Ilmakanavan kääntökulmat
Korkean suorituskyvyn ohjaussiipiratkaisut tuulitunneleihin, LVI-järjestelmiin ja teollisuussovelluksiin
Johdanto ohjaussiipiin
Ilmavirran hallinnan alalla kanavan kulmien suunnittelulla on keskeinen rooli ilmanvaihdon, LVI-järjestelmien ja tuulitunnelien tehokkuudessa ja toimivuudessa. Kun ilma pakotetaan tekemään jyrkkä käännös, kuten kanavistoissa usein vaaditaan, se kohtaa lisääntynyttä hydraulista vastusta, mikä johtaa suurempiin painehäviöihin ja turbulenssiin. Tämä ei ainoastaan vaaranna järjestelmän tehokkuutta vaatimalla enemmän energiaa ilmavirran ylläpitämiseksi, vaan vaikuttaa myös kanaviston rakenteelliseen eheyteen turbulenttien virtausten aiheuttamien epätasaisten paineiden vuoksi.
Tässä kohtaa ohjaussiivet (turning vanes), jotka tunnetaan myös nimellä kulmasiivet (corner vanes) tai johdinsiivet (guiding vanes), tulevat kuvaan (kuva 1). Kanavan kulmasiivet, jotka on suunniteltu asennettavaksi kulmien sisään, antavat ilman kulkea käännöksen läpi minimaalisella vastuksella, vähentäen tehokkaasti painehäviöitä ja lieventäen turbulenssia ilman pehmeiden sädemutkien vaatimaa lisätilaa. Tämä tekee ohjaussiivistä ihanteellisen ratkaisun ilmavirran tehokkaaseen hallintaan kompaktissa tilassa.
Kuva 1. Tunnel Tech -ohjaussiiven kulmaosakokoonpano
Korkean suorituskyvyn ohjaussiipiosat kilpailevat geneeristen LVI-ratkaisujen kanssa.
Perinteinen ratkaisu mainittujen haitallisten ilmiöiden, kuten lisääntyneen turbulenssin, painehäviön ja melun, voittamiseksi jyrkästi kaarevassa kanavassa on suunnitella radiaalisia kanavamutkia (kuva 2 ja kuva 4, tapaus 2). Nämä mutkat, vaikka ne ovatkin tehokkaita lieventämään jonkin verran turbulenssia, melua ja painehäviöitä (jotka ovat yleisiä jyrkässä mutkassa, kuten nähdään kuvassa 4, tapaus 1), tuovat mukanaan omat ongelmansa.
Useita perinteisiä ilmanvaihtokanavistoja, joissa on pehmeästi kaarevasta levymetallista valmistettu käännös taivutetuilla virtauksen ohjaimilla, on esitetty kuvassa 2 vasemmalla. Kuva edustaa muutamia esimerkkejä vakiovarianteista, joita käytetään yleisesti LVI-kanavissa, esim. DW144-kanavistostandardien mukaisesti.
Tällaiset kanavaratkaisut ovat yleisiä ja kustannustehokkaita pieniin sovelluksiin yhdyskuntatekniikassa, pienyrityksissä ja pienitehoisissa LVI-järjestelmissä, joissa energiakustannukset eivät ole merkittävä tekijä. Tämä suunnittelu ei kuitenkaan ole hyvä ratkaisu ilmanvaihto- ja jäähdytysjärjestelmiin keskisuurissa ja suurissa sekä suurikapasiteettisissa sähköntuotannon, metallurgian, turbokoneiden, lämmönvaihtimien, hukkalämmön talteenoton ja nykyaikaisten vihreän ja uusiutuvan energian sovelluksissa, joissa hydraulinen tehokkuus ja energiansäästö ovat välttämättömyys.
Ei kuitenkaan ole tarvetta rakentaa mukautettua ei-standardia kanavaa joka kerta, kun hydraulisen verkon energiankulutus on optimoitava täydellisyyteen. Sama kuva 2 oikealla näyttää variantin Tunnel Techin diagonaalisesta ohjaussiipiosasta, joka on energiatehokas, hiljainen ja vähäturbulenssinen, täyttäen samalla LVI-järjestelmien teollisuusstandardit, mutta jota voidaan käyttää myös suuren mittakaavan ja suuritehoisissa teollisuuden käyttötapauksissa. Esimerkki suuren mittakaavan laitoksesta, johon diagonaalinen ohjaussiipiosa voidaan helposti integroida, on esitetty kuvassa 3.
Kuva 2. Perinteinen keskikokoinen LVI-sileä mutka levymetallista valmistetulla jakosiivellä, DW144-standardi (vasemmalla), ja korkean suorituskyvyn Tunnel Tech -ohjaussiiven diagonaalikokoonpano vakioilmakanaville (oikealla).
Kuva 3. Suuren mittakaavan Tunnel Techin ilmakanavan kääntöosat tuulitunneleihin, sähköntuotantoon ja teollisuussovelluksiin.
Ohjaussiipien suunnittelu painehäviön, turbulenssin ja melun vähentämiseksi
Eri kääntökulmamallien vertailua varten painehäviöt (ΔP) ja CFD-simuloidut virtauskuviot on esitetty alla olevassa kuvassa 4. Tuloilman nopeus 20 m/s ja 2×2 m neliömäinen kanava valittiin havainnollistavaksi esimerkiksi. Nopeusalue 20 m/s valittiin esittelytarkoituksiin, koska normaalisti ammattitason pystysuorat tuulitunnelit sisävarjohyppyyn toimivat suurimman osan ajasta tiloissa, joissa virtausnopeus pyörivässä osassa vaihtelee välillä 10–30 m/s. CFD-laskelmat suoritettiin 1 standardi-ilmakehässä 20 °C:ssa ja nolla ilmankosteudessa kokoonpuristuvalla kaasulla ja adiabaattisella seinällä, jonka karheus on 250 µm. Käytettiin 6–10 miljoonan solun verkkoa per alue. Tasainen tuloprofiili ja 2 % turbulenssi sovellettiin tuloreunaehtoon. Turbulenssia käsiteltiin k-ε-mallilla.
HUOM! Huomaa, että kuvassa 4 esitetyt kuvat ovat yksittäisiä esimerkkejä, jotka on esitetty ainoastaan toimintaperiaatteiden havainnollistamiseksi ja muutaman tyyppisten kääntyvien kulmaosien vertailemiseksi. Näitä tapauksia ei voida tulkita yleispäteviksi aivan jokaiseen käyttötapaukseen. Jokaiselle todelliselle ilmanvaihtojärjestelmälle tai muulle hydrauliselle verkolle on otettava huomioon erityiset hydrauliset parametrit, kanavan koko ja muoto, karheus ja rakenteelliset epäsäännöllisyydet, virtauksen epähomogeenisuudet ja tarkat fysikaaliset kaasuparametrit jokaisessa laskentapisteessä. Voit tilata tällaisen laskelman tietylle järjestelmälle ottamalla meihin yhteyttä.
Seuraavat suunnittelutapaukset on kuvattu:
- Kulmaosa ilman ohjaussiipiä.
- Pehmeästi kaareva kulmaosa (r = ½ kanavan korkeudesta) radiaalisesti taivutetuilla virtauksen ohjaimilla. Painehäviö riippuu myös kanavan välikappaleiden määrästä ja geometriasta. Kuvassa on esimerkki, jossa on minimoitu määrä optimaalisesti muotoiltuja ilmavirran jakolevyjä.
- Yksinkertaiset radiaalisesti kaarevat ohuet levyt (10–20 mm paksut).
- Lähimpien kilpailijoiden tyypilliset optimoimattomat ohjaussiivet.
- Tunnel Techin optimoidulla profiililla varustetut ohjaussiivet (TTE-TV).
Pyöreästi kaarevien kanavien, joissa on pieni määrä yksinkertaisia taivutettuja levyjakajia (tai ei lainkaan ohjaussiipiä), merkittävin ongelma on paineen ja nopeuden jakautumismalli kääntöosan ulostulossa (kuva 4, tapaus 2, katso ulostulon poikkileikkaus). Tämä malli osoittaa, että nopeus kasvaa kunkin virtausalialueen ulkoseinästä sisäseinään, mikä johtaa epätasaiseen virtaukseen, suureen turbulenssiin ja meluun. Mitä pienempi kääntösäde on, sitä suurempi on virtauksen irtoamisen, paine- ja nopeuskentän vääristymisen, melutason ja painehäviön arvon todennäköisyys.
Ainoa tapa voittaa nämä ongelmat on tällaisen kulmaosan suuri kaarevuussäde ja ilmavirran ohjaussiipien määrän lisääminen. Tässä tulee toinen ongelma – tällaisten mutkien sijoittamiseen tarvittava lisätila ja useiden radiaalisten ilmakanavan välikappaleiden materiaalikustannukset, jotka on mitoitettu kanavan poikkileikkaukseen. Suurissa kanavajärjestelmissä pehmeiden sädemutkien toteuttaminen voi johtaa kohtuuttoman suuriin rakenteisiin, mikä tekee tästä lähestymistavasta epäkäytännöllisen monissa skenaarioissa, erityisesti siellä, missä tilaa on vähän. Tarvittava lisätila on esitetty katkoviivoilla alla olevassa kuvassa 4, tapaus 2. Kunkin käännöksen korkeutta ja leveyttä on lisättävä vähintään puolella kanavan koosta. Recirkuloivissa tuulitunneleissa se tarkoittaa rakennuksen mittojen kasvattamista useilla metreillä kumpaankin suuntaan, mikä johtaa korkeampiin kanavistokustannuksiin ja suurempiin pääomaisinvestointeihin. Lisäksi jokainen virtauksen jakaja maksaa saman verran kuin kanavan seinä.
Kuva 4. Kanaviston kulmaosat - suunnittelun ja suorituskyvyn vertailu
Optimaalinen ratkaisu tuulitunneleihin ja teollisuuden ilmanvaihtoon ovat kääntyvät siipiprofiiliset ohjaussiivet, jotka on järjestetty diagonaalisesti, kuten on kuvattu kuvan 4 tapauksissa 3–5.
Kaikki yllä olevat CFD-kuvat vastaavat ilmakanavan kulmaosaa, jossa on 2x2 m tuloaukko ja 20 m/s ilmavirran nopeus, mikä on esimerkkinä olennaisin sisävarjohyppy- ja pienen nopeuden aliäänituulitunnelien käyttötapauksissa.
Kuvan 4 tapaus 3 esittää kulmaosan, jossa on ohuista taivutetuista metallilevyistä valmistetut yksinkertaiset ohjaussiivet. Kuvan 4 tapaus 4 on paras esimerkki TunnelTechin lähimpien kilpailijoiden tarjoamista kääntyvistä siivistä. Molemmilla on lyhyempi jänteen pituus ja optimoimaton siipiprofiilin muoto, mikä johtaa näennäiseen virtauksen epätasaisuuteen osan ulostulossa, suurempaan aerodynaamiseen vastukseen ja ilmakanavan meluun. Yksinkertaisista taivutetuista metallilevyistä valmistetut ohuet siivet ylittävät yleensä sallitut melutasot jopa alhaisella ilmannopeudella, ja paksulla ja lyhyellä profiililla varustetulla vaihtoehdolla, jolla on pieni jänteen ja paksuuden suhde, on myös pienempi pinta-ala, mikä on ei-toivottua sovelluksissa, joissa jäähdytettyjä ohjaussiipiä käytetään lämmönsiirtoon.
Kuvan 4 tapauksen 5 alaosassa on esitetty ilmakanavan kulma, joka on varustettu korkean suorituskyvyn Tunnel Tech -ohjaussiivillä (tilaamista varten katso seuraava osanumero: TTE-TV-90). Kuten poikkileikkauksista voidaan nähdä, virtaus on tasaisempi oikein profiloitujen ohjaussiipien tapauksessa, mikä johtaa pienempään painehäviöön ja vähäiseen turbulenssiin.
Ulostuloilman paine-/nopeusprofiili on myös paljon parempi Tunnel Techin pitkän jänteen siivillä varustetuissa kulmaosissa kuin muissa tapauksissa. Tämä johtaa vertaansa vailla olevaan Tunnel Techin aerodynaamiseen laatuun, mikä heijastuu lukuisiin ammattilaislaskuvarjohyppääjien ja muiden asiakkaiden arvosteluihin.
Kaikki yllä käsitellyt tiedot, mukaan lukien jänteen pituus ja jäähdytysvaihtoehdot, ovat saatavilla myös <strong>taulukossa 1</strong>.
| Tapaus / Siipityyppi | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | Jänteen pituus (mm) | Jäähdytys |
|---|---|---|---|---|
| 1. Ei siipiä, jyrkkä käännös | 114 | 0.47 | — | Ei |
| 2. Pehmeästi kaareva kulmaosa | 41 | 0.17 | > 2000 | Ei |
| 3. Yksinkertaiset radiaalisesti kaarevat ohuet levyt | 80 | 0.33 | 250–500 | Ei |
| 4. Lähimpien kilpailijoiden ohjaussiivet | 88 | 0.37 | 280 | Kyllä |
| 5. Tunnel Techin optimoidut ohjaussiivet | 57 | 0.24 | 500 | Kyllä |
Hydraulisen häviökertoimen arvot nopeusalueelle 100 m/s asti kanavan kääntöosalle TunnelTechin ja kilpailijoiden siivillä, ilman alkutietojen valinnasta johtuvaa vaihtelua, on esitetty kuvassa 5.
Lisätietoja hydraulisista häviöistä kanavan pituudella, paikallisesta vastuksesta ja kokonaishydraulisesta häviökertoimesta on esitetty alla.
Kuva 5. Tunnel Techin ja kilpailijan kääntöosan vertailu. Darcy-Weisbach-hydraulinen häviökerroin samalle geometrialle ja alkulaskentaehdoille.
Turbulenssin lieventäminen luotettavia hydraulisia ja rakenteellisia turvallisuuslaskelmia varten
Kuva 6. Tunnel Tech -kulmasiipiosan turbulenssiasteikko (m) @ 20 m/s
Tasainen ja ennustettava paine-/nopeusprofiili on erityisen tärkeä sovelluksissa, joissa suurta turbulenssia tai virtauksen irtoamista ei voida hyväksyä, kuten kokeellisissa tuulitunneleissa, sisävarjohyppytiloissa ja suuritehoisissa sovelluksissa. Nämä loisiolmiöt sekä virtauksen irtoamisen ja laajamittaisen turbulenssin aiheuttamat paineenvaihtelut ovat myös ei-hyväksyttäviä asennuksissa, jotka edellyttävät akustisesti indusoitujen värähtelyjen puuttumista ja joissa staattisia painepoikkeamia ei sallita ilmakanavan rakenteellisten vakausvaatimusten vuoksi. Lisäksi nämä turbulentit virtaukset ovat yleinen melunlähde, mikä heikentää entisestään järjestelmän yleistä suorituskykyä ja loppukäyttäjille tarjottavaa mukavuutta.
On myös otettava huomioon, että virtauksen epäsäännöllisyyksillä on taipumus kehittyä ja voimistua edelleen, jos erityisiä suoristimia, hunajakennoja, turbulenssinpoistoverkkoja tai muita ilmavirran hallintalaitteita ei käytetä [1-3]. Tarkka kaasudynaaminen analyysi vaatii jokaisen seuraavan ilmakanavaelementin vastuksen laskemista ottaen huomioon todellisen tulopaine-/nopeusprofiilin, joka syntyy hydraulisen verkon edellisessä elementissä. Pitkille hydraulisille verkoille on usein mahdotonta suorittaa koko järjestelmän CFD-simulaatiota valtavien mittojen vuoksi. Tällaisessa tilanteessa käytetään likimääräisiä puoliempiirisiä laskelmia, joihin liittyy fluidin dimensiottomia lukuja ja geometriakriteerejä [4], tai tällaisiin menetelmiin perustuvia ohjelmistoja. Myös FEA-mallinnus kanavan rakenteellisen vakauden määrittämiseksi suoritetaan tyypillisesti vakaalla staattisella painekentällä, jota sovelletaan kanavan seinämiin. Siten vakavat virtauksen epäsäännöllisyydet, jotka kehittyvät myötävirtaan, voivat myös aiheuttaa virheitä kantavien rakenteiden turvallisuuskriittisissä tutkimuksissa.
Likimääräiset menetelmät eivät yleensä käsittele nopeusprofiilin vääristymistä hydraulisen verkkoelementin tuloaukossa, ja parhaimmillaan ottavat huomioon, onko profiili kehittynyt vai ei-vielä-kehittynyt (tasainen), sekä rajakerroksen parametrit. Tuulitunneleissa ja teollisuuden ilmanvaihtojärjestelmissä jokainen virtauksen käännös voi aiheuttaa epätasaisuutta ja voimakasta virtauksen pyörteilyä, mikä johtaa epävarmuuteen hydraulisen vastuksen laskelmissa pitkissä hydraulisissa verkoissa. Siksi mahdollisuuksien mukaan tulisi välttää suurten nopeusprofiilin epäsäännöllisyyksien esiintymistä.
Kuvasta 6 ja yllä esitetystä voidaan nähdä, että TunnelTech-ohjaussiivillä varustettujen kääntöosien parametrit ovat sellaiset, etteivät ne luo ylimääräisiä virtaushäiriöitä, vaan niitä voidaan käyttää myös vaimentamaan pyörteitä ja epätasaisuutta kääntöosan myötävirrassa. Siten TunnelTech-siivillä varustettu kääntyvä osa voi toimia myös tehokkaana virtauksen suoristimena, jos se asennetaan aksiaalipuhaltimen, kanavadiffuusorin, lämmönvaihtimen, testiosuuden, haaroituksen tai kanavaan liittymisen tai minkä tahansa muun turbulenssia tuottavan kohteen jälkeen.
Paikallinen vastuskerroin
Kääntökulman paikalliset vastusominaisuudet voidaan laskea käyttämällä tunnettua Darcy-Weisbach-yhtälöä:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Missä:
- ΔP – kokonaispainehäviöt (paineen alenema) yksikössä Pa;
- ξ – paikallinen vastuskerroin (Darcy-Weisbach);
- ρ – fluidin tiheys (kg/m³);
- V – fluidin nopeus tuloaukon poikkileikkauksessa (m/s).
Nämä parametrit, jotka määrittävät ilmakanavan energiatehokkuuden, ovat erittäin riippuvaisia ohjaussiipien suunnittelusta.
Lähteen [4] mukaan monimutkaisen hydraulisen elementin kokonaisvastus voidaan esittää pituuskitkavastuksen ξL ja paikallisen vastuksen ξ0 summana:
ξSUM = ξL + ξ0
Suoraviivaiselle ilmakanavalle pituusvastus on verrannollinen pituuteen ja kääntäen verrannollinen hydrauliseen halkaisijaan, mikä ilmaistaan kaavalla:
ξL = (L / D) · f
missä f on Darcy-kitkakerroin.
Yksinkertaisen muotoisten putkien (esim. ympyrä, neliö, kuusikulmio) tapauksessa f voidaan ilmaista epälineaarisena riippuvuutena vain Reynoldsin luvusta – katso luku 2 lähteessä [4] tai https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Kitkakerroin f yksinkertaiselle pyöreälle putkelle (ympyräkanava), jossa on sileät seinämät, kehittyneellä stabiloidulla virtausprofiililla tuloaukossa ja turbulentilla regiimillä (Reynoldsin luvut Re > 4×103), voidaan laskea kaavalla:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
Todellisille kanaville on otettava huomioon myös karheus.
Alla oleva kuva 7 näyttää Darcy-kitkakertoimen kuvaajan Reynoldsin lukua Re vastaan eri suhteellisilla seinämän karheuksilla, jonka Nikuradze julkaisi ensimmäisen kerran lähteessä [5-8]. Tämä kuvaaja tunnetaan myös nimellä Moodyn kaavio [9] tai Colebrook-White-korrelaatio [10-11]. Nykyaikainen tutkimus sileille putkille löytyy lähteestä [12].
Tämä kaavio osoittaa f(Re):n monimutkaisen riippuvuuden pyöreälle putkelle, jolla on eri karheus. Neliömäisille ja muille ei-pyöreille putkille kaavio on monimutkaisempi. Siten virtausregiimit (Reynoldsin luku), kanavan muoto ja suhteellinen seinämän karheus on otettava huomioon.
Kuva 7. Moodyn (alias Nikuradzen) kaavio, joka näyttää Darcy–Weissbach-kitkakertoimen fD piirrettynä Reynoldsin lukua Re vastaan eri suhteellisilla karheuksilla – Alkuperäinen kaavio: S Beck ja R Collins, University of Sheffield, Jaettu lisenssillä CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
Todellisten karkeiden kanavien tapauksessa on edelleen mahdollista esittää kokonaisvastus summana ξSUM = ξL + ξ0 pituusvastuksesta ja paikallisesta vastuksesta.
Tämä summan esitys yksinkertaistaa kanavaparametrien tutkimista, koska paikallinen vastus ξ0 voidaan laskea yksinkertaistetulle elementtigeometrialle – esimerkiksi ongelman jaksollisessa muotoilussa pienemmällä laskenta-alueella tai ongelman 2D-versiossa. Huomaa laskenta-alueen valtava koko kuvan 4 esimerkeissä, joissa osan korkeus on 3 ja pituus 18 metriä, ja verkon konvergenssi alkaa näkyä riittävästi yli 10 miljoonan verkkoelementin koossa. Ongelman muotoilun variantilla, jossa on jaksolliset tai 2D-ehdot näille tapauksille, voisi olla suuruusluokkaa pienempi määrä verkkoelementtejä, ja kunkin nopeuspisteen yksinkertaistettu laskenta ΔP(v)-kuvaajalle kestäisi vain minuutteja tai jopa sekunteja tuntien sijaan.
Siten jakaminen kahden vastuksen summaan voi yksinkertaistaa laskelmia merkittävästi – voidaan nopeasti määrittää paikallinen vastus ξ0 ja sitten lisätä pituusvastus ξL. Jälkimmäinen voidaan arvioida nopeasti tunnetuista taulukoista tai likimääräisillä kaavoilla käyttämällä yksinkertaistettuja yhtälöitä, jotka perustuvat dimensiottomiin lukuihin ja ilmakanavan geometriaparametreihin. Hydraulisille ja kanavaverkkoelementeille, joissa on äkillisiä muutoksia virtaussuunnassa (kulmikkaat mutkat, pehmeät mutkat, mutkat eri kulmissa ohjaussiivillä ja ilman), samanlainen lähestymistapa ja menetelmä on esitetty luvuissa 6-1 ja 6-2 kattavassa teoksessa Handbook of hydraulic resistance [4].
Tuotteen kohokohdat
Tunnel Techin ilmavirran ohjaussiivet (TTE-TV-tuote) ovat tämän teknologian eturintamassa tarjoten vertaansa vailla olevaa tehokkuutta ilmavirran hallinnassa. Tuotteemme on suunniteltu laajaan valikoimaan sovelluksia sisävarjohyppytiloista ja tuulitunneleista LVI- ja ilmanvaihtojärjestelmiin, ilmentäen aerodynaamisen suunnittelun ja energiatehokkuuden huippua.
Ohjaussiipiosan suorituskyky ilmakanavissa
Tunnel Techin korkean suorituskyvyn ilmavirran ohjaussiivet asettavat alan standardin teholle ja aerodynaamiselle tehokkuudelle. Energiaa säästävät ohjaussiipemme on suunniteltu minimoimaan aerodynaaminen kitka, varmistaen tasaisen ilmavirran ja vähentäen energiankulutusta.
TunnelTechin ohjaussiivillä on erinomaiset ilmakanavan paikalliset vastusominaisuudet. Vastusparametrit, jotka on laskettu käyttämällä Darcy-Weisbach-yhtälöä, kuten yllä on kuvattu, on esitetty seuraavissa kuvissa (katso kuva 8 alla) ja ohjaussiiven tietolomakkeessa.
Yleisesti ottaen tapauksessa, jossa kanavan koko on tuntematon, arvot annetaan idealisoidulle elementille, jossa on jaksolliset sivureunaehdot, ottamatta huomioon ylimääräisen seinämävastuksen vaikutusta pituudella, karheutta ja muiden paikallisten parametrien vaikutusta. Kuvassa 8 on annettu arvot idealisoidulle kääntyvälle kulmaelementille Tunnel Tech -siivillä, joka laskettiin 15 siiven pinon äärettömässä jaksollisessa approksimaatiossa jaksollisilla reunaehdoilla.
Kuva 8. Tunnel Tech -ohjaussiiven paikallinen vastuskerroin ja vastaava painehäviö.
Jos LVI- tai muu hydraulinen järjestelmä koostuu kanavista, jotka eivät yleensä muuta virtausalueen poikkileikkauksen muotoa virtausreitin varrella, on kätevää arvioida resistiivisyys pituusyksikköä kohti likimääräisiä laskelmia varten (arvioitava tietysti koko nopeusalueelle):
KL = ξL / L = f / Dh
missä Dh on kanavan hydraulinen halkaisija. KL:n arvo on helppo määrittää hakuteoksista, kuten yllä on keskusteltu. Siten kertomalla tämä pituudella ja lisäämällä tietolomakkeista saadut tai itsenäisesti lasketut paikalliset vastusarvot ξ0, on mahdollista arvioida nopeasti kokonaispainehäviö järjestelmässä.
ξSUM = KL · L + ξ0
Yllä olevat havainnollistavat esimerkit, jotka on esitetty kuvassa 4 2×2 metrin neliömäisestä kanavasta laskennassa käytetyillä kaasuparametreilla ja karheudella, omaavat resistiivisyyden pituusyksikköä kohti suuruusluokkaa K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2,1 Pa. Tämä arvo pätee arvioitaessa neliömäistä kanavaa ottamatta huomioon mutkia, siipiä tai muita sisäisiä laitteita. 21 metrin kokonaispituus, jonka ilmamassa kulkee kanavaa pitkin, antaa painehäviöksi ~44 Pascalia. Lisäämällä tähän kuvassa 8 esitetty arvo (11 Pa nopeudelle 20 m/s otettuna ohjaussiiven tietolomakkeen (Taulukko A.2.1) mukaan) saadaan kokonaisvastukseksi 55 Pa todelliselle 2×2 neliömäiselle kanavaosalle, jossa on kääntyvät siivet. Tämä arvo on hyvässä sopusoinnussa kuvan 4 tapauksessa 5 esitetyn arvon kanssa.
Lisätietoja likimääräisistä tavoista laskea minkä tahansa muotoisten kanavien vastukset ilman CFD-menetelmiä löytyy helposti lähteestä <a href="#references">[4]</a> tai vastaavasta kirjallisuudesta.
HUOM! Huomaa, että kuvassa 4 esitetyt esimerkit ovat vain erityistapaus kääntyvien siipien toiminnan havainnollistamiseksi, eikä niitä voida käyttää mielivaltaisen kanavan arviointiin! Kuva 8 on sovellettavissa laajemmassa kontekstissa, mutta asiakkaan kanavan erityiset parametrit on otettava huomioon. Jokainen tietty järjestelmä vaatii yksityiskohtaisen analyysin, jonka voit tilata Tunnel Techiltä. Kanavan hydraulisen vastuksen tarkkaa laskentaa ja ilmanvaihto- tai tuulitunnelilaitteistosi energiankulutuksen asiantuntija-arviota varten ota meihin yhteyttä.
Lisätietoja palveluista ja T&K:sta löytyy myös Teknologia-sivulta ja Palvelut-osiosta.
Ohjaussiipi teolliseen jäähdytykseen ja lämmitykseen
Ainutlaatuisena teollisuuden ilmakanavien ohjaussiipien joukossa tuotteemme tarjoavat mahdollisuuden kierrättää jäähdytysnestettä suurella virtausnopeudella, mikä mahdollistaa ilman tehokkaan jäähdytyksen tai lämmityksen sen kulkiessa kanavan läpi. Tämä ominaisuus avaa uusia mahdollisuuksia lämmönsäätelyyn sisäilmaston hallintasiipien ja pienen vastuksen ilmakanavaan integroitujen lämmönvaihtimien käytössä, tarjoten asiakkaillemme monipuolisia ratkaisuja heidän ilmavirtaustarpeisiinsa.
Arvioitu käyttämällä HTCL (Heat Transfer Coefficient per Linear meter) -laskentamenetelmää, joka määrittää lämpövuon (watteina) ohjaussiiven pituusmetriä kohti jokaista logaritmista keskilämpötilaeroa (ΔTLMTD) kohti ulkoilman ja kulmasiiven jäähdytysnesteen välillä, ohjaussiipemme on suunniteltu tehokkaaseen lämmönpoistoon erilaisissa ilmavirtausolosuhteissa, taaten vakaan suorituskyvyn ja lämpötilan säädön.
Lämmönsiirtokertoimen parametrit vesijäähdytteisille ohjaussiiville on esitetty kuvassa 9 sekä kostealle että kuivalle ilmalle, missä ΔP [kPa] edustaa veden paine-eroa tulo- ja lähtösiipiporttien välillä (sininen ja punainen kuvassa 10).
Kuva 10. Ohjaussiiven jäähdytyskanavat
Kuva 9. HTCL-kerroin. Kuiva (RH=0 %) ja kostea ilma (RH=90 % 30 °C:ssa) eri jäähdytysnesteen paine-eroilla (vesi) tulo- ja lähtöjäähdytyskanavan porttien välillä.
Ohjaussiivet hukkalämmön talteenottoon
Jäähdytetyt ohjaussiivet integroiduilla lämmönvaihtokanavilla tarjoavat monipuolisen ratkaisun hukkalämmön talteenottoon erilaisissa sovelluksissa. Kun ne integroidaan lämmönvaihtojärjestelmiin, nämä siivet voivat kerätä ylimääräistä lämpöenergiaa, joka muuten menisi hukkaan, siirtäen sen lämmön talteenottojärjestelmiin, mikä parantaa merkittävästi järjestelmän kokonaistehokkuutta.
Käytännön sovelluksissa tätä teknologiaa voidaan hyödyntää useilla alueilla. Esimerkiksi teollisissa prosesseissa jäähdytetyt ohjaussiivet voivat ottaa talteen hukkalämpöä pakokaasuista ja ohjata sen esilämmittämään tulevia nesteitä tai ilmaa, mikä vähentää energiankulutusta. LVI-järjestelmissä samanlaisia periaatteita käytetään laitteissa, kuten lämmöntalteenottolaitteissa (HRV) ja energian talteenottolaitteissa (ERV), jotka siirtävät lämpöä poisto- ja tuloilmavirtojen välillä. Tämä prosessi minimoi tuloilman lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen tarvittavan energian, mikä johtaa huomattaviin energiansäästöihin.
Lisäksi jäähdytetyt ohjaussiivet voidaan integroida järjestelmiin, joita käytetään sähköntuotannossa ja uusiutuvan energian sektoreilla. Esimerkiksi sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmissä (CHP) sähköntuotannon hukkalämpö otetaan talteen ja käytetään lämmitystarkoituksiin, mikä parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta. Geotermisissä energiajärjestelmissä nämä siivet voivat auttaa hallitsemaan maasta otettua lämpöenergiaa optimoimalla lämmönsiirtoprosesseja.
Vihreän ja uusiutuvan energian aloitteissa hukkalämmön talteenotolla on kriittinen rooli hiilijalanjäljen pienentämisessä ja energiajärjestelmien kestävyyden parantamisessa. Tämä lähestymistapa on linjassa lean-valmistusperiaatteiden kanssa parantamalla resurssitehokkuutta ja vähentämällä käyttökustannuksia tehokkaan lämmönhallinnan avulla. Lisäksi ESG-projekteissa tällaisten teknologioiden sisällyttäminen osoittaa sitoutumista ympäristövaikutusten minimointiin ja resurssien käytön optimointiin, mikä on linjassa laajempien kestävän kehityksen tavoitteiden kanssa.
Lämmön talteenotto – Aiheeseen liittyvät projektit
Tunnel Techillä on laaja kokemus lämmönvaihtoa ja LVI-järjestelmiä sisältävien projektien toteuttamisesta, jotka on suunniteltu hukkalämmön talteenottoon käyttämällä jäähdytettyjä ohjaussiipiä. Integroimalla nämä siivet lämmönvaihtojärjestelyihin, jotka on suunniteltu keräämään ja käyttämään uudelleen lämpöenergiaa, joka muuten menisi hukkaan, Tunnel Tech mahdollistaa tehokkaamman hukkalämmön talteenoton erilaisista teollisista ja kaupallisista prosesseista. Tämä lähestymistapa ei ainoastaan paranna energiatehokkuutta, vaan tukee myös kestävän kehityksen tavoitteita vähentämällä energiankulutusta ja käyttökustannuksia.
Sovellukset
Ohjaussiipemme palvelevat laajaa valikoimaa teollisuudenaloja ja sovelluksia
LVI-järjestelmät
| Liikerakennukset | Kanaviston optimointi; Energiatehokkuus; Käyttökustannusten alentaminen; Terveyden ja turvallisuuden parantaminen tehokkaalla ilmanlaadun ja lämpötilan hallinnalla; |
| Asuinkompleksit | Varmista mukavat asuinympäristöt optimaalisella ilmanlaadulla ja virtauksella; Terveyden ja turvallisuuden parantaminen; |
| Datakeskukset | Lämmönhallinnan ohjaussiivet ylläpitävät kriittisiä lämpötila- ja kosteustasoja palvelimien suorituskyvyn ja pitkäikäisyyden varmistamiseksi; |
Yhdyskuntatekniikan ilmanvaihtojärjestelmät
| Sairaalat ja terveydenhuollon tilat | Hiljaiset ohjaussiivet tarjoavat elintärkeää ilmanlaadun hallintaa potilaiden ja henkilökunnan suojelemiseksi; Parantavat terveyttä ja turvallisuutta hallitsemalla tehokkaasti ilmanlaatua ja lämpötilaa |
| Oppilaitokset | Luo otolliset oppimisympäristöt parannetun ilmankierron avulla |
Ympäristönhallinta
| Elektroniikka-, bio- ja elintarviketeknologia sekä muut korkean teknologian tilat / Puhdastilat | Säätele lämpötilaa ja kosteutta korkean teknologian ja vaativaa tuotantoa varten; Ilmastoinnin ohjaussiivet ylläpitävät tiukkoja ilmavirtausstandardeja valmistusta ja tutkimusta varten |
| Urheiluareenat | Varmista mukavuus ja turvallisuus sekä urheilijoille että katsojille |
Teollisuus- ja erikoissovellukset
| Tunnelin rakentaminen ja kunnossapito | Paranna työntekijöiden ilmanlaatua ja turvallisuutta tunneliympäristöissä; |
| Teollisuuslaitokset | Kanaviston optimointi; Energiatehokkuus; Kestävä kehitys; Käyttökustannusten alentaminen; |
| Valimot ja raskaan teollisuuden laitokset | Energiatehokkuus; Käyttökustannusten alentaminen; Hukkalämmön talteenotto; Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ja ESG; Raskaan käytön LVI-ilmakanavat; Lämmönhallinta; |
| Meritekniikka | Paranna laivojen ja sukellusveneiden ilmanvaihtojärjestelmiä miehistön mukavuuden ja laitteiden luotettavuuden takaamiseksi; |
| Kaivostoiminta ja maanalainen rakentaminen | Tarjoa elintärkeä ilmanvaihto kaivostyömaille ja muihin maanalaisiin rakenteisiin vähentäen vaarallisten olosuhteiden riskiä; |
Jokainen näistä sovelluksista hyötyy merkittävästi TunnelTechin ohjaussiipien edistyksellisestä suunnittelusta ja toiminnallisuudesta, mikä merkitsee harppausta eteenpäin tehokkaassa ilmavirran hallinnassa. Valitsemalla TunnelTechin pienen ilmanvastuksen ohjaussiivet asiakkaat voivat odottaa paitsi saavuttavansa myös ylittävänsä järjestelmän suorituskykytavoitteet, samalla kun
- •vähentäen energiankulutusta * jopa 30 %
- •vähentäen melua * 60 %, verrattuna tavanomaisiin ilmakanaviin.
* – kokeelliset tulokset TT45Pro-tuulitunnelin geometrialla.
Jos sinulla on kysyttävää tai haluat lisätietoja siitä, miten ohjaussiipemme voidaan räätälöidä erityistarpeisiin, ota yhteyttä tiimiimme. Anna TunnelTechin olla kumppanisi optimaalisten ilmavirran hallintaratkaisujen saavuttamisessa.
Asennus ja huolto
- •Mitat ja tekniset tiedot
Tarkista kanavan mitat ja ohjaussiiven tekniset tiedot ennen asennusta
- •Kiinnitysvaihtoehdot
Saatavana puristin-, pultti- ja hitsauskiinnityksellä
- •Kuormankäsittely
Noudata kuormankäsittelyohjeita turvallista kuljetusta ja sijoittamista varten
- •Vaiheittainen asennus
Yksityiskohtaiset asennusohjeet toimitetaan jokaisen tuotetoimituksen mukana
- •Tarkastusaikataulu
Säännölliset visuaaliset tarkastukset siipien kohdistuksen ja rakenteellisen eheyden varmistamiseksi
- •Puhdistusmenettelyt
Määräaikainen puhdistus pölyn ja roskien kertymisen poistamiseksi siipien pinnoilta
- •Kulumisen seuranta
Tarkkaile korroosion, kulumisen tai mekaanisten vaurioiden merkkejä
- •Vianmääritysopas
Käsittele yleisiä ongelmia, kuten tärinää, melua tai heikentynyttä ilmavirran tehokkuutta
Dokumentaatio
Tekniset tiedot Tunnel Tech -tuulitunnelin kulmaosakokoonpanoista ja ohjaussiipien parametreista ovat saatavilla kattavassa tietolomakkeessa TTE-TSA- ja TTE-TV-tuotteille. Dokumentaatio sisältää tietoja suunnitteluvaihtoehdoista, paikallisista vastuksista vaaka- ja pystysuorille 90 asteen virtauskulmille sekä hydraulisista ja lämmönsiirtoparametreista jäähdytetyille ohjaussiiville.
Lataa TTE-TSA-tietolomake (PDF)Viitteet ja aiheeseen liittyvät julkaisut
Lisätietoja kääntyvien lapojen suunnittelusta ja optimoinnista tuulitunneleihin, teollisuuden kanavistoihin, LVI-kanaviin ja ilmavirran hallintalaitteisiin, puhaltimen suoristimiin jne. löytyy alla olevista linkeistä:
- 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.
Katso myös:
- Moodyn kaavio: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy-Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Kitkakerroin: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Kitkahäviö: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss