакууммет-
ры, радиоизотопные и термомолекулярные при-
боры, однако их рассмотрение выходит за рам-
ки настоящей книги.
2.6.4. Приборы для измерения
влажности
Перед знакомством с этим разделом чита-
телю полезно было бы предварительно вновь
просмотреть пп. 2.2.1.1 н 2.2.1. 2.
2.6.4.1. Трубки с влагопоглотителем
Принцип работы этих трубок прост: после
точного взвешивания нескольких трубок, кото-
рые наполнены хлористым кальцием или ли-
тием, обладающими очень высокой способно-
стью к поглощению влаги, их устанавливают в
последовательную цепочку и продувают возду-
хом, влажность которого требуется измерить.
После того как любым из доступных способов
определено количество воздуха, прошедшее че-
рез влагопоглощающие трубки, проводят новое
1 См. стандарты ЫГ ХЮ-522 “Вакуумная техника. Ме-
тод прямого сравнения при поверке ионизационных мано-
метров” и КГ ХЮ-525 “Вакуумная техника Метод прямо-
го сравнения с эталонным манометром при поверке ваку-
умных манометров, основанных на изменении теплопровод-
ности”.
их взвешивание, которое позволяет немедлен-
но определить абсолютную влажность воздуха
(или любого другого газа, продутого через труб-
ку), выраженную в единицах массы на едини-
цу объема.
2.6.4.1. Гигрометры Аллюара1
Гигрометры Аллюара - также очень про-
стые приборы, основным чувствительным эле-
ментом которых является отполированная до
зеркального блеска металлическая пластина.
Пластину охлаждают до заданной температу-
ры, пропуская над ее поверхностью воздушную
струю, влажность которой хотят измерить. Как
только пары воды, содержащиеся в воздухе,
конденсируются, оседая на пластине, это будет
означать, что достигнуто значение точки росы.
Перенося значение точки росы на диаграмму
рис. 2.2.3-2 (точка пересечения изотермы точ-
ки росы с кривой насыщения), абсолютную
влажность находят на оси ординат, проведя го-
ризонталь из этой точки до пересечения с осью
ординат (правая шкала). Кроме того, значение
влажности по точке росы можно определить
непосредственно из данных табл. 2 2.2-2 (х5).
Отметим, что существуют регуляторы влаж-
ности воздуха с гигрометром, действие которого
основано на описанном выше принципе с вве-
дением дополнительных устройств, улучшаю-
щих его функционирование. Принцип работы
таких устройств (рис. 2.6.4-1) заключается в
следующем.
Небольшая полированная медная пластина,
покрытая тонким слоем золота, охлаждается
при помощи элемента Пельтье. Как только ее
температура опустится ниже точки росы, ка-
пельки влаги, содержащиеся в виде паров в воз-
духе, влажность которого измеряется, осажда-
ются на поверхности золотого слоя, играюще-
го роль зеркала. В результате световой поток,
испускаемый электролампой, расположенной
вблизи зеркала, и первоначально отражавший-
ся зеркалом, попадая при этом на фотоэлемент,
1 См. стандарт № Х15-012 “Измерение влажности с
помощью гигрометров с конденсацией влаги на охлаждае-
мой поверхности”.
Рис. 2.6.4-1. Принципиальная схема гигрометра с кон-
денсацией влаги на охлаждаемой поверхности
становится рассеянным. Регулируя с помощью
фотоэлемента и соответствующего регулятора
холодопроизводительность или теплопроизво-
дительность элемента Пельтье, можно добить-
ся значения температуры зеркальной поверхно-
сти, которое в точности будет соответствовать
точке росы для воздуха данной влажности. Эта
температура измеряется при помощи датчика
РН ООО (платиновой термопары) и преобразует-
ся в сигнал в виде напряжения электрического
тока, которое регистрируется милливольтмет-
ром с соответствующим образом проградуиро-
ванной шкалой. Специальный разъем позволя-
ет подключить датчик к регулятору. Этот при-
бор, называемый гигрометрическим регулято-
ром с конденсацией на охлаждаемой поверхно-
сти, является достаточно дорогостоящим и ис-
яользуется только тогда, когда требуется конт-
ролировать степень влажности с высокой точ-
ностью.
2.6.4.З. Волосяные гигрометры
Волосяные гигрометры используют свой-
ство обезжиренной шерсти (волос) удлиняться
или укорачиваться в зависимости от относи-
тельной влажности воздуха (рис. 2 6.4-2).
Чувствительность волоса, или относитель-
ное удлинение иа процент влажности, состав-
ляет от 2% для сухой атмосферы до «0,5% для
состояния насыщения В качестве чувствитель-
ных элементов волосяных гигрометров исполь-
зуют и другие гигроскопичные материалы, на-
Рис. 2.6.4-2. Волосяной гигрометр
пример целлофан, хлопок, шелк и т.п. Некото-
рые из этих материалов, кроме того, чувстви-
тельны к изменению температуры. Такие гиг-
рометры время от времени нужно подвергать
поверкам и помещать во влажную атмосферу,
чтобы повысить гибкость чувствительных эле-
ментов. Их ошибка гистерезиса1 расположена
в диапазоне ±(2...5)%. Следовательно, такие
приборы не слишком точны, кроме того, они
очень чувствительны к пыли. Диапазон отно-
сительной влажности, в котором наиболее пред-
почтительно использовать волосяные гигромет-
ры, составляет от 30 до 90%. Эти гигрометры
могут также объединяться с электрической си-
стемой дистанционных измерений.
2.6.4.4. Психрометры2
Психрометры представляют собой приборы
для измерения влажности, в состав которых
входят два термометра. Один из этих термомет-
ров называют сухим (ои меряет температуру
воздуха), а другой - влажным или смоченным.
1 Ошибка гистерезиса обусловлена погрешностями пе-
редаточного механизма при изменении направления дей-
ствия усилий (удлинение или укорачивание) в результате
люфтов; в определенном смысле она отражает предысторию
состояния прибора.
2 См. стандарты ХЕ Х15-010 “Измерение относитель-
ной влажности ’, ХЕ Х15-011 “Измерение относительной
влажности продуваемыми психрометрами” и ХЕ XI5-013
“Точность при измерении относительной влажности”.
Термочувствительный баллон влажного термо-
метра обмотан влажной (мокрой) тканью или
марлей. Разница в показаниях двух термомет-
ров. называемая психрометрической разно-
стью, характеризует относительную влажность
воздуха. Расчет влажности основан на прибли-
женной формуле 8ргип§ (1888):
Р^Р^Г1,)-
где д, - парциальное давление паров воды,
мбар;
рь - парциальное давление паров воды для
температуры по влажному термометру, мбар;
к - константа, значение которой равно 0,66
для пары вода/воздух и 0.56 для пары лед/вода;
температура по сухому’ термометру, °С;
- температура по влажному термометру,
°С.
Обозначая через р давление насыщенных
паров воды при температуре 1. относительную
влажность можно рассчитать по формуле
р = -^.Ю0, %.
Р*
Это значение относительной влажности мо-
жет быть получено сразу в зависимости от по-
казаний влажного и сухого термометров с по-
мощью либо психрометрической номограммы
(рис. 2.6.4-3), либо психрометрической табли-
цы (табл. 2.6.4-1).
Однако результаты измерений будут спра-
ведливыми, только если скорость воздуха отно-
сительно влажного термометра равна по мень-
шей мере 2 м/с. Во всех других случаях резуль-
таты будут тем более неточными, чем хуже об-
дуваются.термометры. На практике очень час-
то использутот так называемые аспирационные
психрометры Ассмана (рис. 2.6.4-4), в которых
обдув термометров создается искусственно с
помощью небольшого вентилятора с приводом
от часовой пружины.
Рис. 2.6.4-3. Психрометри-
ческая номограмма, позволяю-
щая определять относительную
влажность воздуха исходя из
показаний сухого и влажного
термометров
Таблица 2.6.4-1
Психрометрическая таблица, дающая значения относительной влажности воздуха в зависимости
от температуры по сухому термометру н разницы (психрометрическая разность) между показаниями сухого
н влажного термометров. Атмосферное давление принято равным 1013 мбар
Пример. Пусть показания сухого термометра равны 20°С, а влажного — 16,5°С. Психрометрическая разность
в этом случае будет 20 -16,5=3,5 К. Для значений 20°С и 3,5 К по таблице находим <р=70%.
Темпера- тура по сухому термо- метру, °С Психрометрическая разность, К
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5.5 6 6,5 7
-9 85 71
-8 87 73 59 45
-7 87 74 62 49 36 24
-6 88 75 64 52 40 28
-5 88 77 66 54 43 32
-4 89 78 67 57 46 36
-3 89 79 69 59 49 39 29 19
-2 90 80 70 61 52 42 33 23
- 1 91 81 72 63 54 45 36 27
0 91 82 73 64 56 47 39 31
1 91 83 75 66 58 50 42 34 26 18
2 92 84 76 68 60 52 45 37 30 22
3 92 84 77 69 62 54 47 40 33 25
4 92 85 78 70 63 56 49 42 36 29
5 93 86 79 72 65 58 51 45 38 32 26 19
6 93 86 79 73 66 60 53 47 41 35 29 23
7 93 87 80 75 67 61 55 49 43 37 31 26 20 14
8 94 87 81 75 69 62 57 51 45 40 34 29 23 18
9 94 88 82 76 70 64 58 53 47 42 36 31 26 21
10 94 88 82 77 71 65 60 55 49 44 39 34 29 24
11 94 88 83 77 72 66 61 56 51 46 41 36 31 26
12 94 89 83 78 73 68 62 57 53 48 43 38 33 29
13 95 89 84 79 74 69 64 59 54 49 П 45 40 36 31
14 95 90 84 79 74 70 65 60 56 51 46 42 38 33
15 95 90 85 80 75 71 66 61 57 53 48 44 40 35
16 95 90 85 81 76 71 67 62 58 54 50 46 42 37
17 95 90 86 81 77 72 68 63 59 55 51 47 43 39
18 95 91 86 82 77 73 69 65 61 56 53 49 45 41
19 95 91 86 82 78 74 70 65 62 58 54 50 46 43
20 96 91 87 83 78 74 70 66 63 59 55 51 48 44
21 96 91 87 83 79 75 71 67 64 60 56 52 49 45
22 96 92 88 83 80 75 72 68 64 61 57 54 50 47
23 96 92 88 84 80 76 72 69 65 62 58 55 51 48
24 96 92 88 84 80 77 73 70 66 62 59 56 53 49
25 96 92 88 85 81 77 74 70 67 63 60 57 54 51
26 96 92 88 85 81 78 74 71 67 64 61 58 55 51
27 96 93 89 85 81 78 75 71 68 65 62 59 55 53
28 96 93 89 86 82 79 75 72 68 65 62 59 56 53
29 96 93 89 86 82 79 76 72 69 66 63 60 57 54
30 96 93 89 86 83 79 76 73 70 67 64 61 58 55
Рис. 2.6.4-4 Аспирационный психро-
метр Ассмана: слева — принципиальная
схема, справа - общий вид прибора (мо-
дель 564, КеГсо)
Психрометр Ассмана может использовать-
ся как эталонный при поверках волосяных гиг-
рометров.
Некоторые психрометры оборудованы вен-
тиляторами с электроприводом.
Современные модели психрометров в каче-
стве чувствительных элементов используют
полупроводники (термисторы с отрицательным
температурным коэффициентом), причем дат-
чики связаны с устройством индикации кабель-
ной сетью. Такие приборы, как правило, рабо-
тают на батарейках.
Содержание воды х в воздухе рассчитыва-
ется на основе уравнения
Х ~ 2500 +1,86 -Г’ кг/кг’
которое в другом виде уже встречалось нам в
п. 2.2.1.5.
При высоких температурах, доходящих до
300°С, используют психрометры, в которых
вода для смачивания термобаллона влажного
термометра подается под небольшим давлени-
ем.
Существуют, кроме того, так называемые
пращевидные психрометры (рис 2.6.4-5), у
которых термометры закреплены на штанге,
приводимой во вращательное движение отно-
сительно рукоятки. Прежде чем сравнивать по-
казания термометров, их необходимо раскру-
тить подобно тому, как раскручивается перед
метанием камень в праще.
Для дистанционных измерений используют
термометры с обдуваемыми сопротивлениями,
которые в качестве плеч включаются в мост
Рис. 2.6 4-5 Пращевидный исихромегр (модель 564-5
КеГсо)
Уитстона, или термопары, заменяющие ртутные
термометры.
Безынерционные психрометры появились
на рынке сравнительно недавно Измерение
влажности с их помощью производится на ос-
нове замера температур, для чего используют-
ся термисторы с отрицательным температур-
ным коэффициентом (СТЫ). При этом измеря-
емой величиной является не скорость испаре-
ния влаги, а рассеивание тепла, поэтому необ-
ходимость в организации искусственной цир-
куляции воздуха отсутствует Для увлажнения
чувствительного элемента при этом использу-
ют взаимосвязь между силами поверхностно-
го натяжения и осмотическим давлением.
2.6.4.5. Гигрометры с гигроскопичным
элементом
Некоторые соли, в частности хлористый ли-
тий, очень гигроскопичны и интенсивно погло-
щают влагу из воздуха до тех пор пока не на-
ступит равновесие между содержанием паров
в растворе и в воздухе Чувствительный эле-
мент гигрометров, использующих это явление,
представляет собой термометрическую капсу-
лу, содержащую термометр сопротивления, ок-
термометр сопротивления
электроды слой стекловаты,
пропитанной
хлористым литием
Рис. 26.4-6. Принципиальная схема гигрометра с гиг-
роскопичным элементом (или гигрометрический датчик с
термоуправляемой поглощающей способностью)
ружейный слоем стекловаты, пропитанной хло-
ристым литием, который обмотан двумя сереб-
ряными проволочками по винтовой линии (рис.
2.6.4-6).
Разность потенциалов, приложенная к элек-
тродам, подогревает раствор и испаряет влагу
до тех пор, пока не будет достигнута темпера-
тура Ти перехода раствора в обезвоженную соль.
Начиная с этого момента проводимость слоя
стекловаты резко падает, в результате чего сила
тока и температура уменьшаются. После этого
соль начнет поглощать влагу, а проводимость
и сила тока опять будут возрастать. По значе-
нию равновесной температуры можно опреде-
лить содержание воды в воздухе, а также его
точгу росы. Температура определяется с помо-
щью термометра сопротивления Поскольку
напряжение не нужно отключать, потребность
в выключателе для электродов отсутствует. Ре-
зультаты измерений могут представляться либо
в градусах Цельсия для точки росы, либо в
граммах воды на кубометр воздуха Если тре-
буется получать данные о содержании влаги в
виде процентов относительной влажности, не-
Рис. 2 6.4-7. Принципиальная схема гигрометра с гиг-
роскопичным элементом при измерении относительной
влажности:
Ь - логомегр; - датчик температуры, встроенный в
гигроскопичный элемент, 82 датчик температуры воздуха
обходимо оснастить приоор вторым термомет-
ром для измерения тсмпепатуоы возтуха Т (рис.
2.6.4-7).
Точность измерений влажности с помощью
гигрометра с гигроскопичным элементом со-
ставляет порятка 2-3%.
2.6.4.6. Другие типы гигроме1 ров
Еще один тип гигрометров - это приборы,
основанные на принципе изменения окраски
чувствительного элемента в зависимости от со-
держания влаги. Например, такие соли, как
бромист ый кобальт или хлористый кобальт на
подложке из окислив кремния, алюминия и не-
которых других материалов, поглощая влагу,
меняют свой цвет от голубого до розового. Од-
Рис. 2.6.4-Я. Гигрометр с электролитическим элемен-
том и одновременным измерением температуры (модель
М1К3000, КеГсо)
нако эта реакция происходит достаточно мед-
ленно и точность определения влажности при
этом невысока.
Гигрометры с деформируемым элементом
представляют собой металлическую гейту,
свернутую в спираль и помещенную внутри
металлизированной отва! уумированной дефор-
мируемой оболочки. Они работают по принци-
пу биметаллических термометров Для прове-
дения дистанционных измерений с помощью
таких гигрометров необходимо предусматри-
вать инцукционньг »ли фотоэлскгрич! :кие пре-
образователи.
Электролитические гигрометры (рис. 2.6.4-
8) состоят из небольшой пластмассовой плас-
тины, покрытой споем гигроскопичного веще-
ства. проводимость которого меняется при из-
менении относительной влажности. Измерение
относительной влажности производится путем
измерения силы тока, проходящего между дву-
мя спиралеобразными электродами, ддслаины
ми в слой влагопоглощающего вещества. Шка-
ла приборов такого типа очень небольшая, и их
точность не превышает ±3%. Работают эти при-
боры на батаоеиктх
Наконец, емкостные гигрометры содержат
очень тонкую пленку гигрочувствительного ма-
териала, раз (е^гяющую два электрода. Электри-
ческая емкость, получаемая при этом меняет-
ся в зависимости от влажности окружающей
среды, а измерения проводятг я с помощью пре-
образователя н; пряжения
2.6.5. Приборы для измерения
расходов и скоростей1
2.6.5.1. Общие положения
В п. 2.3.2 2.1 мы уже приводили различные
соотношения между объемным расходом, мас-
совым расходом и скоростью потока в трубо-
проводах (воды, например) или газоводах (воз-
духа, например), а именно.
1 См. стандарты КР XI0-100 “Измерение расхода сред
в закрытых трубопроводах. Термины, определения и обо-
значения”; ХЮ-106 “Измерение расхода сред. Расчет пре-
дельной ошибки измерения расхода”. 1807066-1 “Оценка
погрешности при поверке и использовании расходомеров.
Часть 1: линейные поверочные соотношения”; 1807066-2
“Оценка погрешности при поверке и использовании расхо-
домеров. Часть 2: нелинейные поверочные соотношения”.
• для объемного расхода
д=А и’, м3/с,
где А - площадь поперечного сечения трубы,
м2;
- скорость потока, м/с.
• для массового расхода
<7т=р-.4-и’, кг/с,
где р - плотность среды, кг/м3.
Поскольку' площадь поперечного сечения
грубы Л, так же как плотность среды р, извест-
на, можно утверждать, что знание скорости по-
тока позволяет сразу же найти объемный или
массовый расход, вследствие чего приборы,
предназначенные для измерения расхода, по-
зволяют определить скорость потока, и наобо-
рот. Следовательно, представляется правомер-
ным совместное рассмотрение как расходоме-
ров, так и приборов для измерения скоростей.
2.6.5.2. Барабанные расходомеры1
Барабанный (ковшовый) расходомер пред-
ставляет собой барабан с ковшами, заключен-
ный в корпус. При протекании через него жид-
кости ковши медленно заполняются, а затем
опорожняются в процессе вращения барабана,
которое обусловлено непрерывным перемеще-
нием центра тяжести протекающей жидкости
(рис. 2.6.5-1).
Рис. 2.6.5-1. Принципиальная схема барабанного рас-
ходомера
Прошедшее через ковши количество жидко-
сти регистрируется счетчиком. Точность этого
метода, называемого измерением с использова-
1 См. стандарт Ир 1808316 “Измерение расхода жид-
костей в закрытых трубопроводах: методы измерения с за-
полнением емкостей фиксированного объема”.
нием мерного объема, превосходная, но резуль-
таты измерений носят дискретный характер.
2.6.5.З. Объемные счетчики
Расходомеры типа объемных счетчиков, на-
зываемые также поршневыми счетчиками, ха-
рактеризуются наличием мерной камеры, в ко-
торой перемещаются приводимые в движение
протекающей жидкостью поршни различной
формы, связанные с суммирующим устрой-
ством.
Счетчики с вращающимися поршнями,
очень хорошо приспособленные для измерения
расхода газов, имеют мерную камеру, внутри
которой вращаются два поршня, связанные
между собой зубчатыми колесами (рис. 2.6.5-
2). Вращение поршней обеспечивается за счет
проходящей газовой струи. Вместе с тем, та-
кие приборы чувствительны к загрязнению.
Рис. 2.6.3-2. Принципиальная схема объемного счет-
чика с вращающимися поршнями
Счетчики с овальными колесами (рис. 2.5.6-
3) отличаются тем, что поршни, вращающиеся
в мерной камере, имеют овальную форму. Меж-
ду собой овальные поршни также связаны зуб-
чатыми колесами.
В счетчиках с колеблющимся поршнем (рис.
2.5.6-4) кольцевой поршень установлен с экс-
центриситетом по отношению к оси мерной ка-
Рис. 2.6.5-3. Принципиальная схема объемного счет-
чика с овальными колесами
Рис. 2.6.5-4. Принципиальная схема объемного счетчи-
ка с колеблющимся поршнем
меры и приводится в движение благодаря дав-
лению проходящей через камеру среды.
Как всякий измерительный прибор, объем-
ные счетчики соответствующим образом калиб-
руются и обеспечивают достаточно высокую
точность. Они могут использоваться для изме-
рения как малых расходов (например, расхода
жидкого топлива в генераторе абсорбционной
холодильной машины), так и очень больших
расходов (например, до 60 000 м3/ч при подаче
газа в генератор абсорбционной холодильной
машины).
2.6.5.4. Вертушечные и турбинные
счетчики1
Вертушечные (крыльчаточные) и турбин-
ные расходомеры фактически являются изме-
рителями скорости потока и принадлежат к ка-
тегории расходомеров, основанных на измере-
нии какой-либо физической величины, пропор-
циональной средней скорости течения жидко-
сти в трубопроводе. Они получили широкое
распространение при измерении объемных рас-
ходов движущихся сред. Среди них различают
две категории счетчиков - счетчики с вертуш-
ками (крыльчатками) и турбинные расходоме-
ры.
В вертушечных счетчиках (рис. 2.6.5-5) из-
мерительный орган представляет собой крыль-
чатку с плоскими лопатками, вставленную в
цилиндрическую камеру. Ось крыльчатки пер-
пендикулярна оси движущегося потока. Поток
1 См. стандарт МР18033 54 “Измерение расхода чистой
воды в закрытых трубопроводах. Метод исследования поля
скоростей в трубопроводах под давлением для установив-
шегося течения с помощью крыльчаток”.
Рис. 2.6.5-5. Принципиальная схема вертушечного
счетчика без камеры впрыска
среды ударяет по лопаткам крыльчатки одной
или несколькими струями в зависимости от
того, сколько проходов для него имеет камера,
в которую вставлена крыльчатка. В качестве
счетчика числа оборотов крыльчатки использу-
ется тахометр со стрелочным или роликовым
указателем малого диаметра без установки
нуля, а также простое суммирующее устрой-
ство, обеспечивающее фиксацию прошедшего
через счетчик объема среды.
Некоторые счетчики так называемого смо-
ченного типа имеют зубчатую передачу и ци-
ферблат, погруженные в протекающую среду, в
то время как у сухих счетчиков в протекающей
среде находятся только шестерни зубчатого за-
цепления. Передача вращательного движения
производится с помощью магнитной муфты. В
случае горячих сред используют материалы,
стойкие к воздействию температур. При уста-
новке счетчиков нельзя упускать из виду их
кривую потерь давления в протекающей среде.
Особенно широко подобные расходомеры ис-
пользуются при определении расхода воды, на-
пример, для охлаждения конденсатора или пи-
тания градирни.
Турбинные расходомеры, или счетчики рас-
хода воды, называемые также осевыми расхо-
домерами или счетчиками Вольтмана, имеют
измерительный орган в виде ротора с винтооб-
разными или косыми плоскими лопастями, вра-
щающегося в цилиндрической оболочке, или
Рис 2.6.5-6. Принципиальная схема
г'рбинного расходомера (модель СНТ, Ва-
шо):
1 корпус; 2 - направляющий аппарат,
3 - роторная пластина; 4 - предусилитель
обечайке. Если вращение ротора передается на
счетное устройство механическим путем, на оси
ротора устанавливается шестеренчатая переда-
ча, обеспечивающая работу указателя расхода
(числа оборотов ротора).
Однако существуют такие турбинные расхо-
домеры, в которых число оборотов ротора из-
меряется бесконтактным способом. В этом слу-
чае при каждом обороте ротора в приемной ка-
тушке, установленной поверх обечайки, наво-
дится импульс электрического напряжения. По
числу импульсов в единицу времени можно рас-
считать объемный расход. Такой тнп расходо-
меров очень хорошо удовлетворяет требовани-
ям дистанционных измерений (рис. 2.6.5-6).
2.6.5.5. Поплавковые расходомеры
В простейшем варианте поплавковый рас-
ходомер, называемый также ротаметром, состо-
ит из вертикально расположенной стеклянной
трубки в виде усеченного конуса, диаметр ко-
торого увеличивается с высотой. Внутри этой
трубки находится поплавок, диаметр которого
чуть меньше диаметра нижнего основания
трубки. При заданной величине расхода попла-
вок устанавливается в таком положении вдоль
трубки, для которого масса поплавка уравнове-
шивается силой давления, обусловленной пере-
падом давлений, вызванным прохождением
среды через кольцевой зазор между стенками
трубки и корпусом поплавка, и выталкивающей
силой Архимеда, если речь идет о жидкости
Такие расходомеры могут использоваться как
для жидкостей, так и для газов или паров, од-
нако каждый раз требуют калибровки. Некото-
рые ротаметры поступают в продажу в комп-
лекте с ленточным самописцем, которому пе-
редается движение поплавка. На рис. 2.6.5-7
представлен вариант ротаметра с магнитным
преобразователем. С помощью ротаметра мож-
но осуществлять и дистанционные измерения
с регистрацией показаний на самописце. Об-
ласть использования поплавковых расходоме-
ров доходит до 600 м3/ч для воздуха и до 40
м3/ч для жидкостей.
1.6.5.6. Расходомеры с устройствами
для сужения потока
Измерение расхода с помощью устройств
для сужения потока, называемых также мерны-
ми соплами или измерительными диафрагма-
ми, основано на измерении перепада давления,
возникающего на входе и на выходе диафраг-
мы или сопла (см. разд. 2.3.3 и рис. 2.6.5-8).
Этот метод используется для жидкостей и га-
зов любой температуры и давления, причем
результаты измерений оказываются очень точ-
ными.
Процедура измерений, осуществляемых при
помощи диафрагм, сопел или трубок Вентури,
Рис. 2.6.Э-7. Принципиальная схема (слева) и образец (справа) поплавкового расходомера (модель 06-250, А8А-Вато)
Рис. 2.6.5-8. Изменение давлений при прохожлении
потока через измерительную диафрагму
и методы обработки результатов измерений
тацдартизованы1. Объемный расход определя-
ется по формуле (см. разд. 2.3.3)
где а - коэффициент сжатия струи в зависимо-
сти от отношения т диаметров отверстия сужа-
ющего устройства и трубопровода, его значс
ния приведены в табл. 2.3 3-1;
1 См. стандарт ИГ ХЮ-102 “Измерение расхода сред с
помощью диафрагм, сопел и трубок Вентури, установлен-
ных в круглых трубопроводах под давлением”.
е - коэффициент расширения1 в зависимо-
сти от отношения давлений пере, 1 сужающим
устройством и после него, значения е приведе-
ны в табл. 2.3.3-2;
А - площадь проходного сечения сужающе-
го устройства, м2;
Др - перепад давления на сужающем уст-
ройстве, Па;
р - плотность среды, кг/м3.
Полный комплект измерения расхода с по-
мощью сужающих устройств включает трис
2.Й.5-9): 2—387
— сужающее устройство (диафрагму, мерное
сопло или трубку Вентури);
- дифференциальный манометр для изме-
рения перепада давлении на сужающем устрой-
стве;
- трубки подвода давлении от сужающего
устройства к дифференциа щному ман >метщ
Наиболее широко испо. гьзуемыми сужающи-
ми устройствами являют « (см. разд. 2.3.3):
1 Определение коэффициента г,к.ширения приведено в
стандарте НЕ ХЮ-102.
Рис. 2.6.5-9. Примеры измерения расхода с помощью диафрагмы и различных типов манометров:
а - манометр с 17-образной трубкой; Ь - поплавковый манометр; с — манометр с плоской мембраной; - манометр с
торовым маятником
- диафрагмы или кольцевые диски с острой
передней кромкой;
- сопла с закругленной передней кромкой
(входом в сопло) ,
- трубки Вентури, состоящие из двух усе-
ченных конусов, соединенных друг с другом
меньшими основаниями1; такая конструкция
является сужающе-расширяющим устройством.
В наиболее узкой части трубки Вентури, т.е. в
критическом сечении, скорость потока достига-
ет максимума, в то время как давление в этом
сечении минимально.
Из дифференциальных манометров в рас-
ходомерах на основе сужающих устройств (рис.
2.6.5-9) наиболее часто используются:
- манометры с И-образной трубкой;
- манометры с торовым маятником;
- колокольные манометры;
- мембранные манометры и т.п.
Искомый расход пропорционален корню
квадратному из перепада давления. Чтобы по-
лучить линейную шкалу указателя расхода,
1 Как правило, через небольшую цилиндрическую про-
ставку. -Примеч. пер.
можно использовать передаточный механизм с
профилированным кулачком (варианты мано-
метров Ь, с и <1 на рис. 2.6.5-9).
Трубки, соединяющие сужающее устройство
с дифференциальным манометром, изготавли-
ваются, как правило, из стали, меди или поли-
мерных материалов. Для отбора давления пе-
ред сужающим устройством и за ним исполь-
зуются либо кольцевые камеры, снабженные
патрубками (очень дорогостоящие), либо обо-
лочки съемной диафрагмы; они завинчивают-
ся, затем завариваются или запаиваются во из-
бежание утечки.
Выбор наиболее подходящего типа сужаю-
щего устройства производится на оснсве тех-
нико-экономических соображений. Самым де-
шевым устройством является диафрагма, одна-
ко ее установка приводит к значительным по-
терям давления. Сопло вызывает менее высо-
кие потери давления, а трубка Вентури - самые
низкие, однако это последнее сужающее устрой-
ство не получило такого широкого распростра-
нения, во-первых, из-за его высокой стоимос-
ти и, во-вторых, из-за того, что для размеще-
Рис. 2.6.5-10. Мембранный расходомер: слева - принципиальная схема, справе - внешний вид (МесНа, Батаол)
ния трубки Вентури требуется участок трубо-
провода значительной длины.
На рис. 2.6.5-10 представлен еще один тип
расходомера, главным образом используемый
при измерении больших расходов. Перепад дав-
ления, обеспечиваемый стандартной диафраг-
мой, измеряется мембранным прибором, при-
чем показания считываются сразу в единицах
расхода (м3/ч). Приложенная к мембране сила,
обусловленная перепадом давления, уравнове-
шивается двумя пружинными пластинами. Пе-
редача перемещения мембраны на циферблат
указателя осуществляется б^годаря магнитной
муфте.
Если возникает потребность использовать
расходомеры для дистанционных измерений,
графической регистрации показаний или их
включения в систему регулирования, необходи-
мо установить электрические или пневматичес-
кие преобразователи результатов замера. В та-
ких установках на вход преобразователя пода-
ется значение перепада давления на сужающем
устройстве, а на выходе появляется соответству-
ющий электрический сигнал или управляющее
давление. Нужно помнить, что установка сужа-
ющего устройства в каком-либо месте трубо-
провода требует до места установки и после
него наличия прямолинейных отрезков трубо-
провода определенной длины, которая должна
быть не менее нескольких диаметров трубопро-
вода (приводится в стандартах).
2.6.5.7. Трубки Пито и Прандтля1
С трубками Пито и Прандтля мы уже встре-
чались в п. 2.6.3.8, где уточнили, что они пока-
зывают давление скоростного напора, равное
Р^Р’
откуда сразу можно получить скорость течения:
уг = .рЛ* , м/с,
У р
где ра - давление скоростного напора, Па;
р - плотность среды, кг/м3.
Для воздуха при нормальном атмосферном
давлении приближенно можно записать (ра из-
меряется в Па или Н/м2):
= 1,3>/р7,м/с.
1 См. стандарты КР ХЮ-112 “Измерение расхода сред
в закрытых трубопроводах. Метод определения поля скоро-
стей для установившихся течений с помощью двойных тру-
бок Пито” и КР ХЮ-114 “Измерение расхода сред в круг-
лых трубопроводах в случае несимметричных или закручен-
ных потоков путем определения поля скоростей с помощью
крыльчаток или двойных трубок Пито”.
Рис. 2.6.5-11. Принципиальная схема ла-
зерного скоростемера (схема с перекрещиваю-
щимися пучками или способ интерференции
Т8Г)
Минимальный предел измерения скорости
м> с помощью трубок Пито или Прандтля зави-
сит от диаметра А датчика. В целом можно счи-
тать этот предел равным
<4 мм 1 2 3 5
И1, м/с 4,5 2,4 1,4 0,9
1.6.5.8. Лазерные измерители скорости
потока
Принцип работы лазерных измерителей ско-
рости потока сплошной среды (рис. 2.6.5-11)
заключается в том, чтобы обеспечить пересе-
чение двух световых пучков, испускаемых од-
ним и тем же лазером, и сфокусировать их в
точке, где проводится измерение. Любая час-
тица сплошной среды, переносимая в струйке
тока в процессе движения среды, будет вызы-
вать изменение частоты рассеиваемого света.
Следовательно, принцип действия лазерного
скоростемера основан на эффекте Доплера -
Физо и благодаря оптико-электронной схеме
можно определить скорость в данной точке по-
тока, измеряя частоту’ рассеянного света.
Основными преимуществами лазерного ско-
ростемера являются полное отсутствие каких-
либо датчиков, вносящих возмущения в поток,
скорость которого измеряется, и отсутствие не-
обходимости в поверках и калибровке прибора.
В некоторых приборах, называемых двух-
мерными, свет, рассеиваемый частицами сре-
ды, падает на два фотодатчика, что позволяет
измерять скорость частиц в двух направлени-
ях. Лазерный скоростемер пригоден для изме-
рения даже очень малых скоростей. Для лазер-
ных скоростемеров используются газовые ла-
зеры типа гелий-неоновых либо аргоновых.
Лазерные скоростемеры, как правило, приме-
няются в лабораторных условиях, так как тре-
буют достаточно сложной аппаратуры.
2.6.З.9. Ультразвуковые расходомеры
Принцип работы этого типа расходомеров
основан на том, что звуковая волна, которая рас-
пространяется в направлении течения потока
среды, проходит расстояние от точки А до точ-
ки В (рис. 2.6.5-12) быстрее, чем в обратном
направлении. Следовательно, принцип опреде-
ления расхода основывается на измерении вре-
мени прохождения звуковой волной определен-
ного расстояния. С этой целью предусматрива-
ется использование одного или двух преобра-
зователей-излучателей звуковых сигналов и
одного или двух преобразователей-приемников,
установленных под углом 0 по отношению к оси
трубы. Главной деталью преобразователя-излу-
чателя является пьезоэлектрический кристалл.
Этот тип расходомера не вносит никаких
возмущений в поток, скорость которого изме-
ряется, и не имеет подвижных деталей. Он лег-
ко устанавливается на всех существующих тру-
бопроводах, изготовленных из любых матери-
алов: стали, бетона, чугуна и т.п.
2.6.5.10. Электромагнитные датчики
расхода1
Если электропроводящая среда, протекаю-
щая по ненамагничиваемому отрезку трубопро-
вода, пересекает силовые линии магнитного
1 См. стандарт № XI0-120 “Измерение расхода элекз-
ропроводящей среды в закрытых трубопроводах с помощью
электромагнитных расходомеров” (180 6817).
Распределение скорости потока
по сечению трубы
Принцип измерения времени прохождения звуковой волны
Распределение скорости на пути
прохождения звука
Рис. 2.6.5-12. Принципиальная схема ультразвукового расходомера (вверху) и образец расходомера с двойным излуча-
телем/приемником и преобразователем сигналов (модель 8опо 2000, ОапГойк)
катушка
индуктивности
силовые линии
магнитного поля
электрод
трубопровод
обмотка
вольтметр
Рис. 2.6.5-14. Массовый расходомер, основанный иа действии силы Кориолиса: вверху - принципиальная схема, вни-
зу - образец прибора с преобразователем сигналов (модель МА88 1000/2100, ПалГозз). - электромагнит. Л) и - элект-
ромагнитные датчики
поля, проходящие перпендикулярно направле-
нию потока, в ней наводится электродвижущая
сила, пропорциональная расходу (закон Фара-
дея). Данное явление может быть использова-
но только для измерения расхода жидкостей,
обладающих минимальной электропроводнос-
тью, что, впрочем, свойственно большинству
жидкостей (рис. 2.6.5-13). Очевидно, что элек-
тромагнитные расходомеры не будут создавать
никаких потерь давления в потоке.
