Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Расчетные параметры и эффективность применения воздушных завес у ворот охлаждаемых помещений

А. С. Стронгин, к. т. н., главный специалист АО «ЦНИИПромзданий»

На охлаждение воздуха в кондиционируемых помещениях и технологических морозильных камерах тратится значительное количество энергии, экономия которой является актуальной задачей и имеет большой потенциал. Применение воздушных завес (ВЗХ) позволяет снизить нагрузку на холодильное оборудование, повысить срок его службы, сократить затраты электроэнергии, увеличить межсервисный интервал. Кроме того, исключаются аварийные ситуации, связанные с образованием конденсата и наледи, обеспечивается удобство перемещения для людей и транспорта.

рис.1 Эпюра давлений при отсутствии ВЗХ

Агрегаты ВЗХ размещаются, как правило, над воротами (верхняя подача), снаружи охлаждаемого помещения. Подача воздуха осуществляется под небольшим углом к плоскости проема ворот. В зависимости от конструкции ворот поток воздуха может быть направлен внутрь или наружу помещения. С нашей точки зрения, оптимальный угол подачи воздуха составляет 15–20º, а относительная ширина выпускной щели
f=H/b_о=20/50.

рис.2 Эпюра давлений при наличии ВЗХ 2

асчетные формулы ВЗХ приведены в табл. 1. Для упрощения введены значения экспериментальных коэффициентов и физических констант. В графе 4 представлены расчетные зависимости, используемые автором [1],  а в графе 5 — имеющиеся в зарубежных публикациях [2, 3].

Разность давлений в проеме определяет гравитационный напор, обусловленный разностью удельных весов воздуха снаружи и внутри помещения.

При отсутствии ВЗХ эпюра статических давлений представляет собой два треугольника (рис. 1). Холодный воздух выходит из помещения внизу проема, а теплый поступает вверху. Нейтральная линия, в соответствии с условием равенства массовых расходов воздуха, находится ниже середины высоты ворот (h_о<H/2).

При шиберовании проема струей воздушной завесы эпюра давлений перестраивается и представляет собой треугольник (рис. 2). Нейтральная линия находится у верхнего края ворот (h_о=H). Отметим, что средняя разность давлений в проеме при наличии ВЗХ больше, чем при ее отсутствии. Формула для расчета разности давлений в проеме при работе ВЗХ приведена в п. 1 табл. 1.

Табл. 1. Сводная таблица расчётных формул

Рис. 3 и 4 иллюстрируют линии тока в открытом проеме при отсутствии и наличии ВЗХ.

При отсутствии ВЗХ (рис. 3) движение воздуха происходит в режиме естественной конвекции, поступление воздуха в охлаждаемое помещение — вверху проема.

При наличии ВЗХ (рис. 4) движение воздуха происходит в режиме вынужденной конвекции, деление струи и поступление воздуха в охлаждаемое помещение — внизу проема. В помещении циркулирует только присоединенная с внутренней стороны струи масса воздуха. Снаружи циркулируют начальный расход (L_о) и присоединенная с внешней стороны струи масса воздуха.

рис.3 Линии тока при отсутствии ВЗХ 3

Динамические параметры ВЗХ (начальная скорость и расход в приточной струе) рассчитываются по формулам, приведенным в п.п. 2 и 3 табл. 1. В зарубежных источниках [2] используется понятие «модуля устойчивости» D_m , который характеризует стабильность струи ВЗХ. Величина D_m представляет собой отношение стабилизирующего фактора (импульса струи) к дестабилизирующему (разности давлений) и рассчитывается по формуле:

Для практических расчетов предлагается рассматривать диапазон D_m = 1.3/2.0

рис.4 Линии тока при наличии ВЗХ 4

Широкий диапазон значений модуля устойчивости делает его выбор затруднительным и неоднозначным. Поскольку увеличение D_m приводит к увеличению теплообмена в проеме, обычно рекомендуется принимать минимальное значение D_m =1.3 .

Модуль устойчивости связан с предложенным автором коэффициентом динамической эффективности воздушной завесы  [1] следующим простым соотношением:

D_m = 0.23/E      (2)

Табл. 2 безразмерные параметры ВЗХ

Коэффициент E определяется как следствие закона сохранения импульса для выделенного контура и позволяет получить однозначное решение для конструкции ВЗХ.

Расчетная схема динамики ВЗХ приведена на рис. 5. Выделяется контур ABCDEF, выходящий за границы проема. Закон сохранения импульса в выделенном контуре, в проекции на ось Х, выражается уравнением:

Проекцией импульса потока, проходящего через плоскости DE и FA, пренебрегаем.

Коэффициент динамической эффективности ВЗХ определяется формулой:

где  — безразмерная величина, зависящая от соотношения геометрических параметров.

Табл. 3. Сводная таблица примеров ВЗХ

Коэффициент  выражается в долях единицы и показывает, насколько эффективно используется при шиберовании проема начальный импульс струи, т. е. какая доля начального импульса переходит в противодавление.

Максимальная эффективность ВЗХ, т. е. поворот струи на уровне пола и минимальный расход воздуха, попадающего в помещение, может быть достигнута при единственно возможном, определяемом расчетом, соотношении параметров f, p,  V0 (табл. 1, п. 2, графа 4). Рассчитанные динамические параметры являются необходимым и достаточным условием обеспечения минимального теплового потока через проем ворот. Значения коэффициента E  для выбранного диапазона H/b0, а также соответствующая ему величина   D_m приведены в табл. 2, графы 2 и 3.

Формулы для расчета тепломассообмена в проеме ворот при наличии и отсутствии ВЗХ приведены в п.п. 4 ÷ 8 табл. 1.

В зарубежных источниках [3] тепловой поток через проем рассчитывается аналогично известным критериальным зависимостям для теплообмена при вынужденной конвекции, с использованием безразмерного комплекса:

Значения безразмерного комплекса, рассчитанного в работе [3] по CFD-модели, приведены в табл. 2, графа 4.

рис.5 Расчетная схема динамики ВЗХ

Нами предлагается рассчитывать тепловой поток на основе струйных закономерностей, определив массовый расход и среднюю температуру смеси воздуха, проходящего в проем. Использование струйных закономерностей дает больше информации об особенностях тепломассообменных процессов при одинаковой с зарубежными исследованиями интегральной величине теплового потока.

Приняв для функциональной зависимости (5) аппроксимирующую формулу, приведенную в работе [3], получим следующую зависимость для температурного коэффициента p:

Значения коэффициента , рассчитанные по формуле (6), приведены в табл. 2, графа 5.

Затраты энергии через проем при наличии и отсутствии ВЗХ рассчитываются по формулам табл. 1, п.п. 9 и 10. В п. 9 учитываются затраты электроэнергии на электродвигатель агрегата ВЗХ.

Эффективность ВЗХ можно оценить принятым в справочнике ASHRAE коэффициентом энергетической эффективности , величина которого рассчитывается по формуле:

Анализ формулы (7) показывает, что  n=1 означает идеальную ВЗХ (полностью  устраняющую теплопотери в проеме), а n=0 — отсутствие ВЗХ (незащищенный проем). Практически величина n не превышает значения 0,7 (n<0,7), однако возможный диапазон ее изменения составляет — 1.58<n<0.85. Отрицательная величина n указывает, что некорректный подбор ВЗХ может привести к существенному возрастанию теплообмена через проем по сравнению с ее отсутствием.

Автором предлагается также оценивать эффективность ВЗХ коэффициентом тепловой эффективности :

В отличие от n коэффициента  коэффициент  не может быть отрицательным. Его максимальная величина известна априори и приведена в табл. 2, графа 6. Фактическое значение  может быть определено путем замера полей температур в проеме и непосредственно использовано при проведении пусконаладочных работ.

Примеры расчета ВЗХ для ряда характерных случаев, встречающихся на практике, приведены в табл. 3. Результаты расчетов показывают, что, хотя массообмен в проеме ворот при действии ВЗХ несколько возрастает

,

теплообмен существенно снижается

.

Безразмерные коэффициенты эффективности составили:

Выводы

1. Корректно подобранные воздушные завесы позволяют сократить расходы теплоты через открытый проем ворот охлаждаемых помещений почти в три раза по сравнению с незащищенным проемом. Годовая экономия тепловой энергии в рассмотренных примерах, в соответствии с размерами ворот и разностью температур, составила 14 700 ÷ 57 890 кВт·ч/в год.
2. Для расчета параметров ВЗХ рекомендуется использовать функциональные зависимости и константы, приведенные в табл. 1 и 2.
3. Для оценки эффективности применения ВЗХ следует использовать безразмерные коэффициенты динамической, энергетической и тепловой эффективности ().

Литература

1. Гримитлин А. М. Воздушные завесы для зданий и технологических установок. Учебное пособие. / А. М. Гримитлин, А. С. Стронгин // «Лань», Санкт-Петербург, 2018.
2. Foster, A. Three-dimensional effects of an air curtain used to restrict cold room infiltration. / A. Foster, M.J. Swain, R. Barrett, P. D’Agaro, L. Ketteringham, S. J. James // Applied Mathematical Modelling, 31 (6), 2007.
3. Verhaeghe, G. Study of air curtains used to restrict infiltration into refrigerated rooms. / G. Verhaeghe, M. V. Belleghem, A. Willockx, I. Verhaert, M. D. Paepe // Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics. 7th International Conference. January 2010. Proceedings.

Скачать статью в pdf-формате: Расчетные параметры и эффективность применения воздушных завес у ворот охлаждаемых помещений