Воздухораспределение. 
Вентиляция: теоретические основы расчета

Создание требуемых или заданных параметров воздуха в обслуживаемой зоне помещения определяется не только величиной воздухообмена, но и, главным образом, способом раздачи и удаления воздуха. Формирование полей температур скоростей и концентраций различных примесей в воздухе помещения происходит в результате взаимодействия приточных и тепловых струй, обтекания воздухом технологического оборудования и строительных конструкций, движения внутрицехового транспорта. В зависимости от назначения помещения, особенности технологического режима, экономических и эстетических соображений применяют различные способы подачи приточного воздуха и различные воздухораспределительные устройства (воздухораспределители). Применяя тот или иной тип воздухораспределителя, можно в широких пределах изменять турбулентный обмен приточной струи с окружающим ее воздухом. Для интенсивного турбулентного обмена и тем самым увеличения разности температур или концентраций на истечении применяют воздухораспределители, обеспечивающие наиболее быстрое перемешивание подаваемого воздуха с воздухом помещения. К таким воздухораспределительным устройствам относятся различные плафоны, создающие веерные струи, перфорированные панели, насадки с закручивающими устройствами.

Если необходимо сохранить температуру приточного воздуха на возможно большем расстоянии, то применяют воздухораспределители с малой эжектирующей способностью (круглый насадок с равномерным полем скоростей на выходе, решетки и т. д.).

Все варианты раздачи приточного воздуха можно объединить в три способа.

Раздача воздуха непосредственно в рабочую зону (см. рис. 3.2,а). Такая раздача рекомендуется для помещений 2-го класса (см. с. 92). Приточные струи в этом случае должны быть по возможности маломощными, чтобы сохранить градиент температур по высоте помещения, и затухать в рабочей зоне. Для этих целей ближе всего подходят эжекционные воздухораспределители, например ВЭПш. К рассматриваемому способу раздачи воздуха относится и воздушное душирование (местная приточная вентиляция), осуществляющее подачу воздуха через насадки ППД. ПДн, ПДв.

Раздача воздуха струями, поступающими в рабочую зону вертикально или наклонно под углом (см. рис. 3.2, б). Такой способ раздачи воздуха находит широкое применение как в производственных, так и в общественных зданиях. Для этих целей служат перфорированные воздуховоды ВПК, 'потолочные плафоны ВР, ВПР (вертикальная подача), а также воздухораспределители НРВ и ВСП (наклонная подача).

Раздача воздуха горизонтальными стру ями, зату — хающими вне рабочей зоны (см. рис. 3.2, в). При такой сосредоточенной подаче воздуха рабочая зона омывается обратным потоком воздуха. Различают сосредоточенную подачу ненастилающейся на перекрытие струей и настилающейся на перекрытие струей. Для сосредоточенной подачи воздуха применяют цилиндрические трубы, воздухораспределители ВГК, ВСП и др. Применение сосредоточенной раздачи в помещениях, где основная часть воздуха удаляется из верхней зоны, должно тщательно обосновываться, так как в этом случае степень использования воздуха снижается и коэффициент воздухообмена K_L может оказаться меньше единицы.

В помещениях с избытком явной теплоты, а также в помещениях, где тепл (c)поступлениям сопутствуют выделения влаги или других примесей, подачу приточного воздуха осуществляют первым способом и частично (подача наклонными струями) вторым. В помещениях с незначительными тепловыделениями, с выделением пыли, паров и газов тяжелее воздуха, а также в общественных и жилых зданиях раздачу воздуха ведут, как правило, в верхнюю зону.

Распределение воздуха в помещении — это в упрощенном варианте взаимодействие приточных вентиляционных струй друг с другом и со строительными конструкциями. Поэтому расчет воздухораспределения в самом общем смысле — это решение каждый раз какойто конкретной задачи (см. п. 2.6). Однако такой подход к решению вопроса несколько усложнен и поэтому при расчете воздухораспредел ния приняты инженерные методы расчета.

Инженерные расчеты по определению максимальных скоростей воздуха v _х, м/с, максимальных или минимальных избыточных температур bt_x, ⁰ С, ведутся с учетом характеристик воздухораспределителей (см. табл. 10.1 [l], табл. 4.1 [б]) и зависимостей (2.11), (2.15), (2.30), (2.33), табл. 2.1 по следующим формулам [1]:

на начальном участке струй всех видов

на основном участке компактных, веерных и неполных веерных струй.

на основном участке плоских струй.

гдеtr_ei — скорость воздуха в свободном сечении выпускного отверстия воздухораспределителя, м/с; *₀ — средняя по площади ско ;

рость воздуха в отверстии воздухораспределителя, м/с; AЬ₀ — разность между температурами воздуха при выходе из воздухораспределителя и в обслуживаемой зоне, °С; т, * - коэффициенты затухания скорости и температуры по длине струи, принимаемые в зависимости от конструкции воздухораспределителя (см. табл. 10.1 [1], табл. 4.1 [б]); х — расстояние от истечения до рассматриваемого сечения струи, м; Г_в, 2 В — расчетные площадь, м^, и размер, м, воздухораспределителя; - коэффициент свободного живого сечения на выходе из воздухораспределителя; к_с «^к_ст «коэффициент стеснения струи при расчете затухания скорости и температуры; к _в — коэффициент взаимодействия струй между собой;

к_4 м— коэффициент взаимодействия струи с плоскостью; к_н ,*_нт — коэффициенты неизотермичности струи при расчете скорости и температуры.

По формулам (6.10) — (6.15) возможны решения как прямой задачи, когда определяют скорость ъ_х и избыточную температуру в зависимости от, v₀, д1_0|К>так и обратной задачи, когда по нормируемым параметрам воздуха tг_ж и At^ в зависимости от расстояния х определяют исходные данные струи F₀, ь₀ и At_c

Рассмотрим поправочные коэффициенты в формулах (6.10) -(6.15).

Коэффициент стеснения представляет собой отношение скорости, расхода или количества движения в стесненной струе к соответствующим величинам в свободной струе* М. И. Гримитлин [6]^ используя предложенный И. А. Шепелевым и М. Д. Тарнопольским метод «сдвига скоростей» [25], определил коэффициенты стеснения: для основного участка струи для начального участка струи.

где • ^v «» скорости воздуха в стесненной и свободной струях, сдвига и истечения, м/с.

Длина свободного участка струи х_с%, м, где к_с — 1* может быть определена по приближенным формулам: для компактных струй

для плоских струй.

где Г_п, Н" - площадь помещения, нормальная к оси струи, м^, и высота помещения, м.

Коэффициенты стеснения для струй, длина которых равна или менее длины их свободного участка, равны единице. Для более длинных проточных и тупиковых струй коэффициенты стеснения могут быть определены по рис. 5.7 [6] или по формулам (10.16) — (10.19) [1].

Коэффициент стеснения при расчете температуры воздуха в струе согласно [1] равен.

Коэффициент взаимодействия учитывает влияние параллельно развивающихся струй как в одном, так и в противоположных направлениях. Теоретическая величина коэффициента взаимодействия может быть получена из анализа зависимостей для суммарной скорости взаимодействия струй в пространстве. Так, из зависимости (2.106), описывающей слияние двух одинаковых струй (плоская задача), центры которых находятся на расстоянии 2а друг от друга, имеем:

т.е. коэффициент взаимодействия в данном случае принимается равным

Для практических расчетов величину коэффициента взаимодействия Кд определяют по графикам (см. рис. 4,8, 4,9 [б], рис. 10.6 [1]) в зависимости от типа, числа к расположения струй и относительных размеров а/ZB , а / d ₀, х / Z а (В — полуширина насадка плоской струи, d_e — диаметр насадка).

Коэффициент взаимодействия струи с плоскостью учитывает увеличение скорости в полуограниченной струе по сравнению со свободной струей, т. е.

где, *_х — максимальные скорости в полуограниченной и свободной струях.

Проведенные исследования [1J показали, что полуограниченная струя до расстояния х_кр = 5 F °*⁵ ведет себя как ненастилающаяся (к^_п, = 1), далее до расстояния x_eTp ^в 20 F ^0,5 происходит настилание и увеличение скорости в струе (к_е nJ достигает своего максимального значения, равного примерно и затем струя.

'отлипает' от плоскости.

Величину коэффициента взаимодействия струи с плоскостью для инженерных расчетов определяют в зависимости от расстояния до потолка k и длины струи х [1] :

Коэффициент _и для струи, направленной на стену, или для двух струй, направленных навстречу друг другу (см. рис. 2.15), определяется по формуле [1].

где, а — расстояние от выпуска до стены, м.

Коэффициент неизотерммчностн струн вводится для учета гравитационных сил и определяется по формулам [l, б]: для компактных и неполных веерных струй.

для плоских струй.

Соотношение гравитационных и инерционных сил в зависимостях (6.16) и (6.17) определяется текущим критерием Архимеда: для компактных и веерных струй

для плоских струй . /.

где — критерий Архимеда, отнесенный к условиям истечения: для компактных и веерных струй.

для плоских струй.

Т — температура окружающего насадок воздуха, К .

Коэффициент неизотермичности вводится при подаче струй сверху вниз вертикально или под углом 60 и более градусов к горизонту при величинах критериев Архимеда IA-.J *0,1 и |Ar',^o, is (практически это струи, для которых Д" Ь_в ^ 3° С).

Коэффициент неизотермичности при расчете затухания избыточной температуры струи по аналогии с коэффициентом стеснения *_ст определяется зависимостью.

При подаче воздуха струями, затухающими выше рабочей или обслуживаемой зон (сосредоточенная подача воздуха, см. рис.

3.2, в), в нижней зоне возникают потоки воздуха, называемые обратными и направленные навстречу приточным струям.

Максимальная скорость v_o5p и экстремальная избыточная температура воздуха в обратных потоках во втором критическом сечении струи на расстоянии от выпуска определяются по формулам [l]:

для компактных струй.

для плоских струй.

Расстояние х_кр1, где струя прекращает свое развитие, определяется по формуле [l] :

Скорость и избыточная температура воздуха, рассчитанные по зависимостям (6,10) — (6.15), (6.18) — (6.21), не должны превышать допустимых значений v ,, определяемых зависимостями.

[22]: tr.

3П ^К * Atj₀, — при восполнении недостатков теплоты в помещении; At^₀" ="At^ - при ассимиляции избытков теплоты в помещении (здесь к — коэффициент перехода от требуемых скоростей движения воздуха к их максимальным зависимостям, определяемый по табл. 6.1; - нормируемая скорость движения воздуха в рабочей или обслуживаемой зоне, принимаемая по [4, 22], м/с; At_1# — избыточные температуры воздуха (табл. 6.2).

Таблица 6.1. Коэффициенты к перехода от нормируемых скоростей движения воздуха к их максимальным значениям в струе [22].

Таблица 6.2. Избыточные температуры воздуха Д t_t и.

Методика совместного расчета воздухообмена и воздухораспределения при избытках или недостатках теплоты в помещении. 1. Принимаем согласно [4, 22] или задаемся, исходя из назначения помещения, температуру и подвижность воздуха в характерных зонах (рабочая, обслуживаемая, верхняя и т. п.) (см. п. 1.2).

• 2. Рассчитываем местную вытяжную и приточную вентиляции (см. пп. 5.3, 5.4), количество воздуха, удаляемого технологическими отсосами.
• 3. Составляем предварительный тепловой баланс помещения.
• 4. Задаемся схемой организации воздухообмена, исходя из наличия в помещении избытков или недостатков теплоты, особенностей технологии производства и архитектурно-строительной планировки [24].
• 5. Принимаем способ раздачи воздуха (см. с. 92).
• 6. Выбираем тип и количество воздухораспределителей.
• 7. Определяем по формулам (3.34)-(3.39) или по табл.3.5,
• 3.6 коэффициент воздухообмена К^.
• 8. Уточняем температуру воздуха в характерных зонах помещения (например, температуру воздуха, удаляемого из верхней зоны), используя зависимость (5.9),
• 9. Уточняем тепловой баланс помещения.
• 10. Определяем величину воздухообмена общеобменной вентиляции при заданной температуре приточного воздуха или рассчитываем температуру приточного воздуха при заданной величине воздухообмена (возможно уточнение температуры воздуха рабочей или обслуживаемой зоны при заданных величине и температуре приточного воздуха) по формулам (6.1) — (6.9) или по [id].
• 11. Находим расход воздуха на один воздухораспределитель.
• 12. Определяем скорость воздуха на выходе из воздухораспределителя.
• 13. Определяем по зависимостям (6.10) — (6.15), (6.18) — (6.21) максимальную скорость и избыточную температуру воздуха в рабочей зоне.
• 14. Сравниваем скорость и избыточную температуру воздуха, создаваемые приточными струями, с допустимыми значениями.

Если первые значения не превышают вторые расчет заканчиваем. Если первые значения превышают вторые, то повторяем расчет, изменяя количество воздухораспределителей, тип воздухораспределителя, способ раздачи воздуха или схему организации воздухообмена; увеличиваем величину воздухообмена, задаемся другой температурой приточного воздуха и т. д.

Примеры расчета воз духорасп ре деления приведены в сборнике [18].