2.6.5.11. Массовые расходомеры,
основанные на действии силы
Кориолиса
Принцип работы таких расходомеров, один
из образцов которых представлен на рис. 2.6.5-
14, заключается в следующем: когда на элект-
ромагнит I) подается синусоидальное напряже-
ние, мерные петли (кольца) соответствующим
образом отталкиваются или притягиваются.
Два электромагнитных датчика 8] и 82 откло-
нения петель передают синусоидальный сигнал
на преобразователь, микропроцессор которого
рассчитывает массовый расход. Сдвиг по фазе
между синусоидальными сигналами от датчи-
ков 5^ и 82 прямо пропорционален массовому
расходу, поскольку он вызван отклонением мер-
ных петель под влиянием силы Кориолиса, воз-
никающей при их колебательном движении под
действием синусоидального магнитного поля
Величина силы Кориолиса определяется следу-
ющим образом: на частицу среды массой т,
двигающуюся со скоростью г в мерной петле,
приводимой во вращательное или колебатель-
ное движение с угловой скоростью со, действу-
ет си та инерции Кориолиса, равная 2лп-г-со. Из-
вестно, что, когда движущаяся материальная
частица массой т испытывает изменение вели-
чины или направления скорости, она противо-
действует этому изменению с силой, равной по
величине и противоположной по направлению
той силе, которая является причиной такого из-
менения. Другими словами, когда поток среды,
движущейся по изогнутому в виде петли тру-
бопроводу, подвергается колебательному воз-
действию, меняющему положение петли в про-
странстве, он воздействует на стенки петли с
такой же по величине, но противоположной по
направлению силой Кориолиса1 Р
2.6.5.12. Анемометры
Чашечные анемометры (рис. 2.6.5-15) при-
меняются главным образом в метеорологии для
измерения скорости ветра независимо от его
направления.
Крылъчаточные анемометры (рис. 2.6.5-16)
используются в основном в воздуховодах и ка-
налах для измерения скорости направленного
потока газа, в частности окружающего возду-
ха. В стандартном исполнении эти анемомет-
ры всегда соединены с указателем, который
1В оригинале сила Кориолиса называется также гирос-
копической. Это не совсем верно, так как гироскопический
эффект заключается в возникновении момента силы. Однако
по конструкции массовые расходомеры, основанные на ги-
роскопическом эффекте и действии силы Кориолиса, близ-
ки (см., например: Политехнический словарь. 3-е изд. М.:
Сов. энциклопедия, 1989. С. 444). -Примеч. пер.
Рис. 2.6.5-15. Образец чашечного анемометра
дает среднее значение скорости воздушного
потока в течение определенного времени, как
правило за минуту. Оснащенный генератором
постоянного тока (рис. 2.6.5-16), крыльчаточ-
ный анемометр позволяет, будучи соединенным
с вольтметром, сразу определить скорость по-
тока. Приборы этого типа очень хорошо подхо-
дят для дистанционных измерений.
При использовании чашечных или крыль-
чаточных анемометров необходимо вначале
обеспечить соответствие их настройки калиб-
ровочным кривым изготовителя. Для скоростей
более 0,5 м/с такие приборы, как прагм то, не
применяются.
Существуют также крылъчаточные анемо-
метры с мельничной вертушкой, специально
Рис. 2.6 5-16. Образец крыльчаточного анемометра с
мельничной вертушкой и указательным циферблатом
предназначенные для установки в воздухово-
дах. Отдельные модели оборудованы даже ком-
пьютерами, позволяющими рассчитывать сред-
нюю скорость потока за определенный проме-
жуток времени, например за 1 минуту.
В электронных анемометрах число оборо-
тов мельничной вертушки подсчитывается с
помощью фотоэлектронного датчика, определя-
ющего число падающих на него световых им-
пульсов во время вращения вертушки. Элект-
ронный счетчик импульсов сразу же выдает ре-
зультаты измерений. Диаметр вертушки состав-
ляет только от 10 до 15 мм. С недавних пор на
рынке появились новые приборы с цифровым
табло, способные подсчитывать среднюю ско-
рость за время не более 22 с и оборудованные
устройством для электронной компенсации ми-
нимального значения механических усилий на
вертушке. Электропитание таких приборов
обеспечивается с помощью батареек.
Диапазон измерений крыльчаточных анемо-
метров составляет от 3 до 20 м/с, у электрон-
ных анемометров он несколько больше: от 2 до
20 м/с.
На рис. 2.6.5-17 представлен пример элект-
ронного анемометра, способного также изме-
рять температуру, и набор датчиков для него с
их характеристиками.
Створчатые анемометры, или датчики на-
правления потока (рис. 2.6.5-18), содержат, как
правило, стержень, по которому' воздух прони-
кает в измерительную камеру; Внутри измери-
тельной камеры находится створка (лопасть).
Давление набегающего потока воздуха действу-
ет на эту створю/ н перемещает ее, преодоле-
вая силу реакции возвратной пружины. Выход
воздуха из измерительной камеры происходит
через боковые отверстия на стержне. Исполь-
зуя различные наконечники приемного стерж-
ня, можно измерять очень малые скорости, на-
пример от 0,2 до 1,0 м/с. Циферблат створча-
того анемометра проградуирован в м/с. Прибор
очень прост, удобен для использования, однако
его точность невысока. Диапазон измерений
лежит в пределах от 1 до 50 м/с.
В проволочных анемометрах для измерения
скорости потока используются тонкие металли-
ческие проволочки диаметром от 1 до 10 мкм
с электронагревом. Их сопротивление зависит
от температуры, поэтому такие проволочки
включаются в качестве одного из плеч в мост
Уитстона и. будучи обдуваемыми воздушным
потоком, меняют свое сопротивление, охлажда-
ясь этим потоком в той или иной мере в зави-
симости от его скорости.
Такие анемометры могут запитываться, с
одной стороны, постоянным током, когда про-
волочка нагревается от источника постоянного
тока со стабилизатором напряжения и, следо-
вательно, стабилизацией сопротивления, а с
другой стороны, по схеме, когда поддержива-
ется постоянная температура проволочки при
любой скорости потока. В последнем случае
схема подключения проволочки предусматри-
вает наличие обратной связи, которая за счет
изменения силы тока в зависимости от скорос-
ти набегающего потока поддерживает постоян-
ную температуру проволочки. Изменение силы
тока, в свою очередь, преобразуется в сигнал о
величине скорости потока.
Термоанемометры используют эффект подо-
греваемой термопары. Электродвижущая сила,
возникающая в результате разности температур
обдуваемой и иеобдуваемой термопар, пропор-
циональна скорости воздуха.
Большая часть приборов чувствительна к
направлению потока и быстро загрязняется.
Кроме того, на их показания оказывает влия-
ние температура потока, если только они не обо-
рудованы встроенной системой температурной
компенсации. Для того чтобы показания при-
бора быстро выходили на установившийся ре-
жим, необходимо иметь очень небольшую массу
чувствительного элемента (минимальную инер-
ционность).
В ряде термоанемометров используются
терморезнсторы (термисторы) с отрицательным
температурным коэффициентом (СТЮ), вклю-
чаемые в качестве одного из плеч в мост Уит-
стона. До недавнего времени температура боль-
шинства чувствительных элементов термоане-
мометров находилась в диапазоне от 100 до
200°С, вследствие чего естественная конвекция,
порождаемая этими элементами, оказывала за-
М1П1А1Г 2 л Мкго I Ж МппАн* 2 11 М’™ Т Л 1М1П1А1Г 2 ! 1 Масти М1П1А1Г 2 Тетр
Датчики 1 641/24 I 642/24 ' I — 721/21
Диапазоны измерений 1 Поток, м/с I или 1 Температура, “С Точность 1 Рабочая температура, °С 1 Размеры 1 Измерительная головка, мм 1 Стержень, мм 1 Проходной размер, мм 1 Длина стержня, мм 1 _Длину продола м I 0,4... 20 I 0,5... 40 I -20...+140 1 - 0,5% полной шкалы 1 1г иос +1,5% показания -30...+140 I 015 0 015 I 015 1 165 1 1,5 1 Ж 0,3 ... 20 0,4 ... 40 -20...+140 ±0,5% гюлнон шкты В 1цвос.Л,5%пма 11Ки 'Л -30...+140 В 022x28 В 015 В 035 В 175 Л 1.5 41 -..40 -26.. +140 ±0,5% полной шкалы плюс ±1,5% гюьязания В -30...+140 В 080x70 ( В 015 В 0108 В 225 В 1,5 20. ..+140 стО до 70°С: ±0,2°С, вне этого диапазона ±0,5°С -30 ..+140 I 03x95 1 08 I 03 1 175 1 1,5
М1Ш %'а1ег 2 1 М1сго | й МашУУаКгЗ Мин
Датчики 1 Диапазоны измерений Поток, м/с или Температура, Точность / Рабочая температура, “С Другие параметры ± 661/22 I 0,03 ... 5 0,04 ... 10 0...+70 1% полной шкалы плюс ±1,5% показания -30...+70 См. 641/24 В 662/22 0,02 . . 5 0,03 .10 0...+70 ±1% полной шкалы 1 плюс ±1,5% показания | -30...+70 ] См. 642/24
Показывающее устройство (вторичный прибор) Демонстрируемые результаты измерений 640/2 В любой момент на габ потока и температуры 640/2 1 640/2 ло можно вызвать максимальные, минимальные и сред 640/2 кие значения скорости
Времена измерений (режимы) &ай/&ор: по выбору от 2 с до 2 ч с постоянным высвечиванием ш табло среднего накопленного значения.
Кер неограниченное повторение измерений в режиме 8<ап/8(ор с высвечиванием оставшегося времени
Питание Внутреннее: батарея на 9 В; внешнее: сетевой блок питания или батарея на 8-15 В IX?
Выходной сигнал По скорости потока от 0 до 1 В, по температуре Ю мВ/’С
Точность ±2 знака
Пр инадл ежности Сумка, чемодан, удлинительные стержни и провода, телескопический стержень, блок питания (сетевой)
По дополнительному заказу Показывающее устройство в футах/мин и °Р
Дополнительные возможности Датчики со стойкостью до 250°С, антикоррозионным покрытием, захватом направления потока Взрывобезопасное исполнение, защита от загрязнений. Специальное исполнение: по отдельному заказу
Рис. 2.6.5-17. "^пекфонный анемометр с вертушечными датчиками (модель Мт1А1г2, 8сЫ1кпесМ)
Рис. 2.6.5-18. Створчатый
анемометр: слева - принципи-
альная схема, справа внешний
вид
метное влияние на показания термоанемомет-
ра в зависимости от его пространственной ори-
ентации и направления течения при измерени-
ях малых скоростей потока. В последнее время
стали появляться модели, температура чувстви-
тельных элементов которых приближается к
40°С. Кроме того, эти модели оборудованы вто-
рым термистором, предназначенным для ком-
пенсации температуры воздуха, благодаря чему
показания такого типа приборов не зависят не
только от направления течения, но и от темпе-
ратуры набегающего потока. Диапазон измере-
ний подобных гермоанемометров, один из об-
разцов которых представлен на рис. 2.6.5-19,
составляет от 0,1 до 3,0 м/с.
Такие приборы используются главным об-
разом для определения скорости окружающего
воздуха. К сожалению, они вызывают возмуще-
ние воздушного потока и при работе с ними для
обработки результатов измерений требуется
дополнительная дорогостоящая аппаратура, со-
держащая в числе прочего час готомер и устрой-
ство сравнения.
Рис. 2.6.5-19. Образец термоанемо-
метра с нагреваемой проволочкой
2.6.5.13. Особые случаи измерения
скорости воздуха
2.6.5.13.1. Измерение расхода воздуха
в воздуховоде1
а) Измерение в точках
Согласно этому методу проводятся измере-
ния скоростей в нескольких местах, равномер-
но распределенных по сечению воздуховода,
после чего вычисляется средняя скорость по
сечению. Если воздуховод имеет круглое сече-
ние (рис. 2.6.5-20), его разделяют концентри-
ческими окружностями на несколько равнове-
ликих кольцевых поверхностей, замеряя ско-
рость воздуха в различных точках окружностей,
представляющих собой внутренние границы
таких колец. В этом случае средняя скорость в
данном сечении равна средней арифметической
результатов измерений. Например, если повер-
хность разделена на 5 равновеликих частей,
расстояния точек замеров от стенки воздухово-
да составят значения, приведенные в табл.
2.6.5-1.
Концентрические окружности
Рис. 2.6.5-20. Измерение средней скорости воздуха в
круглом воздуховоде
Другой метод, называемый логарифмичес-
ки линейным, используют в тех случаях, когда
величина выделенных концентрических слоев
достаточно большая. Если измерения произво-
дятся в круглом воздуховоде в точках, распо-
1 См. стандарт МЕХ 10-231 (180 5221) “Распределение
и распространение воздуха. Техника измерения расхода в
воздуховодах”.
Таблица 2.6.5-1
Относительное расстояние х,/2> для 5 точек замеров
от стенки по методу равновеликих концентрических
колец (измерение расхода воздуха в круглом
воздуховоде)
Х1/О хг/О х3/й Х4/О хуИ
0,026 0,082 0,146 0,226 0,342
ложенных по меньшей мере на двух взаимно
перпендикулярных диаметрах, замеры следует
осуществлять как минимум в 3-5 точках на лу-
чах каждого из секторов окружности.
В случае измерений в прямоугольных воз-
духоводах их сечение разделяют на некоторое
число равных прямоугольников н замер скоро-
сти производят в центре тяжести каждого и°
них. Однако в этом случае речь вдет о доста-
точно грубом методе. Поскольку вблизи стенок
скорость потока заметно ниже, чем в центре,
нужно, по-видимому, в этой области разбивать
площадь сечения на более мелкие элементар-
ные участки, а при вычислении средней скоро-
сти учитывать соответствующие значения доли
этих участков в общей площади поперечного се-
чения.
б) Метод кругового сканирования
В воздуховодах больших размеров или на
выходе из фильтров, теплообменников и дру-
гих устройств можно рассчитать среднюю ско-
рость, медленно перемещая крыльчаточный
анемометр с постоянной, очень небольшой ско-
ростью вдоль нескольких воображаемых окруж-
ностей по всей площади поперечного сечения
воздуховода. Такие измерения необходимо вы-
полнить дважды. Если скорости меняются
очень быстро, расчетная величина часто оказы-
вается завышенной. То же самое имеет место
в случае, когда площадь проходного сечения
крыльчатки больше чем на 1% превышает пло-
щадь воздуховода.
в) Метод входного насадка
Для вытяжных вентиляторов со свободным
подсосом воздуха расход воздуха измеряют с
помощью входного насадка с полностью зак-
ругленными краями на входе в него, который
устанавливают перед вентилятором (рис. 2.6.5-
Рис. 2.6.5-21. Устройство для измерения средней ско-
рое™ воздуха при помощи входного насадка
21). Скорость воздуха при этом определяют по
формуле
где Ар - статическое падение давления, Па.
г) Измерение с помощью устройств для суже-
ния потока
Этот метод был рассмотрен в п. 2.6.5.6.
д) Измерение скорости в предположении од-
номерности течения
При измерении скорости воздуха вдоль
оси трубопровода круглого сечения средняя ско-
ро сть по сечению составляет ^«(0,80...
0,85)м'тах. При этом предполагается, что поток
симметричен, не закручен и полностью турбу-
лентен.
е) Измерение расхода утечек в воздуховодах
В сетях распределения воздуха очень часто
наблюдаются утечки, обусловленные негерме-
тичностью стыков между участками воздухово-
дов, воздуховодами и различной аппаратурой.
Для измерения расхода утечек поступают сле-
дующим образом: герметично закрывают все
отверстия в воздуховоде, предусмотренные его
конструкцией (как правило, отверстия обдува,
диффузоры и т.п.), расположенные вдоль рас-
пределительной сети, взятой полностью или
частично. Затем с помощью измерительного ус-
тройства, например диафрагмы, измеряют рас-
ход, проходящий через вентилятор. При этом
работа вентилятора приводит к наддуву или
падению давления в проверяемом участке, а
давление испытания приблизительно соответ-
Таблица 2.6.5-2
Рекомендуемые значения расходов утечек для воздуховодов в зависимости от давления испытания
(или статической разности между внутренним и окружающим давлением)
Классы герметич- ности Сети воздуховодов Допустимый расход утечек. м3/(с-м2), для давления испытаний, Па Примечание
200 400 1000
I Нормальная герметичность (автобазы, гимнастические залы...) 2.52Х10’3 3.96x10’’ 7.2x10’ Для воздуховодов с фальцованными стыка- ми
II Улучшенная герметичность (залы заседаний, служебные помещения ...) 0,84X10’’ 1.32x10’’ 2,4X10’’ Для воздуховодов с фальцованными стыка- ми
III Повышенная герметичность (операционные, госпитали...) 0,28X10’’ 0,44X10’’ 0,8x10’3 Для воздуховодов с фальцованными и зава- ренными стыками
IV Максимальная герметичность (помещения с радиоактивны- ми материалами, атомные электростанции...) 0,093X10’’ 0,15х 10 ’’ 0,27X10’’ Для воздуховодов с заваренными стыками
ствует рабочему давлению. В зависимости от
степени искомой герметичности можно будет
принять те или иные значения расходов утечек,
уточненные в табл. 2.6.5-2. Эти данные глав-
ным образом предназначены для специалистов
по кондиционированию воздуха. Добавим, что
ввиду отсутствия указаний по значениям рас-
ходов утечек во французских стандартах мы
воспользовались величинами стандарта Э1М
24194.
2.6.5.13.2. Измерение расхода
в вентиляционных отверстиях
и воздухозаборниках
а) Локальные измерения
Измерения осуществляют в нескольких точ-
ках, распределенных по сечению отверстий, с
помощью либо трубок Пито или Прандтля,
либо термоанемометров. Однако вследствие,
как правило, закрученного потока с завихрен-
ностью результаты сравнительно неточны.
б) Метод измерительного раструба
Это устройство, обычно оснащенное вырав-
нивающей решеткой, подсоединяют к отвер-
стию (рис. 2.6.5-22 и 2.6.5-23). Скорость воз-
духа измеряют в минимальном сечении растру-
ба.
Удовлетворительные результаты измерений
достигаются, если потери давления в отверстии
более значительны, чем потери давления в ра-
струбе. В случае необходимости результаты из-
мерений следует скорректировать. Этот метод
наиболее широко используется для решеток ис-
парителей.
в) Метод нуля
С помощью вспомогательного регулируемо-
го вентилятора воздух всасывается в измерн-
Рис. 2.6.5-22. Измерение расхода воздуха через венти-
ляционную решетку потолочного испарителя или воздухо-
охладителя
прибор
Рис. 2.6.5-23. Измерение расхода воздуха через возду-
хозаборную решетку потолочного испарителя или воздухо-
охладителя
тельную камеру, подсоединенную к отверстию,
таким образом, чтобы в этой камере установи-
лось давление, равное атмосферному. Между
измерительной камерой и вентилятором уста-
навливают диафрагму или мерное сопло для
выполнения точных измерений. Результаты из-
мерений вполне удовлетворительные, однако
сам метод достаточно неудобен при реализации,
поскольку в настоящее время еще нет полнос-
тью пригодной для измерений аппаратуры.
г) Экспериментальный метод разворачиваю-
щегося мешка
В этом методе прямо на вентиляционное от-
верстие надевают очень легкий пластиковый
мешок, свернутый или сложенный гармошкой.
Расход определяют по известному времени на-
полнения мешка. Поток воздуха, наполняюще-
го мешок, резко останавливают, как только ста-
тическое давление в воздуховоде выше по по-
току от отверстия превысит величину, начиная
с которой в воздуховоде возникают возмущения
потока.
д) Лазерная томография'
Лазерный томограф - это специальная сис-
тема, которая позволяет визуализировать воз-
душный поток благодаря использованию томо-
графии, т.е. технологии, обеспечивающей ла-
зерную подсветку воздуха, в который предва-
рительно введены очень мелкие посторонние
частицы. Наблюдение светящейся плоскости
после этого производится либо непосредственно,
либо с помощью видеокамеры. На рис.2.6.5-24
1 Имеется в виду технология, разработанная Техничес-
ким центром аэродинамического и теплового оборудования
(СЕТ1АГ) в Огзау.
Рис. 2.6.5-24. Визуализация воздушного потока на выходе из вентиляционного отверстия, получаемая с помощью ла-
зерной томографии
показана картина, получаемая для воздушной
струи на выходе из вентиляционного отверстия.
Благодаря визуализации потока и получе-
нию на этой основе распределения скоростей
во всех точках светящейся плоскости можно не
только рассчитать расходы, но и управлять по-
током воздуха, например, в холодильной каме-
ре, прилавке и т.д.
2.6.5.13.3. Измерение скорости
окружающего воздуха
Движение воздуха в данном объеме (напри-
мер, в холодильной камере или в холодильном
складе) характеризуется изменениями во вре-
мени и в пространстве скорости окружающего
воздуха как по величине, так и по направлению.
Перемещения воздушных масс в таких поме-
щениях в той или иной мере неконтролируемы,
поскольку они вызваны не только истечением
или забором воздуха через вентиляционные от-
верстия, но и конвективными течениями, воз-
никающими при передвижениях складскими
рабочими тележек с продуктами, стеллажей,
ящиков, хранящихся на складе, при открыва-
нии дверей и т.п. В результате распределение
скоростей приобретает особо сложный харак-
тер и представить его можно только статисти-
ческой моделью (рис. 2.6.5-25).
Многочисленные эксперименты показали,
что в большинстве случаев скорость колеблет-
ся около средней величины, характеризуемой
разбросом, который может быть представлен
нормальным распределением, описываемым с
помощью закона Гаусса-Лапласа Существует
два способа получения результатов измерений.
В течение отрезка времени продолжитель-
ностью около 200 с выполняют примерно 500
замеров мгновенной скорости V Среднее ариф-
метическое значение скорости тогда будет рав-
но
Рис. 2.6.5-25. Пример изменения скорости воздуха в
помещении за короткий отрезок времени. Среднее арифме-
тическое значение скорости составляет 0,16 м/с с дисперси-
ей ±0,06 м/с
а среднеквадратичное отклонение, или корень
квадратный из дисперсии,
5 V л-1
Зная среднеарифметическое и дисперсию,
можно определить скорость воздуха в данном
помещении.
В методе, который называют частотно-вре-
менным, с помощью самопишущего прибора
или интерпретирующего устройства фиксиру-
ют, в течение какого времени в процентах от
общего времени измерений скорость воздуха
превышает некоторую наперед заданную вели-
чину, например 0,1; 0,2; 0,3, ... м/с. Отклады-
вая значения скорости на оси абсцисс вероят-
ностной шкалы1 нормального распределения,
можно получить с учетом выбранного нормаль-
ного закона прямую, для чего потребуется толь-
ко два измеренных значения. Точка пересече-
ния 50%-й ординаты с этой прямой в проекции
на ось абсцисс даст среднее арифметическое, а
разность между 50%-й и 84%-й ординатами в
проекции на ось абсцисс соответствует диспер-
сии (рис. 2.6.5-26).
С помощью калькулятора среднее арифме-
тическое (величина, вероятность реализации
которой не ниже 50%), а также его увеличение
на значение дисперсии (стандартного отклоне-
ния), соответствующее 84% вероятности реали-
зации, можно определить начиная с большого
числа замеренных значений мгновенной скоро-
сти (не менее 200).
Такой метод называют методом случайной
выборки.
Используемые для измерения пульсаций
скорости приборы представляют собой, как пра-
вило, нагреваемые проволочные термоанемо-
1 Вероятностную шкалу строят следующим образом: на
ось ординат проецируют точки пересечения кривой, пред-
ставляющей функцию Дх) вероятности нормального распре-
деления (кривую Гаусса), с различными прямыми, выходя-
щими из точек на оси абсцисс от 0 до 1 перпендикулярно
этой оси. Проекции точек пересечения на ось ординат да-
дут искомую вероятностную шкалу. Кривая Гаусса на этой
шкале преобразуется в прямую (рис. 2.5.6-27).
Рис. 2.6.5-26. Изменение скорости воздуха в помеще-
нии на вероятностной диаграмме
кривая вероятности
нормального распределения
Рис. 2.6.5-27. Функция Цх) вероятности нормального
распределения.
Слева - линейная система координат, справа - вероят-
ностная шкала
метры. Они должны иметь определенные ха-
рактеристики, в частности высокое быстродей-
ствие, температурную компенсацию, определе-
ние изменения не только величины, но и на-
правления скорости. Кроме того, датчик тем-
пературы должен иметь постоянную времени
ниже 2 с и удовлетворять требованиям так на-
зываемого закона косинуса1 в двух возможных
направлениях потока.
Временной интервал измерений должен
быть растянут самое меньшее на 200 с, а в слу-
чае существенных флюктуаций измеряемых
скоростей, т.е. когда разность замеров, выпол-
ненных в одном и том же месте, превышает
10%, этот интервал может достигать 400 с.
Вследствие того, что характеристики использу-
1 Закон косинуса касается угла падения, под которым
воздушная струя будет набегать на приемную поверхность
датчика.
Рис. 2.6.5-28. Прибор для измерения скорости воздуха
в помещении с датчиком потока
емых скоростей могут сильно различаться, ре-
зультаты измерений нередко также могут иметь
значительные расхождения. На рис 2.6.5-28
представлен образец прибора, предназначенно-
го для измерения скоростей воздуха в помеще-
нии.
2.6.6. Прочие измерительные
приборы
2.6.6.1. Измерение солнечного
излучения
Для измерения солнечного излучения могут
быть использованы следующие приборы.
• Пирогелиометры, позволяющие измерять
интенсивность прямого солнечного излучения
путем оценки повышения температуры сереб-
ряного диска фиксированного размера (пироге-
лиометр Аббота). Существует также пирогели-
ометр Ерр1еу, представляющий собой приемник
тепла на основе термоэлемента, напряжение
которого пропорционально прямому падающе-
му солнечному излучению.
• Пиранометры, используемые для измере-
ния полного солнечного излучения. Их разно-
видности представляют собой различные типы
фотоэлементов, биметаллические пластины ти-
па КоЬйхзсЬ и др.
• Гелиографы (например, СатрЬе11-81оке8),
позволяющие фиксировать продолжительность
действия солнечного излучения.
• Альбедометры, измеряющие отношение
рассеянного или отраженного поверхностью
солнечного излучения к полному падающему
солнечному потоку.
2.6.6.2. Измерение уровня жидкостей
Наиболее простым устройством измерения
уровня жидкостей в открытых, т.е. находящих-
ся при атмосферном давлении, резервуарах яв-
ляется поплавковый уровнемер, представляю-
щий собой поплавок с тросом механической
передачи, шкивами, противовесом и шкалой
(рис. 2.6.6-1). Если результаты измерений тре-
буется передать на расстояние, можно исполь-
зовать потенциометрическое устройство (рис.
2.6.6-2).
Однако поплавковые указатели уровня не от-
личаются высокой точностью, особенно в тех
случаях, когда плотность жидкости, уровень
которой измеряют, меняется, в результате чего,
согласно закону Архимеда (см. п. 1.3.5.2.6), глу-
бина погружения поплавка также меняется.
Кроме того, на показания поплавковых указа-
телей заметное влияние оказывают различные
силы трения, особенно в тросовых и стержне-
вых системах. Поэтому поплавковые уровнеме-
ры используются только в тех случаях, когда не
требуется высокая точность показана В кон-
Рис. 2.6.6-1 Поплавковый указатель уровня
Рис. 2.6.6-2. Потенциометрический поплавковый ука-
затель уровня для дистанционной передачи результатов из-
мерений
струкции поплавковых уровнемеров использу-
ются разнообразные вторичные преобразовате-
ли, например магнитные с якорем, трансфор-
маторные и т.д. Поплавковые регуляторы уров-
ня, которые могут быть использованы в холо-
дильных установках, более подробно описаны
в п. 3.1.5.2.1.3. Измерение уровня жидкости
может также производиться с помощью мано-
метра (рис. 2.6.6-3), который реагирует на из-
менение массы жидкостного столба. Если рас-
стояние между измерительным прибором и ре-
зервуаром значительно, используют дифферен-
циальный манометр, который показывает раз-
ность давлений между базовым (опорным)
уровнем и действительно измеряемым уровнем.
Другой способ измерения и регулирования
уровня заключается в использовании электро-
дов. С этой целью два проводящих электрода
в изоляционной оболочке, погруженные в ем-
кость, соединяют с источником тока. В резуль-
тате образуется конденсатор, полное сопротив-
ление которого является причиной изменения
электрического тока. Когда уровень жидкости
меняется, то меняется и его емкость, а следо-
вательно, и величина электрического тока. В
указателе уровня, схема которого дана на рис.
2.6.6-4, центральный электрод выполнен в виде
металлического стержня, покрытого изоляцией,
в то время как роль второго электрода играет
жидкость, а в качестве диэлектрика выступает
слой изоляции, покрывающий электрод.
Кроме того, существуют и другие датчики
уровней, в основе которых лежат самые разно-
образные принципы:
- распространение звуковых и ультразвуко-
вых волн, которые отражаются от поверхности
жидкости. Это сложный процесс, главным пре-
Рис. 2.6.6-3. Манометрический указатель уровня
индикатор
усилитель
электрод
изоляция
второй
электрод
Рис. 2.6.6-4. Емкостный указатель уровня
имуществом которого является отсутствие кон-
такта измерительных инструментов с исследу-
емой жидкостью;
- радиоизотопные; в них у-частицы, излу-
чаемые цезием или кобальтом, направляются
перпендикулярно поверхности жидкости, тол-
щину которой (уровень) требуется измерить;
после этого подсчитывают число частиц, про-
шедших через жидкость. Разность между коли-
чеством частиц, прошедших и поглощенных
или рассеянных жидкостью, будет пропорцио-
нальна толщине жидкого слоя;
- пропускание светового пумка. Здесь, как
и в предыдущем случае, излучаемый свет час-
тично поглощается, преломляется и отклоняет-
ся в той или иной мере в зависимости от тол-
щины жидкостного слоя, пересекаемого пучком
света.
2.6.6.З. Измерение вязкости
Определение понятия динамической вязко-
сти (или сопротивления сдвигу) мы рассматри-
вали в п. 2.3.1.2 и больше к этому не будем воз-
вращаться. Вместе с тем мы собираемся опи-
сать несколько приборов, используемых для
измерения этой вязкости, в частности вязкости
холодильных масел (см. п. 3.3.2.3).
Наиболее простая система измерения дина-
мической вязкости заключается в том, что в
жидкость, вязкость которой нужно измерить,
бросают шарик заданного радиуса и плотнос-
ти и определяют установившуюся скорость его
падения в жидкости. После этого динамичес-
кую вязкость вычисляют по формуле
2 ? • и2
П = т(Р-Р;)----.Па-с,
9 V
где р - плотность сферы, кг/м3;
р; - плотность жидкости, кг/м3;
% - ускорение силы тяжести, м/с2;
г - радиус сферы, м;
V - установившаяся скорость падения сфе-
ры, м/с.
Этот способ легко осуществим, не занима-
ет много времени, однако недостаточно точен,
тем более, что результаты нуждаются в коррек-
тировке (в том числе с поправкой на число Рей-
нольдса и влияние стенок).
Другой способ измерения вязкости основан
на определении скорости прохождения жидко-
сти через капиллярную трубку (рнс. 2.6.6-5). В
этом случае измеряют время, в течение кото-
рого некоторый объем жидкости протекает че-
рез капиллярную трубку под действием пере-
пада давления, обусловленного либо гидроста-
тическим напором, либо источником давления
сжатого газа (или поршнем), либо и тем и дру-
гим. В результате динамическая вязкость опре-
деляется из формулы Пуазейля:
I - время, с, протекания через трубку жид-
кости объемом И, м3;
I - длина капиллярной трубки, м.
Капиллярный вискозиметр - также очень
простой и дешевый прибор, но, как и шарико-
вый вискозиметр, дает величину вязкости, рас-
считываемую по предыдущей формуле, требу-
ющей многочисленных поправок, одни из ко-
торых связаны с жидкостью (поправки на слив
и поверхностное натяжение), другие - с по-
грешностями прибора (поправки на кинетичес-
кую энергию и эффекты на входе и на выходе
капиллярной трубки).
Вискозиметр с концентрическими цилинд-
рами, называемый также вискозиметром Куэт-
та (рис. 2.6.6-6), содержит цилиндр, наполнен-
ный исследуемой жидкостью, в который погру-
жен сплошной цилиндр, приводимый во вра-
щение внешним приводным устройством. Из-
меряемый при этом момент сопротивления вра-
щению будет пропорционален вязкости иссле-
дуемой жидкости. Этот прибор более сложен,
чем предыдущие, и хотя его точность не выше,
где Ар - перепад давления на капиллярной
трубке, Па;
г - радиус капиллярной трубки, м;
Рис. 2.6.6-5. Принципиальная схема капиллярного
вискозиметра
Рис. 2.6.6-6. Принципиальная схема вискозиметра Ку-
этта с коаксиальными цилиндрами:
1 - внешний цилиндр; 2 - исследуемая жидкость; 3 -
внутренний цилиндр; 4 - приводное устройство внутренне-
го цилиндра
чем у описанных выше устройств, результаты
измерений не требуют практически никаких
поправок.
Для измерения вязкости масел долгое вре-
мя использовали вискозиметр Энглера, при
этом результаты измерений выражались в од-
ноименных градусах, однако в настоящее вре-
мя вязкость масел измеряют вискозиметром
Хепплера, в котором калиброванный шарик
спускается по стеклянной трубке, заполненной
исследуемой жидкостью, с измерением време-
ни, в течение которого шарик проходит рассто-
яние между двумя отметками.
2.6.6.4. Измерение водородного
показателя (рН)
Измерение показателя рН позволяет опре-
делить наличие в воде кислотной или щелоч-
ной реакции и степень этой реакции. В одном
лигре чистой воды присутствуют 10'7г ионов Н+
и столько же ионов ОН . При этом вода счита-
ется нейтральной и ее показатель рН равен 7.
Если число ионов Н+ повышается, например,
до 10-5г/л, говорят, что показатель рН равен 5,
и вода считается кислой. Кислая вода имеет
показатель рН, меняющийся от 0 до 7, щелоч-
ная - от 7 до 14.
Измерение показателя рН может произво-
диться с помощью гальванических элементов1,
напряжение на измерительном электроде кото-
рых зависит только от числа ионов Н+, а напря-
жение опорного (эталонного) электрода полно-
стью независимо от их содержания (рис. 2.6.6-
7).
Эталонный электрод погружен в раствор с
известной концентрацией ионов (буферный ра-
створ), а измерительный электрод - в раствор,
концентрация ионов в котором подлежит изме-
рению. Два раствора через диафрагму электри-
чески связаны между собой. Разность потенци-
алов между двумя электродами соответствует
измеряемому значению рН раствора. Измери-
тельный электрод, как правило, выполняется из
стекла. Разность потенциалов возникает меж-
1 См. стандарт М1; Т90-008 “Анализ воды. Электромет-
рическое измерение показателя рН прибором со стеклянным
электродом”.
™™ГЬНЫЙ индикатор
стеклянная
мембрана
Рис. 2.6.6-7. Принципиальная схема рН-метра
ду двумя поверхностями специальной стеклян-
ной перегородки, погруженной в раствор. В
промышленности электроды являются предме-
том специального конструирования. В продаже
имеются также карманные рН-метры. Исполь-
зование цветных индикаторов (органических
красителей) для определения показателя рН
является простым, но приближенным методом1.
Измерение показателя рН может оказаться не-
обходимым для определения качества воды,
предназначенной для подачи в градирни, сис-
темы охлаждения конденсаторов и т.д.
2.6.6.5. Измерение электропроводности
Измерение электропроводности может ока-
заться полезным для определения содержания
солей в различных растворах (№С1, КОН и
т.д.). Для конкретной соли электропроводность,
измеряемая в сименсах на сантиметр (См/см),
пропорциональна ее концентрации (рис. 2.6.6-
8) и меняется с температурой.
Электропроводность измеряют с помощью
кондуктометра, содержащего два электрода, по-
груженных в жидкость. Калибровка прибора
производится в мкСм/см или сразу в мг/л соли
в растворе. В качестве эталона выбран раствор
хлористого натрия вследствие его средней про-
водимости. Принято, что 1мг №С1 в 1 литре
воды при 20°С соответствует электропроводно-
сти 2 мкСм/см. Принципиальная схема кондук-
тометра с температурной компенсацией пред-
ставлена на рис. 2.6 6-9.
