Влияние внешних условий и внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Мирошниченко, Людмила Олеговна

• Мирошниченко, Людмила Олеговна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мирошниченко, Людмила Олеговна

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Обзор литературы.

Глава 2 Численное моделирование режимов работы струйного заграждения. Сравнение данных численного моделирования с экспериментальными данными.

2.1. Описание математической модели здания с проемом ворот.

2.2. Сравнение данных численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными.

Глава 3 Исследование режимов работы струйного заграждения при различных внешних условиях.

3.1. Режим втекания наружного воздуха в открытый проем в отсутствие струйного заграждения.

3.2. Применение односторонней вертикальной воздушной завесы.

3.3. Применение двусторонней вертикальной воздушной завесы.

Глава 4 Анализ результатов численного моделирования.

4.1. Анализ шиберующих свойств струйного заграждения.Я

4.2. Энергетические характеристики струйного заграждения.

4.2. Применение полученных данных при подборе оборудования для струйных заграждений.

Глава 5 Исследование внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения.

5.1. Режим втекания наружного воздуха в открытый проем в отсутствие струйного заграждения.

5.2. Применение односторонней вертикальной воздушной завесы.

5.3. Исследование влияния установки экрана на шиберующие характеристики струйного заграждения.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние внешних условий и внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения»

В холодное время года под действием перепада давлений снаружи и изнутри здания через открытые проемы (ворота и двери) врываются большие массы холодного воздуха и, как более тяжелые, затапливают пол и нижнюю зону помещения, вытесняя теплый воздух. Перепад давления, провоцирующий движение воздушных масс, может быть вызван одной из перечисленных ниже причин, или же их различным сочетанием: а) гравитационным напором; б) напором, вызванным ветровой нагрузкой. в) разбалансировкой притока и вытяжки.

Как показывает практика, потери тепла при этом могут исчисляться многими сотнями кВт. Покрывать эти потери посредством отопления неэкономично, а без отставания по времени практически невозможно. Чтобы уменьшить или вовсе преградить проникновение холодного воздуха в помещение, применяют струйные заграждения - воздушно-тепловые завесы (ВЗ).

Воздушные завесы нашли широкое применение, как устройства, препятствующие проходу воздуха через открытые проемы, которые по технологическому процессу нельзя держать закрытыми. Благодаря этим струйным заграждениям через открываемые зимой ворота предотвращается прорыв холодного воздуха в помещения.

Воздушные завесы применяют в проемах между двумя помещениями, когда одно из них отапливается, а другое - нет, в проемах наружных ограждений, через которые проходит производственное оборудование (напр., транспортеры). Этими устройствами пользуются также для предотвращения перемещения воздуха из помещения с наличием вредных паров, газов или пыли (даже с концентрацией в размерах, предельно допустимых по нормам) в другое помещение, где выделения этих вредностей нет. Впервые воздушные завесы были применены именно для решения такой задачи - в угольных шахтах для предотвращения распространения пыли [48].

ВЗ находят применение и в машиностроении [42], обеспечивая в некоторых камерах цикла поддержание высокой температуры и при этом при этом предотвращая прорыв горячего воздуха, большей частью загрязненного вредными газами, из камер в рабочее помещение.

Воздушные завесы осуществляются в виде сравнительно узкой (по толщине) струи выпускаемой из прямоугольного отверстия (щели) как правило, во всю ширину или высоту проема [6]. Завесы, уменьшающие проникновение наружного воздуха, называются завесами шиберующего типа. Шиберующие завесы в ряде случаев выполняются без подогрева воздуха. Существуют также завесы смесительного типа, которые не препятствуют проникновению холодного воздуха, а только разбавляют его до необходимой температуры.

Актуальность работы.

В последнее время в связи с ростом объема строительства новых и реконструкции старых промышленных и административных зданий все большее внимание уделяется вопросам энергосберегающих технологий. В связи с этим, струйные заграждения, как энергосберегающее оборудование, находят все более широкое применение, так как дают возможность поддерживать в зимний период в защищаемых помещениях требуемые санитарными нормами комфортные условия и при этом значительно сокращают расход тепла на отопление помещений. В настоящее время для защиты проемов распространены односторонние (с одной стороны ворот) и двусторонние (по обе стороны ворот) вертикальные воздушные (без дополнительного подогрева воздуха) и воздушно-тепловые (с дополнительным подогревом воздуха) завесы.

Вопрос о подборе энергоэффективного оборудования в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, в том числе воздушных завес, привлекает внимание многих специалистов в области ОВК. Необходимо отметить, что ВЗ являются энергоемким оборудованием и требуют тщательно подхода при подборе, поскольку если технические и конструктивные характеристики ВЗ определены неверно, установка может не только быть балластом в энергосистеме здания (не выполнять своих функций по защите помещения от прорыва наружного воздуха), но и провоцировать втекание холодного наружного воздуха в помещение, увеличивая связанные с этим теплопотери. В связи с этим, исследование локальных и интегральных характеристик, а также особенностей работы ВЗ в зависимости от различных условий представляет актуальную задачу для повышения энергосберегающего эффекта от применения этого вида оборудования.

Целью настоящей работы является выявление влияния внешних и внутренних факторов защищаемого объекта на работу струйного заграждения, исследование работы струйного заграждения в режимах, отличных от расчетных, выявление возможностей повышения эффективности работы ВЗ. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1. Провести 3-х-мерные расчеты на модели здания и получить данные по распределению скорости и давления как в расчетной области в целом, так и в сечении открытого проема ворот в частности при отсутствии воздушной завесы, с применением односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес для различных внешних условий (ветровой нагрузки), а также для различного расположения проема ворот относительно строительных перекрытий (различных внутренних факторов).

2. Получить обобщающие характеристики шиберующих (преграждающих) свойств для односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при различных режимах работы.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель ВЗ, получены поля скорости и давления в зоне открытого проема при различных режимах работы струйного заграждения, в зависимости от различных внешних условий (ветровой нагрузки) и внутренних факторов (размещения проема ворот и др.) защищаемого объекта.

2. Получены обобщающие зависимости, включающие в себя основные характеристики струйного заграждения (скорость истечения, ширина щели, угол подачи струи), которые позволяют определить шиберующие (преграждающие) свойства односторонних и двусторонних вертикальных завес, а также оценить их работу при изменении внешних условий.

3. Получены данные для работы односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при подаче струи завесы под углом 0° и 15° к плоскости ворот (как наиболее простых в изготовлении). Показано, что при устройстве двусторонней воздушной завесы для исключения потерь, связанных с выбросом теплого воздуха при нерасчетных режимах целесообразно использовать выход потока воздуха под углом 0° и 15°.

4. Получено, что близость острых кромок строительных перекрытий, а также расположение вытяжных проемов на одной оси с открытыми воротами приводит к увеличению расхода наружного воздуха на 5-30 %, в зависимости от действующего перепада давления в зоне ворот.

5. Определена возможность повышения преграждающей способности ВЗ путем устройства экрана, без установки дополнительных энергопотребляющих механизмов и усложнения конструкции самой воздушной завесы. Получено, что устройство экрана с противоположной стороны воздухораздающей щели приводит к повышению преграждающей способности односторонней вертикальной воздушной завесы на 15-45%, в зависимости от интенсивности ветровой нагрузки.

Достоверность. Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на проведенных численных исследованиях, а также на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов [1,25].

Практическая ценность работы. Полученные зависимости I =f(k) позволяют с определенной степенью точности оценить шиберующие характеристики струйного заграждения, что может быть использовано при проектировании систем вентиляции и отопления различных объектов. Кроме того, зависимости L =f(k) позволяют оценить поведение завесы при изменении внешних условий, что может быть использовано при наладке работы струйных заграждений. Также представляют интерес полученные результаты о работе воздушных завес при различных углах подачи воздуха и различном размещении ВЗ относительно строительных перекрытий, которые могут быть использованы как дополнительные рекомендации при проектировании, а также при монтаже и эксплуатации ВЗ.

Апробация Материалы отдельных разделов диссертации докладывались и обсуждались на 1-ой научной школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 29сен. - 5 окт. 2003г), на VIII конференции «Эффективные системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и теплоснабжения» (Санкт-Петербург, 21 апреля 2006г.) и на 5-ой международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, осень 2006г.).

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения результаты представлены в 7 публикациях.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Мирошниченко, Людмила Олеговна

выводы

1. Анализ имеющихся в литературе данных показал, что, несмотря на разнообразии подходов к определению основных аэродинамических характеристик, основным недостатком всех методов является невозможность определения поведения струй вне пределов ворот, а также режим работы струйного заграждения в условиях, отличных от расчетных. В связи с этим с помощью вычислительной программы PHOENICS версии 3.5 была построена модель существующего здания с проемом ворот. В работе были проведены 3 х мерные расчеты течения воздуха в открытых проемах ворот, охватывающие все здание.

2. В результате исследований получены профили скорости и давления в зоне открытого проема при различных режимах работы струйного заграждения, в зависимости от различных внешних условий и внутренних факторов защищаемого объекта. На основании полученных данных проведена оценка дополнительной нагрузки на систему отопления в отсутствие струйного заграждения, а также с использованием односторонней и двусторонней воздушных завес. Анализ показал, что устройство воздушных завес у ворот приводит к уменьшению тепловых потерь зданием на 18 75 % для односторонней завесы, и на 30 95 % для двусторонней воздушной завесы (в зависимости от действующего перепада давлений в зоне открытого проема и угла выхода струи)

3. Получены данные для работы односторонней и двусторонней вертикальных воздушных завес при подаче струи завесы под углом 0° и 15° к плоскости ворот. Показано, что при устройстве двусторонней воздушной завесы целесообразно использовать выход потока воздуха под углом 0° и 15°.

4. Получены обобщающие зависимости, позволяющие определить шиберующие свойства односторонних и двусторонних вертикальных струйных заграждений, что позволяет проводить прямой и поверочный расчеты воздушных вертикальных завес, а также оценить их работу при изменении внешних условий,

5. Показано, что наличие острых кромок вблизи открытого проема ворот, а также наличие открытых проемов расположенных на одной оси с воротами, но в аэродинамической тени, приводит к ухудшению шиберующих свойств струйного заграждения и увеличению расхода наружного воздуха на 5-30%.

6. Выявлены возможности повышения преграждающей способности ВЗ без установки дополнительных энергопотребляющих механизмов и усложнения конструкции самой воздушной завесы. Так, в результате исследований было получено, что устройство экрана с противоположной стороны воздухораздающей щели приводит к повышению преграждающей способности односторонней вертикальной воздушной завесы на 15-45%, в зависимости от интенсивности ветровой нагрузки.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Мирошниченко JI.O., Сергиевский Э.Д. Анализ существующих методов расчета тепловых завес // Первая научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Алушта, 2003.- С. 30-33.

2. Мирошниченко JI.O., Сергиевский Э.Д., Исследование теплообмена в воздушных тепловых завесах // Девятая Международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.М: МЭИ, 2003. Т.2-С. 293.

3. Мирошниченко JI.O., Сергиевский Э.Д., Расчеты характеристик тепловых завес промышленных объектов // Десятая Международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.М: МЭИ, 2004. Т.2-С. 349-350.

4. Мирошниченко Л.О., Сергиевский Э.Д., Исследование и анализ особенностей работы струйных заграждений автономных объектов // Одиннадцатая Международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.М: МЭИ, 2005. Т.2-С. 387-388.

5. Мирошниченко Л.О., Сергиевский Э.Д. Исследование локальных и интегральных характеристик воздушных завес // Вестник МЭИ.- 2006.- №5.- С. 131-134.

6. Мирошниченко Л.О. Математическое моделирование работы воздушно-тепловых завес // Пятая международная научно-практическая конференция «Вентиляция, отопление, тепло-, газо-, водоснабжение жилых, промышленных и общественных зданий - пути повышения эффективности, экологической безопасности и энергосбережения», г. Санкт-Петербург, 2006.- С. 103-106.

7. Сергиевский Э.Д., Мирошниченко Л.О., Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Математическое моделирование течения в проемах, оборудованных завесами // АВОК-2007.-№1,- С.26-29.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мирошниченко, Людмила Олеговна, 2007 год

1. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. 4-е изд. М.: Профиздат, 1990. -448с.

2. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке .Vx.: Машиностроение, 1993.-256с.

3. Дискин М.Е. К вопросу о расчете воздушных завес. // АВОК. №7, 2003.

4. Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений М.: Наука, 1990.-216с.

5. Крашенинников С.Ю., Рогальская Е.Г. Распространение струй из прямоугольных сопел, свободных и вблизи экрана. Изв. АН СССР, МЖГ, 1979, №4.

6. Марр Ю.Н., Погодин Г.И., Лесохин К.В., О рекомендуемой высоте установки завес. // Инженерные системы АВОК СЗ, №4(12),2003

7. Татарчук Г.Н. Определение температуры воздуха, подаваемого в двусторонние боковые воздушные завесы. //Водоснабжение и санитарная техника, №10, 1964.

8. Сканави А.Н. Воздухопроницаемость наружных входов многоэтажных зданий. //Строительство и архитектура Москвы, №4, 1964.

9. Никулин М.В. Савин В.К., Стронгин А.С. Экспериментальные исследования теплообмена струй воздушных завес // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств: Межвуз. сб. Казань: КИСИ, 1991.

10. Ю.Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.:Энергоатомиздат, 1984. 152с.

11. П.Рысин С.А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов./ Справочник. М.: Машгиз. 1956.-с. 183-186.

12. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат

13. Некоторые вопросы теплового режима зданий. Под ред. В.Н. Богословского труды МИСИ, сб. № 62, 1967.

14. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х ч. Под ред. И.Г. Староверова. Изд. 2-е, перераб., и доп. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 1977.

15. Справочник по специальным работам. Наладка, регулировка и эксплуатация систем промышленной вентиляции / под ред. Эрлихмана С .Я. М.:Госстройиздат. с 144-147.

16. Смирных Е.А. Численное моделирование структуры течения в струйной завесе.// Промышленная аэродинамика. М.:Машиностроение. 1991. Вып. 3. С 133-145.

17. Стронгин А.С., Никулин М.В. Новый подход к расчету воздушно-тепловых завес // Строительство и архитектура: Сер. Изв. Вузов. 1991, №1.

18. Стронгин А.С., Никулин М.В. К вопросу о расчете воздушно-тепловых завес.//АВОК, №1,2004.

19. Теория турбулентных струй /Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П.Изд. 2-е перераб. И доп./Под ред. Г.Н. Абрамовича. М.:Наука. Главная редаеция физико-математической литературы, 1984,715с.

20. Ханженков В.И. Аэродинамические характеристики кольцевых струй, натекающих на экран.// Промышленная аэродинамика. М.: Машиностроение. 1966. Вып. 27. С. 145-179.

21. Ханженков В.И. Воздушная завеса применительно к печам для термической обработки металла. М.: Цветная металлургия, № 8,9,1983

22. Шепелев И.А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. М.: Стройиздат, 1950.

23. Шилькрот Е.О.Воздушный режим зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушными завесами. // АВОК №8, 2005.

24. Эльтерман В.М. Воздушные завесы. М.: Машгиз, 1961. - 164с.

25. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции ' и кондиционирования воздуха. Справ. Пособие / Богуславский Л.Д., Ливчак В.И., Титов В.П. и др.; Под ред. Богуславского Л.Д. и Ливчака В.И. М.: Строиздат, 1990-С.68-81.

26. Татарчук г.г. Уточнение метода расчета воздушных завес // Отопление и вентиляция промышленных и сельскохозяйственных зданий: Сб. трудов. М.: НИИСТ, Стройиздат, 1966. № 16.

27. Титов В.П. Особенности струй воздушных завес // Тепловой режим систем отопления, вентиляции, кондиционирования и теплогазоснабжения: Сб. трудов. М.: МИСИ, 1980. №177.

28. Вентиляция производственный зданий. Учебное пособие / Родин А.К. Сарат. гос. Технич. Унив-т. Саратов, 1997

29. Отопление и вентиляция. Учебник для вузов. В 2-х ч. 4.2. Вентиляция. Под ред. В.Н. Богословского. М: Строийздат, 1976., - 439с.

30. Монтаж систем вентиляции и кондиционирования воздуха: Учебю для ПТУ. -4-е изд., перераб. И доп. -М.: Высш. Шк., 1991. С. 932-957.

31. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем. / Под. Ред. Юрьева А.С. С.-Пб: АНО НПО «Мир и семья», 2001.

32. Гримитлин М.И., Тимофеева О.Н. Эльтерман В.М. и др. Вентиляция и отопление цехов машиностроительных заводов. М.: Машиностроение, 1978

33. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: Справочное пособие. / Стомахина Г.И., Боровицкий И.И. и др. М.: Пантори. 2003

34. Бутаков С. Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1949. Гл. XI. С. 162—172.

35. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия М.: Стройиздат

36. СНиП 23-01-99 Строительная климатология-М.: Стройиздат.

37. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости. 2-е изд., переаб. И доп. - М.: Наука, 1979. - 536с.

38. Воронов С.К. Гиршович Т.А., Гришин А.Н. Характеристики плоской турбулентной струи в ограниченном сносящем потоке // ИФЖ. Т. 48, 1985, №6. С. 904-911.

39. Батурин В.В., Эльтерман В.М. Аэрация промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1963.

40. Голубев В.А. Распределение параметров в поперечных сечениях струй, распространяющихся в сносящем потоке воздуха // Изв. ВУЗов. Сер. Авиационная техника, 1988, №2 С.91-94.

41. Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. Новосибирск: Наука, 1983. 240 с.

42. Крылатчанов А.П. Вентиляционные процессы в зданиях Новосибирск.: Наука, 1990.

43. Серебровский Ф.Л. Аэрация жилой застройки. -М.:Стройиздат, 1971.

44. Реттер Э.И., Стриженов С.И. Аэродинамика зданий. М.: Стройиздат, 1968.

45. Касотани, Герберю Экспериментальной исследование турбулентной струи, вдуваемой в сносящий поток // Ракетная техника и космонавтика, 1972, № 11. С.43-49.

46. Патанкар, Басю, Альпей. Численный расчет трехмерного поля скорости искривленной турбулентной струи // Теоретические основы инженерных расчетов. 1977, №4. С. 268-273.

47. Проскура Г.Ф. Опытное изучение воздушной завесы. // Технические новости. Бюллетень НТУ ВСНХ УССР №31, 1929.

48. Батурин В.В., Шепелев И.А. Воздушные завесы // Отопление и вентиляция №5, 1936.

49. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1951.

50. Батурин В.В. Проектирование воздушных завес -М.: Профиздат, 1941.

51. Ханженков В.И. Уменьшение аэродинамического сопротивления кольцевыми ребрами и уступами // Промышленная аэродинамика, сб. № 12. М.: Оборонгиз, 1959.

52. Фильней М.И. К вопросу о расчете воздушных завес. // Водоснабжение и санитарная техника №2, 1963.

53. Петрусев В.И., Евгеньев A.M., Тененев В.А., Бендерский Б.Я. Критерии выбора горизонтальных тепловых завес: скорость истечения и теплоьая мощность. // С.О.К. №6, 2004.

54. Мотулевич В.П., Журбин С.В. Численные методы расчета теплообменного оборудования./ Под ред. Сергиевского Э.Д. М.: МЭИ, 1989.78 с.

55. Богословский В. Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1985. 248 с.

56. Andreopoulos J., RodyW. Experimental investigation of jets in a cross flow // J. Fluid Mech.,1984, V 138. Pp 93-127.

57. Mott L. F. Design for protection by air curtain / Heating and Air Conditioning Journal. 1962. №2.

58. Lajos Т., Preszler L. Untersuchung von Torschleieranlagen // Heizung, Luftung, Haustechnik, 26. 1975, H. 5, s. 171—176; H. 6, s. 226—235.

59. E. Shilkrot, A. Strongin. Industrial Ventilation. Design Guidebook. Academic