空调房间的气流组织.ppt

1 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 2 第一节概述 气流组织设计的任务是合理地组织室内空气的流动 使室内工作区空气的温度 湿度 速度和洁净度能更好地满足工艺要求及人们的舒适感要求 空调房间气流组织是否合理 不仅直接影响房间的空调效果 而且也影响空调系统的能耗量 影响气流组织的因素很多 如送风口位置及型式 回风口位置 房间几何形状及室内的各种扰动等 其中以送风口的空气射流及其参数对气流组织的影响最为重要 3 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 4 第二节送风口空气射流 由送风口射出的空气射流 对室内气流组织影响最大 因此 首先要讨论清楚送风口空气射流的流动规律 先从等温自由射流入手 然后再考虑温差及边界条件等对射流的影响 从而使所讨论的间题更加接近实际 在讨论送风口空气射流时 重点在于阐明基本概念 确定各种射流的作用范围及其速度分布 为空调房间气流组织设计计算提供理论基础 5 一 等温自由紊流射流 设射流温度与房间温度相同 房间体积比射流体积大得多 送风口长宽比小于10 射流呈紊流状态 当射流进入房间后 射流边界与周围气体不断进行动量 质量交换 周围空气不断被卷入 射流流量不断增加 断面不断扩大 而射流速度则因与周围空气的动量交换而不断下降 当射流边界层扩散到轴心时 射流发展到了主体段 随着射程的继续增大 速度继续减小 直至消失 6 等温自由紊流射流 射流轴心速度的计算公式射流横断面直径计算公式 7 紊流系数 紊流系数 值的大小与射流出口截面上的速度分布情况有关 分布愈不均匀 值愈大 此外 值大小还与射流出口截面上的初始紊动强度有关 紊流系数直接影响射流发展的快慢 值大 横向脉动大 射流扩散角就大 射程就短 要想增大射程 可以提高出出口速度v0或者减小紊流系数 要想增大射流扩散角 可以选用 值较大的送风口 8 二 非等温自由射流 当射流出口温度与房间温度不相同时 称为非等温射流 在空气调节中 正是这种非等温射流 送风温度低于室内温度者为 冷射流 高于室内温度者为 热射流 一 轴心温差计算公式非等温射流进入房间后 射流边界与周围空气之间不仅要进行动量交换 面且要进行热量交换 因此 射流随着离开出口的距离增大 其轴心温度也在变化 轴心温差计算公式为 9 非等温自由射流 二 轴心温差变化与轴心速度变化之比较热量扩散比动量扩散要快些 且有下式成立 三 阿基米德数Ar阿基米德数Ar表征浮升力与惯性力之比 其表达式为 10 射流轴心轨迹 对于非等温射流而言 阿基米德数Ar是十分重要的无因次准则数 如Ar 0时 显然是等温射流 如 Ar 0 001时 射流轴心轨迹的计算公式为 式中 y 射流轴心偏离水平轴之距离 射流出口轴线与水平轴之夹角 a 紊流系数 11 三 受限射流 当射流边界的扩展受到房间边壁影响时 就称为受限射流 不管是受限射流还是自由射流 都是对周围空气的扰动 它所具有的能量是有限的 它能引起的扰动范围也是有限的 不可能扩展到无限远去 而受限射流还要受到房间边壁的影响 因此形成了受限射流的特征 12 一 受限射流的几何形状 射流的几何形状与送风口安装位置有关 假设房高为H 送风口高度为h 则当h 0 5H时 射流上下对称 呈橄榄形 当h 0 7H时 由于射流上部与顶棚之间距离减小 卷吸的空气量少 因而流速大 静压小 而射流下部则静压大 上下压力差将射流往上举 使得气流贴附于顶棚而流动 故称贴附射流 贴附射流仅有一边卷吸周围空气 速度衰减慢 射程比较长 如是冷射流 则贴附长度缩短 并且 Ar 愈大 贴附长度愈短 当射流不断卷吸周围空气时 周围较远处空气流必然要来补充 由于边壁的存在与影响 势必导致形成回流 见图8 3 而回流范围有限 则促使射流外逸 于是射流与回流闭合 形成大涡流 在所谓的第 临界断面处 将出现极值 射流断面最大 射流流量最大 回流流速最大 13 二 半经验公式 若用Fn表示垂直于单股射流的房间横截面积 则射流自由度可表示为射流的无因次距离为第 临界断面的无因次距离为 0 2最大回流平均速度vhp 14 四 平行射流的叠加 当两股平行射流距离比较近时 射流的发展互相影响 在汇合之前 每股射流独立发展 汇合之后 射流边界相交 互相干扰并重叠 逐渐形成一股总射流 总射流的轴心速度逐渐增大 直至最大 然后再逐渐衰减直至趋近于零 15 五 旋转射流 气流通过具有旋流作用的喷咀向外射出 气流本身一面旋转 一面又向静止介质中扩散前进 这种射流称为旋转射流 由于射流的旋转 使得射流介质获得向四周扩散的离心力 和一般射流相比 旋转射流的扩散角要大得多 射程短得多 并且在射流内部形成了一个回流区 正因为旋转射流有如此特点 所以 对于要求快速混合的通风场合 用它作为送风口是很合适的 16 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 17 第三节回风口的空气汇流 由流体力学可知 对于一个点汇 其流场中的等速面是以汇点为中心的等球面 因为通过各个球面的流量都相等 故有下式成立 v1 v2 任意两个球面的流速 r1 r2 任意两个球面至汇点的距离 可以看出 对于汇流来说 随着离开汇点的距离增加 流速呈二次方衰减 所以汇流的作用范围是很小的 这就是它对房间气流组织影响比较小的原因 18 回风口的空气汇流 实际回风口面积与房间相比 并不能看作为一个点 而是一个面积 因此 用点汇的计算方法来计算回风口的汇流场是不合适的 图 8 7 是对具有面积为F的回风口的实验曲线 其等速面为椭球面 写成公式形式为适用范围为 回风口的高宽比大于0 2及x d 1 5 其中d0为回风口的当量直径 19 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 20 一 送风口型式 送风口型式及其紊流系数大小 对射流的发展及流型的形成都有直接影响 因此 在设计气流组织时 根据空调精度 气流型式 送风口安装位置以及建筑装修的艺术配合等方面的要求选择不同型式的送风口 一 侧送风口在房间内横向送出气流的风口叫侧送风口 这类风口中 用得最多的是百叶风口 百叶风口中的百叶做成活动可调 既能调风量 也能调方向 为了满足不同的调节性能要求 可将百叶做成多层 每层有各自的调节功能 除了百叶送风口外 还有格栅送风口和条缝送风口 这两种风口可以与建筑装饰很好地配合 常用侧送风口型式 23 固定叶片斜百叶式送风口 可开百叶侧壁格栅风口 叶片固定 倾斜角24度 可作为送风口或回风口有单向和双向斜送风两种 整个风口呈活门形式 活门与边框间开关自如 有利于安装和与过滤器的配套使用 常用于客房的回风 24 自垂百叶风口 遮光百叶风口 用于有正压的空调房间的自动排气百叶依靠自重自然下垂 隔绝室内外的空气交换 当室内气压高于室外时 气流将百叶吹开 排气 反之 则不行 用于暗室通风 25 垂直送风 侧送 上送 一般空调工程 格栅风口 Grille 26 条缝散流器 Linearslotdiffusers VAV合适灯具送风散流器 Lighttrofferdiffusers VAV合适条缝隔栅风口 LinearBarGrille 一般空调适用 内区吊顶 周边吊顶 窗台 地板 上侧送 条缝风口 Linearslotoutlets 27 二 散流器 散流器是安装在顶棚上的送风口 自上而下送出气流 散流器的型式很多 有盘式散流器 气流呈辐射状送出 且为贴附射流 有片式散流器 设有多层可调散流片 使送风或呈辐射状 或呈锥形扩散 也有将送回风口结合在一起的送 吸式散流器 另外还有适用于净化空调的流线型散流器 28 29 方矩形散流器 气流形式为贴附 平送 型 一般用于冷暖送风吹出气流贴附型结构多为多层锥面型室内诱导气流量大 出风气流速度和温度衰减快 圆形散流器 30 圆盘散流器 一般用于冷暖送风吹出气流散流 下送 型 圆形斜片散流器 圆形外框 直形叶片 叶片倾斜角24度 圆环形叶片散流器 叶片圆环形 31 三 孔板送风口 空气经过开有若干小孔的孔板而进人房间 这种风口型式叫孔板送风口 孔板送风口的最大特点是送风均匀 气流速度衰减快 因此最适用于要求工作区气流均匀 区域温差较小的房间 如高精度恒温室与平行流洁净室 32 四 喷射式送风口 喷射式送风口是一个渐缩圆锥台形短管 它的渐缩角很小 风口无叶片阻挡 噪声低 紊流系数小 射程长 这种送风口适用于大空间公共建筑 如体育馆 电影院以及大的生产车间等场合 33 五 旋流送风口 空调送风经旋流叶片切向进入集尘箱 形成旋转气流由格栅送出 送风气流与室内空气混合好 速度衰减快 这种送风口很适合于电子计算机房的地面送风 34 二 回风口 由于回风口的汇流场对房间气流组织影响比较小 因此它的形式也比较简单 有的只在孔口加一金属网格 也有装格栅和百叶的 通常要与建筑装饰相配合 回风口的形状和位置根据气流组织要求而定 若设在房间下部时 为避免灰尘和杂物被吸入 风口下缘离地面至少为0 15m 回风口形式可以简单 但要求应有调节风量的装置 35 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 36 一 技术指标 笼统地说 设计标准就是理所当然的技术指标 但对不同性质的空调系统来说 由于所要强调的角度不同 所以往往提出不同的评价指标 一 速度不均匀系数对工艺性空调来说 除了要求在工作区内所有测点的速度平均值满足设计要求外 还要求工作区内的速度不均匀性满足设计要求 为此 引入 速度不均匀系数 K 式中 n 测量点数 v 工作区任一点速度 vp n个测点的速度算术平均值 sv 速度的均方根偏差 37 二 有效温度差 对舒适性空调来说 则用人的舒适感觉作为评价的技术指标 人的舒适感觉与众多因素有关 评价指标也可以是各种各样 这里采用有效温度差q来评价温度和速度对舒适感觉的综合作用效果 q t tn M v vr 式中 t 房间任一点温度 v 房间任一点速度 tn 给定室温 vr 停滞区流速 取vr 0 15m s M 与单位风速效应相当的温度值 取M 7 66 m s 1 大多数人感觉舒适的有效温度差q值 是根据实验或投票确定的 若q 1 7 1 1之间 则多数人感觉舒适 38 二 经济指标 气流组织设计的任务 就是以一定型式送进房间一定数量经过处理成某种参数的空气 用以消除室内一定量的某种有害物使室内工作区空气的某些参数的值和波动范围达到设计要求 换句话说 消除室内某种有害物是以投入能量为代价的 因此 作为评价气流组织的经济指标 就应能够反映投入能量的利用程度 为此 引入 投入能量利用系数 b 恒温空调系统的 投入能量利用系数 bt 式中 t0 送风温度 tn 工作区设计温度 tp 排风温度 通常 送风量是根据排风温度等于工作区设计温度进行计算的 实际上 房间内的温度并不处处均匀相等 因此 排风口设置在不同部位 就会有不同的排风温度 投入能量利用系数也不相同 39 经济指标 可以看出 当tp tn时 bt 1 0 表明送风经热交换吸收余热量后达到室内温度 并进而排出室外 当tp tn时 bt 1 0 表明送风吸收部分余热达到室内温度 且能控制工作区的温度 而排风温度可以高于室内温度 经济性好 当tp tn时 bt 1 0 表明投入的能量没有得到完全利用 住住是由于短路而未能发挥送入风量的排热作用 经济性差 至于消除其他有害物的空调系统 也可采用类似上述的评价方法 40 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 41 第六节气流组织形式 按照送 回风口布置位置和型式的不同 可以有各种各样的气流组织形式 大致可以归纳为以下五种 侧送侧回 上送下回 中送上下回 下送上回及上送上回 一 侧送侧回侧送风口布置在房间的侧墙上部 空气横向送出 气流吹到对面墙上转折下落到工作区以较低速度流过工作区 再由布置在同侧的回风口排出 根据房间跨度大小 可以布置成单侧送单侧回和双侧送双侧回 42 侧送侧回的优点 侧送侧回形式使工作区处于回流区 具有以下优点 由于送风射流在到达工作区之前 已与房间空气进行了比较充分的混合 速度场和温度场都趋于均匀和稳定 因此能保证工作区气流速度和温度的均匀性 所以对于侧送侧回来说 容易满足设计对于速度不均匀系数的要求 工作区处于回流区 故而tp tn 投入能量利用系数bt 1 0 此外 由于侧送侧回的射流射程比较长 射流来得及充分衰减 故可加大送风温差 基于上述优点 侧送侧回是用得最多的气流组织形式 43 二 上送下回 孔板送风和散流器送风是常见的上送下回形式 孔板送风和密布散流器送风 可以形成平行流流型 涡流少 断面速度场均匀 对于温湿度要求精度高的房间 特别是要求洁净度很高的房间 则是理想的气流组织型式 这种形式的排风温度接近室内工作区平均温度 即tp tn b 1 0 44 三 中进下 上回 对于高大房间来说 送风量往往很大 房间上部和下部的温差也比较大 因此将房间分为上下两部分对待是合适的 下部视为工作区 上部视为非工作区 采用中部送风 下部和上部同时排风 形成两个气流区 保证下部工作区达到空调设计要求 而上部气流区负担排走非空调区的余热量 显然 下部气流区的气流组织就是侧送侧回 故而bt 1 0 45 四 下送上回 这种形式的送风口布置在下部 回风口布置在上部 也有送回风口都布置在下部的 对于室内余热量大 特别是热源又靠近顶棚的场合 如计算机房 广播电台的演播大厅等 采用这种气流组织形式是非常合适的 由于下送上回 tp tn 故而bt 1 0 经济性好 但是 下部送风温差不能太大 为此 可采用旋流送风口 因旋流的强烈混掺作用 特别是旋流中存在回流区 使得送风与室内空气迅速混合和均化 从而可使送风温差加大 可以认为 在上述条件下 采用旋流送风口的下送上回形式是一种较为理想的气流组织形式 46 五 上送上回 这种气流组织形式是将送风口和回风口叠在一起 布置在房间上部 对于那些因各种原因不能在房间下部布置回风口的场合是相当合适的 但应注意气流短路的现象发生 如果气流短路时 则tp tn bt 1 0 经济性差 47 第八章空调房间的气流组织 概述送风口空气射流回风口的空气汇流送 回风口型式气流组织的评价指标气流组织形式气流组织设计计算 48 一 侧送侧回 侧向送风在整个房间内形成一个大的回旋气流 工作区处于回流区 为保证射流在进到工作区之前有足够的射程进行衰减 工程中常设计成贴附射流 为此 送风口应尽量靠近顶棚布置 甚至以15 20度仰角向上送风 为了使射流在整个射程中都能贴附于顶棚而不进入工作区 必须控制阿基米德数小于一定数值 侧送空气射流参数 按照受限贴附射流的计算公式进行计算 侧送侧回形式的气流组织设计计算步骤如下 一 选定送风口型式 确定紊流系数a 布置送风口位置 确定射程x 送风口型式及其紊流系数可查表8 2和表8 1 二 选取送风温差 计算送风量和换气次数 送风温差及换气次数与室温允许波动范围有关 可查表2 12 三 确定送风口的出流速度v0 49 送风口的出流速度 送风口的出流速度是根据以下两条原则确定的 1 应使回流平均速度vh p小于工作区的允许流速 工作区允许速度根据工艺要求而定 在一般情况下可按0 25m s考虑 2在空调房间内 为防止风口的噪声 限制送风速度在2 5m s范围内 考虑以上两条原则 表8 4中给出了最大允许送风速度和建议送风速度以工作区允许流速为0 25m s 则得最大允许送风速度为如果算出的v0 2 5m s范围内 即认为可满足设计要求 8 15 50 用试算法确定送风速度v0 射流自由度在计算的公式中又包含有未知数v0 因而只能用试算法来求v0 即 1 假设v0 由上式算出 2 将算出的代入式 8 15 中 计算出v0 3 若算得v0 2 5m s 即认为可满足设计要求 否则重新假设v0 重复上述步骤 直至满足设计要求为止 51 四 确定送风口数目N Dtx为射程x处的轴心温差 一般应小于或等于空调精度 例如 空调精度为 0 5 时 取Dtx 0 5 对于高精度恒温工程 则取空调精度的0 4 0 8倍为宜 贴附射程取为x A 0 5m A为房间长度 减去0 5m是考虑距墙0 5m范围内划为非恒温区 综上所述 当给定房间尺寸 选定送风口型式 且知设计空调精度时 就可由图6 16查出无因次距离 再代入式 8 17 中算出送风口数目 52 五 确定送风口尺寸 算得每个风口面积f L 3600v0N 根据面积f 就可确定圆形风口的直径或者矩形风口的长和宽了 六 校核射流的贴附长度射流贴附长度是否等于或大于射程长度 关系到射流会否过早地进入工作区 因此需对贴附长度进行校核 若算出的贴附长度大于或等于射程长度 即认可满足要求 否则须重新设计计算 射流贴附长度主要取决于阿基米德数Ar 阿基米德数Ar按照式 8 5 计算 式中的d0可按流量当量直径计算 53 七 校核房间高度 为了保证工作区都能处于回流状态 而不受射流的影响 需要有一定的射流混合层高度 因此 空调房间的最小高度H为 H h W 0 07x 0 3m式中 h 空调区高度 一般取h 2m W 送风口底边至顶棚距离 0 07x 射流向下扩展的距离 取扩散角q 4 则tg4 0 07 0 3m 为安全系数 如果房间高度大于或等于H 即认可满足要求 否则要调整设计 54 二 孔板送风的设计计算 当空调房间精度或洁净度要求很高 迭风量很大 而房间高度又低于4m时 采用孔板送风是相当合适的 孔板分为全面孔板和局部孔板两种 在整个顶棚上全面布置穿孔板 称为全面孔板 在顶棚上局部布置穿孔板 称为局部孔板 不同孔板布置方式及其孔口出风参数 将会形成不同的气流流型 全面孔板平行流型主要用于高洁净度空调房间 不稳定流型适用于工艺布置部分区域内有较高精度或洁净度要求的房间 孔板送风设计计算步骤如下 一 确定孔板送风形式 即选用全面孔板或局部孔板 二 计算送风量L孔板送风的特点是射流扩展较好 轴心温差衰减较快 因此 对于一般精度要求的空调房间 孔板送风温差取为6 10 对于区域温差要才较严的空调房间 孔板送风温差取为3 5 至于洁净度要求很高的超净房间 其送风量是按房间换气次数或房间气流断面风速大小来确定的 55 三 确定孔口送风速度v0 孔板送风的作用原理是孔口出流 靠稳压层与室内之间的静压差将空气送出 稳压层内空气流速愈小 孔口出流方向受其影响也愈小 从而保证气流为垂直下送 不过 稳压层内静压过高的话 漏风量会增大 并且当出风速度超过7m s时 会产生孔口噪声 因此必须限制出风速度v0 2 5m s 设定v0 2 5m s 通常取孔径d0 4 10mm 在20 条件下空气运动粘性系数n 15 7 10 6m2 s 则算得平均雷诺数为从而得到送风速度v0的另一种计算式 56 四 计算开孔总面积Fk和净孔面积比K Fk L 3600v0a 式中 a是孔口流量系数 一般取a 0 74 0 82 净孔面积比K定义为开孔总而积Fk与孔板总面积F之比 即K Fk F若孔板面积F a b 孔口与孔口中心距离为l 孔板纵向和横向的开孔数分别为na和nb na a l nb b l孔板开孔总数n为 若孔径为d0 则单孔面积为pd02 4 净孔面积K可按需要开孔总面积与孔板总面积之比来求得 孔径一般取为4 10mm 所以 很容易算出孔口之间距l 57 五 计算工作区最大风速vx 孔板垂直下送风的流程分为三个区段 即核心区段 过渡区段和紊流区段 根据射流沿流程动量不变原理 可以计算射程x处的中心速度 即最大速度 设定送风气流在出口处和射程x处的风量及平均流速分别为L0 v0及Lx vx并设空气密度沿程不变 58 六 校核射流中心温差Dtx 由于孔板送风的气流速度衰减比较快 可以近似认为 对于恒温房间 应使Dtx 小于或等于所要求的恒温精度 59 七 稳压层的设计计算 为保证孔板实现均匀送风 则需保证稳压层内静压处处相等 实际上 空气在流经稳压层的过程中 一方面由于流动阻力使静压下降 另一方面 在稳压层内由于流量沿程逐渐减少 从而使动压逐渐减少和静压逐渐大 总之 稳压层内的空气静压是变化的 为保证均匀送风 通常限制稳压层内的静压变化不超过10 因此 在设计稳压层时 一方面要使空气流程不要太长 另一方面面要限制稳压层内水平流速v与孔口流速v0的比值为v v0 0 25若为全孔板 则a A b B 且b为气流流程方向 稳压层净高为h 则 通过稳压层的风量为 L 3600v a hm3 h按空调房间面积计算的单位面积送风量为Ld L AB 3600v a h a s m3 h m2 h sLd 3600v 将v 0 25v0代入 得到h 0 0011sLd v0式中 s是空气在静压层内有孔板部分的最大流程 m 为了便于施工安装 稳压层净高h一般