Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы обеспечения комфортных условий труда. Учебное пособие
.pdf
Присоединение окружающего воздуха вызывает
торможение конвективного потока и снижение его
температуры. При этом ни количество движения, ни
количество теплоты, проводимые конвективной струей через
поперечные сечения, не уменьшаются. Действующая вверх
архимедова сила увеличивает общий импульс конвективного
потока. Что касается избыточной теплоты, то она остается
приблизительно одинаковой во всех поперечных сечениях и
равной конвективной теплоотдаче источника.
Конвективную струю, поднимающуюся над нагретым
телом, условно можно разделить на три зоны (рис.4.1).
Первая зона расположена непосредственно у нагретой
поверхности - это пограничный участок, состоящий из
ламинарного подслоя, расположенного непосредственно у
нагретой пластины, и основного пограничного слоя. Высота
этой зоны составляет приблизительно 0,2D (D - диаметр
источника или меньшая сторона прямоугольной пластины).
Вторая зона - участок разгона струи, где наблюдается
некоторое сужение струи в результате слияния отдельных
струек и их ускоренного движения. Высота участка - до 2 D.
Третья зона называется основным участком. Она
характеризуется сформировавшимися профилями скоростей и
температур. В [23] предлагается выделить перед основным
участком переходный, на котором поперечные профили
скоростей и избыточных температур преобразуются в
профили, характерные для основного участка струи.
К одним из первых теоретических работ по конвективным
струям относятся теоретические исследования Л. Прандтля
[13]. На основе уравнения движения для центральной струйки
нагретого факела были составлены пропорциональные
зависимости и решены совместно с выражением постоянства
теплосодержания для осесимметричной (круглой) струи. В
результате были получены общие пропорциональности для
основных параметров турбулентной и ламинарной струй.
21
В производственных условиях преобладают турбулентные
тепловые струи, поэтому рассмотрим только зависимости,
характерные для них. Л. Прандтль получил, что
Lк ~ z
5/3 Q1/3
, (4.1)
где Lк - расход воздуха в струе, z - высота над источником
тепла (полюсом струи), Q - теплосодержание струи.
Следовательно, можно написать, что
5/3Q 1/3
(4.2)
где С
Lк = C2 z
- коэффициент пропорциональности.
2
В [7] отмечается, что данная зависимость может быть
признана справедливой только для начального участка
конвективной струи над плитой. По мере поднятия
конвекционного потока эти закономерности уступают место
закономерностям, характерным для ламинарного факела
(изотермической струи), т.е. Lк ~ z Q
1/2
.
В дальнейших исследованиях именно закономерности,
полученные Л.Прандтлем для турбулентной струи,
принимались за основу. Коэффициент пропорциональности С
(его размерность - м
4/3
/ (Вт
1/3
ч)) в результате теоретических и
2
экспериментальных исследований неоднократно уточнялся для
разных участков струи.
В [23] на основе поставленных опытов, а также обработки
опытных данных других исследователей были
экспериментально подтверждены эти зависимости и получены
коэффициенты пропорциональности для различных участков
конвективной струи.
22
‘’Шейка’’
0,8D
Зона ///
1.4D-2D
0.8D
Граница струи
Зона //
0,2D
Зона /
Источник тепла
D
Полюс струи
Рисунок 4.1. Развитие конвективной струи над источником
теплоты
Для пограничного слоя было определено, что вследствие
диффузионного эффекта при снижении скоростей отдельных
струек над поверхностью нагретой пластины наблюдается
разрежение, что вызывает интенсивное поступление воздуха к
пластине. Количество воздуха [30], подтекающего в пределах
пограничного слоя к круглой пластине, заделанной заподлицо
с плоскостью, составляет (м
3
/ч)
Lк = 32,5 d
5/3 Q 1/3
, (4.3)
где d - диаметр пластины, м;
Q - конвективная теплота, выделяемая пластиной, Вт.
23
Над пограничным слоем находится разгонный участок,
являющийся первым участком тепловой струи как струйного
течения.
Количество воздуха в тепловой струе на ее разгонном
участке определяется [23] по формуле (м3/ч)
Lк = 1,16 [89 (z/d)
5/3
- 72] d
5/3 Q1/3
, (4.4)
где z - расстояние от полюса струи до рассматриваемой точки,
м.
Эта формула применима в пределах 1,2 z/d 3,2.
Основной участок тепловой струи начинается на высоте
примерно шести диаметров пластины. Относительно него
было установлено, что на коэффициент пропорциональности, а
также на глубину расположения полюса струи существенно
влияют форма и расположение источника тепловыделений. В
зависимости от этих факторов условия подтекания воздуха к
источнику тепловыделений будут различные. Тепловая струя,
образующаяся у нагретой пластины, расположенной на
основании, при том же количестве выделяющейся
конвективной теплоты имеет скорости и расходы воздуха
больше, а избыточные температуры меньше по сравнению со
струей, образующейся над пластиной, заделанной заподлицо с
плоскостью. Таким образом, были получены следующие
формулы [23]: для нагретой пластины, заделанной заподлицо с
плоскостью, расход воздуха составляет (м
3
/ч)
Lк = 18,4Q
1/3 z5/3
; (4.5)
для нагретой пластины, установленной на основании
L к = 21,2 Q
1/3 z5/3
. (4.6)
Формулами для основного участка тепловой струи можно
24
пользоваться с некоторым приближением и для
переходного участка (3,2 z/d 6).
В [22] выведены теоретические зависимости для
основного участка тепловых струй, исходя из тех же общих
положений - постоянства конвективных тепловыделений в
струе и равенства приращений количества движения и
подъемной силы - и используя закономерности распределения
скоростей и избыточных температур в поперечном сечении.
Профиль скоростей в поперечном сечении конвективной струи
был принят таким же, как для свободной изотермической
струи. Расход воздуха в тепловой струе (м
3
/ч) [22]:
Lк = 198Q
1/3 z1/3
. (4.7)
При выводе расчетных зависимостей считалось, что полюс
струи расположен на уровне нагретой поверхности, что
соответствует тепловой струе от мощных источников
тепловыделений малых размеров (приближающихся к
точечным источникам). По формулам [22] можно рассчитать
участки струи, удаленные от источника тепловыделений более,
чем на шесть калибров, для которых нет экспериментальных
данных.
На основании зависимостей, позволяющих рассчитать
расход воздуха в конвективной струе, экспериментальным
путем были получены формулы, с помощью которых можно
определить производительность местных отсосов от
теплогазовыделяющего оборудования.
В [17] для часового количества воздуха, подтекающего к
местному отсосу (зонту) с конвективной струей, возникающей
над тепловым источником круглой или прямоугольной формы
(а/в1,5), дана следующая формула (м3/ч):
Lк = 63,7 (Q h F
2)1/3
, (4.8)
и
где h - расстояние от поверхности до воздухоприемного
25
сечения зонта, м;
Fи- площадь источника, м2.
Для расчета производительности местных отсосов
предлагаются зависимости либо в виде формулы (3.1), либо в
виде формулы:
L
= C3 Q
отс.
где С
- коэффициент пропорциональности, представляющий
3
собой совокупность коэффициентов С
1/3 z5/3
и С2.
1
, (4.9)
Коэффициент С
не остается постоянным, а зависит от
3
типа местного отсоса и взаимного расположения
воздухоприемника и источника вредностей, а сама формула
претерпевает некоторые изменения и уточнения.
В [11] сравниваются формулы, приведенные в [22] и [23,
24], с опытными данными и сделан вывод, что для расчета
конвективных струй применительно к местной вытяжной
вентиляции следует пользоваться формулами, полученными в
[23, 24], так как рабочее сечение местных отсосов следует
располагать на разгонном участке струи на расстоянии от
источника тепловыделений до 0,8D [11, 21]. Это гарантирует
эффективное улавливание вредностей, в противном случае в
спектр всасывания поступает воздух производственного
помещения, и вытяжные устройства начинают работать как
общеобменная вентиляция.
В [11] расход воздуха (м
3
/ч) на локализующее устройство
при устойчивой конвективной струе от теплогазоисточника
определяется по формулам :
при компактном источнике:
экв
5/3 Q1/3
, (4.10)
где d
L
= C3 d
отс.
- эквивалентный диаметр источника, м;
экв
Q - конвективная теплоотдача источника, Вт;
26
при источнике большой длины:
L
отс
= C3 b
4/3 Q1/3
, (4.11)
где b- ширина источника, м.
Коэффициенты С
найдены по результатам проведения
3
экспериментов в виде: при компактном источнике:
С
= А h/d
3
+ В; (4.12)
экв
при источнике большой длины:
С
= А h/b+ В , (4.13)
3
где А и В – численные значения, зависящие от места
расположения местного отсоса (нижний, боковой, верхний) и
от размеров источника;
h - высота расположения местного отсоса над источником, м.
В [11] отмечено, что по результатам эксперимента при
полной локализации конвективных струй, несущих вредные
вещества, газы в помещение не попадают (вывод сделан при
видимом полном улавливании задымленной конвективной
струи, при одновременном измерении температуры и анализа
воздушной среды на содержание паров толуола, аммиака и
углекислого газа на внешней границе струи); скорость
движения воздуха в производственном помещении снижает
эффективность только вытяжного зонта; в конвективной струе,
образующейся над технологическим оборудованием, вредные
газы (с молекулярной массой, отличающейся от молекулярной
массы воздуха), как правило, присутствуют в таком
количестве, что практически не влияют на значение осевой
скорости конвективной струи (на объем удаляемого воздуха
при локализации вредностей).
27
В [17] расчет производительности местного отсоса от
теплогазоисточников производится как по формуле (4.1), так и
по формуле (4.9).
Для вытяжного зонта:
L
= Lк F
отс
/Fи , (4.14)
отс
где Lк вычисляется по формуле (4.8),
F
– площадь зонта, м2 ;
отс
при z 2,8 F
1/2
принимается F
и
= 1,5 Fи.
отс
Наличие газовыделений учитывается следующим образом:
определяется их весовой расход:
G
пост
= 3600
Fи ( 2g /
в
p)
в
1/2
, (4.15)
где - коэффициент расхода, 0,65;
p - избыточное давление, под которым выходят газы
(принимается по данным технологов, достигает 0,25 кг/м2);
- плотность, кг/м3.
в
Расход воздуха должен быть достаточным для удаления
Gуд 1,5 G
пост
.
Для бокового отсоса, удаляющего увлекаемые тепловыми
струями вредные вещества, (м
3
/ч):
L
отс
= C3 Q
1/3
(H+B)
5/3
, (4.16)
где H - расстояние по вертикали от верхней плоскости
источника до центра всасывающего отверстия, м;
B - ширина источника, м;
С
зависит от конструкции отсоса (с ограждающим экраном
3
или без него) и его расположения относительно источника
тепловыделений.
Кроме этого указано, что для уменьшения влияния
28
подвижности воздуха в помещении на работу местных
вытяжных устройств рекомендуется устраивать откидные
фартуки у зонтов и экраны у боковых отсосов.
Таким образом, в рассмотренных методах расчета,
наиболее часто применяемых на практике, либо вообще не
учитывается подвижность воздуха в помещении и наличие
газовой составляющей, в предположении, что средние по
расходу избыточные температуры и концентрации изменяются
одинаково, тепловыделения и газовые примеси переносятся в
равной степени, либо это делается чисто механически, без
серьезной проработки физической сущности вопроса.
5. Теория турбулентности и турбулентной диффузии
Потоки воздуха, образующиеся при вентиляции
помещений, характеризуются высокой степенью
турбулентности, влияние которой на распределение
концентрации газовых примесей нельзя не учитывать.
Теоретические методы расчета поля концентраций с учетом
турбулентной диффузии вредных веществ весьма
немногочисленны и были сделаны для наиболее простых
случаев движения в воздуховодах. В реальных условиях нужно
рассматривать турбулентную диффузию в трехмерном
пространстве.
Все течения жидкостей и газов делятся на два резко
различных типа: спокойные и плавные течения, называемые
ламинарными, и их противоположность - так называемые
турбулентные течения, обладающие вихревой структурой, при
которых скорость, давление, температура и другие
гидродинамические величины беспорядочно пульсируют,
крайне нерегулярно изменяясь в пространстве и во времени.
течения обладают гораздо большей возможностью
передавать количество движения, теплоту и пассивные
примеси, распространять химические реакции, переносить
29
взвешенные частицы. Ламинарные течения представляют
собой лишь довольно редкое исключение, подавляющее
большинство реально встречающихся в природе и технике
течений является именно турбулентными.
Теория турбулентности появилась вместе с работами О.
Рейнольдса в самом конце 19 века, хотя существование двух
резко различающихся типов течений, называемых в настоящее
время ламинарными и турбулентными, было замечено
значительно раньше. Основное внимание было уделено
условиям, при которых ламинарное течение жидкости в трубах
превращается в турбулентное, и установлен общий критерий
динамического подобия течений вязкой несжимаемой
жидкости - так называемое число Рейнольдса:
Re=Vl/, (5.1)
где V - характерный масштаб скорости в рассматриваемом
течении;
l – характерный масштаб длины в рассматриваемом течении;
- кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Чем меньше значения Re, тем отчетливее выражено
преобладающее влияние сил трения. Течения с достаточно
малыми значениями числа Рейнольдса будут устойчиво
ламинарными, так как любое возмущение, проникающее в
поток, локализуется и уничтожается. При некотором значении
Re, которое принято называть критическим (для прямой
круглой трубы Reкр=2300 [8], ламинарный режим теряет
устойчивость - создаются условия, благоприятствующие
переходу к турбулентной форме течения. Достаточно
большим значениям Re отвечает область развитого
турбулентного течения.
Теория турбулентности по самому своему существу не
может не быть статистической, поскольку индивидуальное
описание полей скорости, давления, температуры и других
характеристик турбулентного течения принципиально
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]