פינות סיבוב לתעלות אוויר
פתרונות להבי הנחיה בעלי ביצועים גבוהים למנהרות רוח, מערכות HVAC ויישומים תעשייתיים
מבוא ללהבי הנחיה
בתחום ניהול זרימת האוויר, לתכנון פינות התעלה תפקיד מרכזי ביעילות ובפונקציונליות של אוורור, מערכות HVAC ומנהרות רוח. כאשר אוויר נאלץ לבצע פנייה חדה, כפי שנדרש לעתים קרובות בתעלות, הוא נתקל בהתנגדות הידראולית מוגברת, המובילה להפסדי לחץ גבוהים יותר וטורבולנציה. זה לא רק פוגע ביעילות המערכת על ידי דרישת אנרגיה רבה יותר לשמירה על זרימת האוויר אלא גם משפיע על השלמות המבנית של התעלה עקב הלחצים הלא אחידים המופעלים על ידי זרימות טורבולנטיות.
כאן נכנסים לתמונה להבי הנחיה (Turning vanes), הידועים גם כלהבי פינה (Corner vanes) או כנפוני הנחיה (Guiding vanes) (איור 1). להבי פינת התעלה, המתוכננים להיות מותקנים בתוך הפינות, מאפשרים לאוויר לנווט את הסיבוב בהתנגדות מינימלית, ומפחיתים ביעילות הפסדי לחץ וטורבולנציה ללא צורך במקום הנוסף שכיפופים ברדיוס חלק דורשים. זה הופך את להבי ההנחיה לפתרון אידיאלי לניהול זרימת אוויר ביעילות בחלל קומפקטי.
איור 1. מכלול מקטע פינתי של להבי הנחיה Tunnel Tech
מקטעי להבי הנחיה בעלי ביצועים גבוהים המתחרים בפתרונות HVAC גנריים.
הפתרון המסורתי להתגברות על התופעות המזיקות המוזכרות של טורבולנציה מוגברת, אובדן לחץ ורעש בתעלה מעוקלת בחדות הוא תכנון מרפקים רדיאליים לתעלה (איור 2 ו-איור 4, מקרה 2). מרפקים אלה, בעודם יעילים במידה מסוימת בהפחתת טורבולנציה, רעש והפסדי לחץ (הנפוצים בכיפוף חד כפי שניתן לראות ב-איור 4, מקרה 1), מביאים איתם סט בעיות משלהם.
מספר עבודות תעלה מסורתיות לאוורור עם סיבוב העשוי מפח מתכת מעוקל בצורה חלקה עם מכווני זרימה מכופפים מוצגות ב-איור 2 משמאל. התמונה מייצגת מספר דוגמאות לגרסאות סטנדרטיות הנפוצות בשימוש בתעלות HVAC, למשל תואמות לתקני תעלה DW144.
פתרונות תעלה כאלה נפוצים וחסכוניים ליישומים קטנים בהנדסה אזרחית, עסקים קטנים ומערכות HVAC בהספק נמוך שבהן עלות האנרגיה אינה גורם משמעותי. עם זאת, עיצוב זה אינו פתרון טוב למערכות אוורור וקירור בקנה מידה בינוני וגדול ובתחומים בעלי קיבולת גבוהה כמו ייצור חשמל, מטלורגיה, טורבו-מכונות, מחליפי חום, השבת חום שיורי ויישומים מודרניים של אנרגיה ירוקה ומתחדשת שבהם יעילות הידראולית וחיסכון באנרגיה הם חובה.
עם זאת, אין צורך לבנות תעלה מותאמת אישית שאינה סטנדרטית בכל פעם שיש צורך לייעל את צריכת האנרגיה של רשת הידראולית לשלמות. אותו איור 2 מימין מציג גרסה של מקטע להבי הנחיה אלכסוניים של Tunnel Tech, שהוא יעיל אנרגטית, שקט ובעל טורבולנציה נמוכה, תוך עמידה בסטנדרטים של התעשייה למערכות HVAC, אך יכול לשמש גם במקרי שימוש תעשייתיים בקנה מידה גדול ובהספק גבוה. דוגמה למתקן בקנה מידה גדול שבו ניתן לשלב בקלות את מקטע להבי ההנחיה האלכסוניים מוצגת ב-איור 3.
איור 2. מרפק HVAC חלק מסורתי בקנה מידה בינוני עם להב מפצל עשוי פח, תקן DW144 (משמאל), ומכלול להבי הנחיה אלכסוניים בעלי ביצועים גבוהים של Tunnel Tech לתעלות אוויר סטנדרטיות (מימין).
איור 3. מקטעי סיבוב תעלת אוויר בקנה מידה גדול של Tunnel Tech למנהרות רוח, ייצור חשמל ויישומים תעשייתיים.
תכנון להבי הנחיה למפל לחץ, טורבולנציה והפחתת רעש
להשוואה בין עיצובי פינות סיבוב שונים, מפלי הלחץ (ΔP) ודפוסי הזרימה בסימולציית CFD מוצגים ב-איור 4 להלן. מהירות זרימת האוויר בכניסה של 20 m/s ותעלה מרובעת של 2×2 מטר נבחרו כדוגמה להמחשה. טווח המהירות של 20 m/s נבחר למטרות הדגמה, מכיוון שבדרך כלל מנהרות רוח אנכיות ברמה מקצועית ל-indoor skydiving פועלות רוב הזמן במצבים שבהם מהירות הזרימה במקטע המסתובב נע בין 10 ל-30 m/s. חישובי CFD בוצעו עבור אטמוספירה סטנדרטית אחת ב-20 מעלות צלזיוס ולחות אוויר אפסית עם גז דחיס וקיר אדיאבטי עם חספוס של 250 µm. נעשה שימוש ברשת של 6 עד 10 מיליון תאים לכל תחום. פרופיל כניסה שטוח ו-2% טורבולנציה יושמו בגבול הכניסה. הטורבולנציה טופלה באמצעות מודל k-ε.
שימו לב! אנא שימו לב שהאיורים המוצגים באיור 4 הם דוגמאות ספציפיות, המוצגות אך ורק לצורך המחשת עקרונות הפעולה והשוואה בין מספר סוגים של מקטעי פינה מסתובבים. לא ניתן לפרש מקרים אלה ככלליים עבור כל מקרה שימוש באופן מוחלט. עבור כל מערכת אוורור אמיתית או רשת הידראולית אחרת, יש לקחת בחשבון פרמטרים הידראוליים ספציפיים, גודל וצורת התעלה, חספוס ואי-סדירויות מבניות, אי-הומוגניות בזרימה ופרמטרים פיזיקליים מדויקים של הגז עבור כל נקודת חישוב. ניתן להזמין חישוב כזה עבור מערכת ספציפית על ידי יצירת קשר איתנו.
מקרים העיצוב הבאים מתוארים:
- מקטע פינתי ללא להבי הנחיה.
- מקטע פינתי מעוקל בצורה חלקה (r = ½ מגובה התעלה) עם מכווני זרימה מכופפים רדיאלית. מפל הלחץ תלוי גם במספר ובגיאומטריה של מרווחי התעלה. מוצגת הדוגמה עם מספר מינימלי של לוחות מפצלי זרימת אוויר בצורה אופטימלית.
- לוחות דקים פשוטים מכופפים רדיאלית (עובי 10-20 מ"מ).
- להבי הנחיה טי פוסיים לא אופטימליים של המתחרים הקרובים ביותר.
- להבי ההנחיה של Tunnel Tech (TTE-TV) עם פרופיל אופטימלי.
הבעיה המשמעותית ביותר של תעלות מעוגלות עם מספר קטן של מחיצות פח פשוטות (או ללא להבי הנחיה כלל) היא דפוס התפלגות הלחץ והמהירות ביציאה ממקטע הסיבוב (איור 4, מקרה 2, ראו את חתך היציאה). דפוס זה מראה שהמהירות תגדל מהקיר החיצוני לקיר הפנימי של כל תת-תחום זרימה, מה שמוביל לזרימה לא אחידה, טורבולנציה גדולה ורעש. ככל שרדיוס הסיבוב קטן יותר, כך גדלה האפשרות להיפרדות זרימה (flow separation), עיוות שדה הלחץ והמהירות, רמת הרעש וערך מפל הלחץ.
הדרך היחידה להתגבר על בעיות אלו היא רדיוס עקמומיות גדול של מקטע פינתי כזה והגדלת מספר להבי הנחיית זרימת האוויר. כאן מגיעה הבעיה השנייה – המקום המוגדל הנדרש להכיל כיפופים כאלה ועלות החומר של מספר מרווחי תעלת אוויר רדיאליים, המותאמים לחתך התעלה. במערכות תעלה גדולות, יישום כיפופים ברדיוס חלק עלול להוביל למבנים גדולים באופן בלתי סביר, מה שהופך גישה זו ללא מעשית בתרחישים רבים, במיוחד היכן שהמקום מוגבל. המקום הנוסף הנדרש מוצג על ידי הקווים המקווקוים ב-איור 4, מקרה 2 להלן. יש להגדיל את הגובה והרוחב של כל סיבוב במינימום ½ מגודל התעלה. עבור מנהרות רוח במעגל סגור (recirculating), משמעות הדבר היא הגדלת מימדי הבניין במספר מטרים בכל כיוון, מה שמוביל לעלויות תשתית גבוהות יותר והשקעות הון גבוהות יותר. בנוסף, כל מחלק זרימה יעלה כמו קיר התעלה.
איור 4. מקטעי פינה בתעלות אוויר - השוואת עיצוב וביצועים
הפתרון האופטימלי למנהרות רוח ואוורור תעשייתי הוא להבי הנחיה מסתובבים עם פרופיל כנף המסודרים לאורך האלכסון כפי שמתואר ב-איור 4, מקרים 3-5.
כל תמונות ה-CFD לעיל מתייחסות למקטע פינתי של תעלת אוויר עם כניסה של 2x2 מטר במהירות זרימת אוויר של 20 m/s, כדוגמה הרלוונטית ביותר למקרי שימוש של indoor skydiving ומנהרות רוח תת-קוליות במהירות נמוכה.
איור 4 מקרה 3 מציג מקטע פינתי עם להבי הנחיה פשוטים העשויים מפח מתכת דק ומכופף. איור 4 מקרה 4 הוא הדוגמה הטובה ביותר ללהבים מסתובבים הזמינים אצל המתחרים הקרובים ביותר של TunnelTech. לשניהם אורך מיתר קטן יותר וצורת פרופיל אווירודינמי לא אופטימלית, וכתוצאה מכך נראה שיש חוסר אחידות בזרימה ביציאה מהמקטע, התנגדות אווירודינמית גדולה יותר ורעש בתעלת האוויר. להבים דקים העשויים מפח מתכת מכופף פשוט חורגים בדרך כלל מרמות הרעש המותרות גם במהירות אוויר נמוכה, ואופציה עם פרופיל עבה וקצר בעל יחס מיתר-לעובי נמוך תהיה גם בעלת שטח פנים קטן יותר, דבר שאינו רצוי ביישומים בהם משתמשים בלהבי הנחיה מקוררים להעברת חום.
בחלק התחתון של איור 4 מקרה 5, מוצגת פינת תעלת האוויר המצוידת ב-להבי הנחיה בעלי ביצועים גבוהים של Tunnel Tech (להזמנה עיינו במק"ט הבא: TTE-TV-90). כפי שניתן לראות מהחתכים, הזרימה אחידה יותר במקרה של להבי הנחיה בעלי פרופיל נכון, מה שמוביל לפחות מפל לחץ וטורבולנציה נמוכה.
פרופיל הלחץ/מהירות האוויר ביציאה טוב בהרבה גם במקטעי הפינה של Tunnel Tech המצוידים בלהבים בעלי מיתר ארוך לעומת מקרים אחרים. התוצאה היא איכות אווירודינמית ללא תחרות של Tunnel Tech, כפי שמשתקף בביקורות רבות של צנחנים מקצועיים ולקוחות אחרים.
כל הנתונים שנדונו לעיל, כולל אורך המיתר ואפשרויות הקירור, זמינים גם ב-<strong>טבלה 1</strong>.
| מקרה / סוג להב | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | אורך מיתר (מ"מ) | קירור |
|---|---|---|---|---|
| 1. ללא להבים, פנייה חדה | 114 | 0.47 | — | לא |
| 2. מקטע פינתי מעוקל בצורה חלקה | 41 | 0.17 | > 2000 | לא |
| 3. לוחות דקים פשוטים מכופפים רדיאלית | 80 | 0.33 | 250–500 | לא |
| 4. להבי הנחיה של המתחרים הקרובים ביותר | 88 | 0.37 | 280 | כן |
| 5. להבי הנחיה אופטימליים של Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | כן |
ערכי מקדם ההפסד ההידראולי לטווח מהירות של עד 100m/s עבור מקטע סיבוב התעלה עם להבי TunnelTech ומתחרים, ללא שונות עקב בחירת הנתונים ההתחלתיים, ניתנים ב-איור 5.
פרטים נוספים על הפסדים הידראוליים לאורך התעלה, התנגדות מקומית ומקדם הפסד הידראולי כולל ניתנים להלן.
איור 5. השוואה בין מקטע הסיבוב של Tunnel Tech למתחרים. מקדם הפסד הידראולי Darcy-Weisbach לאותה גיאומטריה ותנאי חישוב התחלתיים.
הפחתת טורבולנציה לחישובי בטיחות הידראוליים ומבניים אמינים
איור 6. סולם טורבולנציה במקטע להבי פינה של Tunnel Tech (מטרים) ב-20 m/s
פרופיל לחץ/מהירות חלק וצפוי חשוב במיוחד עבור יישומים שבהם טורבולנציה גבוהה או היפרדות זרימה אינן מקובלות, כגון מנהרות רוח ניסיוניות, מתקני indoor skydiving ויישומים בעלי הספק גבוה. תופעות טפיליות אלו, כמו גם פעימות לחץ הנגרמות על ידי היפרדות זרימה וטורבולנציה בקנה מידה גדול, אינן מקובלות גם במתקנים הדורשים היעדר רעידות מושרות אקוסטית והיכן שכל סטיית לחץ סטטי אסורה עקב דרישות יציבות מבנית של תעלת האוויר. בנוסף, זרימות טורבולנטיות אלו הן מקור נפוץ לרעש, מה שפוגע עוד יותר בביצועים הכוללים של המערכת ובנוחות המסופקת למשתמשי הקצה.
יש לקחת בחשבון גם שאי-סדירויות בזרימה נוטות להתפתח ולהתעצם עוד יותר, אם לא נעשה שימוש במיישרים מיוחדים, כוורות (honeycombs), רשתות דה-טורבוליזציה או התקני ניהול זרימת אוויר אחרים [1-3]. ניתוח דינמיקת גז מדויק דורש לחשב את ההתנגדות של כל אלמנט תעלת אוויר הבא תוך התחשבות בפרופיל הלחץ/מהירות האמיתי בכניסה, הנוצר באלמנט הקודם של הרשת ההידראולית. עבור רשתות הידראוליות ארוכות לעיתים קרובות בלתי אפשרי לבצע סימולציית CFD של המערכת כולה עקב המימדים העצומים. למצב כזה, משתמשים בחישובים חצי-אמפיריים מקורבים המערבים מספרים חסרי מימד של הנוזל וקריטריוני גיאומטריה [4] או תוכנה המבוססת על שיטות כאלה. כמו כן, מידול FEA לקביעת יציבות מבנית של התעלה מבוצע בדרך כלל עם שדה לחץ סטטי יציב המופעל על קירות התעלה. לפיכך, אי-סדירויות זרימה חמורות המתפתחות במורד הזרם יכולות גם להכניס שגיאה לחקירות קריטיות לבטיחות של מבנים נושאי עומס.
שיטות מקורבות בדרך כלל אינן עוסקות בעיוות פרופיל המהירות בכניסה לאלמנט הרשת ההידראולית, ובמקרה הטוב לוקחות בחשבון האם הפרופיל מפותח או טרם-מפותח (אחיד), ואת פרמטרי שכבת הגבול. במנהרות רוח ומערכות אוורור תעשייתיות, כל פניית זרימה עלולה לגרום לאי-אחידות וסחרור זרימה חזק, מה שמוביל לאי-ודאות בחישובי התנגדות הידראולית ברשתות הידראוליות ארוכות. לכן, במידת האפשר, יש להימנע מהופעת אי-סדירויות גדולות בפרופיל המהירות.
ניתן לראות ב-איור 6 ומהמודגם לעיל שהפרמטרים של מקטעי סיבוב עם להבי הנחיה של TunnelTech הם כאלה שאינם יוצרים הפרעות זרימה נוספות אלא יכולים לשמש גם לשיכוך סחרורים ואי-אחידות במורד הזרם ממקטע הסיבוב. לפיכך, המקטע המסתובב עם להבי TunnelTech יכול לשמש גם כמיישר זרימה יעיל, המותקן אחרי המאוורר הצירי, דיפיוזר התעלה, מחליף החום, מקטע הבדיקה, הסתעפות או התחברות לתעלה, או כל אובייקט אחר היוצר טורבולנציה.
מקדם התנגדות מקומית
ניתן לחשב את מאפייני ההתנגדות המקומית של פינת הסיבוב באמצעות משוואת Darcy-Weisbach הידועה:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
כאשר:
- ΔP – סך הפסדי הלחץ (מפל לחץ) ב-Pa;
- ξ – מקדם התנגדות מקומית (Darcy-Weisbach);
- ρ – צפיפות הנוזל (kg/m³);
- V – מהירות הנוזל בחתך הכניסה (m/s).
פרמטרים אלה, הקובעים את היעילות האנרגטית של תעלת האוויר, תלויים מאוד בעיצוב להבי ההנחיה.
על פי [4] ההתנגדות הכוללת של אלמנט הידראולי מורכב יכולה להיות מיוצגת כסכום של התנגדות חיכוך האורך ξL והתנגדות מקומית ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
עבור תעלת אוויר ישרה, התנגדות האורך פרופורציונלית לאורך וביחס הפוך לקוטר ההידראולי, מה שמתבטא בנוסחה:
ξL = (L / D) · f
כאשר f הוא מקדם החיכוך של Darcy.
במקרה של צינורות בעלי צורה פשוטה (כלומר עיגול, ריבוע, משושה), ניתן לבטא את f על ידי תלות לא ליניארית במספר ריינולדס בלבד – ראו פרק 2 ב-[4] או https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
מקדם החיכוך f עבור צינור עגול פשוט (תעלה עגולה) עם קירות חלקים, עם פרופיל זרימה מיוצב ומפותח בכניסה ועבור משטר טורבולנטי (מספרי ריינולדס Re > 4×103) ניתן לחישוב על ידי הנוסחה:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
עבור תעלות אמיתיות, יש לקחת בחשבון גם חספוס.
איור 7 להלן מציג גרף של מקדם החיכוך של Darcy כנגד מספר ריינולדס Re עבור חספוס קיר יחסי שונה, שפורסם לראשונה על ידי Nikuradze ב-[5-8]. גרף זה ידוע גם כדיאגרמת Moody [9] או קורלציית Colebrook-White [10-11]. מחקר מודרני לצינורות חלקים ניתן למצוא ב-[12].
דיאגרמה זו מציגה את התלות המורכבת של f(Re) עבור צינור עגול בעל חספוס שונה. עבור צינורות מרובעים ואחרים שאינם עגולים, הדיאגרמה תהיה מורכבת יותר. לכן, יש לקחת בחשבון משטרי זרימה (מספר ריינולדס), צורת התעלה וחספוס קיר יחסי.
איור 7. דיאגרמת Moody (הידועה גם כ-Nikuradze), המציגה את מקדם החיכוך Darcy–Weissbach fD כנגד מספר ריינולדס Re עבור חספוס יחסי שונה – דיאגרמה מקורית: S Beck and R Collins, University of Sheffield, Shared under CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
במקרה של תעלות מחוספסות אמיתיות, עדיין ניתן לייצג את ההתנגדות הכוללת כסכום ξSUM = ξL + ξ0 של התנגדות האורך וההתנגדות המקומית.
ייצוג זה של הסכום מפשט את חקר פרמטרי התעלה, מכיוון שניתן לחשב את ההתנגדות המקומית ξ0 עבור גיאומ טריית אלמנט מפושטת – למשל, בניסוח מחזורי של הבעיה עם תחום חישוב קטן יותר או בגרסת דו-ממד של הבעיה. שימו לב לגודל העצום של תחום החישוב בדוגמאות המוצגות ב-איור 4, שבו למקטע יש גובה של 3 ואורך של 18 מטרים, והתכנסות הרשת מתחילה להופיע בצורה מספקת בגודל של יותר מ-10 מיליון אלמנטי רשת. גרסה של ניסוח הבעיה עם תנאים מחזוריים או דו-ממדיים למקרים אלה יכולה להיות בעלת סדר גודל קטן יותר של מספר אלמנטי רשת, והחישוב המפושט של כל נקודת מהירות עבור גרף ה-ΔP(v) ייקח רק עניין של דקות או אפילו שניות במקום שעות.
לפיכך, חלוקה לסכום של שתי התנגדויות יכולה לפשט משמעותית את החישובים – ניתן לקבוע במהירות את ההתנגדות המקומית ξ0 ואז להוסיף את התנגדות האורך ξL. את האחרונה ניתן להעריך במהירות מטבלאות ידועות או על ידי נוסחאות מקורבות המשתמשות במשוואות מפושטות המבוססות על מספרים חסרי מימד ופרמטרי גיאומטריה של תעלת האוויר. עבור אלמנטים הידראוליים ורשת תעלות עם שינויים חדים בכיוון הזרימה (מרפקים זוויתיים, כיפופים חלקים, כיפופים בזוויות שונות עם ובלי להבי הנחיה), גישה ושיטה דומות מוצגות בפרקים 6-1 ו-6-2 ב-Handbook of hydraulic resistance המקיף [4].
דגשים במוצר
להבי הנחיית זרימת האוויר של Tunnel Tech (מוצר TTE-TV) נמצאים בחזית טכנולוגיה זו, ומציעים יעילות ללא תחרות בניהול זרימת אוויר. המוצרים שלנו מתוכננים למגוון רחב של יישומים, ממתקני indoor skydiving ומנהרות רוח ועד מערכות HVAC ואוורור, ומגלמים את חוד החנית של תכנון אווירודינמי ויעילות אנרגטית.
ביצועי מקטע להבי הנחיה בתעלות אוויר
להבי הנחיית זרימת האוויר בעלי הביצועים הגבוהים של Tunnel Tech קובעים את הסטנדרט בתעשייה ליעילות הספק ואווירודינמיקה. להבי ההנחיה חוסכי האנרגיה שלנו מתוכננים למזער חיכוך אווירודינמי, ומבטיחים זרימת אוויר חלקה והפחתת צריכת האנרגיה.
ללהבי ההנחיה של TunnelTech יש מאפייני התנגדות מקומית מצוינים בתעלת האוויר. פרמטרי התנגדות, המחושבים באמצעות משוואת Darcy-Weisbach, כמתואר לעיל, מוצגים באיורים הבאים (ראו איור 8 להלן) וב-גיליון נתונים של להבי הנחיה.
באופן כללי, עבור המקרה שבו גודל התעלה אינו ידוע, ניתנים ערכים עבור אלמנט אידיאלי הכולל תנאי שפה רוחביים מחזוריים, מבלי לקחת בחשבון את התרומה של התנגדות קיר נוספת לאורך, חספוס והשפעת פרמטרים מקומיים אחרים. ב-איור 8 ניתנים הערכים עבור אלמנט פינה מסתובב אידיאלי עם להבי Tunnel Tech, שחושב בקירוב רצף מחזורי אינסופי של ערימת 15 להבים עם תנאי שפה מחזוריים.
איור 8. מקדם התנגדות מקומית ומפל לחץ תואם של להב הנחיה Tunnel Tech.
אם מערכת ה-HVAC או מערכת הידראולית אחרת מורכבת מתעלות שאינן משנות בדרך כלל את צורת החתך של אזור הזרימה לאורך נתיב הזרימה, נוח להעריך את ההתנגדות ליחידת אורך לחישובים מקורבים (להערכה, כמובן, עבור כל טווח המהירות):
KL = ξL / L = f / Dh
כאשר Dh הוא הקוטר ההידראולי של התעלה. את הערך של KL קל לקבוע מספרי עיון, כפי שנדון לעיל. לפיכך, על ידי הכפלת ערך זה באורך, והוספת ערכי התנגדות מקומית ξ0 שהתקבלו מגיליונות נתונים או חושבו באופן עצמאי, ניתן להעריך במהירות את סך הפסד הלחץ במערכת.
ξSUM = KL · L + ξ0
הדוגמאות הממחישות לעיל המוצגות באיור 4 של תעלה מרובעת בגודל 2×2 מטר עם פרמטרי הגז והחספוס ששימשו בחישוב הן בעלות התנגדות ליחידת אורך בסדר גודל של K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2.1 Pa. ערך זה חל בעת הערכת תעלה מרובעת ללא התחשבות בכיפופים, להבים או ציוד פנימי אחר. עבור אורך מלא של 21 מטרים שמסת האוויר עוברת לאורך התעלה יתקבל מפל לחץ של ~44 פסקל. הוספת הערך המוצג באיור 8 (11 Pa למהירות של 20 m/s שנלקח לפי גיליון נתונים של להבי הנחיה (טבלה A.2.1) נותנת התנגדות כוללת של 55 Pa עבור מקטע תעלה מרובעת אמיתית של 2×2 עם להב ים מסתובבים בתוכה. ערך זה תואם היטב לערך המוצג באיור 4, מקרה 5.
מידע נוסף על דרכים מקורבות לחישוב התנגדויות תעלה בכל צורה ללא שימוש בשיטות CFD ניתן למצוא בקלות ב-<a href="#references">[4]</a> או בספרות דומה.
שימו לב! אנא שימו לב שהדוגמאות המוצגות באיור 4 הן רק מקרה פרטי להדגמת פעולת הלהבים המסתובבים ואינן יכולות לשמש להערכת תעלה שרירותית! איור 8 ישים בהקשר רחב יותר, אולם יש לקחת בחשבון את הפרמטרים הספציפיים של תעלת הלקוח. כל מערכת ספציפית זקוקה לניתוח מפורט, אותו תוכלו להזמין מ-Tunnel Tech. לחישוב מדויק של ההתנגדות ההידראולית של התעלה והערכת מומחה של צריכת האנרגיה של ציוד האוורור או מנהרת הרוח שלכם, אנא צרו קשר איתנו.
מידע נוסף על שירותים ומו"פ ניתן למצוא גם בעמוד טכנולוגיה ובמדור שירותים.
להב הנחיה לקירור וחימום תעשייתי
ייחודיים בין להבי הנחיה לתעלות אוויר תעשייתיות, המוצרים שלנו מציעים את היכולת להזרים נוזל קירור בקצב זרימה גבוה, המאפשר קירור או חימום יעיל של האוויר כשהוא עובר דרך התעלה. תכונה זו פותחת אפשרויות חדשות בוויסות תרמי לשימוש בלהבי בקרת אקלים פנימיים ומחליפי חום משולבי תעלת אוויר בעלי התנגדות נמוכה, ומספקת ללקוחותינו פתרונות מגוונים לצרכי זרימת האוויר שלהם.
מוערכים באמצעות שיטת חישוב HTCL (מקדם מעבר חום למטר ליניארי), המכמתת את שטף החום (בוואט) למטר אורך להב הנחיה לכל קלווין של הפרש טמפרטורה ממוצע לוגריתמי (ΔTLMTD) בין האוויר החיצוני לנוזל הקירור בלהב הפינה, להבי ההנחיה שלנו מתוכננים לפיזור חום יעיל על פני תנאי זרימת אוויר שונים, ומבטיחים ביצועים יציבים וויסות טמפרטורה.
פרמטרי מקדם מעבר חום עבור להבי הנחיה מקוררי מים מוצגים ב-איור 9, הן לאוויר לח והן ליבש, כאשר ΔP [kPa] מייצג את הפרש לחץ המים בין פתחי הכניסה והיציאה של הלהב (כחול ואדום ב-איור 10).
איור 10. תעלות קירור בלהב הנחיה
איור 9. מקדם HTCL. אוויר יבש (RH=0%) ולח (RH=90% ב-30 °C) בהפרשי לחץ נוזל קירור שונים (מים) בין פתחי הכניסה והיציאה של תעלת הקירור.
להבי הנחיה להשבת חום שיורי (Waste Heat Recuperation)
להבי הנחיה מקוררים עם תעלות החלפת חום משולבות מציעים פתרון רב-תכליתי להשבת חום שיורי במגוון יישומים. כאשר משולבים במערכות החלפת חום, להבים אלה יכולים ללכוד אנרגיה תרמית עודפת שאחרת הייתה הולכת לאיבוד, ולהעביר אותה למערכות השבת חום, ובכך לשפר משמעותית את היעי לות הכוללת של המערכת.
ביישומים מעשיים, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו במספר תחומים. למשל, בתהליכים תעשייתיים, להבי הנחיה מקוררים יכולים להשיב חום שיורי מגזי פליטה ולהפנות אותו לחימום מוקדם של נוזלים או אוויר נכנסים, ובכך להפחית את צריכת האנרגיה. במערכות HVAC, עקרונות דומים מיושמים באמצעות התקנים כמו מאווררי השבת חום (HRVs) ומאווררי השבת אנרגיה (ERVs), המעבירים חום בין זרמי אוויר פליטה ונכנסים. תהליך זה ממזער את האנרגיה הנדרשת לחימום או קירור אוויר נכנס, ומוביל לחיסכון משמעותי באנרגיה.
בנוסף, ניתן לשלב להבי הנחיה מקוררים במערכות המשמשות במגזרי ייצור חשמל ואנרגיה מתחדשת. למשל, במערכות חום וכוח משולבות (CHP), חום שיורי מייצור חשמל מושב ומשמש למטרות חימום, ומשפר את היעילות הכוללת של המערכת. במערכות אנרגיה גיאותרמית, להבים אלה יכולים לסייע בניהול האנרגיה התרמית המופקת מהאדמה, ולייעל את תהליכי העברת החום.
ביוזמות אנרגיה ירוקה ומתחדשת, השבת חום שיורי ממלאת תפקיד קריטי בהפחתת טביעות רגל פחמניות ושיפור הקיימות של מערכות אנרגיה. גישה זו תואמת לעקרונות ייצור רזה (lean manufacturing) על ידי שיפור יעילות המשאבים והפחתת עלויות תפעול באמצעות ניהול חום יעיל. יתרה מכך, בפרויקטי ESG, שילוב טכנולוגיות כאלה מדגים מחויבות למזעור ההשפעה הסביבתית ואופטימיזציה של השימוש במשאבים, בהתאמה ליעדי קיימות רחבים יותר.
השבת חום (Heat Recuperation) – פרויקטים קשורים
ל-Tunnel Tech ניסיון רב ביישום פרויקטים המערבים החלפת חום ומערכות HVAC המתוכננות להשבת חום שיורי באמצעות להבי הנחיה מקוררים. על ידי שילוב להבים אלה במערכי החלפת חום, המתוכננים ללכוד ולנצל מחדש אנרגיה תרמית שאחרת הייתה הולכת לאיבוד, Tunnel Tech מאפשרת השבה יעילה יותר של חום שיורי מתהליכים תעשייתיים ומסחריים שונים. גישה זו לא רק משפרת את היעילות האנרגטית אלא גם תומכת ביעדי קיימות על ידי הפחתת צריכת האנרגיה ועלויות התפעול.
יישומים
להבי ההנחיה שלנו משרתים מגוון רחב של תעשיות ויישומים
מערכות HVAC
| מבנים מסחריים | אופטימיזציה של תעלות; יעילות אנרגטית; הפחתת עלויות תפעול; שיפור הבריאות והבטיחות על ידי ניהול יעיל של איכות האוויר והטמפרטורה; |
| מתחמי מגורים | הבטחת סביבת מגורים נוחה עם איכות אוויר וזרימה אופטימליות; שיפור הבריאות והבטיחות; |
| מרכזי נתונים (Data Centers) | להבי זרימת אוויר לניהול תרמי שומרים על רמות טמפרטורה ולחות קריטיות לביצועי שרתים ואריכות ימים; |
מערכות אוורור להנדסה אזרחית
| בתי חולים ומתקנים רפואיים | להבי הנחיה שקטים מספקים בקרת איכות אוויר חיונית להגנה על מטופלים וצוות; שיפור הבריאות והבטיחות על ידי ניהול יעיל של איכות האוויר והטמפרטורה |
| מוסדות חינוך | יצירת סביבות למידה תומכות באמצעות זרימת אוויר משופרת |
בקרת סביבה
| אלקטרוניקה, ביו-טק, פוד-טק ומתקני היי-טק אחרים / חדרים נקיים | ויסות טמפרטורה ולחות לייצור היי-טק תובעני; להבי הנחיה למיזוג אוויר שומרים על תקני זרימת אוויר מחמירים לייצור ומחקר |
| זירות ספורט ואצטדיונים | הבטחת נוחות ובטיחות לספורטאים ולצופים כאחד |
יישומים תעשייתיים ומיוחדים
| בנייה ותחזוקה של מנהרות | שיפור איכות האוויר והבטיחות לעובדים בסביבות מנהרה; |
| מתקנים תעשייתיים | אופטימיזציה של תעלות; יעילות אנרגטית; פיתוח בר-קיימא; הפחתת עלויות תפעול; |
| בתי יציקה ומתקנים לעומס כבד | יעילות אנרגטית; הפחתת עלויות תפעול; השבת אנרגיית חום שיורי; הפחתת פחמן ו-ESG; תעלות אוויר HVAC לעומס כבד; ניהול תרמי; |
| הנדסה ימית | שיפור מערכות האוורור בספינות וצוללות לנוחות הצוות ואמינות הציוד; |
| כרייה ובנייה תת-קרקעית | אספקת אוורור חיוני לאתרי כרייה ומבנים תת-קרקעיים אחרים להפחתת הסיכון לתנאים מסוכנים; |
כל אחד מהיישומים הללו נהנה באופן משמעותי מהעיצוב המתקדם והפונקציונליות של להבי ההנחיה של TunnelTech, מה שמסמן קפיצת מדרגה בניהול יעיל של זרימת אוויר. על ידי בחירה בלהבי הנחיית האוויר בעלי הגרר הנמוך של TunnelTech, לקוחות יכולים לצפות לא רק לעמוד ביעדי ביצועי המערכת שלהם אלא אף להתעלות עליהם, כל זאת תוך כדי
- •הפחתת צריכת האנרגיה * בשיעור של עד 30%
- •הפחתת הרעש * ב-60%, בהשוואה לתעלות אוויר קונבנציונליות.
* – תוצאות ניסיוניות עבור גיאומטריית מנהרת הרוח TT45Pro.
לבירורים ופרטים נוספים כיצד ניתן להתאים את להבי ההנחיה שלנו לצרכים ספציפיים, אנא צרו קשר עם הצוות שלנו. תנו ל-TunnelTech להיות השותפה שלכם להשגת פתרונות ניהול זרימת אוויר אופטימליים.
התקנה ותחזוקה
- •מידות ומפרטים
אמת את מידות התעלה ומפרטי להבי ההנחיה לפני ההתקנה
- •אפשרויות הרכבה
זמין בתצורות הידוק (clamp-on), הברגה (bolt-on) וריתוך (weld-on)
- •טיפול בעומס
פעל לפי הנחיות הטיפול בעומס להובלה ומיקום בטוחים
- •התקנה שלב-אחר-שלב
הוראות התקנה מפורטות מסופקות עם כל משלוח מוצר
- •לוח זמני בדיקות
בדיקות חזותיות סדירות להבטחת יישור הלהבים ושלמות מבנית
- •נהלי ניקוי
ניקוי תקופתי להסרת הצטברות אבק ופסולת על משטחי הלהבים
- •ניטור בלאי ושחיקה
ניטור סימני קורוזיה, שחיקה או נזק מכני
- •מדריך פתרון תקלות
טיפול בבעיות נפוצות כגון רעידות, רעש או יעילות זרימת אוויר מופחתת
תיעוד
מידע טכני על מכלולי פינות מנהרות הרוח של Tunnel Tech ופרמטרים של להבי הנחיה זמין בגיליון נתונים מקיף למוצרי TTE-TSA ו-TTE-TV. התיעוד מכיל מידע על אפשרויות תכנון, התנגדויות מקומיות לפינות זרימה אופקיות ואנכיות של 90 מעלות, וכן פרמטרים הידראוליים ומעבר חום עבור להבי הנחיה מקוררים.
הורד גיליון נתונים TTE-TSA (PDF)מקורות ופרסומים קשורים
מידע נוסף על תכנון ואופטימיזציה של להבים מסתובבים למנהרות רוח, תעלות תעשייתי ות, תעלות HVAC וציוד ניהול זרימת אוויר, מיישרי זרימה למאווררים וכו' ניתן למצוא בקישורים למטה:
- 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.
ראו גם:
- דיאגרמת Moody: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy-Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- מקדם חיכוך (Friction factor): en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- הפסד חיכוך (Friction loss): en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss