Wprowadzenie do łopatek kierujących
W zarządzaniu przepływem powietrza konstrukcja naroży kanałów odgrywa kluczową rolę w wydajności i działaniu systemów wentylacyjnych i HVAC oraz tuneli aerodynamicznych. Kiedy powietrze jest przetłaczane przez ostry zakręt, co często jest nieuniknione w systemach kanałów, napotyka zwiększony opór hydrauliczny, co prowadzi do wyższych strat ciśnienia i turbulencji. Zmniejsza to nie tylko wydajność systemu, ponieważ do utrzymania przepływu powietrza potrzeba więcej energii, ale także wpływa na integralność strukturalną kanałów poprzez nierównomierne obciążenia ciśnieniowe wywierane przez przepływ turbulentny.
W tym miejscu do gry wkraczają łopatki kierujące, znane również jako łopatki narożne lub łopatki prowadzące (Rys. 1). Zainstalowane wewnątrz naroża, łopatki kierujące prowadzą powietrze przez zakręt z minimalnym oporem, zmniejszając straty ciśnienia i turbulencje bez dodatkowej przestrzeni, jakiej wymaga łagodne kolano promieniowe. Czyni to łopatki kierujące idealnym rozwiązaniem do wydajnego zarządzania przepływem powietrza na niewielkiej przestrzeni.
Rys. 1. Zespół sekcji narożnej z łopatkami kierującymi TunnelTech
Wysokowydajne sekcje z łopatkami kierującymi jako alternatywa dla standardowych rozwiązań HVAC.
Tradycyjnym sposobem na zmniejszenie turbulencji, strat ciśnienia i hałasu w ostro zakrzywionym kanale jest kolano promieniowe (Rys. 2 i Rys. 4, przypadek 2). Chociaż kolana promieniowe częściowo łagodzą turbulencje, hałas i straty ciśnienia typowe dla ostrych zakrętów (patrz Rys. 4, przypadek 1), niosą ze sobą własne problemy.
Kilka konwencjonalnych łuków kanałów HVAC, wykonanych z płynnie zakrzywionej blachy z giętymi łopatkami rozdzielającymi, pokazano na Rys. 2 po lewej stronie. Są to typowe standardowe warianty powszechnie stosowane w systemach kanałów HVAC, np. zgodne ze standardem kanałów DW144.
Takie komponenty 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. Jednak ta konstrukcja nie jest dobrym rozwiązaniem dla systemów wentylacji i chłodzenia w średnich i dużych zastosowaniach o dużej wydajności – wytwarzaniu energii, metalurgii, maszynach wirnikowych, wymiennikach ciepła, odzysku ciepła odpadowego oraz nowoczesnej zielonej i odnawialnej energii – gdzie wydajność hydrauliczna i oszczędność energii są koniecznością.
Nie ma jednak potrzeby budowania niestandardowego kanału na zamówienie za każdym razem, gdy zużycie energii w sieci hydraulicznej musi zostać w pełni zoptymalizowane. Ten sam Rysunek 2, po prawej stronie, pokazuje wariant ukośnej sekcji narożnej z łopatkami kierującymi TunnelTech, która jest energooszczędna, charakteryzuje się niskim poziomem hałasu i turbulencji, spełnia standardy branżowe dla systemów HVAC, a także może być stosowana w wielkoskalowych zastosowaniach przemysłowych o dużej mocy. Przykład wielkoskalowego obiektu, w którym można łatwo zintegrować ukośną sekcję z łopatkami kierującymi, pokazano na Rys. 3.
Rys. 2. Konwencjonalne gładkie kolano HVAC średniej wielkości z łopatką rozdzielającą z blachy zgodnie ze standardem DW144 (po lewej) oraz wysokowydajny ukośny zespół łopatek kierujących TunnelTech dla standardowych kanałów powietrznych (po prawej).
Rys. 3. Wielkoskalowe sekcje narożne z łopatkami kierującymi TunnelTech do kanałów powietrznych dla tuneli aerodynamicznych, energetyki i zastosowań przemysłowych.
Konstrukcja łopatek kierujących w celu zmniejszenia spadku ciśnienia, turbulencji i hałasu
Aby porównać różne konstrukcje naroży kierujących, spadki ciśnienia (ΔP) i wzorce przepływu symulowane za pomocą CFD podano na Rys. 4 poniżej. Jako przykład demonstracyjny wybrano prędkość przepływu powietrza na wlocie 20 m/s i kwadratowy kanał 2×2 m. Prędkość 20 m/s wybrano, ponieważ profesjonalne pionowe tunele aerodynamiczne do indoor skydivingu zazwyczaj pracują przez większość czasu w trybach, w których prędkość przepływu w sekcji kierującej wynosi od 10 do 30 m/s. Obliczenia CFD przeprowadzono przy 1 atmosferze standardowej, 20 °C i zerowej wilgotności powietrza z gazem ściśliwym i ścianką adiabatyczną o chropowatości 250 µm. Zastosowano siatkę od 6 do 10 milionów komórek na domenę. Na granicy wlotu zastosowano płaski profil wlotowy i 2% turbulencji. Turbulencję modelowano przy użyciu modelu k-ε.
Uwaga: Ilustracje na Rys. 4 są konkretnymi przykładami, przedstawionymi wyłącznie w celu zilustrowania zasad działania i porównania kilku typów sekcji narożnych z łopatkami kierującymi. Nie można ich traktować jako ogólnych wyników dla każdego przypadku użycia. Dla każdego rzeczywistego systemu wentylacyjnego lub innej sieci hydraulicznej należy wziąć pod uwagę specyficzne parametry hydrauliczne, rozmiar i kształt kanału, chropowatość i nieregularności strukturalne, niejednorodności przepływu oraz dokładne właściwości fizyczne gazu w każdym punkcie obliczeniowym. Możesz zamówić takie obliczenia dla konkretnego systemu, kontaktując się z nami.
Przedstawiono następujące przypadki projektowe:
- Sekcja narożna bez łopatek kierujących.
- Płynnie zakrzywiona sekcja narożna (r = ½ wysokości kanału) z promieniowo wygiętymi łopatkami rozdzielającymi. Spadek ciśnienia zależy również od liczby i geometrii łopatek rozdzielających. Przykład pokazuje minimalną liczbę optymalnie ukształtowanych płyt rozdzielających.
- Proste, promieniowo zakrzywione cienkie płyty (grubość 10–20 mm).
- Typowe, niezoptymalizowane łopatki kierujące naszych najbliższych konkurentów.
- Łopatki kierujące TunnelTech (TTE-TV) o zoptymalizowanym profilu.
Najpoważniejszym problemem w przypadku zakrzywionych kanałów, które mają niewielką liczbę prostych łopatek rozdzielających z giętej blachy (lub nie mają ich wcale), jest rozkład ciśnienia i prędkości na wylocie z sekcji kierującej (Rys. 4, przypadek 2, patrz przekrój wylotowy). Prędkość wzrasta od zewnętrznej do wewnętrznej ściany każdego podkanału przepływowego, powodując niejednorodny przepływ, silną turbulencję i hałas. Im mniejszy promień skrętu, tym większe ryzyko oderwania przepływu, zniekształcenia pól ciśnienia i prędkości, wyższy hałas i wyższy spadek ciśnienia.
Jedynym sposobem na przezwyciężenie tych problemów jest duży promień krzywizny sekcji narożnej i większa liczba łopatek rozdzielających. Rodzi to drugi problem – dodatkową przestrzeń potrzebną do pomieszczenia takich łuków oraz koszt materiału kilku zakrzywionych łopatek rozdzielających dopasowanych do przekroju kanału. W dużych systemach kanałów łagodne łuki mogą prowadzić do nieuzasadnienie dużych konstrukcji, co czyni to podejście niepraktycznym w wielu przypadkach, zwłaszcza tam, gdzie przestrzeń jest na wagę złota. Dodatkową potrzebną przestrzeń pokazano liniami przerywanymi na Rys. 4, przypadek 2 poniżej. Wysokość i szerokość każdego zakrętu musi zostać zwiększona o co najmniej ½ wymiaru kanału. W przypadku recyrkulacyjnych tuneli aerodynamicznych oznacza to zwiększenie wymiarów budynku o kilka metrów w każdym kierunku, co podnosi koszty kanałów i nakłady inwestycyjne. Ponadto każda łopatka rozdzielająca kosztuje tyle samo, co sama ściana kanału.
Rys. 4. Sekcje narożne w systemach kanałów – porównanie konstrukcji i wydajności
Optymalnym rozwiązaniem dla tuneli aerodynamicznych i wentylacji przemysłowej jest ukośna palisada łopatek kierujących o profilu lotniczym, jak pokazano na Rysunku 4, przypadki 3–5.
Wszystkie powyższe obrazy CFD dotyczą sekcji narożnej kanału powietrznego z wlotem 2×2 m przy prędkości przepływu powietrza 20 m/s, jako przykład – przypadek najbardziej odpowiedni dla indoor skydivingu i poddźwiękowych tuneli aerodynamicznych niskich prędkości.
Rysunek 4, przypadek 3 przedstawia sekcję narożną z prostymi łopatkami wykonanymi z cienkiej, giętej blachy. Rys. 4, przypadek 4 pokazuje najlepsze łopatki kierujące oferowane przez najbliższych konkurentów TunnelTech. Obie mają krótszą cięciwę i niezoptymalizowany kształt profilu, co skutkuje widoczną resztkową niejednorodnością przepływu na wylocie z sekcji, wyższym oporem aerodynamicznym i większym hałasem w kanale. Cienkie łopatki wykonane z prostej giętej blachy zazwyczaj przekraczają dopuszczalne poziomy hałasu nawet przy niskiej prędkości powietrza, a gruby, krótki profil o niskim stosunku cięciwy do grubości ma również mniejszą powierzchnię, co jest wadą w przypadku stosowania chłodzonych łopatek kierujących do wymiany ciepła.
Dolna część Rysunku 4, przypadek 5 przedstawia naroże kanału powietrznego wyposażone w wysokowydajne łopatki kierujące TunnelTech (aby zamówić, podaj numer części TTE-TV-90). Jak pokazują przekroje, przepływ jest bardziej jednorodny przy odpowiednio wyprofilowanych łopatkach, co oznacza niższy spadek ciśnienia i niską turbulencję.
Profil ciśnienia/prędkości na wylocie jest również znacznie lepszy dla sekcji narożnych TunnelTech wyposażonych w łopatki o długiej cięciwie niż w pozostałych przypadkach. Rezultatem jest bezkonkurencyjna jakość aerodynamiczna TunnelTech, co znajduje odzwierciedlenie w licznych opiniach profesjonalnych skoczków spadochronowych i innych klientów.
Wszystkie powyższe dane, w tym długość cięciwy i opcje chłodzenia, zostały również podsumowane w Tabeli 1.
| 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 TunnelTech | 57 | 0.24 | 500 | Tak |
Współczynnik strat hydraulicznych dla sekcji kierującej kanału z łopatkami TunnelTech i konkurencji w zakresie prędkości do 100 m/s, obliczony dla tej samej geometrii i warunków 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 kierujących TunnelTech i konkurencji: współczynnik strat hydraulicznych Darcy'ego-Weisbacha dla tej samej geometrii i początkowych warunków obliczeniowych.
Ograniczanie turbulencji dla niezawodnych obliczeń hydraulicznych i bezpieczeństwa konstrukcji
Rys. 6. Sekcja narożna z łopatkami kierującymi TunnelTech: skala turbulencji (m) przy 20 m/s
Płynny, 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 skydivingu i instalacje dużej mocy. Te pasożytnicze efekty, wraz z pulsacjami ciśnienia spowodowanymi oderwaniem przepływu i wielkoskalową turbulencją, są również niedopuszczalne w instalacjach, które muszą być wolne od wibracji indukowanych akustycznie i w których nie dopuszcza się odchyleń ciśnienia statycznego ze względu na stabilność strukturalną kanałów powietrznych. Ponadto przepływ turbulentny jest częstym źródłem hałasu, co dodatkowo pogarsza ogólną wydajność systemu i komfort użytkownika końcowego.
Należy również pamiętać, że nieregularności przepływu mają tendencję do wzrostu i intensyfikacji w dół strumienia, chyba że zastosuje się prostowniki strugi, struktury plastra miodu, siatki kondycjonujące lub inne urządzenia kondycjonujące przepływ [1-3]. Dokładna analiza gazodynamiczna wymaga obliczenia oporu każdego kolejnego elementu kanału z rzeczywistym profilem ciśnienia/prędkości na wlocie wygenerowanym przez poprzedni element sieci hydraulicznej. W przypadku długich sieci hydraulicznych często niemożliwe jest przeprowadzenie symulacji CFD całego systemu ze względu na jego ogromny rozmiar. W takich przypadkach stosuje się przybliżone obliczenia półempiryczne oparte na bezwymiarowych liczbach przepływu i kryteriach geometrycznych [4] lub oprogramowanie oparte na takich metodach. Podobnie modelowanie FEA stabilności strukturalnej kanału jest zazwyczaj przeprowadzane przy stałym polu ciśnienia statycznego przyłożonym do ścianek kanału. Poważne nieregularności przepływu rozwijające się w dół strumienia mogą zatem również wprowadzać błędy do krytycznych dla bezpieczeństwa analiz konstrukcji nośnych.
Metody przybliżone zazwyczaj nie radzą sobie ze zniekształceniem profilu prędkości na wlocie elementu sieci hydraulicznej; w najlepszym razie uwzględniają, czy profil jest w pełni rozwinięty, czy jeszcze nierozwinięty (jednorodny), oraz parametry warstwy przyściennej. W tunelach aerodynamicznych i systemach wentylacji przemysłowej każda zmiana kierunku przepływu może powodować niejednorodność i silne zawirowania, co wprowadza niepewność do obliczeń oporów hydraulicznych dla długich sieci. Dlatego tam, gdzie to możliwe, należy unikać dużych nieregularności profilu prędkości.
Rys. 6 i powyższe wyniki pokazują, że sekcje kierujące z łopatkami kierującymi TunnelTech nie tylko nie wprowadzają dodatkowych zaburzeń przepływu, ale mogą być również wykorzystywane do tłumienia zawirowań i niejednorodności w dół strumienia od sekcji. Sekcja narożna z łopatkami TunnelTech może zatem działać również jako skuteczny prostownik strugi, gdy jest zainstalowana za wentylatorem osiowym, dyfuzorem kanału, wymiennikiem ciepła, sekcją testową, odgałęzieniem kanału lub jakimkolwiek innym elementem generującym turbulencje.
Współczynnik oporu miejscowego
Opór miejscowy naroża kierującego można obliczyć za pomocą dobrze znanego równania Darcy'ego-Weisbacha:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Gdzie:
- ΔP – całkowita strata ciśnienia (spadek ciśnienia) w Pa;
- ξ – współczynnik oporu miejscowego (Darcy'ego-Weisbacha);
- ρ – gęstość płynu (kg/m³);
- V – prędkość płynu w przekroju wlotowym (m/s).
Parametry te, które determinują efektywność energetyczną kanału powietrznego, silnie zależą od konstrukcji łopatek kierujących.
Zgodnie z [4], całkowity opór złożonego elementu hydraulicznego można przedstawić jako sumę oporu tarcia na jego długości ξL i oporu miejscowego ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
Dla prostego kanału powietrznego opór liniowy jest wprost proporcjonalny do długości i odwrotnie proporcjonalny do średnicy hydraulicznej, co wyraża wzór:
ξL = (L / D) · f
gdzie f to współczynnik tarcia Darcy'ego.
Dla kanałów o prostym kształcie (np. okrągłych, kwadratowych, sześciokątnych), f można wyrazić jako nieliniową funkcję samej liczby Reynoldsa – patrz Rozdział 2 w [4] lub https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Współczynnik tarcia f dla prostej rury okrągłej (kanału kołowego) o gładkich ściankach, w pełni rozwiniętym profilu przepływu na wlocie i reżimie turbulentnym (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 ścianek.
Rys. 7 poniżej przedstawia wykres współczynnika tarcia Darcy'ego w funkcji liczby Reynoldsa Re dla różnych wartości chropowatości względnej ścianek, 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]. Nowsze badanie dotyczące rur gładkich można znaleźć w [12].
Wykres przedstawia złożoną zależność f(Re) dla rury okrągłej o różnych wartościach chropowatości. W przypadku kanałów kwadratowych i innych nieokrągłych wykres jest jeszcze bardziej skomplikowany. Należy zatem wziąć pod uwagę reżim przepływu (liczbę Reynoldsa), kształt kanału i względną chropowatość ścianek.
Rys. 7. Wykres Moody'ego (znany również jako wykres Nikuradsego) pokazujący współczynnik tarcia Darcy'ego-Weisbacha fD w funkcji liczby Reynoldsa Re dla różnych wartości chropowatości względnej – 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.
Podział oporu na tę sumę upraszcza badanie parametrów kanału, ponieważ opór miejscowy ξ0 można obliczyć dla uproszczonej geometrii elementu – na przykład przy okresowym sformułowaniu problemu na mniejszej domenie obliczeniowej lub w sformułowaniu 2D. Zwróć uwagę na rozmiar domeny obliczeniowej w przykładach pokazanych na Rys. 4 – sekcja ma 3 m wysokości i 18 m długości, a odpowiednia zbieżność siatki zaczyna się dopiero powyżej 10 milionów elementów siatki. Okresowe lub 2D sformułowanie tych samych przypadków mogłoby wykorzystywać o rząd wielkości mniej elementów siatki, a uproszczone obliczenie każdego punktu prędkości na krzywej ΔP(v) zajęłoby minuty lub nawet sekundy zamiast godzin.
Podział oporu na dwa komponenty może zatem znacznie uprościć obliczenia – opór miejscowy ξ0 jest wyznaczany szybko, a następnie dodawany jest opór liniowy ξL. Ten ostatni można szybko oszacować na podstawie opublikowanych tabel lub przybliżonych wzorów opartych na liczbach bezwymiarowych i parametrach geometrii kanału. W przypadku elementów hydraulicznych i sieci kanałów z nagłymi zmianami kierunku przepływu (kolana kątowe, łagodne łuki, łuki o różnych kątach z łopatkami kierującymi i bez nich), podobne podejście i metodę przedstawiono w rozdziałach 6-1 i 6-2 obszernego Podręcznika 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 TunnelTech (produkt TTE-TV) znajdują się w czołówce tej technologii, oferując niezrównaną wydajność w zarządzaniu przepływem powietrza. Nasze produkty są przeznaczone do szerokiego zakresu zastosowań, od obiektów do indoor skydivingu i tuneli aerodynamicznych po systemy HVAC i wentylacyjne, i uosabiają najnowocześniejsze rozwiązania w zakresie projektowania aerodynamicznego i efektywności energetycznej.
Wydajność sekcji łopatek kierujących w kanałach powietrznych
Wysokowydajne łopatki kierujące TunnelTech wyznaczają standardy branżowe w zakresie mocy i wydajności aerodynamicznej. Nasze energooszczędne łopatki kierujące zostały zaprojektowane tak, aby minimalizować straty aerodynamiczne, zapewniając płynny przepływ powietrza i zmniejszając zużycie energii.
Łopatki kierujące TunnelTech charakteryzują się doskonałymi parametrami oporu miejscowego w kanałach powietrznych. Parametry oporu, obliczone za pomocą równania Darcy'ego-Weisbacha jak opisano powyżej, przedstawiono na poniższych rysunkach (patrz Rys. 8) oraz w Karcie Katalogowej Łopatek Kierujących.
Ogólnie rzecz biorąc, gdy rozmiar kanału jest nieznany, podawane są wartości dla wyidealizowanego elementu z okresowymi bocznymi warunkami brzegowymi, bez uwzględniania dodatkowego tarcia ścianek na długości, chropowatości lub innych parametrów lokalnych. Rys. 8 podaje wartości dla wyidealizowanego elementu narożnego z łopatkami TunnelTech, obliczone dla stosu 15 łopatek z okresowymi warunkami brzegowymi jako przybliżenie nieskończonej palisady okresowej.
Rys. 8. Łopatka kierująca TunnelTech: współczynnik oporu miejscowego i odpowiadający mu spadek ciśnienia.
Jeśli system HVAC lub inny system hydrauliczny składa się z kanałów, których przekrój przepływu na ogół nie zmienia się wzdłuż ścieżki przepływu, do przybliżonych obliczeń wygodnie jest oszacować opór na jednostkę długości (który oczywiście musi zostać oszacowany w całym zakresie prędkości):
KL = ξL / L = f / Dh
gdzie Dh to średnica hydrauliczna kanału. Wartość KL jest łatwa do określenia z podręczników, jak omówiono powyżej. Pomnożenie jej przez długość i dodanie wartości oporu miejscowego ξ0 pobranych z kart katalogowych lub obliczonych niezależnie daje szybkie oszacowanie całkowitej straty ciśnienia w systemie.
ξSUM = KL · L + ξ0
Przykłady ilustracyjne na Rys. 4 – kwadratowy kanał 2×2 m z parametrami gazu i chropowatością użytymi w obliczeniach – mają opór na jednostkę długości rzędu KL = ξL / L ~ 2,1 Pa. Wartość ta dotyczy zwykłego kwadratowego kanału bez łuków, łopatek lub innego wyposażenia wewnętrznego. Na całych 21 m, które powietrze pokonuje wzdłuż kanału, daje to spadek ciśnienia ~44 Pa. Dodanie wartości z Rys. 8 (11 Pa przy 20 m/s, pobranej z Karty Katalogowej Łopatek Kierujących, Tabela A.2.1) daje całkowity opór 55 Pa dla rzeczywistej sekcji kanału 2×2 m z łopatkami kierującymi. Wartość ta jest w dobrej zgodności z wartością pokazaną na Rys. 4, przypadek 5.
Więcej informacji na temat przybliżonych metod obliczania oporu kanałów o dowolnym kształcie bez CFD można znaleźć w [4] i podobnej literaturze.
Uwaga: Przykłady na Rys. 4 są tylko szczególnym przypadkiem demonstrującym działanie łopatek kierujących i nie mogą być używane do oceny dowolnego kanału. Rysunek 8 ma szersze zastosowanie, ale nadal należy wziąć pod uwagę specyficzne parametry kanału klienta. Każdy system wymaga szczegółowej analizy, którą można zamówić w TunnelTech. 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 o naszych usługach i pracach badawczo-rozwojowych można 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 mogą cyrkulować chłodziwo przy wysokim natężeniu przepływu, umożliwiając wydajne chłodzenie lub ogrzewanie powietrza podczas jego przepływu przez kanał. Otwiera to nowe możliwości w regulacji termicznej – łopatki do kontroli klimatu w pomieszczeniach i wewnątrzkanałowe wymienniki ciepła o niskim oporze – dając naszym klientom wszechstronne rozwiązania dla ich potrzeb związanych z przepływem powietrza.
Oceniane za pomocą metody HTCL (współczynnik przenikania ciepła na metr bieżący), która określa ilościowo strumień ciepła (w watach) na metr długości łopatki kierującej na kelwin logarytmicznej średniej różnicy temperatur (ΔTLMTD) między powietrzem zewnętrznym a chłodziwem łopatki, nasze łopatki kierujące są zaprojektowane do efektywnej wymiany 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 powietrza suchego, jak i wilgotnego, gdzie ΔP [kPa] to różnica ciśnień wody między wlotem a wylotem 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 różnych różnicach ciśnień chłodziwa (wody) między wlotem a wylotem 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. Zintegrowane z systemami wymiany ciepła, łopatki te mogą wychwytywać nadmiar energii termicznej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, i przekazywać ją do systemów odzysku ciepła, znacznie poprawiając ogólną wydajność systemu.
W praktyce technologia ta może być stosowana w wielu obszarach. Na przykład w procesach przemysłowych chłodzone łopatki kierujące mogą odzyskiwać ciepło odpadowe z gazów spalinowych i wykorzystywać je do wstępnego podgrzewania wchodzących płynów lub powietrza, zmniejszając zużycie energii. W systemach HVAC ta sama zasada jest stosowana w urządzeniach takich jak wentylatory z odzyskiem ciepła (HRV) i wentylatory z odzyskiem energii (ERV), które wymieniają ciepło między strumieniami powietrza wywiewanego i nawiewanego. Minimalizuje to energię potrzebną do ogrzania lub schłodzenia wchodzącego powietrza, prowadząc do znacznych oszczędności energii.
Chłodzone łopatki kierujące można również zintegrować z systemami wytwarzania energii i energii odnawialnej. Na przykład w elektrociepłowniach (CHP) ciepło odpadowe z wytwarzania energii elektrycznej jest odzyskiwane i wykorzystywane do ogrzewania, 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 poprawie zrównoważonego charakteru systemów energetycznych. Podejście to jest zgodne z zasadami lean manufacturing, poprawiając efektywność wykorzystania zasobów i zmniejszając koszty operacyjne poprzez efektywne zarządzanie ciepłem. Ponadto w projektach ESG przyjęcie takich technologii świadczy o zaangażowaniu w minimalizację wpływu na środowisko i optymalizację wykorzystania zasobów, zgodnie z szerszymi celami zrównoważonego rozwoju.
Odzysk ciepła – powiązane projekty
TunnelTech ma bogate doświadczenie w realizacji projektów wymiany ciepła i HVAC zaprojektowanych do odzysku ciepła odpadowego za pomocą chłodzonych łopatek kierujących. Integrując te łopatki z systemami wymiany ciepła zaprojektowanymi do wychwytywania i ponownego wykorzystania energii termicznej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, TunnelTech umożliwia skuteczniejszy odzysk ciepła odpadowego z szerokiej gamy procesów przemysłowych i komercyjnych. Poprawia to nie tylko efektywność energetyczną, ale także wspiera cele zrównoważonego rozwoju poprzez zmniejszenie zużycia energii i kosztów operacyjnych.
Zastosowania
Nasze łopatki kierujące obsługują szeroki zakres branż i zastosowań
Systemy HVAC
| Budynki komercyjne | Optymalizacja kanałów powietrznych; efektywność energetyczna; niższe koszty operacyjne; lepsze zdrowie i bezpieczeństwo dzięki wydajnej kontroli jakości i temperatury powietrza |
| Kompleksy mieszkaniowe | Komfortowe środowisko życia z optymalną jakością i przepływem powietrza; lepsze zdrowie i bezpieczeństwo |
| Centra danych | Łopatki kierujące do zarządzania termicznego utrzymują krytyczne poziomy temperatury i wilgotności niezbędne dla wydajności i żywotności serwerów |
Systemy wentylacyjne w budownictwie lądowym
| Szpitale i placówki ochrony zdrowia | Cicho pracujące łopatki kierujące zapewniają kluczową kontrolę jakości powietrza, chroniąc pacjentów i personel; wyższy poziom zdrowia i bezpieczeństwa dzięki wydajnemu zarządzaniu jakością i temperaturą powietrza |
| Placówki edukacyjne | Lepsze środowisko nauki dzięki zoptymalizowanej cyrkulacji powietrza |
Kontrola środowiskowa
| Elektronika, biotechnologia, technologia żywności i inne obiekty high-tech / Clean roomy | Kontrola temperatury i wilgotności dla wymagających procesów produkcji high-tech; klimatyzacyjne łopatki kierujące utrzymują rygorystyczne standardy przepływu powietrza w produkcji i badaniach |
| Obiekty sportowe | Komfort i bezpieczeństwo zarówno dla sportowców, jak i widzów |
Zastosowania przemysłowe i specjalistyczne
| Budowa i konserwacja tuneli | Lepsza jakość powietrza i bezpieczeństwo dla pracowników w środowiskach tunelowych |
| Obiekty przemysłowe | Optymalizacja kanałów powietrznych; efektywność energetyczna; zrównoważony rozwój; niższe koszty operacyjne |
| Odlewnie i obiekty przemysłu ciężkiego | Efektywność energetyczna; niższe koszty operacyjne; odzysk ciepła odpadowego; dekarbonizacja i ESG; wytrzymałe kanały powietrzne HVAC; zarządzanie termiczne |
| Inżynieria morska | Lepsza wentylacja na statkach i okrętach podwodnych dla komfortu załogi i niezawodności sprzętu |
| Górnictwo i budownictwo podziemne | Kluczowa wentylacja dla kopalni i innych struktur podziemnych, zmniejszająca ryzyko wystąpienia niebezpiecznych warunków |
Każde z tych zastosowań znacząco zyskuje dzięki zaawansowanej konstrukcji i funkcjonalności łopatek kierujących TunnelTech, które stanowią krok naprzód w wydajnym zarządzaniu przepływem powietrza. Wybierając łopatki kierujące o niskim oporze od TunnelTech, klienci mogą oczekiwać nie tylko spełnienia, ale i przekroczenia celów wydajnościowych swoich systemów, jednocześnie
- •zmniejszając zużycie energii* nawet o 30%
- •redukując hałas* o 60%, w porównaniu do konwencjonalnych kanałów powietrznych.
* Wyniki eksperymentalne dla geometrii tunelu aerodynamicznego TT45 PRO.
W przypadku zapytań i chęci uzyskania dodatkowych informacji o tym, jak nasze łopatki kierujące mogą zostać dostosowane do Twoich specyficznych potrzeb, prosimy o kontakt z naszym zespołem. Pozwól, aby TunnelTech stał się Twoim partnerem w osiąganiu optymalnego 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 osiowania 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 TunnelTech oraz parametrów łopatek kierujących są dostępne w kompleksowej karcie katalogowej obejmującej produkty TTE-TSA i TTE-TV. Dokumentacja zawiera opcje projektowe, opory miejscowe dla poziomych i pionowych 90-stopniowych naroży kierujących oraz 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 kierujących dla tuneli aerodynamicznych, przemysłowych kanałów powietrznych, kanałów HVAC i urządzeń do zarządzania przepływem powietrza, prostowników strugi wentylatorów itp. można znaleźć pod poniższymi linkami:
- Baals, D.D., i 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, i A. Pope. Low-Speed Wind Tunnel Testing. Wiley, 1999. books.google.rs
- Pope, A., i 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, i 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, i Jose Mathew. “Fundamentals of Wind-Tunnel Design.” W 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. i 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, i 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., i 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, i 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'ego-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