ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Вентилирование помещений любого назначения представляет со­бой процесс переноса определенных объемов воздуха, вытекающего из приточных отверстий. Скорость и направление истечения воздуха из отверстий, форма и количество отверстий, их расположение, а также температура воздуха в струе определяют характер воздушных потоков в помещении. Приточные струи взаимодействуют между собой, с тепло­выми струями, возникающими около нагретых поверхностей, и с пото­ками воздуха, образующимися вблизи вытяжных отверстий.

Строительные конструкции помещения (колонны, стены, пол, по­толок) и технологическое оборудование при набегании на них потоков воздуха оказывают существенное влияние на скорость и направление их дальнейшего распространения. Кроме того, в производственных по­мещениях на скорость и направление движения воздуха большое влия­ние могут оказывать действие различных механизмов технологического оборудования, а также струи, истекающие из отверстий или неплотно­стей оборудования, находящегося под избыточным давлением.

Воздушные потоки — струи, образующиеся в помещении, — пере­носят поступающие в воздух вредные выделения (конвективное тепло, пары, газы и пыль) и формируют в объеме воздуха помещения поля скоростей, температур и концентраций. «В распространении вреднос­тей по помещению струям, иначе говоря, турбулентной диффузии (в противоположность молекулярной диффузии) принадлежит решаю­щая роль» [7].

При распределении приточного воздуха в вентилируемом помеще­нии необходимо учитывать все особенности распространения приточ­ных струй, с тем чтобы в рабочей или обслуживаемой зоне помещения обеспечить требуемые параметры воздуха: температуру, подвижность и допустимые концентрации вредных выделений (включая влажность). Учет всех особенностей движения воздуха в помещении представляет собой задачу большой сложности, так как не все факторы, обусловли­вающие это движение, поддаются точному учету — к настоящему вре­мени некоторые из них еще недостаточно изучены.

Систематическое изучение струй началось около 60 лет назад и продолжается до настоящего времени. Столь большой интерес к струям объясняется применимостью их в различных областях техники.

Струей называют поток жидкости или газа с конечными попереч­ными размерами.

В технике вентиляции приходится иметь дело со струями воздуха, истекающего в помещение, также заполненное воздухом. Такие струи называют затопленными.

В зависимости от гидродинамического режима струи могут быть ламинарными и турбулентными. Приточные вентиляционные струи всегда турбулентны.

Различают струи изотермические и неизотермические. Струю на­зывают изотермической, если температура во всем объеме ее одинако­ва и равна температуре окружающего воздуха. Для вентилирования помещений в подавляющем большинстве случаев применяются неизо­термические струи.

Струю называют свободной, если она истекает в достаточно боль­шое пространство и не имеет никаких помех для своего свободного раз­вития. Если на развитие струи ограждающие конструкции помещения оказывают какое-либо воздействие, то такую струю называют несво­бодной, или стесненной. Вентиляционные приточные струи развиваются в помещениях ограниченных размеров и могут испытывать влияние ог­раждающих конструкций. При определенных условиях влияние ограж­дений на развитие приточных струй можно не учитывать и считать такие струи свободными.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой - либо плоскости ограждения помещения (например, потолка), парал­лельно этой плоскости, будет настилаться на нее. Такую струю называ­ют нйстилающейся.

Все приточные струи можно разделить на две группы: 1—с па­раллельными векторами скоростей истечения; 2 — с векторами скоро­стей истечения, составляющими между собой некоторый угол.

Геометрическая форма приточного насадка определяет форму и закономерности развития истекающей из него струи. По форме разли­чают струи компактные, плоские и кольцевые (рис. IX.1).

Компактные струи образуются при истечении воздуха из круглых, квадратных и прямоугольных отверстий. Струя, истекающая из круг­лого отверстия, остается осесимметричной по всей длине своего разви­тия (круглая струя). При истечении из квадратного или прямоугольно­го отверстия струя в начале не будет осесимметричной, но на некото­ром расстоянии от насадка преобразуется в осесимметричную. При истечении воздуха из круглого отверстия с диффузорами для принуди­тельного расширения образуется также компактная струя, которая будет осесимметрична по всей длине; такую струю называют кониче­ской.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевых от­верстий бесконечной длины. В реальных условиях плоской считают струю, истекающую из длинного щелевидного насадка с соотношением сторон /о:2£о^20. Струя, истекающая из щели с соизмеримым соот­ношением сторон, не остается плоской, а постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную и на расстоянии x—§dycn в круглую (за <іУсл принимают корень квадратный из площади щели).

Если струя истекает из кольцевой щели под углом к оси подводя­щего воздух канала р<180°, то ее называют кольцевой, при р около 135° — полой конической, при р=90° — полной веерной. У полных веер­ных струй угол распределения воздуха в пространство составляет 360°; при меньшем угле распределения струя будет неполной веерной.

При угле (3 « 160° и большем может образовываться компактная струя.

Независимо от формы все струи, у которых при истечении нет при­нудительного изменения их направления, на некотором расстоянии от насадка расширяются; угол бокового расширения а=12°25'. Угол рас-

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Рис. IX. 1. Струи различной формы

С — компактная осесимметричная; б —» коническая; в — плоская; г — кольцевая (полая коническая); д — полная веерная

Ширения конической струи при истечении почти совпадает с углом на­правляющих диффузоров, а затем постепенно уменьшается и на рас­стоянии 10 d0 становится равным углу естественного бокового расшире­ния (12°25').

Изучение струй проводилось многими отечественными и зарубеж­ными исследователями применительно к различным областям техники. Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит Г. Н. Абрамовичу [2]. Применительно к задачам вентиляционной тех­ники широкие исследования струй проведены И. А. Шепелевым [58].

§ 39. СВОБОДНЫЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ СТРУИ

Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи представлена на рис. IX.2. Воздух, вытекая из отверстия, образует струю с криволинейными границами ABC и DEF, которые приближен­но могут быть заменены прямыми АВ, ВС, DE и EF.

В струе различают два участка: начальный ABED и основной CBEF. Сечение BE называют переходным сечением. В начальном уча­стке струи поле скоростей истечения (начальное поле) формируется в поле скоростей основного участка. В общем случае начальное поле скоростей может быть равномерным или неравномерным. При равно­мерном поле скоростей в пределах начального участка на оси струи и во всех точках некоторого объема ее сохраняются начальные парамет­ры истечения: скорость, температура и концентрация (в круглой струе — это объем конуса, основание которого совпадает с плоскостью истече­ния, а высота равна длине начального участка).

Границы основного участка струи ВС и EF при их продолжении пересекаются в точке М, называемой полюсом струи. Положение полю­са точно не установлено. Известно только, что при равномерном на­

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Чальном поле скоростей точка М находится примерно в центре выход­ного отверстия.

В основном участке струи скорость воздуха на оси потока и в пе­риферийной части по мере удаления от выходного отверстия непрерыв­но уменьшается. Профили скоростей воздуха в различных поперечных сечениях основного участка струи подобны и описываются одними и теми же безразмерными зависимостями.

Турбулентная струя, как и всякое турбулентное течение, характе­ризуется интенсивным поперечным перемещением частиц. Частицы воз­духа, совершая кроме поступательного движения вдоль потока по­перечные перемещения в составе вихревых масс, вовлекают в поток частицы окружающего воздуха, которые тормозят периферийные слои струи. В результате масса струи растет, площадь ее поперечного сече­ния увеличивается, а скорость уменьшается.

Перенос - вихревых масс, обусловливающий изменение скоростей в струе, обусловливает также распределение в струе концентраций и тем­ператур (для неизотермических струй).

По внешнему периметру струи из заторможенных частиц потока и из частиц воздуха, вовлеченных в поток, образуется пограничный слой.

В теории свободных струй исходным положением для выявления закономерностей их развития является равенство статических давле­ний в струе и окружающем воздухе. Вследствие этого положения им­пульс внешних сил будет равен нулю, а количество движения секунд­ной массы воздуха в струе должно быть постоянным:

/0 = 7, = const. (IX. 1)

В настоящее время имеются исследования, оспаривающие положение о равенстве статических давлений в струе и в окружающем воздухе и, следовательно, о постоянстве количества движения в струе. К числу таких работ относятся исследования В. А. Бахаре - ва [9] и ряд экспериментальных работ других авторов. В этих работах показано, что статическое давление в струе изменяется и вдоль оси и от оси к границе. В отличие от существующих оценок свободной струи как системы незамкнутой В. А. Бахарев предла­гает рассматривать ее как систему замкнутую, т. е. вместе с частью окружающего про-

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

О 0,2 0,4 0,6 0,8 Ю V

И=0

Рис. IX 3. Свободная струя внутри замкнутой системы Рис. IX.4. Поле скоростей в поперечном сечении струи

Странства, очерченной некоторым контуром, на котором нет обмена энергией с другими системами. Обратные потсуси воздуха, возникающие около свободной струи, в этом слу­чае будут находиться в пределах этого контура (рис. IX.3).

Ниже приводятся данные о струях по теории Г. Н. Абрамовича в обработке В. Н. Талиева [48].

Рассматриваются круглая, плоская и кольцевая струи.

Для всех трех форм струи поле скоростей в основном участке при­нимается по аналитической зависимости Г. Шлихтинга:

У = (IX.2)

Где v = v/v0с — относительная скорость воздуха в рассматриваемой точке попе­речного сечения струи — отношение скорости в точке к скорости на оси струи; у — — у/Утр — относительная ордината рассматриваемой точки в поперечном сечении струи — отношение ординаты точки к ординате границы струи (к полуширине струи).

Зависимость (IX.2) фиксирует скорость на границе струи:

Л У 1 v = 0 при------------------------------------------- = 1.

Угр

Графическое изображение зависимости (IX.2) приводится на рис. IX.4. Экспериментальные исследования, проведенные различными авторами, показывают, что зависимость (IX.2) хорошо описывает рас­пределение скоростей в поперечном сечении струи*.

Круглая свободная изотермическая струя. Из круглого отверстия радиусом Rq вытекает воздух, образуя струю круглого поперечного се­чения (см. рис. IX.2). Поле скоростей в отверстии неравномерно. Сред­няя по площади отверстия скорость равна v0. Начало координат поме­стим в центре отверстия, а ось абсцисс х направим по оси струи.

Относительный радиус струи

~Rx = — tg а = (я — хо) tg а, (IX.3)

Но

Где x=x/R0 — относительное расстояние; x0 = xJR0 — относительная абсцисса по­люса основного участка струи.

Исходя из постоянства количества движения секундной массы воз­духа в струе, будём иметь:

PpVf=P0PVO» (іх-4)

Где £ и — поправочные коэффициенты на количество движения в сечениях на расстоянии х от отверстия и на выходе из него; р — плотность воздуха в струе; Ьх и Lo — объемный расход воздуха соответственно в рассматриваемом сечении и на выходе из отверстия; vF и v0 — средняя по площади скорость движения воздуха в тех же се­чениях.

Равенство (IX.4) представляет собой уравнение количества движе­ния в проекциях на ось струи. В нем не учитывается количество движе­ния окружающего воздуха, питающего струю, а также угол бокового расширения струи, т. е. принято, что скорость и ее проекция равны (cos 12°25'=0,98«1).

Заменяя Lx и L0 через vPFx и v0F0, а площади Fx и F0 через iiRl и jt/?o, получим относительную среднюю по площади скорость:

VFo

—==—----------------------------------------------------------------- . (IX.5)

0 V^Cx-ч) tg a

Относительная средняя по расходу скорость[4]

L

F ФdL

VM о 1

«о pLx "о

« где vM — средняя по расходу скорость; v — скорость в любой точке поперечного сечения струи; dL — элементарный объемный расход воздуха в струе.

Так как количество движения во всех сечениях струи остается по­стоянным и равным количеству движения в начале струи, то

- _ РоРІоРо _ М^О Ро Vh V'p ' м pLxvо nR2xvF00 Rl VF (х — х0) tg а

Относительная осевая скорость

- _ Оос VF 1 1 - V0c--------------- = — ----- — =

(IX.6)

Щ К v0 к

(IX. 7)

Уїо

KV$ (X — хо) tg а

Где t'oc — скорость на оси струи (осевая скорость) в сечении, находящемся на расстоянии х от начала истечения; К — коэффициент поля скоростей для того же сече­ния; K=vF/v ос.

Относительный объемный расход

_ Lx nRlvp Lx = -7і = —— = Rtv -

Х UF

Л/?о Oq

(x — xo) tgo. (IX.8)

Гї

Jo

Vt

Коэффициент поля скоростей К можно определить, имея в виду, что

Lx HvdF

Тогда

Fx °ос

D (яг2) 2nrdr - _

DF = * =----------------------------------------- — =2 rdr.

NR* nR

Используя зависимость (IX.2), вычисляем коэффициент поля ско­ростей:

К = 2 J(l — ?'5 f~rd~r = 0,258.

О

Поправочный коэффициент на количество движения |3, называемый коэффициентом Буссинеска, может быть записан в следующем виде:

Используя зависимость (IX.2) и dF=2rdr, получим: 2 Г/, -1.5Ч4-- °>134

Г(і — ?*yrdr= — 2,02.

Я2 J 0,258а

Подставляя полученные значения коэффициентов К и р в формулы. (ІХ.5) — (ІХ.8) и учитывая, что tg 12с25'=0,22, получаем расчетные формулы для круглой струи (табл. IX.1). В таблице приведены также расчетные зависимости для избыточных концентраций и для кинетиче­ской энергии, вывод которых не приводится.

(IX. 9)

По формулам табл. IX.1 могут рассчитываться и-струи, вытекаю­щие из прямоугольных отверстий с соизмеримыми размерами сторон. При этом в формулах вместо Ro следует использовать

Яэкв = у^F0 = 0,565 Vf0 .

В этом случае относительные величины, входящие в расчетные фор­мулы, определяют через Яэкв. Например,

TOC o "1-3" h z х -"-On

Хо — ~ > %

D і лі) D О

Аэкв Аэкв Аэкв

Поправочный коэффициент на количество движения секундной массы воздуха в начале истечения р0 может быть вычислен при усло­вии, что известно начальное поле скоростей. В случае равномерного поля скоростей Ро=Ь

Для определения Ро может быть использовано предложение В. В. Батурина о примерном равенстве коэффициента местного сопро­тивления насадка £ и поправочного коэффициента на скоростное давле­ние а, т. е. azzt,. Тогда Ро« (£+2)/3. _

Относительная абсцисса полюса основного участка струи х0 мо­жет быть определена из формулы (г) табл. IX. 1, если из эксперимен­тов с данной струей известны величины у ос» Vq и ро.

Таблица IX.1

Расчетные формулы для круглой струи

Расчетная формула

Расчетная величина

Обозначение величины

Относительный радиус струи

Относительная средняя по площади скорость. .

Относительная средняя по расходу скорость. .

Относительная осевая скорость

Относительный объем­ный расход

Относительная средняя по расходу избыточная концентрация

Относительная кинети­ческая энергия....

«г-5* Ro

Уо иМ

Оо Рос fo

Им

Foe

Х L*

Окр

АС

М

С о Со = §х Ео

С ОС ~~~ Сріф

Cq С0Кр

'Окр

АСо

Относительная избы­точная концентрация на оси струи

0,22(х—х0) 3,2 VT*

X xq

6,45 V 12,4 VS"

X — Xq

(е)

(ж) (з)

0,155 УПЙ" (х — ж0) (д) 6,45

Кро (х — х0) 6,42 УТ0 (ЗР0-2) (х~хй) 9,24

<*)

(б)

(в)

(г)

О (х—ха)

При равномерном начальном поле скоростей относительное полюс­ное расстояние т. е. в этом случае полюс основного участка струи находится в плоскости начала истечения.

Основываясь на экспериментальных данных, можно с некоторым приближением принимать следующие значения относительного полюс­ного расстояния:

Р.. • <1,04 1,04—1,1 1,1—1,2

0 0—(-4) (—4)—(—5,2)

И

Длину начального участка хи можно определить из формулы (г)

Табл. IX. 1, приняв оос = »о; при равномерном поле скоростей р0 х0«Ои хи—12,4 Rq.

На рис. IX.5 представлены результаты проведенных В. Н. Талиевым и А. М. Терпи - няном экспериментальных исследований по распределению скоростей на оси осесиммет­ричной струи для трех случаев истечения воздуха: / — равномерное поле скоростей (/(= =0,966^1; р0 = 1,02); 2 — вогнутое поле скоростей (/(=1,475; р0=1,085); 3 — вы­пуклое поле скоростей (/(=0,588; р0=1,2).

Профили соответствующих начальных пблей скоростей показаны на рис. IX.6.

Из рисунков следует, что неравномерность начального поля скоростей и форма поля оказывают существенное влияние на формирование струи. Длина начального участка при неравномерном поле короче, чем при равномерном. При значениях х^20 все три кри­вые почти эквидистантны, причем кривая /, соответствующая равномерному полю скоро­стей, располагается несколько выше кривых 2 и 3, хотя количество движения для этой струи меньше, чем для случаев 2 и 3 (см. рис. IX.5).

Экспериментальная проверка осевых скоростей, проведенная В. Н. Талиевым и А. М. Терпиняном, показала, что результаты, полученные по формулам Г. Н. Абрамови­ча, хорошо согласуются с опытными данными. Наибольшее отклонение от опыта состав­ляло от +5,5 до —5,9%- Проверка показала также, что пренебрегать полюсным расстоя­нием нельзя, так как это приводит к значительной ошибке.

Рис. IX.5. Относительные скорости вдоль оси осе - симметричной струи

1 — равномерное поле, количество движения /і; 2 — вог­нутое поле, /г=1,085 Л; 3 — выпуклое поле, /з=1,2у

Плоская свободная изотермическая струя. В плоской струе так же, как и в круглой, различают полюсное расстояние х0, начальный участок хп и основной уча­сток (см. рис. IX.2).

Понятие полюса плоской струи ус­ловно; обычно полюс представляет собой точку; в данном же случае это прямая линия, образованная пересече­нием граничных плоскостей основного участка струи.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Таблица IX.2

Расчетные формулы для плоской струи

Расчетная формула

Расчетная величина

Обозначение величины

Относительная полу­ширина струи. . . .

Относительная средняя по площади скорость. .

Относительная средняя по расходу скорость. .

Относительная осевая скорость

Относительный объем­ный расход

Относительная средняя по расходу избыточная концентрация

Относительная кинети­ческая энергия....

Вх_ Во

VF VM _ VQC_

Щ

JM

1

См —

Окр

АС

М

Относительная избы­точная концентрация на оси струи......

0

Расчетные зависимости для плоской струи (табл. IX.2) выводятся из тех же условий, что и для круглой, но с учетом особенностей ее гео­метрии.

При равномерном начальном поле скоростей, когда ро=1, полюс струи находится в плоскости начала истечения, т. е. хжО, при неравно­мерном — внутри щели.

Длина начального участка хп определяется из формулы табл. IX.2. При равномерном поле скоростей р0= 1 и хп=14,4 Во.

Кольцевая свободная изотермическая струя (рис. IX.7). Расчетные формулы для кольцевой струи приведены в табл. IX.3.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Если основываться на формуле (г) табл. IX.3 и принять, что в кон­це начального участка а0с=%, то длина начального участка будет за-

Р«с. 1Х*8. Изменение относительной скоро­сти на оси струи при {Зо = 1 и дго=0

1—-круглая струя; 2 —плоская струя_при длине щели I оо; 3 — кольцевая струя при х —2

Таблица IX.3

Расчетные формулы для кольцевой струи

Расчетная формула

Расчетная величина

Обозначение величины

Относительная полу­ширина струи. . . .

Им

VM =■

Lx

Относительная средняя по площади скорость. .

Относительная средняя по расходу скорость. .

Относительная осевая скорость.......

Относительный объем­ный расход

Вх_

Ва

Vp_ Щ

Вх =

Относительная средняя по расходу избыточная концентрация

Висеть от величины хц. При Хц=2 и равномерном поле скоростей в на­чале струи д:п»4,5.

Частным случаем кольцевой струи является веерная, у которой выход воздуха из кольцевой щели происходит перпендикулярно оси симметрии (0=90°). Формулы, приведенные в табл. IX.3, справедливы и для веерной струи.

Расчетные формулы для кольцевой струи переходят в формулы ДЛЯ ПЛОСКОЙ струи, если принять в НИХ Хц—ОО.

На рис. IX.8 приведены кривые изменения относительных скорос­тей воздуха на оси круглой струи, плоской струи, истекающей из щеле - видного насадка бесконечной длины, и кольцевой струи при хц=2. Кривые построены по формулам (г) табл. IX. I—IX.3 при равномерных начальных полях скоростей воздуха во всех трех струях.

Наиболее быстрое «затухание» наблюдается у кольцевой струи. Наибольшей дальнобойностью обладает плоская струя.

ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

Что дороже: теплый пол или радиаторы

Перед покупкой любого товара или оборудования помимо выбора подходящих технических и эксплуатационных характеристик, а также сравнения преимуществ и недостатков встает вопрос цены. Конечно, если покупатель — олигарх или арабский шейх, …

Обогрев пола нагревательными матами — что важно знать

Греющие маты - система обогрева напольного покрытия, которая проста по своей конструкции, но имеет много нюансов. Все об этих тонкостях можно узнать в статье

Циркуляционные насосы для отопления

Равномерное распределение тепла по квартире или дому зависит от правильно оборудованной системы отопления качественно подобранных агрегатов. Эта задача стает перед большинством людей, которые задались целью создать уют в доме. Современный …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.