Úvod do vodiacich lopatiek
V oblasti riadenia prúdenia vzduchu zohráva dizajn rohov potrubí kľúčovú úlohu v účinnosti a funkčnosti vetrania, systémov HVAC a veterných tunelov. Keď je vzduch nútený urobiť ostrú zákrutu, ako sa to často vyžaduje v potrubiach, naráža na zvýšený hydraulický odpor, čo vedie k vyšším tlakovým stratám a turbulencii. To nielenže ohrozuje účinnosť systému tým, že vyžaduje viac energie na udržanie prúdenia vzduchu, ale ovplyvňuje to aj konštrukčnú integritu potrubia v dôsledku nerovnomerných tlakov vyvíjaných turbulentným prúdením.
Tu prichádzajú na rad vodiace lopatky (Obr. 1). Rohové vodiace lopatky potrubia, navrhnuté na inštaláciu v rohoch, umožňujú vzduchu prejsť zákrutou s minimálnym odporom, čím účinne znižujú tlakové straty a zmierňujú turbulenciu bez potreby dodatočného priestoru, ktorý si vyžadujú plynulé ohyby s veľkým polomerom. Vďaka tomu sú vodiace lopatky ideálnym riešením pre efektívne riadenie prúdenia vzduchu v kompaktnom priestore.
Obr. 1. Zostava rohovej sekcie s vodiacimi lopatkami Tunnel Tech
Vysokovýkonné sekcie vodiacich lopatiek konkurujúce bežným riešeniam HVAC.
Tradičným riešením na prekonanie spomínaných škodlivých javov zvýšenej turbulencie, tlakovej straty a hluku v strmo zakrivenom potrubí je návrh radiálnych potrubných kolien (Obr. 2 a Obr. 4, prípad 2). Tieto kolená, hoci sú účinné pri určitom zmiernení turbulencie, hluku a tlakových strát (ktoré sú bežné v ostrom ohybe, ako je vidieť na Obr. 4, prípad 1), majú svoje vlastné problémy.
Niekoľko tradičných vetracích potrubí so zákrutou z plynule zakriveného plechu s ohnutými usmerňovačmi prúdenia je znázornených na Obr. 2 vľavo. Obrázok predstavuje niekoľko príkladov štandardných variantov bežne používaných v potrubiach HVAC, napr. v súlade s normami pre potrubia DW144.
Takéto potrubné riešenia sú bežné a nákladovo efektívne pre malé aplikácie v stavebníctve, malých podnikoch a nízkovýkonných systémoch HVAC, kde náklady na energiu nie sú významným faktorom. Tento dizajn však nie je dobrým riešením pre vetracie a chladiace systémy v strednom a veľkom meradle a pre vysokokapacitnú výrobu energie, metalurgiu, turbostroje, výmenníky tepla, rekuperáciu odpadového tepla a moderné aplikácie zelenej a obnoviteľnej energie, kde sú hydraulická účinnosť a úspory energie nevyhnutnosťou.
Nie je však potrebné zakaždým stavať vlastné neštandardné potrubie, keď je potrebné optimalizovať spotrebu energie hydraulickej siete k dokonalosti. Ten istý obrázok 2 vpravo ukazuje variant diagonálnej sekcie vodiacich lopatiek Tunnel Tech, ktorá je energeticky účinná, má nízky hluk a nízku turbulenciu, pričom spĺňa priemyselné normy pre systémy HVAC, ale môže sa použiť aj vo veľkých a vysokovýkonných priemyselných prípadoch použitia. Príklad veľkého zariadenia, kde možno ľahko integrovať diagonálnu rohovú sekciu s vodiacimi lopatkami, je znázornený na Obr. 3.
Obr. 2. Tradičné stredne veľké plynulé koleno HVAC s rozdeľovacou lopatkou z plechu, štandard DW144 (vľavo) a vysokovýkonná diagonálna zostava vodiacich lopatiek Tunnel Tech pre štandardné vzduchovody (vpravo).
Obr. 3. Veľkorozmerné rohové sekcie vzduchovodov Tunnel Tech pre veterné tunely, výrobu energie a priemyselné aplikácie.
Dizajn vodiacich lopatiek pre zníženie tlakovej straty, turbulencie a hluku
Na porovnanie rôznych dizajnov rohových sekcií sú tlakové straty (ΔP) a CFD simulované modely prúdenia uvedené na Obr. 4 nižšie. Ako demonštračný príklad bola zvolená vstupná rýchlosť prúdenia vzduchu 20 m/s a štvorcový vzduchovod 2×2 m. Rozsah rýchlosti 20 m/s bol zvolený na demonštračné účely, keďže profesionálne vertikálne veterné tunely pre indoor skydiving zvyčajne väčšinu času fungujú v režimoch, pri ktorých sa rýchlosť prúdenia v rotačnej sekcii pohybuje medzi 10 a 30 m/s. CFD výpočty boli vykonané pre 1 štandardnú atmosféru pri 20 °C a nulovej vlhkosti vzduchu so stlačiteľným plynom a adiabatickou stenou s drsnosťou 250 µm. Použila sa sieť so 6 až 10 miliónmi buniek na doménu. Na vstupnej hranici bol aplikovaný plochý vstupný profil a 2 % turbulencia. Turbulencia bola modelovaná pomocou k-ε modelu.
Poznámka! Upozorňujeme, že ilustrácie zobrazené na Obr. 4 sú konkrétne príklady, prezentované výlučne na účely ilustrácie princípov fungovania a porovnania niekoľkých typov rohových sekcií. Tieto prípady nemožno považovať za všeobecné pre absolútne každý prípad použitia. Pre každý skutočný vetrací systém alebo inú hydraulickú sieť sa musia pre každý výpočtový bod brať do úvahy špecifické hydraulické parametre, veľkosť a tvar potrubia, drsnosť a konštrukčné nepravidelnosti, nehomogenity prúdenia a presné fyzikálne parametre plynu. Takýto výpočet pre konkrétny systém si môžete objednať tak, že nás kontaktujete.
Popísané sú nasledujúce konštrukčné prípady:
- Rohová sekcia bez vodiacich lopatiek.
- Plynule zakrivená rohová sekcia (r = ½ výšky potrubia) s radiálne ohnutými usmerňovačmi prúdenia. Tlaková strata závisí aj od počtu a geometrie potrubných rozdeľovačov. Zobrazený je príklad s minimalizovaným počtom optimálne tvarovaných rozdeľovacích dosiek prúdenia vzduchu.
- Jednoduché radiálne zakrivené tenké dosky (hrúbka 10-20 mm).
- Typické neoptimalizované vodiace lopatky najbližších konkurentov.
- Vodiace lopatky Tunnel Tech (TTE-TV) s optimalizovaným profilom.
Najvýznamnejším problémom kruhovo zakrivených potrubí s malým počtom jednoduchých ohýbaných doskových separátorov (alebo úplne bez vodiacich lopatiek) je rozloženie tlaku a rýchlosti na výstupe z rohovej sekcie (Obr. 4, prípad 2, pozri výstupný prierez). Tento model ukazuje, že rýchlosť sa bude zvyšovať od vonkajšej steny k vnútornej stene každej subdomény prúdenia, čo vedie k nerovnomernému prúdeniu, veľkej turbulencii a hluku. Čím menší je polomer otáčania, tým väčšia je možnosť odtrhnutia prúdu, skreslenia tlakového a rýchlostného poľa, úrovne hluku a hodnoty tlakovej straty.
Jediným spôsobom, ako tieto problémy prekonať, je veľký polomer zakrivenia takejto rohovej sekcie a zvýšenie počtu vodiacich lopatiek prúdenia vzduchu. Tu prichádza druhý problém – zväčšený priestor potrebný na umiestnenie takýchto ohybov a materiálové náklady na niekoľko radiálnych potrubných rozdeľovačov dimenzovaných na prierez potrubia. Vo veľkých potrubných systémoch môže implementácia plynulých ohybov s veľkým polomerom viesť k neprimerane veľkým konštrukciám, čo robí tento prístup nepraktickým v mnohých scenároch, najmä tam, kde je priestor obmedzený. Dodatočný potrebný priestor je znázornený prerušovanými čiarami na Obr. 4, prípad 2 nižšie. Výška a šírka každej zákruty sa musí zväčšiť minimálne o ½ veľkosti potrubia. Pre recirkulačné veterné tunely to znamená zväčšenie rozmerov budovy o niekoľko metrov v každom smere, čo vedie k vyšším nákladom na potrubia a vyšším kapitálovým investíciám. Okrem toho bude každý rozdeľovač prúdenia stáť rovnako ako stena potrubia.
Obr. 4. Rohové sekcie v potrubnom systéme - porovnanie dizajnu a výkonu
Optimálnym riešením pre veterné tunely a priemyselné vetranie sú vodiace lopatky v rohových sekciách s profilom krídla usporiadané pozdĺž diagonály, ako je znázornené na obrázku 4, prípady 3-5.
Všetky vyššie uvedené CFD obrázky zodpovedajú rohovej sekcii vzduchovodu so vstupom 2x2 m pri rýchlosti prúdenia vzduchu 20 m/s, čo je príklad najviac relevantný pre indoor skydiving a nízkorychlostné podzvukové veterné tunely.
Obrázok 4, prípad 3 ukazuje rohovú sekciu s jednoduchými vodiacimi lopatkami vyrobenými z tenkých ohýbaných plechov. Obr. 4, prípad 4 je najlepším príkladom vodiacich lopatiek dostupných od najbližších konkurentov spoločnosti TunnelTech. Obe majú menšiu dĺžku tetivy a neoptimalizovaný tvar profilu, čo vedie k zjavnej zvyškovej nerovnomernosti prúdenia na výstupe zo sekcie, väčšiemu aerodynamickému odporu a hluku vzduchovodu. Tenké lopatky z jednoduchých ohýbaných plechov zvyčajne prekračujú povolené hladiny hluku aj pri nízkej rýchlosti vzduchu a možnosť s hrubým a krátkym profilom s nízkym pomerom tetivy k hrúbke bude mať tiež menšiu plochu povrchu, čo je nežiaduce v aplikáciách, kde sa na prenos tepla používajú chladené vodiace lopatky.
V dolnej časti obrázka 4, prípad 5 je zobrazený roh vzduchovodu vybavený vysokovýkonnými vodiacimi lopatkami Tunnel Tech (pre objednanie použite nasledujúce p/n: TTE-TV-90). Ako je vidieť z prierezov, prúdenie je v prípade správne profilovaných vodiacich lopatiek rovnomernejšie, čo vedie k menšej tlakovej strate a nízkej turbulencii.
Profil výstupného tlaku/rýchlosti vzduchu je pri rohových sekciách Tunnel Tech vybavených lopatkami s dlhou tetivou tiež oveľa lepší ako v iných prípadoch. Výsledkom je bezkonkurenčná aerodynamická kvalita Tunnel Tech, čo sa odráža v mnohých recenziách od profesionálnych skydiverov a iných zákazníkov.
Všetky vyššie uvedené údaje vrátane dĺžky tetivy a možností chladenia sú k dispozícii aj v <strong>Tabuľke 1</strong>.
| Prípad / Typ lopatky | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | Dĺžka tetivy (mm) | Chladenie |
|---|---|---|---|---|
| 1. Bez lopatiek, ostrá zákruta | 114 | 0.47 | — | Nie |
| 2. Plynule zakrivená rohová sekcia | 41 | 0.17 | > 2000 | Nie |
| 3. Jednoduché radiálne zakrivené tenké dosky | 80 | 0.33 | 250–500 | Nie |
| 4. Vodiace lopatky najbližších konkurentov | 88 | 0.37 | 280 | Áno |
| 5. Optimalizované vodiace lopatky Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | Áno |
Hodnoty súčiniteľa hydraulických strát pre rozsah rýchlostí do 100 m/s pre rohovú sekciu potrubia s lopatkami TunnelTech a konkurencie, bez odchýlok v dôsledku výberu počiatočných údajov, sú uvedené na Obr. 5.
Viac podrobností o hydraulických stratách pozdĺž dĺžky potrubia, miestnom odpore a celkovom súčiniteli hydraulických strát je uvedených nižšie.
Obr. 5. Porovnanie rohovej sekcie Tunnel Tech a konkurencie. Súčiniteľ hydraulických strát podľa Darcyho-Weisbacha pre rovnakú geometriu a počiatočné podmienky výpočtu.
Zmiernenie turbulencie pre spoľahlivé výpočty hydraulickej a konštrukčnej bezpečnosti
Obr. 6. Mierka turbulencie rohovej sekcie s lopatkami Tunnel Tech (m) pri 20 m/s
Plynulý a predvídateľný profil tlaku/rýchlosti je obzvlášť dôležitý pre aplikácie, kde nie je prijateľná vysoká turbulencia alebo odtrhnutie prúdu, ako sú experimentálne veterné tunely, zariadenia pre indoor skydiving a vysokovýkonné aplikácie. Tieto parazitné javy, ako aj pulzácie tlaku spôsobené odtrhnutím prúdu a rozsiahlou turbulenciou, sú neprijateľné aj v inštaláciách, ktoré vyžadujú absenciu akusticky indukovaných vibrácií a kde nie sú povolené žiadne odchýlky statického tlaku z dôvodu požiadaviek na konštrukčnú stabilitu vzduchovodu. Okrem toho sú tieto turbulentné prúdenia bežným zdrojom hluku, čo ďalej znižuje celkový výkon systému a komfort poskytovaný koncovým používateľom.
Malo by sa tiež vziať do úvahy, že nepravidelnosti prúdenia majú tendenciu sa ďalej rozvíjať a zintenzívňovať, ak sa nepoužívajú špeciálne usmerňovače, voštiny, siete na zklidnenie prúdenia alebo iné zariadenia na riadenie prúdenia vzduchu [1-3]. Presná plyndynamická analýza vyžaduje výpočet odporu každého ďalšieho prvku vzduchovodu s prihliadnutím na skutočný profil vstupného tlaku/rýchlosti, ktorý sa generuje v predchádzajúcom prvku hydraulickej sieci. Pre dlhé hydraulické siete je často nemožné vykonať CFD simuláciu celého systému kvôli obrovským rozmerom. Pre takúto situáciu sa používajú približné poloempirické výpočty zahŕňajúce bezrozmerné čísla tekutín a kritériá geometrie [4] alebo softvér založený na takýchto metódach. Taktiež FEA modelovanie na určenie konštrukčnej stability potrubia sa zvyčajne vykonáva so stabilným poľom statického tlaku aplikovaným na steny potrubia. Závažné nepravidelnosti prúdenia vyvíjajúce sa v smere prúdenia tak môžu vniesť chybu aj do bezpečnostne kritických skúmaní nosných konštrukcií.
Približné metódy zvyčajne neriešia skreslenie rýchlostného profilu na vstupe do prvku hydraulickej siete a v najlepšom prípade zohľadňujú, či je profil vyvinutý alebo ešte nevyvinutý (rovnomerný), a parametre medznej vrstvy. Vo veterných tuneloch a priemyselných vetracích systémoch môže každá zmena smeru prúdenia spôsobiť nerovnomernosť a silné vírenie prúdu, čo vedie k neistote vo výpočtoch hydraulického odporu v dlhých hydraulických sieťach. Preto by sa malo, ak je to možné, zabrániť vzniku veľkých nepravidelností rýchlostného profilu.
Na Obr. 6 a z vyššie uvedeného je vidieť, že parametre rohových sekcií s vodiacimi lopatkami TunnelTech sú také, že nevytvárajú dodatočné poruchy prúdenia, ale môžu sa použiť aj na tlmenie vírenia a nerovnomernosti v smere prúdenia za rohovou sekciou. Rohová sekcia s lopatkami TunnelTech tak môže pôsobiť aj ako efektívny usmerňovač prúdenia, inštalovaný za axiálnym ventilátorom, difúzorom potrubia, výmenníkom tepla, skúšobným úsekom, rozvetvením alebo napojením do potrubia, alebo akýmkoľvek iným objektom generujúcim turbulenciu.
Súčiniteľ miestneho odporu
Charakteristiky miestneho odporu rohovej sekcie možno vypočítať pomocou známej Darcy-Weisbachovej rovnice:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Kde:
- ΔP – celkové tlakové straty (pokles tlaku) v Pa;
- ξ – súčiniteľ miestneho odporu (podľa Darcyho-Weisbacha);
- ρ – hustota tekutiny (kg/m³);
- V – rýchlosť tekutiny vo vstupnom priereze (m/s).
Tieto parametre, ktoré určujú energetickú účinnosť vzduchovodu, vo veľkej miere závisia od dizajnu vodiacich lopatiek.
Podľa [4] možno celkový odpor zložitého hydraulického prvku vyjadriť ako súčet dĺžkového odporu trenia ξL a miestneho odporu ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
Pre priamočiary vzduchovod je dĺžkový odpor úmerný dĺžke a nepriamo úmerný hydraulickému priemeru, čo je vyjadrené vzorcom:
ξL = (L / D) · f
kde f je súčiniteľ trenia podľa Darcyho.
V prípade jednoducho tvarovaných potrubí (t. j. kruhové, štvorcové, šesťuholníkové) možno f vyjadriť nelineárnou závislosťou len od Reynoldsovho čísla – pozri Kapitolu 2 v [4] alebo https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Súčiniteľ trenia f pre jednoduché kruhové potrubie s hladkými stenami, s vyvinutým stabilizovaným profilom prúdenia na vstupe a pre turbulentný režim (Reynoldsove čísla Re > 4×103) možno vypočítať podľa vzorca:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
Pri skutočných potrubiach sa musí brať do úvahy aj drsnosť.
Obr. 7 nižšie zobrazuje graf súčiniteľa trenia podľa Darcyho v závislosti od Reynoldsovho čísla Re pre rôznu relatívnu drsnosť steny, ktorý prvýkrát publikoval Nikuradze v [5-8]. Tento graf je známy aj ako Moodyho diagram [9] alebo Colebrook-Whiteova korelácia [10-11]. Modernú štúdiu pre hladké potrubia možno nájsť v [12].
Tento diagram ukazuje komplexnú závislosť f(Re) pre kruhové potrubie s rôznou drsnosťou. Pre štvorcové a iné nekruhové potrubia bude diagram zložitejší. Preto sa musia brať do úvahy režimy prúdenia (Reynoldsovo číslo), tvar potrubia a relatívna drsnosť steny.
Obr. 7. Moodyho (tiež Nikuradzeho) diagram, znázorňujúci súčiniteľ trenia fD podľa Darcyho-Weisbacha v závislosti od Reynoldsovho čísla Re pre rôznu relatívnu drsnosť – Pôvodný diagram: S Beck a R Collins, University of Sheffield, zdieľané pod licenciou CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
V prípade skutočných drsných potrubí je stále možné vyjadriť celkový odpor ako súčet ξSUM = ξL + ξ0 dĺžkového odporu a miestneho odporu.
Toto vyjadrenie súčtu zjednodušuje štúdium parametrov potrubia, keďže miestny odpor ξ0 možno vypočítať pre zjednodušenú geometriu prvku – napríklad v periodickej formulácii problému s menšou výpočtovou doménou alebo v 2D verzii problému. Všimnite si obrovskú veľkosť výpočtovej domény príkladov zobrazených na Obr. 4, kde má sekcia výšku 3 a dĺžku 18 metrov a konvergencia siete sa začína adekvátne prejavovať pri veľkosti viac ako 10 miliónov prvkov siete. Variant formulácie problému s periodickými alebo 2D podmienkami pre tieto prípady by mohol mať o rád menší počet prvkov siete a zjednodušený výpočet každého bodu rýchlosti pre graf ΔP(v) by trval len niekoľko minút alebo dokonca sekúnd namiesto hodín.
Rozdelenie na súčet dvoch odporov tak môže výrazne zjednodušiť výpočty – možno rýchlo určiť miestny odpor ξ0 a potom pridať dĺžkový odpor ξL. Ten možno rýchlo odhadnúť zo známych tabuliek alebo pomocou približných vzorcov s využitím zjednodušených rovníc založených na bezrozmerných číslach a parametroch geometrie vzduchovodu. Pre prvky hydraulických a potrubných sietí s náhlymi zmenami smeru prúdenia (uhlové kolená, plynulé ohyby, ohyby pod rôznymi uhlami s vodiacimi lopatkami a bez nich) je podobný prístup a metóda prezentovaná v kapitolách 6-1 a 6-2 v komplexnej Príručke hydraulického odporu [4].
Technické špecifikácie
Komplexné technické údaje pre presné inžinierstvo a výpočty výkonu.
Technológia integrovaného chladenia
Naše vodiace lopatky, ktoré prinášajú revolúciu v dizajne tunelov, obsahujú integrované vnútorné kanály chladiva – poskytujúce vynikajúcu účinnosť výmeny tepla bez kompromisov v kvalite prúdenia vzduchu.
- Masívna kapacita rozptylu tepla, škálovateľná od stoviek kilowattov po desiatky megawattov.
- Efektívny tepelný manažment s nulovým nepriaznivým dopadom na turbulenciu prúdenia alebo kvalitu prúdu.
- Navrhnuté so šiestimi integrovanými vnútornými chladiacimi kanálmi na lopatku pre maximálnu tepelnú účinnosť
- Bezproblémová integrácia so štandardnými infraštruktúrami priemyselného vodného chladenia
Hlavné vlastnosti produktu
Vodiace lopatky prúdenia vzduchu Tunnel Tech (produkt TTE-TV) sú na čele tejto technológie a ponúkajú bezkonkurenčnú účinnosť v riadení prúdenia vzduchu. Naše produkty sú navrhnuté pre širokú škálu aplikácií, od zariadení pre indoor skydiving a veterných tunelov až po HVAC a vetracie systémy, pričom stelesňujú špičkový aerodynamický dizajn a energetickú účinnosť.
Výkon sekcie vodiacich lopatiek vo vzduchovodoch
Vysokovýkonné vodiace lopatky prúdenia vzduchu od spoločnosti Tunnel Tech stanovujú priemyselný štandard pre výkon a aerodynamickú účinnosť. Naše energeticky úsporné vodiace lopatky sú navrhnuté tak, aby minimalizovali aerodynamické trenie, čím zabezpečujú plynulé prúdenie vzduchu a znižujú spotrebu energie.
Vodiace lopatky TunnelTech majú vynikajúce charakteristiky miestneho odporu vzduchovodu. Parametre odporu, vypočítané pomocou Darcy-Weisbachovej rovnice, ako je opísané vyššie, sú uvedené na nasledujúcich obrázkoch (pozri Obr. 8 nižšie) a v Technickom liste vodiacich lopatiek.
Vo všeobecnosti, pre prípad, keď veľkosť potrubia nie je známa, sú uvedené hodnoty pre idealizovaný prvok s periodickými bočnými okrajovými podmienkami, bez zohľadnenia príspevku dodatočného odporu steny pozdĺž dĺžky, drsnosti a vplyvu iných miestnych parametrov. Na Obr. 8 sú uvedené hodnoty pre idealizovaný rohový prvok s lopatkami Tunnel Tech, ktorý bol vypočítaný v aproximácii nekonečnej periodickej postupnosti zväzku 15 lopatiek s periodickými okrajovými podmienkami.
Obr. 8. Súčiniteľ miestneho odporu vodiacej lopatky Tunnel Tech a zodpovedajúca tlaková strata.
Ak sa HVAC alebo iný hydraulický systém skladá z potrubí, ktoré vo všeobecnosti nemenia tvar prierezu prietokovej plochy pozdĺž dráhy prúdenia, je vhodné odhadnúť merný odpor na jednotku dĺžky pre približné výpočty (samozrejme, odhadnúť pre celý rozsah rýchlostí):
KL = ξL / L = f / Dh
kde Dh je hydraulický priemer potrubia. Hodnotu KL je ľahké určiť z referenčných príručiek, ako bolo uvedené vyššie. Vynásobením tejto hodnoty dĺžkou a pripočítaním hodnôt miestneho odporu ξ0 získaných z technických listov alebo vypočítaných nezávisle je tak možné rýchlo odhadnúť celkovú tlakovú stratu v systéme.
ξSUM = KL · L + ξ0
Vyššie uvedené ilustračné príklady zobrazené na Obr. 4 štvorcového potrubia 2×2 metre s parametrami plynu a drsnosťou použitými vo výpočte majú merný odpor na jednotku dĺžky rádovo K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2,1 Pa. Táto hodnota platí pri hodnotení štvorcového potrubia bez zohľadnenia ohybov, lopatiek alebo iného vnútorného vybavenia. Pre celkovú dĺžku 21 metrov, ktorú vzduchová hmota prejde pozdĺž potrubia, to bude znamenať pokles tlaku ~44 Pascalov. Pripočítaním hodnoty zobrazenej na Obr. 8 (11 Pa pre rýchlosť 20 m/s prevzatej podľa technického listu vodiacich lopatiek (Tabuľka A.2.1)) dostaneme celkový odpor 55 Pa pre skutočnú štvorcovú potrubnú sekciu 2×2 s vodiacimi lopatkami. Táto hodnota je v dobrej zhode s hodnotou zobrazenou na Obr. 4, prípad 5.
Viac informácií o približných spôsoboch výpočtu odporov potrubí akéhokoľvek tvaru bez použitia CFD metód možno ľahko nájsť v <a href="#references">[4]</a> alebo podobnej literatúre.
Poznámka! Upozorňujeme, že príklady zobrazené na Obr. 4 sú len špeciálnym prípadom na demonštráciu fungovania vodiacich lopatiek a nemožno ich použiť na hodnotenie ľubovoľného potrubia! Obrázok 8 je použiteľný v širšom kontexte, je však potrebné zvážiť špecifické parametre potrubia klienta. Každý konkrétny systém si vyžaduje podrobnú analýzu, ktorú si môžete objednať od spoločnosti Tunnel Tech. Pre presný výpočet hydraulického odporu potrubia a odborné posúdenie spotreby energie vášho vetracieho zariadenia alebo veterného tunela nás prosím kontaktujte.
Ďalšie informácie o službách a výskume a vývoji nájdete aj na stránke Technológie a v sekcii Služby.
Vodiace lopatky pre priemyselné chladenie a vykurovanie
Naše produkty, jedinečné medzi vodiacimi lopatkami pre priemyselné vzduchovody, ponúkajú schopnosť cirkulovať chladivo pri vysokom prietoku, čo umožňuje efektívne chladenie alebo ohrievanie vzduchu pri jeho prechode potrubím. Táto funkcia otvára nové možnosti v tepelnej regulácii pre použitie lopatiek na kontrolu vnútornej klímy a výmenníkov tepla s nízkym odporom integrovaných do vzduchovodov, čím našim klientom poskytuje všestranné riešenia pre ich potreby prúdenia vzduchu.
Naše vodiace lopatky, hodnotené pomocou metódy výpočtu HTCL (súčiniteľ prestupu tepla na bežný meter), ktorá kvantifikuje tepelný tok (vo wattoch) na meter dĺžky vodiacej lopatky pre každý Kelvin logaritmického stredného teplotného rozdielu (ΔTLMTD) medzi vonkajším vzduchom a chladivom rohovej lopatky, sú navrhnuté na efektívny odvod tepla v rôznych podmienkach prúdenia vzduchu, čo zaručuje stabilný výkon a reguláciu teploty.
Parametre súčiniteľa prestupu tepla pre vodou chladené vodiace lopatky sú uvedené na Obr. 9, a to pre vlhký aj suchý vzduch, kde ΔP [kPa] predstavuje rozdiel tlaku vody medzi vstupnými a výstupnými portami lopatky (modrý a červený na Obr. 10).
Obr. 10. Chladiace kanály vodiacich lopatiek
Obr. 9. Súčiniteľ HTCL. Suchý (RH=0 %) a vlhký vzduch (RH=90 % pri 30 °C) pri rôznom rozdiele tlaku chladiva (vody) medzi vstupnými a výstupnými portami chladiaceho kanála.
Vodiace lopatky na rekuperáciu odpadového tepla
Chladené vodiace lopatky s integrovanými kanálmi na výmenu tepla ponúkajú všestranné riešenie pre rekuperáciu odpadového tepla v rôznych aplikáciách. Pri integrácii do systémov výmeny tepla môžu tieto lopatky zachytávať prebytočnú tepelnú energiu, ktorá by sa inak stratila, a prenášať ju do systémov rekuperácie tepla, čím sa výrazne zvyšuje celková účinnosť systému.
V praktických aplikáciách možno túto technológiu využiť vo viacerých oblastiach. Napríklad v priemyselných procesoch môžu chladené vodiace lopatky rekuperovať odpadové teplo z výfukových plynov a presmerovať ho na predhrievanie prichádzajúcich kvapalín alebo vzduchu, čím sa znižuje spotreba energie. V systémoch HVAC sa podobné princípy uplatňujú prostredníctvom zariadení, ako sú ventilátory s rekuperáciou tepla (HRV) a ventilátory s rekuperáciou energie (ERV), ktoré prenášajú teplo medzi odvádzaným a privádzaným prúdom vzduchu. Tento proces minimalizuje energiu potrebnú na ohrev alebo chladenie privádzaného vzduchu, čo vedie k podstatným úsporám energie.
Okrem toho môžu byť chladené vodiace lopatky integrované do systémov používaných v odvetviach výroby energie a obnoviteľnej energie. Napríklad v systémoch kombinovanej výroby tepla a elektriny (CHP) sa odpadové teplo z výroby elektriny rekuperuje a využíva na účely vykurovania, čím sa zlepšuje celková účinnosť systému. V geotermálnych energetických systémoch môžu tieto lopatky pomôcť riadiť tepelnú energiu extrahovanú zo zeme a optimalizovať procesy prenosu tepla.
V iniciatívach v oblasti zelenej a obnoviteľnej energie zohráva rekuperácia odpadového tepla kritickú úlohu pri znižovaní uhlíkovej stopy a zvyšovaní udržateľnosti energetických systémov. Tento prístup je v súlade s princípmi štíhlej výroby (lean manufacturing) zlepšovaním efektívnosti využívania zdrojov a znižovaním prevádzkových nákladov prostredníctvom efektívneho riadenia tepla. Okrem toho v projektoch ESG začlenenie takýchto technológií demonštruje odhodlanie minimalizovať vplyv na životné prostredie a optimalizovať využívanie zdrojov, čo je v súlade so širšími cieľmi udržateľnosti.
Rekuperácia tepla – Súvisiace projekty
Spoločnosť Tunnel Tech má rozsiahle skúsenosti s realizáciou projektov zahŕňajúcich výmenu tepla a HVAC systémy určené na rekuperáciu odpadového tepla pomocou chladených vodiacich lopatiek. Integráciou týchto lopatiek do zostáv na výmenu tepla, ktoré sú navrhnuté tak, aby zachytávali a opätovne využívali tepelnú energiu, ktorá by sa inak stratila, umožňuje Tunnel Tech efektívnejšiu rekuperáciu odpadového tepla z rôznych priemyselných a komerčných procesov. Tento prístup nielen zlepšuje energetickú účinnosť, ale podporuje aj ciele udržateľnosti znižovaním spotreby energie a prevádzkových nákladov.
Aplikácie
Naše vodiace lopatky slúžia širokému spektru odvetví a aplikácií
HVAC systémy
| Komerčné budovy | Optimalizácia potrubí; Energetická účinnosť; Zníženie prevádzkových nákladov; Zvyšovanie ochrany zdravia a bezpečnosti efektívnym riadením kvality vzduchu a teploty; |
| Obytné komplexy | Zabezpečte pohodlné životné prostredie s optimálnou kvalitou a prúdením vzduchu; Zvyšovanie ochrany zdravia a bezpečnosti; |
| Dátové centrá | Vodiace lopatky pre tepelný manažment udržiavajú kritické úrovne teploty a vlhkosti pre výkon a životnosť serverov; |
Vetračné systémy v stavebníctve
| Nemocnice a zdravotnícke zariadenia | Vodiace lopatky s tichou prevádzkou poskytujú dôležitú kontrolu kvality vzduchu na ochranu pacientov a personálu; Zvyšovanie ochrany zdravia a bezpečnosti efektívnym riadením kvality vzduchu a teploty |
| Vzdelávacie inštitúcie | Vytvorte priaznivé prostredie na učenie vďaka lepšej cirkulácii vzduchu |
Kontrola prostredia
| Elektronika, biotechnológie, potravinárstvo a iné high-tech zariadenia / Čisté priestory | Regulácia teploty a vlhkosti pre high-tech a náročnú výrobu; Klimatizačné vodiace lopatky udržiavajú prísne štandardy prúdenia vzduchu pre výrobu a výskum |
| Športové arény | Zaistite pohodlie a bezpečnosť pre športovcov aj divákov |
Priemyselné a špeciálne aplikácie
| Výstavba a údržba tunelov | Zlepšenie kvality vzduchu a bezpečnosti pre pracovníkov v tuneloch; |
| Priemyselné zariadenia | Optimalizácia potrubí; Energetická účinnosť; Udržateľný rozvoj; Zníženie prevádzkových nákladov; |
| Zlievarne a ťažké priemyselné prevádzky | Energetická účinnosť; Zníženie prevádzkových nákladov; Rekuperácia odpadového tepla; Dekarbonizácia a ESG; Odolné HVAC vzduchovody; Tepelný manažment; |
| Námorné inžinierstvo | Zlepšenie vetracích systémov na lodiach a ponorkách pre pohodlie posádky a spoľahlivosť vybavenia; |
| Ťažba a podzemné stavby | Zabezpečte kľúčové vetranie pre banské diela a iné podzemné stavby, čím sa zníži riziko nebezpečných podmienok; |
Každá z týchto aplikácií významne ťaží z pokročilého dizajnu a funkčnosti vodiacich lopatiek TunnelTech, čo predstavuje obrovský skok vpred v efektívnom riadení prúdenia vzduchu. Výberom vodiacich lopatiek TunnelTech s nízkym odporom môžu klienti očakávať, že nielen splnia, ale aj prekonajú výkonnostné ciele svojich systémov, a to všetko pri
- •zníženie spotreby energie * až o 30 %
- •zníženie hluku * o 60 % v porovnaní s bežnými vzduchovodmi.
* – experimentálne výsledky pre geometriu veterného tunela TT45 PRO.
V prípade otázok a pre viac informácií o tom, ako môžu byť naše vodiace lopatky prispôsobené vašim špecifickým potrebám, kontaktujte náš tím. Nechajte spoločnosť TunnelTech stať sa vaším partnerom pri dosahovaní optimálnych riešení pre riadenie prúdenia vzduchu.
Inštalácia a údržba
- •Rozmery a špecifikácie
Pred inštaláciou overte rozmery potrubia a špecifikácie vodiacich lopatiek
- •Možnosti montáže
K dispozícii v konfiguráciách na upnutie, priskrutkovanie a privarenie
- •Manipulácia s bremenami
Dodržiavajte pokyny na manipuláciu s bremenami pre bezpečnú prepravu a umiestnenie
- •Inštalácia krok za krokom
Podrobné pokyny na inštaláciu dodávané s každou dodávkou produktu
- •Plán kontrol
Pravidelné vizuálne kontroly na zabezpečenie zarovnania lopatiek a konštrukčnej integrity
- •Postupy čistenia
Pravidelné čistenie na odstránenie nánosov prachu a nečistôt na povrchoch lopatiek
- •Monitorovanie opotrebovania
Sledujte známky korózie, erózie alebo mechanického poškodenia
- •Sprievodca riešením problémov
Riešenie bežných problémov, ako sú vibrácie, hluk alebo znížená účinnosť prúdenia vzduchu
Dokumentácia
Technické informácie o zostavách rohových sekcií veterných tunelov Tunnel Tech a parametroch vodiacich lopatiek sú k dispozícii v komplexnom technickom liste pre produkty TTE-TSA a TTE-TV. Dokumentácia obsahuje informácie o možnostiach dizajnu, miestnych odporoch pre horizontálne a vertikálne 90-stupňové rohy na zmenu smeru prúdenia, ako aj hydraulické parametre a parametre prenosu tepla pre chladené vodiace lopatky.
Stiahnuť technický list TTE-TSA (PDF)Referencie a súvisiace publikácie
Ďalšie informácie o návrhu a optimalizácii vodiacich lopatiek pre veterné tunely, priemyselné potrubia, vzduchovody HVAC a zariadenia na riadenie prúdenia vzduchu, usmerňovače ventilátorov atď. nájdete na nižšie uvedených odkazoch:
- 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.
Pozri tiež:
- Moodyho diagram: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy-Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Súčiniteľ trenia: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Strata trením: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss