Расчет воздушно-тепловых завес на основе нового вида представления экспериментальных данных о тепловых и массовых потерях

Рисунок 1. Теплограмма струи
завесы. Скорость воздуха
на выходе из завесы 12м/с.
Скорость ветра 3 м/с
Рисунок 2. Теплограмма струи
завесы. Скорость воздуха
на выходе из завесы 12м/с.
Скорость ветра 4 м/с
Рисунок 3. Теплограмма струи
завесы. Скорость воздуха
на выходе из завесы 12м/с.
Скорость ветра 6 м/с
Методы расчета воздушных завес разрабатывались российскими учеными начиная с 1936 г. (Л1). Большое количество работ посвящено расчету воздушных завес на основе определения траектории оси струи воздушной завесы под действием смещающего потока [Л2–Л8]. Критерием шиберирующих свойств завесы являлось условие пересечения осью струи завесы плоскости ворот на расстоянии от выхода из щели завесы равном ширине перекрываемого проема. Или соприкосновение струи с противоположным относительно завесы краем проема со средней скоростью не менее заданной. При этом не учитывался сложный механизм течения в зоне соприкосновения струи завесы с ограждением проема или с противоположной струей при двухсторонней завесе. В работе В. М. Эльтермана [Л9] оценка шиберирующих свойств завесы производится по значению температуры смеси воздуха tс, проникающего через проем при работе завесы. В более общем случае, когда воздушная завеса выполняет роль преграды от проникновения внутрь или наружу каких-либо примесей, оценка шиберирующих свойств производится по концентрации этих примесей. При этом наиболее сложные граничные явления учитываются интегрально на основании предположения, что воздушная струя завесы выполняет роль шибера в проеме. Коэффициент проходного сечения проема μ с таким шибером определяется на основании экспериментальных данных. При расчете значения μ выбираются в зависимости от заранее выбранных значений q — отношения расхода воздуха Gпр, проходящего через проем, к расходу воздуха Gз, подаваемого завесой, Fo — отношения проходного сечения проема — Fпр к проходному сечению щели завесы — Fз и угла выпуска струи завесы β (первоначальный угол отклонения струи завесы от плоскости проема). В первом приближении рекомендуется принимать q=0,6 , 0,7; Fo=20 , 30; β = 30°. Этот и все опубликованные в настоящее время методы расчета воздушных завес не позволяют произвести поверочный расчет — по заданным параметрам проема, помещения, завесы и температур воздуха определить температуру смеси воздуха, поступающего через проем, защищаемый завесой. Кроме того, приводимый в справочной литературе [Л10] массив экспериментальных данных зависимости μ=f (q; Fo) ограничен по значениям q и Fo и применим только для завес с углом выпуска струи завесы равным 30°. В то время как в обороте имеются завесы с углами выпуска не только 30°.

Рисунок 4 Схема углов
струи завесы
Затруднения с выполнением поверочного расчета обусловлены в первую очередь формой представления экс-периментальных данных о тепловых и массовых потерях струи завесы — трехмерные зависимости μ=f (q; Fo) и dQ=f (q; Fo) для значения β = 30° [Л9; Л10]. Настоящая работа ставит своей задачей восполнить этот пробел, а также расширить диапазон указанных зависимостей по углу выпуска — β и значениям q и Fo.

На рис. 1–3 [Л11] представлены теплограммы струи воздушной завесы при различных значениях скорости воздуха (ветра), действующей на проем. Из рисунков видно как по мере увеличения скорости ветра — перепада давления воздуха на проеме струя смещается в сторону меньшего давления (помещения).

Такое поведение струи завесы очень упрощенно можно сопоставить с поведением флюгера под действием ветра. Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия газовых потоков, действующих под углом друг к другу [Л12–Л16], показывают, что под действием отклоняющего потока происходит угловое смещение струи, а угол отклонения определяется отношением количества движения исходных струй.

Схематически смещение струи завесы под действием перепада давления на проеме показано на рис. 4 [Л17].

Примем, что тангенс угла α, на который отклоняется струя завесы под действием перепада давления на проеме, равен отношению количества движения отклоняющего потока и струи завесы [16]

N = tg (α)= Fпрρн v2 пр/G3U, (1)

где ρн — плотность наружного воздуха;
vпр — скорость воздуха в проеме под действием перепада давления без завесы; U — скорость воздуха на выходе из щели завесы;
α — угол, на который отклоняется струя завесы под действием перепада давления;
δ — половина угла раскрытия струи;
β — первоначальный угол отклонения струи завесы от плоскости проема;

Из рисунка 1

Y = arctg (l/B) (2);

Y = α — δ — β (3);

Из уравнений 1–3 следует, что, задавшись величиной l/B, можно определить G3 — массовый расход воздуха на выходе из щели завесы; U — скорость воздуха на выходе из щели завесы. При заданных размерах проема и перепаде давления на проеме, угле отклонения от нормали струи завесы в сторону проема — β, проходного сечения щели завесы — F3. В работе [Л17] показано, что на основании обширного экспериментального материала В. М. Эльтермана [Л9] можно получить зависимость относительного расхода воздуха через проем dq и параметра l/B (рис. 5).

где dq = q/qp –1 (4),

qр — отношение расхода воздуха, подаваемого завесой, к количеству воздуха проходящему через проем, когда через проем проходит только струя завесы без потерь и дополнений;

qр = 2 qc/(1+ qc); (5)

qc = Gз/G,sub>с = 1,89 Fo–0,5 (6)

Gс — количество воздуха, проходящего через сечение струи завесы, первым соприкасающееся с противоположным от завесы краем проема.

Очевидно, что при работе завесы могут иметь место соотношения dq = q/qp –1 = 0; dq>0; dq<0.

Рисунок 5. Зависимость
dq=q/(qp-1) от l/B
для одно- и двух- сторонних завес
по материалам работы [Л9]
При dq =0 через проем проходит только струя завесы без потерь; при dq>0 часть воздуха из струи завесы попадает наружу; при dq<0 в проем кроме струи завесы попадает наружный воздух.

Как видно из рисунка 5, экспериментальные данные для двухсторонних завес хорошо укладываются в зависимость dq=f (l/B) и приемлемы для односторонних. Такое расхождение можно объяснить краевым эффектом взаимодействия струи в первом случае с симметричной струей, а во втором — с ограждением проема.

Можно принять, что характер взаимодействия струи завесы с ограждением проема у верхних завес при рас-пространении части струи вне помещения (отрицательные значения l/B) ближе к двухсторонним завесам.

На основании зависимостей (1÷7) при известных l/B и Fo можно определить q или для желаемого значения q и, задавшись Fo, — определить l/B или соответствующие параметры завесы.

Основным оценочным показателем работы завесы является tс — температура смеси струи завесы и наружного воздуха, проходящей через проем.

На основании уравнения теплового баланса в соответствии с [Л9]

Tс = (t0–tн) q (1–dQ)+tн (7)

T0 — температура воздуха, выходящего из завесы.

Экспериментальные зависимости dQ от значений q и F0 приведены в работах [Л9], [Л18]. Данные этих работ, преобразованные в соответствии с ранее указанными формулами и обозначениями, представлены на рис. 6.

Полученные зависимости (рис. 5 и 6) позволяют провести проектный и поверочный расчет завесы без применения итераций при широком диапазоне значений — β, q и FOo.

Следует отметить, что вне зависимости от метода расчета должны быть справедливы формулы расхода завесы в м3

Gз=5100 Fпр qμ (ΔP/ρc)0,5; (8)

и температуры смеси воздуха, поступающего в проем в гр. С

tс=tн + (t0 tн)q (1 dQ); (9)

где: ΔP — перепад давления на проеме, Па;
ρc — плотность смеси воздуха, поступающего в проем, кг/м3;
t0 — температура воздуха снаружи и на выходе из завесы соответственно,°C.

Причем значения параметров q, μ и dQ должны соответствовать с необходимой точностью экспериментальным данным В. М. Эльтермана.

Рисунок 6. Экспериментальные данные
в виде зависимости dQ=f(dq)
Для оценки результатов расчетов, полученных по предложенному методу, были произведены расчеты оценки точности. Используя заданные значения Gз, исходные данные и вычисленные в процессе расчетов значения q, на основании формулы расхода воздуха (8), определялись значения μ. Поскольку известны параметры q и Fo, по данным работы В. М. Эльтермана [9] и по Cправочнику проектировщика [10] определялись значения μ и сопоставлялись с ранее вычисленными. Используя формулу температуры смеси воздуха, поступающего в проем (9), аналогичное сопоставление проводилось для dQ.

Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблицах.

Исходные данные
Номер примера 1-11-22-12-22-33-1
Высота проема, мH3.63.63.43.43.42
Ширина проема, м B3.63.63333
Температура в помещении, °Сtв181816161620
Температура наружного воздуха, °Сtн -20 -20 -28 -28 -28 -20
Температура воздуха на выходе из завесы, °Сt43.55953522036
Перепад давления на проем, Па∆P7.647.643.663.663.664.64
Расположение завесы Боковая 2-хБоковая 2-хверхБоковая 2-хверхверх
Расход воздуха завесы, м3G324000340008200180001540008400
F024.020.066.720.037.840.0
Результаты расчетов
Номер примера 1-11-22-12-22-33-1
Температура смеси, °Сtcm7.029.0 -6.017.0 -6.0 4.0
q0.4100.6500.2900.6300.6000.490
F024.020.066.720.037.840.0
μ0.2590.3090.3260.3160.2960.293
dQ -0.040.050.060.110.240.13
Данные В.М.Эльтермана
μ0.320.260.300.280.250.26
Ош μ/td>695797
dQ0.00.10.00.10.20.1
Ош dQ -2 -2.530.522
Справочник проектировщика
μ0.360.3060.290.3140.290.292
Ош μ016120
dQ0.020.090.050.070.170.10
Ош dQ% -0.5 -0.52232

Как видно из таблиц, наибольшее расхождение в значениях μ при расчете по предложенному методу составляет 9 % в сравнении с данными работы [9] и 6 % в сравнении с данными [10]. Наибольшее расхождение в значениях dQ составляет 3 % в сравнении с данными работ [9] и [10].

Статью подготовил кандидат технических наук М. Е. Дискин

Литература:

  1. В. В. Батурин, И. А. Шепелев. Воздушные завесы. «Отопление и вентиляция», 1936, № 5
  2. Г. Н. Абрамович. Теория турбулентных струй. Физматгиз. М: 1960.
  3. И. А. Шепелев. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. Стройиздат, М: 1950.
  4. В. В. Батурин. Основы промышленной вентиляции. Профиздат. 1965.
  5. . Е. Бутаков. Аэродинамика систем промышленной вентиляции. Профиздат. 1949.
  6. Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес//АВОК. 2003. № 7.
  7. Круглова Е. С. Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых па-раметров микроклимата в производственных помещениях АПК: автореферат дис. … кандидата технических наук: Челябинск, 2006
  8. Тюменцев, В. А. Исследование боковой односторонней воздушной завесы без подогрева воздуха: автореферат дис. … кандидата технических наук: Иркутск, 2004
  9. В. М. Эльтерман. Воздушные завесы. «Машиностроение», М: 1966.
  10. Справочник проектировщика, Внутренние санитарно-технические устройства, Ч3, Вентиляция и кондицио-нирование воздуха. Кн. 1/В. Н. Богословский, А. И. Пирумов, В. Н. Посохин и др.; Под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера.- 4 е изд. перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1992.
  11. Теплограммы струи завесы GEA VNento серии С, полученные по заказу фирмы с помощью тепловизора Либе-рецким машиностроительным институтом (Чехия) и любезно предоставленные фирмой «GEA».
  12. Миткалинный В. И. Струйное движение газов в печах. Металлургиздат, 1961.
  13. Макаров И. С., Худенко Б. Г. Смешение пересекающихся турбулентных струй. Инженерно- физический журнал, т. VNNN, № 4, апрель, 1965.
  14. Макаров И. С., Худенко Б. Г. Система плоских турбулентных струй. Инженерно-физический журнал, т. NX, № 2, август, 1965.
  15. Кириллов В. А., Худенко Б. Г. Расчет направления оси результирующего потока при смешении турбулентных струй. Инженерно-физический журнал, т. NX, № 5, ноябрь, 1965
  16. Залманзон Л. А. Теория элементов пневмоники. Москва, «Наука», 1969.
  17. Дискин М. Е. Уточнение метода расчета воздушных завес на основе положений теории турбулентных струй: Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». — М.: МГСУ, 2005.
  18. Татарчук Г. Т.. Определение температуры воздуха, подаваемого в двухсторонние боковые завесы. — «Водо-снабжение и санитарная техника», № 10, 1964.
наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест