Hur designen av avgasflänsar påverkar effektiviteten för fångst av föroreningar

I studier av ventilationssystem med flänsar på utsugshuvud är det viktigt att förstå hur flänsens geometri påverkar luftflödet och därmed systemets förmåga att fånga och avlägsna föroreningar. Ett av de mest centrala begreppen är flödeshastigheten vid olika delar av utsugssystemet och hur denna hastighet förhåller sig till olika parametrar, såsom flänslängd och vinkel på flänsen. För att optimera effektiviteten för en utsugshuva krävs detaljerade beräkningar och analyser av hastighetsprofiler, där både DVM (diskret volymsmetod) och CFD (computational fluid dynamics) spelar en avgörande roll.

Dessa förändringar i hastighetsprofiler har stor betydelse för effektiviteten hos utsugshuvan. När man rör sig bort från ingången på utsugshuvan minskar området med maximal hastighet för en fläns med en vinkel på α = 0°. Däremot, för en fläns med en vinkel på α = 90° blir hastigheten högre över hela y/B-intervallet vid ett avstånd från ingången av utsugshuvan, och detta mönster förblir närvarande vid avstånd x/B > 3.

Vid jämförelse av CFD- och DVM-beräkningar med experimentella data från olika källor visar det sig att modellerna är ganska väl överens, även om skillnader mellan resultaten blir mer påtagliga i de mer avlägsna tvärsnitten från utsugshuvans ingång. Detta beror på att absoluta hastigheter minskar ju längre bort från huvans öppning man kommer. Den relativa skillnaden mellan hastigheterna ökar samtidigt, vilket gör att hastighetsvärden från CFD-beräkningar tenderar att bli något högre än de från DVM.

Vid en djupare analys visar sig även skillnader mellan de olika metoderna för beräkning av flödesmönster. CFD-beräkningar tenderar att ge en mer exakt gräns för den första vortexzonen (VZ) i förhållande till experimentella data, vilket gör att dessa metoder anses mer tillförlitliga. Däremot ger DVM en jämnare övergång till flänsen och tenderar att visa mindre komplexa flödesmönster, vilket kan vara fördelaktigt i vissa sammanhang.

Det är också av stor vikt att förstå de mekanismer som styr flödesförändringar, såsom inversionen av hastighetskomponenternas tecken utanför vortexzonen. Detta fenomen, där komponenten i x-led (v_x) byter tecken, påverkar hur föroreningarna fångas och transporteras bort. För att förutsäga dessa effekter noggrant är det nödvändigt att noga analysera hur förändringar i flänslängd och lutning påverkar vortexzonsgränser och därmed hela flödessystemet.

Värdet av att förstå dessa komplexa flödesförhållanden sträcker sig bortom grundläggande hastighetsprofiler. Det handlar om att skapa en finjusterad design av ventilationssystem som inte bara hanterar luftflödet utan också effektivt kan fånga och eliminera skadliga ämnen från arbetsmiljöer. Detta kräver en noggrant balanserad modell där både teoretiska beräkningar och praktiska experimentella data samverkar för att skapa ett optimalt system för varje enskild tillämpning.

Hur utformningen av plötsliga expansioner minskar drag och förbättrar ventilationens effektivitet

Vid analys av luftflöde genom ventilationselement, såsom plötsliga expansioner, har det visat sig att noggrann utformning av dessa element kan drastiskt minska tryckförluster och därmed förbättra systemets energieffektivitet. För att förstå hur detta kan uppnås, är det nödvändigt att överväga några viktiga tekniska parametrar, såsom dragkoefficienter och sekunda vortexzoner (SVZ), samt hur dessa påverkas av olika utformningar.

I den numeriska analysen användes ett nätverk där det första grova nätet hade en cellstorlek på 0.003 m, och den slutliga lösningen uppnåddes med ett nätverk där cellstorleken var 1.49 · 10⁻⁵ m. För att undersöka meshberoende användes metoden för att beräkna lokala dragkoefficienter (LDC) vid varje anpassningssteg. Som visat i figur 8.9 förändrades LDC-värden endast marginellt när y+-värdet minskade under 60, vilket indikerar att nätverksberoende kan ignoreras i det relevanta området. Detta betyder att vid tillräcklig nätupplösning blir resultaten stabila och fria från störningar orsakade av nätkvalitet.

Vid undersökning av dragkoefficienten (ζ) för en formad plötslig expansion visade det sig att denna minskade markant jämfört med en oformad expansion. Förhållandet mellan dragkoefficienten och graden av expansion (b/b₀) visade på en minskning av draget med upp till 78%, vilket innebär att ett formad element för expansion kan leda till en betydande förbättring i flödesdynamiken. Detta kan illustreras med formeln för ζ i en formad plötslig expansion, som är nära relaterad till den välkända Borda–Carnot-formeln och ger en tillräckligt bra approximation för att beskriva förhållandet mellan drag och expansionsgrad.

Men det är inte bara själva draget som påverkas av formningen. En annan viktig aspekt är utvecklingen av sekundära vortexzoner (SVZ), som kan uppträda i formade expansioner. När expansionsgraden ökar växer också storleken på dessa vortexzoner. För mindre expansioner är dessa zoner relativt små och deras inverkan på draget minimal, medan de för större expansioner kan bli betydande. Det har föreslagits att en ytterligare formning längs dessa zoner skulle kunna minska draget ytterligare. Dock skulle detta också innebära en ökning av storleken på passagen, vilket inte alltid är önskvärt, särskilt när det gäller att bibehålla kompakta och effektiva ventilationssystem.

Vidare har de så kallade influenszonerna (IZ), som sträcker sig både före och efter en plötslig expansion, också visat sig vara viktiga för att förstå flödets dynamik. För en formad expansion är längden på influenszonen nedströms större än för en oformad expansion, särskilt när graden av expansion ökar. Detta beror på att även om formningen minskar vortexbildningen vid stegen, kan flödet fortfarande deformeras när det expanderar. Denna deformation bidrar till att öka storleken på influenszonerna, vilket gör att fluktuationer i flödet sprids längre bort i kanalen.

Genom att använda de här tekniska förhållandena och metoderna för att designa ventilationskomponenter kan man avsevärt minska de energikostnader som annars skulle ha uppstått genom onödiga tryckförluster och ineffektiv flödeshantering. På lång sikt innebär detta inte bara besparingar, utan också en förbättrad hållbarhet och driftseffektivitet för ventilationssystem i byggnader och industrilokaler.