گوشههای گردش داکت هوا
راهکارهای پرههای راهنمای با عملکرد بالا برای تونلهای باد، سیستمهای HVAC و کاربردهای صنعتی
مقدمهای بر پرههای راهنما
در حوزه مدیریت جریان هوا، طراحی گوشههای داکت نقش کلیدی در کارایی و عملکرد تهویه، سیستمهای HVAC و تونلهای باد ایفا میکند. هنگامی که هوا مجبور به انجام یک چرخش تند میشود، همانطور که اغلب در کانالکشی مورد نیاز است، با مقاومت هیدرولیکی افزایش یافته مواجه میشود که منجر به افت فشار بالاتر و آشفتگی میگردد. این امر نه تنها با نیاز به انرژی بیشتر برای حفظ جریان هوا، کارایی سیستم را به خطر میاندازد، بلکه به دلیل فشارهای ناهموار اعمال شده توسط جریانهای آشفته، بر یکپارچگی ساختاری کانالکشی نیز تأثیر میگذارد.
اینجاست که پرههای راهنما (turning vanes)، که به عنوان پرههای گوشه یا پرههای هدایتکننده نیز شناخته میشوند، وارد عمل میشوند (شکل ۱). پرههای گوشه داکت که برای نصب در داخل گوشهها طراحی شدهاند، به هوا اجازه میدهند تا با حداقل مقاومت از چرخش عبور کند، و به طور مؤثر افت فشار را کاهش داده و آشفتگی را بدون نیاز به فضای اضافی که خمهای با شعاع نرم میطلبند، تعدیل میکنند. این امر پرههای راهنما را به راهکاری ایدهآل برای مدیریت کارآمد جریان هوا در فضای فشرده تبدیل میکند.
شکل ۱. مجموعه بخش گوشه پره راهنمای Tunnel Tech
بخشهای پره راهنمای با عملکرد بالا در رقابت با راهکارهای عمومی HVAC.
راهکار سنتی برای غلبه بر پدیدههای مضر ذکر شده یعنی افزایش آشفتگی، افت فشار و نویز در یک داکت با انحنای تند، طراحی زانوییهای داکت شعاعی است (شکل ۲ و شکل ۴، مورد ۲). این زانوییها، اگرچه در کاهش برخی از آشفتگیها، نویز و افتهای فشار (که در یک خم تیز همانطور که در شکل ۴، مورد ۱ دیده میشود رایج هستند) مؤثرند، اما مجموعه مشکلات خاص خود را دارند.
چندین کانالکشی تهویه سنتی با چرخش ساخته شده از ورق فلزی با انحنای نرم و هدایتکنندههای جریان خمیده در شکل ۲ در سمت چپ ارائه شده است. تصویر نشاندهنده چند نمونه از انواع استاندارد است که معمولاً در داکتهای HVAC استفاده میشوند، به عنوان مثال مطابق با استانداردهای کانالکشی DW144.
چنین راهکارهای داکتی برای کاربردهای کوچک در مهندسی عمران، کسبوکارهای کوچک و سیستمهای HVAC کمتوان که هزینه انرژی عامل مهمی نیست، رایج و مقرونبهصرفه هستند. با این حال، این طراحی راهکار خوبی برای سیستمهای تهویه و سرمایش در مقیاس متوسط و بزرگ و تولید برق با ظرفیت بالا، متالورژی، توربوماشینها، مبدلهای حرارتی، بازیابی حرارت اتلافی و کاربردهای مدرن انرژی سبز و تجدیدپذیر نیست که در آنها کارایی هیدرولیکی و صرفهجویی در انرژی یک ضرورت است.
با این حال، نیازی نیست هر بار که مصرف انرژی یک شبکه هیدرولیکی نیاز به بهینهسازی کامل دارد، یک داکت سفارشی غیراستاندارد ساخته شود. همان شکل ۲ در سمت راست نوعی از بخش پره راهنمای قطری Tunnel Tech را نشان میدهد که دارای بهرهوری انرژی، نویز کم و آشفتگی پایین است، در حالی که استانداردهای صنعت برای سیستمهای HVAC را برآورده میکند، اما همچنین میتواند در موارد استفاده صنعتی مقیاس بزرگ و توان بالا استفاده شود. نمونهای از یک تأسیسات مقیاس بزرگ که در آن بخش پره راهنمای قطری میتواند به راحتی ادغام شود در شکل ۳ نشان داده شده است.
شکل ۲. زانویی نرم HVAC مقیاس متوسط سنتی با پره جداکننده ساخته شده از ورق فلزی، استاندارد DW144 (در سمت چپ)، و مجموعه قطری پره راهنمای با عملکرد بالا Tunnel Tech برای داکتهای هوای استاندارد (در سمت راست).
شکل ۳. بخشهای چرخش داکت هوای مقیاس بزرگ Tunnel Tech برای تونلهای باد، تولید برق و کاربردهای صنعتی.
طراحی پره راهنما برای افت فشار، آشفتگی و کاهش نویز
برای مقایسه طراحیهای مختلف گوشه چرخش، افتهای فشار (ΔP) و الگوهای جریان شبیهسازی شده با CFD در شکل ۴ در زیر آورده شده است. سرعت جریان هوای ورودی 20 m/s و داکت مربعی ۲×۲ متر به عنوان مثال نمایشی انتخاب شدند. محدوده سرعت 20 m/s برای اهداف نمایشی انتخاب شد، زیرا معمولاً تونلهای باد عمودی حرفهای برای اسکایدایوینگ داخل تونل بیشتر اوقات در حالتهایی کار میکنند که سرعت جریان در بخش چرخشی بین ۱۰ تا ۳۰ متر بر ثانیه متغیر است. محاسبات CFD برای ۱ اتمسفر استاندارد در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد و رطوبت هوای صفر با گاز تراکمپذیر و دیواره آدیاباتیک با زبری ۲۵۰ میکرومتر انجام شد. مشبندی ۶ تا ۱۰ میلیون سلول در هر دامنه استفاده شد. پروفیل ورودی تخت و آشفتگی ۲٪ در مرز ورودی اعمال شد. آشفتگی با استفاده از مدل k-ε پردازش شد.
توجه! لطفاً توجه داشته باشید که تصاویر نشان داده شده در شکل ۴ مثالهای خاصی هستند که صرفاً به منظور نشان دادن اصول عملکرد و مقایسه چند نوع بخش گوشه چرخشی ارائه شدهاند. این موارد نمیتوانند به عنوان یک قاعده کلی برای مطلقاً هر مورد استفادهای تلقی شوند. برای هر سیستم تهویه واقعی یا سایر شبکههای هیدرولیکی، پارامترهای هیدرولیکی خاص، اندازه و شکل داکت، زبری و ناهمواریهای ساختاری، ناهمگنیهای جریان و پارامترهای فیزیکی دقیق گاز باید برای هر نقطه محاسباتی در نظر گرفته شوند. شما میتوانید چنین محاسباتی را برای یک سیستم خاص با تماس با ما سفارش دهید.
موارد طراحی زیر شرح داده شدهاند:
- بخش گوشه بدون پرههای هدایتکننده.
- بخش گوشه با انحنای نرم (r = ½ ارتفاع داکت) با هدایتکنندههای جریان خمیده شعاعی. افت فشار به تعداد و هندسه اسپیسرهای داکت نیز بستگی دارد. مثال با حداقل تعداد صفحات جداکننده جریان با شکل بهینه نشان داده شده است.
- صفحات نازک با انحنای شعاعی ساده (ضخامت ۱۰-۲۰ میلیمتر).
- پرههای راهنمای معمولی و غیربهینه نزدیکترین رقبا.
- پرههای راهنمای Tunnel Tech (TTE-TV) با پروفیل بهینه.
مهمترین مشکل داکتهای با انحنای گرد با تعداد کمی جداکننده صفحهای خمیده ساده (یا بدون پرههای هدایتکننده) الگوی توزیع فشار و سرعت در خروجی بخش چرخش است (شکل ۴، مورد ۲، به مقطع خروجی نگاه کنید). این الگو نشان میدهد که سرعت از دیواره بیرونی به دیواره داخلی هر زیردامنه جریان افزایش مییابد که منجر به جریان غیریکنواخت، آشفتگی زیاد و نویز میشود. هرچه شعاع چرخش کوچکتر باشد، احتمال جدایش جریان، اعوجاج میدان فشار و سرعت، سطح نویز و مقدار افت فشار بیشتر است.
تنها راه غلبه بر این مسائل، شعاع انحنای بزرگ چنین بخش گوشهای و افزایش تعداد پرههای هدایتکننده جریان هوا است. در اینجا مشکل دوم پیش میآید – فضای افزایش یافته مورد نیاز برای جای دادن چنین خمهایی و هزینه مواد چندین اسپیسر شعاعی داکت هوا، که متناسب با سطح مقطع داکت سایز شدهاند. در سیستمهای داکت بزرگ، اجرای خمهای با شعاع نرم میتواند منجر به سازههای غیرمنطقی بزرگ شود که این رویکرد را در بسیاری از سناریوها، به ویژه جایی که فضا محدود است، غیرعملی میسازد. فضای اضافی مورد نیاز با خطوط چیندار در شکل ۴، مورد ۲ در زیر نشان داده شده است. باید ارتفاع و عرض هر چرخش را حداقل به اندازه ½ سایز داکت افزایش داد. برای تونلهای باد بازچرخشی (recirculating)، این به معنای افزایش ابعاد ساختمان به اندازه چندین متر در هر جهت است که منجر به هزینههای بالاتر کانالکشی و سرمایهگذاری اولیه بیشتر میشود. علاوه بر این، هزینه هر تقسیمکننده جریان برابر با دیواره داکت خواهد بود.
شکل ۴. بخشهای گوشه در کانالکشی - مقایسه طراحی و عملکرد
راهکار بهینه برای تونلهای باد و تهویه صنعتی، پرههای چرخشی بخش گردش با پروفیل بال هستند که در امتداد قطر چیده شدهاند، همانطور که در شکل ۴، موارد ۳-۵ نشان داده شده است.
تمامی تصاویر CFD بالا مربوط به بخش گوشه داکت هوا با ورودی 2x2 متر در سرعت جریان هوای 20 m/s هستند، که به عنوان مثال، بیشترین ارتباط را با موارد استفاده در اسکایدایوینگ داخل تونل و تونلهای باد مادون صوت کمسرعت دارد.
شکل ۴ مورد ۳ یک بخش گوشه با پرههای هدایتکننده ساده ساخته شده از ورقهای فلزی خمیده نازک را نشان میدهد. شکل ۴ مورد ۴ بهترین نمونه از پرههای چرخشی موجود از نزدیکترین رقبای TunnelTech است. هر دو دارای طول وتر (chord length) کمتر و شکل ایرفویل غیربهینه هستند که منجر به آنچه به نظر میرسد عدم یکنواختی جریان باقیمانده در خروجی بخش، مقاومت آیرودینامیکی بیشتر و نویز داکت هوا میشود. پرههای نازک ساخته شده از ورقهای فلزی خمیده ساده معمولاً حتی در سرعتهای پایین هوا از سطوح مجاز نویز فراتر میروند، و گزینهای با پروفیل ضخیم و کوتاه با نسبت وتر-به-ضخامت کم نیز سطح مقطع کوچکتری خواهد داشت که در کاربردهایی که از پرههای راهنمای خنکشونده برای انتقال حرارت استفاده میشود، نامطلوب است.
در قسمت پایین شکل ۴ مورد ۵، گوشه داکت هوا مجهز به پرههای راهنمای Tunnel Tech با عملکرد بالا (برای سفارش به شماره قطعه زیر مراجعه کنید: TTE-TV-90) نشان داده شده است. همانطور که از مقاطع عرضی پیداست، جریان در مورد پرههای هدایتکننده با پروفیل مناسب یکنواختتر است که منجر به افت فشار کمتر و آشفتگی پایین میشود.
پروفیل فشار/سرعت هوای خروجی نیز برای بخشهای گوشه Tunnel Tech مجهز به پرههای با وتر بلند (long-chord) بسیار بهتر از سایر موارد است. این امر منجر به کیفیت آیرودینامیکی بیرقیب Tunnel Tech میشود، همانطور که در بررسیهای متعدد توسط اسکایدایورهای حرفهای و سایر مشتریان منعکس شده است.
تمامی دادههای بحث شده در بالا، از جمله طول وتر و گزینههای خنککاری، در <strong>جدول ۱</strong> نیز موجود است.
| مورد / نوع پره | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | طول وتر (mm) | خنککاری |
|---|---|---|---|---|
| ۱. بدون پره، چرخش تیز | 114 | 0.47 | — | خیر |
| ۲. بخش گوشه با انحنای نرم | 41 | 0.17 | > 2000 | خیر |
| ۳. صفحات نازک با انحنای شعاعی ساده | 80 | 0.33 | 250–500 | خیر |
| ۴. پرههای راهنمای نزدیکترین رقبا | 88 | 0.37 | 280 | بله |
| ۵. پرههای راهنمای بهینه Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | بله |
مقادیر ضریب افت هیدرولیکی برای محدوده سرعت تا 100m/s برای بخش چرخش داکت با پرههای TunnelTech و رقبا، بدون تغییر ناشی از انتخاب دادههای اولیه، در شکل ۵ آورده شده است.
جزئیات بیشتر در مورد افتهای هیدرولیکی در طول داکت، مقاومت موضعی و ضریب افت هیدرولیکی کل در زیر آورده شده است.
شکل ۵. مقایسه بخش چرخش Tunnel Tech و رقیب. ضریب افت هیدرولیکی دارسی-ویسباخ برای هندسه و شرایط اولیه محاسباتی یکسان.
کاهش آشفتگی برای محاسبات قابل اعتماد هیدرولیکی و ایمنی سازه
شکل ۶. مقیاس آشفتگی بخش پره گوشه Tunnel Tech (متر) در سرعت 20 m/s
پروفیل فشار/سرعت هموار و قابل پیشبینی به ویژه برای کاربردهایی که آشفتگی بالا یا جدایش جریان قابل قبول نیست، مانند تونلهای باد آزمایشی، تأسیسات اسکایدایوینگ داخل تونل و کاربردهای توان بالا، اهمیت دارد. این پدیدههای مزاحم، و همچنین نوسانات فشار ناشی از جدایش جریان و آشفتگی در مقیاس بزرگ، در تأسیساتی که نیاز به عدم وجود ارتعاشات ناشی از آکوستیک دارند و جایی که هیچ انحراف فشار استاتیکی به دلیل الزامات پایداری ساختاری داکت هوا مجاز نیست، نیز غیرقابل قبول هستند. علاوه بر این، این جریانهای آشفته منبع رایج نویز هستند که عملکرد کلی سیستم و آسایش ارائه شده به کاربران نهایی را کاهش میدهند.
همچنین باید در نظر گرفت که بینظمیهای جریان تمایل به توسعه و تشدید بیشتر دارند، اگر از صافکنندههای مخصوص، هانیکامبها، توریهای کاهش آشفتگی یا سایر دستگاههای مدیریت جریان هوا استفاده نشود [1-3]. تحلیل دقیق دینامیک گاز نیاز به محاسبه مقاومت هر المان بعدی داکت هوا با در نظر گرفتن پروفیل واقعی فشار/سرعت ورودی دارد که در المان قبلی شبکه هیدرولیکی تولید شده است. برای شبکههای هیدرولیکی طولانی، اغلب انجام شبیهسازی CFD کل سیستم به دلیل ابعاد عظیم غیرممکن است. برای چنین وضعیتی، از محاسبات نیمهتجربی تقریبی شامل اعداد بدون بعد سیال و معیارهای هندسی [4] یا نرمافزارهای مبتنی بر چنین روشهایی استفاده میشود. همچنین، مدلسازی FEA برای تعیین پایداری ساختاری داکت معمولاً با یک میدان فشار استاتیک پایدار اعمال شده بر دیوارههای داکت انجام میشود. بنابراین، بینظمیهای شدید جریان که در پاییندست توسعه مییابند نیز میتوانند خطا در بررسیهای حیاتی ایمنی سازههای باربر ایجاد کنند.
روشهای تقریبی معمولاً با اعوجاج پروفیل سرعت در ورودی المان شبکه هیدرولیکی سروکار ندارند و در بهترین حالت در نظر میگیرند که آیا پروفیل توسعهیافته است یا هنوز توسعهنیافته (یکنواخت)، و پارامترهای لایه مرزی را لحاظ میکنند. در تونلهای باد و سیستمهای تهویه صنعتی، هر چرخش جریان میتواند باعث عدم یکنواختی و چرخش شدید جریان (swirl) شود که منجر به عدم قطعیت در محاسبات مقاومت هیدرولیکی در شبکههای هیدرولیکی طولانی میشود. بنابراین، در صورت امکان، باید از ظهور بینظمیهای بزرگ پروفیل سرعت اجتناب کرد.
در شکل ۶ و از موارد نشان داده شده در بالا میتوان دید که پارامترهای بخشهای چرخشی با پرههای راهنمای TunnelTech به گونهای هستند که نه تنها اغتشاشات جریان اضافی ایجاد نمیکنند، بلکه میتوانند برای میرا کردن چرخشها و عدم یکنواختی در پاییندست بخش چرخش نیز استفاده شوند. بنابراین، بخش چرخشی با پرههای TunnelTech میتواند به عنوان یک صافکننده جریان مؤثر عمل کند، اگر بعد از فن محوری، دیفیوزر داکت، مبدل حرارتی، بخش تست، انشعاب یا ورودی به داکت، یا هر شیء تولیدکننده آشفتگی دیگر نصب شود.
ضریب مقاومت موضعی
مشخصات مقاومت موضعی گوشه چرخش میتواند با استفاده از معادله مشهور دارسی-ویسباخ محاسبه شود:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
که در آن:
- ΔP – کل افت فشار (pressure drop) بر حسب پاسکال (Pa)؛
- ξ – ضریب مقاومت موضعی (دارسی-ویسباخ)؛
- ρ – چگالی سیال (kg/m³)؛
- V – سرعت سیال در مقطع ورودی (m/s).
این پارامترها که بهرهوری انرژی داکت هوا را تعیین میکنند، به شدت به طراحی پره راهنما وابسته هستند.
طبق [4] مقاومت کل یک المان هیدرولیکی پیچیده میتواند به صورت مجموع مقاومت اصطکاک طولی ξL و مقاومت موضعی ξ0 نمایش داده شود:
ξSUM = ξL + ξ0
برای یک داکت هوای مستقیم، مقاومت طولی متناسب با طول و معکوس متناسب با قطر هیدرولیکی است که با فرمول زیر بیان میشود:
ξL = (L / D) · f
که در آن f ضریب اصطکاک دارسی است.
در مورد لولههای با شکل ساده (مانند دایره، مربع، ششضلعی)، f میتواند با وابستگی غیرخطی فقط به عدد رینولدز بیان شود – به فصل ۲ در [4] یا https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation مراجعه کنید.
ضریب اصطکاک f برای یک لوله گرد ساده (داکت دایرهای) با دیوارههای صاف، با پروفیل جریان پایدار توسعهیافته در ورودی و برای رژیم آشفته (اعداد رینولدز Re > 4×103) میتواند با فرمول زیر محاسبه شود:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
برای داکتهای واقعی، زبری نیز باید در نظر گرفته شود.
شکل ۷ در زیر نمودار ضریب اصطکاک دارسی در مقابل عدد رینولدز Re را برای زبریهای نسبی مختلف دیواره نشان میدهد که اولین بار توسط نیکورادزه در [5-8] منتشر شد. این نمودار همچنین به عنوان نمودار مودی [9] یا همبستگی کولبروک-وایت [10-11] شناخته میشود. مطالعه مدرن برای لولههای صاف را میتوان در [12] یافت.
این نمودار وابستگی پیچیده f(Re) را برای یک لوله گرد با زبریهای مختلف نشان میدهد. برای لولههای مربعی و سایر لولههای غیردایرهای، نمودار پیچیدهتر خواهد بود. بنابراین، رژیمهای جریان (عدد رینولدز)، شکل داکت و زبری نسبی دیواره باید در نظر گرفته شوند.
شکل ۷. نمودار مودی (یا نیکورادزه)، نشاندهنده ضریب اصطکاک دارسی-ویسباخ fD در مقابل عدد رینولدز Re برای زبریهای نسبی مختلف – نمودار اصلی: S Beck و R Collins، دانشگاه شفیلد، به اشترا ک گذاشته شده تحت CC BY-SA 4.0، wikimedia.org
در مورد داکتهای زبر واقعی، همچنان امکان نمایش مقاومت کل به صورت مجموع ξSUM = ξL + ξ0 از مقاومت طولی و مقاومت موضعی وجود دارد.
این نمایش مجموع، مطالعه پارامترهای داکت را ساده میکند، زیرا مقاومت موضعی ξ0 میتواند برای هندسه المان سادهسازی شده محاسبه شود – برای مثال، در فرمولبندی پریودیک مسئله با دامنه محاسباتی کوچکتر یا در نسخه دوبعدی مسئله. به اندازه عظیم دامنه محاسباتی مثالهای نشان داده شده در شکل ۴ توجه کنید، جایی که بخش دارای ارتفاع ۳ و طول ۱۸ متر است و همگرایی شبکه در اندازهای بیش از ۱۰ میلیون المان مش به طور مناسب ظاهر میشود. یک نوع فرمولبندی مسئله با شرایط پریودیک یا دوبعدی برای این موارد میتواند تعداد المانهای مش را به اندازه یک مرتبه بزرگی کاهش دهد و محاسبه سادهسازی شده هر نقطه سرعت برای نمودار ΔP(v) به جای ساعتها، تنها چند دقیقه یا حتی ثانیه طول میکشد.
بنابراین، تفکیک به مجموع دو مقاومت میتواند محاسبات را به طور قابل توجهی ساده کند – میتوان به سرعت مقاومت موضعی ξ0 را تعیین کرد و سپس مقاومت طولی ξL را اضافه نمود. مورد دوم میتواند به سرعت از جداول شناخته شده یا با فرمولهای تقریبی با استفاده از معادلات سادهسازی شده بر اساس اعداد بدون بعد و پارامترهای هندسی داکت هوا تخمین زده شود. برای المانهای هیدرولیکی و شبکه داکت با تغییرات ناگهانی در جهت جریان (زانوییهای زاویهدار، خمهای نرم، خمها در زوایای مختلف با و بدون پرههای راهنما)، رویکرد و روش مشابهی در فصلهای ۱-۶ و ۲-۶ در کتاب جامع هندبوک مقاومت هیدرولیکی [4] ارائه شده است.
ویژگیهای برجسته محصول
پرههای راهنمای جریان هوای Tunnel Tech (محصول TTE-TV) در خط مقدم این فناوری قرار دارند و کارایی بینظیری در مدیریت جریان هوا ارائه میدهند. محصولات ما برای طیف وسیعی از کاربردها، از تأسیسات اسکایدایوینگ داخل تونل و تونلهای باد گرفته تا سیستمهای HVAC و تهویه، طراحی شدهاند و تجسمی از طراحی آیرودینامیک پیشرفته و بهرهوری انرژی هستند.
عملکرد بخش پره راهنما در داکتهای هوا
پرههای هدایتکننده جریان هوای با عملکرد بالا Tunnel Tech استاندارد صنعت را برای بهرهوری توان و آیرودینامیک تعیین میکنند. پرههای راهنمای صرفهجویی در انرژی ما برای به حداقل رساندن اصطکاک آیرودینامیکی مهندسی شدهاند و جریان هوای روان و کاهش مصرف انرژی را تضمین میکن ند.
پرههای راهنمای TunnelTech دارای مشخصات مقاومت موضعی داکت هوای عالی هستند. پارامترهای مقاومت، که با استفاده از معادله دارسی-ویسباخ محاسبه شدهاند، همانطور که در بالا شرح داده شد، در شکلهای زیر (به شکل ۸ در زیر مراجعه کنید) و در دیتاشیت پره راهنما ارائه شدهاند.
به طور کلی، برای حالتی که اندازه داکت ناشناخته است، مقادیر برای یک المان ایدهآل با شرایط مرزی جانبی پریودیک، بدون در نظر گرفتن سهم مقاومت اضافی دیواره در طول، زبری و تأثیر سایر پارامترهای موضعی داده میشود. در شکل ۸ مقادیر برای یک المان گوشه چرخشی ایدهآل با پرههای Tunnel Tech آورده شده است که در تقریب توالی پریودیک نامحدود ۱۵ پشته تیغه با شرایط مرزی پریودیک محاسبه شده است.
شکل ۸. ضریب مقاومت موضعی پره راهنمای Tunnel Tech و افت فشار مربوطه.
اگر سیستم HVAC یا سایر سیستمهای هیدرولیکی متشکل از داکتهایی باشد که به طور کلی شکل سطح مقطع جریان را در طول مسیر جریان تغییر نمیدهند، مناسب است که مقاومت ویژه در واحد طول را برای محاسبات تقریبی تخمین بزنیم (که البته باید برای کل محدوده سرعت تخمین زده شود):
KL = ξL / L = f / Dh
که در آن Dh قطر هیدرولیکی داکت است. مقدار KL به راحتی از کتابهای مرجع قابل تعیین است، همانطور که در بالا بحث شد. بنابراین، با ضرب این مقدار در طول، و اضافه کردن مقادیر مقاومت موضعی ξ0 به دست آمده از دیتاشیتها یا محاسبه شده به طور مستقل، میتوان به سرعت کل افت فشار در سیستم را تخمین زد.
ξSUM = KL · L + ξ0
مثالهای نمایشی بالا که در شکل ۴ نشان داده شدهاند، یک داکت مربعی ۲×۲ متر با پارامترهای گاز و زبری استفاده شده در محاسبه، دارای مقاومت ویژه در واحد طول از مرتبه K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2.1 Pa است. این مقدار هنگام ارزیابی یک داکت مربعی بدون در نظر گرفتن خمها، پرهها یا سایر تجهیزات داخلی اعمال میشود. برای طول کامل ۲۱ متر که توده هوا در طول داکت طی میکند، افت فشاری حدود ۴۴ پاسکال ایجاد خواهد شد. اضافه کردن مقدار نشان داده شده در شکل ۸ (۱۱ پاسکال برای سرعت 20 m/s که طبق جدول A.2.1 دیتاشیت پره راهنما گرفته شده است) به این مقدار، مقاومت کل ۵۵ پاسکال را برای یک بخش داکت مربعی ۲×۲ واقعی با پرههای چرخشی در آن میدهد. این مقدار توافق خوبی با مقدار نشان داده شده در شکل ۴، مورد ۵ دارد.
اطلاعات بیشتر در مورد روشهای تقریبی محاسبه مقاومت داکت با هر شکلی بدون استفاده از روشهای CFD را میتوان به راحتی در <a href="#references">[4]</a> یا ادبیات مشابه یافت.
توجه! لطفاً توجه داشته باشید که مثالهای نشان داده شده در شکل ۴ تنها یک مورد خاص برای نشان دادن عملکرد پرههای چرخشی هستند و نمیتوانند برای ارزیابی یک داکت دلخواه استفاده شوند! شکل ۸ در زمینه وسیعتری قابل اجرا است، با این حال، پارامترهای خاص داکت مشتری باید در نظر گرفته شود. هر سیستم خاص نیاز به تحلیل دقیق دارد که میتوانید از Tunnel Tech سفارش دهید. برای محاسبه دقیق مقاومت هیدرولیکی داکت و ارزیابی کارشناسی مصرف انرژی تجهیزات تهویه یا تونل باد خود، لطفاً با ما تماس بگیرید.
اطلاعات تکمیلی درباره خدمات و تحقیق و توسعه (R&D) را میتوانید در صفحه فناوری و در بخش خدمات بیابید.
پره راهنما برای سرمایش و گرمایش صنعتی
محصولات ما که در میان پرههای هدایتکننده برای داکتهای هوای صنعتی منحصر به فرد هستند، قابلیت گردش مایع خنککننده با دبی بالا را ارائه میدهند که امکان خنککاری یا گرمایش کارآمد هوا را هنگام عبور از داکت فراهم میکند. این ویژگی امکانات جدیدی را در تنظیم حرارتی برای استفاده از پرههای کنترل اقلیم داخلی و مبدلهای حرارتی یکپارچه با داکت هوا با مقاومت کم باز میکند و راهکارهای متنوعی را برای نیازهای جریان هوای مشتریان ما فراهم میسازد.
با ارزیابی با استفاده از روش محاسبه HTCL (ضریب انتقال حرارت بر متر خطی)، که شار حرارتی (به وات) در هر متر طول پره راهنما را برای هر کلوین اختلاف دمای میانگین لگاریتمی (ΔTLMTD) بین هوای خارجی و مایع خنککننده پره گوشه کمیسازی میکند، پرههای هدایتکننده ما برای دفع مؤثر حرارت در شرایط مختلف جریان هوا مهندسی شدهاند و عملکرد پایدار و تنظیم دما را تضمین میکنند.
پارامترهای ضریب انتقال حرارت برای پرههای راهنمای خنکشونده با آب در شکل ۹ ارائه شده است، هم برای هوای مرطوب و هم خشک، که در آن ΔP [kPa] نشاندهنده اختلاف فشار آب بین پورتهای ورودی و خروجی پره است (آبی و قرمز در شکل ۱۰).
شکل ۱۰. کانالهای خنککاری پره راهنما
شکل ۹. ضریب HTCL. هوای خشک (RH=0%) و مرطوب (RH=90% در ۳۰ درجه سانتیگراد) در اختلاف فشارهای مختلف مایع خنککننده (آب) بین پورتهای ورودی و خروجی کانال خنککننده.
پرههای راهنما برای بازیابی حرارت اتلافی
پرههای راهنمای خنکشونده با کانالهای تبادل حرارت یکپارچه، راهکاری متنوع برای بازیابی حرارت اتلافی در کاربردهای مختلف ارائه میدهند. هنگامی که در سیستمهای تبادل حرارت ادغام میشوند، این پرهها میتوانند انرژی حرارتی اضافی را که در غیر این صورت هدر میرفت جذب کرده و آن را به سیستمهای بازیابی حرارت منتقل کنند، و بدین ترتیب کارایی کلی سیستم را به طور قابل توجهی افزایش دهند.
در کاربردهای عملی، این فناوری میتواند در حوزههای متعددی مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، در فرآیندهای صنعتی، پرههای راهنمای خنکشونده میتوانند حرارت اتلافی را از گازهای خروجی بازیابی کرده و آن را برای پیشگرم کردن سیالات یا هوای ورودی هدایت کنند، و بدین ترتیب مصرف انرژی را کاهش دهند. در سیستمهای HVAC، اصول مشابهی از طریق دستگاههایی مانند ونتیلاتورهای بازیابی حرارت (HRV) و ونتیلاتورهای بازیابی انرژی (ERV) به کار گرفته میشود که حرارت را بین جریانهای هوای خروجی و ورودی منتقل میکنند. این فرآیند انرژی مورد نیاز برای گرم کردن یا خنک کردن هوای ورودی را به حداقل میرساند و منجر به صرفهجویی قابل توجهی در انرژی میشود.
علاوه بر این، پرههای راهنمای خنکشونده میتوانند در سیستمهای مورد استفاده در بخشهای تولید برق و انرژیهای تجدیدپذیر ادغام شوند. به عنوان مثال، در سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت (CHP)، حرارت اتلافی از تولید برق بازیابی شده و برای اهداف گرمایشی استفاده میشود که کارایی کلی سیستم را بهبود میبخشد. در سیستمهای انرژی زمینگرمایی، این پرهها میتوانند به مدیریت انرژی حرارتی استخراج شده از زمین کمک کرده و فرآیندهای انتقال حرارت را بهینه کنند.
در ابتکارات انرژی سبز و تجدیدپذیر، بازیابی حرارت اتلافی نقش مهمی در کاهش ردپای کربن و افزایش پایداری سیستمهای انرژی ایفا میکند. این رویک رد با اصول تولید ناب (lean manufacturing) از طریق بهبود بهرهوری منابع و کاهش هزینههای عملیاتی از طریق مدیریت مؤثر حرارت همسو است. علاوه بر این، در پروژههای ESG، ادغام چنین فناوریهایی نشاندهنده تعهد به به حداقل رساندن اثرات زیستمحیطی و بهینهسازی استفاده از منابع است که با اهداف گستردهتر پایداری همسو میباشد.
بازیابی حرارت – پروژههای مرتبط
Tunnel Tech تجربه گستردهای در اجرای پروژههای شامل تبادل حرارت و سیستمهای HVAC طراحی شده برای بازیابی حرارت اتلافی با استفاده از پرههای راهنمای خنکشونده دارد. با ادغام این پرهها در چیدمانهای تبادل حرارت، که برای جذب و استفاده مجدد از انرژی حرارتی که در غیر این صورت هدر میرفت مهندسی شدهاند، Tunnel Tech امکان بازیابی مؤثرتر حرارت اتلافی از فرآیندهای مختلف صنعتی و تجاری را فراهم میکند. این رویکرد نه تنها بهرهوری انرژی را بهبود میبخشد، بلکه با کاهش مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی از اهداف پایداری نیز حمایت میکند.
کاربردها
پرههای راهنمای ما طیف وسیعی از صنایع و کاربردها را پو شش میدهند
سیستمهای HVAC
| ساختمانهای تجاری | بهینهسازی کانالکشی؛ بهرهوری انرژی؛ کاهش هزینههای عملیاتی؛ ارتقای بهداشت و ایمنی با مدیریت کارآمد کیفیت و دمای هوا؛ |
| مجتمعهای مسکونی | تضمین محیطهای زندگی راحت با کیفیت و جریان هوای مطلوب؛ ارتقای بهداشت و ایمنی؛ |
| مراکز داده (Data Centers) | پرههای جریان هوای مدیریت حرارتی، سطوح حیاتی دما و رطوبت را برای عملکرد و طول عمر سرورها حفظ میکنند؛ |
سیستمهای تهویه مهندسی عمران
| بیمارستانها و مراکز درمانی | پرههای راهنما با عملکرد بیصدا، کنترل حیاتی کیفیت هوا را برای محافظت از بیماران و کارکنان فراهم میکنند؛ ارتقای بهداشت و ایمنی با مدیریت کارآمد کیفیت و دمای هوا |
| مؤسسات آموزشی | ایجاد محیطهای یادگیری مساعد از طریق بهبود گردش هوا |
کنترل محیطی
| تأسیسات الکترونیک، بیوتکنولوژی، صنایع غذایی و سایر صنایع پیشرفته / اتاقهای تمیز | تنظیم دما و رطوبت برای تولیدات با تکنولوژی بالا و حساس؛ پرههای راهنمای تهویه مطبوع استانداردهای دقیق جریان هوا را برای تولید و تحقیقات حفظ میکنند |
| ورزشگاهها و استادیومها | تضمین آسایش و ایمنی برای ورزشکاران و تماشاگران |
کاربردهای صنعتی و تخصصی
| ساخت و نگهداری تونل | بهبود کیفیت هوا و ایمنی برای کارگران در محیطهای تونلی؛ |
| تأسیسات صنعتی | بهینهسازی کانالکشی؛ بهرهوری انرژی؛ توسعه پایدار؛ کاهش هزینههای عملیاتی؛ |
| ریختهگریها و تأسیسات سنگینکار | بهرهوری انرژی؛ کاهش هزینههای عملیاتی؛ بازیابی انرژی حرارتی اتلافی؛ کربنزدایی و ESG؛ داکتهای هوای HVAC سنگینکار؛ مدیریت حرارتی؛ |
| مهندسی دریایی | ارتقای سیستمهای تهویه در کشتیها و زیردریاییها برای آسایش خدمه و قابلیت اطمینان تجهیزات؛ |
| معدن و ساختوساز زیرزمینی | تأمین تهویه حیاتی برای سایتهای معدنی و سایر سازههای زیرزمینی جهت کاهش ریسک شرایط خطرناک؛ |
هر یک از این کاربردها به طور قابل توجهی از طراحی پیشرفته و عملکرد پرههای راهنمای TunnelTech بهرهمند میشوند که نشاندهنده جهشی رو به جلو در مدیریت کارآمد جریان هوا است. با انتخاب پرههای هدایتکننده هوای کمدرگ (low-drag) TunnelTech، مشتریان میتوانند انتظار داشته باشند که نه تنها به اهداف عملکردی سیستم خود برسند، بلکه از آن فراتر روند، در حالی که...
- •کاهش مصرف انرژی * تا ۳۰٪
- •کاهش نویز * تا ۶۰٪، در مقایسه با داکتهای هوای معمولی.
* – نتایج تجربی برای هندسه تونل باد TT45Pro.
برای استعلام و جزئیات بیشتر در مورد چگونگی متناسبسازی پرههای راهنمای ما با نیازهای خاص، لطفاً با تیم ما تماس بگیرید. اجازه دهید TunnelTech شریک شما در دستیابی به راهکارهای بهینه مدیریت جریان هوا باشد.
نصب و نگهداری
- •ابعاد و مشخصات
ابعاد داکت و مشخصات پره راهنما را قبل از نصب بررسی کنید
- •گزینههای نصب
موجود در پیکربندیهای گیرهای (clamp-on)، پیچی (bolt-on) و جوشی (weld-on)
- •جابجایی بار
دستورالعملهای جابجایی بار را برای حمل و موقعیتدهی ایمن دنبال کنید
- •نصب گامبهگام
دستورالعملهای دقیق نصب همراه با تحویل هر محصول ارائه میشود
- •برنامه بازرسی
بازرسیهای بصری منظم برای اطمینان از تراز بودن پره و یکپارچگی ساختاری
- •روشهای تمیزکاری
تمیزکاری دورهای برای حذف گرد و غبار و ذرات انباشته شده روی سطوح پره
- •پایش فرسودگی و استهلاک
پایش برای علائم خوردگی، فرسایش یا آسیب مکانیکی
- •راهنمای عیبیابی
رسیدگی به مسائل رایج مانند ارتعاش، نویز یا کاهش کارایی جریان هوا
مستندات
اطلاعات فنی در مورد مجموعههای بخش گوشه تونل باد Tunnel Tech و پارامترهای پره راهنما در یک دیتاشیت جامع برای محصولات TTE-TSA و TTE-TV موجود است. این مستندات شامل اطلاعاتی در مورد گزینههای طراحی، مقاومتهای موضعی برای گوشههای چرخش جریان ۹۰ درجه افقی و عمودی، و همچنین پارامترهای هیدرولیکی و انتقال حرارت برای پرههای راهنمای خنکشونده میباشد.
دانلود دیتاشیت TTE-TSA (PDF)منابع و انتشارات مرتبط
اطلاعات تکمیلی در مورد طراحی و بهینهسازی پرههای چرخشی برای تونلهای باد، کانالکشیهای صنعتی، داکتهای HVAC و تجهیزات مدیریت جریان هوا، صافکنندههای فن و غیره را میتوانید در لینکهای زیر بیابید:
- Baals, D.D., and W.R. Corliss. Wind Tunnels of NASA. NASA; SP-440. Scientific and Technical Information Branch, National Aeronautics and Space Administration, 1981. books.google.rs
- Barlow, J.B., W.H. Rae, and A. Pope. Low-Speed Wind Tunnel Testing. Wiley, 1999. books.google.rs
- Pope, A., and K.L. Goin. High Speed Wind Tunnel Testing. Wiley, 1965. books.google.rs
- Idelchik, I. E. “Handbook of Hydraulic Resistance, Revised and Augmented.” Begell House, 2008. begellhouse.com
- Nikuradse, J. 1933. Strömungsgesetz in rauhen Rohren, VDI Forschungshefte 361. (English translation: Laws of flow in rough pipes). Technical report, NACA Technical Memorandum 1292. National Advisory Commission for Aeronautics (1950), Washington, DC. ntrs.nasa.gov
- Nikuradse, J. (1931), Strömungswiderstand in rauhen Rohren. Z. angew. Math. Mech., 11: 409-411. doi.org/10.1002/zamm.19310110603
- Nikuradse, J. 1932. Laws of turbulent flow in smooth pipes (English translation). NASA TT F-10: 359 (1966).
- Nikuradse, J. 1930. Widerstandsgesetz und Geschwindigkeitsverteilung von turbulenten Wasserströmung in glatten und rauhen Rohren, Proc. 3rd Int. Cong. Appl. Mech., Stockholm, 239-248.
- Moody, L. F. 1944. Friction factors for pipe flow. Trans. ASME, 66, 671–684. doi.org/10.1115/1.4018140
- Colebrook, C. (1939). Turbulent Flow in Pipes, with Particular Reference to the Transition Region between the Smooth and Rough Pipe Laws. Journal of the Institution of Civil Engineers, Volume 11 Issue 4, February 1939, pp. 133-156. doi.org/10.1680/ijoti.1939.13150
- Colebrook, C. F. (February 1939). “Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between smooth and rough pipe laws”. Journal of the Institution of Civil Engineers. London. Volume 12 Issue 8, October 1939, pp. 393-422. doi:10.1680/ijoti.1939.14509.
- McKeon, Beverley J., Chris J. Swanson, Mark V. Zagarola, Russell James Donnelly, and Alexander J. Smits. “Friction Factors for Smooth Pipe Flow.” Journal of Fluid Mechanics 511 (2004): 41–44. doi.org/10.1017/S0022112004009796
- Mehta R.D., Bradshaw P. Design rules for small low speed wind tunnels. The Aeronautical Journal. 1979;83(827):443-453. doi.org/10.1017/S0001924000031985
- Cattafesta, Louis, Chris Bahr, and Jose Mathew. “Fundamentals of Wind-Tunnel Design.” In Encyclopedia of Aerospace Engineering. John Wiley & Sons, Ltd, 2010. doi.org/10.1002/9780470686652.eae532
- Hurtado, J.P.; Villegas, B.; Pérez, S.; Acuña, E. Optimization Study of Guide Vanes for the Intake Fan-Duct Connection Using CFD. Processes 2021, 9, 1555. doi.org/10.3390/pr9091555 mdpi.com
- Gelder, T.F., Moore, R.D., Sanz, J.M. and McFarland, E.R. Wind tunnel turning vanes of modern design. 24th Aerospace Science Meeting. NASA Technical Memorandum, AIAA Paper 86-0044. Reno, Nevada, January 1986. semanticscholar.org
- Schirf, Collin. “Optimization of Expanding Turning Vanes by Bezier Curve Parameterization,” Master Dissertation, University of Maryland, 2019. doi.org/10.13016/5x1x-gxhz
- Almeida, Odenir De, Frederico Carnevalli De Miranda, Olivio Ferreira Neto, and Fernanda Guimarães Saad. “Low Subsonic Wind Tunnel – Design and Construction.” Journal of Aerospace Technology and Management 10 (February 26, 2018). doi.org/10.5028/jatm.v10.716
- Modi, P. P., and S. Jayanti. “Pressure Losses and Flow Maldistribution in Ducts with Sharp Bends.” Chemical Engineering Research and Design 82, no. 3 (2004): 321–31. doi.org/10.1205/026387604322870435
- Kotb, N. A. E., M. R. Mokhtarzadeh-Dehghan, and A. J. Ward-Smith. “A Numerical Study of Laminar and Turbulent Flows in a Two-dimensional Bend with or without a Guide Vane.” International Journal for Numerical Methods in Engineering 26, no. 1 (January 1988): 245–62. doi.org/10.1002/nme.1620260117
- Sahlin, A.; Johansson, A.V. Design of guide vanes for minimizing the pressure loss in sharp bends. Fluids A Fluid Dyn. 1991, 3, 1934–1940.
- Crawford, N.M.; Cunningham, G.Y. Prediction of Pressure Drop for Turbulent Fluid Flow in 90° Bends. Sage: London, UK, 2003; pp. 153–155.
- Kumar, S.; Nandi, N. Change in Flow Separation and Velocity Distribution Due to Effect of Guide Vane Installed in a 90° Pipe Bend. Mech. Eng. 2017, 21, 353–361.
همچنین ببینید:
- نمودار مودی: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- دارسی-ویسباخ: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- ضریب اصطکاک: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- افت اصطکاکی: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss