Сопло лаваля для охлаждения воздуха в системе вентиляции: Сопло лаваля для охлаждения воздуха в системе вентиляции

Содержание

Сопло лаваля для вентиляции


Исследование сопла Лаваля

Цель работы

Выполнить численное моделирование движения воздушного потока внутри сопла Лаваля.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

  • создать 3D модель сопла

  • выполнить продувку сопла с помощью SW Flow Simulation

  • проанализировать полученные результаты

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Сопло Лаваля (или сужающееся-расширяющееся сопло) представляет собой канал, суженный в середине, имеющий вид песочных часов. Служит для ускорения газового потока, проходящего через него, до скоростей выше скорости звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных двигателей.

Сопло было разработано в 1890 г. веке шведским изобретателем Гюставом де Лавалем.

Работа сопла основана на различных свойствах газового потока на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Скорость дозвукового потока будет увеличиваться по мере сужения канала, так как массовый расход является постоянным. Поток газа в в сопле Лаваля является изоэнтропным (энтропия газа примерно постоянна). На дозвуковых скоростях газовый поток является сжимаемым; звук (волна малого давления), будет распространяться через такой поток. Вблизи «горлышка» сопла, где площадь сечения наименьшая, локальная скорость газа становится звуковой (число Маха М =1) Как только площадь сечения сопла начинает увеличиваться, газ продолжает расширяться и газовый поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, где звуковая волна не проходит в обратную сторону через газ (М > 1).

Сопло Лаваля будет действовать лишь в том случае, если массовый расход через сопло достаточен, в противном случае сверхзвуковая скорость достигнута не будет. К тому же, давление газа на выходе из расширяющейся части сопла не должно быть слишком малым. Так как давление не может передаваться против сверхзвукового течения, выходное давление может быть значительно ниже давления окружающей среды в которую истекает газ, но если оно слишком мало, тогда поток перестанет быть сверхзвуковым, либо поток будет разделяться в расширяющейся части сопла, образуя нестабильный поток, который может «хлопать» в сопле, и вызвать его повреждения. На практике, давление окружающей среды должно быть не более, чем в 2,7 раза выше давления в сверхзвуковом газе, при этом условии сверхзвуковой поток сможет покинуть сопло.

Для математического описания движения газа используется уравнение состояния идеального газа и уравнение Эйлера. Из них можно вывести такое ключевое уравнение:

(1)

где величины ихарактеризуют относительную степень изменяемости по координатех плотности газа и его скорости соответственно. Причем уравнение (1) показывает, что соотношение между этими величинами равно квадрату числа Маха (знак минус означает противоположную направленность изменений: при возрастании скорости плотность убывает). Таким образом, на дозвуковых скоростях (М 1) – наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.

Поскольку массовый расход газа постоянен:

,

где A – площадь местного сечения сопла, то

.

дифференцируя обе части этого уравнения по х, получаем:

(2)

После подстановки из (1) в (2), получаем окончательно:

(3)

Из (3) видно, что при увеличении скорости газа в сопле знак выражения положителен и, следовательно, знак производнойопределяется знаком выражения.

Из чего можно сделать следующие выводы:

  • При дозвуковой скорости газа (M

  • При сверхзвуковой скорости газа (M > 1), производная  – сопло расширяется.

  • При движении газа со скоростью звука (M = 1), производная – площадь поперечного сечения достигаетэкстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.

Итак, на сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.

Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70%, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на большой скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление p снижаются, а скорость V возрастает

Порядок выполнения работы

  1. Создание твердотельной модели сопла в SW:

Порядок создания модели сопла:

Рисуем ось длиной 100 мм

Рисуем сплайном контур сопла

Замыкаем контур двумя отрезками

Форма сплайна задается произвольно, главное, чтобы по форме контур сплайна был похож на сопло Лаваля.

Последовательность продувки такая же, как в предыдущей работе.

Сначала с помощью мастера проекта задаются общие параметры численного эксперимента, такие как тип задачи (внутренняя), тип текучей среды (воздух, с большими числами Маха) и т.д. Большинство параметров остаются такими же, как они заданы по умолчанию.

Задаются граничные условия:

Вход: тип – «Расход/Скорость» и «Скорость на входе», величина скорости 200 м/с.

Выход: тип – «Давление» и «Давление окружающей среды».

Цели расчета можно не задавать.

Запуск расчета. Процесс расчета можно приостановить, чтобы понаблюдать за сходимостью решения.

  1. Анализ полученных результатов:

Строятся следующие картины в сечениях:

Картина давления на поверхности сопла:

Траектории потока:

Также средствами Flow Simulation можно построить графики, показывающие распределение какого-либо параметра вдоль оси, а потом экспортировать эти графики в MS Excel.

Предварительно строим осевую линию сопла как трехмерный эскиз . Длина осевой линии равна длине сопла, т.е. 100 мм.

График изменения скорости по длине сопла График изменения давления по длине сопла

График изменения температуры по длине сопла График изменения числа

Сопло лаваля принцип работы

Сопло Лаваля

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей.

Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине.

Принцип работы сопла Лаваля

По мере движения газа по соплу его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает.

Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения.

КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %. М – число Маха (скорость звука).

На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М < 1). В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями (М > 1).

Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Диффузор по длине всегда больше конфузора. Иногда длина диффузора превышает длину конфузора в 250 раз. Удлинение диффузора способствует увеличению скорости истечения газа из сопла, а соответственно и тяги.

Элементарная теория сопла Лаваля

Влияние сжимаемости на форму трубок тока.

Рассмотрим, как влияет сжимаемость на форму трубок тока при установившемся движении газа. Предположим, что трубка тока тонкая, и характеристики движения в разных точках каждого сечения одинаковы. Пусть – площадь произвольного поперечного сечения трубки тока, причем сечение перпендикулярно к скорости движения частиц газа.

Если жидкость однородная и несжимаемая, то из уравнения неразрывности следует, что массовый и объемный расходы через трубку тока постоянны, т.е. ; и

,

т.е. чем больше скорость, тем меньше сечение.

В этом случае вдоль трубки должен сохраняться только массовый расход жидкости , откуда

. (7.39)

Для сжимаемой жидкости плотность зависит от скорости. Для обратимых адиабатических течений совершенного газа

.

Подставляя это выражение в (7.39), можно получить зависимость и найти форму трубок тока. График приведен на рис. 7.15.

Кривая имеет две асимптоты: и .

Определим форму трубок тока для любых (не адиабатических) движений идеальной сжимаемой жидкости. Вычислим .

Спроектируем уравнение движения Эйлера на линию тока и при установившемся движении

,

где вдоль линии тока. Для адиабатических движений, как было указано ранее, совпадает со скоростью звука, определяемой как (в общем случае величина отлична от скорости звука, но в последующем для неадиабатических движений играет роль скорости звука). Таким образом, вдоль линии тока имеем

. (7.40)

Отсюда

. (7.41)

Видно, что с ростом скорости, когда , величина растет при дозвуковых скоростях и убывает при сверхзвуковых скоростях . В точке, в которой , т.е. , величина имеет максимум (рис. 7.16).

Таким образом, в дозвуковом потоке поперечное сечение трубки тока с ростом скорости уменьшается. Максимальная скорость, которая может быть достигнута при дозвуковом потоке в сужающейся трубке тока, равна скорости звука.

В сверхзвуковом потоке , если скорость потока вдоль трубки растет, то убывает, и трубка тока расширяется. Если скорость сверхзвукового потока вдоль трубки убывает, то растет и поперечное сечение уменьшается, следовательно, поток в сужающемся канале замедляется.

 
 

Насадок, состоящий только лишь из сужающегося участка (рис. 7.17), называется простым соплом. Наибольшая скорость, которую можно получить, выпуская адиабатически газ через простое сопло, равна скорости звука, которая достигается в наиболее узком сечении (на срезе сопла).

 
 

Пусть имеется большой сосуд (рис. 7.18), заполненный газом, который может вытекать из него через простое сопло в пространство с давлением . Величина называется противодавлением. Значения характеристик течения на срезе сопла обозначим через , а в сосуде далеко от насадка – через . Примем, что . Понятно, что если , то течения в сопле не будет.

Рассмотрим, как зависит массовый расход газа через сопло от отношения давлений при постоянных значениях температуры и давления в сосуде, когда отсутствует теплообмен между газом и окружающей средой.

 
 

Если , то (этому случаю соответствует точка на рис. 7.19). При скорость течения в сопле будет дозвуковой, и наибольшее значение скорости будет достигаться на срезе сопла (например, в точке ). При дальнейшем уменьшении скорость на срезе сопла, оставаясь дозвуковой, будет увеличиваться.

При некотором значении скорость на срезе сопла станет равной местной скорости звука . При этом критические значения плотности и давления, согласно (7.30) и (7.34), равны:

(7.42)

На основе экспериментальных данных известно, что до тех пор, пока , давление на срезе сопла практически совпадает с противодавлением . Поэтому при достижении в минимальном сечении скорости звука можно считать, что

. (7.43)

При на основе (7.43) получим, что (точка на рис. 7.19).

Критический расход, согласно (7.30) и (7.42), будет равен

(7.44)

При дальнейшем понижении противодавления течение внутри сопла перестает меняться, и расход также остается неизменным и равным критическому. Неизменность расхода объясняется тем, что слабые возмущения (а значит, и небольшие изменения противодавления) распространяются по частицам среды со скоростью звука. Поэтому при достижении критического режима (когда сами частицы на срезе сопла имеют скорость, равную скорости звука) частицы, находящиеся внутри сопла, “не знают” о том, что происходит вне сопла (возмущения сносятся потоком частиц газа, и поток как бы запирает сопло).

Замечание. Изменение противодавления будет сказываться на течении газа вне сопла: в свободной струе вне сопла скорость при понижении может стать сверхзвуковой, но поток в свободной струе не будет однородным (скорость в потоке существенно меняется по сечению струи).

При истечении сжимаемого газа из тонкого отверстия скорость потока, как было показано выше, не может быть больше скорости звука. Достижение сверхзвуковой скорости истечения, как показали опыты Г. Лаваля (1845 – 1913), получается только при изменении конфигурации отверстия. В его экспериментах скорость истечения превышала скорость звука тогда, когда на выходе из сосуда устанавливалась специальная насадка, которая впоследствии была названа соплом Лаваля.

Сопло представляет собой короткий участок трубки переменного сечения с постепенным сужением, переходящим в расширение (рис. 7.20). Поток, попадая в узкое сечение, достигает минимальной скорости. С переходом в расширяющуюся часть трубки скорость растет, достигая сверхзвуковых значений. Такой характер изменения скорости газа при движении через сопло Лаваля можно обосновать, анализируя уравнение неразрывности сжимаемого газа и уравнение Эйлера для одномерного стационарного течения идеального газа.

 
 

Уравнение неразрывности в трубке переменного сечения можно записать так:

. (7.45)

Уравнение Эйлера (для одномерного движения) имеет вид

. (7.46)

Дифференцируя (7.45) по координате , имеем

(7.47)

Деля все члены (7.47) на , получаем

(7.48)

Считая течение адиабатическим и баротропным, из уравнения состояния находим

Тогда (7.48) можно переписать в виде

Подставляя сюда из уравнения Эйлера (7.46), получим

. (7.49)

Уравнение (7.49) получено А. Гюгонио (1851 – 1887) и носит его имя. На основе (7.49) можно получить следующее заключение о характере изменения скорости в суживающихся и расширяющихся каналах.

При , изменение скорости и сечения имеют разные знаки. Если сечение уменьшается, скорость увеличивается. Когда сечение увеличивается, скорость уменьшается. Такая картина хорошо известна и подтверждается в дозвуковых потоках.

При , скорость и сечение изменяются с одинаковым знаком. Если площадь сечения увеличивается, то скорость потока увеличивается. Когда сечение уменьшается, то скорость также уменьшается.

Такая ситуация при числах Маха, больших единицы, когда течение сверхзвуковое, представляется на первый взгляд парадоксальным. Однако такое несоответствие с реальностью устраняется благодаря тому, что при расширении газа его плотность уменьшается настолько заметно, что произведение плотности на площадь сечения, несмотря на рост площади, все же уменьшается, что и приводит к росту скорости с увеличением площади сечения. Следовательно, сверхзвуковой поток расширяется противоположно дозвуковому. Чтобы увеличить его скорость, трубку следует расширить.

При числах Маха, равных единице, скорость потока, равную скорости звука, можно получить только в минимальном сечении трубки. В максимальном сечении значение числа Маха, равное единице, не достигается, поскольку при расширении сечения скорость в дозвуковом потоке падает, а в сверхзвуковом – растет. Поэтому скорость течения, равную скорости звука, в наибольшем сечении получить невозможно. Таким образом, для получения в сопле скоростей течения газа, превышающих сверхзвуковые значения, сопло следует сначала сузить для достижения звуковой скорости, а затем расширить для дальнейшего увеличения скорости выходящего из него газа.

Результаты исследований законов сверхзвуковых течений газа в трубах переменного сечения оказали существенное влияние на развитие ракетной техники и космонавтики, а также лежат в основе конструкции аэродинамических труб, используемых для испытания сверхзвуковых летательных аппаратов.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Сопло Лаваля

Сопло Лаваля.

 

 

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине.

 

Описание сопла Лаваля

Принцип работы сопла Лаваля

 

Описание сопла Лаваля:

Сопло Лаваля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Сопло было впервые предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а потому и названо по имени его изобретателя. Затем в 1913 г. Р. Годдардом подана заявка на изобретение на применение сопла Лаваля в двухступенчатой твердотопливной ракете. В настоящее время сопло Лаваля широко используется на некоторых типах паровых турбин, в ракетных двигателях и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателях.

Позже это явление – ускорение газа до сверхзвуковых скоростей нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики и соответствующих газодинамических расчетов.

 

Принцип работы сопла Лаваля:

Ниже на иллюстрации показана работа сопла Лаваля.

Сопло Лаваля

По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %. М – число Маха (скорость звука).

На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М < 1). В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями (М > 1).

Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором. Диффузор по длине всегда больше конфузора. Иногда длина диффузора превышает длину конфузора в 250 раз. Удлинение диффузора способствует увеличению скорости истечения газа из сопла, а соответственно и тяги.

 

Источник: //ru.wikipedia.org/wiki/Сопло_Лаваля

 

© Фото //www.pexels.com, //pixabay.com, //ru.wikipedia.org/wiki/Сопло_Лаваля

 

карта сайта

скорость истечения расчет работа истечение из сопла лаваля
сопло лаваля принцип работы чертеж купить температура для воздуха своими руками формулы для воды калькулятор википедия размеры

 

Коэффициент востребованности 870

Исследование сопла Лаваля

Цель работы

Выполнить численное моделирование движения воздушного потока внутри сопла Лаваля.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

  • создать 3D модель сопла

  • выполнить продувку сопла с помощью SW Flow Simulation

  • проанализировать полученные результаты

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Сопло Лаваля (или сужающееся-расширяющееся сопло) представляет собой канал, суженный в середине, имеющий вид песочных часов. Служит для ускорения газового потока, проходящего через него, до скоростей выше скорости звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных двигателей.

Сопло было разработано в 1890 г. веке шведским изобретателем Гюставом де Лавалем.

Работа сопла основана на различных свойствах газового потока на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Скорость дозвукового потока будет увеличиваться по мере сужения канала, так как массовый расход является постоянным. Поток газа в в сопле Лаваля является изоэнтропным (энтропия газа примерно постоянна). На дозвуковых скоростях газовый поток является сжимаемым; звук (волна малого давления), будет распространяться через такой поток. Вблизи «горлышка» сопла, где площадь сечения наименьшая, локальная скорость газа становится звуковой (число Маха М =1) Как только площадь сечения сопла начинает увеличиваться, газ продолжает расширяться и газовый поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, где звуковая волна не проходит в обратную сторону через газ (М > 1).

Сопло Лаваля будет действовать лишь в том случае, если массовый расход через сопло достаточен, в противном случае сверхзвуковая скорость достигнута не будет. К тому же, давление газа на выходе из расширяющейся части сопла не должно быть слишком малым. Так как давление не может передаваться против сверхзвукового течения, выходное давление может быть значительно ниже давления окружающей среды в которую истекает газ, но если оно слишком мало, тогда поток перестанет быть сверхзвуковым, либо поток будет разделяться в расширяющейся части сопла, образуя нестабильный поток, который может «хлопать» в сопле, и вызвать его повреждения. На практике, давление окружающей среды должно быть не более, чем в 2,7 раза выше давления в сверхзвуковом газе, при этом условии сверхзвуковой поток сможет покинуть сопло.

Для математического описания движения газа используется уравнение состояния идеального газа и уравнение Эйлера. Из них можно вывести такое ключевое уравнение:

(1)

где величины ихарактеризуют относительную степень изменяемости по координатех плотности газа и его скорости соответственно. Причем уравнение (1) показывает, что соотношение между этими величинами равно квадрату числа Маха (знак минус означает противоположную направленность изменений: при возрастании скорости плотность убывает). Таким образом, на дозвуковых скоростях (М < 1) плотность меняется в меньшей степени, чем скорость, а на сверхзвуковых (M > 1) – наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.

Поскольку массовый расход газа постоянен:

,

где A – площадь местного сечения сопла, то

.

дифференцируя обе части этого уравнения по х, получаем:

(2)

После подстановки из (1) в (2), получаем окончательно:

(3)

Из (3) видно, что при увеличении скорости газа в сопле знак выражения положителен и, следовательно, знак производнойопределяется знаком выражения.

Из чего можно сделать следующие выводы:

  • При дозвуковой скорости газа (M < 1), производная  – сопло сужается

  • При сверхзвуковой скорости газа (M > 1), производная  – сопло расширяется.

  • При движении газа со скоростью звука (M = 1), производная – площадь поперечного сечения достигаетэкстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.

Итак, на сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.

Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70%, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на большой скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление p снижаются, а скорость V возрастает

Порядок выполнения работы

  1. Создание твердотельной модели сопла в SW:

Порядок создания модели сопла:

Рисуем ось длиной 100 мм

Рисуем сплайном контур сопла

Замыкаем контур двумя отрезками

Форма сплайна задается произвольно, главное, чтобы по форме контур сплайна был похож на сопло Лаваля.

  1. Продувка сопла:

Последовательность продувки такая же, как в предыдущей работе.

Сначала с помощью мастера проекта задаются общие параметры численного эксперимента, такие как тип задачи (внутренняя), тип текучей среды (воздух, с большими числами Маха) и т.д. Большинство параметров остаются такими же, как они заданы по умолчанию.

Задаются граничные условия:

Вход: тип – «Расход/Скорость» и «Скорость на входе», величина скорости 200 м/с.

Выход: тип – «Давление» и «Давление окружающей среды».

Цели расчета можно не задавать.

Запуск расчета. Процесс расчета можно приостановить, чтобы понаблюдать за сходимостью решения.

  1. Анализ полученных результатов:

Строятся следующие картины в сечениях:

Картина давления на поверхности сопла:

Траектории потока:

Также средствами Flow Simulation можно построить графики, показывающие распределение какого-либо параметра вдоль оси, а потом экспортировать эти графики в MS Excel.

Предварительно строим осевую линию сопла как трехмерный эскиз . Длина осевой линии равна длине сопла, т.е. 100 мм.

График изменения скорости по длине сопла График изменения давления по длине сопла

График изменения температуры по длине сопла График изменения числа Маха по длине сопла

Контрольные вопросы

  1. Что такое сопло Лаваля?

  2. В каких устройствах сопло Лаваля нашло применение?

  3. В чем принцип работы сопла?

  4. Условия функционирования сопла?

  5. На чем основывается математическое описание процессов, происходящих в сопле?

  6. В чем физический смысл уравнений (1) и (3)?

  7. Что такое докритический, критический и закритический участки?

  8. Чему равен КПД сопла Лаваля?

  9. Согласуются ли результаты решения с теоретическими данными? Показать на конкретных примерах.

Самостоятельная работа №3

Сопло Лаваля. Конструкция и режимы его работы

Сверхзвуковая скорость W>Wзв. может быть получена в сопле, состоящем из суживающейся и расширяющейся части. Такое сопло называется соплом Лаваля по имени его создателя (рис.1).

Рисунок 1

Сужающаяся часть служит для ускорения дозвукового потока газа.

В соответствии с уравнением Гюгонио, в сужающейся части газ может разогнаться до критической скорости в самом узком сечении, в критическом. В расширяющейся части должно происходить дальнейшее ускорение газа до сверхзвуковых скоростей. Течение газа в сужающейся части подчиняется тем же законам, что и в простом сопле.

Режим работы сопла Лаваля

При Р1а (атмосферном давлении) движения газа нет. С увеличением Р1 перед соплом скорости вдоль всего сопла дозвуковые, т. е. скорость в расширяющейся части падает, а давление растет.

Дальнейшее повышение давления перед соплом приводит к тому, что за горловиной скорость газа становится выше скорости звука и давление его падает.

При достаточно высоком значении Р1 давления хватает ровно настолько, чтобы к выходу из сопла давление плавно выровнялось с атмосферным. Вместе с непрерывным падением давления непрерывно растет скорость. Режим при котором в свехзвуковом сопле происходит непрерывное уменьшение давления от Р1 до Ра называется расчетным. Для конкретного сопла существует единственное значение , при котором оно работает в расчетном режиме и Р2а.

Режимы, при которых относительное давление слишком велико, чтобы обеспечить сверхзвуковую скорость именно на срезе сопла называют нерасчетными, а сопла, работающие в этих режимах – перерасширенными.

Обычно сужающуюся и расширяющуюся части сопла Лаваля выполняют коническими. Сопряжение конусов закругляют так, чтобы проходное сечение было равно критическому. Центральный угол сужения не имеет существенного значения и обычно равен 60–900. Угол раскрытия расширяющейся части предусматривают 8–120.

Сопла Лаваля рассчитывают таким образом, чтобы скорость в самом узком сечении его была критической, а в расширяющейся части превосходила звуковую, постепенно возрастая по мере приближения к выходному отверстию сопла. Если скорость в критическом сечении сопла fкр. будет меньше критической, то в расширяющейся части будет уменьшаться, а не увеличиваться, т. е. будет изменяться также, как и в обычном сопле.

В сопле Лаваля выравнивание (уменьшение) давления в критическом сечении до Ра происходит не за соплом, а в расширяющейся части сопла, и сопровождается увеличением скорости истечения. Соответственно возрастает кинетическая энергия струи, которая используется для совершенствования полезной работы. В этом преимущество сопла Лаваля перед обычным соплом.

Максимум полезно используемой энергии достигается при условии, что длина расширяющейся части сопла Лаваля не больше и не меньше, чем это требуется для полного выравнивания (уменьшения) давления.

Если это условие не выполняется, то эффективность применения сопла Лаваля уменьшается. Характеристики истечения из сопла Лаваля:

Скорость,м/с

; (1.47)

масса, кг/с

; (1.48)

площадь сечения, м2

. (1.49)

Сопла Лаваля широко применяются в металлургии, например при создании кислородных фурм для конверторов.

 

Лекция 7:


Похожие статьи:

4. Сопло Лаваля. Конструкция и режимы его работы

Сверхзвуковая скорость WWзв. может быть получена в сопле, состоящем из суживающейся и расширяющейся части. Такое сопло называется соплом Лаваля по имени его создателя (рис.1).

Рисунок 1

Сужающаяся часть служит для ускорения дозвукового потока газа.

В соответствии с уравнением Гюгонио, в сужающейся части газ может разогнаться до критической скорости в самом узком сечении, в критическом. В расширяющейся части должно происходить дальнейшее ускорение газа до сверхзвуковых скоростей. Течение газа в сужающейся части подчиняется тем же законам, что и в простом сопле.

Режим работы сопла Лаваля

При Р1а (атмосферном давлении) движения газа нет. С увеличением Р1 перед соплом скорости вдоль всего сопла дозвуковые, т. е. скорость в расширяющейся части падает, а давление растет.

Дальнейшее повышение давления перед соплом приводит к тому, что за горловиной скорость газа становится выше скорости звука и давление его падает.

При достаточно высоком значении Р1 давления хватает ровно настолько, чтобы к выходу из сопла давление плавно выровнялось с атмосферным. Вместе с непрерывным падением давления непрерывно растет скорость. Режим при котором в свехзвуковом сопле происходит непрерывное уменьшение давления от Р1 до Ра называется расчетным. Для конкретного сопла существует единственное значение , при котором оно работает в расчетном режиме и Р2а.

Режимы, при которых относительное давление слишком велико, чтобы обеспечить сверхзвуковую скорость именно на срезе сопла называют нерасчетными, а сопла, работающие в этих режимах – перерасширенными.

Обычно сужающуюся и расширяющуюся части сопла Лаваля выполняют коническими. Сопряжение конусов закругляют так, чтобы проходное сечение было равно критическому. Центральный угол сужения не имеет существенного значения и обычно равен 60–900. Угол раскрытия расширяющейся части предусматривают 8–120.

Сопла Лаваля рассчитывают таким образом, чтобы скорость в самом узком сечении его была критической, а в расширяющейся части превосходила звуковую, постепенно возрастая по мере приближения к выходному отверстию сопла. Если скорость в критическом сечении сопла fкр. будет меньше критической, то в расширяющейся части будет уменьшаться, а не увеличиваться, т. е. будет изменяться также, как и в обычном сопле.

В сопле Лаваля выравнивание (уменьшение) давления в критическом сечении до Ра происходит не за соплом, а в расширяющейся части сопла, и сопровождается увеличением скорости истечения. Соответственно возрастает кинетическая энергия струи, которая используется для совершенствования полезной работы. В этом преимущество сопла Лаваля перед обычным соплом.

Максимум полезно используемой энергии достигается при условии, что длина расширяющейся части сопла Лаваля не больше и не меньше, чем это требуется для полного выравнивания (уменьшения) давления.

Если это условие не выполняется, то эффективность применения сопла Лаваля уменьшается. Характеристики истечения из сопла Лаваля:

Скорость,м/с

; (1.47)

масса, кг/с

; (1.48)

площадь сечения, м2

. (1.49)

Сопла Лаваля широко применяются в металлургии, например при создании кислородных фурм для конверторов.

Вентиляционные системы для охлаждения | Министерство энергетики

Вентиляция является наименее дорогим и наиболее энергоэффективным способом охлаждения зданий. Вентиляция работает лучше всего в сочетании с методами, позволяющими избежать накопления тепла в вашем доме. В некоторых случаях естественной вентиляции будет достаточно для охлаждения, хотя обычно ее необходимо дополнить точечной вентиляцией, потолочными вентиляторами и оконными вентиляторами. Для больших домов домовладельцы могли бы хотеть исследовать целых поклонников дома.

Внутренняя вентиляция неэффективна в жарком и влажном климате, где колебания температуры между днем ​​и ночью невелики.В этих климатических условиях естественная вентиляция вашего чердака (часто требуемая строительными нормами) поможет сократить использование вами кондиционеров, и вентиляторы на чердаке также могут оказаться полезными. Тем не менее, альтернативный подход заключается в том, чтобы запечатать чердак и сделать его частью кондиционированного пространства в вашем доме, поместив изоляцию на внутренней части крыши, а не на полу чердака. Закрытые чердаки более выполнимы при строительстве нового дома, но могут быть модифицированы в существующем доме.

Понимание роли проводимости, конвекции, излучения и пота.

Предотвращение накопления тепла

Сохранение наружного тепла снаружи, предотвращение тепловыделения и использование точечной вентиляции может помочь сохранить ваш дом прохладным в жаркие дни.

Чтобы избежать накопления тепла в вашем доме, планируйте заранее, благоустроив участок в тени вашего дома. Если вы замените крышу, используйте материал светлого цвета, чтобы она отражала тепло. Изолируйте ваш дом, по крайней мере, до рекомендуемых уровней, чтобы не допустить перегрева, и рассмотрите возможность использования излучающего барьера.

В жаркие дни, когда температура наружного воздуха выше, чем температура в вашем доме, плотно закройте все окна и наружные двери.Также установите шторы или другие оконные процедуры и закройте шторы. Шторы помогут заблокировать не только прямой солнечный свет, но и излучаемое тепло снаружи, а изолированные шторы уменьшат теплопроводность вашего дома через окна.

Приготовление пищи может быть основным источником тепла в доме. В жаркие дни избегайте использования духовки; готовьте на плите, или, еще лучше, используйте только микроволновую печь. При приготовлении пищи на плите или в духовке используйте точечную вентиляцию вытяжного шкафа, чтобы отвести тепло от дома (это засосет немного горячего наружного воздуха в ваш дом, поэтому не переусердствуйте).Приготовление на гриле на открытом воздухе – отличный способ избежать готовки в помещении и, конечно же, пойти куда-нибудь поесть или заказать еду на вынос.

Купание, стирка белья и другие виды деятельности также могут подавать тепло в ваш дом. Когда вы принимаете душ или принимаете ванну, используйте точечную вентиляцию вентилятора в ванной комнате, чтобы убрать тепло и влагу из вашего дома. Ваша прачечная может также выиграть от точечной вентиляции. Если вы используете электрическую сушилку, убедитесь, что она вентилируется снаружи (в целях безопасности газовые сушилки всегда следует вентилировать снаружи).Если вы живете в более старом доме с отстойником, в который стекает ваше белье, сливайте из него отстойник после запуска любых нагрузок в горячей воде (или еще лучше, избегайте использования горячей воды для стирки).

Наконец, избегайте любых действий, которые выделяют много тепла, таких как запуск компьютера, сжигание открытого огня, запуск посудомоечной машины и использование горячих устройств, таких как щипцы для завивки или фены. Даже стереосистемы и телевизоры добавят тепла вашему дому.

В некоторых частях Соединенных Штатов естественной конвекции и прохладного бриза достаточно, чтобы сохранить дома прохладным.

Вентиляторы, которые циркулируют в вашем доме, могут повысить ваш уровень комфорта. Вентиляторы окон потребляют относительно мало электричества и обеспечивают достаточное охлаждение для домов во многих частях страны.

Для больших домов вентилятор всего дома обеспечивает отличную вентиляцию для достижения более низких температур в помещении. Для домов с воздуховодами альтернативный подход использует эти воздуховоды для подачи вентиляционного воздуха по всему дому.

Вентиляция

Системы вентиляции и обработки воздуха – скорости воздухообмена, воздуховоды и перепады давления, диаграммы и диаграммы и многое другое

Воздух – Высота над уровнем моря, плотность и удельный объем

Плотность и удельный объем воздуха зависят от высоты над уровнем моря

Коэффициент воздухообмена

Рассчитать скорость воздухообмена – уравнения в имперских единицах и единицах СИ

Коэффициент воздухообмена в типичных комнатах и ​​зданиях

Свежий воздух или подпиточный воздух – требования – рекомендуемые скорости воздухообмена – ACH – для типичных комнат и здания – аудитории, кухни, церкви и многое другое

Воздушные завесы и воздушные экраны

Воздушные завесы или воздушные завесы в открытых дверных проемах используются для поддержания приемлемого внутреннего комфорта в зданиях

Компоненты воздуховодов и незначительные коэффициенты динамических потерь

Незначительные потери – давление или потеря напора – коэффициенты для системы распределения воздуховодов s

Воздуховоды – Диаграмма потери трения

Диаграмма основных потерь для воздуховодов – Имперские единицы измерения 10 – 100 000 куб. футов в минуту

Воздуховоды – Диаграмма потери трения

Диаграмма основных потерь для воздуховодов – в пределах имперских единиц 10 000 – 400 000 кубических футов в минуту

Воздуховоды – Диаграмма потерь на трение

Диаграмма основных потерь для воздуховодов – Единицы SI

Воздуховоды – Размер

Поток воздуха и необходимая площадь воздуховода

Воздуховоды – температура, давление и Потеря трения

Влияние температуры и давления воздуха на потери трения в воздуховодах

Воздуховоды – Диаграмма скорости

Объем воздушного потока, размер воздуховода, скорость и динамическое давление

Диаграммы коэффициента незначительных потерь в воздуховодах

Диаграммы коэффициента незначительных потерь для воздуха воздуховоды, отводы, расширения, впускные и выпускные отверстия – агрегаты SI

Воздушный фильтр Arrestanc e and Efficiency

Эффективность и степень защиты воздушных фильтров

Воздушный поток и скорость из-за естественной тяги

Воздушный поток – объем и скорость – из-за эффекта дымовой трубы или дымовой трубы, вызванного разницей между температурой горячего и наружного холода внутри помещения

Системы воздушного отопления

Использование воздуха для обогрева зданий – диаграмма повышения температуры

Воздухозаборники и выпускные отверстия

Системы вентиляции – воздухозаборники и выпускные отверстия – практические рекомендации

Воздухозаборники – размеры и емкость

Размер и мощность воздухозаборника

ASHRAE – Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха

Стандарты ASHRAE

Вентиляторы с ременным приводом – Скорость двигателя и вентилятора

Скорость вентилятора и скорость двигателя

Передачи ремня – Длина и скорость ремня

Длина и скорость ремня и ременной передачи

Carbon Di Концентрации оксида в помещениях с людьми

Концентрация углекислого газа в помещении может указывать на качество воздуха и эффективность системы вентиляции.

Окись углерода и воздействие на здоровье

Воздействие окиси углерода – CO и воздействие на здоровье

Циркуляры – Размеры

Размеры круглых вентиляционных воздуховодов

Классификация вентиляционных заслонок

Заслонки в вентиляционных системах могут быть классифицированы по функции, конструкции или классу утечки

Классификация вентиляционных систем

Системы вентиляции могут быть классифицированы по функциям, стратегиям распределения или по Принципы вентиляции

Чистые помещения – Федеральный стандарт 209

Чистые помещения поддерживаются практически без загрязнений, таких как пыль или бактерии.

Чистые помещения – стандарт ISO 14644

Ограничения класса чистых помещений в соответствии с ISO Стандарт 14644-1

Уравнение Коулбрука

Рассчитать коэффициенты потерь на трение в трубах, трубах и каналах

Проектирование систем вентиляции

Процедура расчета систем вентиляции – скорости воздушного потока, тепловые и охлаждающие нагрузки, сдвиги воздуха в зависимости от пассажиров, подача воздуха принципы

Размеры воздуховодов – метод равного трения

Метод равного трения для определения размеров воздуховодов прост и понятен в использовании

Скорость воздуховода

Расчет скоростей в круглых и прямоугольных воздуховодах – в единицах измерения и единицах СИ – онлайн-калькулятор

Воздуховоды – Диаметр и площадь поперечного сечения

Круглые воздуховоды и площади поперечного сечения

Воздуховоды – Датчики из листового металла

Датчики из листового металла, используемые в воздуховоде

Определение размеров воздуховодов – Метод уменьшения скорости

Метод уменьшения скорости можно использовать для калибровки размеров воздуховоды

воздуховод Классы уплотнений ork

Воздуховоды, подверженные утечкам воздуха

Опора воздуховодов

Опора воздуховодов и рекомендуемое расстояние между подвесками

Уравнение энергии – Потеря напора в воздуховодах, трубах и трубах

Потеря давления и напора в воздуховодах, трубах и трубах

Эквивалентный диаметр

Преобразование геометрии прямоугольных и овальных воздуховодов в эквивалентный круговой диаметр – онлайн-калькулятор с имперскими и SI-единицами

Эквивалентный диаметр – прямоугольные и круглые воздуховоды HVAC

Эквивалентный диаметр для прямоугольных и круглых воздуховодов – воздушный поток между 100 – 50000 куб. Футов в минуту

Эвакуация воздуха – минимальные скорости захвата во избежание попадания продуктов загрязнения в помещение

Скорость захвата во избежание попадания загрязняющих веществ из гальванических ванн, коробок с окраской распылением и других загрязняющих окружающую среду и помещение

вытяжных зонтов

Определение размеров вытяжных колпаков – объемный расход воздуха и скорости захвата – онлайн калькулятор вытяжных колпаков

Выхлопные патрубки – Улавливание скоростей воздуха

Захват скорости воздуха перед выходным патрубком – онлайн выходной калькулятор скорости выпуска

Законы сродства вентиляторов

Законы сродства может использоваться для расчета объемной мощности, напора или потребляемой мощности при изменении скорости и диаметров колес

Диаграммы производительности вентиляторов

Диаграммы давления, напора, объема воздушного потока и мощности вентиляторов

Классификация вентиляторов – AMCA

Классификация вентиляторов установлена ​​AMCA

Вход вентилятора – Давление всасывания и плотность воздуха

Высокое давление всасывания на входе вентилятора снижает плотность воздуха – и его следует скорректировать для правильного выбора вентилятора.

Двигатели вентилятора

– пусковые моменты

Двигатель вентилятора должен быть способен ускорения колеса вентилятора, чтобы открыть номинальная скорость

Устранение неисправностей вентилятора

Руководство по устранению неисправностей вентилятора

Вентиляторы

– температура и объемный расход воздуха, напор и расход энергии

Температура и плотность воздуха влияют на объемный расход, напор и расход энергии в Вентиляторы

Вентиляторы

– Расчет мощности в лошадиных силах и тормозах

AHP – Мощность лошадиных сил и BHP – Мощность тормозных лошадей

Вентиляторы

– Эффективность и энергопотребление

Потребляемая мощность и типичные КПД вентиляторов

Вентиляторы и управление мощностью

Модулирующие вентиляторы и их возможности

Вентиляция в свободном пространстве

Вентиляция требуется на чердачных площадях

Потеря головки трения в воздуховодах – Онлайн калькулятор

Потеря напора или значительные потери в воздуховодах – уравнения и онлайн-калькулятор для прямоугольных и круглых воздуховодов – Imperial и SI Единицы

Гар age Вентиляция

Вытяжная вентиляция из гаражей и мастерских.

Газовая вентиляция – Допуски на просвет

Допуск на зазор на скат крыши для оконечных вентиляционных колпачков – вентиляционные крышки

Эффективность рекуперации тепла

Классификация эффективности рекуперации тепла – температурная эффективность, влагоэффективность и энтальпия эффективности – онлайн калькулятор эффективности теплообменника

Heat-Recovery

Расчеты вентиляции и рекуперации тепла, калькуляторы чувствительного и скрытого тепла – онлайн-единицы

Нагреватели и охладители в системах вентиляции

Основные уравнения для теплообмена и критерии выбора нагревателей и охладителей в системах вентиляции

Увлажнители

Распылители, вращающиеся диски и паровые увлажнители

Заслонки HVAC – Потеря давления

Потеря напора в заслонке HVAC

HV Диаграмма переменного тока – чертеж в режиме онлайн

Рисование схем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха – в режиме онлайн с помощью инструмента рисования Google Drive

Каналы вентиляции и кондиционирования воздуха

– Скорости воздуха

Воздуховоды и рекомендуемые скорости воздуха

Диаметр гидравлического соединения

Гидравлический диаметр труб и воздуховодов

Условия внутреннего проектирования для Промышленные продукты и производственные процессы

Рекомендуемая температура и влажность в помещении для некоторых распространенных промышленных продуктов и производственных процессов

Внутренние расчетные температуры

Рекомендуемые внутренние температуры летом и зимой

Промышленная среда – выбор системы вентиляции

Краткое руководство по выбору вентиляционных систем и принципы в промышленных условиях

Механическая энергия и уравнение Бернулли

Уравнение механической энергии, связанное с энергией на единицу массы, энергией на единицу объема и энергией на единицу веса с учетом тепла d

Устойчивость к незначительным потерям в вентиляционных каналах

Скорость воздуха, незначительные коэффициенты потерь и незначительные потери в вентиляционных каналах

Запах от людей – Требуется вентиляция

Запах и запах – требуется вентиляция воздуха

Интенсивность запаха от людей

Объем помещения, вентиляция и интенсивность запаха от людей

Онлайн калькулятор воздуховодов

Онлайн калькулятор для расчета потерь на трение в воздуховодах

Концентрация загрязнения в комнатах

Концентрация загрязнения в ограниченном пространстве, как в комнате, зависит от количества Распространение загрязненного материала в помещении, подача свежего воздуха, расположение и конструкция выпускных отверстий, принципы, используемые для подачи и выпуска из помещения

Классификации давления в воздуховодных системах

Системы воздуховодов обычно разделяются на три классификации давления

Падение давления в Вентиляция Ком

Падения давления в общих компонентах системы вентиляции – например, заслонки, фильтры, обогреватели, охладители.

Насосы, компрессоры, вентиляторы и вентиляторы.

Сравнение насосов, компрессоров, вентиляторов и вентиляторов.

Показатели подачи наружного воздуха

Рекомендуемые нормы На открытом воздухе делают воздух в некоторых типовых помещениях – банках, актовых залах, гостиницах и многом другом.Курение и подача воздуха

Прямоугольные воздуховоды – Диаграмма скорости

Диаграмма скорости для прямоугольных воздуховодов – метрические единицы

Прямоугольные воздуховоды – Обычно используемые размеры

Метрические размеры обычно используемых прямоугольных воздуховодов в системах вентиляции

Прямоугольные воздуховоды – Гидравлический диаметр

Гидравлический диаметр для прямоугольных воздуховодов – метрические единицы

Относительная влажность в производственных и технологических средах

Рекомендуемая относительная влажность в производственных и технологических средах – таких как библиотеки, пивоваренные заводы, хранилища и более

Необходимый воздух для удаления влаги

Воздух поток, необходимый для удаления паров в помещении

Необходимый наружный подпиточный воздух

Приемлемое качество воздуха в помещении

Необходимое пространство для оборудования для вентиляции и кондиционирования

Размеры вентиляции и кондиционирования воздуха помещения в соответствии с DIN 1946

Площадь помещения на человека

Рекомендуемая минимальная площадь на человека – общие значения для расчета климатических нагрузок в помещении

Коэффициенты шероховатости и поверхности

Коэффициенты поверхности для расчета трения потока и значительных потерь давления – поверхности, такие как бетон, оцинкованная сталь , нержавеющая сталь и многое другое

Основы скруббера

Во влажном скруббере технологический воздух проходит через туман воды из распылительных насадок, а затем через сепараторы, где удаляются капли воды с пылью и частицами

Выбор системы вентиляции в комфортных условиях

Краткое руководство по выбору системы вентиляции в комфортных условиях.

Размеры круглых воздуховодов

Грубый справочник по максимальной пропускной способности круглых воздуховодов в комфортных, промышленных и высокоскоростных системах вентиляции

Колено спиральных воздуховодов – вес

Воздуховод – вес hts из оцинкованных круглых спиральных колен

Спиральные каналы – Размеры

Стандартные размеры спиральных каналов – Imperial единиц

Эффект стека или дымохода

Эффект стека или дымохода возникает, когда температура наружного воздуха ниже температуры в помещении

STP – стандарт Температура и давление и NTP – нормальная температура и давление

Определение STP – стандартная температура и давление и NTP – нормальная температура и давление

Типы вентиляторов

Осевые и пропеллерные вентиляторы, центробежные (радиальные) вентиляторы, вентиляторы смешанного потока и вентиляторы с поперечным потоком

Типы вентиляторов – Диапазон производительности

Центробежные, осевые и пропеллерные вентиляторы и диапазоны их производительности

Типичные скорости воздуховодов

Типичные скорости воздуховодов в таких применениях, как системы вентиляции или системы сжатого воздуха

U-Tube Manometer

Наклонная и V Вертикальные манометры с U-образной трубкой являются недорогими и распространенными при измерении перепада давления с помощью расходомеров, таких как трубки Пито, отверстия и сопла.

Классификация скорости вентиляционных каналов

Рекомендуемая скорость воздуха в вентиляционных каналах

Эффективность вентиляции

Эффективность вентиляции Система может быть связана с температурой и / или концентрациями загрязнений.

Вентиляционные фильтры

Классификация воздушных фильтров, используемых в вентиляционных системах

Принципы вентиляции

Некоторые широко используемые принципы вентиляции – принцип короткого замыкания, смешанного воздуха, вытеснения и принцип поршня

,
Глава 12: Отопление, кондиционирование и вентиляция | Справочное руководство по здоровому жилищу

Скачать Adobe Acrobat версия руководства Cdc-pdf [PDF – 6,65 МБ]

«Наш климат нагревается быстрее, чем когда-либо ранее».

D. Джеймс Бейкер
NOAA Администратор, 1993–2004

Введение
Приведенные ниже цитаты дают глубокий урок о необходимости жилья для защиты от жары и холода.
«Число погибших в результате сильной жары во Франции составило 14 802: число погибших во Франции в результате августовской волны сильной жары достигло почти 15 000, согласно опубликованному в четверг отчету по заказу правительства, превысив предыдущий показатель более чем на 3 000». USA Today, 25 сентября 2003 года.
«В исследовании Чикагской жары 1995 года наибольшим риском умереть от жары были люди с медицинскими заболеваниями, которые были социально изолированы и не имели доступа к кондиционированию воздуха». Еженедельный отчет Центров по контролю и профилактике заболеваний, заболеваемости и смертности, 4 июля 2003 г.

«3 смерти, связанные с холодом. , Сильный холод, охвативший северо-восток в выходные дни и обледеневший над дорогами, был обвинен по меньшей мере в трех смертельных случаях, в том числе в Филадельфии, найденной в доме без тепла ». Лексингтон [Кентукки] Вестник Лидер, 12 января 2004 г.
«Во многих странах с умеренным климатом показатели смертности в зимний период на 10–25% выше, чем летом». Всемирная организация здравоохранения, Сеть фактических данных о здоровье, 1 ноября 2004 г.
В этой главе представлен общий обзор отопления и охлаждения современных домов.Нагрев и охлаждение – это не просто вопрос комфорта, но и выживания. И очень холодные, и очень жаркие температуры могут угрожать здоровью. Чрезмерное воздействие тепла называется тепловым стрессом, а чрезмерное воздействие холода – холодным стрессом.

В очень жаркой среде самым серьезным риском для здоровья является тепловой удар. Тепловой удар требует немедленной медицинской помощи и может привести к летальному исходу или нанести непоправимый урон. Гибель от теплового удара происходит каждое лето. Тепловое истощение и обмороки являются менее серьезными заболеваниями.Как правило, они не смертельны, но они мешают человеку работать.

При очень низких температурах наиболее серьезной проблемой является риск переохлаждения или опасного переохлаждения организма. Другим серьезным эффектом воздействия холода является обморожение или замерзание открытых конечностей, таких как пальцы рук, пальцы ног, нос и мочки ушей. Гипотермия может привести к летальному исходу, если не будет оказана немедленная медицинская помощь.

Жара и холод опасны, потому что жертвы теплового удара и переохлаждения часто не замечают симптомов.Это означает, что семья, соседи и друзья необходимы для раннего распознавания наступления условий. Выживание пострадавшего зависит от других, чтобы выявить симптомы и обратиться за медицинской помощью. Семья, соседи и друзья должны быть особенно прилежны во время жары или холода, чтобы проверить, кто живет один.

Хотя симптомы варьируются от человека к человеку, предупреждающие признаки теплового истощения включают спутанность сознания, обильное и длительное потоотделение. Человек должен быть удален от жары, охлажден и сильно увлажнен.Признаки и симптомы теплового удара включают внезапную и сильную усталость, тошноту, головокружение, учащенный пульс, легкомысленность, спутанность сознания, потерю сознания, чрезвычайно высокую температуру и горячую и сухую поверхность кожи. Человек, который выглядит дезориентированным или сбитым с толку, кажется эйфоричным или необъяснимо раздражительным, или страдает от недомогания или схожих симптомов, должен быть перемещен в прохладное место, и немедленно следует обратиться за медицинской помощью.

Предупреждающие признаки гипотермии включают тошноту, усталость, головокружение, раздражительность или эйфорию.Люди также испытывают боль в конечностях (например, в руках, ногах, ушах) и сильную дрожь. Людей, у которых проявляются эти симптомы, особенно пожилых и молодых, следует перевести в укрытие с подогревом, при необходимости следует обратиться за медицинской помощью.

Функцией системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) является обеспечение здоровья и комфорта человека. Система HVAC производит тепло, холодный воздух и вентиляцию и помогает контролировать пыль и влагу, что может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья.Переменными, которые необходимо контролировать, являются температура, качество воздуха, движение воздуха и относительная влажность. Температура должна поддерживаться равномерно по всей обогреваемой / охлаждаемой области. Существует разница в температуре от 6 до 10ºF (от -14ºC до -12ºC) при комнатной температуре от пола до потолка. Адекватность системы HVAC и воздухонепроницаемость конструкции или помещения определяют степень личной безопасности и комфорта в жилище.

Газ, электричество, нефть, уголь, древесина и солнечная энергия являются основными источниками энергии для отопления и охлаждения дома.Обычно используются такие системы отопления, как пар, горячая вода и горячий воздух. Жилищный инспектор должен иметь знания о различных видах топлива и системах отопления, чтобы определить их адекватность и безопасность при эксплуатации. Чтобы полностью охватить все аспекты системы отопления и охлаждения, необходимо учитывать всю площадь и физические компоненты системы.

Нажмите здесь для определения терминов, связанных с системами HVAC.

Отопление
Пятьдесят один процент домов в Соединенных Штатах отапливаются природным газом, 30% – электричеством, а 9% – мазутом.Остальные 11% нагреваются топливом в бутылках, древесиной, углем, солнечной, геотермальной, ветровой или солнечной энергией [1] . Любой дом, использующий сжигание в качестве источника отопления, охлаждения или приготовления пищи или имеющий пристроенный гараж, должен иметь надлежащим образом расположенные и обслуживаемые газоанализаторы окиси углерода (СО). По данным Комиссии по безопасности потребительских товаров США (CPSC), по данным, собранным в 2000 году, СО убивает 200 человек и ежегодно отправляет в больницу более 10 000 человек.

Стандартные виды топлива для отопления обсуждаются ниже.

Стандартное топливо

Газ
Более 50% американских домов используют газовое топливо. Газовое топливо – бесцветные газы. У некоторых есть характерный едкий запах; другие не имеют запаха и не могут быть обнаружены по запаху. Хотя газовое топливо легко обрабатывается в отопительном оборудовании, его присутствие в воздухе в значительных количествах становится серьезной опасностью для здоровья. Газы легко диффундируют в воздухе, что делает возможным взрывоопасные смеси. Часть воспламеняемого газа и воздуха сгорает с такой высокой скоростью, что создается взрывная сила.Из-за этих характеристик газового топлива необходимо принять меры предосторожности для предотвращения утечек, и следует соблюдать осторожность при освещении оборудования, работающего на газе.

Газ широко классифицируется как природный или промышленный.

Природный газ – Этот газ представляет собой смесь нескольких горючих и инертных газов. Это один из самых богатых газов, добываемый из скважин, обычно расположенных в нефтедобывающих районах. Содержание тепла может варьироваться от 700 до 1300 британских тепловых единиц (БТЕ) ​​на кубический фут, при общепринятом среднем значении 1000 БТЕ на кубический фут.Природные газы распределяются по трубопроводам до места использования и часто смешиваются с промышленным газом для поддержания гарантированного содержания БТЕ.

Промышленный газ . Этот газ в распределенном состоянии обычно представляет собой комбинацию определенных пропорций газов, производимых из кокса, угля и нефти. Его значение BTU на кубический фут обычно строго регулируется, а затраты определяются на основе гарантированного BTU, обычно от 520 до 540 BTU на кубический фут.

Сжиженный нефтяной газ . Основными продуктами сжиженного нефтяного газа являются бутан и пропан.Бутан и пропан происходят из природного газа или нефтеперерабатывающего газа и химически классифицируются как углеводородные газы. В частности, бутан и пропан находятся на границе между жидким и газообразным состоянием. При обычном атмосферном давлении бутан представляет собой газ выше 33 ° F (0,6 ° C), а пропан – газ при -42 ° F (-41 ° C). Эти газы смешиваются для производства товарного газа, подходящего для различных климатических условий. Бутан и пропан тяжелее воздуха. Теплосодержание бутана составляет 3274 БТЕ на кубический фут, тогда как содержание пропана составляет 2519 БТЕ на кубический фут.

Газовые горелки должны быть оснащены автоматическим отключением на случай, если пламя погаснет. Запорные клапаны должны быть расположены в пределах 1 фута от соединения горелки и на выходной стороне расходомера.

Внимание: сжиженный нефтяной газ тяжелее воздуха; следовательно, газ будет накапливаться на дне ограниченных областей. В случае возникновения утечки следует позаботиться о проветривании прибора перед его освещением.

Электроэнергия
Электроэнергия приобрела популярность для отопления во многих регионах, особенно там, где затраты конкурируют с другими источниками тепловой энергии, с ростом потребления с 2% в 1960 году до 30% в 2000 году.При наличии электрической системы инспектор по корпусу должен полагаться в основном на электроинспектора для определения правильной установки. Однако есть несколько моментов, которые необходимо учитывать для обеспечения безопасного использования оборудования. Убедитесь, что устройства одобрены аккредитованным агентством по испытаниям и установлены в соответствии со спецификациями производителя. Большинство блоков конвекторного типа должны устанавливаться не менее чем на 2 дюйма выше уровня пола, не только для обеспечения того, чтобы через блок устанавливались надлежащие конвекционные токи, но и для обеспечения достаточной воздушной изоляции от любого горючего материала для пола.Инспектор по корпусу должен проверить наличие штор, которые расположены слишком близко к устройству, или свободные коврики с длинным ворсом, которые находятся слишком близко. Расстояние в 6 дюймов от пола и 12 дюймов от стен должно отделять коврики или шторы от прибора.

Тепловые насосы – это кондиционеры, содержащие клапан, который позволяет переключаться между кондиционером и обогревателем. Когда клапан переключается в одну сторону, тепловой насос действует как кондиционер; когда он переключается в другую сторону, он реверсирует поток хладагентов и действует как нагреватель.Холод – это отсутствие энергии или калорий тепла. Чтобы охладить что-либо, тепло должно быть удалено; чтобы что-то согреть, необходимо обеспечить энергию или калории тепла. Тепловые насосы делают оба.

Тепловой насос имеет несколько дополнений, помимо типичного кондиционера: реверсивный клапан, два тепловых расширительных клапана и два перепускных клапана. Реверсивный клапан позволяет агрегату обеспечивать как охлаждение, так и нагрев. Рисунок 12.1 показывает тепловой насос в режиме охлаждения. Блок работает следующим образом:

  • Компрессор сжимает пары хладагента и подает их на реверсивный клапан.
  • Реверсивный клапан направляет сжатый пар в поток во внешний теплообменник (конденсатор), где хладагент охлаждается и конденсируется в жидкость.
  • Воздух, проходящий через змеевик конденсатора, отводит тепло от хладагента.
  • Жидкий хладагент обходит первый тепловой расширительный клапан и поступает во второй тепловой расширительный клапан во внутреннем теплообменнике (испарителе), где он расширяется в испаритель и становится паром.
  • Хладагент улавливает тепловую энергию из воздуха, обдувающего змеевик испарителя, и холодный воздух выходит с другой стороны змеевика.Холодный воздух направляется в занятое пространство как воздух с кондиционированным воздухом.
  • Пары хладагента затем возвращаются в реверсивный клапан для направления в компрессор, чтобы снова начать цикл охлаждения.

Тепловые насосы [3] довольно эффективно используют энергию. Однако тепловые насосы часто замерзают; то есть, катушки в наружном воздухе собирают лед. Тепловой насос должен периодически растапливать этот лед, поэтому он переключается обратно в режим кондиционера, чтобы нагревать катушки.Чтобы избежать подачи холодного воздуха в дом в режиме кондиционера, тепловой насос также использует электрические полосовые нагреватели для нагрева холодного воздуха, который выкачивает кондиционер. Как только лед растает, тепловой насос снова переключится в режим нагрева и выключит горелки.

Лучистое тепло согревает объекты непосредственно длинноволновой электромагнитной энергией. Нагревательные панели рассеивают лучи тепловой энергии по дуге 160º, равномерно распределяя тепло. Цель состоит в том, чтобы добиться разницы температур не более 4 ° F (-16 ° C) между уровнем пола и уровнем потолка.При правильной установке лучистое тепло обогревает помещение быстрее и при более низких настройках температуры, чем другие виды тепла. Необходимо соблюдать крайнюю осторожность для защиты от возгорания от предметов, находящихся в непосредственной близости от отражателей инфракрасного излучения. Инспекторы, работающие с этим источником тепла, должны пройти специальную подготовку. Лучистое отопление оштукатурено в потолке или стене в некоторых домах или в кирпичных или керамических полах ванных комнат. Если провода в штукатурке оголены, их следует рассматривать как открытые и открытые проводки.Инспектор должен быть осведомлен об этих системах, которые являются техническими и относительно новыми.

Мазут
Мазуты получены из нефти, которая состоит в основном из соединений водорода и углерода (углеводородов) и небольшого количества азота и серы. Отечественные мазуты контролируются жесткими спецификациями. Шесть марок мазута, пронумерованных от 1 до 6, обычно используются в системах отопления; Зажигалки двух сортов используются в основном для бытового отопления:

Сорт № 1 – летучее дистиллятное масло для использования в горелках, которые подготавливают топливо для сжигания исключительно путем испарения (масляные обогреватели).

класс № 2 – летучее дистиллятное масло умеренного веса, используемое для горелок, которые подготавливают масло к сжиганию путем сочетания испарения и распыления. Этот сорт масла обычно используется в бытовых отопительных печах.

Теплотворная способность масла варьируется от приблизительно 152 000 БТЕ на галлон для масла номер 6 до 136 000 БТЕ на галлон для масла номер 1. Нефть сегодня более широко используется, чем уголь, и обеспечивает более автоматический источник тепла и комфорта. Это также требует более сложных систем и элементов управления.Если запас масла находится в подвале или подвале, необходимо соблюдать определенные правила кодекса (, рис. 12.2, ), [4-7], . Не более двух 275-галлонных резервуаров могут быть установлены над землей в самой нижней части любого здания. IRC рекомендует максимальное хранение мазута 660 галлонов. Резервуар не должен быть ближе 7 футов по горизонтали к какому-либо котлу, печи, печи или пламени.

Топливопроводы должны быть встроены в бетонный или цементный пол или защищены от повреждений, если они пересекают пол.Каждый бак должен иметь запорный клапан, который останавливает поток, если в трубопроводе или в самой горелке возникает утечка. Герметичный вкладыш или поддон должны быть установлены под резервуарами и линиями, расположенными над полом. Они содержат потенциальные утечки, поэтому масло не распространяется по полу, создавая опасность пожара.

Резервуар или резервуары должны вентилироваться снаружи, а датчик, показывающий количество масла в резервуаре или резервуарах, должен быть герметичным и исправным. Срок службы стальных резервуаров, построенных до 1985 года, составлял 12–20 лет.Резервуары должны быть от пола и на устойчивом основании, чтобы предотвратить оседание или движение, которое может привести к разрыву соединений. Рисунок 12.3 показывает установку скрытого резервуара снаружи. В 1985 году было принято федеральное законодательство, согласно которому внешние компоненты подземных резервуаров (УЗТ), установленные после 1985 года, должны противостоять воздействию давления, вибрации и движения. Федеральные правила для UST исключают следующее: фермерские и жилые резервуары емкостью 1100 галлонов или менее; резервуары для хранения мазута, использованного в помещениях; резервуары на полу или над полом подвалов; септики; проточные технологические резервуары; все резервуары емкостью 110 галлонов или меньше; и резервуары аварийного разлива и переполнения [8] .Обзор местных и государственных норм должен быть завершен до установки подземных резервуаров, так как многие юрисдикции не допускают захоронения газовых или нефтяных резервуаров.

Уголь
Четыре вида угля: антрацит, битум, полубитуминоз и лигнит. Уголь готовят во многих размерах и комбинациях размеров. Горючими частями угля являются фиксированные угли, летучие вещества (углеводороды) и небольшие количества серы. В сочетании с ними негорючие элементы, состоящие из влаги и примесей, которые образуют золу.Различные типы отличаются по теплосодержанию. Содержание тепла определяется анализом и выражается в британских тепловых единицах на фунт.

Неправильная работа угольной печи может привести к крайне опасному и нездоровому дому. Вентиляция зоны, окружающей печь, очень важна для предотвращения накопления тепла и подачи воздуха для горения.

Солнечная энергия
Солнечная энергия приобрела популярность за последние 25 лет, поскольку стоимость установки солнечных батарей и аккумуляторных батарей снизилась.Усовершенствованные технологии с панелями, установкой панелей, трубопроводов и батарей создали намного больший рынок. Солнечная энергия в основном использовалась для нагрева воды. Сегодня в Соединенных Штатах более миллиона солнечных водонагревательных систем. Солнечные водонагреватели используют прямой солнечный свет для нагрева воды или теплоносителя в коллекторах [3] . Затем эту воду хранят для использования по мере необходимости с помощью обычной системы, обеспечивающей любой необходимый дополнительный нагрев. Типичная система снизит потребность в обычном нагреве воды примерно на две трети, сведя к минимуму стоимость электроэнергии или использования ископаемого топлива и, следовательно, воздействие на окружающую среду, связанное с их использованием.Департамент жилищного строительства и городского развития США и Министерство энергетики США (ИОО) инициировали внедрение новых солнечных технологий в американское жилье следующего поколения [3] . Например, Министерство энергетики США имеет инициативу «Миллион солнечных крыш», начатую в 1997 году для установки систем солнечной энергии в более чем 1 млн. Зданий в США к 2010 году.

Центральных отопительных агрегатов
Котел следует по возможности размещать в отдельном помещении, что обычно требуется в новом

.

Проектирование вентиляционных систем

Приведенная ниже процедура может быть использована для проектирования вентиляционных систем:

  • Рассчитать тепловую или охлаждающую нагрузку, включая ощутимую и скрытую теплоту
  • Рассчитать необходимые воздушные сдвиги в зависимости от количества пассажиров и их активности или любых других специальных процесс в помещениях
  • Рассчитать температуру подачи воздуха
  • Рассчитать циркулируемую массу воздуха
  • Рассчитать потерю температуры в воздуховодах
  • Рассчитать выходы компонентов – нагреватели, охладители, шайбы, увлажнители
  • Рассчитать размер котла или подогревателя
  • Проектирование и Рассчитаем систему воздуховодов

1.Расчет нагрузки на тепло и охлаждение

Расчет нагрузки на тепло и охлаждение по

  • Расчет нагрузки на тепло и охлаждение в помещении
  • Расчет нагрузки на тепло и охлаждение окружающей среды

2. Рассчитать воздушные сдвиги в зависимости от количества жителей или любых процессов

Рассчитать создаваемое загрязнение людьми и их деятельностью и процессами.

3. Рассчитать температуру подачи воздуха

Рассчитать температуру подачи воздуха. Общие рекомендации:

  • Для отопления: 38 – 50 o C (100 – 120 o F)
  • Для охлаждения, когда входы находятся вблизи населенных зон, 6 – 8 o C (10 – 15 o F) Может подойти ниже комнатной температуры
  • Для охлаждения, где используются высокоскоростные диффузионные форсунки, 17 o C (30 o F) ниже комнатной температуры может подойти

4.Рассчитать количество воздуха

Воздухонагреватель

Если для обогрева используется воздух, необходимый расход воздуха можно выразить как

q ч = H ч / (ρ c p с – т р )) (1)

, где

q ч = объем воздуха для отопления (м 3 / с)

H h = тепловая нагрузка (Вт)

c p = удельный тепловой воздух (Дж / кг К)

t с = температура подачи ( o C)

т r = комнатная температура ( o C)

ρ = плотность воздуха (кг / м ) 3 )

Воздушное охлаждение

Если для охлаждения используется воздух, необходимая скорость воздушного потока может быть выражена как

q c = H c / (ρ c p (t o – т r )) (2)

, где

q c = объем воздуха для охлаждения (м 3 / с)

H c = охлаждающая нагрузка (Вт)

т o = температура на выходе ( o C), где т o = t r , если воздух в помещении смешан

Пример – тепловая нагрузка

Если тепловая нагрузка составляет Н ч = 400 Вт , температура подачи т с = 30 o С и температура в помещении т 90 075 r = 22 o C , скорость воздушного потока можно рассчитать следующим образом:

q h = (400 Вт) / ((1.2 кг / м 3 ) (1005 Дж / кг К) ((30 o C) – (22 o C)))

= 0,041 м 3 / с

= 149 м 3 / ч

Влага
Увлажнение

Если наружный воздух более влажный, чем воздух в помещении, то воздух в помещении можно увлажнить, подавая воздух снаружи. Количество подаваемого воздуха можно рассчитать как

q мч = Q ч / (ρ (x 1 – x 2 )) (3)

, где

q mh = объем воздуха для увлажнения (м 3 / с)

Q ч = подача влаги (кг / с)

ρ = плотность воздуха (кг / м 3 )

x 2 = влажность воздуха помещения (кг / кг)

x 1 = влажность приточного воздуха ( кг / кг)

Осушение

Если наружный воздух менее влажен, чем воздух в помещении, то воздух в помещении можно осушить, подавая воздух снаружи.Количество подаваемого воздуха можно рассчитать как

q md = Q d / (ρ (x 2 – x 1 )) (4)

, где

q md = объем воздуха для осушения (м 3 / с)

Q d = влага для осушения (кг / с)

Пример – Увлажнение

При добавленной влажности Q ч = 0.003 кг / с , влажность в помещении x 1 = 0,001 кг / кг и влажность приточного воздуха x 2 = 0,008 кг / кг , количество воздуха может быть выражено как:

q мч = (0,003 кг / с) / ((1,2 кг / м 3 ) ((0,008 кг / кг) – (0,001 кг / кг)))

= 0,36 м 3 / s

В качестве альтернативы количество воздуха определяется требованиями пассажиров или процессов.

5. Потеря температуры в воздуховодах

Тепловые потери в воздуховоде можно рассчитать как

H = A k ((т 1 + т 2 ) / 2 – т р ) (5)

, где

H = тепловые потери (Вт)

A = площадь стенок воздуховода (м 2 )

т 1 = начальная температура в воздуховоде ( o C)

т 2 = конечная температура в воздуховоде ( o C)

k = коэффициент тепловых потерь стенок воздуховода (Вт / м ) 2 К) (5.68 Вт / м 2 К для труб из листового металла, 2,3 Вт / м 2 К для изолированных воздуховодов)

т r = температура окружающей среды ( o С)

Потери тепла в потоке воздуха можно выразить как

H = 1000 кв. М. p (т. 1 – т. 2 ) (5b)

, где

q = масса пропускаемого воздуха (кг / с)

c p = удельная теплоемкость воздуха (кДж / кг К)

(5) и (5b) можно объединить с

H = A k ((т 1 + т 2 ) / 2 – т r )) = 1000 кв.км р 1 – т 2 ) (5с)

Обратите внимание, что для большей температуры PS логарифмические средние температуры должны быть использованы.

6. Выбор нагревателей, моечных машин, увлажнителей и охладителей

Блоки в качестве нагревателей, фильтров и т. Д. Должны выбираться на основе количества и мощности воздуха из каталогов производителей.

7. Котел

Номинал котла можно выразить как

B = H (1 + x) (6)

, где

B = мощность котла (кВт)

H = общая тепловая нагрузка всех нагревателей в системе (кВт)

x = запас для нагрева системы, обычно используются значения 0.От 1 до 0,2

Котел с правильной мощностью должен быть выбран из каталогов производителя.

8. Размеры воздуховодов

Скорость воздуха в воздуховоде может быть выражена как:

v = Q / A (7)

где

v = скорость воздуха (м / с s)

Q = объем воздуха (м 3 / с)

A = поперечное сечение воздуховода (м 2 )

Можно рассчитать общую потерю давления в воздуховодах

дп т = дп ф + дп с + дп с (8)

где

дп т = общая потеря давления в системе (Па, Н / м 2 )

dp f = значительная потеря давления в каналах из-за трения (Па, Н / м 2 )

900 74 dp с = незначительные потери давления в фитингах, изгибах и т. Д.(Па, н / м 2 )

dp c = незначительные потери давления в компонентах, таких как фильтры, нагреватели и т. Д. (Па, н / м 2 )

Основное давление потери в каналах из-за трения можно рассчитать как

dp f = R l (9)

, где

R = сопротивление трения в воздуховоде на единицу длины (Па, Н / м 2 на м воздуховода)

л = длина воздуховода (м)

Сопротивление трению в воздуховоде на единицу длины можно рассчитать как

R = λ / d ч (ρ v 2 /2) (10)

, где

R = потеря давления (Па, Н / м 2 )

λ 9007 9 = коэффициент трения

д ч = гидравлический диаметр (м)

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.