СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИХ РАСЧЕТА
Новиков Эдуард Валерьевич, канд. техн. наук, доцент
ГОУ ВПО Костромской государственный технологический университет
Аннотация.
Представлен опыт Костромского государственного технологического университета в исследовании воздухораспределителей различных конструкций.Описана программа расчета воздухораспределителей для систем вытяжной, приточной вентиляции и сушильной техники.
Воздухораспределители (раздаточные воздуховоды) широко применяются для удаления воздуха в приточной, приточно-отопительной вентиляции и достаточно эффективны для конвективной сушки различных материалов.
При разработке воздухораспределителей необходимо определить их форму и размеры, а также размеры, форму и количество выпускающих окон. Очень важно, чтобы эти характеристики обеспечивали равномерную раздачу воздуха из окон воздухораспределителей.
У нас возникла практическая задача, заключающаяся в том, чтобы обеспечить равномерную раздачу воздуха в сушильной камере разрабатываемой конвективной сушильной машины. Для ее решения сначала был проведен обзор тематической литературы. В результате были отобраны два литературных источника [1, 2], наиболее близко подходящих к рассматриваемой теме. Они достаточно полно отражают теорию воздухораспределения и возможные конструкции воздухораспределителей. Несмотря на то, что мы воспользовались упомянутыми источниками, для разработки воздухораспределителя представленных в указанной литературе данных оказалось недостаточно, поэтому на специально смонтированной экспериментальной установке нами проводились эксперименты, в которых изучались два вида (варианта) воздухораспределителей.
1-й вариант воздухораспределителя почти постоянного сечения (рис. 1а). Общая длина воздуховода 4 м, начальное его сечение 0,31?0,31 м, конечное сечение 0,26?0,26 м. Он имеет 3 раздающих окна с размерами 0,37?0,1 м (длина?ширина), расстояние между окнами 1 м, торец воздухораспределителя заглушен, воздух выпускается вниз.
В силу специфики процесса сушки было необходимо выяснить, как влияет длина раздающих окон на равномерность воздухораспределения, чтобы в дальнейшем определить ее рациональное значение. Для этого при прочих равных условиях исследований длина окон изменялась с помощью заслонок.
Для визуального наблюдения за истечением струи воздуха из каждого окна были использованы узкие ленточки (рис. 1а), которые помещались в окна, измерялся угол отклонения ленточек от вертикали ? (рис. 2).
Рис. 2. Схема истечения воздушной струи из раздающих окон
1 – воздуховод; 2 – раздающее окно; 3 – объект
Кроме того, определялись другие параметры воздуха: скорость воздуха внутри воздухораспределителя ?в, начальная скорость истечения воздуха из окна ?о, осевая скорость истечения воздуха из окна по оси струи ?ос, расстояние воздухораспределителя (окна) до объекта Х (рис. 2).
Наблюдения за ленточками, установленными в окнах с размерами 0,37?0,1 м (рис. 1а), показали, что наибольшее их отклонение от вертикали наблюдалось во втором окне, поэтому скорость истечения воздуха из второго окна будет больше, чем скорость истечения из первого и третьего. Это подтверждают и значения замеренных скоростей воздуха.
Замечено также, что ленточки в первой трети длины окна отклонялись от вертикали на угол a = 50 ° (рис. 2, точка а), а в последней трети окон (рис. 2, точка б), этот угол составляет 20°, что в принципе подтверждает положения работы [1].
Рассматривая поведение ленточек при удалении их от плоскости окон, можно отметить, что на расстоянии 0,1–0,3 м от окна по оси струи они занимают устойчивое положение, и параллельны друг к другу, но на расстоянии 0,5 м они приближаются друг к другу, наблюдаются хаотичные их колебания. При небольших скоростях воздуха аналогичное явление наблюдалось уже на расстоянии 0,7 м от центра окна по оси струи.
При уменьшении длины окна с 0,37 м до 0,18 м при неизменной его ширине все ленточки отклонялись от вертикали примерно на один и тот же угол, а хаотичное их колебание начиналось на расстоянии 1 м от отверстия по оси струи.
На основании наблюдений можно ожидать, что при меньшей длине окон должна быть более равномерная раздача воздуха.
Следующим этапом исследований являлось проверка этого вывода, для чего изготовлен второй вариант воздухораспределителя с меньшей длиной раздаточных окон, применение которого должно было обеспечить более равномерную раздачу воздуха.
2-й вариант воздухораспределителя (рис. 1б) переменного сечения. Клиновидный с начальным сечением 0,26?0,26 м, конечным сечением 0,26?0,06 м, торец заглушен, общая длина 4,5 м. В нижней стенке имеются 12 раздаточных окон, каждое размером 0,2?0,07 м (длина их снижена в сравнении с воздухораспределителем по варианту 1), расстояние между окнами 0,3 м.
Проведено экспериментальное исследование описанных воздухораспределителей, в котором определялись различные параметры воздуха при истечении струи (рис. 2). Отметим, что первоначально второй вариант воздухораспределителя не имел козырьков (рис. 1б).
Характеристикой, определяющей степень равномерности выхода воздушных струй из окон воздухораспределителя, является показатель равномерности раздачи воздуха, который определяется по формуле из [1] и по нормам не должен превышать 10 %.
, (1)
гдеuос(mах), uос(min), uос(ср) – максимальная, минимальная и средняя осевая скорость воздуха по оси струи при расстоянии окна Х=0 .
Исследования представленных воздухораспределителей показали, что второй вариант воздухораспределителя (рис. 1б) обеспечивает равномерную (нормированную) раздачу воздуха.
Используя большой объем экспериментальных данных, после их обработки в ППП «STATISTICA», получены уравнения регрессии, позволяющие определять осевую скорость истечения воздуха по оси струи ?ос в зависимости от различных параметров:
для 1-го варианта воздухораспределителя (рис. 1а):
; (2)
для 2-го варианта воздухораспределителя (рис. 1б):
, (3)
где Х – расстояние окон (отверстий) до объекта, м;
?о– начальная скорость истечения воздуха из каждого отверстия, м/с.
Третий этап нашей работы заключался в определении значений скорости воздуха на определенном расстоянии от объекта в процессе конвективной сушки. Эта скорость при подаче агента сушки сверху вниз (рис. 2) будет зависеть от высоты расположения воздухораспределителя над материалом (над объектом). Так как нами уже определен рациональный воздухораспределитель (рис. 1б), то в конце каждого окна были установлены козырьки. Согласно [1], козырьки необходимы для того, чтобы воздух выходил из окна в материал под прямым углом, т. е. при a = 0° (рис. 2).
В итоге исследований получена зависимость осевой скорости воздуха uос от расстояния до объекта Х ипроизводительности вентилятораVвен (рис. 3), которая имеет характер, близкий к линейному. Исходя из этого для прогнозирования осевой скорости воздуха и подбора оптимального расстояния воздухораспределителя до объекта (с 12 окнами) получено следующее уравнение регрессии:
, (4)
где Vвен – производительность вентилятора, м3/с.
После определения параметров и условий работы воздухораспределителя необходимо окончательно определить его размеры под конкретный проект. Методики такого расчета для различных форм воздухораспределителей хорошо описаны в [1, 2].
uос,
м/с
X, м
Рис. 3. Зависимость осевой скорости воздуха от расстояния до объекта
Ручной расчет предусматривает применение множества формул и необходимость повторения расчетов (метод перебора). Очевидно, что для этого требуется много времени. Для облегчения и ускорения расчета воздухораспределителей разработана программа для ЭВМ «Воздуховод». Она позволяет рассчитывать клиновидные, конусные воздухораспределители, воздухораспределители постоянного сечения с продольной щелью постоянной и переменной ширины, а также с окнами (отверстиями) различной площади. Стартовое окно и окно вывода результатов расчета представлено на рис. 4.
Результатами расчета являются следующие данные: максимальная, средняя и минимальная скорость истечения воздуха из окон, скорость воздуха в начале воздухораспределителя, размеры окон (отверстий), сопротивление воздухораспределителя и др.
На основании проведенной научно-исследовательской и конструкторской работы определена конструкция воздухораспределителя, обеспечивающего равномерное распределение воздуха по всем окнам при обязательном условии – чтобы воздух выходил из раздаточных окон под прямым углом.
а
б
Рис. 4. Стартовое (а) и окно вывода результатов (б) расчета воздухораспределителя
Выводы
1. Для равномерной раздачи воздуха следует применять воздухораспределители переменного сечения, например, клиновидный воздуховод с поперечными окнами (отверстиями). С уменьшением длины раздаточных окон равномерность воздухораспределения возрастает, а воздухораспределители, применяемые в сушильной технике для придания струям перпендикулярного направления в конце каждого отверстия должны снабжаться козырьками.
2. Методика определения параметров воздухораспределителя и воздушной приточной струи может быть использована для проектирования эффективных воздухораспределителей и их рационального размещения по отношению к объекту.
3. Получены уравнения, связывающее основные параметры воздуха при раздаче его через поперечные окна воздухораспределителя, которые позволяют подбирать оптимальное расстояние от воздуховода до объекта.
4. Результаты работы могут быть полезны для разработки воздухораспределителей в системах общеобменной вентиляции и конвективных сушильных машинах.
5. Разработана программа для ЭВМ с помощью, которой можно облегчить и ускорить расчет воздухораспределителей.
Литература
1. Талиев В. Н. Аэродинамика вентиляции: Уч. пособие для вузов / В. Н. Талиев. – М., 1979.
2. Посохин В. Н. Аэродинамика вентиляции / В. Н. Посохин. М., 2008.
