Сантехника Отопление Кондиционирование

Критерии выбора горизонтальных тепловых завес: скорость истечения и тепловая мощность.

(0) (31458)
Опубликовано в журнале СОК №6 | 2004

Эффективность применения горизонтальных тепловых завес зависит от многих факторов: высоты дверей или ворот, расхода воздуха через завесу, скорости воздуха на выходе из нее, тепловой мощности, угла наклона вдуваемой струи, температуры и скорости набегающего с улицы ветра. Кроме этого при выборе завесы необходимо учитывать теплофизические характеристики здания и приточно-вытяжной вентиляции.

Рис. 1а

Рис. 1а

Рис. 1б

Рис. 1б

Рис. 2а

Рис. 2а

Рис. 2б

Рис. 2б

Рис. 2в

Рис. 2в

Рис. 3а

Рис. 3а

Рис. 3б

Рис. 3б

Рис. 4

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 5

С математической точки зрения влияние газодинамических параметров завесы (скорости, температуры, угла наклона струи) на температуру помещения при разных погодных условиях — задача достаточно сложная. Необходимо рассматривать взаимодействие пространственной дозвуковой турбулентной струи вязкого газа с плоской преградой при действии поперечного сносящего потока.

В литературе практически отсутствует информация о постановке и решении такой задачи применительно к тепловым струйным завесам. Известные работы носят эмпирический или полуэмпирический инженерный подход [1].

Для расчетной области, показанной на рис. 1а, система уравнений, описывающая стационарное течение вязкого теплопроводного газа, имеет вид:

∇(ρ× V) =0, ∇(ρ× V × V) + ∇(P) = b ×∆t × g, (1)

ρ×∇(E × V) + P ×∇(V) + ∇(q) = 0,

где: r — плотность газа, V — вектор скорости, Е — удельная внутренняя энергия, — — дифференциальный оператор набла, P — тензор давления, связанный с давлением р и тензором вязких напряжений S соотношением:

P = p × I + S.

Тензор вязких напряжений определен:

S =–µ× (∇(V) + [∇(V)]t) + + 2/3 ×µ×∇(V) × I,

где: I — единичный тензор, m — коэффициент динамической вязкости. Компоненты тензора S приведены во многих литературных источниках, например в [2]. Тепловой поток q определяется законом Фурье:

q =–λ×∇(t),

где l — коэффициент теплопроводности, t — температура. К системе уравнений (1) необходимо добавить уравнение остояния газа в виде:

ρ – ρ =–ρ × b ×∆t,

где r0 — среднее значение плотности при постоянной температуре t0; b — коэффициент теплового расширения. При расчете течений с невысокими скоростями (до значений Маха М < 0,3) целесообразно считать течение несжимаемым. Совместно с уравнениями (1) необходимо решить уравнение для турбулентной вязкости.

Применим модель турбулентной вязкости А.Н. Секундова [3], которая имеет вид:

ρ×∇(vt × V) = ∇[µ×∇(vt)] + Гt, (2)

где vt — турбулентная вязкость, µ = ρ×(vt + vo), Гt — член, описывающий генерацию и диссипацию турбулентной вязкости [3]; vo — молекулярная вязкость. Допустим, что теплообмен между воздухом и стенами здания и приточно-вытяжная вентиляция отсутствуют.

Для численного решения уравнений движения несжимаемой среды применим алгоритм SIMPLE [4], реализованный в [5] для областей сложной формы.

Ниже приведены результаты расчета по предложенной методике для интервалов высоты дверных проемов Н = 1,5–6 м, температуры наружного воздуха tн = 0°С, температуры воздуха, истекающего из завесы, tз = 30°С, ширины выходной щели завесы b = 5 см при варьировании скоростью ветра U = 0–10 м/с и скоростью воздуха, истекающего из завесы, V0 = 0,5–7 м/с.

На рис. 1б показана зависимость минимальной скорости воздуха c улицы (которая обеспечивает полную преграду для проникновения холода с улицы при скорости ветра U = 1 м/с) от высоты воротного проема. Даже небольшое уменьшение данной скорости приведет к протоку воздуха с улицы в помещение. Из графика видно, что при угле вдува a = 30° в сторону улицы скорость Vм уменьшается примерно на 4 м/с при Н = 4 м. Обратим внимание на то, что скорость Vм достаточно велика, у большинства выпускаемых завес она меньше [1].

На практике это приводит к тому, что всегда воздух c улицы частично проникает в помещение. Изготовление завес, обладающих требуемой скоростью, зачастую нецелесообразно из-за высоких шумов (при больших расходах через вентилятор) и ограничено требованиями санитарных норм к помещениям (по шуму и скорости движения воздуха). Таким образом, необходимо компенсировать частичный проток холодного воздушного потока с улицы за счет подогрева воздуха, вдуваемого через завесу.

Рассмотрим результаты расчета для высоты проема Н = 3 м и скорости ветра U = 5 м/с. На рис. 2а представлены графики зависимости относительной максимальной скорости в струе по высоте проема. Результаты расчета хорошо согласуются с аналитическим решением изменения скорости по длине свободной струи и экспериментальными данными. Эксперимент проведен с установленными горизонтально над воротами высотой 3 м завесами марки «Самум» ЗТ06-А-1200-380 производства ООО ПКП «Теплоэнергомаш». Средняя по площади ворот скорость ветра при выключенных завесах — 4,6 м/с, скорость воздуха на выходе из завес V0 = 7,1 м/с, перепад температур на входе-выходе из завесы Dt = 15°С. Замеры скоростей произведены с помощью комбинированного анемометра testo 435 с зондом-крыльчаткой (диапазон измерения 0,25–20 м/с, погрешность ±0,1 м/с + 1,5% от измеряемого значения). Различие в расчете и аналитическом решении (эксперименте) проявляется при скорости исходящего из завесы воздуха V0 = 1 м/с.

Различия при V0 = 1 и 2 м/с также наблюдаются при h > 2,5 м, где начинает сказываться влияние пола (здесь h — расстояние от завесы). Подтверждением проникновения холодного воздуха служит рис. 2б, где показано изменение температуры воздуха на оси струи по высоте проема. На расстоянии 0,5–0,7 м/с от завесы в струю эжектируется значительное количество холодного воздуха, температура падает до 8–13°С. Далее по высоте проема температура на оси струи при каждой скорости меняется незначительно. При увеличении скорости в струю попадает меньшее количество воздуха с улицы, и температура в струе увеличивается с 5 до 17°С.

Рассмотрим рис. 2в, где показана зависимость температуры воздуха по высоте помещения.

С увеличением скорости V0 увеличивается температура воздуха в помещении. При каждом значении скорости V0 температура по высоте помещения изменяется незначительно. При увеличении скорости V0 от 1 до 7 м/с средняя температура по высоте помещения увеличивается с 7 до 20°С. Таким образом, при меньших скоростях воздуха, поступающего из завесы, в помещение проникает значительное количество холодного воздуха, что приводит к понижению температуры в помещении. При V0 = 5–7 м/с газодинамическая эффективность завесы обеспечивает постоянную температуру воздуха в помещении около 18–20°С.

Картина течения вблизи проема показана на рис. 3а, 3б для скоростей V0 = 1 м/с и V0 = 7 м/с соответственно. Видно, что при скорости V0 = 7 м/с проток воздуха с улицы незначительный, при этом температура в помещении не поднимается выше 20°С из-за понижения температуры воздуха в струе за счет эжекции.

Можно сделать вывод, что при скорости воздуха из завесы меньше 7 м/с для поддержания комфортной температуры помещения недостаточно использовать завесу без подогрева. Необходимая тепловая мощность завесы N, Вт, рассчитывается по формуле:

N = G ×∆t/3,1,

где Dt — разность температур на входе и выходе из завесы; G — производительность вентилятора, м3/ч.

На рис. 4 показано влияние скорости ветра на температуру в помещении высотой 3 м при скорости воздуха из завесы V0 = 3 м/с. При нулевой скорости ветра средняя по высоте температура в помещении достигает 24°С, при скорости ветра U = 10 м/с температура понижается до 9°С.

По результатам численного исследования получены зависимости (рис. 5) скорости завесы от высоты дверного (воротного) проема при заданной температуре воздуха, истекающего из завесы (мощности нагрева). По этим зависимостям определяется требуемая скорость воздуха, истекающего из завесы для заданной мощности нагрева, высоты проема и требуемой температуры в помещении.

Резюмируя изложенное выше, можно отметить следующее:

  1. Полный газодинамический (заградительный) эффект горизонтально установленной завесы достигается при достаточно высоких скоростях воздуха, истекающего из завесы. При рассмотренных выше условиях (U = 1 м/с) и высоте дверного проема Н = 2 м скорость V0 должна быть не менее 17 м/с, при Н = 6 м — не менее 23 м/с.
  2. В случае направления струи воздуха из завесы под углом в сторону улицы, скорость, необходимая для полного заградительного эффекта уменьшается. При высоте проема Н = 4 м и угле наклона струи 30° указанная скорость уменьшится на 4 м/с по сравнению с вертикально направленной струей.
  3. Большинство выпускаемых завес не обладает скоростью струи, достаточной для полного газодинамического заградительного эффекта из-за ограничений в помещениях по скорости воздуха и шуму. Поэтому при установке завес горизонтально практически всегда воздух с улицы частично проникает и охлаждает помещения. Для компенсации этого эффекта к завесе необходим подвод тепловой мощности.
  4. На практике при выборе завесы недостаточно критерия газодинамической заградительной эффективности. Выбор параметров завесы (скорости, мощности) должен основываться на требуемой температуре воздуха в помещении при заданных высоте дверного (воротного) проема, температуре и скорости ветра.
  5. Предложенная методика позволяет по полученным номограммам определять параметры завесы: скорость истечения (производительность) и мощность (температуру нагрева воздуха) в зависимости от геометрических размеров проема, температуры и скорости наружного воздуха для обеспечения заданной температуры в помещении.

СПРАВКА

ООО ПКП «Теплоэнергомаш» создано в 1991 г. Является разработчиком и изготовителем тепловых завес марки «Самум», поставляемых на рынок в течение 5 лет, а также обогревателей пассажирских салонов и кабин машиниста электроподвижного состава монорельсовой транспортной системы и транспортной системы нового поколения, созданных по заказу правительства г. Москвы. В 2003 г. по результатам конкурса, проводимого Международной академией реальной экономики, предприятию присвоено звание «Лидер региональной экономики» в номинации «Уникальные наукоемкие технологии в области специального энергетического машиностроения и тепловой техники».

 

>>> Также читайте по теме Тепловые завесы: принцип действия, характеристики, обзор рынка в журнале СОК 2004 №3

 

  1. Журнал СОК №10/2019. Программа лояльности NAVIEN PRO
  2. Журнал СОК №11/2019. Viessmann вывела на рынок энергоэффективный электрический котёл Vitotron
  3. Журнал СОК №11/2019. Электрические кабельные тёплые полы: современные решения и рыночные тенденции
  4. Воздушно-тепловые завесы. Энергетические характеристики. Критерий подбора воздушно-тепловых завес. «Сантехника, отопление, кондиционирование», ЕСЖ. №8, 2003, с. 42–43.
  5. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М., Мир. 1990, 661 с.
  6. А.Н. Секундов. Применение дифференциального уравнения для турбулентной вязкости и анализ плоских не автомодельных течений. Изв. АН СССР МЖГ.№5, 1971. с. 114–127.
  7. С. Патанкар. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. — М.: Энергоиздат, 1984, 150 с.
  8. М.М. Горохов, И.Г. Русяк, В.А. Тененев. Численное исследование обтекания осесимметричных тел при наличии вдува с поверхности. Изв. АН СССР. МЖГ, №4, 1996, с. 162–166.
Комментарии
  • В этой теме еще нет комментариев
Добавить комментарий

Ваше имя *

Ваш E-mail *

Текст комментария