СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАЛЬНОБОЙНОСТИ СТРУИ Российский патент 1994 года по МПК F24F13/08 

Изобретение относится к воздушному отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха и предназначено для создания микроклимата в помещениях путем регулирования скорости движения воздуха в помещениях.

Основными показателями микроклимата помещений являются температура, влажность воздуха и скорость движения воздушных потоков в помещениях Общие санитарно-технические требования к воздуху рабочей зоны. (ГОСТ 12.1.005-88. М.: Изд-во стандартов, 1988). Причем скорость движения воздуха (подвижность) в помещении должна регулироваться в зависимости от расхода и характера выделяющихся вредных веществ и периода года (зима, лето).

Для того чтобы концентрация вредных веществ в помещении не превышала допустимых пределов, устанавливают системы вентиляции и кондиционирования воздуха, которые удаляют загрязненный воздух и подают чистый наружный воздух в помещение. Системы, которые подают в помещение чистый воздух, называют приточными. Приточные системы устраивают в основном с механическим побуждением. В этом случае наружный воздух поступает в приточную установку, где в холодный период нагревается в калориферах и вентилятором нагнетается по воздуховодам в помещение. Распределение приточного воздуха в помещение осуществляется воздухораспределителями, которые воздуховодами соединяются с приточными вентиляторами. Воздух из воздухораспределителей поступает в помещения струями.

Подвижность воздуха в помещении определяется в основном скоростью воздуха на выходе из воздухораспределителей. Для регулирования подвижности воздуха в помещении необходимо регулировать скорость воздуха на выходе из воздухораспределителя.

Известен количественный способ регулирования скорости движения воздуха на выходе из воздухораспределителя (Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 1977, с. 320) с помощью клапана, установленного перед воздухораспределителем, направляющим аппаратом, который размещен во всасывающем отверстии вентилятора, и частотой вращения вентилятора. При этом при уменьшении расхода воздуха уменьшается и скорость воздуха на выходе из воздухораспределителя (при постоянном живом сечении воздухораспределителя) и, следовательно, уменьшается скорость движения воздуха в помещении. Такой способ регулирования приточной струи, во-первых, неэкономичен, во-вторых, энергия приточной струи не используется для уменьшения скорости движения воздуха в помещении, в-третьих, при уменьшении скорости воздуха на выходе из воздухораспределителя уменьшается и расход приточного воздуха, подаваемого в помещение, что недопустимо по санитарно-гигиеническим показателям, так как это приводит к повышению концентрации вредных веществ в рабочей зоне помещения. По указанным причинам диапазон указанного способа регулирования недостаточный, поскольку уменьшается расход приточного воздуха.

Известно большое количество воздухораспределителей, которые служат для подачи приточного воздуха в помещение (Кузьмин М.С. и Овчинников П.А. Вытяжные и воздухораспределительные устройства. М. : Стройиздат, 1987, с. 52-60). В таких воздухораспределителях (воздухораспределитель ВСП, ВГК, ВР и др. ) осуществляется регулирование направления приточных струй за счет изменения угла наклона приточных струй к горизонту. При этом скорость движения воздуха в приточных струях не изменяется.

Известен вентиляционный приточный насадок, в котором приточный воздух, поступающий в насадок, разделяется на два соосных потока: внутренний без закручивания поток и кольцевой внешний закрученный поток [1]. На выходе из корпуса внешний и внутренний потоки воздуха образуют приточную струю, которая поступает в помещение. Этот насадок позволяет с помощью устройства для регулирования изменять соотношение между внешним закрученным и внутренним незакрученным потоками, что приводит к изменению скорости движения воздуха в приточной струе.

В данном насадке используется способ регулирования дальнобойности приточной струи путем закручивания с постоянным шагом и углом крутки внешнего потока и незакрученного внутреннего потока при изменении расхода воздуха (соотношения) во внешнем и внутреннем потоках.

Недостатки способа регулирования, используемого в известном приточном насадке, следующие.

Во-первых, изменяется расход воздуха во внутреннем и внешнем потоках. Действительно, при полностью закрытом устройстве для регулирования проходного сечения (втулки) внутреннего потока весь расход приточного воздуха проходит через поперечное сечение насадка, предназначенного для прохода внешнего потока, а так как поперечное сечение остается постоянным, то скорость движения внешнего потока увеличивается. Это приводит к тому, что коэффициент местного сопротивления и, следовательно, аэродинамическое сопротивление изменяются. Следовательно, после каждого изменения положения устройства необходимо проводить наладку и регулирование приточной системы или части ее.

Во-вторых, небольшой диапазон регулирования дальнобойности струи. Это объясняется тем, что по теории турбулентных струй внутренний поток воздуха (незакрученный) в помещении расширяется с постоянным углом (примерно 25^о), а внешний поток (закрученный) в помещении расширяется с большим углом расширения, так как частицы воздуха закрученной струи под действием центробежных сил инерции отбрасываются от продольной оси, т.е. два потока воздуха - внутренний и внешний - в помещении практически не взаимодействуют друг с другом, не происходит турбулентного поперечного переноса масс воздушных потоков (внутреннего и внешнего) и, следовательно, не происходит быстрого уменьшения скорости струи приточного воздуха, т.е. в этом случае диапазон регулирования дальнобойности недостаточный. При полностью закрытом проходном сечении втулки весь расход приточного воздуха выходит в помещение только в виде одной закрученной струи, т.е. полностью отсутствует взаимодействие двух потоков и, следовательно, невозможно проводить регулирование дальнобойности приточной струи.

При промежуточном положении устройства для регулирования расхода воздуха, т.е. когда часть приточного воздуха проходит в виде закрученного внешнего потока, а другая часть - в виде незакрученного внутреннего потоков, происходит следующее. Незакрученный поток воздуха распространяется в помещении как прямой относительно узкий поток с расширяющимися границами, ширина струи растет пропорционально увеличению расстояния от места истечения, а скорость в потоке по мере удаления от отверстия постепенно уменьшается. Закрученный внешний поток распространяется в помещении со значительно большим углом расширения, поскольку под действием центробежных сил инерции частицы воздуха закрученной струи отбрасываются от продольной оси, т.е. два потока воздуха - внутренний и внешний - в помещении практически не взаимодействуют, не происходит турбулентного поперечного переноса масс обоих потоков и, следовательно, не происходит быстрого уменьшения скорости струи приточного воздуха (дальнобойности струи), так как не используется кинетическая энергия потоков приточного воздуха, которые движутся под углом друг к другу. В этом случае диапазон регулирования дальнобойности струи недостаточный.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к изобретению является способ регулирования дальнобойности приточной струи, реализованный устройством для подачи приточного воздуха [2] , включающий создание соосно расположенных кольцевого внешнего и внутреннего потоков. При этом потоки закручены и поступательно перемещаются в помещении один относительно другого.

Однако диапазон регулирования дальнобойности струи ограничен, так как при своем движении в помещении внешний и внутренний потоки приточной струи расширяются, происходит интенсивный перенос масс, при этом кинетическая энергия потоков теряется, скорость затухает и происходит выравнивание температуры приточного воздуха. Поступательным перемещением одного потока относительно другого изменяется дальнобойность струи, но только благодаря совпадению или несовпадению выступов и впадин этих потоков, в которых повышено или понижено давление.

В предложенном способе регулирования дальнобойности струи значительно увеличен диапазон регулирования. Он применим в холодный период года, когда требуется меньшая подвижность воздуха в помещении и, следовательно, более быстрое затухание струй приточного воздуха, т.е. воздуха, выходящего из воздухораспределителей. Это достигается тем, что в способе регулирования дальнобойности струи, включающем разделение струи на соосные закрученные внутренний и кольцевой внешний потоки, закручивание потоков осуществляют с изменяемым направлением крутки, при этом изменяют шаг и интенсивность закрутки одного или двух потоков.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ регулирования дальнобойности струи в случае использования внутреннего закрученного потока и внешнего незакрученного потока; на фиг. 2 - то же, в случае использования двух закрученных струй, т.е. внутреннего и внешнего закрученных потоков, причем потоки могут быть закручены в одну или в разные стороны с одинаковым или разным шагом S крутки, при этом интенсивность крутки может быть разная.

Устройство, реализующее способ регулирования дальнобойности струи, содержит воздуховод 1 круглого сечения для подачи внешнего воздушного потока, кольцевое отверстие 2 служит для выпуска воздуха в помещение. В воздуховоде 1 соосно ему расположен другой воздуховод 3 круглого сечения, который служит для подачи в помещение внутреннего потока воздуха, круглое отверстие 4 служит для выпуска внутреннего потока в помещение; граница 5 струи внутреннего потока; граница 6 струи внешнего потока; S - шаг крутки внутреннего потока (шаг крутки - расстояние между "выступами" закрученной струи; "выступ" - зона повышенного давления); t - шаг крутки внешнего потока.

Регулирование дальнобойности струи может быть осуществлено следующим образом.

Внутренний поток, выходящий из воздуховода 3, закручен, а внешний поток, выходящий из воздуховода 1, не закручен. Незакрученный поток подается, например, вентилятором (не показан) через отверстие 2 и распространяется в помещение с постоянным углом расширения (граница 6 струи). Струя распространяется в помещении в направлении истечения как прямой поток с расширяющимися границами; ширина струи растет пропорционально увеличению расстояния от места истечения (отверстие 2), а скорость в струе по мере удаления от отверстия 2 постепенно уменьшается, т.е. дальнобойность уменьшается. Уменьшение скорости в струе происходит за счет того, что струя по мере своего движения захватывает новые и новые количества воздуха. Масса струи растет, ширина ее увеличивается, а скорость струи уменьшается. В это же самое время по воздуховоду 3 вентилятором подается закрученный поток, который выходит из отверстия 4. Учитывая, что из отверстия 4 выходит закрученный поток, то под действием центробежных сил частицы воздуха отбрасываются к границе струи и поток расширяется с большим углом, чем поток, выходящий из отверстия 2. В результате этого происходит турбулентный перенос масс приточного воздуха и, следовательно, два потока смешиваются, скорость движения воздуха в струе уменьшается и, следовательно, дальнобойность струи уменьшается.

Когда необходимо уменьшить дальнобойность приточной струи в помещении, необходимо уменьшить шаг и увеличить интенсивность крутки воздуха в струе, выходящей из отверстия 4. При уменьшении шага крутки в струе, выходящей из отверстия 4, увеличиваются центробежные силы, под действием которых частицы воздуха отбрасываются на большее расстояние от продольной оси воздуховода 3, и, следовательно, увеличивается турбулентный поперечный перенос масс воздуха, в результате которого масса воздуха в приточной струе возрастает, а скорость ее движения уменьшается, т.е. дальнобойность струи уменьшается.

При увеличении интенсивности крутки воздуха в струе происходит интенсивное его закручивание, а при этом закрученный воздушный поток медленнее распрямляется, т. е. дольше сохраняет все свойства закрученного потока и, следовательно, происходит интенсивный турбулентный поперечный перенос масс воздуха и быстрое уменьшение дальнобойности приточной струи.

Когда необходимо увеличить дальнобойность струи, можно увеличить шаг крутки и уменьшить интенсивность крутки воздушного потока.

При увеличении шага крутки уменьшаются центробежные силы, под действием которых частицы воздуха отбрасываются к границе струи, при этом угол расширения струи уменьшается, уменьшается турбулентный поперечный перенос масс воздуха и, следовательно, масса приточной струи растет медленно, а скорость в струе увеличивается.

При уменьшении интенсивности крутки воздушного потока не происходит интенсивного его закручивания, при этом закрученный воздушный поток быстро распрямляется и, следовательно, не происходит интенсивного турбулентного поперечного переноса масс воздуха, а дальнобойность струи увеличивается.

Выходящий из отверстия 2 закрученный поток (фиг. 2) в помещении развивается по спирали, а у спирали имеются "выступы" (зоны, где наблюдается повышенное давление) и "впадины" (зоны, где наблюдается пониженное давление). По мере удаления от отверстия 2 интенсивность крутки воздуха уменьшается, т. е. струя постепенно распрямляется. Закрученная струя, выходящая из отверстия 4, развивается в помещении аналогичным образом. В помещении образуются две закрученные в одну сторону струи, причем одна струя расположена в другой. При своем движении в помещении приточные струи расширяются, происходит интенсивный перенос масс, а кинетическая энергия струй теряется, скорость затухает.

Изменяя шаг крутки, например, потока, выходящего из отверстия 4, устанавливают такое положение, что "выступы" одной струи приходятся на "впадины" другой. В этом случае турбулентный перенос масс струй - максимален, а дальнобойность струи - минимальна. И наоборот, если "выступы" одной струи приходятся на "выступы" другой струи, турбулентный поперечный перенос масс струй - минимален, а дальнобойность - максимальна.

Для увеличения диапазона регулирования дальнобойности струи потоки воздуха, выходящие из отверстий 2 и 4 (см. фиг. 2), следует закрутить в противоположные стороны. Например, поток, выходящий из отверстия 4, закручивают по часовой стрелке, а поток, выходящий из отверстия 2, - против часовой стрелки. В этом случае в помещении распространяются два закрученных в разные стороны потока, причем один поток закручен по часовой стрелке, а другой - против. При этом потоки имеют разный шаг крутки и неодинаковую интенсивность крутки. В результате практически лобового соударения двух закрученных потоков происходит торможение потоков за счет проникновения одного потока в другой, при этом оба потока смешиваются, происходит интенсивный турбулентный поперечный перенос масс воздуха и в результате этого происходит уменьшение дальнобойности струи. При этом "впадины" (зоны пониженного давления) одного потока могут совпадать с "впадинами" другого потока, а могут и не совпадать. Во втором случае, когда "впадины" одного потока совпадают с "выступами" (зоны повышенного давления) другого потока, турбулентный поперечный перенос масс двух потоков значительно увеличивается не только за счет центробежных сил закрученных потоков, но и за счет перемещения масс воздуха из зоны повышенного давления одного потока в зону пониженного давления другого потока. При этом дальнобойность струи уменьшается, а диапазон регулирования дальнобойности струи увеличивается. При этом следует иметь в виду, что при изменении направления крутки потоков, диапазон регулирования широкий, так как изменение направления крутки (например, поток закручен по часовой стрелке, а необходимо его закрутить против часовой) происходит плавно.

При таком способе регулирования дальнобойности возможны следующие основные варианты:
1. Внутренний и внешний потоки закручены в одну сторону с одинаковым шагом крутки, т.е. S = t (не показано);
2. Внутренний и внешний потоки закручены в одну сторону, но с разными шагами крутки, т.е. S ≠ t (не показано);
3. Внутренний поток закручен в одну сторону, а внешний - в противоположную, причем шаг крутки внутреннего потока S равен шагу крутки внешнего потока t, т.е. S = t (не показано).

4. Внутренний поток закручен в одну сторону с шагом крутки S, а внешний поток закручен в противоположную сторону с шагом крутки t (фиг. 2), причем шаг крутки S не равен шагу крутки t.

Учитывая изложенное, видно, что предложенный способ регулирования имеет широкий диапазон регулирования, что позволяет создавать в помещениях заданную подвижность воздуха во все периоды года при постоянном расходе подаваемого в помещение воздуха и при постоянном аэродинамическом сопротивлении воздухораспределителя.

П р и м е р. Для реализации предложенного способа регулирования дальнобойности струи смонтирована специальная лабораторная установка, которая состоит из воздуховода 3 (см. фиг. 2), который расположен соосно в воздуховоде 1. С левой стороны воздуховодов 1 и 3 установлены закручиватели потока воздуха. Причем на воздуховоде 3 смонтирован закручиватель потока воздуха, который обеспечивает закручивание потока только по часовой стрелке. На воздуховоде 1 смонтирован закручиватель потока воздуха, который позволяет изменять шаг и направление крутки воздушного потока, а именно закручивать поток по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Подача воздуха в воздуховоды 1 и 3 осуществляется при помощи воздуховсасывающего агрегата типа АВП-4.

Общий расход воздуха составляет 0,0092 м³/с (33 м³/ч). Для получения достоверных результатов при измерении закрученных потоков при малых расходах воздуха в струе и для увеличения точности полученных результатов при проведении экспериментальной проверки предложенного способа регулирования скорость движения воздуха измерялась на расстоянии 150 мм от отверстий 2 и 4 (см. фиг. 2) крыльчатым анемометром.

Проведено несколько серий опытов и получены следующие результаты.

1. Из воздуховодов 1 и 3 подаются закрученные по часовой стрелке потоки воздуха, причем шаг крутки потоков одинаков. Скорость воздуха в струе составила 2,3 м/с.

2. Из воздуховодов 1 и 3 подаются закрученные по часовой стрелке потоки воздуха, причем шаг крутки потоков разный. Скорость воздуха в струе составила 0,52 м/с.

3. Из воздуховодов 1 и 3 подаются закрученные в разные стороны потоки воздуха, причем шаг крутки потоков одинаковый. Скорость движения воздуха составила 0,92 м/с.

4. Из воздуховодов 1 и 3 подаются закрученные в разные стороны потоки воздуха, причем шаг крутки потоков разный, но "выступ" одного потока приходится на "выступ" другого. Скорость движения воздуха в струе составляет 3,4 м/с.

Результаты проведенных опытов показывают, что предложенный способ имеет большой диапазон регулирования скорости приточной струи.

Сущность изобретения: струю разделяют на соосные закрученные внутренний и кольцеобразный внешний потоки, имеющие шаг и интенсивность крутки. Потоки закручивают в направлении, изменяемом в зависимости от требуемой дальнобойности струи. Изменяют шаг и интенсивность крутки одного или обоих потоков. 2 ил.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАЛЬНОБОЙНОСТИ СТРУИ, включающий разделение струи на соосные закрученные внутренний и кольцеобразный внешний потоки, имеющие шаг и интенсивность крутки, отличающийся тем, что оба потока закручивают в направлении, изменяемом в зависимости от требуемой дальнобойности струи, при этом изменяют шаг и интенсивность крутки одного или обоих потоков.