ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ "ГЕНЕРАТОР КОМФОРТА"

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к системам вентиляции и кондиционирования воздуха помещений административного и промышленного назначений с высотой потолков не более 4 м.
Проблемы воздухораспределения в таких помещениях (квартиры, купе, каюты, кабины и т.п.) связаны с необходимостью снижения затухания скорости потока, снижения его дальнобойности, уменьшения генерируемого шума, а также равномерностью распределения скоростных параметров во всем объеме помещения.
Из уровня техники известны разнообразные системы воздухораспределения и приемы, используемые на практике для регулирования и распределения приточной вентиляции. Однако, как показало исследование уровня техники данного направления, большинство из них не пригодно для реализации применительно к помещениям с высотой потолков не более 4 м. Прежде всего, по причине больших габаритов известных воздухораспределителей (BP) и сложности их размещения. Подобные BP, как правило, устанавливают на потолках помещений или на полу, если позволяют размеры помещения. Такие устройства обеспечивают мощные и дальнобойные потоки для воздухообмена во всем пространстве помещения. При использовании таких устройств перед воздухораспределителем образуется зона, для которой характерны высокая скорость и пониженная температура. В такой зоне люди могут испытывать определенный дискомфорт, обусловленный дутьем холодного потока. Для установки BP в помещении с высотой потолка не более 4 м наиболее удобным местом будут стены.
Известно воздухораспределительное устройство по патенту РФ № 2482397, рекомендованное для применения в различных помещениях. Устройство состоит из воздухораспределительной решетки в корпусе с установленными в нем не менее двух групп направляющих лопаток в виде плоских пластин, при этом последние для каждой из групп выполнены с отклонением их плоскостей направляющими в противоположном направлении от оси корпуса и со стороны входа воздуха шарнирно закрепленными на общей штанге с возможностью ее возвратно-поступательного перемещения вдоль оси корпуса и регулирования угла раскрытия плоских пластин в пределах от 30 до 90°. Поток приточного воздуха по воздуховоду системы вентиляции с помощью вентилятора сначала поступает в корпус, двигаясь в котором кромками направляющих лопаток разделяется на ряд потоков, движущихся по каналам, образованным лопатками. При этом направление движения потоков совпадает с направлением плоскостей лопаток, которое задает величина смещения их направляющих. Посредством смещения направляющих лопатки занимают веерообразное положение в корпусе и тем самым формируют веерообразно движущиеся потоки, которые, сходя с направляющих лопаток, образуют веерную струю. Данное изобретение согласно описания устраняет негативные последствия направленности мощной дальнобойной струи, однако, эффективность смешения очень низкая.
На практике для регулирования воздушных потоков очень часто используется прием столкновения встречных потоков для затухания струи воздуха. Так в патенте РФ № 2314461 описано устройство, обеспечивающее затухание струи соударением потоков. Воздухораспределитель (BP) содержит патрубок, установленное под ним центральное тело для разбивания струи, связанное с патрубком. Центральное тело выполнено как конус. Внутренняя полость конусообразного тела сообщена трубопроводом с источником управляющей среды. Причем в центральном теле со стороны, направленной к патрубку, выполнено центральное осевое отверстие. Над отверстием установлен связанный с центральным телом отражатель с образованием зазора между ним и центральным телом. В данном изобретении осуществлено преобразование одного типа течения в другой, приводящее к затуханию воздушного потока. Устройство работает следующим образом. Приточный воздух поступает в патрубок и далее попадает на центральное тело для разбивания потока. Для повышения степени затухания приточной струи производят вдув в нее управляющей среды от источника через трубопровод во внутреннюю полость конуса, содержащего центральное осевое отверстие. При выходе из отверстия поток управляющей среды взаимодействует с отражателем с образованием кольцевой веерной струи. При соударении кольцевой веерной струи управляющей среды с истекающей приточной струей происходят объемная турбулизация струи и гашение скорости воздушного потока. Однако степень затухания струи недостаточна. Кроме того, такая конструкция пригодна только в вертикальном исполнении в качестве потолочного или напольного расположения воздухораспределителя.
В патенте РФ № 2250419 описан воздухораспределитель (BP), содержащий диффузорный корпус с выпускными отверстиями на его выходе, прикрепленный к воздуховоду с помощью цилиндрического входного патрубка. На поверхности последнего расположены эжектирующие окна, при этом цилиндрический входной патрубок снабжен охватывающей его эластичной манжетой, жестко прикрепленной одним своим краем к входному патрубку перед эжектирующими окнами по ходу потока воздуха с возможностью перемещения вдоль последних и их перекрытия. В дне корпуса, имеющем форму сферического сегмента и обращенного выпуклостью внутрь корпуса, выполнено круглое отверстие, выше которого внутри корпуса концентрично дну размещена перегородка, имеющая форму, аналогичную дну, а поверхность большую, чем диаметр отверстия, при этом между краями отверстия и перегородкой по радиусу отверстия установлены пластины, образующие каналы для прохода воздуха, а между пластинами установлены закручиватели воздуха. Такая конструкция воздухораспределителя позволяет осуществлять интенсивное гашение скоростей струй за счет того, что при выходе из каналов, образованных пластинами, закрученные воздушные струи устремляются вдоль образованного перегородкой сферического сегмента с одинаковой скоростью, что обеспечивает их столкновение примерно в центральной части сферического дна, за счет чего происходит интенсивное гашение их скоростей и затухающие воздушные струи поступают в помещение.
Прием «закручивания» поступающего потока используется также и в патенте РФ № 2512073. Снижение дальнобойности приточных струй обеспечивается наличием диффузора на выходе воздуха из устройства. Снижение перепада температур между приточным воздухом и воздухом помещения обеспечивается за счет эжектирования воздуха из помещения в кожух воздухораспределителя, где этот воздух закручивается в том же направлении, что и поступающий от системы кондиционирования воздух, который создает разрежение в верхней внутренней части кожуха, обеспечивая этим эжектирование воздуха из помещения, при этом количество эжектируемого из помещения воздуха регулируется достаточно плавно, благодаря конструктивным особенностям привода заслонки, установленной в воздуховоде, через который в воздухораспределитель поступает (подсасывается) воздух из помещения. Оба потока воздуха смешиваются в кожухе воздухораспределителя. Количество поступающего от системы кондиционирования воздуха и эжектируемого из помещения регулируется заслонками, оснащенными исполнительными механизмами, получающими сигналы от регуляторов температуры и расхода воздуха, к которым подключены датчики температуры и расхода воздуха, установленные на выходе воздуха из воздухораспределителя. Следует отметить, что устройства по этим двум патентам достаточно сложны для исполнения. Кроме того, приточный поток воздуха имеет узкую направленность, не обеспечивает необходимый воздухообмен в помещении.
Регулирование воздушного потока на выходе из устройства можно осуществлять и другими способами. Так, в патенте РФ № 2275558 описано применение механизма для плавного регулирования расхода воздуха и снижения уровня шума путем скручивания воздухонаправляющих перфорированных пластин, расположенных в корпусе воздухораспределителя. В патенте РФ № 2352868 регулирование осуществляется автоматически за счет замены механизма скручивания на конусный рассекатель, установленный на днище корпуса с вершиной, направленной в сторону подводящего патрубка. Эти оба технических решения не могут быть применены для помещений с высотой потолков не более 4 м, так как требуют вертикальной установки.
На практике широкое распространение получил прием регулирования воздушного потока путем его разделения на отдельные потоки при помощи экранов и разделительных элементов на его пути. Так из патента РФ на ПМ № 33804 известен воздухораспределитель, содержащий корпус с впускным и выполненным в основании, по меньшей мере, одним выпускным окном, размещенный в корпусе перекрывающий выпускное окно П-образный экран с оппозитными торцевыми отверстиями. Экран снабжен разделительными элементами, установленными с образованием воздухонаправляющих каналов, сориентированных в направлении от одного упомянутого торцевого отверстия к другому. Разделительными элементами являются пластины, прикрепленные к экрану.
Более сложная конструкция для выравнивания приточного воздушного потока описана в патенте РФ № 2553962 - устройство в виде прямоугольного короба на колесиках, внутри содержащее систему стенок с проходными отверстиями, направляющими потоки воздуха навстречу друг другу с целью их выравнивания и перевода в равномерный ламинарный поток. Система внутри короба может применяться для очистки потока от пыли. Такое монументальное сооружение применяется для объемных производственных помещений, его нецелесообразно использовать для помещений с высотой потолков не более 4 м.
Из воздухораспределителей, устанавливаемых непосредственно на стенах с возможностью их применения для помещений с высотой потолка не более 4 м, следует отметить наиболее простые решения, например в виде распределительной решетки, устанавливаемой прямо на стену в месте ввода воздухоподводящей системы. Так патент РФ на ПМ № 97812 защищает вентиляционную решетку в виде рамки и воздухораспределительной пластины, расположенную в рамке и жестко скрепленную с последней. Воздухораспределительная пластина выполнена из перфорированного листа холоднокатаной стали марки 08пс или нержавеющей стали марки 08Х18Н10, при этом формы, размеры и число отверстий перфорации упомянутой пластины выбраны из условия обеспечения требуемого коэффициента «живого сечения» решетки. Такая конструкция не обеспечивает регулировку потока и его распространение по всему объему.
Из известных устройств, устанавливаемых на стенах помещения, следует отметить устройство по патенту на ПМ № 113562. Суть этого технического решения в том, что в строительной конструкции пробивается канал для приточной вентиляции, в который устанавливается патрубок, соединенный с вентиляционной решеткой в виде корпуса с горизонтальными жалюзи, расположенными в корпусе с возможностью регулирования положения и выполненными в виде плоских пластин. Для воздухообмена помещения осуществляют перераспределение воздушного потока. Для этих целей с наружной стороны вентиляционной решетки закреплен на строительных конструкциях при помощи монтажных отверстий накладной отражающий экран, расположенный под углом 15-45° к поверхности строительных конструкций, боковые стенки которого выполнены воздухонепроницаемыми, а в верхней части его выполнено выходное отверстие, происходит обдув потолка. Такое устройство не пригодно для эффективного воздухообмена в помещении, так как осуществляется обдув только потолка.
Из патента РФ на ПМ № 56569 известно устройство для подачи приточного воздуха, содержащее корпус с основанием, снабженный впускным и выпускными окнами, перекрытыми экранами с оппозитными отверстиями, отличающийся тем, что основание выполнено в виде снабженного дном конфузора, а перекрытые экранами выпускные окна выполнены в стенке конфузора, расположены напротив друг друга, по меньшей мере, с двух противоположных сторон упомянутой стенки. Данные воздухораспределители (BP) отличаются простотой конструкции, однако для них характерно некоторое снижение равномерности истечения воздушного потока ввиду отсутствия средства, повышающего равномерность распределения потока внутри устройства.
Известны различные типы BP компании «Арктос». Среди них выполненные специально для применения в помещениях с высотой потолка не более 4 м. Информация о воздухораспределителях «Генераторах комфорта» для динамического микроклимата размещена на сайтах: (www.arktos.ru/katalog/katalog_arktos.pdf, стр. 38-41, http://arktoscomfort.ru/?page_id=6509, http://www.arktika.ru/html/1vgk.htm.).
Воздухораспределитель такого типа предназначены для подачи воздуха системами вентиляции и кондиционирования в помещения различного назначения (офисы, магазины, купе поезда, каюты кораблей и т.п.).
Особенностью данных изделий является возникновение при прохождении воздуха через воздухораспределитель автоколебаний с частотой 5÷15 Гц и формирование быстрозатухающего пульсирующего турбулентного потока воздуха с увеличенным углом раскрытия воздушной струи. Небольшие автоколебательные изменения скорости и направления воздуха создают ощущение комфорта - так называемый динамический микроклимат.
Воздухораспределитель «Генератор комфорта» снабжен однорядной жалюзийной решеткой с индивидуально регулируемыми жалюзи и предназначен для настенного монтажа.
Конструктивное выполнение устройства не описано. Из коммерческих соображений проведена только схема с параметрами устройства. Из схемы можно сделать общее представление, что воздухораспределитель «Генератор комфорта» состоит из прямоугольного корпуса в виде короба с фиксированными и взаимосвязанными размерами А/В/С стенок короба, образующих внутреннюю камеру статического давления. Сообщается, что внутри корпуса установлены рассекатель и отражающий экран без раскрытия всех конструктивных особенностей. Данный аналог принят нами за прототип.
Несмотря на целый ряд преимуществ воздухораспределитель «Генератор комфорта» на практике были отмечены и некоторые негативные моменты, снижающие эффективность работы. Было установлено, что рассекатель, установленный внутри камеры, не обеспечивал в полной мере достаточную равномерность при распределении потоков, подающихся на экран, что затрудняло полный переход из турбулентного движения в ламинарное, что, в свою очередь, приводило к излишней шумности в работе устройства.
Целью заявляемой полезной модели является разработка конструкции устройства, обеспечивающего стабильность пульсации потоков и снижение шума в процессе работы.
Задача была решена путем экспериментального подбора соотношения параметров камеры с формой и размерами центрального отражающего экрана. Было установлено, что при фиксированных размерах стенок А/В/С: А=200÷400 мм, В=100÷200 мм, С=150÷300 мм и соотношении ширины и длины В/Д центрального отражающего экрана в пределах 0,5÷0,7, изготовленного в виде пустотелого клина, а также установкой двух боковых пластин у основания клина, перекрывающих на 50÷60% прямоточное движение потоков с направлением их во внутреннюю полость клина, колебательный поток на выходе приобретает стабильную равномерную пульсацию, при этом существенно снижается генерируемый шум устройства. Достигаемым техническим результатом таких конструктивных преобразований является снижение шумности и обеспечение стабильности при работе аппарата, что связано с изменением характера движения потока внутри камеры. Прямоточное движение воздуха от центрального отражающего экрана перекрывается двумя боковыми дополнительными пластинами, направляющими потоки через оппозитные окна внутрь полости клина, приводящее к взаимостолкновению встречных потоков. Вследствие этого происходит стабилизация в распределении ламинарных потоков, а их столкновение во внутренней полости клина приводит к появлению стабильных самопроизвольных автоколебательных свойств потока на выходе из BP. Благодаря подобранному оптимальному соотношению параметров камеры и параметров отражающего экрана (клина), устройство работает с пониженным генерируемым шумом и в автоматическом режиме без механического побуждения.
Сущность заявляемой конструкции поясняется чертежами. На фигуре 1 приведена общая схема устройства. На фигуре 2 - рисунок из трех графических фрагментов течения результирующего потока
Воздухораспределитель (фиг. 1) устроен следующим образом. Он выполнен в виде прямоточного прямоугольного короба (1) с впускным (2) и выпускным (3) окнами. Габариты короба задаются фиксированными размерами А/В/С его стенок: А=200-400 мм, В=100-200 мм, С=150-300 мм. По центру камеры, перекрывая прямоточное движение воздушного потока, установлен центральный отражающий экран в виде пустотелого клина (4), образованного двумя пластинами, скрепленными друг с другом под заданным углом и направленными на встречу потока. Соотношение ширины и длины В/Д центрального экрана находится в пределах 0,5-0,7, при этом размеры В экрана и короба одинаковы. С боковых сторон в клине образованы два оппозитных треугольных окна (5), позволяющих воздушным потокам проникать во внутреннюю полость (6) клина с боковых сторон, при этом площадь сечения двух боковых оппозитных окон соотносится с площадью выпускного окна камеры в пределах 30-40%. Направление воздушным потокам на выход через оппозитные окна задают дополнительные отражающие пластины (7), установленные у основания центрального экрана по его бокам на выпускном окне, прикрепленные к стенкам короба и перекрывающие на 50-60% прямоточное движение потока в жалюзийную решетку. Рассекатель (8) устанавливается на входе в камеру, перекрывая впускное окно, и его положение строго фиксировано по отношению к отражающему экрану. Он выполнен в виде перфорированной пластины с отверстиями, обеспечивающими не менее 60% свободного прохода воздуха. Выпускное окно содержит элементы крепления (зацепы), обеспечивающие подсоединение к коробу вентиляционной решетки. Материалом для изготовления короба BP и элементов отражающего экрана служит листовая сталь толщиной не более 0,7 мм. Все составляющие BP элементы жестко закреплены друг с другом с образованием монолитной конструкции.
Воздухораспределитель работает следующим образом. Короб BP подсоединяется к подающему воздуховоду. Воздушный поток под напором поступает на впускное окно (2) и проходит через рассекатель (8) в камеру статического давления BP. Рассекатель выполняет функции воздухораздающего элемента, преобразует турбулентный поток в ламинарный, гася его интенсивность и генерируемый шум. Центральный экран в виде пустотелого клина (4) разделяет поток, формируя два боковых потока, которые под давлением поступают через оппозитные окна (5) во внутреннюю полость экрана (6), где соударяются как два встречных потока. Боковые дополнительные пластины (7) перекрывают прямоточное движение раздвоенных потоков и способствуют направлению их в полость клина. В результате столкновения двух потоков происходит гашение их скорости, а результирующий выходящий поток приобретает колебательные свойства (направление и скорость потока изменяются с частотой 5÷15 Гц), обеспечивающие его комфортное восприятие. На рисунке фиг. 2 приведены графические фрагменты течения, соответствующие трем характерным положениям результирующего потока, рассчитанные на основе решения уравнения Навье-Стокса с использованием программы «COOLIT». Видно, как падает скорость и меняется направление струи по мере удаления от BP. Эти основные отличительные характеристики обеспечивают
большую интенсивность затухания скоростных параметров (скоростной коэффициент m=2,5 вместо m=6,8, характерного для прямоточной струи);
значительный уровень турбулентности ~50% вместо 20-30%;
повышенное заглушение шума, поступающего в вентиляционные каналы на 7-9 дБ в октавных полосах частот 125-250 Гц, что не достигается при использовании других воздухораспределителей.
Проходя через жалюзи вентиляционной решетки, поток приобретает направление, заданное жалюзи. Направленность может регулироваться изменением положения жалюзи.
Устройство работает в автоматическом режиме, так как конструктивные особенности центрального отражающего экрана в сочетании с двумя боковыми дополнительными экранами на выходе, перекрывающими прямоточный проход воздушного потока, обеспечивают разделение и последующее соударение потоков, приводящее к образованию устойчивых самопроизвольных автоколебаний, способствующих положительному восприятию окружающей воздушной среды обитания человека. Существенным показателем заявляемого воздухораспределителя является дополнительное снижение шума, распространяющегося по вентиляционной сети на 7-9 дБ в октавных полосах частот 125-250 Гц.