Имитационная модель системы обеспечения внутриклиматических характеристик «чистых» производственных помещений предприятий космической промышленности

Полный текст

Введение

Высокие темпы развития наукоемких отраслей промышленности обуславливают увеличение объема выпускаемой продукции, которая должна удовлетворять всем предъявляемым техническим требованиям и стандартам. На мировом рынке наблюдается возрастающая тенденция производства космических аппаратов (КА) широкого класса и назначения при высоком качестве и надежности долговременной эксплуатации.

КА, по сравнению с другими изделиями машиностроения, имеют ряд конструктивно-технологических особенностей, которые в значительной мере определяют техническое содержание, объем и структуру сборочных, монтажных и испытательных работ, а также используемое основное и вспомогательное оборудование.

К таким особенностям КА относятся значительные габариты изделий: сложность геометрических форм и малая жесткость деталей конструкции; требования по ограничению массы изделия; большое количество систем, агрегатов и приборов, входящих в состав КА; высокая стоимость изготовления и эксплуатации на всех этапах жизненного цикла КА.

Изготовления КА относится к единичному и мелкосерийному типу производств и представляет собой совокупность передовых технологических процессов, основанных на современных достижениях науки и техники. Оборудование производственно-технологического комплекса должно обеспечивать качественное изготовление и испытание всех деталей, узлов, агрегатов приборов изделия и, следовательно, их работоспособность в течение всего срока активного существования КА в космическом пространстве.

Особые требования предъявляются к чистоте внутренних полостей и коммуникаций аппаратов. Металлические и неметаллические частицы пылевидной и аэрозольной субстанции могут вызвать короткое замыкание электрических цепей, стать причиной заклинивая подвижных элементов и нарушения герметичности клапанов, редукторов, регуляторов в пневмогидросистемах. В пилотируемых КА посторонние пылевидные частицы и биологические микроорганизмы могут создать угрозу безопасности жизнедеятельности экипажа. По существующим отраслевым нормативным техническим условиям наличие посторонних предметов внутри КА не допускается, а суммарная масса загрязнений, например, для крупного кислородного бака не должна превышать 0,01 г [1].

На предприятиях космической промышленности наиболее ответственные операции технологических процессов сборки и испытаний КА, а также окончательная сборка КА выполняются в так называемых «чистых помещениях» (ЧП), в которых концентрация аэрозольных частиц пыли не должна превышать допустимых в соответствии с ГОСТ [1] значений. Для исключения возможности проникновение в ЧП аэрозольных загрязнений из примыкающих помещений более низкого класса чистоты, необходимо использовать принцип физического барьера (герметичные ограждающие конструкции, тамбур-шлюзы), а также при помощи приточно-вытяжной вентиляции создавать и поддерживать избыточное давления по отношению к примыкающим помещениям в пределах от 5 до 20 Па [2].

В соответствии с ГОСТ [3], в ЧП необходимо регулярно проводить текущий контроль концентрации аэрозольных частиц и избыточного давления, а в соответствии с требованиями конструкторской документацией на изделия вести контроль температуры и относительной влажности воздуха. Следует отметить, что в течение производственного процесса в чистых помещениях может проявляться повышение концентрации аэрозольных частиц, обусловленное повышением технологической активности персонала.

Для исключения негативного влияния человеческого фактора при проведении регулярного контроля параметров ЧП, на предприятиях должна внедрятся автоматизированная система обеспечения внутриклиматических параметров ЧП (АСОВКП ЧП). В ходе эксплуатации АСОВКП ЧП, поддержание избыточного давления и распределение воздушных потоков производственных помещения является довольно сложной задачей и зависит не только от таких очевидных факторов, как производительность вентиляционных систем и выполнение организационных мероприятий (использование тамбуршлюзов, контроль состояния оконных и дверных проемов, въездных ворот и т. д.), но и метеорологической обстановки за пределами здания.

В связи с этим возникает необходимость разработки цифрового двойника АСОВКП чистых производственных помещений предприятий космической промышленности [4–6].

