Wprowadzenie do łopatek kierujących
W dziedzinie zarządzania przepływem powietrza konstrukcja narożników kanałów odgrywa kluczową rolę w wydajności i funkcjonalności wentylacji, systemów HVAC i tuneli aerodynamicznych. Kiedy powietrze jest zmuszone do wykonania ostrego skrętu, co jest często wymagane w systemach kanałów, napotyka na zwiększony opór hydrauliczny, co prowadzi do wyższych strat ciśnienia i turbulencji. To nie tylko zagraża wydajności systemu, wymagając więcej energii do utrzymania przepływu powietrza, ale także wpływa na integralność strukturalną kanałów z powodu nierównomiernego ciśnienia wywieranego przez turbulentne przepływy.
W tym miejscu do gry wkraczają łopatki kierujące, znane również jako łopatki narożne lub łopatki prowadzące (Rys. 1). Zaprojektowane do instalacji w narożnikach, łopatki narożne kanałów pozwalają powietrzu pokonać zakręt z minimalnym oporem, skutecznie redukując straty ciśnienia i łagodząc turbulencje bez potrzeby dodatkowej przestrzeni, której wymagają łuki o płynnym promieniu. To sprawia, że łopatki kierujące są idealnym rozwiązaniem do wydajnego zarządzania przepływem powietrza w ograniczonej przestrzeni.
Rys. 1. Zespół sekcji narożnej z łopatkami kierującymi Tunnel Tech
Wysokowydajne sekcje łopatek kierujących konkurujące z ogólnymi rozwiązaniami HVAC.
Tradycyjnym rozwiązaniem pozwalającym przezwyciężyć wspomniane szkodliwe zjawiska zwiększonej turbulencji, strat ciśnienia i hałasu w stromo zakrzywionym kanale jest zaprojektowanie promieniowych kolan kanałów (Rys. 2 i Rys. 4, przypadek 2). Kolana te, choć skuteczne w pewnym łagodzeniu turbulencji, hałasu i strat ciśnienia (które są powszechne w ostrym zakręcie, jak widać na Rys. 4, przypadek 1), mają swoje własne problemy.
Kilka tradycyjnych systemów kanałów wentylacyjnych z zakrętem wykonanym z płynnie 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 kanałów DW144.
Takie rozwiązania kanałów są powszechne i opłacalne w małych zastosowaniach w budownictwie lądowym, małych firmach i systemach HVAC małej mocy, gdzie koszt energii nie jest istotnym czynnikiem. Jednakże konstrukcja ta nie jest dobrym rozwiązaniem dla systemów wentylacji i chłodzenia w średniej i dużej skali oraz w energetyce o dużej mocy, metalurgii, maszynach wirnikowych, wymiennikach ciepła, odzysku ciepła odpadowego oraz nowoczesnych zastosowaniach związanych z zieloną i odnawialną energią, gdzie wydajność hydrauliczna i oszczędność energii są koniecznością.
Nie ma jednak potrzeby budowania niestandardowego kanału za każdym razem, gdy zużycie energii w sieci hydraulicznej musi zostać zoptymalizowane do perfekcji. Ten sam Rysunek 2 po prawej stronie pokazuje wariant ukośnej sekcji łopatek kierujących Tunnel Tech, która jest energooszczędna, charakteryzuje się niskim poziomem hałasu i niską turbulencją, spełniając jednocześnie standardy branżowe dla systemów HVAC, ale może być również stosowana w wielkoskalowych i przemysłowych zastosowaniach o dużej mocy. Przykład wielkoskalowego obiektu, w którym można łatwo zintegrować ukośną sekcję łopatek kierujących, pokazano na Rys. 3.
Rys. 2. Tradycyjne kolano HVAC średniej skali z łopatką rozdzielającą z blachy, standard DW144 (po lewej) oraz wysokowydajny ukośny zespół łopatek kierujących Tunnel Tech do standardowych kanałów powietrznych (po prawej).
Rys. 3. Wielkoskalowe sekcje narożne kanałów powietrznych Tunnel Tech dla tuneli aerodynamicznych, energetyki i zastosowań przemysłowych.
Konstrukcja łopatek kierujących w celu redukcji spadku ciśnienia, turbulencji i hałasu
W celu porównania różnych konstrukcji narożników kierujących, spadki ciśnienia (ΔP) i wzorce przepływu symulowane za pomocą CFD przedstawiono 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 skydiving działają przez większość czasu w trybach, w których prędkość przepływu w sekcji obrotowej waha się od 10 do 30 m/s. Obliczenia CFD przeprowadzono dla 1 atmosfery standardowej w temperaturze 20 C i zerowej wilgotności powietrza z gazem ściśliwym i ścianą adiabatyczną o chropowatości 250 µm. Zastosowano siatkę od 6 do 10 mln komórek na domenę. Na granicy wlotu zastosowano płaski profil wlotowy i 2% turbulencji. Turbulencję modelowano przy użyciu modelu k-ε.
Uwaga! Należy pamiętać, że ilustracje przedstawione na Rys. 4 są szczególnymi przykładami, zaprezentowanymi wyłącznie w celu zilustrowania zasad działania i porównania kilku typów sekcji narożnych. Przypadków tych nie można interpretować jako ogólnych dla absolutnie każdego zastosowania. Dla każdego rzeczywistego systemu wentylacyjnego lub innej sieci hydraulicznej, dla każdego punktu obliczeniowego należy wziąć pod uwagę specyficzne parametry hydrauliczne, rozmiar i kształt kanału, chropowatość i nieregularności strukturalne, niejednorodności przepływu oraz dokładne parametry fizyczne gazu. Możesz zamówić takie obliczenia dla konkretnego systemu, kontaktując się z nami.
Opisano następujące przypadki projektowe:
- Sekcja narożna bez łopatek kierujących.
- Płynnie zakrzywiona sekcja narożna (r = ½ wysokości kanału) z promieniowo wygiętymi kierownicami przepływu. Spadek ciśnienia zależy również od liczby i geometrii przekładek kanału. Pokazano przykład ze zminimalizowaną liczbą optymalnie ukształtowanych płyt rozdzielających przepływ powietrza.
- Proste, promieniowo zakrzywione cienkie płyty (grubość 10-20 mm).
- Typowe, niezoptymalizowane łopatki kierujące najbliższych konkurentów.
- Łopatki kierujące Tunnel Tech (TTE-TV) o zoptymalizowanym profilu.
Najistotniejszym problemem okrągło zakrzywionych kanałów z niewielką liczbą prostych wygiętych płyt rozdzielających (lub w ogóle bez łopatek kierujących) jest wzorzec rozkładu ciśnienia i prędkości na wyjściu z sekcji narożnej (Rys. 4, przypadek 2, patrz przekrój wylotowy). Wzorzec ten pokazuje, że prędkość będzie wzrastać od zewnętrznej do wewnętrznej ściany każdej subdomeny przepływu, prowadząc do niejednorodnego przepływu, dużej turbulencji i hałasu. Im mniejszy promień skrętu, tym większe prawdopodobieństwo oderwania przepływu, 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. Tu pojawia się drugi problem – zwiększona przestrzeń wymagana do pomieszczenia takich łuków oraz koszt materiałowy kilku promieniowych przekładek kanału powietrznego, dostosowanych do przekroju kanału. W dużych systemach kanałów wdrażanie łuków o płynnym promieniu może prowadzić do nieuzasadnienie dużych konstrukcji, co czyni to podejście niepraktycznym w wielu scenariuszach, zwłaszcza tam, gdzie przestrzeń jest na wagę złota. Dodatkową potrzebną przestrzeń pokazano przerywanymi liniami na Rys. 4, przypadek 2 poniżej. Należy zwiększyć wysokość i szerokość każdego zakrętu o co najmniej ½ rozmiaru kanału. W przypadku recyrkulacyjnych tuneli aerodynamicznych oznacza to zwiększenie wymiarów budynku o kilka metrów w każdym kierunku, co prowadzi do wyższych kosztów kanałów i wyższych nakładów inwestycyjnych. Ponadto każdy rozdzielacz przepływu będzie kosztował tyle samo, co ściana kanału.
Rys. 4. Sekcje narożne w systemie kanałów - porównanie konstrukcji i wydajności
Optymalnym rozwiązaniem dla tuneli aerodynamicznych i wentylacji przemysłowej są łopatki kierujące sekcji narożnej o profilu skrzydła rozmieszczone wzdłuż przekątnej, jak pokazano na Rysunku 4, przypadki 3-5.
Wszystkie powyższe obrazy CFD odpowiadają sekcji narożnej kanału powietrznego z wlotem 2x2 m przy prędkości przepływu powietrza 20 m/s, jako przykład najbardziej odpowiedni dla zastosowań w indoor skydiving oraz poddźwiękowych tunelach aerodynamicznych niskich prędkości.
Rysunek 4, przypadek 3 przedstawia sekcję narożną z prostymi łopatkami kierującymi wykonanymi z cienkich, giętych blach. Rys. 4, przypadek 4 to najlepszy przykład łopatek kierujących dostępnych u najbliższych konkurentów TunnelTech. Obie opcje mają mniejszą długość cięciwy i niezoptymalizowany kształt profilu lotniczego, co skutkuje widoczną szczątkową niejednorodnością przepływu na wyjściu z sekcji, większym oporem aerodynamicznym i hałasem w kanale powietrznym. 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, w których chłodzone łopatki kierujące są używane do wymiany ciepła.
W dolnej części Rysunku 4, przypadek 5, pokazano narożnik kanału powietrznego wyposażony w wysokowydajne łopatki kierujące Tunnel Tech (w celu zamówienia należy podać następujący numer części: TTE-TV-90). Jak widać na przekrojach, 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 Tunnel Tech wyposażonych w łopatki o długiej cięciwie niż w innych przypadkach. Skutkuje to bezkonkurencyjną jakością aerodynamiczną Tunnel Tech, co znajduje odzwierciedlenie w licznych opiniach 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. Płynnie 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 Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | Tak |
Wartości współczynnika strat hydraulicznych dla zakresu prędkości do 100 m/s dla sekcji narożnej kanału z łopatkami TunnelTech i konkurencji, bez wahań 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 narożnej Tunnel Tech i konkurencji. Współczynnik strat hydraulicznych Darcy-Weisbacha dla tej samej geometrii i początkowych warunków obliczeniowych.
Ograniczanie turbulencji w celu zapewnienia niezawodnych obliczeń hydraulicznych i bezpieczeństwa strukturalnego
Rys. 6. Skala turbulencji sekcji narożnej z łopatkami Tunnel Tech (m) przy 20 m/s
Płynny i przewidywalny profil ciśnienia/prędkości jest szczególnie ważny w zastosowaniach, w których wysoka turbulencja lub oderwanie przepływu są niedopuszczalne, takich jak eksperymentalne tunele aerodynamiczne, obiekty do indoor skydiving oraz zastosowania o dużej mocy. Te pasożytnicze zjawiska, a także pulsacje ciśnienia spowodowane oderwaniem przepływu i turbulencjami na dużą skalę, są również niedopuszczalne w instalacjach, które wymagają braku wibracji wywołanych akustycznie i gdzie jakiekolwiek odchylenia ciśnienia statycznego nie są dozwolone ze względu na wymagania dotyczące stabilności strukturalnej kanałów powietrznych. Dodatkowo, te turbulentne przepływy są powszechnym 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 stosuje się specjalnych prostowników, struktur typu plaster miodu, siatek deturbulizacyjnych lub innych urządzeń 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 z wykorzystaniem liczb bezwymiarowych płynu i kryteriów geometrii [4] lub oprogramowanie oparte na takich metodach. Ponadto modelowanie FEA w celu określenia stabilności strukturalnej kanału jest zazwyczaj wykonywane ze stabilnym polem ciśnienia statycznego przyłożonym do ścian kanału. Zatem poważne nieregularności przepływu rozwijające się w dół strumienia mogą również wprowadzać błędy do krytycznych dla bezpieczeństwa badań konstrukcji nośnych.
Metody przybliżone zazwyczaj nie radzą sobie ze zniekształceniem profilu prędkości na wlocie do elementu sieci hydraulicznej, a w najlepszym razie biorą pod uwagę, czy profil jest rozwinięty, czy jeszcze nierozwinięty (jednorodny), oraz parametry warstwy przyściennej. W tunelach aerodynamicznych i przemysłowych systemach wentylacyjnych każdy zakręt przepływu może powodować niejednorodność i silne zawirowanie przepływu, co prowadzi do niepewności w obliczeniach oporów hydraulicznych w długich sieciach hydraulicznych. Dlatego tam, gdzie to możliwe, należy unikać powstawania dużych nieregularności profilu prędkości.
Jak widać na Rys. 6 i z powyższych demonstracji, parametry sekcji narożnych z łopatkami kierującymi TunnelTech są takie, że nie tworzą one dodatkowych zaburzeń przepływu, ale mogą być również wykorzystywane do tłumienia zawirowań i niejednorodności w dół strumienia od sekcji narożnej. Zatem sekcja narożna z łopatkami TunnelTech może również działać jako skuteczny prostownik strugi, jeśli jest zainstalowana za wentylatorem osiowym, dyfuzorem kanału, wymiennikiem ciepła, sekcją testową, rozgałęzieniem lub włączeniem do kanału, lub jakimkolwiek innym obiektem generującym turbulencje.
Współczynnik strat miejscowych
Charakterystykę oporu miejscowego narożnika kierującego 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 strat miejscowych (Darcy-Weisbacha);
- ρ – gęstość płynu (kg/m³);
- V – prędkość płynu w przekroju wlotowym (m/s).
Parametry te, które określają 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 liniowy jest wprost proporcjonalny do długości i odwrotnie proporcjonalny do średnicy hydraulicznej, co wyraża się wzorem:
ξL = (L / D) · f
gdzie f to współczynnik tarcia Darcy'ego.
W przypadku rur o prostych kształtach (tj. okrągłych, kwadratowych, sześciokątnych), f można wyrazić za pomocą nieliniowej zależności tylko od liczby Reynoldsa – patrz Rozdzia ł 2 w [4] lub https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Współczynnik tarcia f dla prostej okrągłej rury (kanału okrągłego) 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
W przypadku 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 Nikuradsego w [5-8]. Wykres ten jest również znany jako wykres Moody'ego [9] lub korelacja Colebrooka-White'a [10-11]. Współczesne badania dla rur gładkich można znaleźć w [12].
Wykres ten pokazuje złożoną zależność f(Re) dla okrągłej rury o różnej chropowatości. W przypadku rur kwadratowych i innych nieokrągłych wykres będzie bardziej skomplikowany. Należy zatem wziąć pod uwagę reżimy przepływu (liczba Reynoldsa), kształt kanału i względną chropowatość ścian.
Rys. 7. Wykres Moody'ego (znany również jako wykres Nikuradsego), pokazujący współczynnik tarcia Darcy-Weisbacha fD w funkcji liczby Reynoldsa Re dla różnych chropowatości względnych – Oryginalny wykres: S Beck i R Collins, University of Sheffield, udostępniony na licencji CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
W przypadku rzeczywistych chropowatych kanałów nadal możliwe jest przedstawienie całkowitego oporu jako sumy ξSUM = ξL + ξ0 oporu liniowego 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. Należy zwrócić 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 odpowiednio 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 zaledwie minuty lub nawet sekundy, a nie godziny.
Zatem podział na sumę dwóch oporów może znacznie uprościć obliczenia – można szybko wyznaczyć opór miejscowy ξ0, a następnie dodać opór liniowy 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 sieci hydraulicznych i kanałowych z nagłymi zmianami kierunku przepływu (kolana kątowe, łagodne łuki, łuki pod różnymi kątami z łopatkami kierującymi i bez nich), podobne podejście i metodę przedstawiono w Rozdziałach 6-1 i 6-2 w obszernym Podręczniku oporów hydraulicznych [4].
Specyfikacje techniczne
Kompleksowe dane techniczne do precyzyjnych obliczeń inżynieryjnych i wydajnościowych.
Technologia zintegrowanego chłodzenia
Rewolucjonizując projektowanie tuneli, nasze łopatki kierujące posiadają zintegrowane wewnętrzne kanały chłodziwa — zapewniając doskonałą wydajność wymiany ciepła bez uszczerbku dla jakości przepływu powietrza.
- Ogromna zdolność rozpraszania ciepła, skalowalna od setek kilowatów do dziesiątek megawatów.
- Efektywne zarządzanie termiczne z zerowym negatywnym wpływem na turbulencje przepływu powietrza lub jakość strugi.
- Zaprojektowane z sześcioma zintegrowanymi wewnętrznymi kanałami chłodzącymi na łopatkę dla maksymalnej wydajności termicznej
- Bezproblemowa integracja ze standardową przemysłową infrastrukturą chłodzenia wodnego
Najważniejsze cechy produktu
Łopatki kierujące przepływem powietrza firmy Tunnel Tech (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 do indoor skydiving i tuneli aerodynamicznych po systemy HVAC i wentylacyjne, uosabiając najnowocześniejsze rozwiązania w zakresie projektowania aerodynamicznego i efektywności energetycznej.
Wydajność sekcji łopatek kierujących w kanałach powietrznych
Wysokowydajne łopatki kierujące przepływem powietrza firmy Tunnel Tech wyznaczają standardy branżowe w zakresie mocy i wydajności aerodynamicznej. Nasze energooszczędne łopatki kierujące zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować tarcie aerodynamiczne, zapewniając płynny przepływ powietrza i zmniejszając zużycie energii.
Łopatki kierujące TunnelTech charakteryzują się doskonałymi parametrami oporu miejscowego kanału powietrznego. Parametry oporu, obliczone przy użyciu 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 charakteryzującego się okresowymi bocznymi warunkami brzegowymi, bez uwzględniania wkładu wnoszonego przez dodatkowy opór ściany na długości, chropowatość i wpływ innych parametrów lokalnych. Na Rys. 8 podano wartości dla wyidealizowanego narożnego elementu kierującego z łopatkami Tunnel Tech, które obliczono w przybliżeniu nieskończonej sekwencji okresowej stosu 15 łopatek z okresowymi warunkami brzegowymi.
Rys. 8. Współczynnik strat miejscowych łopatki kierującej Tunnel Tech i odpowiadający mu spadek ciśnienia.
Jeśli system HVAC lub inny system hydrauliczny składa się z kanałów, które zasadniczo nie zmieniają kształtu przekroju poprzecznego obszaru przepływu wzdłuż ścieżki przepływu, do przybliżonych obliczeń wygodnie jest oszacować opór na jednostkę długości (do oszacowania, oczywiście, dla całego zakresu prędkości):
KL = ξL / L = f / Dh
gdzie Dh to średnica hydrauliczna kanału. Wartość KL można łatwo wyznaczyć z podręczników, jak omówiono powyżej. Zatem, mnożąc to przez długość i dodając wartości oporu miejscowego ξ0 uzyskane z kart katalogowych lub obliczone niezależnie, można szybko oszacować całkowitą stratę ciśnienia w systemie.
ξSUM = KL · L + ξ0
Powyższe przykłady ilustracyjne pokazane na Rys. 4 dla kwadratowego kanału 2×2 metry z parametrami gazu i chropowatością użytymi w obliczeniach mają opór na jednostkę długości rzędu K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2,1 Pa. Wartość ta ma zastosowanie przy ocenie kwadratowego kanału bez uwzględniania zakrętów, łopatek lub innego wyposażenia wewnętrznego. Dla pełnej długości 21 metrów, którą masa powietrza pokonuje wzdłuż kanału, da to spadek ciśnienia wynoszący ~44 Paskale. Dodając do tego wartość pokazaną na Rys. 8 (11 Pa dla prędkości 20 m/s przyjętą zgodnie z Kartą Katalogową Łopatek Kierujących (Tabela A.2.1), otrzymujemy całkowity opór 55 Pa dla rzeczywistej kwadratowej sekcji kanału 2×2 z łopatkami kierującymi. Wartość ta 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 jedynie szczególnym przypadkiem mającym na celu zademonstrowanie działania łopatek kierujących 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 Tunnel Tech. W celu dokładnego obliczenia oporu hydraulicznego kanału i eksperckiej oceny zużycia energii przez sprzęt wentylacyjny lub tunel aerodynamiczny, prosimy o kontakt z nami.
Dodatkowe informacje na temat usług oraz badań i rozwoju można również znaleźć na stronie Technologia oraz w sekcji Usługi.
Łopatki kierujące do chłodzenia i ogrzewania przemysłowego
Jako unikalne wśród łopatek kierujących do przemysłowych kanałów powietrznych, nasze produkty oferują możliwość cyrkulacji chłodziwa przy wysokim natężeniu przepływu, co pozwala na wydajne chłodzenie lub ogrzewanie powietrza przepływającego przez kanał. Funkcja ta otwiera nowe możliwości w zakresie regulacji termicznej w przypadku stosowania łopatek do kontroli klimatu w pomieszczeniach oraz zintegrowanych z kanałami powietrznymi wymienników ciepła o niskim oporze, zapewniając naszym klientom wszechstronne rozwiązania dla ich potrzeb w zakresie przepływu powietrza.
Oceniane przy użyciu metody obliczeniowej HTCL (współczynnik przenikania ciepła na metr bieżący), która określa ilościowo strumień ciepła (w watach) na metr długości łopatki kierującej dla każdego kelwina logarytmicznej średniej różnicy temperatur (ΔTLMTD) między powietrzem zewnętrznym a chłodziwem łopatki narożnej, nasze łopatki kierujące zostały zaprojektowane z myślą o skutecznym rozpraszaniu ciepła w różnych warunkach przepływu powietrza, gwarantując stabilną wydajność i regulację temperatury.
Parametry współczynnika przenikania ciepła dla łopatek kierujących chłodzonych wodą przedstawiono na Rys. 9, zarówno dla wilgotnego, jak i suchego powietrza, gdzie ΔP [kPa] reprezentuje różnicę ciśnienia wody między wlotowymi i wylotowymi przyłączami łopatki (niebieski i czerwony na Rys. 10).
Rys. 10. Kanały chłodzące łopatki kierującej
Rys. 9. Współczynnik HTCL. Suche (RH=0%) i wilgotne powietrze (RH=90% przy 30 °C) przy różnej różnicy ciśnień chłodziwa (wody) między wlotowymi i wylotowymi przyłączami kanału chłodzącego.
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 termicznej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, przekazując ją do systemów odzysku 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 wchodzących płynów lub powietrza, zmniejszając w ten sposób zużycie energii. W systemach HVAC podobne zasady są stosowane za pośrednictwem urządzeń takich jak wentylatory z odzyskiem ciepła (HRV) i wentylatory z odzyskiem energii (ERV), które przenoszą ciepło między strumieniami powietrza wywiewanego i nawiewanego. Proces ten minimalizuje energię wymaganą do ogrzania lub schłodzenia wchodzącego powietrza, 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, co poprawia ogólną wydajność systemu. W systemach energii geotermalnej łopatki te mogą pomóc w zarządzaniu energią termiczną wydobywaną z ziemi, optymalizując procesy wymiany ciepła.
W inicjatywach związanych z zieloną i odnawialną energią odzysk ciepła odpadowego odgrywa kluczową rolę w zmniejszaniu śladu węglowego i zwiększaniu zrównoważonego charakteru systemów energetycznych. Podejście to jest zgodne z zasadami odchudzonej produkcji (lean manufacturing) poprzez poprawę efektywności wykorzystania zasobów i redukcję kosztów operacyjnych dzięki skutecznemu zarządzaniu ciepłem. Ponadto w projektach ESG włączenie takich technologii świadczy o zaangażowaniu w minimalizację wpływu na środowisko i optymalizację wykorzystania zasobów, co jest zgodne z szerszymi celami zrównoważonego rozwoju.
Odzysk ciepła – powiązane projekty
Tunnel Tech ma 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 w celu wychwytywania i ponownego wykorzystania energii termicznej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, Tunnel Tech umożliwia skuteczniejszy 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 obsługują szeroką gamę branż i zastosowań
Systemy HVAC
| Budynki komercyjne | Optymalizacja kanałów wentylacyjnych; efektywność energetyczna; redukcja kosztów operacyjnych; poprawa zdrowia i bezpieczeństwa poprzez wydajne zarządzanie jakością powietrza i temperaturą; |
| Kompleksy mieszkaniowe | Zapewnienie komfortowych warunków życia dzięki optymalnej jakości i przepływowi powietrza; poprawa zdrowia i bezpieczeństwa; |
| Centra danych | Łopatki kierujące do zarządzania termicznego utrzymują krytyczne poziomy temperatury i wilgotności dla wydajności i żywotności serwerów; |
Systemy wentylacyjne w budownictwie lądowym
| Szpitale i placówki ochrony zdrowia | Cicho pracujące łopatki kierujące zapewniają kluczową kontrolę jakości powietrza w celu ochrony pacjentów i personelu; poprawa zdrowia i bezpieczeństwa poprzez wydajne zarządzanie jakością powietrza i temperaturą |
| Placówki edukacyjne | Tworzenie sprzyjających warunków do nauki dzięki ulepszonej cyrkulacji powietrza |
Kontrola środowiskowa
| Elektronika, biotechnologia, technologia żywności i inne obiekty zaawansowane technologicznie / Pomieszczenia czyste (Clean Rooms) | Regulacja temperatury i wilgotności dla zaawansowanej technologicznie i wymagającej produkcji; łopatki kierujące klimatyzacji utrzymują rygorystyczne standardy przepływu powietrza dla produkcji i badań |
| Obiekty 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 | Usprawnienie systemów wentylacyjnych na statkach i okrętach podwodnych w celu zapewnienia komfortu załogi i niezawodności sprzętu; |
| Górnictwo i budownictwo podziemne | Zapewnienie kluczowej wentylacji w kopalniach i innych konstrukcjach podziemnych, zmniejszając ryzyko wystąpienia niebezpiecznych warunków; |
Każde z tych zastosowań odnosi znaczące korzyści z zaawansowanej konstrukcji i funkcjonalności łopatek kierujących TunnelTech, co stanowi krok naprzód w wydajnym zarządzaniu przepływem powietrza. Wybierając łopatki kierujące o niskim oporze aerodynamicznym firmy TunnelTech, klienci mogą oczekiwać nie tylko osiągnięcia, ale i przekroczenia swoich celów w zakresie wydajności systemu, a wszystko to przy jednoczesnym
- •zmniejszenie zużycia energii * nawet o 30%
- •redukcja hałasu * o 60%, w porównaniu do konwencjonalnych kanałów powietrznych.
* – wyniki eksperymentalne dla geometrii tunelu aerodynamicznego TT45 PRO.
W przypadku zapytań i uzyskania dodatkowych informacji na temat możliwości dostosowania naszych łopatek kierujących do konkretnych potrzeb, prosimy o kontakt z naszym zespołem. Pozwól, aby TunnelTech został Twoim partnerem w osiąganiu optymalnych rozwiązań w zakresie zarządzania przepływem powietrza.
Instalacja i konserwacja
- •Wymiary i specyfikacje
Przed instalacją sprawdź wymiary kanału i specyfikacje łopatek kierujących
- •Opcje montażu
Dostępne w konfiguracjach zaciskowych, przykręcanych i spawanych
- •Przenoszenie ładunków
Przestrzegaj wytycznych dotyczących przenoszenia ładunków w celu bezpiecznego transportu i pozycjonowania
- •Instalacja krok po kroku
Szczegółowe instrukcje instalacji dostarczane z każdą dostawą produktu
- •Harmonogram przeglądów
Regularne kontrole wizualne w celu zapewnienia wyrównania łopatek i integralności strukturalnej
- •Procedury czyszczenia
Okresowe czyszczenie w celu usunięcia kurzu i zanieczyszczeń gromadzących się na powierzchniach łopatek
- •Monitorowanie zużycia
Monitorowanie pod kątem oznak korozji, erozji lub uszkodzeń mechanicznych
- •Rozwiązywanie problemów
Rozwiązywanie typowych problemów, takich jak wibracje, hałas lub zmniejszona wydajność przepływu powietrza
Dokumentacja
Informacje techniczne na temat zespołów sekcji narożnych tuneli aerodynamicznych Tunnel Tech oraz parametrów łopatek kierujących są dostępne w kompleksowej karcie katalogowej dla produktów TTE-TSA i TTE-TV. Dokumentacja zawiera informacje na temat opcji konstrukcyjnych, oporów miejscowych dla poziomych i pionowych narożników kierujących przepływem pod kątem 90 stopni, a także parametrów hydraulicznych 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 kierujących dla tuneli aerodynamicznych, przemysłowych systemów kanałów, kanałów HVAC i urządzeń do zarządzania przepływem powietrza, prostowników 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
- Równanie Darcy-Weisbacha: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Współczynnik tarcia: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Straty tarcia: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss