Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Вентиляция. Часть 1. Учебно-методическое пособие для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляц
.pdf
21
до настоящего времени. Столь большой интерес к струям объясняется
применимостью их в различных областях техники [3, 5, 6].
1.4.1 Классификация приточных струй
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 турбулентные.
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 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
22
закономерности развития истекающей из него струи. По форме различают струи
компактные, плоские и кольцевые (рис. 1.4).
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 вначале 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 lo:2Bo ≥ 20. Струя,
истекающая из щели с соизмеримым соотношением сторон, не остается плоской, а
постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную и на расстоянии х=10d
круглую (за d
принимают корень квадратный из площади щели).
усл
усл
в
Если струя истекает из кольцевой щели под углом к оси подводящего воздух
канала β <180°, 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 насадки
расширяются; угол бокового расширения α=12°25'.
23
Рисунок 1.4 - Струи различной формы
а – компактная осесимметричная; б – коническая; в – плоская; г – кольцевая (полая
коническая); д – полная веерная
Угол расширения 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. Применительно к
задачам вентиляционной техники широкие исследования струй проведены И. А.
Шепелевым [3].
1.4.2 Свободная изотермическая струя
Турбулентная струя, как и всякое турбулентное истечение, характеризуется
интенсивным поперечным перемещением частиц. Вследствие этого
24
периферийные слои струи подтормаживаются, а слои окружающего
неподвижного воздуха, находящиеся вблизи струи, приходят в движение. В
результате создается пограничный слой струи, который по направлению течения
непрерывно утолщается. Таким образом, размеры струи по течению
увеличиваются, масса ее растет, а скорость убывает.
Перенос вихревых масс, обуславливающий изменение скоростей в струе,
обуславливает также распределение в струе концентраций (а для
неизотермических струй – и температур).
Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи
представлена на рисунке 1.5.
Воздух, вытекая из сопла, образует струю с криволинейными границами
АВС и DЕF. В струе различают два участка: начальный АВЕD и основной CBEF.
Сечение ВЕ называют переходным сечением.
Границы основного участка ВС и EF при их продолжении пересекаются в
точке М, называемой полюсом струи. При равномерном начальном поле
скоростей полюс находится в плоскости начала истечения, т.е. х0 ≈0. боковой
угол расширения основного участка струи α = 12025'.
На начальном и основном участках закономерности развития струи
различны.
Рисунок 1.5 – Структура свободной изотермической струи
25
На начальном участке струи поле скоростей истечения, которое может быть
равномерным или неравномерным, переходит в поле скоростей основного участка.
Начальный участок разделяется на ядро AND, в котором сохраняется постоянная
скорость, равная скорости истечения υо, и пограничные слои ABN и DNE. Осевая
скорость υо на протяжении lо длины начального участка одинакова и равна
начальной.
На основном участке струи поле скоростей неравномерно. Участок сплошь
состоит из пограничного слоя. Скорость воздуха на оси потока и в периферийной
части по мере удаления от выходного сечения непрерывно уменьшается. Профили
скоростей воздуха в различных поперечных сечениях основного участка струи
подобны и описываются одними и теми же безразмерными зависимостями.
На структуру струи оказывает влияние начальная турбулентность: чем
турбулентнее поток перед выходом из насадка, тем интенсивнее протекает
перемешивание с окружающим воздухом, тем больше угол расширения струи, тем
короче длина начального участка, и тем быстрее уменьшение осевой скорости в
основном участке.
На основании описанной схемы изотермической струи установлены
безразмерные зависимости между геометрическими и физическими величинами
различных струй.
1.4.3 Тепловые струи
Тепловые струи, как и приточные струи естественной или механической
вентиляции, являются основными факторами, определяющими циркуляцию воздуха
в производственных помещениях, распределение тепла и концентраций паров, газов
и пыли.
Движение воздуха, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и
холодных частиц, называют свободным.
При соприкосновении с нагретой поверхностью воздух нагревается и
становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц
воздуха возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы
26
поднимаются; на их место поступают новые частицы – холодные, которые также
нагреваются и поднимаются. Таким образом, образуется восходящий тепловой
поток, определяемый наличием теплообмена у нагретой поверхности.
Чем больше передается тепла, тем интенсивнее движение воздуха. Так как
количество переданного тепла пропорционально разности температур и площади
нагретой поверхности, то и свободное движение воздуха определяется именно этими
факторами. Температурным напором определяется разность плотностей и,
следовательно, подъемная сила, а площадью поверхности – зона распространения
процесса.
Движение воздуха на различных уровнях вертикальной нагретой стенки
происходит по-разному (рис. 1.6). В нижней ее части воздух стелется по поверхности
утолщающимся слоем – ламинарное движение, выше появляются завитки
(«локоны»), бегущие вдоль поверхности, – локонообразное движение, и, наконец, в
верхней части стенки «локоны» отрываются и в виде вихрей распространяются в
окружающей среде – турбулентное движение.
Движение воздуха около горизонтальных нагретых поверхностей отличается
значительной сложностью и зависит от положения плиты и ее размеров. Когда
нагретая поверхность обращена вверх, движение происходит по схеме на рисунке
1.7а. Если же при этом плита имеет большие размеры, то вследствие налипания с
краев сплошного потока нагретого воздуха центральная часть плиты оказывается
изолированной и воздух к ней будет подтекать только сверху (рис. 1.7б). Когда
нагретая поверхность обращена вниз, движение воздуха происходит по схеме
рисунка 1.7в. В этом случае по нагретой поверхности движется лишь тонкий слой
воздуха, замещаемый встречным потоком, расположенным ниже.
Конвективные струи изучали многие исследователи: Я. Б. Зельдович, Л.
Прандтль, О. Г. Саттон, Б. Шмидт, Г. Н. Абрамович, В. М. Эльтерман, И. А.
Шепелев и др.
27
Рисунок 1.6 - Характер свободного движения воздуха около вертикальной нагретой
поверхности в неограниченном пространстве
Рисунок 1.8 - Схема конвективной струи
Рисунок 1.7 - Характер свободного движения воздуха около горизонтальных
нагретых поверхностей
а – обращенных вверх; б – то же, при плитах большого размера; в – обращенных
вниз
28
На основе этих исследований можно представить схему тепловой струи,
возникающей над нагретым горизонтальным источником, обращенным вверх (рис.
1.8).
По данной схеме в тепловой струе можно выделить четыре зоны: I –
пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположенного
непосредственно у поверхности нагретой пластины, и основного пограничного слоя;
II – разгонный участок; III – переходный участок; IV –основной участок.
В пограничном ламинарном подслое движение воздуха происходит вдоль
поверхности; вертикальная составляющая скорости ничтожна. Тепло от нагретой
пластины передается воздуху путем теплопроводности, и поэтому здесь наблюдается
значительный перепад температур.
В пределах основного пограничного слоя может быть ламинарное или
турбулентное движение воздуха в зависимости от величины произведения критериев
Грасгофа и Прандтля. При Gr Pr≥l∙106 наблюдается развитое турбулентное
движение.
Нагретый воздух из пограничного слоя поднимается над горячей пластиной
отдельными струйками, а на его место опускается холодный воздух. Толщина
пограничного слоя равна примерно 0,2d. Интенсивность подтекания воздуха в
пограничном слое больше, чем в вышележащей части струи (на единицу высоты
струи).
В разгонном участке в основном проявляются архимедовы силы, и под их
действием скорость движения воздуха непрерывно возрастает, статическое давление
уменьшается, что и приводит к уменьшению сечения струи. В конце разгонного
участка струя имеет наименьшее сечение. Это сечение называют переходным или
сжатым. Сжатое сечение находится на расстоянии примерно 2d от полюса струи.
Максимальная осевая скорость струи наблюдается несколько выше конца
разгонного участка. В пределах этой части струи, а также во всей последующей ее
части происходит подмешивание к ней окружающего воздуха, оказывающего
тормозящее действие на скорость ее подъема.
В переходном участке происходит преобразование начальных поперечных
профилей скоростей и избыточных температур в профили, характерные для
29
основного участка.
Во всех сечениях основного участка наблюдается подобие поперечных
профилей скоростей и избыточных температур.
В переходном и основном участках вместе с подъемными силами действуют и
силы турбулентной вязкости, под действием которых струя непрерывно
расширяется. Угол бокового расширения струи α может быть принят, как и для
приточных свободных струй без принудительного расширения, равным 12°25'.
На формирование тепловых струй большое влияние оказывают условия
подтекания воздуха в зоне I. Например, если поднять пластину и поместить ее на
основание, то условия подтекания воздуха к нагретой поверхности будут другими,
чем для пластины, заделанной заподлицо с плоскостью, и закономерности развития
тепловой струи над таким источником окажутся несколько иными.
В тепловой струе количество движения секундной массы воздуха по высоте не
остается постоянным, а изменяется в связи с появлением подъемной силы.
1.5 Понятие требуемого воздухообмена и основные принципы его
расчета
Вентиляция предназначена для удаления вредностей из помещения путем
создания воздухообмена. Желательно, чтобы эта цель вентиляции обеспечивалась
при минимальных расходах воздуха и, соответственно, минимальных затратах на
обработку воздуха. Поэтому при проектировании вентиляции одной из важнейших
задач является определение минимального воздухообмена, при котором может быть
достигнут требуемый результат с заданным коэффициентом обеспеченности. Этот
минимально требуемый воздухообмен обычно называют просто требуемым
воздухообменом.
Расчет воздухообмена для основных помещений производится для трех
расчетных периодов: теплого (ТП), переходного (ПП) и холодного (ХП). Перед
расчетом составляется расчетная схема помещения.
30
Для расчета воздухообмена необходимо знать лишь условия в помещении и на
его границе: параметры воздуха при выпуске его в помещение, внутри помещения и
при удалении его из помещения, а также количество выделяющихся вредностей.
При расчете воздухообмена предполагается стационарный режим вентиляции,
при котором все выделяющиеся вредности удаляются из помещения вместе с
удаляемым воздухом. При этом не происходит накапливания вредностей в
помещении, и значения концентраций вредностей и температур имеют постоянное
значение, не изменяющееся во времени
С понятием стационарного режима в любой области всегда связано понятие
баланса, то есть равновесия, равенства. Это следует из законов сохранения вещества
и энергии. Применительно к рассматриваемому вопросу можно говорить о балансе
по воздуху и по выделяющимся вредностям.
Баланс по воздуху описывается уравнением
∑G = 0 (1.20)
При этом полагается, что суммирование ведется с учетом знака: приток
воздуха (стрелка на расчетной схеме направлена внутрь помещения) считается
положительной величиной, а вытяжка (стрелка на схеме направлена наружу, из
помещения) считается отрицательной величиной.
Для помещений вспомогательного назначения (санузлы, кладовые, склады,
административные помещения, вестибюли и фойе и др.), в которых тепловой и
воздушный режимы являются типовыми, не производят подробный расчет
выделения вредностей и воздухообменов по вредностям. Для них требуемый
воздухообмен определяется по нормативной кратности.
Кратностью воздухообмена называется отношение объемного расхода
подаваемого или удаляемого воздуха к объему помещения.
К
= L / V
п.
(1.21)
По сути своей кратность воздухообмена – это удельный воздухообмен, то есть
воздухообмен, отнесенный к 1м3 объема помещения.
Иногда говорят, что кратность воздухообмена показывает, сколько раз за час
сменяется воздух в помещении. Однако, это не совсем корректно, так как при подаче
воздуха он не просто вытесняет воздух из помещения, а перемешивается с ним,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]