Расчет воздушно-тепловых завес на основе нового вида представления экспериментальных данных о тепловых и массовых потерях.
Методы расчета воздушных завес разрабатывались российскими учеными начиная с 1936 г. (Л1). Большое количество работ посвящено расчету воздушных завес на основе определения траектории оси струи воздушной завесы под действием смещающего потока [Л2–Л8]. Критерием шиберирующих свойств завесы являлось условие пересечения осью струи завесы плоскости ворот на расстоянии от выхода из щели завесы равном ширине перекрываемого проема. Или соприкосновение струи с противоположным относительно завесы краем проема со средней скоростью не менее заданной. При этом не учитывался сложный механизм течения в зоне соприкосновения струи завесы с ограждением проема или с противоположной струей при двухсторонней завесе. В работе В. М. Эльтермана [Л9] оценка шиберирующих свойств завесы производится по значению температуры смеси воздуха tс, проникающего через проем при работе завесы. В более общем случае, когда воздушная завеса выполняет роль преграды от проникновения внутрь или наружу каких-либо примесей, оценка шиберирующих свойств производится по концентрации этих примесей. При этом наиболее сложные граничные явления учитываются интегрально на основании предположения, что воздушная струя завесы выполняет роль шибера в проеме. Коэффициент проходного сечения проема μ с таким шибером определяется на основании экспериментальных данных. При расчете значения μ выбираются в зависимости от заранее выбранных значений q — отношения расхода воздуха Gпр, проходящего через проем, к расходу воздуха Gз, подаваемого завесой, Fo — отношения проходного сечения проема — Fпр к проходному сечению щели завесы — Fз и угла выпуска струи завесы β (первоначальный угол отклонения струи завесы от плоскости проема). В первом приближении рекомендуется принимать q=0,6 , 0,7; Fo=20 , 30; β = 30°. Этот и все опубликованные в настоящее время методы расчета воздушных завес не позволяют произвести поверочный расчет — по заданным параметрам проема, помещения, завесы и температур воздуха определить температуру смеси воздуха, поступающего через проем, защищаемый завесой. Кроме того, приводимый в справочной литературе [Л10] массив экспериментальных данных зависимости μ=f (q; Fo) ограничен по значениям q и Fo и применим только для завес с углом выпуска струи завесы равным 30°. В то время как в обороте имеются завесы с углами выпуска не только 30°.
![]() |
Рисунок 4 Схема углов струи завесы |
Затруднения с выполнением поверочного расчета обусловлены в первую очередь формой представления экс-периментальных данных о тепловых и массовых потерях струи завесы — трехмерные зависимости μ=f (q; Fo) и dQ=f (q; Fo) для значения β = 30° [Л9; Л10]. Настоящая работа ставит своей задачей восполнить этот пробел, а также расширить диапазон указанных зависимостей по углу выпуска — β и значениям q и Fo.
На рис. 1–3 [Л11] представлены теплограммы струи воздушной завесы при различных значениях скорости воздуха (ветра), действующей на проем. Из рисунков видно как по мере увеличения скорости ветра — перепада давления воздуха на проеме струя смещается в сторону меньшего давления (помещения).
Такое поведение струи завесы очень упрощенно можно сопоставить с поведением флюгера под действием ветра. Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия газовых потоков, действующих под углом друг к другу [Л12–Л16], показывают, что под действием отклоняющего потока происходит угловое смещение струи, а угол отклонения определяется отношением количества движения исходных струй.
Схематически смещение струи завесы под действием перепада давления на проеме показано на рис. 4 [Л17].
Примем, что тангенс угла α, на который отклоняется струя завесы под действием перепада давления на проеме, равен отношению количества движения отклоняющего потока и струи завесы [16]
N = tg (α)= Fпрρн v2 пр/G3U, (1)
где ρн — плотность наружного воздуха;
vпр — скорость воздуха в проеме под действием перепада давления без завесы; U — скорость воздуха на выходе из щели завесы;
α — угол, на который отклоняется струя завесы под действием перепада давления;
δ — половина угла раскрытия струи;
β — первоначальный угол отклонения струи завесы от плоскости проема;
Из рисунка 1
Y = arctg (l/B) (2);
Y = α — δ — β(3);
Из уравнений 1–3 следует, что, задавшись величиной l/B, можно определить G3 — массовый расход воздуха на выходе из щели завесы; U — скорость воздуха на выходе из щели завесы. При заданных размерах проема и перепаде давления на проеме, угле отклонения от нормали струи завесы в сторону проема — β, проходного сечения щели завесы — F3. В работе [Л17] показано, что на основании обширного экспериментального материала В. М. Эльтермана [Л9] можно получить зависимость относительного расхода воздуха через проем dq и параметра l/B (рис. 5).
где dq = q/qp –1 (4),
qр — отношение расхода воздуха, подаваемого завесой, к количеству воздуха проходящему через проем, когда через проем проходит только струя завесы без потерь и дополнений;
qр = 2 qc/(1+ qc); (5)
qc = Gз/G,sub>с = 1,89 Fo–0,5 (6)
Gс — количество воздуха, проходящего через сечение струи завесы, первым соприкасающееся с противоположным от завесы краем проема.
Очевидно, что при работе завесы могут иметь место соотношения dq = q/qp –1 = 0; dq>0; dq<0.
![]() |
Рисунок 5. Зависимость dq=q/(qp-1) от l/B для одно- и двух- сторонних завес по материалам работы [Л9] |
При dq =0 через проем проходит только струя завесы без потерь; при dq>0 часть воздуха из струи завесы попадает наружу; при dq<0 в проем кроме струи завесы попадает наружный воздух.
Как видно из рисунка 5, экспериментальные данные для двухсторонних завес хорошо укладываются в зависимость dq=f (l/B) и приемлемы для односторонних. Такое расхождение можно объяснить краевым эффектом взаимодействия струи в первом случае с симметричной струей, а во втором — с ограждением проема.
Можно принять, что характер взаимодействия струи завесы с ограждением проема у верхних завес при рас-пространении части струи вне помещения (отрицательные значения l/B) ближе к двухсторонним завесам.
На основании зависимостей (1÷7) при известных l/B и Fo можно определить q или для желаемого значения q и, задавшись Fo, — определить l/B или соответствующие параметры завесы.
Основным оценочным показателем работы завесы является tс — температура смеси струи завесы и наружного воздуха, проходящей через проем.
На основании уравнения теплового баланса в соответствии с [Л9]
Tс = (t0–tн) q (1–dQ)+tн (7)
T0 — температура воздуха, выходящего из завесы.
Экспериментальные зависимости dQ от значений q и F0 приведены в работах [Л9], [Л18]. Данные этих работ, преобразованные в соответствии с ранее указанными формулами и обозначениями, представлены на рис. 6.
Полученные зависимости (рис. 5 и 6) позволяют провести проектный и поверочный расчет завесы без применения итераций при широком диапазоне значений — β, q и FOo.
Следует отметить, что вне зависимости от метода расчета должны быть справедливы формулы расхода завесы в м3/ч
Gз=5100 Fпр qμ (ΔP/ρc)0,5; (8)
и температуры смеси воздуха, поступающего в проем в гр. С
tс=tн + (t0 tн)q (1 dQ); (9)
где: ΔP — перепад давления на проеме, Па;
ρc — плотность смеси воздуха, поступающего в проем, кг/м3;
t0 — температура воздуха снаружи и на выходе из завесы соответственно,°C.
Причем значения параметров q, μ и dQ должны соответствовать с необходимой точностью экспериментальным данным В. М. Эльтермана.
![]() |
Рисунок 6. Экспериментальные данные в виде зависимости dQ=f(dq) |
Для оценки результатов расчетов, полученных по предложенному методу, были произведены расчеты оценки точности. Используя заданные значения Gз, исходные данные и вычисленные в процессе расчетов значения q, на основании формулы расхода воздуха (8), определялись значения μ. Поскольку известны параметры q и Fo, по данным работы В. М. Эльтермана [9] и по Cправочнику проектировщика [10] определялись значения μ и сопоставлялись с ранее вычисленными. Используя формулу температуры смеси воздуха, поступающего в проем (9), аналогичное сопоставление проводилось для dQ.
Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблицах.
Исходные данные |
|||||||
Номер примера | 1-1 | 1-2 | 2-1 | 2-2 | 2-3 | 3-1 | |
Высота проема, м | H | 3.6 | 3.6 | 3.4 | 3.4 | 3.4 | 2 |
Ширина проема, м | B | 3.6 | 3.6 | 3 | 3 | 3 | 3 |
Температура в помещении, °С | tв | 18 | 18 | 16 | 16 | 16 | 20 |
Температура наружного воздуха, °С | tн | -20 | -20 | -28 | -28 | -28 | -20 |
Температура воздуха на выходе из завесы, °С | t | 43.5 | 59 | 53 | 52 | 20 | 36 |
Перепад давления на проем, Па | ∆P | 7.64 | 7.64 | 3.66 | 3.66 | 3.66 | 4.64 |
Расположение завесы | Боковая 2-х | Боковая 2-х | верх | Боковая 2-х | верх | верх | |
Расход воздуха завесы, м3/ч | G3 | 24000 | 34000 | 8200 | 18000 | 154000 | 8400 |
F0 | 24.0 | 20.0 | 66.7 | 20.0 | 37.8 | 40.0 |
Результаты расчетов |
|||||||
Номер примера | 1-1 | 1-2 | 2-1 | 2-2 | 2-3 | 3-1 | |
Температура смеси, °С | tcm | 7.0 | 29.0 | -6.0 | 17.0 | -6.0 | 4.0 |
q | 0.410 | 0.650 | 0.290 | 0.630 | 0.600 | 0.490 | |
F0 | 24.0 | 20.0 | 66.7 | 20.0 | 37.8 | 40.0 | |
μ | 0.259 | 0.309 | 0.326 | 0.316 | 0.296 | 0.293 | |
dQ | -0.04 | 0.05 | 0.06 | 0.11 | 0.24 | 0.13 | |
Данные В.М.Эльтермана | |||||||
μ | 0.32 | 0.26 | 0.30 | 0.28 | 0.25 | 0.26 | |
Ош μ/td> | 6 | 9 | 5 | 7 | 9 | 7 | |
dQ | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.1 | |
Ош dQ | -2 | -2.5 | 3 | 0.5 | 2 | 2 | |
Справочник проектировщика | |||||||
μ | 0.36 | 0.306 | 0.29 | 0.314 | 0.29 | 0.292 | |
Ош μ | 0 | 1 | 6 | 1 | 2 | 0 | |
dQ | 0.02 | 0.09 | 0.05 | 0.07 | 0.17 | 0.10 | |
Ош dQ% | -0.5 | -0.5 | 2 | 2 | 3 | 2 |
Как видно из таблиц, наибольшее расхождение в значениях μ при расчете по предложенному методу составляет 9 % в сравнении с данными работы [9] и 6 % в сравнении с данными [10]. Наибольшее расхождение в значениях dQ составляет 3 % в сравнении с данными работ [9] и [10].
Статью подготовил кандидат технических наук М. Е. Дискин
Литература:
- В. В. Батурин, И. А. Шепелев. Воздушные завесы. «Отопление и вентиляция», 1936, № 5
- Г. Н. Абрамович. Теория турбулентных струй. Физматгиз. М: 1960.
- И. А. Шепелев. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. Стройиздат, М: 1950.
- В. В. Батурин. Основы промышленной вентиляции. Профиздат. 1965.
- . Е. Бутаков. Аэродинамика систем промышленной вентиляции. Профиздат. 1949.
- Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес//АВОК. 2003. № 7.
- Круглова Е. С. Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых па-раметров микроклимата в производственных помещениях АПК: автореферат дис. … кандидата технических наук: Челябинск, 2006
- Тюменцев, В. А. Исследование боковой односторонней воздушной завесы без подогрева воздуха: автореферат дис. … кандидата технических наук: Иркутск, 2004
- В. М. Эльтерман. Воздушные завесы. «Машиностроение», М: 1966.
- Справочник проектировщика, Внутренние санитарно-технические устройства, Ч3, Вентиляция и кондицио-нирование воздуха. Кн. 1/В. Н. Богословский, А. И. Пирумов, В. Н. Посохин и др.; Под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера.- 4 е изд. перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1992.
- Теплограммы струи завесы
GEA VNento серии С, полученные по заказу фирмы с помощью тепловизора Либе-рецким машиностроительным институтом (Чехия) и любезно предоставленные фирмой «GEA». - Миткалинный В. И. Струйное движение газов в печах. Металлургиздат, 1961.
- Макаров И. С., Худенко Б. Г. Смешение пересекающихся турбулентных струй. Инженерно- физический журнал, т.
VNNN, № 4, апрель, 1965. - Макаров И. С., Худенко Б. Г. Система плоских турбулентных струй. Инженерно-физический журнал, т. NX, № 2, август, 1965.
- Кириллов В. А., Худенко Б. Г. Расчет направления оси результирующего потока при смешении турбулентных струй. Инженерно-физический журнал, т. NX, № 5, ноябрь, 1965
- Залманзон Л. А. Теория элементов пневмоники. Москва, «Наука», 1969.
- Дискин М. Е. Уточнение метода расчета воздушных завес на основе положений теории турбулентных струй: Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». — М.: МГСУ, 2005.
- Татарчук Г. Т.. Определение температуры воздуха, подаваемого в двухсторонние боковые завесы. — «Водо-снабжение и санитарная техника», № 10, 1964.
Материал взят с сайта; https://hvac-school.ru/biblioteka/proektirovshhiku_materiali/otdelnie_tehnicheskie_reshenija/raschet_vozdushno_teplovih_zaves/
По первому требованию будет удален в течении 24х часов.