מבוא ללהבי הנחיה
בניהול זרימת אוויר, תכנון פינות התעלה ממלא תפקיד מפתח ביעילות ובביצועים של מערכות אוורור ו-HVAC ומנהרות רוח. כאשר אוויר מאולץ לעבור דרך פנייה חדה, כפי שלעתים קרובות בלתי נמנע בתעלות, הוא נתקל בהתנגדות הידראולית מוגברת, מה שמוביל להפסדי לחץ גבוהים יותר ולטורבולנציה. הדבר לא רק מפחית את יעילות המערכת, שכן נדרשת יותר אנרגיה כדי לשמור על זרימת האוויר, אלא גם משפיע על השלמות המבנית של התעלות באמצעות עומסי לחץ לא אחידים המופעלים על ידי זרימה טורבולנטית.
כאן נכנסים לתמונה להבי הנחיה (turning vanes), הידועים גם כלהבי פינה (corner vanes) או כנפוני הנחיה (guide vanes) (איור 1). להבי ההנחיה, המותקנים בתוך הפינה, מנחים את האוויר דרך הפנייה במינימום התנגדות, ומפחיתים את הפסדי הלחץ והטורבולנציה ללא המקום הנוסף שדורש עיקול רדיוס חלק. זה הופך את להבי ההנחיה לפתרון אידיאלי לניהול זרימת אוויר ביעילות בחלל קומפקטי.
איור 1. מכלול מקטע פינה עם להבי הנחיה של TunnelTech
מקטעי להבי הנחיה בעלי ביצועים גבוהים כחלופה לפתרונות HVAC גנריים.
הדרך המסורתית להפחית את הטורבולנציה, הפסד הלחץ והרעש של תעלה מעוקלת בחדות היא מרפק רדיוס (איור 2 ו-איור 4, מקרה 2). בעוד שמרפקי רדיוס אכן מפחיתים חלקית את הטורבולנציה, הרעש והפסדי הלחץ האופייניים לעיקול חד (ראה איור 4, מקרה 1), הם מביאים איתם בעיות משלהם.
מספר עיקולי תעלות HVAC קונבנציונליים, העשויים מפח מתכת מעוקל בצורה חלקה עם להבי פיצול מכופפים, מוצגים באיור 2 משמאל. אלו הן גרסאות סטנדרטיות טיפוסיות הנפוצות בשימוש בתעלות HVAC, למשל תואמות לתקן התעלות DW144.
רכיבי תעלה כאלה נפוצים וחסכוניים עבור יישומים קטנים בהנדסה אזרחית, עסקים קטנים ומערכות HVAC בהספק נמוך שבהם עלות האנרגיה אינה גורם משמעותי. עם זאת, תכנון זה אינו פתרון טוב למערכות אוורור וקירור ביישומים בקנה מידה בינוני וגדול בעלי קיבולת גבוהה – ייצור חשמל, מטלורגיה, מכונות טורבו, מחליפי חום, השבת חום שיורי ואנרגיה ירוקה ומתחדשת מודרנית – שבהם יעילות הידראולית וחיסכון באנרגיה הם חובה.
עם זאת, אין צורך לבנות תעלה מותאמת אישית ולא סטנדרטית בכל פעם שיש לבצע אופטימיזציה מלאה של צריכת האנרגיה של רשת הידראולית. אותו איור 2, מימין, מציג גרסה של מקטע הפינה האלכסוני עם להבי הנחיה של TunnelTech, שהוא חסכוני באנרגיה, בעל רעש נמוך וטורבולנציה נמוכה, עומד בתקני התעשייה למערכות HVAC, ויכול לשמש גם ביישומים תעשייתיים בקנה מידה גדול ובהספק גבוה. דוגמה למתקן בקנה מידה גדול שבו ניתן לשלב בקלות את מקטע להבי ההנחיה האלכסוניים מוצגת באיור 3.
איור 2. מרפק חלק קונבנציונלי למערכות HVAC בקנה מידה בינוני עם להב פיצול מפח מתכת לפי תקן DW144 (משמאל), ומכלול להבי הנחיה אלכסוניים בעלי ביצועים גבוהים של TunnelTech לתעלות אוויר סטנדרטיות (מימין).
איור 3. מקטעי פינה גדולים עם להבי הנחיה לתעלות אוויר של TunnelTech עבור מנהרות רוח, ייצור חשמל ויישומים תעשייתיים.
תכנון להבי הנחיה להפחתת הפסד לחץ, טורבולנציה ורעש
כדי להשוות בין עיצובים שונים של פינות סיבוב, הפסדי הלחץ (ΔP) ודפוסי הזרימה המדומים ב-CFD מובאים באיור 4 להלן. מהירות זרימת אוויר בכניסה של 20 m/s ותעלה מרובעת של 2×2 m נבחרו כדוגמת המחשה. המהירות של 20 m/s נבחרה מכיוון שמנהרות רוח אנכיות ברמה מקצועית עבור צניחה חופשית במנהרה פועלות בדרך כלל רוב הזמן במצבים שבהם מהירות הזרימה במקטע הסיבוב היא בין 10 ל-30 m/s. חישובי CFD בוצעו בלחץ של 1 אטמוספרה סטנדרטית, 20 °C ואפס לחות אוויר 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 דומתה באמצעות מודל k-ε.
הערה: האיורים באיור 4 הם דוגמאות ספציפיות, המוצגות אך ורק כדי להמחיש את עקרונות הפעולה ולהשוות מספר סוגים של מקטעי פינה עם להבי הנחיה. לא ניתן להתייחס אליהם כאל תוצאות כלליות לכל מקרה שימוש. עבור כל מערכת אוורור אמיתית או רשת הידראולית אחרת, יש לקחת בחשבון את הפרמטרים ההידראוליים הספציפיים, גודל וצורת התעלה, חספוס ואי-סדירויות מבניות, חוסר אחידות בזרימה ותכונות פיזיקליות מדויקות של הגז בכל נקודת חישוב. ניתן להזמין חישוב כזה עבור מערכת ספציפית על ידי יצירת קשר איתנו.
מוצגים מקרי התכנון הבאים:
- מקטע פינה ללא להבי הנחיה.
- מקטע פינה מעוקל בצורה חלקה (r = ½ מגובה התעלה) עם להבי פיצול מכופפים רדיאלית. הפסד הלחץ תלוי גם במספר ובגיאומטריה של המפצלים. הדוגמה מציגה מספר מינימלי של לוחות פיצול בעלי צורה אופטימלית.
- לוחות דקים פשוטים מעוקלים רדיאלית (בעובי 10–20 mm).
- להבי הנחיה טיפוסיים שאינם אופטימליים מהמתחרים הקרובים ביותר שלנו.
- להבי הנחיה של TunnelTech (TTE-TV) עם פרופיל אופטימלי.
הבעיה המשמעותית ביותר עם תעלות מעוקלות שיש להן מספר קטן של מפצלי לוח מכופפים פשוטים (או ללא להבים כלל) היא חלוקת הלחץ והמהירות ביציאה ממקטע הסיבוב (איור 4, מקרה 2, ראה את חתך היציאה). המהירות עולה מהקיר החיצוני לקיר הפנימי של כל תת-ערוץ זרימה, מה שיוצר זרימה לא אחידה, טורבולנציה חמורה ורעש. ככל שרדיוס הסיבוב קטן יותר, כך גדל הסיכון להיפרדות זרימה, עיוות של שדות הלחץ והמהירות, רעש גבוה יותר והפסד לחץ גבוה יותר.
הדרך היחידה להתגבר על בעיות אלו היא רדיוס עקמומיות גדול עבור מקטע הפינה ומספר גדול יותר של להבי פיצול. זה יוצר בעיה שנייה – המקום הנוסף הנדרש כדי להכיל עיקולים כאלה ועלות החומר של מספר מפצלים מעוקלים המותאמים לחתך התעלה. במערכות תעלות גדולות, עיקולי רדיוס חלקים יכולים להוביל למבנים גדולים באופן בלתי סביר, מה שהופך גישה זו ללא מעשית במקרים רבים, במיוחד כאשר המקום מוגבל. המקום הנוסף הנדרש מוצג על ידי הקווים המקווקווים באיור 4, מקרה 2 להלן. יש להגדיל את הגובה והרוחב של כל סיבוב בלפחות ½ מגודל התעלה. עבור מנהרות רוח מחזוריות (recirculating) משמעות הדבר היא הגדלת ממדי המבנה במספר מטרים בכל כיוון, מה שמעלה את עלויות התעלות וההשקעה ההונית. בנוסף, כל מפצל עולה כמו קיר התעלה עצמו.
איור 4. מקטעי פינה בתעלות אוויר – השוואת תכנון וביצועים
הפתרון האופטימלי עבור מנהרות רוח ואוורור תעשייתי הוא מפל אלכסוני של להבי הנחיה בפרופיל אווירודינמי, כפי שמוצג באיור 4, מקרים 3–5.
כל תמונות ה-CFD לעיל הן עבור מקטע פינה של תעלת אוויר עם כניסה של 2×2 m במהירות זרימת אוויר של 20 m/s, כדוגמה – המקרה הרלוונטי ביותר לצניחה חופשית במנהרה (indoor skydiving) ולמנהרות רוח תת-קוליות במהירות נמוכה.
איור 4, מקרה 3 מציג מקטע פינה עם להבים פשוטים עשויים פח מתכת דק ומכופף. איור 4, מקרה 4 מציג את להבי ההנחיה הטובים ביותר המוצעים על ידי המתחרים הקרובים ביותר של TunnelTech. לשניהם יש מיתר קצר יותר וצורת פרופיל אווירודינמי שאינה אופטימלית, מה שמוביל למה שנראה כחוסר אחידות זרימה שיורית ביציאה מהמקטע, התנגדות אווירודינמית גבוהה יותר ויותר רעש בתעלה. להבים דקים העשויים מפח מתכת פשוט ומכופף חורגים בדרך כלל מרמות הרעש המותרות אפילו במהירות אוויר נמוכה, ולפרופיל עבה וקצר עם יחס מיתר-לעובי נמוך יש גם שטח פנים קטן יותר, שזהו חיסרון כאשר משתמשים בלהבי הנחיה מקוררים להעברת חום.
החלק התחתון של איור 4, מקרה 5 מציג פינת תעלת אוויר המצוידת בלהבי הנחיה בעלי ביצועים גבוהים של TunnelTech (להזמנה, עיין במק"ט TTE-TV-90). כפי שמראים החתכים, הזרימה אחידה יותר עם להבים בעלי פרופיל מתאים, מה שאומר הפסד לחץ נמוך יותר וטורבולנציה נמוכה.
פרופיל הלחץ/מהירות ביציאה הוא גם הרבה יותר טוב עבור מקטעי הפינה של TunnelTech המצוידים בלהבים בעלי מיתר ארוך מאשר במקרים האחרים. התוצאה היא האיכות האווירודינמית חסרת התקדים של TunnelTech, כפי שבאה לידי ביטוי בביקורות רבות של צנחנים מקצועיים ולקוחות אחרים.
כל הנתונים לעיל, כולל אורך המיתר ואפשרויות הקירור, מסוכמים גם בטבלה 1.
| מקרה / סוג להב | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | אורך מיתר (mm) | קירור |
|---|---|---|---|---|
| 1. ללא להבים, פנייה חדה | 114 | 0.47 | — | לא |
| 2. מקטע פינה מעוקל בצורה חלקה | 41 | 0.17 | > 2000 | לא |
| 3. לוחות דקים פשוטים מעוקלים רדיאלית | 80 | 0.33 | 250–500 | לא |
| 4. להבי ההנחיה של המתחרים הקרובים ביותר | 88 | 0.37 | 280 | כן |
| 5. להבי הנחיה אופטימליים של TunnelTech | 57 | 0.24 | 500 | כן |
מקדם ההפסד ההידראולי עבור מקטע הסיבוב של התעלה עם להבי TunnelTech ושל מתחרים בטווח המהירויות של עד 100 m/s, המחושב עבור אותה גיאומטריה ותנאים התחלתיים, מובא באיור 5.
פרטים נוספים על הפסדים הידראוליים לאורך התעלה, התנגדות מקומית ומקדם ההפסד ההידראולי הכולל מובאים להלן.
איור 5. השוואה בין מקטעי הסיבוב של TunnelTech ושל מתחרים: מקדם הפסד הידראולי של דרסי-ויסבך (Darcy-Weisbach) עבור אותה גיאומטריה ותנאי חישוב התחלתיים.
הפחתת טורבולנציה לחישובי בטיחות הידראוליים ומבניים אמינים
איור 6. מקטע פינה עם להבי הנחיה של TunnelTech: קנה מידה של טורבולנציה (m) ב-20 m/s
פרופיל לחץ/מהירות חלק וצפוי חשוב במיוחד ביישומים שבהם טורבולנציה גבוהה או היפרדות זרימה אינן מקובלות, כגון מנהרות רוח ניסיוניות, מתקני צניחה חופשית במנהרה (indoor skydiving) ומתקנים בעלי הספק גבוה. השפעות טפיליות אלו, יחד עם פעימות הלחץ הנגרמות כתוצאה מהיפרדות זרימה וטורבולנציה בקנה מידה גדול, אינן מקובלות גם במתקנים שחייבים להיות נקיים מרטט הנגרם אקוסטית ושבהם לא מותרות סטיות לחץ סטטי מסיבות של יציבות מבנית של תעלת האוויר. בנוסף, זרימה טורבולנטית היא מקור נפוץ לרעש, מה שפוגע עוד יותר בביצועי המערכת הכוללים ובנוחות משתמש הקצה.
יש לזכור גם שאי-סדירויות בזרימה נוטות לגדול ולהתעצם במורד הזרם אלא אם כן נעשה שימוש במיישרי זרימה, חלות-דבש, רשתות טורבולנציה או התקנים אחרים להתניית זרימה [1-3]. ניתוח גז-דינמי מדויק דורש חישוב ההתנגדות של כל אלמנט תעלה עוקב עם פרופיל הלחץ/מהירות האמיתי בכניסה שנוצר על ידי האלמנט הקודם של הרשת ההידראולית. עבור רשתות הידראוליות ארוכות, לרוב בלתי אפשרי להריץ סימולציית CFD של המערכת כולה בגלל גודלה העצום. במקרים כאלה, נעשה שימוש בחישובים חצי-אמפיריים מקורבים המבוססים על מספרי זרימה חסרי ממד וקריטריונים גיאומטריים [4], או בתוכנות המבוססות על שיטות כאלה. באופן דומה, מודל FEA של יציבות מבנית של התעלה מבוצע בדרך כלל עם שדה לחץ סטטי יציב המופעל על קירות התעלה. לכן, אי-סדירויות זרימה חמורות המתפתחות במורד הזרם יכולות גם להכניס שגיאות לניתוחים קריטיים לבטיחות של מבנים נושאי עומס.
שיטות מקורבות בדרך כלל אינן מטפלות בעיוות של פרופיל המהירות בכניסה לאלמנט רשת הידראולית; במקרה הטוב הן לוקחות בחשבון האם הפרופיל מפותח במלואו או טרם מפותח (אחיד), ואת פרמטרי שכבת הגבול. במנהרות רוח ומערכות אוורור תעשייתיות, כל סיבוב של הזרימה עלול לגרום לחוסר אחידות וסחרור חזק, מה שמכניס אי-ודאות לחישובי התנגדות הידראולית עבור רשתות ארוכות. לכן, בכל מקום אפשרי, יש להימנע מאי-סדירויות גדולות בפרופיל המהירות.
איור 6 והתוצאות לעיל מראים שמקטעי סיבוב עם להבי הנחיה של TunnelTech לא רק שאינם יוצרים הפרעת זרימה נוספת, אלא גם יכולים לשמש לשיכוך סחרור וחוסר אחידות במורד הזרם של המקטע. לכן, מקטע פינה עם להבי הנחיה של TunnelTech יכול לשמש גם כמיישר זרימה יעיל כאשר הוא מותקן במורד הזרם של מאוורר צירי, דיפיוזר תעלה, מחליף חום, מקטע ניסוי, הסתעפות תעלה או פיצול, או כל אלמנט אחר היוצר טורבולנציה.
מקדם התנגדות מקומי
את ההתנגדות המקומית של פינת סיבוב ניתן לחשב באמצעות משוואת דרסי-ויסבך (Darcy-Weisbach) הידועה:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
כאשר:
- ΔP – הפסד לחץ כולל (נפילת לחץ) ב-Pa;
- ξ – מקדם התנגדות מקומי (דרסי-ויסבך);
- ρ – צפיפות הזורם (kg/m³);
- V – מהירות הזורם בחתך הכניסה (m/s).
פרמטרים אלו, הקובעים את היעילות האנרגטית של תעלת האוויר, תלויים במידה רבה בעיצוב להבי ההנחיה.
על פי [4], ניתן לייצג את ההתנגדות הכוללת של אלמנט הידראולי מורכב כסכום של התנגדות החיכוך לאורך ξL וההתנגדות המקומית ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
עבור תעלת אוויר ישרה, התנגדות האורך פרופורציונלית לאורך וביחס הפוך לקוטר ההידראולי, כפי שמבוטא בנוסחה:
ξL = (L / D) · f
כאשר f הוא מקדם חיכוך דרסי (Darcy).
עבור תעלות בעלות צורה פשוטה (למשל עגולות, מרובעות, משושות), ניתן לבטא את f כפונקציה לא ליניארית של מספר ריינולדס בלבד – ראה פרק 2 ב-[4] או https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
מקדם החיכוך f עבור צינור עגול פשוט (תעלה מעגלית) עם קירות חלקים, פרופיל זרימה מפותח במלואו בכניסה ומשטר טורבולנטי (מספרי ריינולדס Re > 4×103) ניתן לחישוב מהנוסחה:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
עבור תעלות אמיתיות, יש לקחת בחשבון גם את חספוס הקיר.
איור 7 להלן מציג תרשים של מקדם חיכוך דרסי (Darcy) כנגד מספר ריינולדס Re עבור ערכי חספוס קיר יחסי שונים, שפורסם לראשונה על ידי ניקורדזה ב-[5-8]. גרף זה ידוע גם כדיאגרמת מודי (Moody) [9] או קורלציית קולברוק-ווייט (Colebrook-White) [10-11]. מחקר עדכני יותר של צינורות חלקים ניתן למצוא ב-[12].
הדיאגרמה מציגה את התלות המורכבת f(Re) עבור צינור עגול עם ערכי חספוס שונים. עבור תעלות מרובעות ותעלות לא מעגליות אחרות, הדיאגרמה מסובכת אף יותר. לכן יש לקחת בחשבון את משטר הזרימה (מספר ריינולדס), צורת התעלה וחספוס הקיר היחסי.
איור 7. דיאגרמת מודי (Moody) (הידועה גם כדיאגרמת ניקורדזה) המציגה את מקדם החיכוך של דרסי-ויסבך fD משורטט כנגד מספר ריינולדס Re עבור ערכי חספוס יחסי שונים – דיאגרמה מקורית: S. Beck ו-R. Collins, אוניברסיטת שפילד, שותף תחת CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
עבור תעלות אמיתיות ומחוספסות, עדיין ניתן לייצג את ההתנגדות הכוללת כסכום ξSUM = ξL + ξ0 של התנגדות האורך וההתנגדות המקומית.
פיצול ההתנגדות לסכום זה מפשט את חקר פרמטרי התעלה, שכן ניתן לחשב את ההתנגדות המקומית ξ0 עבור גיאומטריית אלמנט פשוטה יותר – לדוגמה, עם ניסוח מחזורי של הבעיה בתחום חישוב קטן יותר, או בניסוח דו-ממדי (2D). שים לב לגודל תחום החישוב בדוגמאות המוצגות באיור 4 – המקטע בגובה 3 m ובאורך 18 m, והתכנסות רשת נאותה מתחילה רק מעל 10 מיליון אלמנטים של רשת. ניסוח מחזורי או דו-ממדי של אותם מקרים יכול להשתמש בסדר גודל פחות של אלמנטי רשת, והחישוב הפשוט של כל נקודת מהירות על עקומת ΔP(v) ייקח דקות או אפילו שניות במקום שעות.
לכן, פיצול ההתנגדות לשני רכיבים יכול לפשט מאוד את החישובים – ההתנגדות המקומית ξ0 נקבעת במהירות, ולאחר מכן מתווספת התנגדות האורך ξL. את האחרונה ניתן להעריך במהירות מטבלאות שפורסמו או על ידי נוסחאות מקורבות המבוססות על מספרים חסרי ממד ופרמטרים של גיאומטריית התעלה. עבור אלמנטים הידראוליים ורשתות תעלות עם שינויים פתאומיים בכיוון הזרימה (מרפקים זוויתיים, עיקולים חלקים, עיקולים בזוויות שונות עם וללא להבי הנחיה), גישה ושיטה דומות מוצגות בפרקים 6-1 ו-6-2 של ה-Handbook of Hydraulic Resistance המקיף [4].
מפרט טכני
נתונים טכניים מקיפים להנדסה מדויקת וחישובי ביצועים.
טכנולוגיית קירור משולבת
להבי ההנחיה שלנו, המהווים מהפכה בתכנון מנהרות, כוללים תעלות נוזל קירור פנימיות משולבות – ומספקים יעילות החלפת חום עליונה מבלי לפגוע באיכות זרימת האוויר.
- יכולת פיזור חום מסיבית, הניתנת להרחבה ממאות קילו-וואט לעשרות מגה-וואט.
- ניהול תרמי יעיל עם אפס השפעה שלילית על טורבולנציית זרימת האוויר או איכות הזרם.
- מתוכנן עם שש תעלות קירור פנימיות משולבות לכל להב ליעילות תרמית מקסימלית
- אינטגרציה חלקה עם תשתיות קירור מים תעשייתיות סטנדרטיות
דגשי המוצר
להבי הנחיה לזרימת אוויר של TunnelTech (מוצר TTE-TV) נמצאים בחזית טכנולוגיה זו, ומציעים יעילות חסרת תקדים בניהול זרימת אוויר. המוצרים שלנו מיועדים למגוון רחב של יישומים, החל ממתקני צניחה חופשית במנהרה ומנהרות רוח ועד למערכות HVAC ואוורור, ומגלמים את חזית התכנון האווירודינמי והיעילות האנרגטית.
ביצועי מקטע להבי הנחיה בתעלות אוויר
להבי ההנחיה בעלי הביצועים הגבוהים של TunnelTech מציבים את הסטנדרט בתעשייה ליעילות הספק ויעילות אווירודינמית. להבי ההנחיה החוסכים באנרגיה שלנו מתוכננים למזער הפסדים אווירודינמיים, להבטיח זרימת אוויר חלקה ולהפחית את צריכת האנרגיה.
ללהבי ההנחיה של TunnelTech יש מאפייני התנגדות מקומית מצוינים בתעלות אוויר. פרמטרי ההתנגדות, המחושבים בעזרת משוואת דרסי-ויסבך (Darcy-Weisbach) כמתואר לעיל, מוצגים באיורים להלן (ראה איור 8) ובגיליון נתוני להבי הנחיה.
באופן כללי, כאשר גודל התעלה אינו ידוע, ניתנים ערכים עבור אלמנט אידיאלי עם תנאי גבול רוחביים מחזוריים, מבלי לקחת בחשבון את חיכוך הקיר הנוסף לאורך, חספוס או פרמטרים מקומיים אחרים. איור 8 נותן את הערכים עבור אלמנט פינה אידיאלי עם להבי TunnelTech, המחושבים עבור מערך של 15 להבים עם תנאי גבול מחזוריים כקירוב למפל מחזורי אינסופי.
איור 8. להב הנחיה של TunnelTech: מקדם התנגדות מקומי והפסד לחץ מתאים.
אם מערכת ה-HVAC או מערכת הידראולית אחרת מורכבת מתעלות שחתך הזרימה שלהן אינו משתנה בדרך כלל לאורך נתיב הזרימה, נוח לחישובים מקורבים להעריך את ההתנגדות ליחידת אורך (אשר חייבת, כמובן, להיות מוערכת על פני כל טווח המהירויות):
KL = ξL / L = f / Dh
כאשר Dh הוא הקוטר ההידראולי של התעלה. קל לקבוע את הערך של KL מספרי עיון, כפי שנדון לעיל. הכפלתו באורך והוספת ערכי ההתנגדות המקומית ξ0 שנלקחו מגיליונות נתונים או חושבו באופן עצמאי נותנת אומדן מהיר של הפסד הלחץ הכולל במערכת.
ξSUM = KL · L + ξ0
לדוגמאות ההמחשה באיור 4 – תעלה מרובעת של 2×2 m עם פרמטרי הגז והחספוס ששימשו בחישוב – יש התנגדות ליחידת אורך בסדר גודל של KL = ξL / L ~ 2.1 Pa. ערך זה חל על תעלה מרובעת חלקה ללא עיקולים, להבים או ציוד פנימי אחר. על פני 21 m המלאים שהאוויר עובר לאורך התעלה, זה נותן הפסד לחץ של ~44 Pa. הוספת הערך מאיור 8 (11 Pa ב-20 m/s, נלקח מגיליון נתוני להבי הנחיה, טבלה A.2.1) נותנת התנגדות כוללת של 55 Pa עבור מקטע תעלה אמיתי של 2×2 m עם להבי הנחיה. ערך זה נמצא בהתאמה טובה לערך המוצג באיור 4, מקרה 5.
מידע נוסף על שיטות מקורבות לחישוב ההתנגדות של תעלות בכל צורה ללא CFD ניתן למצוא ב-[4] ובספרות דומה.
הערה: הדוגמאות באיור 4 הן רק מקרה מיוחד המדגים כיצד פועלים להבי ההנחיה ולא ניתן להשתמש בהן כדי להעריך תעלה שרירותית. איור 8 חל באופן רחב יותר, אך עדיין יש לקחת בחשבון את הפרמטרים הספציפיים של תעלת הלקוח. כל מערכת זקוקה לניתוח מפורט, אותו ניתן להזמין מ-TunnelTech. לחישוב מדויק של ההתנגדות ההידראולית של התעלה והערכת מומחה של צריכת האנרגיה של ציוד האוורור או מנהרת הרוח שלך, אנא צור קשר.
מידע נוסף על השירותים והמחקר והפיתוח שלנו ניתן למצוא בעמוד טכנולוגיה ובסעיף שירותים.
להבי הנחיה לקירור וחימום תעשייתי
באופן ייחודי בקרב להבי הנחיה לתעלות אוויר תעשייתיות, המוצרים שלנו יכולים להזרים נוזל קירור בקצב זרימה גבוה, מה שמאפשר לקרר או לחמם את האוויר ביעילות כשהוא עובר דרך התעלה. הדבר פותח אפשרויות חדשות בוויסות תרמי – להבי בקרת אקלים פנימיים ומחליפי חום בתוך התעלה בעלי התנגדות נמוכה – ומעניק ללקוחותינו פתרונות מגוונים לצרכי זרימת האוויר שלהם.
להבי ההנחיה שלנו, המדורגים באמצעות שיטת HTCL (מקדם העברת חום למטר ליניארי), המכמתת את שטף החום (בוואט) לכל מטר של אורך להב הנחיה לכל קלווין של הפרש טמפרטורה ממוצע לוגריתמי (ΔTLMTD) בין האוויר החיצוני לנוזל הקירור של הלהב, מתוכננים להעברת חום יעילה במגוון תנאי זרימת אוויר, ומבטיחים ביצועים יציבים וויסות טמפרטורה.
פרמטרי מקדם העברת חום עבור להבי ההנחיה המקוררים במים מוצגים באיור 9 עבור אוויר יבש ולח כאחד, כאשר ΔP [kPa] הוא הפרש לחץ המים בין פתחי הכניסה והיציאה של הלהב (כחול ואדום באיור 10).
איור 10. תעלות קירור בלהבי הנחיה
איור 9. מקדם HTCL. אוויר יבש (RH = 0%) ולח (RH = 90% ב-30 °C) בהפרשי לחץ שונים של נוזל קירור (מים) בין פתחי ערוץ נוזל הקירור בכניסה וביציאה.
להבי הנחיה להשבת חום שיורי
להבי הנחיה מקוררים עם תעלות החלפת חום משולבות מציעים פתרון רב-תכליתי להשבת חום שיורי במגוון יישומים. כשהם משולבים במערכות החלפת חום, להבים אלו יכולים ללכוד אנרגיה תרמית עודפת שאחרת הייתה אובדת ולהעביר אותה למערכות השבת חום, מה שמשפר משמעותית את היעילות הכוללת של המערכת.
בפועל, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו בתחומים רבים. בתהליכים תעשייתיים, למשל, להבי הנחיה מקוררים יכולים להשיב חום שיורי מגזי פליטה ולהשתמש בו לחימום מוקדם של נוזלים או אוויר נכנסים, ובכך להפחית את צריכת האנרגיה. במערכות HVAC, אותו עיקרון מיושם במכשירים כגון מאווררי השבת חום (HRVs) ומאווררי השבת אנרגיה (ERVs), המעבירים חום בין זרמי אוויר הפליטה והאספקה. הדבר ממזער את האנרגיה הדרושה לחימום או קירור אוויר נכנס, ומוביל לחיסכון משמעותי באנרגיה.
ניתן גם לשלב להבי הנחיה מקוררים במערכות ייצור חשמל ואנרגיה מתחדשת. בתחנות כוח של ייצור משולב של חום וחשמל (CHP), למשל, חום שיורי מייצור חשמל מושב ומשמש לחימום, מה שמשפר את היעילות הכוללת של המערכת. במערכות אנרגיה גיאותרמית, להבים אלו יכולים לעזור בניהול האנרגיה התרמית המופקת מהאדמה, תוך אופטימיזציה של תהליכי העברת החום.
ביוזמות של אנרגיה ירוקה ומתחדשת, השבת חום שיורי ממלאת תפקיד קריטי בהפחתת טביעת הרגל הפחמנית ושיפור הקיימות של מערכות אנרגיה. הגישה תואמת את עקרונות הייצור הרזה (lean manufacturing), משפרת את יעילות המשאבים ומפחיתה את עלויות התפעול באמצעות ניהול חום יעיל. יתרה מכך, בפרויקטים של ESG, אימוץ טכנולוגיות כאלה מדגים מחויבות למזעור ההשפעה הסביבתית ואופטימיזציה של השימוש במשאבים, בהתאם ליעדי קיימות רחבים יותר.
השבת חום – פרויקטים קשורים
ל-TunnelTech ניסיון רב באספקת פרויקטים של החלפת חום ו-HVAC המיועדים להשבת חום שיורי עם להבי הנחיה מקוררים. על ידי שילוב להבים אלו במערכות החלפת חום שתוכננו ללכוד ולעשות שימוש חוזר באנרגיה תרמית שאחרת הייתה אובדת, TunnelTech מאפשרת להשיב חום שיורי בצורה יעילה יותר ממגוון רחב של תהליכים תעשייתיים ומסחריים. הדבר לא רק משפר את היעילות האנרגטית אלא גם תומך 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 אוויר; יעילות אנרגטית; עלויות תפעול נמוכות יותר; בריאות ובטיחות משופרות באמצעות בקרה יעילה של איכות האוויר והטמפרטורה |
| מתחמי מגורים | סביבות מגורים נוחות עם איכות וזרימת אוויר אופטימליות; בריאות ובטיחות משופרות |
| חוות שרתים | להבי הנחיה לניהול תרמי שומרים על רמות הטמפרטורה והלחות הקריטיות הנדרשות לביצועי שרתים ואריכות ימים |
מערכות אוורור להנדסה אזרחית
| בתי חולים ומתקני בריאות | להבי הנחיה שקטים מספקים בקרת איכות אוויר חיונית המגנה על מטופלים וצוות; בריאות ובטיחות משופרות באמצעות בקרה יעילה של איכות האוויר והטמפרטורה |
| מוסדות חינוך | סביבות למידה טובות יותר באמצעות סירקולציית אוויר משופרת |
בקרת סביבה
| אלקטרוניקה, ביוטק, פודטק ומתקני הייטק אחרים / חדרים נקיים | בקרת טמפרטורה ולחות לייצור הייטק ותעשיות תובעניות; להבי הנחיה למיזוג אוויר שומרים על תקני זרימת אוויר מחמירים עבור ייצור ומחקר |
| אולמות ספורט | נוחות ובטיחות לספורטאים ולצופים כאחד |
יישומים תעשייתיים ומיוחדים
| בנייה ותחזוקת מנהרות | איכות אוויר ובטיחות משופרות לעובדים בסביבות מנהרות |
| מתקני תעשייה | אופטימיזציה של תעלות אוויר; יעילות אנרגטית; פיתוח בר-קיימא; עלויות תפעול נמוכות יותר |
| בתי יציקה ומתקנים לעומסים כבדים | יעילות אנרגטית; עלויות תפעול נמוכות יותר; השבת חום שיורי; דה-קרבוניזציה ו-ESG; תעלות אוויר HVAC לעומסים כבדים; ניהול תרמי |
| הנדסה ימית | אוורור משופר באוניות וצוללות לנוחות הצוות ואמינות הציוד |
| כרייה ובנייה תת-קרקעית | אוורור חיוני למכרות ומבנים תת-קרקעיים אחרים, המפחית את הסיכון לתנאים מסוכנים |
כל אחד מהיישומים הללו מפיק תועלת משמעותית מהעיצוב והפונקציונליות המתקדמים של להבי ההנחיה של TunnelTech, המהווים קפיצת מדרגה בניהול יעיל של זרימת אוויר. על ידי בחירה בלהבי ההנחיה בעלי הגרר הנמוך של TunnelTech, לקוחות יכולים לצפות לא רק לעמוד ביעדי ביצועי המערכת שלהם אלא אף לעבור אותם, וכל זאת תוך
- •הפחתת צריכת אנרגיה* בעד 30%
- •הפחתת רעש* ב-60%, בהשוואה לתעלות אוויר קונבנציונליות.
* תוצאות ניסוי עבור הגיאומטריה של מנהרת רוח TT45 PRO.
לבירורים ופרטים נוספים על האופן שבו ניתן להתאים את להבי ההנחיה שלנו לצרכים הספציפיים שלך, אנא צור קשר עם הצוות שלנו. תן ל-TunnelTech להיות השותף שלך להשגת ניהול זרימת אוויר אופטימלי.
התקנה ותחזוקה
- •מידות ומפרטים
וודא את מידות התעלה ומפרטי להבי ההנחיה לפני ההתקנה
- •אפשרויות הרכבה
זמין בתצורות הידוק, הברגה וריתוך
- •טיפול בעומסים
פעל על פי הנחיות הטיפול בעומסים להובלה ומיקום בטוחים
- •התקנה שלב אחר שלב
הוראות התקנה מפורטות מסופקות עם כל משלוח מוצר
- •לוח זמנים לבדיקות
בדיקות חזותיות קבועות להבטחת יישור הלהבים ושלמות מבנית
- •נהלי ניקוי
ניקוי תקופתי להסרת הצטברות אבק ולכלוך על משטחי הלהבים
- •ניטור בלאי ושחיקה
מעקב אחר סימני קורוזיה, שחיקה או נזק מכני
- •מדריך לפתרון תקלות
טיפול בבעיות נפוצות כגון רטט, רעש או יעילות מופחתת של זרימת האוויר
תיעוד
מידע טכני על מכלולי מקטעי פינה של מנהרות רוח של TunnelTech ופרמטרים של להבי הנחיה זמין בגיליון נתונים מקיף המכסה את מוצרי TTE-TSA ו-TTE-TV. התיעוד כולל אפשרויות תכנון, התנגדויות מקומיות עבור פינות סיבוב אופקיות ואנכיות של 90 מעלות, ופרמטרים הידראוליים והעברת חום עבור להבי הנחיה מקוררים.
הורד גיליון נתונים TTE-TSA (PDF)מקורות ופרסומים קשורים
מידע נוסף על התכנון והאופטימיזציה של להבי הנחיה עבור מנהרות רוח, תעלות תעשייתיות, תעלות HVAC וציוד לניהול זרימת אוויר, מיישרי זרימה למאווררים וכו', ניתן למצוא בקישורים להלן:
- 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.
ראה גם:
- תרשים מודי (Moody): en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- דרסי-ויסבך (Darcy-Weisbach): en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- מקדם חיכוך: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- הפסד חיכוך: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss