3 Краткое содержание вопросов

3. 1. Основы осуществления воздухообмена.

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».

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 какойлибо плоскости ограждения помещения (например, потолка), параллельно этой плоскости, будет настилаться на нее. Такую струю называют настилающейся.

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 . Струя, истекающая из щели с соизмеримым соотношением сторон, не остается плоской, а постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную и на расстоянии x=10d_усл в круглую (за с/усл принимают корень квадратный из площади щели).

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

При угле β ≈ 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 α=12°25'. Угол расширения конической струи при истечении почти совпадает с углом направляющих диффузоров, а затем постепенно уменьшается и на расстоянии 10d₀ становится равным углу естественного бокового расширения (α =2°25' ).

Изучение струй проводилось многими отечественными и зарубежными исследователями применительно к различным областям техники.

Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит Г. Н. Абрамовичу. Применительно к задачам вентиляционной техники широкие исследования струй проведены И. А. Шепелевым.

Рис. 20. 1. Струи различной формы

с - компактная осесимметричная; б - коническая; в - плоская; г - кольцевая (полая коническая); д - полная веерная

2. Закономерности истечения свободных струй.

Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи представлена на рис. 20.2. 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 равно мерном 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 начальном поле скоростей точка М находится примерно в центре выходного отверстия.

Рис. 20.2. Схема турбулентной струи

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:

3. Воздушный приток в зоне действия всасывающего отверстия.

Картина движения воздуха около вытяжных и около приточных отверстий совершенно различна. При всасывании воздух подтекает к отверстию со всех сторон, а при нагнетании он истекает из отверстия в виде струи с углом раскрытия примерно 25° (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Движение воздуха около приточного (а) и вытяжного (б) отверстий

Рассмотрим чисто теоретическое понятие точечного и линейного стоков. Представим точку в пространстве, через которую в единицу времени удаляется количество воздуха L. Воздух к точке, очевидно, подтекает из всего окружающего пространства по радиусам (рис. 20.4). Радиусы будут являться линиями тока. Через сферические поверхности радиусом г в единицу времени будет протекать (стекаться к точке) такое же количество воздуха, какое удаляется через точку, т. е. L. Сферические поверхности Fh F2,..., Fn будут поверхностями равных скоростей vi, v₂,..., v_n. Расход воздуха через точку можно представить через расходы на сферических поверхностях:

или

отсюда

т. е. при точечном стоке воздуха скорости изменяются обратно пропорционально квадратам радиусов.

Рис. 20.4. Схема точечного стока

При линейном стоке удаление воздуха происходит через линию бесконечно большой длины (рис. 20.5). В этом случае поверхностями равных скоростей будут боковые поверхности цилиндров F₁, F2,..., Fn радиусом г₁, г_2,..., г_п. Расход воздуха через линию равен расходу через любую цилиндрическую поверхность:

отсюда

т. е. при линейном стоке воздуха скорости изменяются обратно пропорционально радиусам.

Рис. 20.5. Схема линейного стока.

Понятия точечного и линейного стоков позволяют дать качественную оценку движения воздуха около реальных вытяжных отверстий круглой и щелевидной формы, а также, в первом приближении, оценить распределение скоростей движения воздуха около этих отверстий.

Экспериментальные исследования распределения скоростей около всасывающих отверстий показали, что действительная картина поля скоростей вблизи отверстия заметно отличается от определенной по стокам. Достаточное для многих практических расчетов совпадение наблюдается на расстоянии от отверстия x>d₀ или х>2В₀, где d₀ — диаметр круглого отверстия, 2В₀ — ширина щелевого отверстия.

При щелевидных отверстиях большое влияние на распределение скоростей оказывают торцы щели, так как в этих местах движение воздуха более похоже на точечный сток, чем на линейный.

Вблизи вытяжных отверстий конечных размеров закономерности течения воздуха зависят от формы отверстия и соотношения его сторон.

4. Воздухораспределение в производственных помещениях.

Чтобы правильно расположить отверстия для подачи воздуха в помещение и для удаления его, необходимо выяснить влияние взаимного расположения этих отверстий на движение воздуха в помещении.

При рассмотрении свободной струи установлено, что количество воздуха в струе непрерывно увеличивается по мере удаления рассматриваемых сечений от приточного отверстия, а подтекание воздуха из окружающего пространства происходит по всей длине струи и охватывает некоторый контур «замкнутой системы». Заметим, что количество воздуха в струе при равномерном начальном поле скоростей на расстоянии, например, x = 40R₀ будет в 6,2 раза больше поданного через приточное отверстие, т. е. объем воздуха, присоединившегося к струе из окружающего пространства, составляет 5,2L₀.

В помещении, в котором приточное и вытяжное отверстия расположены в противоположных торцовых стенах, при балансе притока и вытяжки (имеется в виду достаточно большое помещение, в котором струя распространяется как свободная) оказывается, что только 16% перемещаемого воздуха будет» удалено через вытяжное отверстие, а остальные 84% не будут удалены и пойдут на питание струи.

В помещении конечных размеров неудаляемая через вытяжное отверстие часть воздуха струи образует обратный поток, направленный к началу струи (рис.20.6).

Рис 20.6 Схема взаимодействия приточной струи и спектра всасывания

Заметим также, что затухание скорости около вытяжных отверстий происходит весьма интенсивно, и на расстоянии x = d₀ скорость составляет всего около 5% начальной скорости, т. е. υ_x≈0,05υ₀. Из этого следует вывод, что скорости воздуха в вытяжных отверстиях не могут оказывать существенного влияния на скорости движения воздуха в помещении. Однако это совсем не означает, что положение вытяжного отверстия в помещении 1Ю оказывает никакою влияния на направление движения воздуха.

На рис. 20.7 представлены схемы движения воздуха в помещении, полученные В. В. Батуриным и В. И. Ханженковым на плоской и частично на пространственных моделях. Эти схемы дают возможность составить качественное представление об организации общеобменной вентиляции в помещении. Количественные зависимости для струй, распространяющихся в ограниченном пространстве, и для спектров всасывания приведены в предыдущих параграфах.

На схеме а воздух удаляется через отверстие в середине торцовой стенки; противоположная торцовая стенка отсутствует и через этот проем поступает воздух. При поступлении воздуха на кромках происходит некоторое поджатие струи и образуются небольшие области, заполненные вихрями; далее поток выравнивается и двигается к вытяжному отверстию, заполняя все сечение модели; при обтекании углов образуются небольшие вихревые зоны; обратных потоков воздуха нет. Во всех остальных схемах организации воздухообмена наблюдаются обратные потоки воздуха. На схеме и, в которой вытяжное и приточное отверстия расположены в одной торцовой стенке, весь поток воздуха поворачивается в сторону вытяжного отверстия; при этой схеме достигается наилучшее распределение воздуха в помещении. При большой длине помещения (схема к) струя, не достигнув противоположной стены, распалась и в помещении образовалось два кольца циркуляции.

Схемы распределения потоков воздуха, приведенные на рис. 20.7, относятся к изотермическим условиям. Представление о циркуляции потоков воздуха в помещении при неизотермических условиях и при наличии источников тепловыделений могут дать схемы, приведенные на рис. 20.8 Эти схемы получены В. В. Батуриным по результатам опытов на пространственной модели однопролетного производственного корпуса.

Рис. 20.7. Схемы движения воздуха в вентилируемом помещении

Схемы а, б и в относятся к теплому периоду года, когда поступление приточного воздуха при аэрации помещения происходит через открытые фрамуги в рабочей зоне; схема г относится к холодному периоду с подачей приточного воздуха через фрамуги в верхней зоне помещения.

На рис. 20.8, а источники тепловыделений занимают среднюю часть помещения, а приточный воздух поступает с двух сторон из отверстий в противоположных стенах. Когда объемы приточного воздуха, подаваемого с каждой стороны, равны, ось тепловой струи вертикальна и является осью симметрии образующихся двух колец циркуляции.

Если приблизить источники тепловыделений к одному из приточных отверстий (рис. 20.8, б), то тепловые струи, возникающие над источниками тепловыделений, будут несколько препятствовать поступлению струи приточного воздуха слева — произойдет взаимодействие струй: тепловой и приточной. Струи, вливающиеся справа и свободно развивающиеся, также отклоняют тепловую струю влево.

Рис. 20.8. Схемы циркуляции потоков воздуха в помещении при неизотермических условиях

Схема потоков, приведенная на рис. 20.8, в, наблюдается при смещенных источниках тепловыделений, но при поступлении приточного воздуха только со стороны источников. В этом случае тепловая струя оттесняется к середине. Образуются два кольца циркуляции.

В холодный период года неподогретый приточный воздух может по даваться через створки на высоте не менее 4 м от пола. Опускающаяся струя (рис. 20.8, г) разветвляется у пола и образует два кольца циркуляции. В правом обособленном кольце циркуляции наблюдаются пониженные температуры, но сравнению с левым большим кольцом, в которое поступает тепловая струя.

Лекция №21,22 (4 часа)

Тема: «Общие сведения об отоплении. Вспомогательное оборудование систем водяного отопления»

1 Вопросы лекции:

1. Назначение, классификация, краткая характеристика систем отопления.

2. Способы теплоснабжения системы водяного отопления.

3. Циркуляционный насос.

4. Смесительная установка системы водяного отопления.

5. Смесительный насос.

6. Водоструйный элеватор.

7. Расширительный бак системы водяного отопления.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.1.2 Каледина Н.О. Вентиляция производственных объектов: учебное пособие [электронный ресурс] / Н.О. Каледина, - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008 г. – режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/122685

2.2 Дополнительная

2.2.1 Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства. – СПб.: Политехника, 2007. – 423 с.

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

2.2.3. Теплоснабжение и вентиляция. Курсовое и дипломное проектирование./ Под ред. проф. Б.М. Хрусталева – М.: Издательство АСВ, 2007. – 784 с.

2.2.4 Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства. – СПб.: Политехника, 2007. – 423 с.