Воздушная завеса повышенной эффективности

УДК 697.911

Г. Г. КУСТИКОВ М. А. ТАРАН О. И. УСКОВА

Омский государственный технический университет

ВОЗДУШНАЯ ЗАВЕСА ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Исследована работа боковой воздушной тепловой завесы шиберующего типа, определены оптимальные параметры ее работы. Трехмерное математическое моделирования работы воздушной тепловой завесы реализовано в программе Ansys Fluent. Получены поля температур потоков воздуха внутри и снаружи помещения для различных режимов работы завесы. Применение результатов исследования позволит сократить энергозатраты на работу тепловой завесы.

Ключевые слова: воздушная завеса, моделирование, энергосбережение.

Воздушные завесы предназначены для предотвращения проникновения потоков холодного наружного воздуха, поступающего в здание через открытые дверные проемы. Как правило, площади проемов ворот промышленных зданий достаточно велики, поэтому воздушные завесы являются весьма энергоемкими устройствами. В некоторых случаях затраты тепла на работу воздушной завесы могут превышать затраты тепла на отопление здания, в связи с этим повышение их эффективности позволит существенно повысить энергоэффективность промышленных зданий.

Холодный наружный воздух проникает через открытые проемы под действием перепада давления наружного и внутреннего воздуха. Величина перепада давления зависит от гравитационного напора (зависит от разности температур наружного и внутреннего воздуха, высоты помещения, высоты проема ворот), дисбаланса притока и вытяжки. Чаще всего применяются воздушные завесы шиберующе-го типа. Такие завесы создают сильное противодействие на пути проникновения наружного воздуха, что достигается подачей струй теплого воздуха, направленных под углом к поверхности проема.

Под действием разницы давлений ДР через ворота происходит проникновение наружного воздуха объемом Ь = V • F , где Б — площадь проема

о о.п. пр' ^ пр 1 ^ 1

ворот; V

средняя скорость движения воздуха

в проеме ворот, V = — коэффициент

расхода ворот при бездействующей завесе; рн — плотность наружного воздуха). При работе завесы под действием того же перепада давления ДР через ворота поступает меньшее количество воздуха Ь ,

- я„„

причем отношение расходов

L„

L„

равно от-

ношению коэффициентов расхода Я = —— (|1 —

ПР Цо пр

коэффициент расхода при работающей завесе).

По направлению струи воздушные завесы подразделяются на три вида:

— с направлением струи снизу вверх — через горизонтальную щель, расположенную внизу проема. Нижняя завеса позволяет надежно предотвратить

поступление холодного воздуха в нижнюю часть помещения; на нее расходуется меньше приточного воздуха, поэтому такая завеса является наиболее экономичной и эффективной. Однако существуют и недостатки таких завес, которые выражаются в опасности засорения или заливания осадками воз-духоподающей щели; а также при пересечении проема транспортом перекрывается струя, а холодный воздух прорывается через незащищенную верхнюю часть проема;

— с направлением струи сверху вниз — через горизонтальную щель, расположенную вверху проема. Верхнюю завесу рекомендуется устанавливать в проемах внутренней части помещения, где перепад давлений с двух сторон ограждения постоянен по высоте. Для проемов в наружных ограждениях такая завеса менее подходит, так как вследствие ее установки возникает опасность прорыва холодного наружного воздуха в нижнюю часть помещения;

— с горизонтальным направлением струи — через вертикальную щель, расположенную с одной или с двух сторон проема. Завесы этого вида получили наиболее широкое распространение. Завесы с двусторонней боковой подачей воздуха рекомендуют устанавливать в помещениях с большой шириной ворот.

Как правило, проектировщики применяют типовые конструкции воздушных завес [1]. Расчет типовой воздушной завесы выполняется по методу В. М. Эльтермана [2], который основан на применении закона сохранения количества движения для контура, прилегающего к проему ворот, что позволяет учесть силы реакции наружных ограждений (рис. 1). В. М. Эльтерманом получена расчетная зависимость для коэффициента расхода | пр в виде функции параметров завесы, характеристик проема и разницы давлений между внутренним и наружным воздухом. Дальнейшее развитие этот метод получил в работах [3, 4].

Известны также методики расчета, основанные на анализе взаимодействия плоских струй с набегающим потоком воздуха [5, 6].

Общим недостатков вышеприведенных методов является невозможность определения картины

Рис. 1. К применению уравнения количества движения по В. М. Эльтерману [2]: А, Б, В, Г, Д, К, М, Н - выделенный контур; Р1Г Р2 — давление воздуха внутри и снаружи ворот;

К, — среднее реактивное давление стены; а — угол выпуска струи воздушно-тепловой завесы

течения потоков воздуха вне плоскости проема ворот, что не позволяет получить поля температур и скоростей внутри и снаружи помещения. Эта информация может быть получена с помощью трехмерных методов расчета течений не только в плоскости проема ворот, но также вокруг и внутри здания.

В качестве примера такого исследования можно привести работу [7], в которой приводятся результаты трехмерного моделирования взаимодействия струй воздушной завесы бокового типа с набегающим потоком наружного воздуха.

Целью исследований было определение шибе-рующих свойств воздушной завесы при различных значениях угла и ширины шиберующей струи. Результаты исследований показали, что применение трехмерного моделирования позволяет уточнить требуемые значения коэффициентов расхода для различных режимов работы воздушной завесы и повысить её эффективность. К сожалению, авторы ограничились рассмотрением изотермического режима работы воздушной завесы, в то время как

в большинстве случаев температуры наружного воздуха и шиберующего потока существенно различаются.

Целью настоящей работы была оценка возможности повышения энергоэффективности типовой воздушной завесы с помощью трехмерного моделирования неизотермических воздушных потоков.

В качестве объекта исследования выбрана типовая боковая двусторонняя завеса ЗВТЗ-5 для проема размером 4,2x4,2 м.

Расчеты выполнялись с помощью программного комплекса Ansys Fluent. Предварительный анализ режима течения потоков воздушной завесы показал, что для завесы характерен развитый турбулентный режим течения с относительно небольшими градиентами давления. Для таких потоков хорошие результаты дает применение стандартной k — s модели, которая и применялась в расчетах.

Модель здания (рис. 2) представляла собой пространство размером 12x12x6 (XxZxY), ограниченного адиабатическими стенками. Расчетная область задана размерами 20x20x10 (XxZxY).

Рис. 3. Пример поля температур в нижней зоне помещения при проникании холодного наружного воздуха через завесу

Рис. 4. Пример поля температур в верхней зоне помещения при перегреве

Рис. 5. Поле температур в нижней зоне помещения для модифицированного варианта типовой воздушной завесы

Рис. 6. Поле температур на высоте 1,5 м от уровня пола для модифицированного варианта типовой воздушной завесы

Границы расчетной области выбирались исходя из соображений минимального влияния на структуру потока в окрестностях проема ворот. На границе расчетной области в направлении оси Ъ задавалась температура и скорость воздушного потока. Открытый ворот имеет размеры 4,2x4,2 м. Высота воздуховыпускной щели завесы равна высоте проема, а ширина варьировалась в диапазоне от 50 до 100 миллиметров. На границе воздуховыпускной щели задавалось значение скорости и температуры воздушного потока, а также направление вектора скорости относительно плоскости ворот. Забор воздуха осуществляется из верхней зоны помещения через верхнюю торцевую поверхность завесы в количестве, равном массовому расходу через воздухо-выпускную щель завесы.

Очевидно, что основным критерием эффективности работы тепловой завесы является величина тепловой мощности, которая необходима для обеспечения минимально допустимой температуры 1:в = +16 °С воздуха рабочей зоны при открытом проеме ворот. Вместе с тем необходим также анализ полей температур на различных отметках по высоте, так как вследствие неравномерности поля давлений по высоте проема в нижней части

рабочей зоны помещения может наблюдаться переохлаждение, а в верхней части перегрев. При этом средняя температура воздуха помещения будет в пределах нормы.

На рис. 3 показан пример поля температуры в нижней зоне помещения при проникании холодного наружного воздуха через нижнюю зону воздушной завесы. На рис. 4 показан пример поля температур в верхней зоне завесы при наличии перегрева. В этом случае наблюдается утечка теплого воздуха через завесу наружу, что приводит дополнительному снижению энергоэффективности завесы.

При выполнении расчетов типовой завесы ЗВТЗ-5 расчетная температура наружного воздуха принималась —37 °С, скорость ветра задавалась равной 1 м/с. По результатам расчета завесы по типовой методике [1] получены следующие параметры завесы: ширина воздуховыпускной щели — 0,075 м, расход воздуха через завесу — 14,6 кг/с, тепловая мощность завесы — 582 кВт.

При проведении вариантных расчетов завесы на основе трехмерного математического моделирования изменялась ширина воздуховыпускной щели, расход воздуха через завесу, а также угол направле-

Рис. 7. Поле скоростей на высоте 1,5 м от уровня пола для модифицированного варианта типовой воздушной завесы

ния шиберующего потока относительно плоскости проема ворот. Результаты расчетов показали, что энергоэффективность типовой завесы может быть существенно повышена за счет более рационального выбора конструктивных параметров завесы. Для рассматриваемой тепловой завесы при заданных исходных условий тепловая мощность может понижена с 582 до 480 кВт, т.е. на 18 %. Это достигается изменением угла выпуска шиберующего потока с 30° до 15°, уменьшением ширины воздуховыпуск-ной щели с 0,075 м до 0,06 м при уменьшении расхода воздуха через завесу с 14,6 кг/с до 13,6 кг/с.

На рис. 5 показано расчетное поле температур в нижней зоне помещения на уровне пола для модифицированного варианта завесы. На рис. 6 представлена аналогичная диаграмма для рабочей зоны на высоте 1,5 м от уровня пола.

Из рисунков видно, что данный вариант завесы обеспечивает необходимую температуру воздуха как в средней части рабочей зоны помещения, так и на уровне нулевой отметки. Поле температур равномерное, прорыва холодного наружного воздуха в помещение не происходит.

На рис. 7 показано поле скоростей потоков воздуха на высоте 1,5 метра от уровня пола. Анализ поля скоростей показывает, что поток теплого воздуха не выходит наружу за пределы плоскости дверного проема помещения. Это также хорошо видно на соответствующем рисунке поля температур.

По результатам работы можно заключить, что энергоэффективность типовых завес может быть существенно повышена за счет более рационального выбора их конструктивных параметров на основе применения современных методов трехмерного моделирования течения воздушных потоков.

Библиографический список

1. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 3. Вентиляция и кондицио-

нирование воздуха. Кн. 1 / В. Н. Богословский [и др.] ; под ред. Павлова Н. Н., Шиллера Ю. И. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Стройиздат, 1992. - 319 с.

2. Эльтерман, В. М. Воздушные завесы / В. М. Эльтерман. — М. : Машгиз, 1961. — 161 с.

3. Стронгин, А. С. Новый подход к расчету воздушно-тепловых завес / А. С. Стронгин, М. В. Никулин // Строительство и архитектура. Сер. Изв. вузов. — 1991. — № 1. — С. 84 — 87.

4. Никулин, М. В. Экспериментальные исследования теплообмена струй воздушных завес / М. В. Никулин, В. К. Савин, А. С. Стронгин // Гидромеханика отопительно-венти-ляционных устройств : межвуз. сб. — Казань : КИСИ, 1991. — С. 14 — 21.

5. Дискин, М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес / М. Е. Дискин //. АВОК. — 2003. — № 7. — С. 58 — 66.

6. Марр, Ю. Н. О рекомендуемой высоте установки завес / Ю. Н. Марр, Г. И. Погодин, К. В. Лесохин // Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. — 2003. — № 4 (12). — С. 84 — 86.

7. Сергиевский, Э. Д. Математическое моделирование течения в проемах, оборудованных завесами. / Э. Д. Сергиевский, Л. О. Мирошниченко, В. Г. Караджи, Ю. Г. Московко // АВОК. — 2007. — № 1. — С. 26 — 30.

КУСТИКОВ Григорий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: gr_kustikov@mail.ru ТАРАН Михаил Алексеевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: michael-8@mail.ru УСКОВА Оксана Ивановна, магистрант гр. ТПЭ-511 факультета элитного образования и магистратуры.

Статья поступила в редакцию 11.09.2015 г. © Г. Г. Кустиков, М. А. Таран, О. И. Ускова