W kolejnych kilku artykułach rozważane są przepływowe uwarunkowania skutecznej pracy układów wentylacji miejscowej.
Poprzednio, w cz.1, omówiono procesy transportu zanieczyszczeń pasywnych i ciepła w przepływach powietrza drogą dyfuzji i unoszenia oraz sposoby oceny skuteczności dynamicznej hermetyzacji źródeł szkodliwej emisji (CH&K Nr 12/2006).
W cz. 2, przedstawiono problem wrażliwości efektów działania wentylacji miejscowej na ruch powietrza w pomieszczeniu oraz pożądane cechy tego ruchu w otoczeniu odciągów i w wydzielonych strefach wentylacji miejscowej (CH&K Nr 4/2007).
Część 3 dotyczyła rozwiązań i właściwości przepływowych odciągów miejscowych, w aspekcie ich konstrukcyjnych typów (CH&K Nr 6/2007).
Teraz w cz. 4 i końcowej tej serii - w aspekcie formowania przepływów powietrza omawia się sposoby prognozowania odciągów miejscowych z nawiewem wspomagającym. Szerzej omawia się wpływ rozwiązania nawiewu kołnierzowego na efekt kierunkowy i skuteczność działania odciągu zewnętrznego. 

Sposoby prognozowania odciągów z nawiewem wspomagającym
     Wspomaganie odciągu miejscowego za pomocą strugi nawiewanej ma na celu poprawę jego skuteczności działania przy zastosowaniu środków aerodynamicznych. Stosowane rozwiązania w tym zakresie przedstawiono na przykładach w poprzednim artykule (cz. 3. w CH&K Nr 6/2007).
     Z uwagi na sposób współdziałania wspomagającej strugi nawiewanej ze spływem powietrza odciąganym do ssącego otworu odciągu, można rozróżnić nawiew kołnierzowy i nawiew osłaniający.
     Nawiew kołnierzowy ma formować kształt i poprawiać zasięg efektywnego obszaru spływu odciąganego przez ssawki.
     Nawiew osłaniający ma za zadanie osłanianie słabego spływu odciąganego i rejonu emisji zanieczyszczeń w źródle przed zakłócającym lub rozpraszającym oddziaływaniem ruchu powietrza otaczającego.
     Podczas prognozowania odciągu z nawiewem wspomagającym mamy do czynienia z nakładaniem się działań strugi nawiewanej i spływu odciąganego, a często także osłanianej strugi konwekcyjnej. Przepływy te wpływają wzajemnie na siebie, co skutkuje zmianami ich pól prędkości. Nakładające się w tym procesie zjawiska przepływowe są trudne do prognozowania, zarówno drogą obliczań analitycznych jak i symulacji numerycznych. Są to bowiem z reguły przepływy stymulowane różnorodnymi, przypadkowymi wpływami i w różnym stopniu burzliwe. Praktycznym wyjściem jest tworzenie obliczeniowych modeli inżynierskich oraz takich wytycznych projektowania, które dają projektantowi możliwość tworzenia realnych koncepcji wentylacji.
     Modele inżynierskie w wentylacji mają wspomagać projektowanie złożonych procesów przepływowych, m.in. takich jak przypadki odciągów z nawiewem wspomagającym [5; 9] albo aeracja gorących hal.
     Modele takie opierają się przede wszystkim na badaniach eksperymentalnych, głównie drogą fizykalnego modelowania. Do opisu ich rezultatów korzysta się zwykle z rozwiązań analitycznych, aproksymujących wyniki eksperymentu. Rozwiązania takie, w postaci eksperymentalnych charakterystyk, są zwykle odnoszone do makroskopowych modeli elementów przepływowych. Dla uszczegółowiania i uogólniania wyników korzystne są symulacje numeryczne.
     Brane pod uwagę elementy przepływowe to zazwyczaj:
● Burzliwa struga nawiewana, której pęd jest wymuszany mechanicznie. Obliczenia opierają się na modelach swobodnej burzliwej (izotermicznej lub nieizotermicznej) strugi; modele takie opisują rozkład prędkości osiowej i gaussowski profil prędkości w przekrojach poprzecznych strugi [3];
● Struga konwekcyjna, formująca się nad źródłem ciepła dzięki siłom termicznego wyporu. Opisuje się ją modelem burzliwej strugi konwekcyjnej nad punktowym źródłem ciepła, uzupełnionym danymi eksperymentalnymi [10];
● Spływ odciągany w otoczeniu otworu wywiewnego, charakteryzujący się słabą quasi-izotropową burzliwością.
Obliczenia spływu opierają się na eksperymentalnych równaniach widma zasysania według Dalla Valle i późniejszych autorów; widmo to określane jest za pomocą izotach i linii prądu;
● Przepływy zakłócające i przeciągi jako niekontrolowane przepływy powietrza w pomieszczeniu, generowane przez ruchy urządzeń, oddziaływanie wiatru na budynek, lokalne różnice temperatury powietrza itp. W obliczeniach odciągów są zwykle reprezentowane umownie jako płasko-równolegle przepływy boczne.

     Wytyczne projektowania w zakresie projektów wentylacji - mają przede wszystkim umożliwić projektantowi realne sformułowanie kinetycznych warunków brzegowych dla prognozowanych przepływów powietrza wentylacyjnego, jako warunek początkowy i gwarancja zaprojektowania układu wentylacji, który będzie skutecznie realizował wymagane efekty wentylacji.
     Co to znaczy? Otóż, takie wytyczne projektowania, korzystając z wypracowanych adekwatnych modeli inżynierskich i adekwatnie uszczegółowianych modeli makroskopowych elementów przepływowych (strug, spływów itp.), powinny pozwolić projektantowi dobrać szczegółowo właściwą koncepcję rozdziału powietrza w pomieszczeniu czy sposób dynamicznej hermetyzacji urządzeń. Jest to realne wtedy, gdy wytyczne projektowania są oparte na eksperymencie, zostały zweryfikowane i dostarczają informacji, których projektant samodzielnie nie może określić. Chodzi tu bowiem o szczegółowe ilościowe dobranie do indywidualnych warunków geometrycznych pomieszczenia takich kinetycznych i geometrycznych warunków brzegowych generowania ruchu powietrza wentylacyjnego, aby w określonej strefie pomieszczenia uzyskać wymagany rozkład prędkości, temperatury i stężeń powietrza.
     Przykłady takich wytycznych projektowania odnośnie rozdziału powietrza w pomieszczeniach podane są w [3; 4]. W odniesieniu do dynamicznej hermetyzacji urządzeń mogą one być odnoszone do określonych typów urządzeń. W niniejszym artykule jest to omawiane na przykładach.
     Warto pamiętać, że modele inżynierskie i ich wzory empiryczne zawsze mają swoje uwarunkowania, związane z zakresem eksperymentu, na którym bazują i odnoszą się do pewnego zakresu parametrów kinetycznych i geometrycznych opisywanego procesu [9].
     Spotykane w literaturze metody i wytyczne projektowania trzeba zatem stosować z właściwym zrozumieniem przyjętych w nich uproszczeń i zakresów ważności.

Prognozowanie odciągu z nawiewem kołnierzowym
(...)

Dobór parametrów konstrukcyjnych i kinetycznych odciągu
     Skuteczne funkcjonowanie odciągu z nawiewem kołnierzowym wymaga zastosowania prędkości nawiewania większej od pewnej krytycznej wartości, aby wpływ nawiewu się uwidocznił. Krytyczna wartość prędkości nawiewu związana jest z konstrukcją głowicy odciągu.
     Na kształt powierzchni dzwonowej spływu odciąganego można wpływać przez dobranie kształtu głowicy odciągu oraz przez zmianę stosunku pędów strugi nawiewanej I_i i odciąganej I_o, który określony jest równaniem

     Istnieją wyraźne zakresy korzystnych lub charakterystycznych proporcji parametrów strugi nawiewanej i odciąganej - z uwagi na skutki oddziaływania nawiewu.
     Przy projektowaniu odciągu wstępne przyjęcie pewnej prędkości odciągania jest sprawą wyjściową. Stosunek pędów n można praktycznie zmieniać w szerokich granicach. Istnieje możliwość optymalizacji parametrów odciągu z uwagi na zasięg i obszar jego skutecznego działania oraz opłacalność energetyczną. Dla badanej w pracy [9] konstrukcji odciągu określono, że korzystna wartość stosunku pędów mieści się w granicach: n = 0,75÷0,85. Celowość stosowania wartości n > 1 i ponad-krytycznych powinna być przeanalizowana z uwagi na oczekiwany kształt spływu, wpływ strugi nawiewanej na warunki w pomieszczeniu i opłacalność energetyczną odciągu wspomaganego.
     Gubler i Moser [7] za pomocą numerycznych symulacji pracy odciągu z głowicą kołnierzową, odmienną w stosunku do [9], określili efekty wspomagania odciągu przy zmianach wartości stosunku pędów w granicach od 0 do 20.
     Rys. 4.5. ilustruje wyniki tych badań (na rysunku tym stosunek pędów oznaczono przez I). Zmiany stosunku pędu określają kształt spływu odciąganego, który zmienia się od półkulistego wg Della Valle do zawężonego i wydłużonego. Ustalono korzystny zakres w granicach od 0,8 do 3,0. Natomiast przez dalsze powiększanie stosunku pędów strug, od 3 do 20, widmo spływu ulegało daleko idącemu zawężeniu i wydłużaniu, co może być dogodne tylko w szczególnych przypadkach (patrz rys. 3.9. w cz. 3. CH&K Nr 6/2007).
     Warto zauważyć, że w podanych w [7] szerokich granicach wartości stosunku pędów (0,8 do 3,0) mieści się także korzystny zakres n = 0,75 do 0,85, określony w pracy [9] przy odmiennej wymiarowo głowicy odciągu. Wskazuje to na kryterialne znaczenie stosunku pędu strug wg r. (4.1), co może być pomocne przy projektowaniu odciągów z nawiewem kołnierzowym z głowicami o różnych wymiarach.
     Korzystnej wartości stosunku pędów strug trzeba poszukiwać w powiązaniu z kształtem i wymiarami urządzenia, a zwłaszcza ze stosunkiem średnic kołnierza nawiewnego i otworu ssącego. Takie informacje i dane do warunków brzegowych projektowanego procesu powinny m.in. znajdować się w wytycznych projektowania.

Modele odciągu z nawiewem osłaniającym
Przykład eksperymentalnego modelu inżynierskiego
(...)

Przykład analitycznego modelu inżynierskiego
     Dla obliczania kurtyny powietrznej przy bocznym odciągu nad źródłem silnej strugi konwekcyjnej Bender zaproponował [5] model oparty na wektorowym sumowaniu pędów uczestniczących strug powietrza. Przypadek taki ilustruje rys. 4.7. W modelu tym przyjęto, że nawiewana struga kurtyny powietrznej, skierowana w dół pod kątem ?, może zmienić kierunek wznoszenia się strugi konwekcyjnej i spowodować jej odchylenie ku otworowi bocznego odciągu. W modelu pominięto naprężenia i wpływ dyssypacji w burzliwych strugach. Przyjęto, że na odcinku między otworem nawiewnym kurtyny i wywiewnym odciągu (b na rys. 4.7) pęd strugi nawiewanej nie zmienia się i wynosi:

gdzie:
ρ_i, W_i, A_i, - gęstość nawiewanego powietrza i średnia prędkość wylotowa strugi nawiewanej oraz pole powierzchni otworu nawiewnego.

     Pęd strugi konwekcyjnej, skierowany w górę, oblicza się na poziomie otworu wywiewnego. Wynosi on tam:

gdzie:
ρ_k, W_k, A_k - odpowiednio: gęstość powietrza, średnia prędkość i pole powierzchni przekroju strugi konwekcyjnej na poziomie otworu wywiewnego.

     W modelu przyjęto, że pionowo do góry skierowany pęd strugi konwekcyjnej M_k zostanie zrównoważony przez skierowaną w dół składową pionową pędu Mi strugi nawiewanej. Zatem:

co pozwala określić potrzebną początkową średnią prędkość strugi nawiewanej w nawiązaniu do kąta θ jej odchylenia od poziomu (rys. 4.7.);
 

     W modelu tym przyjęto, że: wydatek wznoszącej się strugi konwekcyjnej (V_k) wyznacza się z r. (4i) według modelu strugi konwekcyjnej nad punktowym źródłem ciepła, a średnią prędkość określa się z wydatku dzieląc Vk przez pole przekroju strugi konwekcyjnej w otworze wywiewnym.

gdzie:
Z - odległość osi bocznego okapu od pozornego (punktowego) źródła ciepła, równa odległości od rzeczywistego źródła + (D/2÷3D/2),
F - parametr strumienia wyporu.

gdzie:
g - przyspieszenie ziemskie,
c_p - ciepło właściwe powietrza,
ρ_w, T_w ^oK, t_w ^oC - gęstość i temperatura powietrza otaczającego,
Q_k - konwekcyjny strumień ciepła ze źródła,
α - współczynnik wnikania ciepła,
A_k, t_k - pole powierzchni i temperatura źródła ciepła.

     Kashdan et al. [5] uzupełnili ten model empirycznym wzorem do obliczenia objętościowego wydatku odciągu V_o w układzie tego prostokątnego odciągu z nawiewem.

gdzie:
V_i - objętościowy wydatek strugi powietrza w otworze nawiewnym kurtyny,
W_i - prędkość strugi powietrza w otworze nawiewnym,
b - odległość otworu nawiewnego od odciągu,
L - długość systemu nawiewnego.

     Przedstawiony model inżynierskich obliczeń Bendera i Kashdana pozwala na określenie parametrów wskazanego odciągu z nawiewem towarzyszącym - ale w dużym przybliżeniu. Model ten dla obliczenia pędów strug powietrza korzysta z makroskopowych modeli swobodnej strugi nawiewanej i konwekcyjnej. Daleko idące założenia upraszczające, zwłaszcza w obliczaniu burzliwej strugi, ilustrują trudności analitycznego rozwiązania złożonego procesu przepływowego, wprowadzają niepewność obliczeń, konieczność ich powtarzania dla optymalizacji wydatków kurtyny V_i i odciągu V₀, a właściwie wymagają eksperymentalnej weryfikacji, np. za pomocą modelowania fizykalnego. 

wydanie 9/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE