Charakterystyka strug nawiewnych

Charakterystyka strug nawiewnych

i strumieni wywiewnych

2

Jednym z podstawowych zadań wentylacji jest kształtowanie właściwego przepływu powietrza w pomieszczeniu. Osiągnięcie tego jest możliwe przy spełnieniu warunków:

• cała strefa przebywania ludzi musi być stale omywana przez powietrze nawiewane (wentylujące bądź klimatyzujące),

• prędkość i temperatura powietrza powinny być dobrane tak, aby nie powodowały odczucia przeciągów,

• powietrze wentylujące bądź klimatyzujące może być usunięte z pomieszczenia przez urządzenie wywiewne dopiero po całkowitym wykorzystaniu jego zdolności asymilacyjnych, czyli wówczas gdy stężenie substancji szkodliwych, temperatura, wilgotność lub entalpia osiągną wartości obliczeniowe,

• droga i prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu nie mogą być przypadkowe.

Wprowadzenie

Czynnikami wpływającymi na kształtowanie się pól prędkości i temperatury są:

• cechy strumieni nawiewnych i ich kierunki początkowe,

• usytuowanie otworów nawiewnych i wywiewnych w pomieszczeniu,

• różnica temperatury powietrza nawiewanego i powietrza w pomieszczeniu,

• źródła wydzielania lub pochłaniania ciepła w pomieszczeniu, a więc również miejsca występowania strumieni konwekcyjnych,

• wyposażenie pomieszczenia w urządzenia elektryczne, maszyny, meble itp.

Właściwa organizacja wymiany powietrza w pomieszczeniu jest na ogół skomplikowanym zadaniem, a odpowiednie jego rozwiązanie może decydować o poprawnym działaniu zaprojektowanego systemu wentylacyjnego bądź klimatyzacyjnego.

Wprowadzenie

4

Organizowanie prawidłowej wymiany powietrza polega na:

• właściwym rozmieszczeniu otworów nawiewnych w stosunku do źródeł wydzielania się zanieczyszczeń, konwekcyjnych strumieni ciepła oraz stanowisk pracy,

• nadaniu strugom powietrza doprowadzanego do pomieszczenia odpowiedniego kierunku i prędkości, tak aby powietrze to omywało równomiernie całą strefę przebywania ludzi,

• dobraniu parametrów powietrza nawiewanego do pomieszczenia zapewniających asymilację zysków ciepła, przy jednoczesnym zachowaniu parametrów komfortu w strefie przebywania ludzi,

• usytuowaniu elementów wywiewnych, które zapewni wymagany ruch powietrza przez pomieszczenie oraz usuwanie powietrza o największym zanieczyszczeniu bądź temperaturze.

Wprowadzenie

Charakterystyka strug nawiewnych

i strumieni wywiewnych

6

Struga powietrza doprowadzana do pomieszczenia nazywana jest STRUGĄ NAWIEWNĄ.

Po dostarczeniu strugi nawiewnej do pomieszczenia staje się ona STRUGĄ ZATOPIONĄ, poruszającą się w powietrzu wypełniającym wnętrze.

Na zachowanie strugi powietrza w pomieszczeniu wpływają:

• jej lokalizacja względem przegród budowlanych oraz innych strug powietrza,

STRUGĄ OGRANICZONĄ nazywamy strugę, które napotyka na swojej drodze przegrodę budowlaną, element wyposażenia pomieszczenia czy też inną strugę powietrza,

STRUGĄ SWOBODNĄ jest struga, której ruch nie zostaje zaburzony przez przegrody budowlane, elementy wyposażenia pomieszczenia bądź inne strugi powietrza,

• różnica temperatury powietrza nawiewanego oraz powietrza w pomieszczeniu,

STRUGĄ IZOTERMICZNĄ nazywamy strugę o temperaturze równej temperaturze powietrza w pomieszczeniu,

STRUGĄ NIEIZOTERMICZĄ natomiast – strugę o temperaturze różnej, wyższej bądź niższej, od temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Strugi nawiewne

Podział strug izotermicznych w zależności od kształtu otworu nawiewnego:

• STRUGA OSIOWO – SYMETRYCZNA - powstaje przy wypływie powietrza z otworu kołowego, kwadratowego i prostokątnego o stosunku boków nie większym niż 1:3,

• STRUGA OSIOWO – SYMETRYCZNA Z ZAWIROWANIEM - w porównaniu z powyższą została dodatkowo przed napływem do pomieszczenia wprowadzona w ruch wirowy,

• STRUGA PŁASKA - powstaje przy wypływie powietrza z otworów prostokątnych (szczelin) o stosunku boków większym niż 1:10,

• STRUGA PROMIENIOWA, zwana też WACHLARZOWĄ – powstaje przy wypływie powietrza spomiędzy położonych blisko siebie tarcz lub otworów prostokątnych wyposażonych w odpowiednie kierownice powietrza,

• STRUGA ROZPROSZONA – powstaje przy wypływie powietrza z płaszczyzn perforowanych,

• STRUGA PRZESTRZENNA – powstaje podczas wypływu powietrza z otworów prostokątnych o stosunku boków powyżej 1:3 i poniżej 1:10.

Podział strug izotermicznych

8

Izotermiczna struga swobodna wypływająca z otworu kołowego

STREFA POCZĄTKOWA to strefa w której występuje jądro strugi.

• W strefie tej prędkość osiowa jest stała i równa prędkości osiowej w otworze wlotowym.

• W obszarze jądra znajduje się wyłącznie powietrze wypływające z otworu.

• Jądro strumienia zawiera sie w obszarze jaki zatacza paraboloida, a jej boczne powierzchnie mogą być z wystarczającym przybliżeniem zastąpione przez stożek o kącie rozwarcia 8,8°.

• Długość tej strefy wynosi od 3 do 4 średnic równoważnych otworu nawiewnego.

Izotermiczna struga swobodna

Strugi nawiewne mają charakter burzliwy. Podczas ruchu burzliwego cząsteczki powietrza mają prędkość zgodną z głównym kierunkiem ruchu strumienia, ale także charakteryzują się fluktuacyjnym ruchem poprzecznym, wywołującym wymianę masy i pędu. Wymiana ta inicjuje ruch cząsteczek początkowo nieruchomego powietrza, spowodowany ruchem poprzecznym cząsteczek strugi nawiewnej.

Skutkuje to stopniowym rozszerzaniem strugi powietrza i zmniejszeniem jego prędkości.

10

W obrębie STREFY PRZEJŚCIOWEJ następuje właściwe formowanie się strugi nawiewnej.

• Długość tej strefy zależna jest od kształtu otworu (5 – 10d).

• W przypadku wypływu powietrza z otworów prostokątnych, kształt strugi nawiewnej zmienia się wraz z odległością. Krótszy bok strugi powietrza wydłuża się, a dłuższy ulega skróceniu. Strumienie wypływające z otworów prostokątnych przybierają więc w poprzecznych przekrojach najpierw kształt eliptyczny, a w miarę oddalania się od otworu wylotowego elipsy te staja się coraz bardziej zbliżone do koła.

• Przekroje poprzeczne strug wypływających z otworów kwadratowych szybko się zaokrąglają i przybierają kształt kołowy już w niewielkiej odległości od otworu.

• Dla otworów o przekroju kołowym i kwadratowym długość strefy przejściowej wynosi ok. 7 średnic równoważnych otworu nawiewnego.

Izotermiczna struga swobodna

o n m

w x

w 1

∝

x – odległość od otworu

n = 0,33–1,0 – wykładnik zależy od kształtu otworu nawiewnego

STREFA GŁÓWNA jest podstawową częścią strefy swobodnej.

• Tak samo jak w strefie przejściowej, prędkość osiowa w strefie głównej maleje ze wzrostem odległości od otworu nawiewnego.

• Długość tej strefy sięga nawet 100 średnic równoważnych otworu nawiewnego.

STREFA ZAMIERANIA charakteryzuje się szybkim mieszaniem mas powietrza, a struga niemal nie odróżnia się od otaczającego ją powietrza.

Izotermiczna struga swobodna

x w

w

o

m

1

∝

2

1 w x

w

o

m

∝

12

Strugi nieizotermiczne

W warunkach rzeczywistych strumienie powietrza nawiewanego do pomieszczeń rzadko mają charakter izotermiczny. Powszechnym zjawiskiem jest nawiewanie powietrza o temperaturze niższej od temperatury otoczenia t_n < t_p (ochładzanie) lub wyższej od temperatury otoczenia t_n > t_p (ogrzewanie).

Na skutek różnicy temperatury powietrza nawiewanego i w pomieszczeniu, a więc również różnicy jego gęstości, następuje wyraźne odchylenie osi strugi powietrza.

Podczas ochładzania pomieszczenia struga powietrza opada, natomiast podczas jego ogrzewania – unosi się.

Zakłócenia strug nawiewnych

Podczas przepływu strugi zatopionej następuje zasysanie powietrza z pomieszczenia i jego mieszanie się z powietrzem nawiewanym. Zjawisko to nazywane jest INDUKCJĄ.

W przypadku usytuowania elementu nawiewnego w pobliżu przegrody budowlanej następuje zakłócenie procesu indukcji. W obszarze zaburzenia powstaje strefa lokalnego podciśnienia, które staje się przyczyną odchylenia osi strugi powietrza w stronę przegrody budowlanej. Zjawisko to nazywane jest EFEKTEM COANDY i obserwuje się je również przy wzajemnym oddziaływaniu strug nawiewnych.

Efekt Coandy - zjawisko fizyczne polegające na tym, iż strumień gazu lub płynu ma tendencje do przylegania do najbliżej znajdującej się powierzchni np. ściany lub innej przegrody. Efekt nazwany od nazwiska odkrywcy - rumuńskiego inżyniera Henri Coanda w 1934 r.

14

Struga ograniczona (półograniczona) przyścienna - powstaje wówczas, gdy strumień powietrza ograniczony jest z jednej strony płaską powierzchnią i wektor prędkości osiowej jest równoległy do tej powierzchni. W praktyce, strugi przyścienne wykorzystuje się przy wentylowaniu pomieszczeń przy użyciu nawiewników sufitowych, w których struga powietrza porusza się wzdłuż sufitu ze znaczną prędkością.

Zakłócenia strug nawiewnych

Zjawisko Coandy ma zastosowanie w konstrukcji i działaniu wielu nawiewników – powietrze wypływając z nawiewnika z pewną prędkością wzdłuż powierzchni sufitu, powoduje powstanie strefy podciśnienia i "przyklejenie się" strumienia do sufitu oraz

"podmieszanie" powietrza z pomieszczenia.

Kiedy struga przyścienna napotka na przeszkodę, wystającą z powierzchni przegrody, przy której przepływa powietrze, mogą zaistnieć trzy zjawiska:

1. wpływ przeszkody na zachowanie się strugi będzie niemal niezauważalny,

2. struga oderwie się od powierzchni, ominie przeszkodę i następnie powróci do przegrody, formując za przeszkodą zamkniętą strefę zawirowań,

3. struga trwale oderwie się od powierzchni przegrody.

O tym, który z przypadków będzie miał miejsce, decydują:

• wysokość przeszkody d w stosunku do wysokości otworu h, z którego wypływa powietrze,

• odległość przeszkody x_d od otworu,

• stopień burzliwości strugi,

• różnica temperatury pomiędzy powietrzem nawiewanym, a powietrzem w otoczeniu itp.

Zakłócenia strug nawiewnych

16

Wpływ ściany przyległej (przeciwległej) - struga powietrza nawiewanego równolegle do sufitu jest odchylana w dół przy ścianie przeciwległej do usytuowania nawiewnika, tworząc w narożniku słabo wentylowany obszar zawirowań.

Zakłócenia strug nawiewnych

Można wyliczyć odległość nawiewnika od ściany przy jakiej wpływ ten jest niezauważalny:

09 , 1

1 053 



 



×

= H

L h

x

x₁ – odległość od nawiewnika w jakiej nie występują zakłócenia wywołane obecnością przegrody h – wysokość szczeliny nawiewnika

L – długość pomieszczenia w kierunku nawiewu H – wysokość pomieszczenia

Zakłócenia strug nawiewnych

Nawiewanie kilku równoległych strug powoduje ich połączenie oraz zwiększenie zasięgu w stosunku do strugi pojedynczej. Sąsiednie strugi stanowią ograniczenie dla siebie nawzajem, ponieważ ograniczone jest podsysanie powietrza z pomieszczenia do strugi (indukcja).

Odległość, przy której następuje zlanie się pojedynczych strug w jedną, zależy od:

• typu nawiewnika,

• odległości pomiędzy otworami nawiewnymi,

• od powierzchni otworów.

18

Na rysunku przedstawiono przykład łączenia się strug nawiewanych z otworów o średnicach d i położonych od siebie w odległościach od osi otworów S = 2d oraz S = 4d.

Zakłócenia strug nawiewnych

Zakłócenia strug nawiewnych

• Wzajemne oddziaływanie strug jest często czynnikiem warunkującym wytworzenie właściwego pola prędkości i temperatury powietrza w pomieszczeniu.

• Szczególnie istotne jest to przy stosowaniu nawiewników ze strugą ograniczoną powierzchnią sufitu, np. anemostatów. Strumień powietrza wypływający z nawiewnika odchyla się na skutek wystąpienia efektu Coandy i przykleja do sufitu. Następuje zjawisko poślizgu strugi po przegrodzie.

• Jeśli tak poruszający się strumień powietrza napotka na swojej drodze strugę poruszającą się w przeciwnym kierunku bądź przegrodę budowlaną (np. ścianę) następuje zmiana kierunku ruchu powietrza i struga kierowana jest do strefy przebywania ludzi.

STREFA PRZEBYWANIA LUDZI

20

Zasięg strug nawiewnych

ZASIĘG STRUGI NAWIEWNEJ to odległość od płaszczyzny wylotu, przy której osiowa prędkość powietrza obniży się do określonej wartości granicznej w_s.

Prędkość graniczną strugi wyznacza się na podstawie wytycznych dotyczących utrzymania komfortu cieplnego.

Zasięg strumienia powietrza jest zależny od wielu czynników, z których najważniejsze to:

• rodzaj nawiewnika i jego konstrukcja, np. ustawienie kierownic na wypływie powietrza,

• usytuowanie nawiewnika względem przegród budowlanych i innych nawiewników,

• prędkość powietrza wypływającego z nawiewnika,

• różnica temperatury powietrza nawiewanego i w pomieszczeniu.

Prędkość graniczna wynika z przeznaczenia pomieszczenia – pomieszczenia bytowe dla aktywności małej, pomieszczenia do pracy ciężkiej itp.

• Charakter strugi powietrza w pobliżu otworów wywiewnych różni się istotnie od zachowania strugi powietrza nawiewanego.

• Do otworu wywiewnego powietrze dociera ze wszystkich stron.

• Strefa w której odczuwalny jest wpływ otworu wywiewnego jest niewielka.

• Zachowane strugi powietrza w pobliżu otworów wywiewnych okrągłych, kwadratowych i prostokątnych można opisać zależnością:

Usuwanie powietrza z pomieszczenia

22

Usuwanie powietrza z pomieszczenia

Różnica profilu nawiewu i wywiewu

Usuwanie powietrza z pomieszczenia

F F x

v v

x

= ¹⁰

+

Element bosy: Element z kołnierzem:

F F x

v v

x

⋅ +

= 0 , 75 ¹⁰