1 См. стандарт 51Г Т90-006 “Анализ воды. Колоримет-
рическое определение показателя рН”.
Рнс. 2.6.6-8. Изменение электропроводности раство-
ров различных соединений в зависимости от нх концент-
рации при фиксированной температуре
Рнс. 2.6.6-9. Принципиальная схема кондуктометра с
температурной конденсацией
1.6.6.6. Газоанализаторы
Для определения содержания того или ино-
го газа в атмосфере используются самые раз-
нообразные приборы, которые в ряде случаев
позволяют обнаружить присутствие даже ма-
лейших следов различных газов. Анализ соста-
ва атмосферы может потребоваться при реше-
нии задачи обеспечения заданного содержания
различных газов, например, в холодильном
складе, особенно это касается содержания уг-
лекислого газа (СО2), азота (Ы2) и кислорода
(О2).
Есть газоанализаторы, основанные на изме-
рении теплопроводности газов, концентрацию
которых нужно определить. Количественное
значение теплопроводности анализируемой ат-
мосферы сравнивается с теплопроводностью
эталонного газа. Принцип измерения заключа-
ется в электронагреве проволочной нити, тем-
пература которой будет тем выше, чем ниже
теплопроводность газа. Принципиальная схема
Рис. 2.6.6-10. Принципиальная схема газоанализатора,
основанного на сравнении теплопроводностей
газоанализатора, основанного на сравнении
теплопроводностей, приведена на рис. 2.6.6-10.
Существуют также магнитодинамические
газоанализаторы, позволяющие определять ко-
личество кислорода, содержащегося в газовой
смеси. Принцип работы этих приборов осно-
ван на парамагнитных свойствах кислорода, т.е.
на том эффекте, что кислород, помещенный во
внешнее магнитное поле, сам намагничивает-
ся, причем силовые линии его намагниченнос-
ти практически совпадают с направлением
внешнего магнитного поля. В результате этого
эффекта возникает течение кислорода, которое
в большей или меньшей степени приводит к ох-
лаждению эталонной нити накаливания.
Еще один класс газоанализаторов использу-
ет отличия в поглощающей способности раз-
личных газов по отношению к инфракрасному
излучению. Источник инфракрасного излуче-
ния воздействует на два сосуда, в одном из ко-
торых находится анализируемая газовая смесь,
а в другом - эталонный газ (азот).
Принцип работы таких приборов основан на
том, что большинство многоатомных газов по-
глощают инфракрасное излучение в строго оп-
ределенной для каждого из них диапазоне длин
волн. Определение процентного содержания
газа, содержащегося в пробе, осуществляется
путем замера изменений температуры и давле-
ния в сосуде, заполненном анализируемой сме-
сью.
Для очень приближенного анализа состава
газовой смеси можно использовать индикатор-
ные трубки, в которых содержится специаль-
ный реактив, в большей или меньшей степени
меняющий свою окраску в зависимости от про-
центного содержания в атмосфере соогветству-
ющего газа, если анализируемая смесь пропус-
кается через эти трубки. Однако такой способ
нельзя считать точным.
Контролируемый состав атмосферы холо-
дильных складов обычно создается специаль-
ными генераторами атмосферы требуемого со-
става, оснащенными газоанализаторами для
определения содержания в этой атмосфере уг-
лекислого газа, кислорода и азота. Такие гене-
раторы искусственной атмосферы позволяют не
только контролировать ее состав, но и управ-
лять им. Более подробное рассмотрение этой
темы выходит за рамки настоящей книги.
2.6.6.7. Подсчет количества
аэрозольных частиц1 *
В настоящее время отсутствуют какие-либо
общие методы для определения физико-хими-
ческих параметров различных частиц, находя-
щихся в воздухе, вследствие очень большого
разнообразия числа, размеров и типов этих ча-
стиц. Измерения содержащихся в воздухе час-
тиц могут заключаться в определении:
- объема (концентрации) частиц, мг/м3 или
см3/м3;
- количества частиц в 1 м3 воздуха;
- их размеров, мкм (0,001 мм);
- типа частиц в зависимости от их проис-
хождения, химического состава и т.д.
Приборы для проведения таких измерений
очень разнообразны, поэтому результаты, по-
лученные с помощью одних методов, как пра-
вило, не могут бьггь преобразованы для срав-
нения с результатами, полученными другими
методами. Измерения аэрозольных характери-
стик производятся либо с отделением частиц,
либо без отделения.
а) Счетные камеры
В камеру объемом примерно 5 см3 отбира-
ется проба воздуха из контролируемой атмос-
феры, и подсчет количества частиц, содержа-
щихся в ней, производится визуально с помо-
1 См. стандарт КГ Х44-101 “Определенней классифи-
кация чистоты воздуха и других газов в зависимости от со-
держания различных частиц”.
щью бинокулярного микроскопа. Такой подсчет
может также производиться с помощью авто-
матического устройства.
6) Счетчики пыли
В этих счетчиках определенный объем воз-
духа всасывается с большой скоростью через
специальный насадок и направляется на диск,
покрытый тонкой пленкой адгезивного веще-
ства, перпендикулярно его поверхности. Части-
цы пыли, попадая на диск, оседают на нем, и
после этого подсчитывается их количество. Та-
кие приборы не подходят для подсчета частиц,
размер которых превышает примерно 0,7 мкм.
Некоторые из образцов счетчиков пыли обору-
дованы несколькими диафрагмами и дисками-
ловушками частиц.
в) Гравиметрические пробоотборники
В них через фильтр пропускается строго
определенный с помощью расходомера объем
воздуха, после чего фильтр взвешивается на
аптечных весах (гравиметрия), а число частиц,
осевших на фильтре, подсчитывается визуаль-
но с помощью микроскопа.
г) Приборы для определения запыленности воз-
духа (термопреципитаторы)
Эти приборы основаны на явлении оттал-
кивания пыли нагретым телом, в качестве ко-
торого используется тонкая нить электронагре-
вателя, помещенная между двумя плоскими
предметными стеклами микроскопа, образую-
щими узкую щель. Эффективность прибора
100%, так как размеры не превышают 1 мкм.
д) Колориметрическое тестирование
В этом методе две воздушных струи, одна
из которых является чистой, а вторая загрязнен-
ной, пропускают через два бумажных фильтра.
После окончания продувки визуально сравни-
вают степень изменения окраски обоих фильт-
ров. Метод очень неточный.
е) Счетчики частиц Коусо
Анализируемый воздух всасывается в фото-
умножитель, т.е. в ярко освещенную измери-
тельную камеру. Частицы пыли рассеивают па-
дающий на них свет, что приводит к появле-
нию в фотоэлементах умножителя электричес-
ких импульсов, которые затем подсчитывают-
ся. Наименьшая транулометрическая чувстви-
тельность такого способа при нормальном ос-
вещении составляет около 0,3 мкм.
ж) Радиометрические весы
В этом приборе, используемом при слабой
запыленности, пыль откладывается на пласти-
не-мишени из полиэфира. Пылевые отложения
приводят к ослаблению излучения источника р-
частиц, которое легко и быстро регистрирует-
ся ручным дозиметром, сразу определяющим
концентрацию пыли.
з) Метод кристаллического осциллятора (пье-
зоэлемента)
Благодаря электростатическому притяже-
нию частицы пыли оседают на пьезоэлементе,
меняя собственную частоту его колебаний про-
порционально количеству осевшей пыли. Ре-
зультаты измерений выражаются в мг/м3, вре-
мя измерения составляет от 24 до 120 с, диа-
пазон измерений находится в пределах от 0,01
до 10 мг/м3.
и) Вертикальные пылеотделители
Они состоят из цилиндроконического сепа-
ратора, установленного на входе и играющего
роль камеры стабилизации, задача которой зак-
лючается в том, чтобы задержать вначале час-
тицы пыли размером более 15 мкм, не способ-
ные проникнуть в легкие, и вторичной камеры.
Во вторичную камеру попадают только те час-
тицы, которые могут проникнуть в легкие, все
попавшие во вторичную камеру частицы под-
лежат измерению.
к) Фильтрующие аппараты СгсМкоп УС 25
Основным элементом этих аппаратов явля-
ется мембранный фильтр, обеспечивающий от-
деление частиц средних размеров от очень мел-
ких частиц (рис. 2.6.6-11). Средние частицы
оседают в зоне 1 или рикошетируют в зону 3.
Мелкие частицы оседают в измерительной зоне
2.
2.6.6.8. Определение содержания влаги
в различных материалах методом
ядерного радиозондирования
Для получения количественных данных о
содержании влаги в различных материалах
можно, разумеется, взять на пробу образец ка-
кого-либо материала, взвесить в лабораторных
Рис. 2.6.6-11. Фильтрующий аппарат ОгаУ1коп УС 25,
используемый для измерения количества частиц путем их
разделения по размерам
условиях и сравнить его плотность с плотное-
тью сухого образца. Однако метод отбора про-
бы имеет множество недостатков: приходится
нарушать целостность исследуемого материала,
снижая при этом его однородность и создавая
точку концентрации напряжений (если матери-
ал находится под нагрузкой). Поэтому целесо-
образно осуществлять проверки с помощью
методов неразрушающего контроля, одним из
которых является ядерное радиозондирование.
Для этой цели можно использовать нейтронный
щуп (на рис. 2.6.6-12 изображен установлен-
ным наверху укладки, предназначенной для его
транспортировки), который содержит источник
радиоактивного излучения на основе америция
или бериллия мощностью 75 000 нейтронов в
секунду. Излучаемые этим источником нейтро-
ны постепенно замедляются после определен-
ного числа столкновений с легкими ядрами,
такими, как ядра атомов водорода. Захват мед-
ленных, или тепловых, нейтронов, отраженных
обратно в направлении источника излучения,
производится с помощью двух детекторов на
основе изотопа гелия (Не3). Измерительное ус-
тройство оснащено встроенной электронно-вы-
числительной аппаратурой, которая подсчиты-
вает число медленных нейтронов, образовав-
шихся в результате встречи с атомами водоро-
да. В результате щуп становится фактически
Рис. 2.6.6-12. Нейтронный щуп как устройство нераз-
рушающего контроля (П9П)
счетчиком атомов водорода. Следовательно,
молекула воды с ее двумя атомами водорода
обязательно оказывает вли гние на захват ней-
тронов, обеспечивая их отражение. Представ-
ление результатов с помощью компьютера по-
зволяет получить картину, подобную приведен-
ной на рис. 2.6.6-13, что может оказаться очень
полезным при контроле состояния теплоизоля-
ции холодильного склада или холодильной ка-
меры.
В особо сложных случаях можно дополнить
ядерное радиозондирование инфракрасным
термографическим исследованием (см. п.
2.6.2.6).
2.6.6.9. Другие измерительные
приборы
Измерение шумов производится шумомера-
ми и шумовыми дозиметрами, а вибраций -
датчиками вибраций (виброперегрузок) или
акселерометрами (см. разд. 2.5.6).
Количество поглощаемого или выделяемо-
го тепла и удельных теплоемкостей измеряет-
ся с помощью калориметров (см. пп. 1.3.1.3 и
1.3.1.4).
Для измерения работы, например работы
компрессора, используются индикатор Ватта,
оптический манограф или манограф, соединен-
ный с электронно-лучевым осциллографом.
Рис. 2.6.6-13. Пример гидрогра-
фической четырехцветиой съемки со-
стояния изоляции кровли холодиль-
ного склада, полученной при помощи
ядерного радиозондирования
2.7. Таблицы1
Таблица 2.7.1-1
Основные характеристики первых 100 химических элементов периодической системы
Менделеева1'
Наименование Хими- ческий сим- вол Дата откры- тия Атом- ный иомер Атомная масса, кг/ кмоль Состояние при нормальных условиях (/=20 °С, р=1,013 бар) Плотность, г/см3 Температура плавления, °С Температу- ра кипения, °С
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Азот 1772 7 14,01 Г 1,042) -210 -196
Актниий Ас 1899 89 227,03 т 10,06 1 230 3200
Алюминий А1 1827 13 26,98 т 2,70 660 2350
Америций Ат 1944 95 241,06 г 13,67 990 2600
Аргон Аг 1894 18 39,95 г 1,662> -189 -186
Астат А1 1940 85 210,00 т - 300 337
Барий Ва 1808 56 137,34 т 3,59 710 1640
Бериллий Ве 1798 4 9,01 т 1,85 1285 2470
Берклий Вк 1949 97 249,08 т 14,79 986 —
Бор В 1808 5 10,81 т 2,47 2030 3700
Бром Вг 1826 35 79,91 ж 3,12 — 7 59
Ванадий V 1801 23 50,94 т 6,09 1920 3400
Висмут В1 1753 83 208,98 г 8,90 271 1650
Водород н 1766 1 1,008 г 0,0 892’ -259 -253
Вольфрам V/ 1783 74 183.85 т 19,25 3387 5420
Г адолииий оа 1880 64 157,25 т 7,87 1310 3000
Галлий Оа 1875 31 69,72 т 5,91 30 2070
Гафний НГ 1923 72 178,49 т 13,28 2230 5300
Гелий Не 1868 2 4,00 г 0,122) -272 -269
Г ерманий Ое 1886 32 72,59 т 5,32 959 2850
Гольмий Но 1879 67 164,93 т 8,80 1470 2300
Диспрозий оу 1886 66 162,50 т 8,53 1410 2600
Европий Ей 1901 63 151,96 т 5,25 820 1450
Железо Ее до н.э. 26 55,85 т 7,87 1540 2760
Золото Аи до и.э. 79 196,97 т 19,28 1064 2850
Индий 1п 1863 49 114,82 т 7,29 157 2050
Иридий 1г 1803 77 192,20 т 22,55 2447 4550
Иттербий УЬ 1878 70 173,04 т 6,97 824 1500
Иттрий У 1794 39 88,91 т 4,48 1510 3300
1 Числовые значения характеристик элементов, приведенные в настоящем разделе, даны по французскому оригиналу
без изменений. Некоторые из них отличаются от данных, имеющихся в отечественной литературе. — Примеч. пер.
Продолжение табл. 2.7.1-1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Йод I 1811 53 126,90 т 4,95 114 184
Кадмий Сд 1817 48 112,40 т 8,65 321 770
Калий К 1807 19 39,10 т 0,86 63 777
Калифорний СГ 1950 98 251,08 т — —
Кальций Са 1808 20 40,08 т 1,53 840 1490
Кислород О 1774 8 16,00 г 1,46” -219 -183
Кобальт Со 1735 27 58,93 т 8,80 1494 2900
Кремний 81 1842 14 28,09 т 2,33 1410 2620
Криптон Кг 1898 36 83,80 г 3,00” -157 -153
Ксенон Хе 1898 54 131,30 г 3,5б” -112 -108
Кюрий Ст 1944 96 247,07 т 13,30 1340 —
Лантан Ьа 1839 57 138,91 т 6,17 920 3450
Литий и 1817 3 6,94 т 0,53 180 1360
Лютеций Ьи 1907 71 174,97 т 9,84 1700 3400
Магний ме 1755 12 24,31 т 1,74 650 1100
Марганец Мп 1774 25 54,94 т 7,47 1250 2120
Медь Си ДО н.э. 29 63,54 т 8,93 1085 2580
Молибден Мо 1778 42 95,94 т 10,22 2620 4830
Мышьяк Ав 1649 33 74,92 т 5,78 613” -
Натрий Ка 1807 И 22,99 т 0,97 98 900
Неодим Кд 1855 60 144,24 т 7,00 1024 3100
Неон Ке 1898 10 20,18 г 1,44” -249 -246
Нептуний Кр 1940 93 237,05 т 20,45 640 -
Никель № 1751 28 58,71 т 8,91 1455 2150
Ниобий кь 1801 41 92,91 т 8,58 2425 5000
Олово 8п ДО н.э. 50 118,69 т 7,29 232 2720
Осмий Ов 1803 76 190,20 т 22,58 3030 5000
Палладий Рд 1803 46 106,40 т 12,00 1554 3000
Платина Р1 1735 78 195,09 т 21,45 1772 3720
Плутоний Ри 1940 94 239,05 т 19,81 640 3200
Полоний Ро 1898 84 210,00 т 9,40 254 960
Празеодим Рг 1885 59 140,91 т 6,78 935 3000
Прометий Рт 1945 61 146,92 т 7,22 1168 3300
Протактиний Ра 1913 91 231,04 т 15,37 1200 4000
Радий Ка 1898 88 226,03 т 5,00 700 1500
Радон Кп 1900 86 222,00 г 4,40” -71 62
Реннй Ке 1925 75 186,20 т 21,02 3180 5600
Роднй КЬ 1803 45 102,91 т 12,42 1963 3700
Ртуть нв ДО н.э. 80 200,59 ж 13,55 -39 357
Рубидий КЬ 1861 37 85,47 т 1,53 39 705
Рутений Ки 1827 44 101,07 т 12,36 2310 4100
Самарий 8т 1879 62 150,35 т 7,54 1060 1600
Свинец РЬ ДО н.э. 82 207,19 т 11,34 328 1760
Селен 8е 1817 34 78,96 т 4,81 220 685
Сера 8 ДО н.э. 16 32,06 т 2,09 115 445
Серебро Ав ДО н.э. 47 107,87 т 10,50 .962 2160
Скандий 8с 1876 21 44,96 т 2,99 1540 2800
Стронций 8г 1790 38 87,62 т 2,58 770 1380
Сурьма 8Ь XVII в. 51 121,75 т 6,68 630 1750
Таллий Т1 1861 81 204,37 т 11,87 304 1460
Окончание табл. 2.7.1-1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Тантал Та 1802 73 180,95 Т 16,67 3000 5400
Теллур Те 1782 52 127,60 т 6,25 450 990
Тербий ТЬ 1843 65 158,92 т 8,27 1360 2500
Технеций Тс 1937 43 98,91 т 11,50 2200 4600
Титан Т1 1791 22 47,90 т 4,51 1670 3300
Торий ТЬ 1828 90 232,04 т 11,73 1700 4500
Тулий Тт 1879 69 168,93 т 9,33 1550 2000
Углерод С ДО и.э. 6 12,01 т 2,27 3700 -
Уран и 1789 92 238,03 г 19,05 1135 4000
Фермий Ет 1952 100 257,10 т — - —
Фосфор Р 1669 15 30,97 т 1,82 44 280
Франций Рг 1939 87 223,00 т — 30 650
Фтор Р 1771 9 19,00 г 1,142’ -220 -188
Хлор С1 1774 17 35,45 т 2,032) -101 -34
Хром Сг 1797 24 52,00 т 7,19 1860 2600
Цезий Са 1860 55 132,91 т 1,90 29 686
Церий Се 1803 58 140,12 т 6,71 800 3000
Циик 2п ДО н.э. 30 65,37 т 7,14 420 913
Цирконий 2г 1789 40 91,22 т 6,51 1850 4400
Эйнштейний Еа 1952 99 254,09 т — — —
Эрбий Ег 1843 68 167,26 т 9,04 1520 2600
13 Ввиду того, что в различных источниках имеются разночтения относительно значений плотности, температуры
плавления и кипения, мы приводим данные, наиболее часто встречающиеся в следующих трех работах: "Оепега!
СЬепнаЦу" (Р.1У. Абапз, Ед. $С1еп11Г1с Атепсап Воокз); “ЕаЫепздегГе цпд Рипкйопеп аиа РЬуайс, СЬеппе, АзГгопопие,
ОеорЬуайк ипд ТесЬтк" (ЕапдоИ-Вота1е1п, 8Ьлп§ег Уег1а$) и "ТесЬтциеа де Гш^ешеиг" (уо1. К1: Сопа1ап1еа рЬуатсо-
сЫпй^пеа).
2> Плотность ЖИДКОСТИ.
3) Температура возгонки.
Таблица 2.7.1-2
Основные характеристики химических элементов и газообразных химических соединений в нормальных условиях (температура 0°С, давление 101 325 Па)
Для хладагентов см. табл, с 3.2.7-2 по 3.2.7-4.
Наименование Химическая формула Молекуляр- ная масса Мп, кг/кмоль Молеку- лярный объеме нормаль- ных условиях м’/кмоль Плот- ность р, кг/м3 Плот- ность по отноше- нию к воздуху с! Индиви- дуальная газовая постоян- ная/?^ Дж/(кг-К) Т емпера- тура плавле- ния, °С Темпера- тура кипения, °С Критиче- ская темпера- тура, °С Крити- ческое давле- ние, бар Крити- ческий объем, дм3/кг Удельная тепло- емкость, кДж/(кг-К) Показа- тель адиабаты у=Се!С,
Ср
Азот Из 28,02 22,40 1,250 0,966 296,8 -210,0 - 196,0 - 147,1 33,9 3,22 1,04 0,74 1,40
Аргон Аг 39,95 22,39 1,784 1,379 208,2 - 189,0 - 186,0 - 122,4 47,1 1,90 0,52 0,32 1,63
Ацетилен с2н2 26,04 22,23 1,171 0,905 319,5 -85,2 — 35,9 62,5 4,33 1,51 1,22 1,24
Бугаи СзНю 58,12 - 2,600 2,010 143,0 - 135,0 0,5 153,2 36,8 — - — —
Водород Н2 2,016 22,43 0,0899 0,069 4124,0 -259,0 - 253,0 -239,9 12,9 32,30 14,38 10,26 1,40
Гелий Не 4,00 22,43 0,178 0,137 2 077,0 -272,0 - 269,0 - 268,0 2,3 15,00 5,24 3,16 1,66
Закись азота И2О 44,01 22,25 1,978 1,529 188,9 -90,8 -88,7 36,5 70,2 — 0,89 0,70 —
Кислород о2 32,00 22,39 1,429 1,105 259,8 -219,0 - 183,0 - 118,8 50,3 2,33 0,91 0,65 1,40
Метан СН, 16,04 22,36 0,717 0,554 518,3 - 182,5 - 161,7 -82,5 46,3 6,18 2,16 1,63 1,32
Озон О3 48,00 - 2,220 1,716 173,2 - 252,0 - 112,0 -5,0 93,3 — - — -
Окись азота МО 30,01 22,39 1,340 1,036 277,1 - 163,5 - 152,0 -94,0 62,8 — 1,00 0,72 1,39
Окись углерода СО 28,01 22,40 1,250 0,966 296,8 - 205,0 191,5 - 140,2 34,9 3,22 1,04 0,74 1,40
Пары воды Н2О 18,02 — (0,804) (0,621) 461,5 — - 374,1 221,2 3,17 — — 1,332
Пропан С3Н8 44,09 - 1,950 1,508 188,5 - 190,0 - 42,6 96,8 43,6 — — — -
Селеноводород Н28е 80,97 — 3,664 2,833 102,6 -65,7 41,3 138,0 89,3 — — — —
Сернистый газ (ангид- рид) 8О2 64,06 21,86 2,931 2,266 129,8 -75,3 - 10,0 157,2 78,8 1,92 0,61 0,48 1,27
Сероводород Н28 34,08 — 1,539 1,190 243,9 - 85,6 -60,4 100,4 90,3 — — — —
Сухой воздух (без СО2) - 28,96 22,40 1,293 1,000 287,1 -213,0 - 193,0 - 140,7 37,7 3,20 1,006 0,719 1,40
Углекислый газ со2 44,01 22,26 1,977 1,529 188,9 56,6” - 78,52) 31,0 73,8 2,14 0,82 0,63 1,30
Хлор С12 70,90 — 3,220 2,490 117,2 101,0 -34 144,0 77,0 — — —
Хлорводород НС1 36,46 22,20 1,642 1,270 228,0 - 116,0 -85,0 51,4 84,4 — 0,81 0,58 1,40
Хлорметил СНзС1 50,48 - 2,307 1,784 164,7 97,6 -23,7 143,1 66,8 — 0,73 0,57 1,28
Эган с2н6 30,07 22,19 1,356 1,048 276,5 183,6 -88,6 32,1 49,3 4,80 1,73 1,44 1,20
Этилен С2Н4 28,05 22,25 1,261 0,975 296,6 - 169,4 -103,5 9,5 51,4 4,70 1,61 1,29 1,25
0 При давлении 52 бар.
2' Температура возгонки.
2.7. ТАБЛИЦЫ 603