Jak zoptymalizować straty ciśnienia w elementach instalacji wentylacyjnych związanych z gwałtownymi rozszerzeniami przepływu?

Wstępne badania nad przepływami powietrza przez gwałtowne rozszerzenia kanałów, takie jak eksperymenty Gibsona z 1908 roku, wskazują na istotne zależności między geometrycznymi parametrami instalacji a stratami ciśnienia. Kluczowym zjawiskiem w tym przypadku jest powstawanie strefy separacji przepływu, która prowadzi do tworzenia wirów i innych turbulencji, co w konsekwencji prowadzi do strat energetycznych. Wydolność przepływu w takich miejscach jest determinowana przez wiele zmiennych, w tym kształt elementów kanałów, prędkość przepływu oraz gęstość powietrza.

Badania Bradshawa i Wonga z 1972 roku oraz późniejsze prace Marvin’a i Eaton’a, a także wyniki uzyskane przy zastosowaniu technik takich jak anemometria cieplna (Devenport i Sutton, 1993) czy LDV (Smyth, 1979), zwróciły uwagę na istotną rolę turbulencji w takich przepływach. Wyjątkowe badania Armaly’ego i in. (1983) oraz Driver i Jovic (1994) wykazały, że długość strefy separacji w przepływach za krokami odwrotnego nachylenia jest ściśle związana z liczbą Reynoldsa. Wyniki te stanowią podstawę wielu współczesnych badań nad optymalizowaniem konstrukcji elementów wentylacyjnych.

Pomimo rozwoju narzędzi do modelowania numerycznego, takich jak symulacje CFD, wciąż nie znaleziono idealnych metod eliminacji wszystkich strat ciśnienia spowodowanych przez turbulencje. Badania Moallemi’ego i Brinkerhoff’a (2016) wskazują, że przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego jest kluczowym momentem w projektowaniu takich systemów, który znacząco wpływa na charakterystyki strumienia powietrza w takich układach.

Jednym z głównych źródeł strat ciśnienia w instalacjach wentylacyjnych są tzw. straty lokalne, które występują w różnych elementach sieci – takich jak łuki, złączki, trójniki i inne. Straty te dzielą się na dwie główne kategorie: straty funkcjonalne i niefunkcjonalne. Straty funkcjonalne są związane z przeznaczeniem elementu, takim jak konieczność zakrzywienia przepływu w łuku, czy zmiany kierunku i formy przepływu w trójniku. Straty niefunkcjonalne wynikają z niedoskonałości aerodynamicznych, jak ostre krawędzie, które generują wiry i strefy separacji przepływu, co prowadzi do dodatkowych strat energetycznych.

W celu zredukowania niefunkcjonalnych strat, proponowane są różne metody kształtowania elementów sieci wentylacyjnej. Na przykład, wygładzanie ostrych krawędzi czy stosowanie insertów kształtujących są stosunkowo prostymi metodami, które mogą zredukować długość strefy separacji i zmniejszyć powstawanie wirów. Istotnym rozwiązaniem, które nie zwiększa rozmiarów elementów, jest zastosowanie kształtowania wzdłuż konturów strefy separacji, co pozwala na zmniejszenie turbulencji przy minimalizacji wpływu na wymiary elementów.

Zagadnienie to zostało również szeroko badane w kontekście projektowania nowych elementów sieci wentylacyjnych, gdzie kluczowym celem jest zmniejszenie oporu przepływu, zarówno w przypadku laminarnego, jak i turbulentnego. W pracy Bae i Kim z 2014 roku przeprowadzono eksperyment numeryczny, który pozwolił określić optymalny kąt nachylenia krawędzi i długość zwężenia, które minimalizują straty ciśnienia w przypadku gwałtownego rozszerzenia przepływu.

Przeprowadzono również badania nad różnymi parametrami geometrycznymi, jak np. kąty nachylenia, długości i szerokości zwężeń w elementach kanałów wentylacyjnych. Okazuje się, że w przypadku ograniczonych zmian w kształcie kanału, jak w zastosowaniu insertów lub zaokrągleń w odpowiednich miejscach, możliwe jest znaczne zmniejszenie oporów przepływu, co w efekcie prowadzi do mniejszych strat ciśnienia. Jest to niezwykle istotne w kontekście modernizacji istniejących systemów wentylacyjnych, gdzie wymiana całych elementów może być zbyt kosztowna i czasochłonna.

Równocześnie, w zakresie badań nad przepływami powietrza w systemach wentylacyjnych, coraz częściej wykorzystuje się narzędzia matematyczne oraz symulacje komputerowe do optymalizacji projektów. Zastosowanie zaawansowanych modeli numerycznych pozwala na dokładniejsze przewidywanie właściwości turbulencji, długości stref separacji oraz zależności między geometrycznymi parametrami elementów a oporami przepływu. Nowoczesne techniki obliczeniowe dają możliwość przetestowania różnych scenariuszy przepływu w wirtualnym środowisku, co znacznie upraszcza proces projektowania i pozwala na uzyskanie bardziej efektywnych rozwiązań.

Przy projektowaniu systemów wentylacyjnych, oprócz minimalizacji strat ciśnienia, istotne jest również zapewnienie optymalnej jakości przepływu powietrza. Oznacza to konieczność uwzględnienia takich czynników jak temperatura, wilgotność powietrza czy rozkład ciśnienia, które mogą wpływać na wydajność całego systemu. Zrozumienie interakcji między tymi czynnikami oraz odpowiednie dostosowanie geometrii elementów systemu wentylacyjnego pozwala na uzyskanie lepszych parametrów przepływu oraz zmniejszenie zużycia energii.

Jak kształtowanie elementów instalacji wentylacyjnych wzdłuż linii stref wiru wpływa na oszczędność energii?

Instalacje wentylacyjne stanowią nieodłączny element zapewniający odpowiednie warunki sanitarno-higieniczne w budynkach różnych przeznaczeń. Współczesne systemy wentylacyjne są zazwyczaj mechaniczne, co oznacza, że ich działanie wiąże się z koniecznością stałego zużycia energii elektrycznej. W budynkach użyteczności publicznej, takich jak biurowce czy centra handlowe, około 11–14% całkowitego zużycia energii elektrycznej pochłaniają wentylatory, co jest porównywalne z kosztami związanymi z oświetleniem (11%), elektroniką (9%) czy klimatyzacją (14%). Wobec rosnących wymagań dotyczących efektywności energetycznej, problem redukcji zużycia energii przez systemy wentylacyjne staje się kluczowy, nie tylko z punktu widzenia ekonomicznego, ale także ekologicznego.

Przemiany związane z produkcją energii wiążą się z obciążeniem środowiska, w tym ze zniszczeniem zasobów naturalnych i emisją gazów cieplarnianych. W szczególności, zgodnie z Porozumieniem Paryskim, które weszło w życie w Federacji Rosyjskiej w 2019 roku, oraz Planem Działań w Zakresie Efektywności Energetycznej G20, zaledwie 30% całkowitej produkcji energii wykorzystywanej w budownictwie jest przeznaczane na utrzymanie budynków i ich systemów inżynieryjnych, co oznacza, że oszczędności energii w tym sektorze powinny być traktowane jako bezpośrednia redukcja emisji gazów cieplarnianych. W kontekście systemów wentylacyjnych istotnym aspektem jest wpływ wentylatorów i pomp na emisję gazów cieplarnianych, której udział szacuje się na 12–21% całkowitego zużycia energii w obiektach użyteczności publicznej.

Ponad 85% zużycia energii przez silniki wentylatorów w systemach wentylacyjnych jest wykorzystywane do pokonywania oporu lokalnego, dominującego nad stratami tarcia w sieci przewodów wentylacyjnych. Jednym ze skuteczniejszych sposobów zmniejszenia tego oporu jest modyfikacja kształtu elementów instalacji wentylacyjnych. Szczególne korzyści daje zaokrąglanie ostrych krawędzi takich elementów, co prowadzi do zmniejszenia oporu aerodynamicznego. Im większy promień zaokrąglenia, tym większa redukcja oporu. Jednak takie rozwiązania wiążą się z koniecznością zwiększenia rozmiarów elementów, co może stanowić problem w przypadku ograniczonej przestrzeni w obiektach. Dlatego powszechnie stosuje się elementy o ostrych krawędziach, takie jak trójniki, rozgałęzienia czy inne złączki, które są mniej skomplikowane pod względem konstrukcji.

Wzbogacenie sieci wentylacyjnych o dodatkowe urządzenia mające na celu wprowadzenie lub usunięcie warstwy granicznej, zastosowanie łopat wirujących, żeber poprzecznych czy optymalizacji topologicznej w celu poprawy kształtu elementów wentylacyjnych może teoretycznie zmniejszyć opór. Jednak w praktyce takie rozwiązania wprowadzają istotne komplikacje w projektowaniu i generują znaczne koszty, co skutkuje ich ograniczoną zastosowalnością w systemach wentylacyjnych budynków. W tym kontekście dużą wartość teoretyczną i praktyczną może mieć rozwój badań numerycznych, które stanowią fundament projektowania energooszczędnych elementów instalacji wentylacyjnych. Elementy te powinny być projektowane w taki sposób, by mogły być produkowane bez potrzeby zmiany technologii produkcji, co pozwoli na ich szersze zastosowanie w nowych i modernizowanych instalacjach wentylacyjnych.

Badania pokazują, że modyfikacja kształtu elementów wentylacyjnych wzdłuż konturów stref wiru, czyli obszarów, w których powstają turbulencje, pozwala na istotne zmniejszenie oporu aerodynamicznego w sieci przewodów wentylacyjnych. Zmniejszenie oporu, a tym samym zużycia energii, ma kluczowe znaczenie dla poprawy efektywności energetycznej całych systemów wentylacyjnych. Pomimo, że technika ta ma potencjał do dalszego rozwoju, jej zastosowanie nie jest jeszcze powszechne, głównie ze względu na złożoność projektowania i kosztów związanych z implementacją takich rozwiązań w istniejących systemach. Warto jednak podkreślić, że rozwój technologii numerycznych i modelowania komputerowego w tej dziedzinie stwarza nowe możliwości w projektowaniu bardziej efektywnych i mniej energochłonnych elementów systemów wentylacyjnych.

Chociaż książka ta nie wyczerpuje tematu w pełni, stanowi cenną podstawę do dalszych badań i praktycznych zastosowań w zakresie projektowania systemów wentylacyjnych, w których optymalizacja kształtu elementów wzdłuż konturów stref wiru pozwala na znaczne zmniejszenie oporu powietrza i zużycia energii. W przyszłości, nowe wyzwania i zadania badawcze będą wiązać się z rozszerzeniem tej techniki na inne elementy systemów wentylacyjnych, a także na różne instalacje przemysłowe i procesowe, w których występują przepływy cieczy i potrzeba redukcji turbulencji.