Концепция термина «цифровой двойник» (ЦД) предполагает, что каждый объект можно представить в виде физической и виртуальной системы так, что виртуальная модель отображает физическую модель и наоборот [7]. Концепция взаимодействия физического объекта в реальном мире с его цифровым двойником в виртуальном пространстве и наличие прямой и обратной связи между ними в целом отображает идею ЦД.

На основе актуализированной модели ЦД могут быть сформированы рекомендации по оптимизации режима эксплуатации и обслуживания реального объекта. Например, модель может предсказать возможность отказа определенного узла, рекомендовать время профилактического обслуживания, проведения техосмотра и прочие ключевые мероприятия.

Основой для построения цифрового двойника является имитационная модель объекта, которая является частным случаем математической модели явления, которая представляет процесс с определенной точностью [8].

Постановка задачи исследования

Объектом исследования принимается ЧП, которое находится в типовом промышленном здании, предназначенном для сборки и испытаний изделий ракетно-космической техники. Здание имеет общий объем циркулирующего воздуха и разделено на «чистые зоны»: высокий пролет, низкий пролет отметка 1, низкий пролет отметка 2, низкий пролет отметка 3.

Основные положения к ЧП задаются следующими нормами [9–15] и условиями:

Поступающий в помещение воздух, подготовленный вентиляционными системами, должен обеспечивать гарантированное поддержание климатических параметров в помещении независимо от атмосферных параметров и солнечной активности с наружи помещения, откуда он берется для подготовки перед подачей в производственные помещения. Это расход воздуха зависит от тепловлагопритоков, системы приточно-вытяжной вентиляции и инфильтрации здания в целом.

Для управления производительностью приточных (и вытяжных) агрегатов должны использоваться частотные преобразователи, которые поддерживают работу приточной вентиляции на 70–80 % мощности от максимальной, поскольку увеличение производительности до 100 % приводит к появлению громких шумов от вибрации воздуховодов и возникновению воздушных потоков в помещении, превышающих допустимые нормы, предусмотренные СанПиН. Учитывая также, что основными климатическими параметрами в помещении является температура (18–22 ^оС) и относительная влажность (40–60 %), производительность приточной установки в максимальном режиме не всегда допустима.

Описание имитационной модели

Имитационная модель разрабатывается с использованием рекомендаций, изложенных в работах [16–19].

Значения всех конструктивных и справочных данных задаются и сохраняются в компьютерной базе данных (БД). Определяемые параметры будут зависеть как от наружных, так и внутренних параметров воздуха, а также от режима эксплуатации помещения или коэффициента эксплуатации помещения (КЭП) η, который принимает следующие значения: η = 1 – день; η = 0 – ночь.

КЭП оказывает влияние на значения суточных температур и влажности атмосферного воздуха:

$t_{\text{a}}=t_{\text{ан}}-\Delta t_{\text{ан}}(1-\eta )$,

${\phi }_{\text{a}}={\phi }_{\text{ан}}-\Delta {\phi }_{\text{ан}}(1-\eta )$.

Важной характеристикой ЧП является тепловлажностное состояние воздуха, которое определяется по термодинамическим зависимостям насыщенного и сухого воздуха, которые представляют собой связь между термодинамическими параметрами: давление p, температура T, относительная влажность φ, энтальпия (теплосодержание) h, влагосодержание d, атмосферное давление p_ан. Взаимосвязь параметров описывается по термодинамическим зависимостям [20].

Существенным образом на тепловлажностное состояние воздуха оказывают влияние тепло- и влагопритоки.

Теплопритоки в помещения осуществляются следующими способами:

Теплопритоки в помещения через ограждающие конструкции определяются по законам конвективного теплообмена и зависят от статического давления p_в и температуры воздуха в помещении t_в, от статического давления p_а и температуры атмосферного воздуха t_а, значение которой изменяется как в течение года, так и в течение суток, а также скорости атмосферного воздуха. Кроме того, из-за негерметичности окон и наличия различных отверстий и щелей в ограждающих конструкциях с подветренной стороны и недостаточного подпора давления здания, наружный атмосферный воздух может проникать в здание.

Теплопритоки в помещения через ограждающие конструкции зависят также от коэффициента теплопередачи, который определяется с учетом термического сопротивления стен, пола и перекрытий, и конвекции воздуха. Параметры ограждающих конструкций здания задаются в базе данных.

Теплопритоки через стены зависят от коэффициента теплопередачи, который зависит от суммарного термического сопротивления стен:

$k_{\text{д}}(t_{\text{в}},p_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{а}},w_{\text{а}})=\frac{1}{R_s(t_{\text{в}},p_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{а}},w_{\text{а}})}$.

Общая формула для определения теплопритоков через ограждающие конструкции имеет вид

$Q(t_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{в}},p_{\text{а}},w_{\text{а}})=k_{\text{д}}(t_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{в}},p_{\text{а}},w_{\text{а}})F(t_{а}-t_{\text{в}})$.

Так как восточная стена граничит со второй частью знания, в которой поддерживаются нормальные температурные режимы, то температурный напор (t_а – t_в) = 0, т. е. теплопритоки отсутствуют.

В результате получим окончательные теплопритоки через ограждающие конструкции:

1. 1. юг  $\underset{}{\to }{k}_{\text{дю}}(t_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{в}},p_{\text{а}},k_{w\text{ю}}{w}_{\text{а}})\underset{}{\to }{Q}_{\text{ю}}=k_{\text{дю}}{F}_{\text{юс}}(t_{\text{а}}-t_{\text{в}});$
   2. запад $\underset{}{\to }{k}_{\text{дз}}(t_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{в}},p_{\text{а}},k_{w\text{з}}{w}_{\text{а}})\underset{}{\to }{Q}_{\text{ю}}=k_{\text{дз}}{F}_{\text{зв}}(t_{\text{а}}-t_{\text{в}});$
   3. север $\underset{}{\to }{k}_{\text{дс}}(t_{\text{в}},t_{\text{а}},p_{\text{в}},p_{\text{а}},k_{w\text{с}}{w}_{\text{а}})\underset{}{\to }{Q}_{\text{с}}=k_{\text{дс}}{F}_{\text{сю}}(t_{\text{а}}-t_{\text{в}}).$

Суммарный теплоприток через ограждающие конструкции $Q_{1w}=Q_{\text{ю}}+Q_{з}+Q_{с}.$

Кроме того, существуют теплопритоки от смежный помещений и на основании [17; 18; 20; 21], принимаем температуру подвала t_пдв = 7 ºC и чердачного помещения t_ч = 12 ºC. Коэффициент теплопередачи для пола 1-го этажа и перекрытия чердака определяется аналогично, как для стен:

$k_{\text{дч}}=k_{\text{д}}(t_{\text{в}},t_{out},p_{\text{в}},p_{\text{а}},k_{w\text{в}}{w}_{\text{а}})$.

Тогда теплоприток подвала будет

$Q_{1\text{пдв}}=k_{\text{д.пдв}}{F}_{\text{прк}}(t_{\text{в}}-t_{out})$.

Тогда теплоприток чердачного помещения будет

$Q_{1\text{ч}}=k_{\text{дч}}{F}_{\text{прк}}(t_{\text{в}}-t_{out})$.

Теплопритоки от солнечной радиации Q_1с рассчитывают при температуре воздуха более 10 ºС [20] и складываются из теплопритоков через массивные ограждения зданий (стены, кровли, покрытия и т. д.) и теплопритоков через световые проемы (окна, витрины и т. д.):

$Q_{1\text{с}}=Q_{\text{1с.мо}}+Q_{\text{1с.сn}}$.

Теплоприток от солнечной радиации через наружные стены определяют по формуле

$Q_{\text{1с.мо}}=k_{\text{д}}(F-F_{\text{сум.ок}})\Delta t_{\text{с}}$,

где F – площадь, поверхности, облучаемая солнцем; F_сум.ок – суммарная площадь остекления здания; Δt_c – избыточная разность температур, характеризующая действие солнечной радиации в летнее время. Значения избыточной разности температур зависят от ориентации по сторонам горизонта, задается и хранится в базе данных: Δt_{c юг} = 8,5, Δt_{c запад} = 10,2, Δt_{c север} = 0.

Следовательно, теплоприток от солнечной радиации через массивные ограждения зданий равен

$Q_{\text{1с.мо}}=Q_{\text{1с.мо.в}}+Q_{\text{1с.мо.ю}}+Q_{\text{1с.мо.з}}+Q_{\text{1с.мо.с}}$.

Теплопритоки от солнечной радиации через световые проемы для кондиционируемых помещений  подсчитываются отдельно для каждой стороны горизонта:

$Q_{\text{1с.св}}=Q_{\text{ок}}F\tau$.

где $Q_{\text{ок}}$ – удельный теплоприток от солнечной радиации через окна, определяется по справочнику из БД, Вт/м²; $F$ – площадь светового проема, м²; τ = 1 – коэффициент, учитывающий затенение светового проема.

Находим теплопритоки от солнечной радиации через световые проемы

$Q_{\text{1с.св.ю}}=Q_{\text{ок.ю}}{F}_{\text{ю}}$

$Q_{\text{1с.св.з}}=Q_{\text{ок.з}}{F}_{\text{з}}$

$Q_{\text{1с.св.с}}=Q_{\text{ок.с}}{F}_{\text{с}}$.

Общий теплоприток от солнечной радиации через световые проемы

$Q_{\text{1с.св}}=Q_{\text{1с.св.с}}+Q_{\text{1с.св.ю}}+Q_{1\text{с.св.з}}$.

Общий теплоприток от солнечной радиации

$Q_{\text{1с}}=Q_{1\text{с.мо}}+Q_{\text{1с.св}}$.

Тогда общий теплоприток через ограждающие конструкции

$Q_1=Q_{1w}+Q_{\text{1пдв}}+Q_{\text{1ч}}+Q_{1\text{с}}$.

Теплопритоки, выделяющиеся при проведении технологических операциях, отсутствуют

$Q_2=0\text{ Вт}$.

Теплопритоки с наружным воздухом недопустимы, так как обеспечивается избыточное давление воздуха в помещении. Однако из-за негерметичности окон и наличия различных отверстий и щелей в ограждающих конструкциях с подветренной стороны и недостаточного внутреннего избыточного давления наружный атмосферный воздух может проникать в здание. Тогда теплопритоки определяются

$Q_{\text{з}}=\rho L_{\text{эксф}}(i_{\text{а}}-i_{\text{в}})\text{ Вт}$

где $L_{\text{эксф}}$ – расход воздуха через негерметичности здания с подветренной стороны

$L_{\text{эксф}}=n_{\text{эксф}}{F}_{\text{эксф}}{w}_{\text{эксф}}$,

где $n_{\text{эксф}}$ – количество различных отверстий и щелей в ограждающих конструкциях; $F_{\text{эксф}}$ – площадь одного отверстия, $w_{\text{эксф}}$ – среднерасходная скорость, которая определяется через местное гидравлическое сопротивление проникания наружного воздуха за счет ветрового давления и согласно [22], где ζ_s = 1,5 – коэффициент местного сопротивления, как для глубокого отверстия в стенке с неограниченной площадью; l – толщина стены, Δp_w – ветровой подпор за счет воздухопроницаемости ограждающих конструкций, который согласно [14] «Тепловая защита зданий» принимаем по формуле

$\Delta p_{\text{ветер}}=\mathrm{0,55}hg({\rho }_{\text{а}}-{\rho }_{\text{в}})+\mathrm{0,03}g{\rho }_{\text{а}}{w}_{\text{a}}^{\text{2}}$.

Тогда

$\Delta p_w={р}_{\text{в}}-({р}_{\text{а}}+\Delta p_{\text{ветер}})$,

где $h$ – высота здания.

Тогда получим выражение для определения объемного расхода воздуха при эксфильтрации $L_{\text{эксф}}$.

Теплопритоки, выделяемые персоналом, подсчитывают по формуле

$Q_{\text{4л}}=q_{\text{чел}}n,\text{ Вт}$,

где $q_{\text{чел}}$ – количество теплоты, выделяемое одним человеком, и, в соответствии с рекомендациями, род работы персонала определяется как работа средней тяжести $q_{\text{чел}}$ = 112 Вт; $n$ – максимальное число людей, находящихся в помещении.

С учётом коэффициента эксплуатации помещения η число людей, находящихся в помещении определяется

$n_{\text{д}}=n\mathrm{\eta }$.

Теплопритоки от оборудования находятся по формуле

$Q_5=\Sigma N{K}_0{K}_{\text{и}}$,

где $\Sigma N$ – суммарная мощность тепловыделяющего оборудования; $K_{\text{и}}$ – коэффициент использования оборудования в течение смены в пересчете на 1 рабочий час (среднее значение K_и = 0,95); $K_0$ – коэффициент, учитывающий одновременность работы однотипного оборудования (среднее значение K_о = 0,9). Перечень оборудования и осветительной аппаратуры приведены в справочнике БД.

Находим теплопритоки от оборудования

$Q_{\text{5об}}=\Sigma N_{\text{об}}{K}_0{K}_{\text{и}}\eta$.

Теплопритоки от электрического освещения

$Q_{\text{5свет}}=\Sigma n_{\text{свет}}{K}_0{K}_{\text{и}}$,

где N_свет – мощность осветительной аппаратуры.

Скрытые теплопритоки от влажной уборки помещения

$Q_{\text{5скр}}=W_{\text{4об}}r$,

где $r$ – теплота парообразования; $W_{\text{4об}}$ – влагопритоки (см. ниже).

Определение суммарной тепловой нагрузки

$Q_5=Q_{\text{об}}+Q_{\text{свет}}+Q_{\text{5скр}}$.

Тогда суммарные теплопритоки будут

$Q=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5$.

Таким образом, определён полный тепловой поток в помещении в зависимости от параметров атмосферного воздуха и воздуха в помещении, а также с учетом коэффициента эксплуатации помещения, скорости и направления ветра.

Влагопритоки так же влияют на внутриклиматические параметры воздуха в ЧП. Влагоприток W_вз с наружным воздухом, поступающим в помещение без предварительной тепловлажностной обработки, определяют по формуле

$W_{\text{вз}}=L_{\text{вз}}(d_{\text{н}}-d_{\text{в}}){10}^{-3}$, кг/с,

где $d_{\text{н}}, d_{\text{в}}$ – влагосодержание наружного воздуха и воздуха в помещении, г/к.

Так как воздух проходит предварительную тепловлажностную обработку, то считаем, что приточный воздух имеет такое же влагосодержание, как и внутренний воздух помещения, тогда

$W_{\text{вз}}=0$.

Влагопритоки, выделяемые персоналом, $W_{\mathrm{л}}$ (в) подсчитывают по формуле

$W_{\text{л}}=w_{\text{чел}}n$, кг/с,

где w_чел – влаговыделение одного человека, кг/с; n – число людей в помещении. Значения влаговыделений от человека зависят от температуры и рода работы и сохраняются в справочнике БД.

Влагопритоки от технологического оборудования отсутствуют, но в здании проводится влажная уборка горизонтальных поверхностей каждый час. Тогда влагопритоки от влажной уборки с учетом площади высокого пролета и 3-х уровней низкого пролета будут

$W_{\text{об}}=\frac{w_{\text{y}}(F_{\text{прк1}}+3F_{\text{прк2}})\eta }{3600}$, кг/с,

где w_γ – расход воды при влажной уборке горизонтальных поверхностей каждый час. В результате суммарные влагопритоки составят

$W=W_{\text{вз}}+W_{\text{л}}+W_{\text{4об}}$.

Определение внутриклиматических параметров

Согласно первому закону термодинамики в общем виде, тепловой поток определяется

$Q=L_n\rho \Delta i$,                                                                                                                             (1)

где Q – тепловой поток, Вт; ρ – плотность; Δi – изменение энтальпии воздуха; L_п – объемный расход воздуха, который определяется из режима работы вентилятора системы кондиционирования воздуха.

Определение объемного расхода приточного воздуха

Аэродинамические характеристики вентиляторов определены при испытаниях опытных образцов в соответствии с ГОСТ 10921–90. Все характеристики радиальных вентиляторов приведены к нормальной плотности воздуха ρ_н = 1,2 кг/м³ на входе в вентилятор, соответствующей нормальным атмосферным условиям: p_н = 101325 Па = 760 мм рт. ст. – барометрическое давление; t_н = 20 °С – температура воздуха; Т_н = 293 К – абсолютная температура воздуха; φ_н = 50 % – относительная влажность воздуха.

При перемещении вентилятором воздуха с плотностью ρ_а, отличной от нормальной плотности воздуха ρ_н, характеристика вентилятора должна быть пересчитана по формулам

$L=L_{\text{внт}}$,

$\frac{p_{\text{уд}}}{p_{\text{у}}}=\frac{{\rho }_{\text{а}}}{{\rho }_{\text{н}}}$,                                                                                                                             (2)

$\frac{N_{\text{д}}}{N_{\text{внт}}}=\frac{{\rho }_{\text{а}}}{{\rho }_{\text{н}}}$,

где L_внт – номинальная производительность вентилятора, N_внт – номинальная потребляемая мощность, p_vд – номинальное полное давление, L_д – действительная производительность, p_vд – действительное полное давление, N_д – действительная потребляемая мощность.

Если вентиляторы будут эксплуатироваться при частоте вращения n', отличной от частоты вращения n, приведенной в каталоге, то пересчет параметров вентиляторов должен осуществляться по формулам

$\frac{L\text{'}}{L}=\frac{n\text{'}}{n}$;

$\frac{p_v\text{'}}{p_v}={\left(\frac{n\text{'}}{n}\right)}^2$;

$\frac{N\text{'}}{N}={\left(\frac{n\text{'}}{n}\right)}^3$,

где параметры со штрихом соответствуют числу оборотов n'.

Тогда объемный расход приточного воздуха определяется

$\frac{L_{\text{п}}}{L_{\text{д}}}=\left(k_N\right),$

        $\frac{p_{\text{п}}}{p_{\text{д}}}={\left(\frac{L_{\text{п}}}{L_{\text{д}}}\right)}^2$,                                                                                                                             (3)

$\frac{p_{\text{п}}}{p_{\text{д}}}={\left(k_N\right)}^2$

где k_N – коэффициент регулирования вентилятора по угловой скорости, который принимает значения от 0 до 1.

Однако, согласно теории гидрогазодинамики, реальный расход приточного воздуха L_пр определяется на основе пересечения гидравлической характеристики системы объекта и напорной (аэродинамической) характеристики вентилятора. Поэтому необходимо составить систему уравнений для описания энергетического баланса воздушных потоков системы установок.

Для обеспечения воздушного подпора в ЧП необходимо, чтобы величина расхода приточного воздуха превышала величину расхода вытяжного воздуха на 20–25 %, тогда уравнение неразрывности для ЧП будет определяться как сумма приточного расхода равная сумме вытяжного расхода и расхода от инфильтрации и эксфильтрации

$\Sigma L_{\text{пр}}=\Sigma L_{\text{вт}}+\Sigma L_{\text{ин}}+L_{\text{эксф}}$                                                                                              (4)

Так как давление в помещении зависит от множества параметров, то подпор в общем виде можно представить в виде выражения

$\Delta p_{\text{подп}}=p_{\text{в}}-p_{\text{a}}=f\left(p_{\text{а}},t_{\text{а}},w_{\text{а}},{\phi }_{\text{а}},t_{\text{в}},{\phi }_{\text{в}},\Sigma L_{\text{пр}}\right)$.

Определение действительного расхода приточного воздуха

Для каждой приточной и вытяжной установки необходимо определить гидравлические потери в воздуховодах с учетом фильтров и шумаглушителей.

В общем случае гидравлические потери определяются, согласно [22]:

$\Delta p=\frac{1}{2}\rho w^2\left(\lambda \frac{x}{D_{\text{г}}}+{\zeta }_s\right)$                                                                                                    (5)

где x – длина воздуховода; D_г = 4F / Π– гидравлический диаметр воздуховода; F – площадь сечения воздуховода; λ – коэффициент гидравлического трения; ζ_s – сумма коэффициентов местного сопротивления; w = L_н/F – среднерасходная скорость; L_н – проектный расход.

Определение гидравлического сопротивления воздуховодов

Параметры воздуховодов приточной и вытяжной вентиляции задаются и сохраняются в БД. При наличии воздухораспределения для каждого тройника скорость потока будет уменьшаться с уменьшением расхода, согласно выражению

$L_2=L_1-L_3$,                                                                                                                    (6)

где L₁ – расход на входе в тройник; L₂ – расход на выходе тройника; L₃ – расход в ответвление, который при известной площади определяется по выражению (5).

В результате, на основе (5), получим для каждой установки зависимости вида

$\Delta p_{\text{пр}i}=f\left(L_{\text{пр}i}\right)$,                                                                                                                 (7)

         $\Delta p_{\text{вт}i}=f\left(L_{\text{вт}i}\right)$,                                                                                                                   (8)

Гидравлические потери от инфильтрации через дверные проемы зависят от коэффициента местного гидравлического сопротивления [22]

$\zeta =f\left(\lambda ,\frac{F_0}{F_1},l\right)$.                                                                                                                 (9)

где l – толщина дверей; для λ – коэффициент сопротивления трения см. в [22]; F₀ – площадь щели в дверном проеме; F₁ – площадь дверной коробки.

Расход воздуха в вентиляционной шахте зависит от перепада давления в ЧП и атмосфере, а также наличия самотяги за вычетом гидравлического сопротивления канала

$p_{\text{в}}-p_{\text{а}}+\frac{1}{2}\rho w_{\text{вш0}}^2-\frac{1}{2}\rho w_{\text{вш1}}^2+g({\rho }_{\text{а}}-{\rho }_{\text{в}})(z_{\text{вш}1}-z_{\text{вш0}})=\Sigma \left(\frac{1}{2}\rho w_{\text{вш}i}^2\left(\lambda \frac{X_{\text{вш}i}}{D_{\text{вш}i}}+{\zeta }_{\text{вш}i}\right)\right),$               (10)

$w_{\text{вш0}}=\frac{L_{\text{вш0}}}{F_{\text{вш0}}}; w_{\text{вш1}}=\frac{L_{\text{вш1}}}{F_{\text{вш1}}},$

где (z_вш1 – z_вш0) – высота шахты; F_вш0, F_вш1 – площадь проходного сечения шахты на входе и выходе.

Аэродинамическая характеристики вентиляторов

В общем случае аэродинамическая характеристика имеет вид

$p_{\text{вен}}\left(L_{\text{пр}}\right)=k_{2v}{L}_{\text{пр}}^2+k_{1v}{L}_{\text{пр}}+k_{0v}$                                                                             (11)

где k_v – коэффициент аэродинамической характеристики, который определяется по диаграмме вентилятора по каталогам производителя. Характеристики вентиляторов, нагревателей и увлажнителей задаются и хранятся в БД.

Таким образом, получим систему нелинейных уравнений (4)–(11), решение которой позволит найти расходы L_пр и L_вт, а также давление в ЧП и величину подпора.

Определение внутриклиматических параметров приточного воздуха

На вход в приточную систему кондиционирования подают атмосферный воздух, параметры температуры t_а и относительной влажности φ_а которой известны, а энтальпию и влагосодержание i_а, d_а  определяем по этим известным t_а, φ_а.

Энтальпия приточного воздуха определяется на основе подведенной мощности в СКВ

$N_{\text{скв}}=L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}(i_{\text{а}}-i_{\text{в}}),$

тогда с учетом регулирования по мощности

$i_n=i_{\text{a}}-\frac{k_N{N}_{\text{скв}}}{L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}}.$

Влагосодержание приточного воздуха определяется на основе увлажнения воздуха в СКВ - подведенной воды с расходом W_скв:

$W_{\text{скв}}=L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}(d_{\text{а}}-d_n),$

тогда с учетом регулирования по мощности

$d_n=d_{\text{a}}-\frac{k_N{W}_{\text{скв}}}{L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}}$,

массовый расход выходного потока составит $M_{\text{сум}}=M_1+M_2$, а массовые доли g₁ и g₂ пара соответствующих потоков. Массовые доли каждого из компонентов смеси определяются по величинам массовых расходов М₁ и М₂ первого и второго потоков. Влагосодержание d и энтальпия h – параметры аддитивные, поэтому можно записать

 $d_{\text{см}}=g_1{d}_1+g_2{d}_2,$

$h_{\text{см}}=g_1{d}_1+g_2{d}_2=g_1{h}_1+(1-g_1)h_2.$

Определение конечных внутриклиматических параметров воздуха в помещении

На основе изобарного термодинамического процесса тепловой поток определяется

$Q=L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}(i_{\text{в}}-i_{\text{п}}).$

Тогда при известных теплопритоках в помещение определим конечную энтальпию воздуха в помещении:

$i_{\text{в}}=\frac{Q}{L_{\text{пр}}{\rho }_{\text{в}}}+i_{\text{п}}.$

Конечное влагосодержание воздуха определяем на основе выражения

 $W={\rho }_{\text{в}}{L}_{\text{пр}}(d_{\text{в}}-d_{\text{п}}).$

Тогда получим

 $d_{\text{в}}={\frac{W}{L_{\text{пр}}\rho }}_{\text{в}}+d_{п}$

и окончательно сможет определить и температуру, и относительную влажность воздуха помещения.

Методы решения

В результате получим замкнутую систему неявных нелинейных уравнений, которую возможно решить численными методами, например, методом бисекции с заданной точностью [23].

На основе полученной имитационной математической модели может быть разработана компьютерная электронная модель [7] чистого помещения. Модель выполнена в компьютерной среде и представляет совокупность данных, хранящихся в базе данных, и программного кода, которая позволит создавать тонконастроенное ЧП и позволит моделировать и прогнозировать состояния ЧП с учетом реальной эксплуатации производственного цикла, а также сравнивать с разными состояниями существующих ЧП.

Заключение

Результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы при проектировании и эксплуатации чистых производственных помещений предприятий космической промышленности. На этапе проектирования производственных помещений достаточно точно определять характеристики ЧП за счет валидированной имитационной модели. При эксплуатации ЧП по назначению можно наблюдать его состояние в реальном времени, предсказывать его будущее состояние на основе климатических прогнозов в регионе нахождения промышленного объекта и при необходимости своевременно реагировать на изменения характеристик внутриклиматической среды.

Цифровой двойник АСОВКП чистых производственных помещений предприятий применим на предприятиях, реализующих цифровую трансформацию в рамках стратегии перехода к Индустрии 4.0. В настоящее время космической отрасли отводится ведущая роль в создании современной инновационной (цифровой) экономики, укреплении обороны и безопасности страны. Создаваемый научный и инновационный задел в отрасли технологий обеспечивает повышение конкурентоспособности многих отраслей промышленности. Космические системы отнесены к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ, а технологии создания новых поколений ракетно-космической техники – к критическим технологиям, перечень которых утвержден Президентом РФ.

Анализ тенденций научно-технологического развития индустриально развитых стран выявил перспективы развития спутниковых технологий. В передовых космических компаниях считают, что успешное создание АСОВКП ЧП с учетом протекающих технологических процессов и отдельных операций позволит обеспечить надежность и качество производства изделий космической техники.

Об авторах

Дмитрий Александрович Жуйков

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: 89440d8f7e36@mail.ru

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Владимир Павлович Назаров

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: Dla@sibsau.ru

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Максим Геннадьевич Лазеев

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: lazeev.maxim@yandex.ru

главный инженер – заместитель генерального директора

Россия, 662972, Железногорск, Красноярского края, ул. Ленина, 52

Валентина Викторовна Черненко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: 2887722@mail.ru

старший преподаватель кафедры двигателей летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Михаил Игоревич Толстопятов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: 89130399999@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы