Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 13
Глава 2 Численное моделирование режимов работы струйного заграждения. Сравнение данных численного моделирования с экспериментальными данными 35
2.1. Описание математической модели здания с проемом ворот 35
2.2. Сравнение данных численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными 54
Глава 3 Исследование режимов работы струйного заграждения при различных внешних условиях 59
3.1. Режим втекания наружного воздуха в открытый проем в отсутствие струйного заграждения 59
3.2. Применение односторонней вертикальной воздушной завесы ... 63
3.3. Применение двусторонней вертикальной воздушной завесы 74
Глава 4 Анализ результатов численного моделирования 80
4.1. Анализ шиберующих свойств струйного заграждения Я0
4.2. Энергетические характеристики струйного заграждения 85
4.3. Применение полученных данных при подборе оборудования для струйных заграждений 88
Глава 5 Исследование внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения 94
5.1. Режим втекания наружного воздуха в открытый проем в отсутствие струйного заграждения 94
5.2. Применение односторонней вертикальной воздушной завесы... 96
5.3. Исследование влияния установки экрана на шиберующие характеристики струйного заграждения 101
Выводы 108
Список литературы 111
- Сравнение данных численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными
- Применение односторонней вертикальной воздушной завесы
- Применение полученных данных при подборе оборудования для струйных заграждений
- Исследование влияния установки экрана на шиберующие характеристики струйного заграждения
Введение к работе
Актуальность работы.
В холодное время года под действием перепада давлений снаружи и изнутри здания через открытые проемы (ворота и двери) врываются большие массы холодного воздуха и, как более тяжелые, затапливают пол и нижнюю зону помещения, вытесняя теплый воздух. Как показывает практика, потери тепла могут исчисляться сотнями кВт. Для уменьшения проникновения холодного воздуха в помещение применяют струйные заграждения -воздушные завесы (ВЗ).
ВЗ являются энергоемким оборудованием и требуют тщательного подхода при подборе, поскольку, если технические и конструктивные характеристики ВЗ определены неверно, установка может не только быть балластом в энергосистеме здания (не выполнять своих функций по зайдите помещения от прорыва наружного воздуха), но и провоцировать втекание холодного наружного воздуха в помещение, увеличивая тем самым теплопотери.
В последнее время в связи с ростом объема строительства новых и реконструкции старых промышленных и административных зданий все большее внимание уделяется вопросам энергосберегающих технологий. Воздушные завесы, как энергосберегающее оборудование, находят все более широкое применение, так как дают возможность поддерживать в зимний период в защищаемых помещениях требуемые санитарными нормами комфортные условия и при этом значительно сокращают расход тепла на отопление помещений. Исследование локальных и интегральных характеристик ВЗ в зависимости от различных условий представляет актуальную задачу для повышения энергосберегающего эффекта от применения этого вида оборудования.
Целью настоящей работы является выявление влияния внешних условий и внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения, исследование работы струйного заграждения в режимах, отличных от расчетных, выявление возможностей повышения эффективности работы ВЗ. Научная новизна.
Разработана математическая модель ВЗ, получены поля скорости и давления в зоне открытого проема при различных режимах работы струйного заграждения, в зависимости от различных внешних условий (ветровой нагрузки) и внутренних факторов (размещения проема ворот и др.) защищаемого объекта.
Получены обобщающие зависимости, включающие в себя основные характеристики струйного заграждения (скорость истечения, ширина щели, угол подачи струи), которые позволяют определить шиберующие (преграждающие) свойства односторонних и двусторонних вертикальных завес, а также оценить их работу при изменении внешних условий.
Получены данные для работы односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при подаче струи завесы под углом 0 и
15 к плоскости ворот (как наиболее простых в изготовлении). Показано, что при устройстве двусторонней воздушной завесы для исключения потерь, связанных с выбросом теплого воздуха при нерасчетных режимах целесообразно использовать выход потока воздуха под углом 0и15.
Получено, что близость острых кромок строительных перекрытий, а также расположение вытяжных проемов на одной оси с открытыми воротами приводит к увеличению расхода наружного воздуха на 5-30 %, в зависимости от действующего перепада давления в зоне ворот.
Определена возможность повышения преграждающей -способности ВЗ путем устройства экрана, без установки дополнительных энергопотребляющих механизмов и усложнения конструкции самой воздушной завесы. Получено, что устройство экрана с противоположной стороны воздухораздающей щели приводит к повышению преграждающей способности односторонней вертикальной воздушной завесы на 15-45%, в зависимости от интенсивности ветровой нагрузки.
Достоверность. Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на проведенных численных исследованиях, хорошо согласующихся с результатами экспериментальных исследований других авторов.
Практическая ценность работы. Полученные зависимости I„p = f(k) позволяют достаточной для инженерных расчетов степенью точности оценить шиберующие характеристики ВЗ, что может быть использовано при проектировании систем вентиляции и отопления различных объектов. Кроме того, зависимости L =/(к) позволяют оценить поведение завесы при изменении внешних условий, что может быть использовано при наладке работы струйных заграждений. Также представляют интерес полученные результаты о работе воздушных завес при различных углах подачи воздуха и различном размещении ВЗ относительно строительных перекрытий, которые могут быть использованы как дополнительные рекомендации при проектировании, а также при монтаже и эксплуатации ВЗ.
Апробация. Материалы отдельных разделов диссертации докладывались и обсуждались на 1-ой научной школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 29сен. - 5 окт. 2003г), на VIII конференции «Эффективные системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и теплоснабжения» (Санкт-Петербург, 21 апреля 2006г.) и на 5-ой международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, осень 2006г.).
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения результаты представлены в 7 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков и 10 таблиц, список литературы включает 60 наименований.
Сравнение данных численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными
Несколько позже этот метод было несколько доработан специалистами МИСИ и ЦНИИпромзданий [13,14]. Основные положения при этом не изменились. Однако в формулу (1.7) был добавлен член, учитывающий ветровое давление:
Разность давлений Др определяют расчетом в результате решения уравнений воздушных балансов помещений с учетом ветрового давления для холодного периода года. Для ориентировочных расчетов, если нет полных данных, значение Лр можно определять по формуле: где ki - поправочный коэффициент на ветровое давление, учитывающий степень герметичности зданий [14,30,44,45]; здесь hpac4 определяется по табл.1.1.; рн - плотность воздуха, кг/м , при температуре наружного воздуха (параметры Б); рвн - то же, при средней по высоте помещения температуре внутреннего воздуха, кг/м3; ив - расчетная скорость ветра, значение которой принимается при параметрах Б для холодного периода года; с - расчетный аэродинамический коэффициент, значение которого принимается по [36].
В таком виде этот метод получил наибольшую известность и распространенность, поскольку вошел в [14].
Как видно из анализа, рассматриваемый метод является довольно сложным и трудоемким. Кроме того, требуется большое количество данных, не всегда известных на стадии проектирования зданий, а организации, занимающиеся монтажом запроектированного оборудования, далеко не всегда имеют уровень квалификации, позволяющий предоставить необходимые данные в полной мере с достаточной точностью. При всем при этом, даже при наличии всех требуемых характеристик здания (помещения), защищаемого завесой, в формулах для расчета и подбора оборудования очень много поправочных коэффициентов, полученных эмпирическим путем. Таким образом, требуемое количество начальных данных неоправданно завышено. Еще один недостаток - довольно большие диапазоны между эмпирическими коэффициентами, занесенными в таблицы, графические зависимости и номограммы. Как показывает практика, при подборе оборудования принимаются большие значения упомянутых коэффициентов, и поскольку в самом методе уже заложен определенный запас, это приводит к завышенным расходам воздуха через завесу любого типа, а также к завышенным тепловым мощностям калориферов, входящих в состав установки.
Еще один метод расчета был разработан позднее в МИСИ Л.Д. Богуславским и Г.И. Титовым [26,30.] В отличие от вышерассмотренных способов расчета авторы этого метода предприняли попытку более полно учесть воздушный и тепловой режимы обслуживаемого помещения и струи воздушной завесы
Воздушный режим помещения и струи завесы учитывается путем совместного рассмотрения уравнений воздушного баланса, анализа расхода воздуха, поступающего со струей в помещение. Тепловой режим помещения и струи завесы учитывается путем использования в расчете неравномерности температурного поля сечения струи, средней температуры части струи, поступающей в помещение.
Авторы утверждают, что в результате введения в расчет указанных положений обеспечивается резкое снижение расхода теплоты, необходимой для работы тепловой завесы. При этом работа периодически действующей тепловой завесы не оказывает влияния на тепловой и воздушный режимы помещения.
Расход воздуха, необходимый для работы ВТЗ, определяется при помощи теории турбулентных струй [2,20,38,39,41]. Расход воздуха в произвольном сечении плоской струи на расстоянии X от выхода определяется: где L, - начальный расход воздуха;т - кинетическая характеристика струи или коэффициент изменения скорости (для щелевого отверстия тк=2,5); 5 -ширина щели.
Расход воздуха, проходящий через любое сечение струи, можно представить как сумму расходов: где рх = —-J коэффициент расхода воздуха в струе.
Первый и последний члены суммы соответствуют расходам подсасываемого воздуха с каждой из сторон плоской струи, а средний член -расход воздуха в ядре струи, численно равный начальному расходу воздуха. Ширина ядра струи 2-г является функцией ширины щели 5 и расстояния до рассматриваемого сечения X. Величина г используется при выборе расхода воздуха, подаваемого в воздушную завесу, и представлена в номограмме. Номограмма для определения полуширины ядра г также построена на основе зависимостей для плоской затопленной воздушной струи.
Для определения температуры воздуха, подаваемого в воздушно-тепловую завесу, используется следующий прием. Допускается, что в произвольной точке рассматриваемого сечения плоской воздушной струи, развивающейся на границе между наружным и внутренним воздухом температура равна:
Здесь коэффициенты Pi представляют доли единицы массы в точке с координатами (Х,У). Они названы коэффициентами долевого влияния. Для расчетов, связанных с уравнением теплового баланса струи и учета работы воздушно-тепловой завесы в тепловом балансе помещения используются средние интегральные коэффициенты долевого влияния где 0.5-Ьх - полуширина струи в сечении X, можно принять bx«0,44-X; ys -координата точки в этом же сечении. Для описываемого метода коэффициенты долевого влияния были определены с привлечением теории струй. Более детального описания определения этих коэффициентов в литературе не содержится.
Средняя температура воздуха, проходящего через часть сечения между координатами у и краем струи, равна
Применение односторонней вертикальной воздушной завесы
К - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте в зависимости от типа местности. Так как здание находится на территории города, равномерно покрытой препятствиями высотой более 10 м то по [36] : К := 0.65 Сн, Сп - аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной стороны ограждения. Для вертикальных плоских конструкций по [36]: Расчет аэрации здания производится по упрощенной схеме [1,32,35,40,43,44,45]: 1. Рассматриваем установившийся процесс. 2. Температуру воздуха внутри помещения принимаем одинаковой на всем протяжении и по всей высоте рассматриваемого участка. В каждой горизонтальной плоскости этого участка давление принимаем постоянным, изменение же его при переходе от одного уровня к другому считаем подчиняющимся гидростатическому закону. 3. Давление ветра по высоте проёма считаем постоянным. 4. Принимаем, что на пути движения воздуха не имеется никаких препятствий (оборудование и пр.). 5. Принимаем, что спектры давления на здание (его аэродинамические коэффициенты), полученные для глухих (сплошных) моделей, остаются практически неизменными при устройстве отверстий и осуществлении перетекания. Для определения воздухообмена необходимо знать распределение давлений внутри здания. Обозначим внутреннее избыточное давление на уровне пола через Р0. Таким образом, будем иметь два неизвестных: "Z" и "Р0" и для определения их два уравнения: Рв = Рн , и уравнение баланса воздухообмена. Это уравнение, на котором основывается расчёт аэрации - весовое количество воздуха, поступающего в единицу времени (в кг/час) в помещение, равно весовому количеству воздуха, выходящему из помещения в ту же единицу времени. Если обозначить секундное количество воздуха, втекающего в склад, внижн, а вытекающего через верхнюю часть того же проёма вверх, то для установившегося состояния получим уравнение баланса воздухообмена: вверх = внижн
Ветровое давление получается путём умножения аэродинамического коэффициента здания на скоростное давление ветра, то есть получаем: Коэффициент расхода воздуха через ворота необорудованные воздушной завесой (см. гл. 3, рис.3.2.) для данного исполнения ворот [6]: Цо=0-64. Для решения системы уравнений воспользуемся пакетом Mathcad. Для поиска решений используются итерационные методы, поэтому необходимо задать начальные значения для всех искомых величин. Нулевые приближения искомых величин: Примем наружное избыточное давление на уровне пола равным нулю. Тогда полное давление на этом уровне будет 0+Р1. На уровне х z наружное избыточное давление будет определяться по формуле: Внутреннее давление (на том же уровне): На уровне х = z выполняется равенство давлений или равенство нулю напора на этом уровне: Тогда можно написать выражение для координаты Z расположения нейтральной зоны: Так как весовая скорость потока воздуха через проём будет изменяться с изменением высоты, то будет изменяться и весовой расход воздуха "G". В этом случае "G" может быть представлен в виде интеграла. Тогда расход воздуха через нижнюю часть проёма будет определяться по формуле: Расход воздуха на ВЗ составил Q3=20500M /ч, скорость истечения струи воздуха из завесы Ущ= 17,7м/с, ширина щели 8=80мм. Для всего диапазона расчетов с применением односторонней вертикальной воздушной завесы эти величины оставались постоянными.
Исследования проводились с изменением величины ветровой нагрузки и угла атаки а - угла подачи струи завесы к плоскости ворот. Было рассмотрено 4 варианта подачи струи завесы: а=0; а=15; а=30; а=45 в сторону улицы. В настоящее время наиболее широкое применение получили ВЗ с выходом потока а=0, как наиболее простые в изготовлении. Однако обзор литературы показал, что в существующих методиках и экспериментальных работах нет данных для завес с углом атаки а 30. При этом отсутствуют какие-либо данные, подтверждающие или опровергающие целесообразность применения завес с углом атаки а 30. В результате математического моделирования были получены поля распределения давления и скорости во всей расчетной области. Характерные поля распределения скорости и давления во всей расчетной области при использовании вертикальной односторонней воздушной завесы для разных а представлены на рис.3.4.
Применение полученных данных при подборе оборудования для струйных заграждений
Анализ аэродинамических потоков при показал, что в случае «несимметричных условий» возникает так называемое натекание струи на экран [5,21]. Для определения влияния особенностей этого типа течения плоской струи на работу струйного заграждения был проведен ряд дополнительных исследований Были рассчитаны режимы течения наружного воздуха в проеме ворот для симметричных условий (проем ворот по середине расчетной области) при различной ветровой нагрузке с применением в виде экрана строительного перекрытия, длина которого равна Уг ширине ворот. (рис.5.7) Основные технические характеристики струйного заграждения (расход воздуха, ширина щели и скорость истечения струи) были определены по зависимостям, представленным в [14]. Расход воздуха на ВЗ составил Q3=20500M /Ч, скорость истечения струи воздуха из завесы Vm= 17,7м/с, ширина щели 8=80мм. Исследования проводились с изменением величины ветровой нагрузки и угла атаки а - угла подачи струи завесы к плоскости ворот. Было рассмотрено 4 варианта подачи струи завесы: а=0; а=15; а=30; а=45 в сторону улицы. В результате расчетов были получены поля распределения давления и скорости во всей расчетной области. Характерные поля распределения скорости и давления во всей расчетной области при использовании вертикальной двусторонней воздушной завесы для различных а представлены на рис.5.8.
При анализе полученных результатов особое внимание уделялось локальным и интегральным характеристикам потока в области проема ворот. Были определены среднеинтегральные значения скорости воздуха в среднем по высоте сечении ворот, получен расход воздуха, врывающегося в открытый проем ворот при работе односторонней вертикальной воздушной завесы. Результаты представлены в табл. Для анализа шиберующих (преграждающих) свойств завесы была использована величина Lnp = L /L0. В качестве параметра, характеризующего шиберующие свойства завесы I , был использован скалярный параметр Для рассматриваемого режима работы были построены зависимости Lnp = f(K) при использовании односторонней вертикальной завесы при различных углах атаки с установкой экрана с противоположной стороны воздухораздающей щели (рис.5.5). Анализ результатов показал, что при тех же параметрах струйного заграждения (расходе воздуха, скорости истечения Vm, а также ширины щели и угле выхода струи а) устройство подобного экрана приводит к уменьшению расхода врывающегося воздуха. В частности, исследования показали, что при установке экрана длиной /г-Вворот напротив односторонней вертикальной воздушной завесы с расходом воздуха 20500м /час при тех же значениях параметра к относительный расход воздуха через открытый проем Lnp имеет меньшие значения. Таким образом, установка экрана с противоположной стороны воздухораздающей щели приводит к повышению преграждающей способности односторонней вертикальной воздушной завесы и уменьшению расхода воздуха, врывающегося в открытый проем, на 15-45%, в зависимости рт интенсивности ветровой нагрузки. В соответствии с этим можно сделать вывод: простое устройство экранов приводит к существенному повышению шиберующих свойств завесы без устройства дополнительных энергопотребляющих механизмов и усложнения конструкций самой воздушной завесы.
Исследование влияния установки экрана на шиберующие характеристики струйного заграждения
В холодное время года под действием перепада давлений снаружи и изнутри здания через открытые проемы (ворота и двери) врываются большие массы холодного воздуха и, как более тяжелые, затапливают пол и нижнюю зону помещения, вытесняя теплый воздух. Перепад давления, провоцирующий движение воздушных масс, может быть вызван одной из перечисленных ниже причин, или же их различным сочетанием: а) гравитационным напором; б) напором, вызванным ветровой нагрузкой. в) разбалансировкой притока и вытяжки. Как показывает практика, потери тепла при этом могут исчисляться многими сотнями кВт. Покрывать эти потери посредством отопления неэкономично, а без отставания по времени практически невозможно. Чтобы уменьшить или вовсе преградить проникновение холодного воздуха в помещение, применяют струйные заграждения - воздушно-тепловые завесы (ВЗ). Воздушные завесы нашли широкое применение, как устройства, препятствующие проходу воздуха через открытые проемы, которые по технологическому процессу нельзя держать закрытыми. Благодаря этим струйным заграждениям через открываемые зимой ворота предотвращается прорыв холодного воздуха в помещения. Воздушные завесы применяют в проемах между двумя помещениями, когда одно из них отапливается, а другое - нет, в проемах наружных ограждений, через которые проходит производственное оборудование (напр., транспортеры). Этими устройствами пользуются также для предотвращения перемещения воздуха из помещения с наличием вредных паров, газов или пыли (даже с концентрацией в размерах, предельно допустимых по нормам) в другое помещение, где выделения этих вредностей нет. Впервые воздушные завесы были применены именно для решения такой задачи - в угольных шахтах для предотвращения распространения пыли [48]. ВЗ находят применение и в машиностроении [42], обеспечивая в некоторых камерах цикла поддержание высокой температуры и при этом при этом предотвращая прорыв горячего воздуха, большей частью загрязненного вредными газами, из камер в рабочее помещение. Воздушные завесы осуществляются в виде сравнительно узкой (по толщине) струи выпускаемой из прямоугольного отверстия (щели) как правило, во всю ширину или высоту проема [6]. Завесы, уменьшающие проникновение наружного воздуха, называются завесами шиберующего типа. Шиберующие завесы в ряде случаев выполняются без подогрева воздуха. Существуют также завесы смесительного типа, которые не препятствуют проникновению холодного воздуха, а только разбавляют его до необходимой температуры.
В последнее время в связи с ростом объема строительства новых и реконструкции старых промышленных и административных зданий все большее внимание уделяется вопросам энергосберегающих технологий. В связи с этим, струйные заграждения, как энергосберегающее оборудование, находят все более широкое применение, так как дают возможность поддерживать в зимний период в защищаемых помещениях требуемые санитарными нормами комфортные условия и при этом значительно сокращают расход тепла на отопление помещений. В настоящее время для защиты проемов распространены односторонние (с одной стороны ворот) и двусторонние (по обе стороны ворот) вертикальные воздушные (без дополнительного подогрева воздуха) и воздушно-тепловые (с дополнительным подогревом воздуха) завесы. Вопрос о подборе энергоэффективного оборудования в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, в том числе воздушных завес, привлекает внимание многих специалистов в области ОВК. Необходимо отметить, что ВЗ являются энергоемким оборудованием и требуют тщательно подхода при подборе, поскольку если технические и конструктивные характеристики ВЗ определены неверно, установка может не только быть балластом в энергосистеме здания (не выполнять своих функций по защите помещения от прорыва наружного воздуха), но и провоцировать втекание холодного наружного воздуха в помещение, увеличивая связанные с этим теплопотери. В связи с этим, исследование локальных и интегральных характеристик, а также особенностей работы ВЗ в зависимости от различных условий представляет актуальную задачу для повышения энергосберегающего эффекта от применения этого вида оборудования. Целью настоящей работы является выявление влияния внешних и внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения, исследование работы струйного заграждения в режимах, отличных от расчетных, выявление возможностей повышения эффективности работы ВЗ. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1. Провести 3-х-мерные расчеты на модели здания и получить данные по распределению скорости и давления как в расчетной области в целом, так и в сечении открытого проема ворот в частности при отсутствии воздушной завесы, с применением односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес для различных внешних условий (ветровой нагрузки), а также для различного расположения проема ворот относительно строительных перекрытий (различных внутренних факторов). 2. Получить обобщающие характеристики шиберующих (преграждающих) свойств для односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при различных режимах работы. Научная новизна. 1. Разработана математическая модель ВЗ, получены поля скорости и давления в зоне открытого проема при различных режимах работы струйного заграждения, в зависимости от различных внешних условий (ветровой нагрузки) и внутренних факторов (размещения проема ворот и др.) защищаемого объекта. 2. Получены обобщающие зависимости, включающие в себя основные характеристики струйного заграждения (скорость истечения, ширина щели, угол подачи струи), которые позволяют определить шиберующие (преграждающие) свойства односторонних и двусторонних вертикальных завес, а также оценить их работу при изменении внешних условий. 3. Получены данные для работы односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при подаче струи завесы под углом 0 и 15 к плоскости ворот (как наиболее простых в изготовлении). Показано, что при устройстве двусторонней воздушной завесы для исключения потерь, связанных с выбросом теплого воздуха при нерасчетных режимах целесообразно использовать выход потока воздуха под углом 0и15. 4. Получено, что близость острых кромок строительных перекрытий, а также расположение вытяжных проемов на одной оси с открытыми воротами приводит к увеличению расхода наружного воздуха на 5-30 %, в зависимости от действующего перепада давления в зоне ворот.
