Naroża Kanałów Powietrznych
Wysokowydajne rozwiązania łopatek kierujących dla tuneli aerodynamicznych, systemów HVAC i zastosowań przemysłowych
Wprowadzenie do łopatek kierujących
W dziedzinie zarządzania przepływem powietrza projektowanie naroży kanałów odgrywa kluczową rolę w wydajności i funkcjonalności wentylacji, systemów HVAC i tuneli aerodynamicznych. Gdy powietrze jest zmuszone do wykonania ostrego skrętu, co często jest wymagane w instalacjach kanałowych, napotyka zwiększony opór hydrauliczny, co prowadzi do wyższych strat ciśnienia i turbulencji. To nie tylko pogarsza wydajność systemu, wymagając więcej energii do utrzymania przepływu powietrza, ale także wpływa na integralność strukturalną instalacji kanałowej z powodu nierównomiernych ciśnień wywieranych przez przepływy turbulentne.
W tym miejscu do gry wchodzą łopatki kierujące, znane również jako łopatki narożne lub kierownice (Rys. 1). Zaprojektowane do instalacji w narożach, łopatki narożne kanału pozwalają powietrzu pokonać zakręt z minimalnym oporem, skutecznie redukując straty ciśnienia i łagodząc turbulencje bez potrzeby dodatkowej przestrzeni, której wymagają łuki o łagodnym promieniu. To sprawia, że łopatki kierujące są idealnym rozwiązaniem do efektywnego zarządzania przepływem powietrza w kompaktowej przestrzeni.
Rys. 1. Zespół sekcji narożnej łopatek kierujących TunnelTech
Wysokowydajne sekcje łopatek kierujących jako alternatywa dla standardowych rozwiązań HVAC.
Tradycyjnym rozwiązaniem przezwyciężenia wspomnianych szkodliwych zjawisk zwiększonej turbulencji, strat ciśnienia i hałasu w stromo zakrzywionym kanale jest projektowanie promieniowych kolan kanałowych (Rys. 2 i Rys. 4, przypadek 2). Te kolana, choć skuteczne w pewnym łagodzeniu turbulencji, hałasu i strat ciśnienia (które są powszechne w ostrym zakręcie, jak widać na Rys. 4, przypadek 1), mają swój własny zestaw problemów.
Kilka tradycyjnych instalacji wentylacyjnych ze skrętem wykonanym z gładko zakrzywionej blachy z wygiętymi kierownicami przepływu przedstawiono na Rys. 2 po lewej stronie. Zdjęcie przedstawia kilka przykładów standardowych wariantów powszechnie stosowanych w kanałach HVAC, np. zgodnych ze standardami kanałowymi DW144.
Takie rozwiązania kanałowe są powszechne i opłacalne dla małych zastosowań w inżynierii lądowej, małym biznesie i systemach HVAC małej mocy, gdzie koszt energii nie jest znaczącym czynnikiem. Jednak ta konstrukcja nie jest dobrym rozwiązaniem dla systemów wentylacji i chłodzenia w średniej i dużej skali oraz w energetyce dużej mocy, metalurgii, maszynach wirnikowych, wymiennikach ciepła, odzysku ciepła odpadowego i nowoczesnych zastosowaniach zielonej i odnawialnej energii, gdzie wydajność hydrauliczna i oszczędność energii są koniecznością.
Nie ma jednak potrzeby budowania niestandardowego kanału za każdym razem, gdy zużycie energii sieci hydraulicznej musi być zoptymalizowane do perfekcji. Ten sam Rysunek 2 po prawej stronie pokazuje wariant sekcji diagonalnych łopatek kierujących TunnelTech, który jest energooszczędny, cichy i niskoturbulentny, spełniając standardy branżowe dla systemów HVAC, ale może być również stosowany w wielkoskalowych i przemysłowych przypadkach użycia dużej mocy. Przykład obiektu wielkoskalowego, w którym sekcja diagonalnych łopatek kierujących może być łatwo zintegrowana, pokazano na Rys. 3.
Rys. 2. Tradycyjne średniej skali gładkie kolano HVAC z łopatką rozdzielającą wykonaną z blachy, standard DW144 (po lewej) i wysokowydajny zespół diagonalnych łopatek kierujących TunnelTech dla standardowych kanałów powietrznych (po prawej).
Rys. 3. Wielkoskalowe sekcje skrętne kanałów powietrznych TunnelTech dla tuneli aerodynamicznych, energetyki i zastosowań przemysłowych.
Projektowanie łopatek kierujących pod kątem spadku ciśnienia, turbulencji i redukcji hałasu
Dla porównania różnych konstrukcji naroży skrętnych, spadki ciśnienia (ΔP) i symulowane wzorce przepływu CFD podano na Rys. 4 poniżej. Jako przykład demonstracyjny wybrano prędkość przepływu powietrza na wlocie 20 m/s i kwadratowy kanał 2×2 m. Zakres prędkości 20 m/s wybrano w celach demonstracyjnych, ponieważ zazwyczaj profesjonalne pionowe tunele aerodynamiczne do indoor skydivingu pracują przez większość czasu w trybach, w których prędkość przepływu w sekcji obrotowej waha się między 10 a 30 m/s. Obliczenia CFD przeprowadzono dla 1 standardowej atmosfery przy 20°C i zerowej wilgotności powietrza z gazem ściśliwym i ścianą adiabatyczną o chropowatości 250 µm. Użyto siatki od 6 do 10 mln komórek na domenę. Na granicy wlotu zastosowano płaski profil wlotowy i 2% turbulencji. Turbulencję potraktowano przy użyciu modelu k-ε.
UWAGA! Należy pamiętać, że ilustracje pokazane na Rys. 4 są szczególnymi przykładami, przedstawionymi wyłącznie w celu zilustrowania zasad działania i porównania kilku typów obrotowych sekcji narożnych. Przypadki te nie mogą być interpretowane jako ogólne dla absolutnie każdego przypadku użycia. Dla każdego rzeczywistego systemu wentylacji lub innej sieci hydraulicznej należy wziąć pod uwagę specyficzne parametry hydrauliczne, rozmiar i kształt kanału, chropowatość i nieregularności strukturalne, niejednorodności przepływu i dokładne parametry fizyczne gazu dla każdego punktu obliczeniowego. Możesz zamówić takie obliczenia dla konkretnego systemu, kontaktując się z nami.
Opisano następujące przypadki projektowe:
- Sekcja narożna bez łopatek kierujących.
- Łagodnie zakrzywiona sekcja narożna (r = ½ wysokości kanału) z promieniowo wygiętymi kierownicami przepływu. Spadek ciśnienia zależy również od liczby i geometrii rozpórek kanału. Pokazano przykład ze zminimalizowaną liczbą optymalnie ukształtowanych płyt rozdzielających przepływ powietrza.
- Proste, promieniowo zakrzywione cienkie płyty (grubość 10-20 mm).
- Typowe, nieoptymalizowane łopatki kierujące najbliższych konkurentów.
- Łopatki kierujące TunnelTech (TTE-TV) o zoptymalizowanym profilu.
Najistotniejszym problemem okrągło zakrzywionych kanałów z małą liczbą prostych separatorów płytowych (lub w ogóle bez łopatek kierujących) jest rozkład ciśnienia i prędkości na wylocie sekcji skrętnej (Rys. 4, przypadek 2, patrz przekrój wylotowy). Ten wzorzec pokazuje, że prędkość będzie wzrastać od ściany zewnętrznej do ściany wewnętrznej każdej poddomeny przepływu, prowadząc do niejednorodnego przepływu, dużej turbulencji i hałasu. Im mniejszy promień skrętu, tym większe prawdopodobieństwo oderwania strugi, zniekształcenia pola ciśnienia i prędkości, poziomu hałasu i wartości spadku ciśnienia.
Jedynym sposobem na przezwyciężenie tych problemów jest duży promień krzywizny takiej sekcji narożnej i zwiększenie liczby łopatek kierujących przepływem powietrza. Tutaj pojawia się drugi problem – zwiększona przestrzeń wymagana do pomieszczenia takich łuków oraz koszt materiałowy kilku promieniowych rozpórek kanału powietrznego, dopasowanych do przekroju kanału. W dużych systemach kanałów wdrażanie łuków o łagodnym promieniu może prowadzić do nieracjonalnie dużych konstrukcji, czyniąc to podejście niepraktycznym w wielu scenariuszach, zwłaszcza tam, gdzie przestrzeń jest na wagę złota. Dodatkowa wymagana przestrzeń jest pokazana liniami przerywanymi na Rys. 4, przypadek 2 poniżej. Należy zwiększyć wysokość i szerokość każdego skrętu o minimum ½ rozmiaru kanału. Dla recyrkulacyjnych tuneli aerodynamicznych oznacza to zwiększenie wymiarów budynku o kilka metrów w każdym kierunku, co prowadzi do wyższych kosztów instalacji kanałowej i wyższych nakładów inwestycyjnych. Ponadto każdy dzielnik przepływu będzie kosztował tyle samo, co ściana kanału.
Rys. 4. Sekcje narożne w instalacji kanałowej - porównanie projektu i wydajności
Optymalnym rozwiązaniem dla tuneli aerodynamicznych i wentylacji przemysłowej są obrotowe łopatki sekcji skrętnej o profilu skrzydła ułożonym wzdłuż przekątnej, jak przedstawiono na Rysunku 4, przypadki 3-5.
Wszystkie powyższe obrazy CFD odpowiadają sekcji narożnej kanału powietrznego z wlotem 2x2m przy prędkości przepływu powietrza 20 m/s, jako przykład najbardziej istotny dla zastosowań w indoor skydivingu i poddźwiękowych tunelach aerodynamicznych o niskiej prędkości.
Rysunek 4 przypadek 3 pokazuje sekcję narożną z prostymi łopatkami kierującymi wykonanymi z cienkich, giętych blach metalowych. Rys. 4 przypadek 4 to najlepszy przykład łopatek obrotowych dostępnych u najbliższych konkurentów TunnelTech. Oba mają mniejszą długość cięciwy i nieoptymalny kształt profilu aerodynamicznego, co skutkuje widoczną niejednorodnością przepływu szczątkowego na wylocie sekcji, większym oporem aerodynamicznym i hałasem kanału powietrznego. Cienkie łopatki wykonane z prostych giętych blach zazwyczaj przekraczają dopuszczalne poziomy hałasu nawet przy niskiej prędkości powietrza, a opcja z grubym i krótkim profilem o niskim stosunku cięciwy do grubości będzie miała również mniejszą powierzchnię, co jest niepożądane w zastosowaniach, gdzie chłodzone łopatki kierujące są używane do wymiany ciepła.
W dolnej części Rysunku 4 przypadek 5 pokazano naroże kanału powietrznego wyposażone w wysokowydajne łopatki kierujące TunnelTech (w celu zamówienia patrz nr katalogowy: TTE-TV-90). Jak widać z przekrojów, przepływ jest bardziej jednorodny w przypadku odpowiednio wyprofilowanych łopatek kierujących, co prowadzi do mniejszego spadku ciśnienia i niskiej turbulencji.
Profil ciśnienia/prędkości powietrza na wylocie jest również znacznie lepszy dla sekcji narożnych TunnelTech wyposażonych w łopatki o długiej cięciwie niż w innych przypadkach. Skutkuje to bezkonkurencyjną jakością aerodynamiczną TunnelTech, co znajduje odzwierciedlenie w licznych recenzjach profesjonalnych skoczków spadochronowych i innych klientów.
Wszystkie omówione powyżej dane, w tym długość cięciwy i opcje chłodzenia, są również dostępne w <strong>Tabeli 1</strong>.
| Przypadek / Typ łopatki | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | Długość cięciwy (mm) | Chłodzenie |
|---|---|---|---|---|
| 1. Brak łopatek, ostry zakręt | 114 | 0.47 | — | Nie |
| 2. Łagodnie zakrzywiona sekcja narożna | 41 | 0.17 | > 2000 | Nie |
| 3. Proste, promieniowo zakrzywione cienkie płyty | 80 | 0.33 | 250–500 | Nie |
| 4. Łopatki kierujące najbliższych konkurentów | 88 | 0.37 | 280 | Tak |
| 5. Zoptymalizowane łopatki kierujące TunnelTech | 57 | 0.24 | 500 | Tak |
Wartości współczynnika strat hydraulicznych dla zakresu prędkości do 100 m/s dla sekcji skrętu kanału z łopatkami TunnelTech i konkurencji, bez zmian wynikających z wyboru danych początkowych, podano na Rys. 5.
Więcej szczegółów na temat strat hydraulicznych na długości kanału, oporu miejscowego i całkowitego współczynnika strat hydraulicznych podano poniżej.
Rys. 5. Porównanie sekcji skrętnej TunnelTech i konkurencji. Współczynnik strat hydraulicznych Darcy-Weisbacha dla tej samej geometrii i początkowych warunków obliczeniowych.
Łagodzenie turbulencji dla wiarygodnych obliczeń hydraulicznych i bezpieczeństwa strukturalnego
Rys. 6. Skala turbulencji sekcji łopatek narożnych TunnelTech (m) @ 20 m/s
Gładki i przewidywalny profil ciśnienia/prędkości jest szczególnie ważny w zastosowaniach, gdzie wysoka turbulencja lub oderwanie strugi są nieakceptowalne, takich jak eksperymentalne tunele aerodynamiczne, obiekty indoor skydivingu i zastosowania dużej mocy. Te pasożytnicze zjawiska, jak również pulsacje ciśnienia spowodowane oderwaniem strugi i turbulencją wielkoskalową, są również nieakceptowalne w instalacjach wymagających braku wibracji indukowanych akustycznie oraz tam, gdzie jakiekolwiek odchylenia ciśnienia statycznego są niedozwolone ze względu na wymagania stabilności strukturalnej kanału powietrznego. Dodatkowo te przepływy turbulentne są częstym źródłem hałasu, co dodatkowo obniża ogólną wydajność systemu i komfort zapewniany użytkownikom końcowym.
Należy również wziąć pod uwagę, że nieregularności przepływu mają tendencję do dalszego rozwoju i nasilania się, jeśli nie zostaną zastosowane specjalne prostownice, struktury typu plaster miodu, siatki deturbulizacyjne lub inne urządzenia do zarządzania przepływem powietrza [1-3]. Precyzyjna analiza gazodynamiczna wymaga obliczenia oporu każdego kolejnego elementu kanału powietrznego z uwzględnieniem rzeczywistego profilu ciśnienia/prędkości na wlocie, który jest generowany w poprzednim elemencie sieci hydraulicznej. W przypadku długich sieci hydraulicznych często niemożliwe jest przeprowadzenie symulacji CFD całego systemu ze względu na ogromne wymiary. W takiej sytuacji stosuje się przybliżone obliczenia półempiryczne obejmujące liczby bezwymiarowe płynu i kryteria geometrii [4] lub oprogramowanie oparte na takich metodach. Również modelowanie FEA w celu określenia stabilności strukturalnej kanału jest zazwyczaj wykonywane przy stabilnym polu ciśnienia statycznego przyłożonym do ścian kanału. Zatem poważne nieregularności przepływu rozwijające się w dół strumienia mogą również wprowadzać błąd do krytycznych dla bezpieczeństwa badań konstrukcji nośnych.
Metody przybliżone zazwyczaj nie zajmują się zniekształceniem profilu prędkości na wlocie do elementu sieci hydraulicznej, a w najlepszym przypadku uwzględniają, czy profil jest rozwinięty, czy jeszcze nierozwinięty (jednorodny), oraz parametry warstwy przyściennej. W tunelach aerodynamicznych i przemysłowych systemach wentylacji każdy skręt przepływu może powodować niejednorodność i silne zawirowanie przepływu, co prowadzi do niepewności w obliczeniach oporu hydraulicznego w długich sieciach hydraulicznych. Dlatego tam, gdzie to możliwe, należy unikać pojawiania się dużych nieregularności profilu prędkości.
Na Rys. 6 i z powyższego wywodu widać, że parametry sekcji skrętnych z łopatkami kierującymi TunnelTech są takie, że nie tworzą one dodatkowych zakłóceń przepływu, ale mogą być również używane do tłumienia zawirowań i niejednorodności za sekcją skrętną. Zatem sekcja obrotowa z łopatkami TunnelTech może również działać jako skuteczna prostownica przepływu, jeśli jest zainstalowana za wentylatorem osiowym, dyfuzorem kanałowym, wymiennikiem ciepła, sekcją testową, rozgałęzieniem lub włączeniem do kanału, lub jakimkolwiek innym obiektem generującym turbulencje.
Współczynnik oporu miejscowego
Charakterystykę oporu miejscowego naroża skrętnego można obliczyć za pomocą dobrze znanego równania Darcy-Weisbacha:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Gdzie:
- ΔP – całkowite straty ciśnienia (spadek ciśnienia) w Pa;
- ξ – współczynnik oporu miejscowego (Darcy-Weisbach);
- ρ – gęstość płynu (kg/m³);
- V – prędkość płynu w przekroju wlotowym (m/s).
Te parametry, które determinują efektywność energetyczną kanału powietrznego, są w dużym stopniu zależne od konstrukcji łopatek kierujących.
Zgodnie z [4] całkowity opór złożonego elementu hydraulicznego można przedstawić jako sumę oporu tarcia na długości ξL i oporu miejscowego ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
Dla prostoliniowego kanału powietrznego opór na długości jest proporcjonalny do długości i odwrotnie proporcjonalny do średnicy hydraulicznej, co wyraża wzór:
ξL = (L / D) · f
gdzie f to współczynnik tarcia Darcy'ego.
W przypadku rur o prostym kształcie (tj. koło, kwadrat, sześciokąt), f można wyrazić nieliniową zależnością tylko od liczby Reynoldsa – patrz Rozdział 2 w [4] lub https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Współczynnik tarcia f dla prostej rury okrągłej (kanał kołowy) o gładkich ścianach, z rozwiniętym ustabilizowanym profilem przepływu na wlocie i dla reżimu turbulentnego (liczby Reynoldsa Re > 4×103) można obliczyć ze wzoru:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
Dla rzeczywistych kanałów należy również wziąć pod uwagę chropowatość.
Rys. 7 poniżej przedstawia wykres współczynnika tarcia Darcy'ego w funkcji liczby Reynoldsa Re dla różnych chropowatości względnych ścian, opublikowany po raz pierwszy przez Nikuradze w [5-8]. Ten wykres jest również znany jako diagram Moody'ego [9] lub korelacja Colebrooka-White'a [10-11]. Współczesne badania dla rur gładkich można znaleźć w [12].
Ten diagram pokazuje złożoną zależność f(Re) dla rury okrągłej o różnej chropowatości. Dla rur kwadratowych i innych nieokrągłych diagram będzie bardziej skomplikowany. Zatem należy wziąć pod uwagę reżimy przepływu (liczba Reynoldsa), kształt kanału i względną chropowatość ścian.
Rys. 7. Wykres Moody'ego (znany również jako Nikuradze), pokazujący współczynnik tarcia Darcy-Weisbacha fD w funkcji liczby Reynoldsa Re dla różnych chropowatości względnych – Oryginalny diagram: S Beck i R Collins, University of Sheffield, Udostępniono na licencji CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
W przypadku rzeczywistych szorstkich kanałów nadal możliwe jest przedstawienie całkowitego oporu jako sumy ξSUM = ξL + ξ0 oporu na długości i oporu miejscowego.
Takie przedstawienie sumy upraszcza badanie parametrów kanału, ponieważ opór miejscowy ξ0 można obliczyć dla uproszczonej geometrii elementu – na przykład w okresowym sformułowaniu problemu z mniejszą domeną obliczeniową lub w wersji 2D problemu. Zwróć uwagę na ogromny rozmiar domeny obliczeniowej przykładów pokazanych na Rys. 4, gdzie sekcja ma wysokość 3 i długość 18 metrów, a zbieżność siatki zaczyna pojawiać się adekwatnie przy rozmiarze ponad 10 milionów elementów siatki. Wariant sformułowania problemu z warunkami okresowymi lub 2D dla tych przypadków mógłby mieć o rząd wielkości mniejszą liczbę elementów siatki, a uproszczone obliczenie każdego punktu prędkości dla wykresu ΔP(v) zajęłoby tylko minuty lub nawet sekundy, a nie godziny.
Zatem podział na sumę dwóch oporów może znacznie uprościć obliczenia – można szybko określić opór miejscowy ξ0, a następnie dodać opór na długości ξL. Ten ostatni można szybko oszacować ze znanych tabel lub za pomocą przybliżonych wzorów wykorzystujących uproszczone równania oparte na liczbach bezwymiarowych i parametrach geometrii kanału powietrznego. Dla elementów hydraulicznych i sieci kanałów z nagłymi zmianami kierunku przepływu (kolana kątowe, łuki gładkie, łuki pod różnymi kątami z łopatkami kierującymi i bez), podobne podejście i metodę przedstawiono w Rozdziałach 6-1 i 6-2 w obszernym Handbook of hydraulic resistance [4].
Najważniejsze Cechy Produktu
Łopatki kierujące przepływem powietrza TunnelTech (produkt TTE-TV) znajdują się w czołówce tej technologii, oferując niezrównaną wydajność w zarządzaniu przepływem powietrza. Nasze produkty są przeznaczone do szerokiej gamy zastosowań, od obiektów indoor skydivingu i tuneli aerodynamicznych po systemy HVAC i wentylacji, ucieleśniając najnowocześniejsze rozwiązania w zakresie projektowania aerodynamicznego i efektywności energetycznej.
Wydajność sekcji łopatek kierujących w kanałach powietrznych
Wysokowydajne łopatki kierujące przepływem powietrza TunnelTech wyznaczają standardy branżowe w zakresie mocy i wydajności aerodynamicznej. Nasze energooszczędne łopatki kierujące są zaprojektowane tak, aby zminimalizować tarcie aerodynamiczne, zapewniając płynny przepływ powietrza i zmniejszając zużycie energii.
Łopatki kierujące TunnelTech mają doskonałe charakterystyki oporu miejscowego kanału powietrznego. Parametry oporu, obliczone za pomocą równania Darcy-Weisbacha, jak opisano powyżej, przedstawiono na poniższych rysunkach (patrz Rys. 8 poniżej) oraz w Karcie Katalogowej Łopatek Kierujących.
Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku gdy rozmiar kanału jest nieznany, podawane są wartości dla wyidealizowanego elementu z okresowymi bocznymi warunkami brzegowymi, bez uwzględnienia wkładu dodatkowego oporu ścian na długości, chropowatości i wpływu innych parametrów lokalnych. Na Rys. 8 podano wartości dla wyidealizowanego obrotowego elementu narożnego z łopatkami TunnelTech, który został obliczony w przybliżeniu nieskończonej sekwencji okresowej stosu 15 łopatek z okresowymi warunkami brzegowymi.
Rys. 8. Współczynnik oporu miejscowego łopatki kierującej TunnelTech i odpowiadający mu spadek ciśnienia.
Jeśli system HVAC lub inny system hydrauliczny składa się z kanałów, które generalnie nie zmieniają kształtu przekroju poprzecznego obszaru przepływu wzdłuż ścieżki przepływu, wygodnie jest oszacować oporność na jednostkę długości dla przybliżonych obliczeń (do oszacowania oczywiście dla całego zakresu prędkości):
KL = ξL / L = f / Dh
gdzie Dh to średnica hydrauliczna kanału. Wartość KL jest łatwa do określenia z podręczników, jak omówiono powyżej. Zatem mnożąc to przez długość i dodając wartości oporu miejscowego ξ0 uzyskane z kart katalogowych lub obliczone niezależnie, możliwe jest szybkie oszacowanie całkowitej straty ciśnienia w systemie.
ξSUM = KL · L + ξ0
Powyższe przykłady ilustracyjne pokazane na Rys. 4 kwadratowego kanału 2×2 metry z parametrami gazu i chropowatością użytymi w obliczeniach mają oporność na jednostkę długości rzędu K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2,1 Pa. Ta wartość ma zastosowanie przy ocenie kwadratowego kanału bez uwzględnienia łuków, łopatek lub innego wyposażenia wewnętrznego. Dla pełnej długości 21 metrów, którą masa powietrza przebywa wzdłuż kanału, da to spadek ciśnienia ~44 Paskali. Dodając do tego wartość pokazaną na Rys. 8 (11 Pa dla prędkości 20 m/s przyjętej zgodnie z Kartą Katalogową Łopatek Kierujących (Tabela A.2.1) daje całkowity opór 55 Pa dla rzeczywistej sekcji kwadratowego kanału 2×2 z łopatkami obrotowymi wewnątrz. Ta wartość jest w dobrej zgodności z wartością pokazaną na Rys. 4, przypadek 5.
Więcej informacji na temat przybliżonych sposobów obliczania oporów kanałów o dowolnym kształcie bez użycia metod CFD można łatwo znaleźć w <a href="#references">[4]</a> lub podobnej literaturze.
UWAGA! Należy pamiętać, że przykłady pokazane na Rys. 4 są tylko szczególnym przypadkiem demonstrującym działanie łopatek obrotowych i nie mogą być używane do oceny dowolnego kanału! Rysunek 8 ma zastosowanie w szerszym kontekście, jednak należy wziąć pod uwagę specyficzne parametry kanału klienta. Każdy konkretny system wymaga szczegółowej analizy, którą można zamówić w TunnelTech. W celu dokładnego obliczenia oporu hydraulicznego kanału i eksperckiej oceny zużycia energii przez Państwa wentylację lub sprzęt tunelu aerodynamicznego, prosimy o kontakt z nami.
Dodatkowe informacje o usługach i R&D można również znaleźć na stronie Technologia oraz w sekcji Usługi.
Łopatki kierujące do chłodzenia i ogrzewania przemysłowego
Unikalne wśród łopatek kierujących do kanałów przemysłowych, nasze produkty oferują możliwość cyrkulacji chłodziwa przy wysokim natężeniu przepływu, co pozwala na efektywne chłodzenie lub ogrzewanie powietrza przechodzącego przez kanał. Ta funkcja otwiera nowe możliwości w regulacji termicznej przy użyciu łopatek do kontroli klimatu wewnętrznego i zintegrowanych z kanałem wymienników ciepła o niskim oporze, zapewniając naszym klientom wszechstronne rozwiązania dla ich potrzeb przepływu powietrza.
Oceniane przy użyciu metody obliczeniowej HTCL (Współczynnik Przenikania Ciepła na metr bieżący), która kwantyfikuje strumień ciepła (w Watach) na metr długości łopatki kierującej dla każdego Kelwina logarytmicznej różnicy temperatur (ΔTLMTD) między powietrzem zewnętrznym a chłodziwem łopatki narożnej, nasze łopatki kierujące są zaprojektowane do efektywnego rozpraszania ciepła w różnych warunkach przepływu powietrza, gwarantując stabilną wydajność i regulację temperatury.
Parametry Współczynnika Przenikania Ciepła dla chłodzonych wodą łopatek kierujących przedstawiono na Rys. 9, zarówno dla powietrza wilgotnego, jak i suchego, gdzie ΔP [kPa] reprezentuje różnicę ciśnień wody między portami wlotowymi i wylotowymi łopatki (niebieski i czerwony na Rys. 10).
Rys. 10. Kanały chłodzące łopatek kierujących
Rys. 9. Współczynnik HTCL. Powietrze suche (RH=0%) i wilgotne (RH=90% przy 30 °C) przy różnej różnicy ciśnień chłodziwa (woda) między portami wlotowymi i wylotowymi kanału chłodziwa.
Łopatki kierujące do odzysku ciepła odpadowego
Chłodzone łopatki kierujące ze zintegrowanymi kanałami wymiany ciepła oferują wszechstronne rozwiązanie do odzysku ciepła odpadowego w różnych zastosowaniach. Po zintegrowaniu z systemami wymiany ciepła łopatki te mogą wychwytywać nadmiar energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, przekazując ją do systemów rekuperacji ciepła, co znacznie zwiększa ogólną wydajność systemu.
W praktycznych zastosowaniach technologia ta może być wykorzystywana w wielu obszarach. Na przykład w procesach przemysłowych chłodzone łopatki kierujące mogą odzyskiwać ciepło odpadowe z gazów spalinowych i przekierowywać je do wstępnego podgrzewania przychodzących płynów lub powietrza, zmniejszając tym samym zużycie energii. W systemach HVAC podobne zasady są stosowane za pomocą urządzeń takich jak wentylatory z odzyskiem ciepła (HRV) i wentylatory z odzyskiem energii (ERV), które przekazują ciepło między strumieniami powietrza wywiewanego i nawiewanego. Proces ten minimalizuje energię wymaganą do ogrzewania lub chłodzenia powietrza nawiewanego, prowadząc do znacznych oszczędności energii.
Dodatkowo chłodzone łopatki kierujące mogą być zintegrowane z systemami stosowanymi w sektorach wytwarzania energii i energii odnawialnej. Na przykład w systemach kogeneracji (CHP) ciepło odpadowe z wytwarzania energii elektrycznej jest odzyskiwane i wykorzystywane do celów grzewczych, poprawiając ogólną wydajność systemu. W systemach energii geotermalnej łopatki te mogą pomóc w zarządzaniu energią cieplną wydobywaną z ziemi, optymalizując procesy wymiany ciepła.
W inicjatywach dotyczących zielonej i odnawialnej energii odzysk ciepła odpadowego odgrywa kluczową rolę w zmniejszaniu śladu węglowego i zwiększaniu zrównoważonego rozwoju systemów energetycznych. Takie podejście jest zgodne z zasadami lean manufacturing poprzez poprawę efektywności zasobów i redukcję kosztów operacyjnych dzięki skutecznemu zarządzaniu ciepłem. Ponadto w projektach ESG włączenie takich technologii demonstruje zaangażowanie w minimalizację wpływu na środowisko i optymalizację wykorzystania zasobów, zgodnie z szerszymi celami zrównoważonego rozwoju.
Odzysk ciepła – Powiązane projekty
TunnelTech posiada bogate doświadczenie w realizacji projektów obejmujących wymianę ciepła i systemy HVAC zaprojektowane do odzysku ciepła odpadowego przy użyciu chłodzonych łopatek kierujących. Integrując te łopatki z układami wymiany ciepła, zaprojektowanymi do wychwytywania i ponownego wykorzystania energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, TunnelTech umożliwia bardziej efektywny odzysk ciepła odpadowego z różnych procesów przemysłowych i komercyjnych. Takie podejście nie tylko poprawia efektywność energetyczną, ale także wspiera cele zrównoważonego rozwoju poprzez zmniejszenie zużycia energii i kosztów operacyjnych.
Zastosowania
Nasze łopatki kierujące służą szerokiej gamie branż i zastosowań
Systemy HVAC
| Budynki komercyjne | Optymalizacja kanałów wentylacyjnych; Efektywność energetyczna; Redukcja kosztów operacyjnych; Zwiększanie bezpieczeństwa i higieny poprzez efektywne zarządzanie jakością powietrza i temperaturą; |
| Kompleksy mieszkalne | Zapewnienie komfortowych warunków mieszkalnych dzięki optymalnej jakości i przepływowi powietrza; Zwiększanie bezpieczeństwa i higieny; |
| Centra danych (Data Center) | Łopatki kierujące przepływem powietrza do zarządzania termicznego utrzymują krytyczne poziomy temperatury i wilgotności dla wydajności i trwałości serwerów; |
Systemy wentylacji w inżynierii lądowej
| Szpitale i placówki opieki zdrowotnej | Cicho pracujące łopatki kierujące zapewniają kluczową kontrolę jakości powietrza w celu ochrony pacjentów i personelu; Zwiększanie bezpieczeństwa i higieny poprzez efektywne zarządzanie jakością powietrza i temperaturą |
| Instytucje edukacyjne | Tworzenie sprzyjającego środowiska do nauki dzięki poprawionej cyrkulacji powietrza |
Kontrola środowiskowa
| Elektronika, Biotechnologia, Technologia żywności i inne obiekty Hi-tech / Clean Roomy | Regulacja temperatury i wilgotności dla zaawansowanej technologicznie i wymagającej produkcji; Łopatki kierujące w klimatyzacji utrzymują rygorystyczne standardy przepływu powietrza dla produkcji i badań |
| Areny sportowe | Zapewnienie komfortu i bezpieczeństwa zarówno sportowcom, jak i widzom |
Zastosowania przemysłowe i specjalistyczne
| Budowa i konserwacja tuneli | Poprawa jakości powietrza i bezpieczeństwa pracowników w środowiskach tunelowych; |
| Obiekty przemysłowe | Optymalizacja kanałów wentylacyjnych; Efektywność energetyczna; Zrównoważony rozwój; Redukcja kosztów operacyjnych; |
| Odlewnie i obiekty przemysłu ciężkiego | Efektywność energetyczna; Redukcja kosztów operacyjnych; Odzysk ciepła odpadowego; Dekarbonizacja i ESG; Wytrzymałe kanały powietrzne HVAC; Zarządzanie termiczne; |
| Inżynieria morska | Ulepszanie systemów wentylacji na statkach i łodziach podwodnych dla komfortu załogi i niezawodności sprzętu; |
| Górnictwo i budownictwo podziemne | Zapewnienie kluczowej wentylacji w miejscach wydobycia i innych strukturach podziemnych, zmniejszając ryzyko wystąpienia niebezpiecznych warunków; |
Każde z tych zastosowań czerpie znaczne korzyści z zaawansowanej konstrukcji i funkcjonalności łopatek kierujących TunnelTech, co stanowi krok naprzód w efektywnym zarządzaniu przepływem powietrza. Wybierając łopatki kierujące powietrzem o niskim oporze od TunnelTech, klienci mogą oczekiwać nie tylko spełnienia, ale i przekroczenia celów wydajności systemu, a wszystko to przy jednoczesnym
- •zmniejszając zużycie energii * nawet o 30%
- •redukując hałas * o 60%, w porównaniu do konwencjonalnych kanałów powietrznych.
* – wyniki eksperymentalne dla geometrii tunelu aerodynamicznego TT45Pro.
W przypadku zapytań i szczegółów dotyczących dostosowania naszych łopatek kierujących do konkretnych potrzeb, prosimy o kontakt z naszym zespołem. Niech TunnelTech będzie Twoim partnerem w osiąganiu optymalnych rozwiązań zarządzania przepływem powietrza.
Instalacja i konserwacja
- •Wymiary i specyfikacje
Sprawdź wymiary kanału i specyfikacje łopatek kierujących przed instalacją
- •Opcje montażu
Dostępne w konfiguracjach zaciskowych, śrubowych i spawanych
- •Obsługa ładunków
Postępuj zgodnie z wytycznymi dotyczącymi obsługi ładunków w celu bezpiecznego transportu i pozycjonowania
- •Instalacja krok po kroku
Szczegółowe instrukcje instalacji dostarczane z każdym produktem
- •Harmonogram inspekcji
Regularne inspekcje wizualne w celu zapewnienia wyrównania łopatek i integralności strukturalnej
- •Procedury czyszczenia
Okresowe czyszczenie w celu usunięcia kurzu i zanieczyszczeń nagromadzonych na powierzchniach łopatek
- •Monitorowanie zużycia
Monitorowanie pod kątem oznak korozji, erozji lub uszkodzeń mechanicznych
- •Przewodnik rozwiązywania problemów
Rozwiązywanie typowych problemów, takich jak wibracje, hałas lub zmniejszona wydajność przepływu powietrza
Dokumentacja
Informacje techniczne na temat zespołów sekcji narożnych tuneli aerodynamicznych TunnelTech oraz parametrów łopatek kierujących są dostępne w obszernym arkuszu danych dla produktów TTE-TSA i TTE-TV. Dokumentacja zawiera informacje o opcjach projektowych, oporach miejscowych dla poziomych i pionowych naroży skrętu przepływu o 90 stopni, a także parametry hydrauliczne i wymiany ciepła dla chłodzonych łopatek kierujących.
Pobierz kartę katalogową TTE-TSA (PDF)Referencje i powiązane publikacje
Dodatkowe informacje na temat projektowania i optymalizacji łopatek obrotowych dla tuneli aerodynamicznych, przemysłowych instalacji kanałowych, kanałów HVAC i sprzętu do zarządzania przepływem powietrza, prostownic wentylatorów itp. można znaleźć pod poniższymi linkami:
- 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.
Zobacz również:
- Wykres Moody'ego: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy-Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Współczynnik tarcia: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Strata tarcia: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss