מבוא לכנפוני הנחיה
בתחום ניהול זרימת האוויר, תכנון פינות התעלה ממלא תפקיד מפתח ביעילות ובפונקציונליות של מערכות אוורור, HVAC ומנהרות רוח. כאשר אוויר נאלץ לבצע פנייה חדה, כפי שנדרש לעתים קרובות במערכות תעלות, הוא נתקל בהתנגדות הידראולית מוגברת, מה שמוביל להפסדי לחץ גבוהים יותר ולטורבולנציה. הדבר לא רק פוגע ביעילות המערכת על ידי דרישת אנרגיה רבה יותר לשמירה על זרימת האוויר, אלא גם משפיע על השלמות המבנית של מערכת התעלות עקב הלחצים הלא אחידים המופעלים על ידי זרימות טורבולנטיות.
כאן נכנסים לתמונה כנפוני הנחיה (turning vanes), הידועים גם כ-כנפוני פינה (corner vanes) או כנפוני הכוונה (guiding vanes) (איור 1). כנפוני פינה לתעלות, המתוכננים להתקנה בתוך הפינות, מאפשרים לאוויר לנווט בפנייה בהתנגדות מינימלית, ומפחיתים ביעילות את הפסדי הלחץ ומשככים טורבולנציה ללא צורך במקום הנוסף שדורשים עיקולי רדיוס חלקים. הדבר הופך את כנפוני ההנחיה לפתרון אידיאלי לניהול יעיל של זרימת אוויר בחלל קומפקטי.
איור 1. מכלול מקטע פינה של כנפוני הנחיה מבית Tunnel Tech
מקטעי כנפוני הנחיה בעלי ביצועים גבוהים המתחרים בפתרונות HVAC גנריים.
הפתרון המסורתי להתגברות על התופעות המזיקות שהוזכרו של טורבולנציה מוגברת, הפסד לחץ ורעש בתעלה מעוקלת בחדות הוא תכנון מרפקי תעלה רדיאליים (איור 2 ו-איור 4, מקרה 2). מרפקים אלה, אף שהם יעילים בהפחתה מסוימת של טורבולנציה, רעש והפסדי לחץ (הנפוצים בעיקול חד כפי שניתן לראות ב-איור 4, מקרה 1), מגיעים עם סט בעיות משלהם.
מספר מערכות תעלות אוורור מסורתיות עם פנייה העשויה מפח מעוקל בצורה חלקה עם מנתבי זרימה מכופפים מוצגות ב-איור 2 משמאל. התמונה מייצגת מספר דוגמאות לווריאנטים סטנדרטיים הנפוצים בתעלות HVAC, למשל תואמים לתקני תעלות DW144.
פתרונות 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 בקנה מידה בינוני וגדול וייצור חשמל בקיבולת גבוהה, מטלורגיה, מכונות טורבו, מחליפי חום, מיחזור חום שיורי ויישומי אנרגיה ירוקה ומתחדשת מודרניים שבהם יעילות הידראולית וחיסכון באנרגיה הם חובה.
עם זאת, אין צורך לבנות תעלה לא סטנדרטית מותאמת אישית בכל פעם שיש לבצע אופטימיזציה מושלמת של צריכת האנרגיה של רשת הידראולית. אותו איור 2 מימין מציג וריאנט של מקטע כנפוני ההנחיה האלכסוני של Tunnel Tech, שהוא חסכוני באנרגיה, בעל רעש נמוך וטורבולנציה נמוכה, תוך עמידה בתקני 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 כנפוני ההנחיה האלכסוני מוצגת ב-איור 3.
איור 2. מרפק חלק מסורתי למערכות HVAC בקנה מידה בינוני עם כנפון פיצול עשוי פח, תקן DW144 (משמאל), ומכלול אלכסוני של כנפוני הנחיה בעלי ביצועים גבוהים מבית Tunnel Tech עבור תעלות אוויר סטנדרטיות (מימין).
איור 3. מקטעי סיבוב לתעלות אוויר בקנה מידה גדול של Tunnel Tech עבור מנהרות רוח, ייצור חשמל ו יישומים תעשייתיים.
תכנון כנפוני הנחיה להפחתת הפסד לחץ, טורבולנציה ורעש
להשוואה בין תכנוני פינות הפניה שונים, הפסדי הלחץ (ΔP) ותבניות הזרימה המדומות ב-CFD מובאים ב-איור 4 להלן. מהירות זרימת אוויר בכניסה של 20 m/s ותעלה מרובעת של 2×2 m נבחרו כדוגמת המחשה. טווח המהירות של 20 m/s נבחר למטרות הדגמה, שכן בדרך כלל מנהרות רוח אנכיות ברמה מקצועית עבור צניחה חופשית במנהרה פועלות רוב הזמן במצבים שבהם מהירות הזרימה במקטע הסיבוב נעה בין 10 ל-30 m/s. חישובי CFD בוצעו עבור אטמוספירה תקנית אחת ב-20 C ואפס לחות אוויר עם גז דחיס וקיר אדיאבטי עם חספוס של 250 µm. נעשה שימוש ברשת (mesh) 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! יש לציין כי האיורים המוצגים באיור 4 הם דוגמאות ספציפיות, המוצגות אך ורק למטרת המחשת עקרונות הפעולה והשוואת מספר סוגים של מקטעי פינה סיבוביים. לא ניתן לפרש מקרים אלה ככלליים עבור כל מקרה שימוש באשר הוא. עבור כל מערכת אוור ור אמיתית או רשת הידראולית אחרת, יש לקחת בחשבון פרמטרים הידראוליים ספציפיים, גודל וצורת תעלה, חספוס ואי-סדירויות מבניות, חוסר אחידות בזרימה ופרמטרים פיזיקליים מדויקים של הגז עבור כל נקודת חישוב. ניתן להזמין חישוב כזה עבור מערכת ספציפית על ידי יצירת קשר איתנו.
מתוארים מקרי התכנון הבאים:
- מקטע פינה ללא כנפוני הנחיה.
- מקטע פינה מעוקל בצורה חלקה (r = ½ מגובה התעלה) עם מנתבי זרימה מכופפים רדיאלית. הפסד הלחץ תלוי גם במספר ובגיאומטריה של מפרידי התעלה. מוצגת הדוגמה עם מספר מינימלי של לוחות פיצול זרימת אוויר בעלי צורה אופטימלית.
- לוחות דקים פשוטים המעוקלים רדיאלית (בעובי 10-20 mm).
- כנפוני הנחיה טיפוסיים שאינם אופטימליים של המתחרים הקרובים ביותר.
- כנפוני ההנחיה של Tunnel Tech (TTE-TV) עם פרופיל אופטימלי.
הבעיה המשמעותית ביותר של תעלות מעוקלות עגולות עם מספר קטן של מפרידי לוחות מכופפים פשוטים (או ללא כנפוני הנחיה כלל) היא תבנית פילוג הלחץ והמהירות ביציאה ממקטע הסיבוב (איור 4, מקרה 2, ראו את חתך הרוחב ביציאה). תבנית זו מראה שהמהירות תגדל מהקיר החיצוני לקיר הפנימי של כל תת-תח ום זרימה, מה שיוביל לזרימה לא אחידה, טורבולנציה גדולה ורעש. ככל שרדיוס הסיבוב קטן יותר, כך גדלה האפשרות להיפרדות זרימה, עיוות שדה הלחץ והמהירות, רמת הרעש וערך הפסד הלחץ.
הדרך היחידה להתגבר על בעיות אלו היא רדיוס עקמומיות גדול של מקטע פינה כזה והגדלת מספר כנפוני הנחיית זרימת האוויר. כאן מגיעה הבעיה השנייה – המקום המוגדל הנדרש כדי להכיל עיקולים כאלה ועלות החומר של מספר מפרידי תעלות אוויר רדיאליים, המותאמים לחתך הרוחב של התעלה. במערכות תעלות גדולות, יישום עיקולי רדיוס חלקים עלול להוביל למבנים גדולים באופן בלתי סביר, מה שהופך גישה זו ללא מעשית בתרחישים רבים, במיוחד כאשר המקום מוגבל. המקום הנוסף הנדרש מוצג על ידי הקווים המקווקווים ב-איור 4, מקרה 2 להלן. יש להגדיל את הגובה והרוחב של כל פנייה במינימום של ½ מגודל התעלה. עבור מנהרות רוח במעגל סגור (מחזוריות) משמעות הדבר היא הגדלת ממדי המבנה במספר מטרים בכל כיוון, מה שמוביל לעלויות גבוהות יותר של תעלות האוויר ולהשקעות הון גבוהות יותר. בנוסף, כל מפריד זרימה יעלה כמו קיר התעלה.
איור 4. מקטעי פינה במערכת תעלות אוויר - השוואת תכנון וביצועים
הפתרון האופטימלי עבור מנהרות רוח ואוורור תעשייתי הוא כנפוני הנחיה במקטע הסיבוב בעלי פרופיל כנף המסודרים לאורך האלכסון, כפי שמתואר ב-איור 4, מקרים 3-5.
כל תמונות ה-CFD לעיל מתייחסות למקטע פינה של תעלת אוויר עם כניסה של 2x2 מ' במהירות זרימת אוויר של 20 m/s, כדוגמה הרלוונטית ביותר למקרי השימוש של צניחה חופשית במנהרה (indoor skydiving) ומנהרות רוח תת-קוליות במהירות נמוכה.
איור 4 מקרה 3 מציג מקטע פינה עם כנפוני הנחיה פשוטים העשויים מיריעות מתכת דקות ומכופפות. איור 4 מקרה 4 הוא הדוגמה הטובה ביותר לכנפוני הנחיה הזמינים מהמתחרים הקרובים ביותר של TunnelTech. לשניהם אורך מיתר קטן יותר וצורת פרופיל אווירודינמי שאינה אופטימלית, מה שמוביל לחוסר אחידות זרימה שיורית ביציאה מהמקטע, התנגדות אווירודינמית גדולה יותר ורעש בתעלת האוויר. כנפונים דקים העשויים מיריעות מתכת מכופפות פשוטות חורגים בדרך כלל מרמות הרעש המותרות אפילו במהירות אוויר נמוכה, ואפשרות עם פרופיל עבה וקצר בעל יחס מיתר-לעובי נמוך תהיה גם בעלת שטח פנים קטן יותר, דבר שאינו רצוי ביישומים שבהם נעשה שימוש בכנפוני הנחיה מקוררים למעבר חום.
בחלקה התחתון של איור 4 מקרה 5, מוצגת פינת תעלת האוויר המצוידת ב-כנפוני הנחיה בעלי ביצועים גבוהים של Tunnel Tech (להזמנה יש לציין מק"ט: TTE-TV-90). כפי שניתן לראות בחתכי הרוחב, הזרימה אחידה יותר במקרה של כנפוני הנחיה בעלי פרופיל מתאים, מה שמוביל לפחות הפסד לחץ ולטורבולנציה נמוכה.
פרופיל לחץ/מהירות האוויר ביציאה טוב בהרבה גם עבור מקטעי הפינה של Tunnel Tech המצוידים בכנפונים בעלי מיתר ארוך מאשר במקרים אחרים. הדבר מביא לאיכות אווירודינמית חסרת תקדים של Tunnel Tech, כפי שמשתקף בביקורות רבות של צנחנים מקצועיים ולקוחות אחרים.
כל הנתונים שנידונו לעיל, כולל אורך המיתר ואפשרויות הקירור, זמינים גם ב-<strong>טבלה 1</strong>.
| מקרה / סוג כנפון | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | אורך מיתר (mm) | קירור |
|---|---|---|---|---|
| 1. ללא כנפונים, פנייה חדה | 114 | 0.47 | — | לא |
| 2. מקטע פינה מעוקל בצורה חלקה | 41 | 0.17 | > 2000 | לא |
| 3. לוחות דקים פשוטים המעוקלים רדיאלית | 80 | 0.33 | 250–500 | לא |
| 4. כנפוני הנחיה של המתחרים הקרובים ביותר | 88 | 0.37 | 280 | כן |
| 5. כנפוני הנחיה אופטימליים של Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | כן |
ערכי מקדם ההפסד ההידראולי עבור טווח המהירויות של עד 100 m/s עבור מקטע סיבוב התעלה עם כנפונים של TunnelTech ושל מתחרים, ללא שונות עקב בחירת נתונים התחלתיים, מובאים ב-איור 5.
פרטים נוספים על הפסדים הידראוליים לאורך התעלה, התנגדות מקומית ומקדם הפסד הידראולי כולל מובאים להלן.
איור 5. השוואת מקטע סיבוב של Tunnel Tech ושל מתחרים. מקדם הפסד הידראולי דרסי-וייסבך עבור אותה גיאומטריה ותנאי חישוב התחלתיים.
הפחתת טורבולנציה עבור חישובי בטיחות הידראוליים ומבניים אמינים
איור 6. סולם טורבולנציה של מקטע כנפוני פינה של Tunnel Tech (m) 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 צניחה חופשית במנהרה ויישומים בהספק גבוה. תופעות טפיליות אלו, כמו גם פעימות לחץ הנגרמות מהיפרדות זרימה וטורבולנציה בקנה מידה גדול, אינן מקובלות גם במתקנים הדורשים היעדר רעידות הנגרמות אקוסטית ושבהם סטיות לחץ סטטי כלשהן אינן מותרות עקב דרישות יציבות מבנית של תעלת האוויר. בנוסף, זרימות טורבולנטיות אלו הן מקור נפוץ לרעש, הפוגע 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, חלות-דבש (honeycombs), רשתות להפחתת טורבולנציה או התקנים אחרים לניהול זרימת אוויר [1-3]. ניתוח דינמיקת גזים 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 לרוב בלתי אפשרי לבצע הדמיית CFD של המערכת כולה עקב הממדים העצומים. במצב כזה, נעשה שימוש בחישובים חצי-אמפיריים מקורבים המערבים מספרים חסרי ממד של זורמים וקריטריונים גיאומטריים [4] או בתוכנות המבוססות על שיטות אלו. כמו כן, מודל 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 שגיאות לחקירות קריטיות לבטיחות של מבנים נושאי עומס.
שיטות מקורבות לרוב אינן עוסקות בעיוות של 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 לחוסר אחידות ולסחרור 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 ומההדגמה לעיל כי הפרמטרים של מקטעי סיבוב עם כנפוני הנחיה של TunnelTech הם כאלה שהם אינם יוצרים הפרעות זרימה נוספות אלא יכולים לשמש גם לשיכוך סחרורים וחוסר אחידות במורד הזרם של מקטע הסיבוב. לפיכך, המקטע הסיבובי עם כנפוני TunnelTech יכול לשמש גם כמיישר זרימה יעיל, המותקן לאחר המאוורר הצירי, דיפיוזר התעלה, מחליף החום, מקטע הניסוי, פיצול או חיבור לתעלה, או כל אובייקט אחר היוצר טורבולנציה.
מקדם התנגדות מקומי
ניתן לחשב את מאפייני ההתנגדות המקומית של פינת הסיבוב באמצעות משוואת דרסי-וייסבך הידועה:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
כאשר:
- ΔP – סך הפסדי הלחץ (נפילת לחץ) ב-Pa;
- ξ – מקדם התנגדות מקומי (דרסי-וייסבך);
- ρ – צפיפות הזורם (kg/m³);
- V – מהירות הזורם בחתך הרוחב של הכניסה (m/s).
פרמטרים אלו, הקובעים את היעילות האנרגטית של תעלת האוויר, תלויים במידה רבה בתכנון כנפוני ההנחיה.
על פי [4] ניתן לייצג את ההתנגדות הכוללת של אלמנט הידראולי מורכב כסכום של התנגדות חיכוך האורך ξL וההתנגדות המקומית ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
עבור תעלת אוויר ישרה, התנגדות האורך פרופורציונלית לאורך וביחס הפוך לקוטר ההידראולי, המבוטא על ידי הנוסחה:
ξL = (L / D) · f
כאשר f הוא מקדם חיכוך דרסי (Darcy friction factor).
במקרה של צינורות בעלי צורה פשוטה (כלומר עיגול, ריבוע, משושה), ניתן לבטא את f על ידי תלות לא ליניארית רק במספר ריינולדס – ראו פרק 2 ב-[4] או https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
את מקדם החיכוך f עבור צינור עגול פשוט (תעלה מעגלית) עם קירות חלקים, עם פרופיל זרימה מיוצב ומפותח בכניסה ועבור משטר טורבולנטי (מספרי ריינולדס Re > 4×103) ניתן לחשב על ידי הנוסחה:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
עבור תעלות אמיתיות, יש לקחת בחשבון גם את החספוס.
איור 7 להלן מציג תרשים של מקדם חיכוך דרסי כנגד מספר ריינולדס Re עבור חספוס קיר יחסי שונה, שפורסם לראשונה על ידי ניקורדזה ב-[5-8]. גרף זה ידוע גם כדיאגרמת מודי [9] או קורלציית קולברוק-ווייט [10-11]. מחקר מודרני עבור צינורות חלקים ניתן למצוא ב-[12].
דיאגרמה זו מציגה את התלות המורכבת של f(Re) עבור צינור עגול בעל חספוס שונה. עבור צינורות מרובעים וצינורות לא מעגליים אחרים, הדיאגרמה תהיה מורכבת יותר. לפיכך, יש לקחת בחשבון את משטרי הזרימה (מספר ריינולדס), צורת התעלה וחספוס הקיר היחסי.
איור 7. דיאגרמת מודי (הידועה גם כדיאגרמת ניקורדזה), המציגה את מקדם החיכוך דרסי-וייסבך fD משורטט כנגד מספר ריינולדס Re עבור חספוס יחסי שונה – דיאגרמה מקורית: S Beck ו-R Collins, אוניברסיטת שפילד, שותף תחת 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, שכן ניתן לחשב את ההתנגדות המקומית ξ0 עבור גיאומטריית אלמנט פשוטה – לדוגמה, בניסוח מחזורי של הבעיה עם תחום חישוב קטן יותר או בגרסת דו-ממד (2D) של הבעיה. שימו לב לגודל העצום של תחום החישוב של הדוגמאות המוצגות ב-איור 4, שבהן למקטע יש גובה של 3 ואורך של 18 מטרים, והתכנסות הרשת מתחילה להופיע כראוי בגודל של יותר מ-10 מיליון אלמנטי רשת (mesh). וריאנט של ניסוח הבעיה עם תנאים מחזוריים או דו-ממדיים עבור מקרים אלה יכול להיות בעל סדר גודל קטן יותר של מספר אלמנטי רשת, והחישוב המפושט של כל נקודת מהירות עבור הגרף 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 ולאחר מכן ניתן להוסיף את התנגדות האורך ξL. את האחרונה ניתן להעריך במהירות מטבלאות ידועות או על ידי נוסחאות מקורבות באמצעות משוואות מפושטות המבוססות על מספרים חסרי ממד ופרמטרים של גיאומטריית תעלת האוויר. עבור אלמנטים של רשתות הידראוליות ותעלות עם שינויים פתאומיים בכיוון הזרימה (מרפקים זוויתיים, עיקולים חלקים, עיקולים בזוויות שונות עם וללא כנפוני הנחיה), מוצגת גישה ושיטה דומה בפרקים 6-1 ו-6-2 בספר המקיף Handbook of hydraulic resistance [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
כנפוני הנחיית זרימת האוויר של Tunnel Tech (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 כנפוני הנחיה בתעלות אוויר
כנפוני הנחיית זרימת האוויר בעלי הביצועים הגבוהי ם של Tunnel Tech מציבים את הסטנדרט בתעשייה ליעילות הספק ואווירודינמיקה. כנפוני ההנחיה החסכוניים באנרגיה שלנו מתוכננים למזער חיכוך אווירודינמי, תוך הבטחת זרימת אוויר חלקה והפחתת צריכת האנרגיה.
לכנפוני ההנחיה של TunnelTech יש מאפייני התנגדות מקומית מצוינים בתעלות אוויר. פרמטרי התנגדות, המחושבים באמצעות משוואת דרסי-וייסבך, כמתואר לעיל, מוצגים באיורים הבאים (ראו איור 8 להלן) וב-מפרט נתוני כנפון הנחיה.
באופן כללי, במקרה שבו גודל התעלה אינו ידוע, ניתנים ערכים עבור אלמנט אידיאלי הכולל תנאי גבול 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 סיבובי אידיאלי עם כנפוני Tunnel Tech, אשר חושב בקירוב רצף מחזורי אינסופי של ערימת 15 להבים עם תנאי גבול מחזוריים.
איור 8. מקדם התנגדות מקומי של כנפון הנחיה מבית Tunnel Tech והפסד הלחץ התואם.
אם מערכת ה-HVAC או מערכת הידראולית אחרת מורכבת מתעלות שאינן משנות בדרך כלל את צורת חתך הרוחב של אזור הזרימה לאורך נתיב הזרימה, נוח להעריך את ההתנגדות ליחידת אורך עבור חישובים מקורבים (שיש להעריך, כמובן, עבור כל טווח המהירויות):
KL = ξL / L = f / Dh
כאשר Dh הוא הקוטר ההידראולי של התעלה. את הערך של KL קל לקבוע מספרי עיון, כפי שנידון לעיל. לפיכך, על ידי הכפלת ערך זה באורך, והוספת ערכי התנגדות מקומית ξ0 שהתקבלו ממפרטי נתונים או חושבו באופן עצמאי, ניתן להעריך במהירות את הפסד הלחץ הכולל במערכת.
ξSUM = KL · L + ξ0
בדוגמאות ההמחשה לעיל המוצגות באיור 4 של תעלה מרובעת בגודל 2×2 מטר עם פרמטרי הגז והחספוס ששימשו בחישוב, יש 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 בעיקולים, כנפונים או ציוד פנימי אחר. עבור אורך מלא של 21 מטרים שמסת האוויר עוברת לאורך התעלה יתקבל הפסד לחץ של כ-44 פסקל. הוספה לכך של הערך המוצג באיור 8 (11 Pa עבור מהירות של 20 m/s שנלקח על פי מפרט נתוני כנפון ההנחיה (טבלה A.2.1) נותנת התנגדות כוללת של 55 Pa עבור מקטע תעלה מרובעת אמיתית של 2×2 עם כנפונים סיבוביים בתוכה. ערך זה נמצא בהתאמה טובה עם הערך המוצג באיור 4, מקרה 5.
מידע נוסף על דרכים מקורבות לחישוב התנגדויות תעלה מכל צורה ללא שימוש בשיטות CFD ניתן למצוא בקלות ב-<a href="#references">[4]</a> או בספרות דומה.
שימו לב! יש לציין כי הדוגמאות המוצגות באיור 4 הן רק מקרה פרטי להדגמת פעולת הכנפונים הסיבוביים ולא ניתן להשתמש בהן 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, שניתן 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 ומחקר ופיתוח ניתן למצוא גם בעמוד טכנולוגיה ובאזור שירותים.
כנפון הנחיה לקירור וחימום תעשייתי
באופן ייחודי בקרב כנפוני הנחיה לתעלות אוויר תעשייתיות, המוצרים שלנו מציעים את היכולת להזרים נוזל קירור בספיקה גבוהה, מה שמאפשר קירור או חימום יעיל של האוויר בעת מעברו בתעלה. תכונה זו פותחת אפשרויות חדשות בוויסות תרמי לשימוש בכנפוני בקרת אקלים פנימיים ומחליפי חום משולבי-תעלה בעלי התנגדות נמוכה, ומספקת ללקוחותינו פתרונות רב-תכליתיים לצרכי זרימת האוויר שלהם.
מוערכים באמצעות שיטת החישוב HTCL (מקדם מעבר חום למטר אורך), המכמתת את שטף החום (בוואט) לכל מטר של אורך כנפון הנחיה עבור כל קלווין של הפרש טמפרטורה ממוצע לוגריתמי (ΔTLMTD) בין האוויר החיצוני לנוזל הקירו ר של כנפון הפינה, כנפוני ההנחיה שלנו מתוכננים לפיזור חום יעיל במגוון תנאי זרימת אוויר, תוך הבטחת ביצועים יציבים וויסות טמפרטורה.
פרמטרי מקדם מעבר חום עבור כנפוני הנחיה מקוררי מים מוצגים ב-איור 9, הן עבור אוויר לח והן עבור אוויר יבש, כאשר ΔP [kPa] מייצג את הפרש לחץ המים בין פתחי הכניסה והיציאה של הכנפון (כחול ואדום ב-איור 10).
איור 10. תעלות קירור של כנפון הנחיה
איור 9. מקדם HTCL. אוויר יבש (RH=0%) ולח (RH=90% ב-30 °C) בהפרשי לחץ שונים של נוזל הקירור (מים) בין פתחי הכניסה והיציאה של תעלת הקיר ור.
כנפוני הנחיה למיחזור חום שיורי
כנפוני הנחיה מקוררים עם תעלות החלפת חום משולבות מציעים פתרון רב-תכליתי למיחזור חום שיורי במגוון יישומים. כאשר הם משולבים במערכות החלפת חום, כנפונים אלה יכולים ללכוד אנרגיה תרמית עודפת שאחרת הייתה אובדת, ולהעביר אותה למערכות מיחזור חום, ובכך לשפר משמעותית את היעילות הכוללת של המערכת.
ביישומים מעשיים, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו במספר תחומים. לדוגמה, בתהליכים תעשייתיים, כנפוני הנחיה מקוררים יכולים למחזר 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 כגון מאווררי מיחזור חום (HRVs) ומאווררי מיחזור אנרגיה (ERVs), המעבירים חום בין זרמי האוויר הנפלט והנכנס. תהליך זה ממזער את האנרגיה הנדרשת לחימום או קירור אוויר נכנס, מה שמוביל לחיסכון ניכר באנרגיה.
בנוסף, ניתן לשלב כנפוני הנחיה מקוררים במערכות המשמשות במגזרי ייצור חשמל ואנרגיה מתחדשת. לדוגמה, במערכות ייצור משולב של חום וחשמל (CHP), חום שיורי מייצור חשמל ממוחזר ומשמש למטרות חימום, מה שמשפר את היעילות הכוללת של המערכת. במערכות אנרגיה גיאותרמית, כנפונים אלה יכולים לעזור בניהול האנרגיה התרמית המופקת מהאדמה, תוך ביצוע אופטימיזציה של תהליכי מעבר החום.
ביוזמות של אנרגיה ירוקה ומתחדשת, מיחזור חום שיורי ממלא תפקיד קריטי בהפחתת טביעת הרגל הפחמנית ושיפור הקיימות של מערכות אנרגיה. גישה זו עולה בקנה אחד עם עקרונות ייצור רזה (lean manufacturing) על ידי שיפור יעילות המשאבים והפחתת עלויות התפעול באמצעות ניהול חום אפקטיבי. יתר על כן, בפרויקטי ESG, שילוב טכנולוגיות כאלה מדגים מחויבות למזעור ההשפעה הסביבתית ואופטימיזציה של השימוש במשאבים, בהתאמה ליעדי קיימות רחבים יותר.
מיחזור חום – פרויקטים קשורים
ל-Tunnel Tech ניסיון רב ביישום פרויקטים הכוללים מערכות החלפת חום ו-HVAC המיועדות למיחזור חום שיורי באמצעות כנפוני הנחיה מקוררים. על ידי שילוב כנפונים אלה במערכי החלפת חום, המתוכננים ללכוד ולייעד מחדש אנרגיה תרמית שאחרת הייתה אובדת, Tunnel Tech מאפשרת מיחזור יעיל 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
כנפוני ההנחיה שלנו משרתים מגוון רחב של תעשיות ויישומים
מערכות HVAC
| מבנים מסחריים | אופטימיזציה של תעלות אוויר; יעילות אנרגטית; הפחתת עלויות תפעול; שיפור הבריאות והבטיחות על ידי ניהול יעיל של איכות האוויר והטמפרטורה; |
| מתחמי מגורים | הבטחת סביבות מגורים נוחות עם איכות וזרימת אוויר אופטימליות; שיפור הבריאות והבטיחות; |
| חוות שרתים | כנפוני הנחיה לניהול תרמי שומרים על רמות טמפרטורה ולחות קריטיות לביצועי השרתים ואורך חייהם; |
מערכות אוורור להנדסה אזרחית
| בתי חולים ומתקני בריאות | כנפוני 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 סירקולציית אוויר משופרת |
בקרת סביבה
| אלקטרוניקה, ביו-טק, פוד-טק ומתקני היי-טק אחרים / חדרים נקיים | ויסות טמפרטורה ולחות עבור ייצור היי-טק תובעני; כנפוני הנחיה למיזוג אוויר שומרים על תקני זרימת אוויר מחמירים לייצור ומחקר |
| אולמות ספורט | הבטחת נוחות ובטיחות לספורטאים ולצופים כאחד |
יישומים תעשייתיים ומיוחדים
| בנייה ותחזוקת מנהרות | שיפור איכות האוויר והבטיחות לעובדים בסביבות מנהרות; |
| מתקני תעשייה | אופטימיזציה של תעלות אוויר; יעילות אנרגטית; פיתוח בר-קיימא; הפחתת עלויות תפעול; |
| בתי יציקה ומתקנים לעומסים כבדים | יעילות אנרגטית; הפחתת עלויות תפעול; מיחזור אנרגיית חום שיורית; דה-קרבוניזציה ו-ESG; תעלות אוויר HVAC לעומסים כבדים; ניהול תרמי; |
| הנדסה ימית | שיפור מערכות אוורור בספינות וצוללות לנוחות הצוות ואמינות הציוד; |
| כרייה ובנייה תת-קרקעית | אספקת אוורור קריטי לאתרי כרייה ומבנים תת-קרקעיים אחרים, תוך הפחתת הסיכון לתנאים מסוכנים; |
כל אחד מהיישומים הללו מפיק תועלת משמעותית מהעיצוב והפונקציונליות המתקדמים של כנפוני ההנחיה של TunnelTech, המהווים קפיצת מדרגה בניהול יעיל של זרימת אוויר. בבחירת כנפוני 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 האנרגיה * בעד 30%
- •הפחתת רעש * ב-60%, בהשוואה לתעלות אוויר קונבנציונליות.
* – תוצאות ניסוי עבור הגיאומטריה של מנהרת הרוח TT45 PRO.
לבירורים ופרטים נוספים על האופן שבו ניתן להתאים את כנפוני ההנחיה שלנו לצרכים ספציפיים, אנא צרו קשר עם הצוות שלנו. תנו ל-TunnelTech להיות השותף שלכם בהשגת פתרונות אופטימליים לניהול זרימת אוויר.
התקנה ותחזוקה
- •ממדים ומפרטים
יש לוודא את ממדי התעלה ומפרטי כנפון ההנחיה לפני ההתקנה
- •אפשרויות הרכבה
זמין בתצורות הידוק (clamp-on), הברגה (bolt-on) וריתוך (weld-on)
- •טיפול בעומסים
יש לפעול 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 סדירות להבטחת יישור הכנפונים ושלמותם המבנית
- •נהלי ניקוי
ניקוי תקופתי להסרת הצטברות אבק ופסולת על משטחי הכנפונים
- •מעקב אחר בלאי ושחיקה
מעקב אחר סימני קורוזיה, שחיקה או נזק מכני
- •מדריך פתרון תקלות
טיפול בבעיות נפוצות כגון רעידות, רעש או יעילות מופחתת של זרימת האוויר
תיעוד
מידע טכני על מכלולי מקטעי פינה של מנהרות רוח מבית Tunnel Tech ופרמטרים של כנפוני הנחיה זמין במפרט נתונים מקיף עבור מוצרי TTE-TSA ו-TTE-TV. התיעוד מכיל מידע על אפשרויות תכנון, התנגדויות מקומיות עבור פינות הפניית זרימה אופקיות ואנכיות של 90 מעלות, וכן פרמטרים הידראוליים ושל מעבר חום עבור כנפוני הנחיה מקוררים.
הורדת מפרט נתונים TTE-TSA (PDF)מקורות ופרסומים קשורים
מידע נוסף על התכנון והאופטימיזציה של להבים סיבוביים עבור מנהרות רוח, מערכות תעלות תעשייתיות, תעלות HVAC וציוד לניהול זרימת אוויר, מיישרי מאווררים 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.
ראו גם:
- דיאגרמת מודי: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- דרסי-וייסבך: 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