Résbefúvó anemosztátok méréses vizsgálata érintõleges légvezetési rendszer alkalmazása esetén

Átírás

1 Résbefúvó anemostátok méréses visgálata érintõleges légveetési rendser alkalmaása esetén Both Balás 1 Goda Róbert 2 Abstract The use of slot diffusers in tangential air supply systems is widespread not only in HVAC but also in the fields of food and chemical industry. To begin with, it is important to define the velocity and temperature distribution of the air led into the room no matter what the air supply system is like. In slot diffusers, air usually leaves the outlet cross section as plain free jet, which is a typical feature. In order to provide economic, comfortable and efficient ventilation, we need to be aware of the comportment of the air jet, the description of which can be found in various specialied books. However, the principles these books write about mainly apply to general air jets that are not limited from any sides. Air jets always contact some surface from either side because of the tangential air supply system s special features. In our research, we studied the flow characteristics of a room equipped with slot diffusers in the laboratory of the Department of Building Service and Process Engineering of Budapest University of Technology and Economics, taking into consideration the effect walls have on free air jets. Due to the lack of reference books about the configuration of vertical supply and ehaust in engineering practice, we used measuring investigation. Beveetés A érintõleges légveetési rendserekre (LVR-re) jellemõ résbefúvó anemostátok alkalmaása nemcsak a épületgépésetben, hanem sámos vegyipari, élelmiseripari területen igen elterjedt. Általánosságban elmondható, hogy minden LVR-nél alapvetõ fontosságú a helyiségbe beveetett levegõt jellemõ sebesség- és hõmérsékletmeõ ismerete. A résbefúvó anemostátok jellegetessége, hogy a levegõ legtöbbsör sík sabadsugárként hagyja el a kifúvási kerestmetsetet. A épületgépéseti alkalmaások jelentõs résében eeket a légsugarakat legtöbbsör valamilyen felület korlátoa, így egy ún. tapadási pont -tól a sugár feltapad a felületre, majd aon kúsva halad tovább, növelve eel a sellõés hatásosságát. A hatékony, gadaságos és komfortos sellõés bitosítása érdekében eért lényeges ismernünk a különböõ felületek légsugárra gyakorolt hatásait, valamint a tapadási pont helyetének váltoását. 1 MScI.évf.hallgató,BME, 2 egyetemi tanársegéd, BME Épületgépéseti és Gépéseti Eljárástechnika Tansék. A cikket lektorálta: dr. Magyar Tamás ny. egyetemi adjunktus Cikkünkben a BME Épületgépéseti és Gépéseti Eljárástechnika Tansékének Légtechnikai Laboratóriumában található, résbefúvó anemostáttal ellátott helyiség áramlási visonyait visgáltuk, különös tekintettel a falfelület légsugárra gyakorolt hatásaira. A általunk visgált függõleges befúvás mennyeet alatti elsívás konfigurációho jelenleg igen kevés a referált sakirodalom, így a probléma megoldására elsõ körben a méréses visgálati módsert alkalmatuk. 1. A résbefúvó anemostátok visgálatának módserei és céljai A épületgépéseti gyakorlatban alkalmaott anemostátok mindig egy adott LVR-he tartonak, így visgálatuk többnyire beépített állapotban, a légveetési rendserrel együttesen történik. Mint ismeretes, a fõbb visgálati módserek a követkeõk: analitikus módser; numerikus simuláció alkalmaása, méréses módser [2]. Tekintettel arra, hogy a általunk visgált résbefúvó konfigurációho kevés a referált sakirodalom, elsõ körben a méréses módsert alkalmatuk a falfelület légsugárra gyakorolt hatásának visgálatára. Általánosságban elmondható, hogy minden LVR-nél alapvetõ fontosságú a helyiségbe beveetett levegõt jellemõ sebesség- és hõmérsékletmeõ ismerete. E fiikai jellemõk fõként a anemostát, illetve a helyiség geometriájától, a beveetett levegõ mennyiségétõl- és hõmérsékletétõl függenek. A említett fiikai mennyiségek jelentõsen befolyásolják a légátöblítés hatásosságát, a adott helyiségben tartókodók komfortéretét, valamint a sellõés gadaságosságát [4]. 2. A visgálati célok megfogalmaása A Beveetésben már említettük a résbefúvó anemostátok aon jellegetességét, mely serint a levegõ legtöbbsör sík sabadsugárként hagyjael Befúvás u a s sélességû kifúvási s kerestmetsetet (1. ábra)[1]. A mérnöki gyakorlatban alkalmaott résbefúvó anemostátokat a érintõleges LVR-re tekintettel többnyire határoló felület mellett helyeik el. E lehet menynyeet, falfelület (mint esetünkben is), esetleg egy másik légsugár határoló felülete [8]. A elmondottak alapján 1. ábra definiálható egy tapa- 8 Magyar Épületgépéset, LX. évfolyam, 211/11. sám

2 dási pont (síkban), vagy pedig tapadási óna (térben), ahol egy átmeneti tartományt követõen érvényesül a Coandaeffektus, így a sabadsugár feltapad a felületre, majd aon kúsva halad tovább, növelve eel a sellõés hatásosságát (1. ábra) [1], [5]. A sellõés hatékonyságának növelése érdekében tehát nagyon lényeges ismernünk a tapadási pont váltoását a befújt térfogatáram függvényében. Ennek megfelelõen tehát lényeges sempont, hogy eeket a visgálatokat mindig a üemeltetési állapotban, de legalább a anemostátok beépített helyetében kell lefolytatni. A fentiek ismeretében a megvalósítani kívánt visgálati céljaink a követkeõk: sebesség és hõmérséklet mérése a befúvás környeetében, a sebesség- és hõmérsékletprofilok meghatároása a mért adatokból, a tapadási pont helyetének visgálata a térfogatáram-, befúvási hõmérséklet és a befúvási sög váltotatásával, és a falra feltapadt levegõsugár viselkedésének megfigyelése. A megvalósítani kívánt céloknak megfelelõen visgálatainkat a követkeõ metodika serint végetük: 1. Irodalomkutatás, a légtechnikai mérésekre vonatkoó sabványok és mûsaki elõírások feldolgoása. 2. A visgált helyiség geometriai felmérése, a mérõsobát kisolgáló légtechnikai rendser kapcsolási rajának elkésítése, majd a mérések megterveése. 3. Elõmérések lefolytatása iotermikus állapotban. A elõmérések során a helyiség méreteivel arányosan 171 mérési pontot vettünk fel, majd a kiértékelést elvégeve és sakirodalmi adatokkal össehasonlítva [3], [4] at tapastaltuk, hogy a felvett mérési pontok sáma elsõ körben megfelelõ. 4. A elõmérések során kapott eredmények ismeretében különböõ mérési soroatok felvétele iotermikus, aniotermikus (hûtött) és ferdesögû iotermikus légbefúvás alkalmaása esetén. 5. Kiértékelés, javaslattétel, további visgálati célok meghatároása. 3. Elméleti háttér 3.1. Sabadsugarak [1] A sík sabadsugarak legfontosabb sajátosságai a követkeõkben foglalhatók össe: a áramvonalak görbülete kicsi, eért a nyomás a sabadsugáron belül köel aonos a külsõ nyomással; vastagsága lineárisan nõ a kifúvástól mért távolság függvényében; a sabadsugár kedeti sakasában a sebesség a kerestmetset legalább egy pontjában egyenlõ a kifúvási sebességgel; a befúvástól távolodva a sebességek fokoatos leépülése tapastalható, ugyanakkor a sabadsugárban mért térfogatáram értéke növeksik, hisen áramlása során adott mennyiségû környeeti levegõt indukál magába. A így elvont környeeti levegõ helyére újabb légmennyiség áramlik, e pedig elõsegíti a sabadsugár körül a sekunder áramlások kialakulását; p 1 2. ábra p Coanda effektus [1] A résbefúvó anemostát köelében lévõ felület görbíti a belépõ légsugár áramvonalait, így aokra merõlegesen a nyomás váltoik. A Euler-egyenletet áramvonalra megoldva adódik, hogy a görbületi köéppont felé haladva csökken a levegõ nyomása. Ennek eredményeként a légsugár és a falfelület köött a környeetinél kisebb nyomás alakul ki (p 2 < p 1 ), aminek hatására a légsugár feltapad a falfelületre, majd aon kúsva halad tovább (2. ábra). 4. A mérések lefolytatása A visgált helyiség egy 33 [m] alapterületû, 2,7 [m] belmagasságú, hõsigetelt mérõsoba a Légtechnikai Laboratóriumban (3. és 4. ábra) Befúvás u i [m/s], ti [ C] y s H = 26 [mm] Elsívás SZ F* F A levegõellátást bitosító precíiós klímasekrény névleges térfogatárama 4 [m 3 /h]. A mellékágakban lévõ pillangóselepeket nyitott állásba helyeve, valamint sûrõ elõtti fojtást alkalmava a helyiség méreteinek megfelelõen 1 2 [m 3 /h] mennyiségû levegõt juttatunk a térbe, amelynek pontos értékét mérõperemmel mértük. A légtechnikai rendser teljes mértékben recirkuláltatott. PC CRAC 3. ábra. A mérés elrendeése felülnéetben Jelmagyaráat: CRAC Computer Room Air Conditioning (precíiós klímasekrény); F* fojtás a sabad áramlási kerestmetset csökkentésével; F fojtóelem; SZ légsûrõ; PC adatgyûjtõ sámítógép; Δp mp a mérõperemmel mért nyomáskülönbség [Pa], Δp s a sûrõn mért nyomásesés [Pa] F Magyar Épületgépéset, LX. évfolyam, 211/11. sám 9

3 L LEKTORÁLT CIKK Elsívás Álmennyeet Befúvás u ma /u [1] 1, u i [m/s], ti [ C],8,6,4,2 4. ábra. A mérés elrendeése oldalnéetben A 5. ábrán látható, tanséki gyártmányú hõdrótos mérõsonda poícionálása a síkban sámítógépes softver segítségével történik, a beállított lépéskööknek megfelelõen, a 4. ábrán látható mérési síkban. A sebesség- és hõmérsékletméréséhe alkalmaott hõdrótos mérõmûser megfelel a MSZ EN ISO :23 sabvány követelményeinek. A visgált fiikai mennyiségek mérését a MSZ EN 246:22 elõírásai alapján végetük. 5. ábra. A hõdrótos mérõsonda 5. Kiértékelés 5.1. Iotermikus légbeveetés A mérési síkon belül különböõ magasságokban ( irány) mért maimális sebességeket (u ma ) ostva a kifúvási kerestmetsetben lévõ sebességgel (u ), a /s dimenió nélküli távolság függvényében a 6. ábrán látható dimeniótlan sebességeloslást kapjuk [1], [4]. A diagramban megfigyelhetõ, hogy a befúvás köelében (/s 15) a sabadsugárban mért maimális sebesség köel aonos a befúvási sebességgel (kedeti sakas). A belépõ éltõl távolodva a lassuló sakasban a dimeniótlan sebességek csökkenése, 15 1 s / [1] 6. ábra. Dimeniótlan sebességek adott térfogatáram mellett tapastalható. A tapadási pontot követõen a mért sebességértékek ingadoása figyelhetõ meg, ami többnyire a sugár körül jelentkeõ sekunder áramlásoknak, valamint a köeli fal hatásának kösönhetõ [3]. Utóbbi legfontosabb jellemõje, hogy a falfelület görbíti a belépõ légsugár áramvonalait, aminek hatására a 3. pontban leírt módon a fal és a légsugár köött csökken a nyomás, majd a tapadási pontban megindul a levegõ feltapadása a falfelületre. A befúvás követlen köelében mért sebességprofil köel ideálisnak tekinthetõ [1], ebben a kerestmetsetben még nem jelentkeik sem a sekunder áramlások, sem pedig a fal hatása. A tapadási pontho tartoó érintkeési kerestmetsetben aonban a 7. ábrán látható asimmetrikus sebességprofilt kapjuk. A itt mért sebességértékekre jól illesthetõ a normális eloslás eloslásfüggvénye. Igen semléletes képet kapunk a helyiségben kialakuló sebességmeõ és a tapadási pont váltoásáról, ha a egyes kerestmetsetekben mért maimális sebesség helyének váltoását ábráoljuk a kifúvástól mért dimeniótlan távolság függvényében [3]. A 8. ábrán (lásd a követkeõ oldalon) megfigyelhetõ, hogy a befúvás köelében (/s 14) a maimális sebességek köel egy függõleges egyenesre esnek, tehát a beveetett levegõ itt még sabadsugárként viselkedik. Távolodva a befúvástól, a sebességértékek sóródása tapastalható, a sabadsugár tengelye elhajlik uma 28 4 [mm] köött, majd követi a nyomáscsökkenés irányát. A ábrán pirossal jelölt tapadási pontot követõen a levegõ a falfelületen kúsva halad tovább. Valamennyi mérési soroatra elkésítve a maimális sebesség helyének váltoását bemutató diagramot, meghatároható u[ m/s] 1,5 1,,5 [ mm], Sebességprofil a érintkeési kerestmetsetben F(u) 1,,5 5,,,5 1, u[ m/s] 7. ábra A érintkeési kerestmetsetben mért értékek eloslásfüggvénye 1 Magyar Épületgépéset, LX. évfolyam, 211/11. sám

4 s / [1] Iotermikus befúvás Aniotermikus befúvás s / [1] uma [mm] ábra. A maimális sebesség helyének váltoása a tapadási pont helyének váltoása a térfogatáram-csökkentés függvényeként (9. ábra). A ábrán megfigyelhetõ, hogy a térfogatáram csökkentésével a tapadási pont egyre köelebb kerül a befúvási kerestmetsethe, tehát minél kisebb a bejuttatott levegõ mennyisége, annál hamarabb megindul a légsugár feltapadása a falfelületre Aniotermikus légbeveetés Hûtött levegõ befúvása esetén megismételtük a elõõ pontban bemutatott kiértékelést, amelynek eredményeként a 9. ábrán a tapadási pont váltoását ábráoltuk a iotermikus állapottal össehasonlítva. A ábrán megfigyelhetõ, hogy a tapadási pont hol köeledik a befúvásho, hol pedig távolodik attól a térfogatáram csökkenésével. Ennek a ingadoásnak egyik oka lehet a elõmérésekhe felvett mérési pontok sámának nem megfelelõ megválastása, esetleg a sûrûségnövekedés miatti súlyerõ hatása. Hûtött légbefúvás esetén a tapadási pont váltoásának pontosabb meghatároása érdekében javasolni fogjuk a mérési pontok sámának növelését. Aniotermikus légbeveetésnél további érdekesség a befújt levegõ köepes túlhõmérsékletének váltoása a befúvástól mért dimeniótlan távolság függvényében (1. ábra) [7]. Itt ϑ a befúvási hõmérséklet és a környeeti hõmérséklet köötti különbség, ϑ m pedig a irányban mért köepes légsugár-hõmérséklet és a környeeti hõmérséklet különbsége. A ábra alapján a beveetett légsugár hõmérsékletprofilja a falfelület irányába elhajlik, követi a maimális sebesség helyének váltoását egésen a tapadási pontig, így ennek irányába tehát csökken a hõmérséklet. Látható, hogy a tapadási pont hatása nemcsak a sebesség-, hanem a hõmérsékletprofil segítségével is kimutatható. A /s 4 köötti tartományban a dimeniótlan hõmérsékletek jó köelítéssel függõleges egyenesre esnek, tehát a falra feltapadt levegõrétegben a hõmérséklet eloslása köel homogén Ferdesögû iotermikus légbeveetés 4 V [m 3/h] s / [1] , 9. ábra. A tapadási pont váltoása különböõ térfogatáramoknál,2,4,6 1. ábra. Aniotermikus sabad légsugár köepes túlhõmérséklete Ferdesögû iotermikus légbefúvásnál a falfelület irányába kényserített levegõ kedetben a falra feltapadva, aon kúsva áramlik (11. ábra). A iotermikus- és aniotermikus visgálatokkal semben itt nem tapadási-, hanem leválási pontot kell keresnünk. ahol a falon áramló levegõréteg leválik a felületrõl. A 11. ábrán megfigyelhetõ, hogy a befúvástól a leválási pontig a maimum sebességértékek függõleges egyenesre esnek. A leválási pontot követõen aonban már kevésbé egyenletes a maimális sebesség eloslása, a falról levált levegõ keveredik a helyiség levegõjével. uma [mm] A maimális sebesség helyének váltoását bemutató diagram segítségével megfigyeltük a leválási pont váltoását a térfogatáram függvényében. A 12. ábrán látható, hogy a térfogat-,8 1, 1,2 leválási pont 11. ábra. A maimális sebesség helyének váltoása ferdesögû iotermikus légbeveetésnél 1,4 2 1,6 s / [1] Magyar Épületgépéset, LX. évfolyam, 211/11. sám 11

5 áram csökkentésével a I. sakason a befúvási kerestmetset felé moog a leválási pont. A II. sakason aonban csökkenõ tendencia mutatkoik, majd egésen kis térfogatáramoknál ismételten a befúvás felé köeledik a leválási pont (III. sakas). Hasonlóan a hûtött légbefúvásnál tapastalt ingadoásho, a leválási pont váltoásának ingadoását is okohatja a mérési pontok sámának nem megfelelõ megválastása. Ennek megfelelõen a továbbiakban javaslatokat tesünk a mérési pontok és soroatok sámának növelésére a kiértékelés pontosságának és megbíhatóságának javítása érdekében. I. II. III. s / [1] 1 V [m 3/h] ábra. A leválási pont váltoása ferdesögû iotermikus befúvásnál 6. Javaslatok, további visgálati célok A kiértékelés során láttuk, hogy a elõmérések lefolytatásáho fölvett mérési pontok sáma ugyan elegendõ arra, hogy kimutassuk a sekunder áramlások és a falfelület hatását. Sintén megfelelõ volt a mérési pontok sáma a tapadási pont váltoásának visgálatára iotermikus állapotban. Mint tapastaltuk, abban a esetben, ha a leválási pont, illetve a aniotermikus tapadási pont váltoását seretnénk visgálni, már finomabb léptékeés sükséges a mérési pontok fölvételekor. Tovább növelhetõ a pontosság a mérési soroatok sámának növelésével, így a tapadási pont és a leválási pont váltoásának meghatároása is pontosabbá, megbíhatóbbá válik A falsík köelében a mérési pontok sámának növelésével lehetõség nyílik a fali légsugár vastagságának tanulmányoására. A mérõrendser alkalmas átalakításával a fali levegõréteg visgálatán túlmenõen tanulmányoható a padló köelében kialakuló légáramlás, melynek visgálatával meghatároható a sík padló légsugárra gyakorolt torlastó hatása. A mérõhelyiség kedveõ kialakításából lehetõség adódik további méréses visgálatok elvégésére a résbefúvó anemostát helyetének váltotatásával. Ebben a esetben visgálható, hogy a résbefúvó faltól különböõ távolságokban történõ elhelyeésével hogyan váltoik a tapadási és a leválási pont, a sabadsugár síksöge, valamint a fali levegõréteg vastagsága. További céljaink köött serepel a cikkben bemutatott visgálatok elvégése numerikus simuláció alkalmaásával. Ennek során a mérési eredményekkel történõ validálást követõen lehetõség nyílik olyan visgálatok lefolytatására is, amelyek a méréses módserrel csak körülményesen végehetõk el. Eek köé tartoik többek köött a áramlás viualiációja, valamint a helyiségben kialakuló sennyeõanyag-eloslás visgálata. Irodalom [1] Lajos T.: A áramlástan alapjai, 4. kiadás. Budapest, Lajos Tamás, 28. [2] Sücs Ervin: A modelleés elmélete és gyakorlata. Forrás: Modell.htm#Tartalom [3] J. Moureh, D. Flick: Airflow characteristics within a slot-ventilated enclosure. International Journal of Heat and Fluid Flow 26 (25) [4] Hsin Yua, Chung-Min Liao, Huang-Min Liang: Scale model study of airflow performance in a ceiling slot-ventilated enclosure: isothermal condition. Building and Environment 38 (23) [5] Jean Moureh, Denis Flick: Wall air jet characteristics and airflow patterns within a slot ventilated enclosure. International Journal of Thermal Sciences 42 (23) [6] Fekete Menyhárt: A légtechnika elméleti alapjai. Mûsaki Könyvkiadó, Budapest, [7] Hsin Yu, Chung-Min Liao, Huang-Min Liang, Kuo-Chih Chiang: Scale model study of airflow performance in a ceiling slot-ventilated enclosure: Non-isothermal condition. Building and Environment 42 (27) [8] Dr. Bánhidi Lásló: Épületgépéset a gyakorlatban I. kötet, 6. fejeet. Verlag Dashöfer Kiadó, Budapest, Magyar Épületgépéset, LX. évfolyam, 211/11. sám