Способ удлинения всасывающего факела локальной вытяжной вентиляции
Владельцы патента RU 2778265:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к вентиляционной технике и может быть использовано для локального дистанционного удаления вредных газов и мелкодисперсного аэрозоля вблизи источника их выделения, в частности при сварке, пайке, покраске, в процессе расфасовки порошков, в гальванопроизводстве и т.п. Способ удлинения всасывающего факела локальной вытяжной вентиляции включает отсос из зоны выделения вредностей загрязненного воздуха, формирование отсасываемого воздуха в центральный всасывающий факел, направление приточного воздуха через тангенциально установленный патрубок с закручиванием периферийного потока, формирование экранирующего центральный всасывающий факел периферийного потока приточного воздуха в виде закрученной струи. Экранирующий центральный всасывающий факел периферийный закрученный поток приточного воздуха формируют в виде замкнутой на вытяжной патрубок закрученной струи путем подачи направленного через тангенциально установленный патрубок приточного воздуха в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, затем в коаксиальную сужающуюся конусную секцию, и далее в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, сопряженную с профилированным диффузором, угол раскрытия которого β выбирают из условия 90° < β < 180°. Технический результат - увеличение удлинения всасывающего факела для локальной вытяжной вентиляции. 6 ил.
Изобретение относится к вентиляционной технике и может быть использовано для локального дистанционного удаления вредных газов и мелкодисперсного аэрозоля вблизи источника их выделения, в частности при сварке, пайке, покраске, в процессе расфасовки порошков, в гальванопроизводстве и т.п.
Актуальной проблемой на промышленных предприятиях является очистка рабочих мест от загрязнений воздушной среды газами, дымом или пылью. Наиболее эффективными способами вентиляции признаются способы удаления вредных газообразных эмиссий вблизи источника их выделения, что предотвращает распространение загрязнений по всему помещению и уменьшаются затраты на общеобменную вентиляцию.
Известен недостаток всасывающего факела, формируемого стандартной вентиляционной воронкой. Хорошо известно, что в таком течении скорость воздушного потока падает обратно квадрату расстояния от входа в апертуру воронки. Простая модель точечного стока предсказывает указанную закономерность затухания скорости вытяжки и, соответственно, объясняет относительно короткую длину всасывающего факела, создаваемого при вытяжке загрязненного воздуха через воронку.
Для ряда технологий, таких как сварка, пайка и др. специфика процесса предполагает определенное свободное пространство для выполнения операций, что накладывает ограничения на позиционирование входного элемента вытяжной вентиляционной системы. Например, при электросварке рекомендуется удалять ~ 1000 м3/ч сварочного аэрозоля из области сварочной дуги. При отборе такого потока газа с помощью стандартной воронки, присоединенной к вытяжному патрубку диаметром 160 мм, образуется устойчивая зона захвата сварочного аэрозоля лишь на расстоянии менее 0,5 м вдоль оси от входа в воронку. Принимая во внимание масштаб длины руки оператора (~ 0,6 м) можно заключить, что для обеспечения свободной работы электросварщика всасывающий элемент вытяжной вентиляции должен быть установлен на расстоянии 1-1,2 м.
Известно применение потоков приточной вентиляции для направления (выталкивания) загрязненного воздуха из области выделения эмиссий к устройству вытяжки [US5063834, 12.11.1991, B08B15/02; US2007272230, 29.11.2007, F24C15/20,F24F7/06,F24F9/00,F26B21/00], тем самым создавая увеличение эффективной дистанции захвата загрязненного воздуха системой локальной вентиляции.
Недостатком данного способа ‘выталкивания’ загрязненного воздуха в область непосредственного действия всасывающей воронки или иного устройства вытяжки является необходимость соответствующего пространственного размещения источников струйных потоков приточной вентиляции таким образом, чтобы источник вредных эмиссий располагался между областью действия приточной струи и сферой действия вытяжки. Однако указанное согласованное раздельное размещение взаимодействующих устройств вытяжной и приточной вентиляции во многих случаях не является возможным вследствие ограничений конкретного производственного процесса или специфики пространственного размещения оборудования.
Известны способы и устройства локальной вентиляции, в которых средства вытяжной и приточной вентиляции сосредоточены в едином агрегате [US20070202791, 30.08.2007, B08B15/00; RU2428635,08.12.2009, F24F 7/06, B08B 15/0; US20100126123, 27.05.2010, B01D 45/08, B01D 45/16, F24C 15/20; RU2046258, 20.06.1992, F24F 7/06, B08B 15/00]. В изобретениях решается задача улучшения условий труда путем повышения эффективности удаления вредных веществ за счет изменения структуры всасывающего факела локальной вентиляции.
Анализ этих решений с точки зрения практического применения требует рассмотрения не только оценки безразмерного параметра удлинения всасывающего факела, выраженного в калибрах z/d, где z - дистанция вдоль оси от среза аппарата, d - диаметр канала вытяжки, но и минимизации относительного размера аппарата в радиальном направлении D/d, где D - диаметр всего устройства.
В известных технических решениях [US20070202791, 30.08.2007, B08B15/00; RU2428635, 08.12.2009, F24F 7/06, B08B 15/02; US20100126123, 27.05.2010, B01D 45/08, B01D 45/16, F24C 15/20], периферийный поток приточного воздуха, выходящий из устройств, закручивают с помощью завихрителей различного типа, при этом радиус расположения источника исходящей коаксиальной кольцевой цилиндрической или конусной струи (отклоненной с помощью щелевого дефлектора [US20100126123]) увеличен и составляет 3-4 диаметра центрального приемного отверстия вытяжки.
Последнее связано с предотвращением непосредственного взаимодействия противоположно направленных потоков и возникновения существенного градиента скорости в радиальном направлении и, соответственно, порождения крупномасштабной турбулентности.
Однако, указанный способ предотвращения возникновения сильной турбулентности на входе в тракт вытяжки приводит к значительному увеличению параметра D/d, т.е. габаритов устройств в радиальном направлении, что существенно ограничивает условия для практического применения этих технических решений. Например, относительный размер устройств, предложенных в патентах US20070202791 и RU2428635, D/d = 5, относительный размер устройства, предложенного в патенте US20100126123, D/d = 3,5 (для варианта № 6).
Отдельного внимания требует интерпретация опытного результата полученного в патенте [US20100126123, 27.05.2010, B01D 45/08, B01D 45/16, F24C 15/20], а именно, утверждение о генерации всасывающего факела, обеспечивающего “забор загрязнений с расстояний от среза открытого торца корпуса в десятки раз превышающих диаметр всасывающего патрубка”.
По данным рассматриваемого опыта, удаление дыма имеет место с расстояния z/d = 700 мм/28 мм = 25, хотя при этом D/d = 5 и z/d = 700 мм/500 мм = 1,4.
Здесь следует заметить, что предложенные в указанном патенте способ организации потоков, устройство реализации способа и, особенно, неотъемлемое условие применения устройства над плоскостью, позволяют отнести генерируемую структуру течения к широкому классу течений взаимодействия вихря с плоскостью, включая торнадоподобные течения. Хорошо известно, что наблюдаемый вихревой восходящий поток торнадо порождается существованием материнского облака, поставляющего циркуляцию за счет существования радиального пограничного слоя над плоскостью. Иными словами, описанное в указанном патенте решение предполагает удаление загрязненного воздуха с поверхности (плоскости), причем именно наличие поверхности (плоскости) обеспечивает адекватное функционирование устройства.
В решении [US20100126123, 27.05.2010, B01D 45/08, B01D 45/16, F24C 15/20] для удаления кухонного дыма с помощью отклоненных дефлектором по отношению к оси вытяжки струйных потоков приточного воздуха создается воздушная завеса, заменяющая громоздкие вытяжные зонты. Индуцированная циркуляционная ячейка служит для транспортировки кухонного дыма от поверхности плиты в зону непосредственного действия вентилятора вытяжки.
Недостатком решения также является невозможность безотрывного режима функционирования описанного типа дефлектора, предназначенного для отклонения периферийного потока.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение «Способ локальной вытяжной вентиляции и устройство для его осуществления» [патент РФ № 2046258, 20.06.1992, F24F 7/06, B08B 15/00], принятое за прототип. Указанные способ и устройство описывают компактный аппарат для вытяжки с увеличенной дистанции (z/d = 6-7,5) захвата вредностей из области ее возникновения безотносительно наличия или отсутствия расположенной нормально к устройству плоскости, при этом D/d = 3.
Способ локальной вытяжной вентиляции осуществляют путём формирования отсасываемого воздуха в центральный всасывающий факел, формирования приточного воздуха в закрученный периферийный поток, экранирующий центральный всасывающий факел, причём периферийный поток воздуха формируют в виде разомкнутой радиальной веерной струи.
Однако разомкнутость радиальной веерной струи, сформированной из периферийного потока, не позволяет в полной мере реализовать функциональные возможности фокусировки центрального всасывающего факела.
Таким образом, недостатками известного способа являются недостаточные эффективность и функциональные возможности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании высокоэффективного способа удлинения всасывающего факела для локальной вытяжной вентиляции.
Технический результат - увеличение удлинения всасывающего факела для локальной вытяжной вентиляции и тем самым эффективности удаления вредностей вблизи источника их выделения.
Для решения поставленной задачи предложен способ удлинения всасывающего факела локальной вытяжной вентиляции.
Согласно изобретению, способ удлинения всасывающего факела локальной вытяжной вентиляции включает:
1. отсос из зоны выделения вредностей загрязненного воздуха,
2. формирование отсасываемого воздуха в центральный всасывающий факел,
3. направление приточного воздуха через тангенциально установленный патрубок с закручиванием периферийного потока,
4. формирование экранирующего центральный всасывающий факел периферийного потока приточного воздуха в виде замкнутой на вытяжной патрубок закрученной струи путем подачи направленного через тангенциально установленный патрубок приточного воздуха в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, затем в коаксиальную сужающуюся конусную секцию и далее в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, сопряженную с профилированным диффузором, угол раскрытия которого β выбирают из условия 90° < β < 180°.
Сущность изобретения поясняется чертежами предназначенного для осуществления способа устройства локальной вентиляции.
На фиг.1 изображено устройство в осевом разрезе и схема течения.
На фиг.2 - поперечное сечения устройства на уровне кольцевой цилиндрической секции, содержащей тангенциальный входной патрубок, вид А-А.
На фиг. 3 - профиль диффузора в меридиональном сечении.
На фигурах обозначено: 1 - всасывающий патрубок; 2 - тангенциальный входной патрубок; 3 - коаксиальная кольцевая цилиндрическая секция, содержащая тангенциальный входной патрубок;
4 - коаксиальная сужающаяся переходная кольцевая конусная секция, 5 - коаксиальная кольцевая цилиндрическая секция; 6 - профилированный диффузор; 7 - замкнутая закрученная струя; 8 - тороидальная циркуляционная область; 9 - всасывающий факел; β - угол раскрытия диффузора; Rд - радиус кривизны дуги профиля диффузора в меридиональном сечении.
Способ осуществляют следующим образом:
1. формируют отсасываемый из области загрязнений воздух в центральный всасывающий факел 9;
2. направляют приточный воздух через тангенциальный входной патрубок 2 в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию 3 с закруткой периферийного потока за счет тангенциального ввода приточного воздуха;
3. затем подают закрученный периферийный поток воздуха в коаксиальную сужающуюся конусную секцию 4 для выравнивания неравномерности поля скоростей и далее в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию 5, сопряженную с профилированным диффузором 6, имеющим заданный угол раскрытия, который формирует выходящую из устройства приточную струю в форме кольцевого конуса 7 и обеспечивает замкнутый на вытяжное отверстие пространственный режим линий тока струи.
Для осуществления способа предлагается устройство локальной вытяжной вентиляции, содержащее всасывающий патрубок 1 и коаксиальный с ним составной корпус, между которыми образован коаксиальный канал для прохождения приточного воздуха. Составной корпус включает коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию 3 с тангенциальным входным патрубком 2 для направления через него приточного воздуха, коаксиальную сужающуюся переходную кольцевую конусную секцию 4, коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию 5 сопряженную с профилированным диффузором 6 с заданным углом раскрытия для индуцирования выходящей из устройства приточной струи в форме кольцевого конуса. Диффузор выполнен с плавно расширяющимися стенками, профилированными с кривизной, обеспечивающей безотрывное обтекание поверхности диффузора периферийным воздушным потоком с изменением его направления с осевого на радиальное. В меридиональном сечении профиль диффузора представляет собой дугу с кривизной Rд = γRк, где Rк - радиус на уровне сопряжения диффузора с корпусом устройства, при этом 0,3<γ<1,3, где γ - коэффициент формы изгиба, а угол раскрытия диффузора β определен условием 90° < β < 180°; нижняя кромка диффузора 6 находится на уровне среза всасывающего патрубка.
Устройство работает следующим образом.
Приточный воздух поступает через тангенциальный входной патрубок 2 в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию 3 с закруткой периферийного потока за счет тангенциального ввода приточного воздуха.
Затем поток проходит через коаксиальную сужающуюся конусную секцию 4 и коаксиальную цилиндрическую секцию 5, сопряженную с профилированным диффузором 6, где получает равномерное распределение тангенциальной компоненты скорости по окружности (равномерную закрутку) и поступает к выходу из коаксиального канала в виде полой, интенсивно и равномерно закрученной струи, основная масса которой сосредоточена у внешней стенки цилиндрической секции. Профилированный диффузор формирует выходящую из устройства приточную струю в форме кольцевого конуса 7 и обеспечивает замкнутый на вытяжное отверстие пространственный режим линий тока струи.
Угол раскрытия диффузора, выбираемый из диапазона от 90° до 180°, обеспечивает ламинарный режим всасываемого потока, т.к. отсутствует взаимодействие противоточных потоков. Профиль диффузора, представляющий дугу с кривизной Rд = γRк, где 0,3 <γ< 1,2, обеспечивает безотрывное обтекание поверхности диффузора периферийным воздушным потоком с изменением его направления с осевого на радиальное.
Таким образом, формируют тороидальную циркуляционную область 8, экранирующую поток вытяжки, и тем самым увеличивают длину всасывающего факела 9 за счет вовлечения воздуха из приосевой области по направлению к зоне вытяжки.
Таким образом, в заявляемом решении в отличие от прототипа:
1. закрутку периферийного потока осуществляют без применения завихрителя, исключительно за счет конструктивного исполнения корпуса устройства, который выполнен из последовательно расположенных коаксиально всасывающему патрубку секций разной формы и профилированного диффузора;
2. периферийный закрученный поток приточного воздуха организуют в виде замкнутой струи, при этом часть линий тока приточного потока проникает во внешнюю часть потока вытяжки, тем самым увеличивается длина всасывающего факела.
Для подтверждения заявленного технического результата были выполнены экспериментальные исследования по удалению паров глицерина от локального источника, расположенного на расстоянии 350 мм от отверстия вытяжки устройства локальной вентиляции, при этом диаметр всасывающего патрубка составлял 40 мм, т.е. z/d ≈ 8,8, а скорость потока на входе в устройство составляла 3 м/c.
Скорости в сложном трехмерном поле течения, создаваемом устройством, исследовались с помощью LAD-06C, разработанного в ИТ СО РАН. Измерения проводились путем перемещения точечного измерительного объема LDA поперек и вдоль всасываемого потока, создаваемого устройством, для углов раскрытия диффузора 45°, 90° и 180°.
На фиг. 4 показана визуализация переноса паров глицерина устройством локальной вентиляции с диффузором 45°. Всасываемый поток, обеспечиваемый устройством с углом раскрытия диффузора 45°, характеризуется высоким уровнем турбулентности на границах всасывающего потока, вызванной взаимодействием противоточных потоков, что свидетельствует о неприемлемости такого устройства для локальной вентиляции.
Всасываемые потоки, обеспечиваемые устройствами с углами раскрытия диффузора 90° и 180°, являются ламинарными (или квазиламинарными), как показано на фиг. 5.
Экспериментальные результаты неинтрузивной диагностики полей скорости потока с помощью LDA были использованы для проверки удержания и удлинения области всасывающего факела.
Эксперименты по измерению с помощью лазерного анемометра профиля осевой скорости, генерируемой устройством, показали более высокие значения скорости в потоке вытяжки на заданном расстоянии от входного патрубка по сравнению со скоростью вдоль оси всасывающего факела при отключении действия периферийного потока.
На фиг. 6 показано осевое (вдоль оси устройства) распределение компоненты скорости Vz, создаваемой устройствами с различными диффузорами, где: 1 - расчетные значения Vz при отсутствии действия периферийного потока; 2 - экспериментальные значения Vz при отсутствии действия периферийного потока; 3 - расчетные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 45°; 4 - экспериментальные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 45°;
5 - расчетные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 90°; 6 - экспериментальные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 90°; 7 - расчетные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 180°; 8 - экспериментальные значения Vz для устройства с диффузором, имеющим угол раскрытия 180°. Удлинение области всасывающего факела подтверждено путем расчетов и экспериментально увеличением скорости вдоль оси устройства с диффузорами, имеющими угол раскрытия 90° (линии 5 и 6); и 180° (линии 7 и 8), по сравнению со скоростью вдоль оси устройства при отсутствии действия периферийного потока (линии 1 и 2).
Таким образом, подтверждено удлинение всасывающего факела устройства локальной вентиляции за счет организации замкнутой закрученной периферийной струи.
Способ удлинения всасывающего факела локальной вытяжной вентиляции, включающий отсос из зоны выделения вредностей загрязненного воздуха, формирование отсасываемого воздуха в центральный всасывающий факел, направление приточного воздуха через тангенциально установленный патрубок с закручиванием периферийного потока, формирование экранирующего центральный всасывающий факел периферийного потока приточного воздуха в виде закрученной струи, отличающийся тем, что экранирующий центральный всасывающий факел периферийный закрученный поток приточного воздуха формируют в виде замкнутой на вытяжной патрубок закрученной струи путем подачи направленного через тангенциально установленный патрубок приточного воздуха в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, затем в коаксиальную сужающуюся конусную секцию, и далее в коаксиальную кольцевую цилиндрическую секцию, сопряженную с профилированным диффузором, угол раскрытия которого β выбирают из условия 90° < β < 180°.
