Giới thiệu về cánh hướng dòng
Trong quản lý lưu lượng gió, thiết kế của các góc ống gió đóng vai trò then chốt đối với hiệu quả và hiệu suất của hệ thống thông gió, HVAC và hầm gió. Khi không khí bị ép qua một góc ngoặt gấp, điều thường không thể tránh khỏi trong hệ thống ống gió, nó sẽ gặp phải sức cản thủy lực gia tăng, dẫn đến tổn thất áp suất và nhiễu loạn cao hơn. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất hệ thống, vì cần nhiều năng lượng hơn để duy trì lưu lượng gió, mà còn ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc của hệ thống ống gió thông qua các tải trọng áp suất không đồng đều do dòng chảy rối gây ra.
Đây là lúc cánh hướng dòng, còn được gọi là cánh góc hoặc cánh dẫn hướng, phát huy tác dụng (Hình 1). Được lắp đặt bên trong góc, cánh hướng dòng dẫn hướng không khí qua góc ngoặt với sức cản tối thiểu, giảm tổn thất áp suất và nhiễu loạn mà không cần thêm không gian như một góc uốn bán kính mượt mà yêu cầu. Điều này làm cho cánh hướng dòng trở thành một giải pháp lý tưởng để quản lý lưu lượng gió hiệu quả trong một không gian nhỏ gọn.
Hình 1. Cụm đoạn góc cánh hướng dòng TunnelTech
Các đoạn cánh hướng dòng hiệu suất cao như một giải pháp thay thế cho các giải pháp HVAC thông thường.
Cách truyền thống để giảm nhiễu loạn, tổn thất áp suất và tiếng ồn của một ống gió uốn cong gấp là sử dụng cút góc có bán kính (Hình 2 và Hình 4, trường hợp 2). Mặc dù các cút góc có bán kính phần nào làm giảm nhiễu loạn, tiếng ồn và tổn thất áp suất điển hình của một góc uốn gấp (xem Hình 4, trường hợp 1), nhưng chúng lại mang đến những vấn đề riêng.
Một số góc uốn ống gió HVAC thông thường, làm bằng kim loại tấm uốn cong mượt mà với các cánh chia dòng uốn cong, được hiển thị trong Hình 2 ở bên trái. Đây là các biến thể tiêu chuẩn điển hình thường được sử dụng trong hệ thống ống gió HVAC, ví dụ: tuân thủ tiêu chuẩn ống gió DW144.
Các thành phần ống gió như vậy rất phổ biến và tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng nhỏ trong công trình dân dụng, doanh nghiệp nhỏ và hệ thống HVAC công suất thấp, nơi chi phí năng lượng không phải là một yếu tố quan trọng. Tuy nhiên, thiết kế này không phải là một giải pháp tốt cho các hệ thống thông gió và làm mát trong các ứng dụng quy mô trung bình và lớn, công suất cao – phát điện, luyện kim, máy tuabin, bộ trao đổi nhiệt, thu hồi nhiệt thải và năng lượng xanh và tái tạo hiện đại – nơi hiệu suất thủy lực và tiết kiệm năng lượng là bắt buộc.
Tuy nhiên, không cần phải xây dựng một ống gió tùy chỉnh, không theo tiêu chuẩn mỗi khi mức tiêu thụ điện năng của mạng lưới thủy lực cần được tối ưu hóa hoàn toàn. Cùng Hình 2, ở bên phải, cho thấy một biến thể của đoạn góc cánh hướng dòng xếp chéo của TunnelTech, tiết kiệm năng lượng, độ ồn thấp và độ rối thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn ngành cho hệ thống HVAC, và cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, công suất cao. Một ví dụ về cơ sở quy mô lớn mà đoạn cánh hướng dòng xếp chéo có thể dễ dàng được tích hợp vào được hiển thị trong Hình 3.
Hình 2. Cút góc mượt mà HVAC quy mô trung bình thông thường với cánh chia dòng bằng kim loại tấm theo tiêu chuẩn DW144 (trái), và cụm cánh hướng dòng xếp chéo TunnelTech hiệu suất cao cho ống gió tiêu chuẩn (phải).
Hình 3. Các đoạn góc cánh hướng dòng ống gió TunnelTech quy mô lớn cho hầm gió, phát điện và các ứng dụng công nghiệp.
Thiết kế cánh hướng dòng để giảm sụt áp, nhiễu loạn và tiếng ồn
Để so sánh các thiết kế góc ngoặt khác nhau, sụt áp (ΔP) và các mô hình dòng chảy mô phỏng CFD được đưa ra trong Hình 4 dưới đây. Tốc độ gió đầu vào 20 m/s và ống gió vuông 2×2 m được chọn làm ví dụ minh họa. Tốc độ 20 m/s được chọn vì các hầm gió thẳng đứng cấp độ chuyên nghiệp dành cho nhảy dù trong nhà thường hoạt động phần lớn thời gian ở các chế độ mà vận tốc dòng chảy trong đoạn góc nằm trong khoảng từ 10 đến 30 m/s. Các tính toán CFD được thực hiện ở 1 atm tiêu chuẩn, 20 °C và độ ẩm không khí bằng không với khí nén được và vách đoạn nhiệt có độ nhám 250 µm. Lưới từ 6 đến 10 triệu ô cho mỗi miền đã được sử dụng. Biên dạng đầu vào phẳng và độ rối 2% được áp dụng tại biên đầu vào. Nhiễu loạn được mô hình hóa bằng mô hình k-ε.
Lưu ý: Các hình minh họa trong Hình 4 là những ví dụ cụ thể, được trình bày chỉ nhằm mục đích minh họa các nguyên lý hoạt động và để so sánh một vài loại đoạn góc cánh hướng dòng. Chúng không thể được coi là kết quả chung cho mọi trường hợp sử dụng. Đối với mỗi hệ thống thông gió thực tế hoặc mạng lưới thủy lực khác, các thông số thủy lực cụ thể, kích thước và hình dạng ống gió, độ nhám và các bất thường về cấu trúc, sự không đồng đều của dòng chảy và các đặc tính vật lý chính xác của khí phải được tính đến tại mỗi điểm tính toán. Bạn có thể đặt hàng một tính toán như vậy cho một hệ thống cụ thể bằng cách liên hệ với chúng tôi.
Các trường hợp thiết kế sau đây được trình bày:
- Đoạn góc không có cánh hướng dòng.
- Đoạn góc uốn cong mượt mà (r = ½ chiều cao ống gió) với các cánh chia dòng uốn cong theo hướng kính. Sụt áp cũng phụ thuộc vào số lượng và hình học của các cánh chia dòng. Ví dụ cho thấy số lượng tối thiểu các tấm chia dòng có hình dạng tối ưu.
- Các tấm mỏng uốn cong theo hướng kính đơn giản (dày 10–20 mm).
- Các cánh hướng dòng không được tối ưu hóa điển hình từ các đối thủ cạnh tranh gần nhất của chúng tôi.
- Cánh hướng dòng TunnelTech (TTE-TV) với biên dạng được tối ưu hóa.
Vấn đề đáng kể nhất đối với các ống gió uốn cong có một số lượng nhỏ các cánh chia dòng dạng tấm uốn đơn giản (hoặc không có cánh nào) là sự phân bố áp suất và vận tốc tại lối ra của đoạn góc (Hình 4, trường hợp 2, xem mặt cắt ngang cửa ra). Vận tốc tăng từ vách ngoài vào vách trong của mỗi kênh phụ dòng chảy, tạo ra dòng chảy không đồng đều, nhiễu loạn nghiêm trọng và tiếng ồn. Bán kính góc ngoặt càng nhỏ, nguy cơ tách dòng, biến dạng trường áp suất và vận tốc càng lớn, tiếng ồn càng cao và sụt áp càng lớn.
Cách duy nhất để khắc phục những vấn đề này là bán kính độ cong lớn cho đoạn góc và số lượng cánh chia dòng nhiều hơn. Điều này tạo ra một vấn đề thứ hai – không gian bổ sung cần thiết để chứa các góc uốn như vậy và chi phí vật liệu của một số cánh chia dòng uốn cong có kích thước bằng mặt cắt ngang ống gió. Trong các hệ thống ống gió lớn, các góc uốn bán kính mượt mà có thể dẫn đến các cấu trúc lớn một cách bất hợp lý, làm cho phương pháp này trở nên không thực tế trong nhiều trường hợp, đặc biệt là ở những nơi có không gian hạn chế. Không gian bổ sung cần thiết được thể hiện bằng các đường đứt nét trong Hình 4, trường hợp 2 dưới đây. Chiều cao và chiều rộng của mỗi góc ngoặt phải được tăng thêm ít nhất ½ kích thước ống gió. Đối với hầm gió mạch kín, điều này có nghĩa là tăng kích thước tòa nhà lên vài mét theo mỗi hướng, làm tăng chi phí hệ thống ống gió và vốn đầu tư. Ngoài ra, mỗi cánh chia dòng có chi phí ngang bằng với chính vách ống gió.
Hình 4. Các đoạn góc trong hệ thống ống gió – so sánh thiết kế và hiệu suất
Giải pháp tối ưu cho hầm gió và thông gió công nghiệp là một dải cánh hướng dòng biên dạng cánh máy bay xếp chéo, như được thể hiện trong Hình 4, trường hợp 3–5.
Tất cả các hình ảnh CFD ở trên là ví dụ cho một đoạn góc ống gió có cửa vào 2×2 m với tốc độ gió 20 m/s – trường hợp phù hợp nhất với nhảy dù trong nhà và hầm gió cận âm tốc độ thấp.
Hình 4, trường hợp 3 cho thấy một đoạn góc với các cánh đơn giản làm bằng kim loại tấm uốn mỏng. Hình 4, trường hợp 4 cho thấy các cánh hướng dòng tốt nhất do các đối thủ cạnh tranh gần nhất của TunnelTech cung cấp. Cả hai đều có chiều dài dây cung ngắn hơn và biên dạng cánh không được tối ưu hóa, dẫn đến sự không đồng đều dòng chảy còn sót lại ở lối ra của đoạn, lực cản khí động học cao hơn và tiếng ồn ống gió nhiều hơn. Các cánh mỏng làm bằng kim loại tấm uốn đơn giản thường vượt quá mức ồn cho phép ngay cả ở tốc độ gió thấp, và một biên dạng dày, ngắn với tỷ lệ dây cung trên độ dày thấp cũng có diện tích bề mặt nhỏ hơn, đây là một nhược điểm khi sử dụng cánh hướng dòng có làm mát để truyền nhiệt.
Phần dưới của Hình 4, trường hợp 5 cho thấy một góc ống gió được lắp đặt cánh hướng dòng TunnelTech hiệu suất cao (để đặt hàng, vui lòng tham khảo mã phụ tùng TTE-TV-90). Như các mặt cắt ngang cho thấy, dòng chảy đồng đều hơn với các cánh có biên dạng phù hợp, điều này đồng nghĩa với sụt áp thấp hơn và độ rối thấp.
Biên dạng áp suất/vận tốc ở cửa ra cũng tốt hơn nhiều đối với các đoạn góc TunnelTech được lắp cánh có dây cung dài so với các trường hợp khác. Kết quả là chất lượng khí động học vô song của TunnelTech, như được phản ánh qua vô số đánh giá từ các vận động viên nhảy dù chuyên nghiệp và các khách hàng khác.
Tất cả các dữ liệu trên, bao gồm chiều dài dây cung và các tùy chọn làm mát, cũng được tóm tắt trong Bảng 1.
| Trường hợp / Loại cánh | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | Chiều dài dây cung (mm) | Làm mát |
|---|---|---|---|---|
| 1. Không có cánh, góc ngoặt gấp | 114 | 0,47 | — | Không |
| 2. Đoạn góc uốn cong mượt mà | 41 | 0,17 | > 2000 | Không |
| 3. Các tấm mỏng uốn cong theo hướng kính đơn giản | 80 | 0,33 | 250–500 | Không |
| 4. Cánh hướng dòng của các đối thủ cạnh tranh gần nhất | 88 | 0,37 | 280 | Có |
| 5. Cánh hướng dòng tối ưu hóa của TunnelTech | 57 | 0,24 | 500 | Có |
Hệ số tổn thất thủy lực cho đoạn góc ống gió với cánh của TunnelTech và các đối thủ cạnh tranh trong dải tốc độ lên đến 100 m/s, được tính toán cho cùng hình học và điều kiện ban đầu, được đưa ra trong Hình 5.
Thông tin chi tiết hơn về tổn thất thủy lực dọc theo chiều dài ống gió, hệ số cản cục bộ và tổng hệ số tổn thất thủy lực được đưa ra dưới đây.
Hình 5. So sánh các đoạn góc của TunnelTech và đối thủ cạnh tranh: Hệ số tổn thất thủy lực Darcy–Weisbach cho cùng hình học và điều kiện tính toán ban đầu.
Giảm thiểu nhiễu loạn cho các tính toán an toàn cấu trúc và thủy lực đáng tin cậy
Hình 6. Đoạn góc cánh hướng dòng TunnelTech: thang đo nhiễu loạn (m) ở 20 m/s
Một biên dạng áp suất/vận tốc mượt mà, có thể dự đoán được đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng mà nhiễu loạn cao hoặc tách dòng là không thể chấp nhận được, chẳng hạn như hầm gió thử nghiệm, cơ sở nhảy dù trong nhà và các hệ thống công suất cao. Những hiệu ứng ký sinh này, cùng với các xung áp suất do tách dòng và nhiễu loạn quy mô lớn gây ra, cũng không thể chấp nhận được trong các hệ thống phải không có rung động do âm học gây ra và nơi không cho phép sai lệch áp suất tĩnh vì lý do ổn định cấu trúc ống gió. Ngoài ra, dòng chảy rối là một nguồn gây ồn phổ biến, làm giảm thêm hiệu suất tổng thể của hệ thống và sự thoải mái của người dùng cuối.
Cũng cần lưu ý rằng các bất thường của dòng chảy có xu hướng phát triển và tăng cường ở hạ lưu trừ khi sử dụng bộ chỉnh dòng, bộ chỉnh dòng dạng tổ ong, lưới chỉnh dòng hoặc các thiết bị điều hòa dòng chảy khác [1-3]. Phân tích động lực học khí chính xác đòi hỏi phải tính toán lực cản của từng phần tử ống gió kế tiếp với biên dạng áp suất/vận tốc đầu vào thực tế do phần tử trước đó của mạng lưới thủy lực tạo ra. Đối với các mạng lưới thủy lực dài, thường không thể chạy mô phỏng CFD cho toàn bộ hệ thống vì kích thước quá lớn của nó. Trong những trường hợp như vậy, các tính toán bán thực nghiệm gần đúng dựa trên các số dòng chảy không thứ nguyên và các tiêu chí hình học [4], hoặc phần mềm dựa trên các phương pháp như vậy, được sử dụng. Tương tự, mô hình hóa FEA về độ ổn định cấu trúc ống gió thường được thực hiện với một trường áp suất tĩnh ổn định tác dụng lên các vách ống gió. Do đó, các bất thường dòng chảy nghiêm trọng phát triển ở hạ lưu cũng có thể gây ra sai số trong các phân tích quan trọng về an toàn của các cấu trúc chịu tải.
Các phương pháp gần đúng thường không xử lý sự biến dạng của biên dạng vận tốc tại đầu vào của một phần tử mạng lưới thủy lực; tốt nhất là chúng tính đến việc biên dạng đã phát triển đầy đủ hay chưa phát triển (đồng đều), và các thông số lớp biên. Trong hầm gió và hệ thống thông gió công nghiệp, mỗi góc ngoặt của dòng chảy có thể gây ra sự không đồng đều và xoáy mạnh, điều này đưa ra sự không chắc chắn vào các tính toán sức cản thủy lực cho các mạng lưới dài. Do đó, bất cứ khi nào có thể, nên tránh các bất thường lớn về biên dạng vận tốc.
Hình 6 và các kết quả ở trên cho thấy các đoạn góc với cánh hướng dòng TunnelTech không chỉ không tạo ra thêm nhiễu loạn dòng chảy mà còn có thể được sử dụng để làm giảm xoáy và sự không đồng đều ở hạ lưu của đoạn. Do đó, một đoạn góc cánh hướng dòng với cánh TunnelTech cũng có thể hoạt động như một bộ chỉnh dòng hiệu quả khi được lắp đặt ở hạ lưu của quạt hướng trục, đoạn khuếch tán ống gió, bộ trao đổi nhiệt, đoạn thử nghiệm, nhánh ống gió hoặc điểm trích khí, hoặc bất kỳ phần tử tạo nhiễu loạn nào khác.
Hệ số cản cục bộ
Hệ số cản cục bộ của một góc ngoặt có thể được tính toán bằng phương trình Darcy–Weisbach nổi tiếng:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Trong đó:
- ΔP – tổng tổn thất áp suất (sụt áp) tính bằng Pa;
- ξ – hệ số cản cục bộ (Darcy–Weisbach);
- ρ – khối lượng riêng của chất lưu (kg/m³);
- V – vận tốc chất lưu tại mặt cắt ngang đầu vào (m/s).
Các thông số này, quyết định hiệu quả năng lượng của ống gió, phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế cánh hướng dòng.
Theo [4], tổng lực cản của một phần tử thủy lực phức tạp có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của lực cản ma sát dọc theo chiều dài của nó ξL và lực cản cục bộ ξ0:
ξSUM = ξL + ξ0
Đối với một ống gió thẳng, lực cản theo chiều dài tỷ lệ thuận với chiều dài và tỷ lệ nghịch với đường kính thủy lực, như được biểu thị bằng công thức:
ξL = (L / D) · f
trong đó f là hệ số ma sát Darcy.
Đối với các ống gió có hình dạng đơn giản (ví dụ: tròn, vuông, lục giác), f có thể được biểu diễn dưới dạng một hàm phi tuyến tính chỉ phụ thuộc vào số Reynolds – xem Chương 2 trong [4] hoặc https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
Hệ số ma sát f đối với một ống tròn đơn giản (ống gió tròn) có vách nhẵn, biên dạng dòng chảy phát triển đầy đủ ở đầu vào và chế độ chảy rối (số Reynolds Re > 4×103) có thể được tính từ công thức:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
Đối với các ống gió thực tế, độ nhám vách cũng phải được tính đến.
Hình 7 dưới đây cho thấy đồ thị của hệ số ma sát Darcy theo số Reynolds Re cho các giá trị độ nhám vách tương đối khác nhau, được Nikuradse công bố lần đầu trong [5-8]. Đồ thị này cũng được biết đến là biểu đồ Moody [9] hoặc tương quan Colebrook–White [10-11]. Một nghiên cứu gần đây hơn về các ống nhẵn có thể được tìm thấy trong [12].
Biểu đồ cho thấy sự phụ thuộc phức tạp f(Re) đối với một ống tròn có các giá trị độ nhám khác nhau. Đối với ống vuông và các ống gió không tròn khác, biểu đồ còn phức tạp hơn. Do đó, chế độ dòng chảy (số Reynolds), hình dạng ống gió và độ nhám vách tương đối đều phải được tính đến.
Hình 7. Biểu đồ Moody (hay còn gọi là Nikuradse) cho thấy hệ số ma sát Darcy–Weisbach fD được vẽ theo số Reynolds Re cho các giá trị độ nhám tương đối khác nhau – Biểu đồ gốc: S. Beck và R. Collins, Đại học Sheffield, được chia sẻ theo CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
Đối với các ống gió nhám thực tế, vẫn có thể biểu diễn tổng lực cản là tổng ξSUM = ξL + ξ0 của lực cản theo chiều dài và lực cản cục bộ.
Việc chia lực cản thành tổng này giúp đơn giản hóa việc nghiên cứu các thông số ống gió, vì lực cản cục bộ ξ0 có thể được tính toán cho một hình học phần tử được đơn giản hóa – ví dụ, với một công thức tuần hoàn của bài toán trên một miền tính toán nhỏ hơn, hoặc trong một công thức 2D. Lưu ý kích thước của miền tính toán trong các ví dụ được hiển thị trong Hình 4 – đoạn này cao 3 m và dài 18 m, và sự hội tụ lưới đầy đủ chỉ bắt đầu ở mức trên 10 triệu phần tử lưới. Một công thức tuần hoàn hoặc 2D của cùng các trường hợp có thể sử dụng số lượng phần tử lưới ít hơn một bậc độ lớn, và việc tính toán đơn giản hóa từng điểm vận tốc trên đường cong ΔP(v) sẽ mất vài phút hoặc thậm chí vài giây thay vì hàng giờ.
Do đó, việc chia lực cản thành hai thành phần có thể đơn giản hóa đáng kể các tính toán – lực cản cục bộ ξ0 được xác định nhanh chóng, và sau đó lực cản theo chiều dài ξL được cộng vào. Lực cản theo chiều dài có thể được ước tính nhanh chóng từ các bảng đã công bố hoặc bằng các công thức gần đúng dựa trên các số không thứ nguyên và các thông số hình học ống gió. Đối với các phần tử thủy lực và mạng lưới ống gió có sự thay đổi đột ngột về hướng dòng chảy (cút góc, góc uốn mượt, góc uốn ở nhiều góc độ khác nhau có và không có cánh hướng dòng), một cách tiếp cận và phương pháp tương tự được trình bày trong Chương 6-1 và 6-2 của cuốn Sổ tay sức cản thủy lực toàn diện [4].
Thông số kỹ thuật
Dữ liệu kỹ thuật toàn diện cho tính toán kỹ thuật và hiệu suất chính xác.
Công nghệ làm mát tích hợp
Cách mạng hóa thiết kế hầm gió, các cánh hướng dòng của chúng tôi có các kênh làm mát bên trong tích hợp—mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt vượt trội mà không ảnh hưởng đến chất lượng dòng khí.
- Công suất tản nhiệt lớn, có thể mở rộng từ hàng trăm kilowatt đến hàng chục megawatt.
- Quản lý nhiệt hiệu quả với tác động bất lợi bằng không đối với nhiễu loạn luồng khí hoặc chất lượng dòng khí.
- Được thiết kế với sáu kênh làm mát bên trong tích hợp trên mỗi cánh để đạt hiệu quả nhiệt tối đa
- Tích hợp liền mạch với cơ sở hạ tầng làm mát nước công nghiệp tiêu chuẩn
Điểm nổi bật của sản phẩm
Cánh hướng dòng của TunnelTech (sản phẩm TTE-TV) đi đầu trong công nghệ này, mang lại hiệu quả vô song trong quản lý lưu lượng gió. Các sản phẩm của chúng tôi được thiết kế cho nhiều ứng dụng, từ cơ sở nhảy dù trong nhà và hầm gió đến hệ thống HVAC và thông gió, đồng thời thể hiện sự tiên tiến của thiết kế khí động học và hiệu quả năng lượng.
Hiệu suất đoạn cánh hướng dòng trong ống gió
Cánh hướng dòng hiệu suất cao của TunnelTech thiết lập tiêu chuẩn ngành về công suất và hiệu suất khí động học. Cánh hướng dòng tiết kiệm năng lượng của chúng tôi được thiết kế để giảm thiểu tổn thất khí động học, đảm bảo lưu lượng gió mượt mà và giảm tiêu thụ điện năng.
Cánh hướng dòng TunnelTech có các đặc tính hệ số cản cục bộ tuyệt vời trong ống gió. Các thông số lực cản, được tính toán bằng phương trình Darcy–Weisbach như mô tả ở trên, được trình bày trong các hình dưới đây (xem Hình 8) và trong Bảng dữ liệu cánh hướng dòng.
Nói chung, khi chưa biết kích thước ống gió, các giá trị được đưa ra cho một phần tử lý tưởng hóa với các điều kiện biên bên tuần hoàn, mà không tính đến ma sát vách bổ sung dọc theo chiều dài, độ nhám hoặc các thông số cục bộ khác. Hình 8 đưa ra các giá trị cho một phần tử góc lý tưởng hóa với các cánh TunnelTech, được tính toán cho một cụm 15 cánh với các điều kiện biên tuần hoàn như một phép xấp xỉ của một dải cánh tuần hoàn vô hạn.
Hình 8. Cánh hướng dòng TunnelTech: hệ số cản cục bộ và sụt áp tương ứng.
Nếu hệ thống HVAC hoặc hệ thống thủy lực khác bao gồm các ống gió có mặt cắt ngang dòng chảy nhìn chung không thay đổi dọc theo đường dẫn dòng chảy, thì sẽ thuận tiện cho các tính toán gần đúng để ước tính lực cản trên mỗi đơn vị chiều dài (tất nhiên, phải được ước tính trên toàn bộ dải vận tốc):
KL = ξL / L = f / Dh
trong đó Dh là đường kính thủy lực của ống gió. Giá trị của KL rất dễ xác định từ các sách tham khảo, như đã thảo luận ở trên. Nhân nó với chiều dài và cộng các giá trị hệ số cản cục bộ ξ0 lấy từ bảng dữ liệu hoặc được tính toán độc lập sẽ cho ra một ước tính nhanh về tổng tổn thất áp suất trong hệ thống.
ξSUM = KL · L + ξ0
Các ví dụ minh họa trong Hình 4 – một ống gió vuông 2×2 m với các thông số khí và độ nhám được sử dụng trong tính toán – có lực cản trên mỗi đơn vị chiều dài vào khoảng KL = ξL / L ~ 2,1 Pa. Giá trị này áp dụng cho một ống gió vuông trơn không có góc uốn, cánh hướng dòng hoặc các thiết bị bên trong khác. Trên toàn bộ 21 m mà không khí di chuyển dọc theo ống gió, điều này tạo ra sụt áp ~44 Pa. Cộng thêm giá trị từ Hình 8 (11 Pa ở 20 m/s, lấy từ Bảng dữ liệu cánh hướng dòng, Bảng A.2.1) sẽ cho tổng lực cản là 55 Pa đối với một đoạn ống gió 2×2 m thực tế có cánh hướng dòng. Giá trị này rất phù hợp với giá trị được hiển thị trong Hình 4, trường hợp 5.
Thông tin thêm về các phương pháp gần đúng để tính toán lực cản của các ống gió có hình dạng bất kỳ mà không cần CFD có thể được tìm thấy trong [4] và các tài liệu tương tự.
Lưu ý: Các ví dụ trong Hình 4 chỉ là một trường hợp đặc biệt minh họa cách thức hoạt động của cánh hướng dòng và không thể được sử dụng để đánh giá một ống gió tùy ý. Hình 8 áp dụng rộng rãi hơn, nhưng các thông số cụ thể của ống gió của khách hàng vẫn phải được xem xét. Mỗi hệ thống cần một phân tích chi tiết, mà bạn có thể đặt hàng từ TunnelTech. Để tính toán chính xác sức cản thủy lực của ống gió và đánh giá chuyên gia về mức tiêu thụ điện năng của thiết bị thông gió hoặc hầm gió của bạn, vui lòng liên hệ với chúng tôi.
Thông tin bổ sung về các dịch vụ và R&D của chúng tôi có thể được tìm thấy trên trang Công nghệ và trong phần Dịch vụ.
Cánh hướng dòng cho làm mát và sưởi ấm công nghiệp
Độc đáo trong số các cánh hướng dòng cho ống gió công nghiệp, các sản phẩm của chúng tôi có thể tuần hoàn chất làm mát với lưu lượng cao, cho phép không khí được làm mát hoặc làm nóng hiệu quả khi đi qua ống gió. Điều này mở ra những khả năng mới trong điều hòa nhiệt độ – cánh hướng dòng kiểm soát khí hậu trong nhà và bộ trao đổi nhiệt trong ống gió có lực cản thấp – mang đến cho khách hàng của chúng tôi các giải pháp linh hoạt cho nhu cầu lưu lượng gió của họ.
Được đánh giá bằng phương pháp HTCL (hệ số truyền nhiệt trên mỗi mét dài), định lượng thông lượng nhiệt (tính bằng watt) trên mỗi mét chiều dài cánh hướng dòng trên mỗi kelvin chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (ΔTLMTD) giữa không khí bên ngoài và chất làm mát cánh, các cánh hướng dòng của chúng tôi được thiết kế để truyền nhiệt hiệu quả trong nhiều điều kiện lưu lượng gió khác nhau, đảm bảo hiệu suất ổn định và điều hòa nhiệt độ.
Các thông số hệ số truyền nhiệt cho cánh hướng dòng làm mát bằng nước được trình bày trong Hình 9 cho cả không khí khô và ẩm, trong đó ΔP [kPa] là chênh lệch áp suất nước giữa các cổng vào và ra của cánh (màu xanh và đỏ trong Hình 10).
Hình 10. Kênh làm mát cánh hướng dòng
Hình 9. Hệ số HTCL. Không khí khô (RH = 0%) và ẩm (RH = 90% ở 30 °C) ở các chênh lệch áp suất chất làm mát (nước) khác nhau giữa các cổng kênh làm mát vào và ra.
Cánh hướng dòng cho thu hồi nhiệt thải
Cánh hướng dòng có làm mát với các kênh trao đổi nhiệt tích hợp cung cấp một giải pháp linh hoạt để thu hồi nhiệt thải trên nhiều ứng dụng. Được tích hợp vào các hệ thống trao đổi nhiệt, các cánh này có thể thu giữ năng lượng nhiệt dư thừa mà nếu không sẽ bị thất thoát và chuyển nó đến các hệ thống thu hồi nhiệt, cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Trong thực tế, công nghệ này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, trong các quy trình công nghiệp, cánh hướng dòng có làm mát có thể thu hồi nhiệt thải từ khí thải và sử dụng nó để làm nóng trước chất lỏng hoặc không khí đầu vào, giúp giảm tiêu thụ điện năng. Trong hệ thống HVAC, nguyên lý tương tự được áp dụng trong các thiết bị như quạt thông gió thu hồi nhiệt (HRV) và quạt thông gió thu hồi năng lượng (ERV), giúp truyền nhiệt giữa luồng khí thải và khí cấp. Điều này giảm thiểu năng lượng cần thiết để làm nóng hoặc làm mát không khí đầu vào, dẫn đến tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Cánh hướng dòng có làm mát cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống phát điện và năng lượng tái tạo. Ví dụ, trong các nhà máy nhiệt điện kết hợp (CHP), nhiệt thải từ quá trình phát điện được thu hồi và sử dụng để sưởi ấm, cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Trong các hệ thống năng lượng địa nhiệt, các cánh này có thể giúp quản lý năng lượng nhiệt được chiết xuất từ lòng đất, tối ưu hóa các quá trình truyền nhiệt.
Trong các sáng kiến năng lượng xanh và tái tạo, thu hồi nhiệt thải đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng khí thải carbon và cải thiện tính bền vững của các hệ thống năng lượng. Cách tiếp cận này phù hợp với các nguyên tắc sản xuất tinh gọn, cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm chi phí vận hành thông qua quản lý nhiệt hiệu quả. Hơn nữa, trong các dự án ESG, việc áp dụng các công nghệ như vậy thể hiện cam kết giảm thiểu tác động môi trường và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, phù hợp với các mục tiêu bền vững rộng lớn hơn.
Thu hồi nhiệt – Các dự án liên quan
TunnelTech có nhiều kinh nghiệm trong việc cung cấp các dự án trao đổi nhiệt và HVAC được thiết kế để thu hồi nhiệt thải bằng cánh hướng dòng có làm mát. Bằng cách tích hợp các cánh này vào các hệ thống trao đổi nhiệt được thiết kế để thu giữ và tái sử dụng năng lượng nhiệt mà nếu không sẽ bị thất thoát, TunnelTech giúp thu hồi nhiệt thải hiệu quả hơn từ nhiều quy trình công nghiệp và thương mại. Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả năng lượng mà còn hỗ trợ các mục tiêu bền vững bằng cách giảm tiêu thụ điện năng và chi phí vận hành.
Ứng dụng
Cánh hướng dòng của chúng tôi phục vụ nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng đa dạng
Hệ thống HVAC
| Tòa nhà thương mại | Tối ưu hóa hệ thống ống gió; hiệu quả năng lượng; giảm chi phí vận hành; nâng cao sức khỏe và an toàn thông qua kiểm soát hiệu quả chất lượng không khí và nhiệt độ |
| Khu phức hợp dân cư | Môi trường sống thoải mái với chất lượng không khí và lưu lượng gió tối ưu; nâng cao sức khỏe và an toàn |
| Trung tâm dữ liệu | Cánh hướng dòng quản lý nhiệt duy trì mức nhiệt độ và độ ẩm quan trọng cần thiết cho hiệu suất và tuổi thọ của máy chủ |
Hệ thống thông gió công trình dân dụng
| Bệnh viện và cơ sở y tế | Cánh hướng dòng vận hành êm ái cung cấp khả năng kiểm soát chất lượng không khí thiết yếu để bảo vệ bệnh nhân và nhân viên; nâng cao sức khỏe và an toàn thông qua việc kiểm soát hiệu quả chất lượng không khí và nhiệt độ |
| Cơ sở giáo dục | Môi trường học tập tốt hơn nhờ cải thiện lưu thông không khí |
Kiểm soát môi trường
| Điện tử, công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm và các cơ sở công nghệ cao / phòng sạch khác | Kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm cho sản xuất công nghệ cao và khắt khe; cánh hướng dòng điều hòa không khí duy trì các tiêu chuẩn lưu lượng gió nghiêm ngặt cho sản xuất và nghiên cứu |
| Nhà thi đấu thể thao | Sự thoải mái và an toàn cho cả vận động viên và khán giả |
Ứng dụng công nghiệp và chuyên dụng
| Xây dựng và bảo trì hầm ngầm | Chất lượng không khí và an toàn tốt hơn cho công nhân trong môi trường hầm ngầm |
| Cơ sở công nghiệp | Tối ưu hóa hệ thống ống gió; hiệu quả năng lượng; phát triển bền vững; giảm chi phí vận hành |
| Xưởng đúc và cơ sở công nghiệp nặng | Hiệu quả năng lượng; giảm chi phí vận hành; thu hồi nhiệt thải; khử cacbon và ESG; ống gió HVAC tải trọng nặng; quản lý nhiệt |
| Kỹ thuật hàng hải | Cải thiện thông gió trên tàu thủy và tàu ngầm để mang lại sự thoải mái cho thủy thủ đoàn và độ tin cậy của thiết bị |
| Khai khoáng và xây dựng ngầm | Thông gió thiết yếu cho hầm mỏ và các cấu trúc ngầm khác, giảm thiểu rủi ro từ các điều kiện nguy hiểm |
Mỗi ứng dụng này đều được hưởng lợi đáng kể từ thiết kế và chức năng tiên tiến của cánh hướng dòng TunnelTech, đánh dấu một bước tiến vọt trong việc quản lý lưu lượng gió hiệu quả. Bằng cách chọn cánh hướng dòng lực cản thấp của TunnelTech, khách hàng có thể kỳ vọng không chỉ đạt được mà còn vượt qua các mục tiêu hiệu suất hệ thống của họ, đồng thời
- •giảm tiêu thụ điện năng* lên đến 30%
- •giảm ồn* tới 60%, so với các ống gió thông thường.
* Kết quả thực nghiệm đối với hình học hầm gió TT45 PRO.
Để được tư vấn và biết thêm chi tiết về cách cánh hướng dòng của chúng tôi có thể được tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể của bạn, vui lòng liên hệ với đội ngũ của chúng tôi. Hãy để TunnelTech trở thành đối tác của bạn trong việc đạt được quản lý lưu lượng gió tối ưu.
Lắp đặt & bảo trì
- •Kích thước và thông số kỹ thuật
Xác minh kích thước ống gió và thông số kỹ thuật cánh hướng dòng trước khi lắp đặt
- •Tùy chọn lắp ráp
Có sẵn các cấu hình kẹp, bắt vít và hàn
- •Xử lý tải trọng
Tuân thủ các hướng dẫn xử lý tải trọng để vận chuyển và định vị an toàn
- •Lắp đặt từng bước
Hướng dẫn lắp đặt chi tiết được cung cấp kèm theo mỗi đợt giao hàng sản phẩm
- •Lịch trình kiểm tra
Kiểm tra trực quan thường xuyên để đảm bảo sự căn chỉnh của cánh và tính toàn vẹn cấu trúc
- •Quy trình làm sạch
Làm sạch định kỳ để loại bỏ bụi và mảnh vụn tích tụ trên bề mặt cánh
- •Theo dõi hao mòn
Theo dõi các dấu hiệu ăn mòn, xói mòn hoặc hư hỏng cơ học
- •Hướng dẫn khắc phục sự cố
Giải quyết các vấn đề phổ biến như rung động, tiếng ồn hoặc giảm hiệu quả lưu lượng gió
Tài liệu
Thông tin kỹ thuật về các cụm đoạn góc hầm gió TunnelTech và thông số cánh hướng dòng có sẵn trong một bảng dữ liệu toàn diện bao gồm các sản phẩm TTE-TSA và TTE-TV. Tài liệu bao gồm các tùy chọn thiết kế, hệ số cản cục bộ cho các góc ngoặt 90 độ theo chiều ngang và chiều dọc, cùng các thông số thủy lực và truyền nhiệt cho cánh hướng dòng có làm mát.
Tải xuống bảng dữ liệu TTE-TSA (PDF)Tài liệu tham khảo và các ấn phẩm liên quan
Thông tin bổ sung về thiết kế và tối ưu hóa cánh hướng dòng cho hầm gió, hệ thống ống gió công nghiệp, ống gió HVAC và thiết bị quản lý lưu lượng gió, bộ chỉnh dòng quạt, v.v. có thể được tìm thấy tại các liên kết dưới đây:
- 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. (Bản dịch tiếng Anh: 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 (Bản dịch tiếng Anh). 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.
Xem thêm:
- Biểu đồ Moody: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy–Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Hệ số ma sát: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Tổn thất ma sát: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss