Тема: Аэродинамические основы организации воздухообмена в помещении

кондиционирование

любого назначения представляет со­бой процесс переноса определенных объемов воздуха, вытекающего

из приточных отверстий. Скорость и направление истечения воздуха из отверстий, форма и количество отверстий, их расположение, а также температура воздуха в струе определяют характер воздушных потоков в помещении.
Приточные струи взаимодействуют между собой, с тепло­выми струями, возникающими около нагретых поверхностей, и с пото­ками воздуха, образующимися вблизи вытяжных отверстий.

при набегании на них потоков воздуха оказывают существенное влияние на

скорость и направление их дальнейшего распространения. Кроме того, в производственных по­мещениях на скорость и направление движения воздуха большое влия­ние могут оказывать действие различных механизмов технологического оборудования, а также струи, истекающие из отверстий или неплотно­стей оборудования, находящегося под избыточным давлением.

в воздух вредные выделения (конвективное тепло, пары, газы и пыль)

и формируют в объеме воздуха помещения поля скоростей, температур и концентраций.

«В распространении вреднос­тей по помещению струям, иначе говоря, турбулентной диффузии (в противоположность молекулярной диффузии) принадлежит решаю­щая роль».

При распределении приточного воздуха в вентилируемом помеще­нии необходимо учитывать все особенности распространения приточ­ных струй, с тем чтобы в рабочей или обслуживаемой зоне помещения обеспечить требуемые параметры воздуха: температуру, подвижность и допустимые концентрации вредных выделений (включая влажность).

до настоящего времени.
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 турбулентны.
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.

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.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой- либо плоскости ограждения помещения (например, потолка), парал­лельно этой плоскости, будет настилаться на нее. Такую струю называ­ют настилающейся.

векторами скоростей истечения; 2 — с векторами скоро­стей истечения, составляющими

между собой некоторый угол.
Геометрическая форма приточного насадка определяет форму и закономерности развития истекающей из него струи. По форме разли­чают струи компактные, плоские и кольцевые

прямоугольных отверстий
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. Струя, истекающая из щели с соизмеримым соот­ношением сторон, не остается плоской, а постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную и на некотором расстоянии в круглую.
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 насадка расширяются.

на рис. IX.2. Воздух, вытекая из отверстия, образует струю с

криволинейными границами ABC и DEF, которые приближенно могут быть заменены прямыми АВ, ВС, DE и EF.

Сечение BE называют переходным сечением.
Границы основного участка струи ВС

и EF при их продолжении пересекаются в точке М, называемой полюсом струи. Положение полюса точно не установлено. Известно только, что при равномерном начальном поле скоростей точка М находится примерно в центре выходного отверстия.

перемещением частиц. Частицы воздуха, совершая кроме поступательного движения вдоль потока

поперечные перемещения в составе вихревых масс, вовлекают в поток частицы окружающего воздуха, которые тормозят периферийные слои струи. В результате масса струи растет, площадь ее поперечного сечения увеличивается, а скорость уменьшается.
Перенос вихревых масс, обусловливающий изменение скоростей в струе, обусловливает также распределение в струе концентраций и температур (для неизотермических струй).
По внешнему периметру струи из заторможенных частиц потока и из частиц воздуха, вовлеченных в поток, образуется пограничный слой.

критерий Архимеда по абсолютному значению меньше 0,0005 (Ar

сил сказывается незначительно, и такие струи развиваются в пространстве без заметного искривления.

решеткой, при соосном подводе воздуха представлена на рис. IX.12. При

выпуске воз­духа через решетку отдельные струйки после поджатия в сечении I—I начинают расширяться, смешиваясь с окружающим воздухом. В сечении II—II они сливаются, в сечении III—III формируются в сплошной поток. Промежуток между сечениями I—I и III—III называют участком фор­мирования; за ним следует начальный участок и далее основной учас­ток с уменьшающимися скоростями.

как здесь происходит увеличение скорости и, следовательно, динамического давления, а

в конце участка сравни­тельно быстро поднимается до положительного и постепенно вырав­нивается с давлением окружающей среды.
В плоских квадратных решетках длина участка формирования при­близительно равна стороне решетки. Площадь сформировавшейся струи на 20—30% больше площади решетки. Угол расширения струи 16—18°.
Расчетные формулы для основных параметров струи приводятся в работе М. И. Гримитлина. Во все расчетные величины входит коэф­фициент живого сечения решетки, поскольку оно оказывает большое влияние на формирование струи.

ней и настилает­ся на нее.
При угле между плоскостью и осью

струи α = 90° растекание струи происходит равномерно во все стороны. С уменьшением угла α до 45° большая часть струи будет направлена в сторону более плавного по­ворота, а при α = 22°30' вся струя течет только в одну сторону. Это яв­ление растекания струи, направленной на плоскость, изображено на рис. IX. 13.

струи, так же 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 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.

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.

зависит от положения плиты и ее размеров. Когда нагретая поверхность

обращена вверх, движение происходит по схеме рис. IX. 16, а. 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. IX. 16, б). Когда нагре­тая поверхность обращена вниз, движение воздуха происходит по схеме рис. IX.16, в. В этом случае по нагретой поверхности движется лишь тонкий слой воздуха, замещаемый встречным потоком, расположенным ниже.

приведена на рис. IX. 17.
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.

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 основного участка.
Во всех сечениях основного участка наблюдается подобие попереч­ных профилей скоростей и избыточных температур.

помещение, в по­давляющем большинстве случаев бывают стеснены плоскостями ограж­дений помещения.

На

рис. IX. 18 представлена схема струи, истекающей в тупик. В по­мещении образуется прямой поток воздуха, создаваемый истечением из насадка, и обратный поток, направленный навстречу прямому. В начале, пока площадь поперечного сечения струи Fстр мала по сравнению с пло­щадью поперечного сечения помещения Fп, струя развивается как сво­бодная. Начиная с сечения, где Fстр = (0,2—0,25)Fп (его называют пер­вым критическим сечением), струя начинает вести себя отлично от сво­бодной: замедляется прирост площади поперечного сечения струи и рас­ход воздуха в ней, уменьшается количество движения. После того как площадь поперечного сечения струи достигнет 40—42% площади по­перечного сечения помещения (второе критическое сечение), струя на­чинает угасать: резко уменьшается количество движения, начинают уменьшаться расход воздуха в струе, поперечное сечение и осевая скорость.

и около приточных отверстий совершенно различна. При всасывании воздух подтекает

к от­верстию со всех сторон, а при нагнетании он истекает из отверстия в виде струи с углом раскрытия примерно 25° (рис. IX. 19).

количество воздуха L. Воздух к точке, очевидно, подте­кает из всего

окружающего пространства по радиусам (рис. IX.20), являющимися линиями тока. Через сферические поверхности радиусом r в единицу времени будет протекать (стекаться к точке) та­кое же количество воздуха, какое удаляется через точку, т. е. L. Сфе­рические поверхности F1, F2,..., Fn будут поверхностями равных скоро­стей υ1, υ2, ..., υn. Расход воздуха через точку можно представить через расходы на сферических поверхностях:
Или
отсюда

т. е. при точечном стоке воздуха скорости изменяются обратно пропор­ционально квадратам радиусов.

для подачи воздуха в помещение и для удаления его, необходимо

выяснить влияние взаимного расположения этих отверстий на движение воздуха в помещении.
При рассмотрении свободной струи установлено, что количество воздуха в струе непрерывно увеличивается по мере удаления рассматриваемых сечений от приточного отверстия, а подтекание воздуха из окружающего пространства происходит по всей длине струи и охватывает некоторый контур «замкнутой системы»