CZ303109B6

CZ303109B6 - Zarízení pro regulaci prutoku vzduchu v systémech vzduchotechniky

Info

Publication number: CZ303109B6
Application number: CZ20100932A
Authority: CZ
Inventors: Nový@Richard; Kucera@Miroslav
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostredí
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-04-04
Also published as: CZ2010932A3

Abstract

Zarízení pro regulaci prutoku vzduchu v systémech vzduchotechniky, opatrené regulacním prvkem (1), který je tvoren dvojicí klapek (11, 12), umístených v potrubí (2) koncového elementu za sebou ve vzdálenosti vetší než je polomer potrubí (2), pricemž alespon jedna klapka (11, 12) je propojena s regulacním zarízením. Alespon jedna klapka (11, 12) muže být opatrena na 30 až 60 % své plochy perforací a/nebo prumer alespon jedné klapky (11, 12) muže být o 4 až 8 % menší než je vnitrní prumer potrubí (2).

Description

(57) Anotace:

Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky, opatřené regulačním prvkem (I). který je tvořen dvojicí klapek (11, 12), umístěných v potrubí (2) koncového elementu zasebou ve vzdálenosti větší než je poloměr potrubí (2), přičemž alespoň jedna klapka (11, 12) je propojena s regulačním zařízením. Alespoň jedna klapka (II, 12) múze být opatřena na 30 až 60% své plochy perforací a/nebo průměr alespoň jedné klapky (11, 12) může být o 4 až X % menší než je vnitrní průměr potrubí (2).

Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky opatřeného regulačním prvkem.

Dosavadní stav techniky

V České republice je většina nových staveb určených pro pobyt lidí vybavena vzduchotechnickými zařízeními. Tato zařízení i když splňují tepelně technické požadavky na ně kladené, jsou často nevyhovující z hlediska hlukového. Před koncové elementy - vyustky přiváděči i odváděči se vkládají regulační klapky. Tyto klapky jsou nastaveny bud’ na stabilní polohu, nebojsou plynule regulovatelné podle požadovaného průtoku vzduchu. Jejich nežádoucí vlastností je značný aerodynamický hluk, který již není obvykle možno potlačit dodatečnými protihlukovými úpravami.

U stávajících provedení regulačních klapek je známo, že natočením listu klapky od zcela otevřené polohy se zpočátku téměř nemění součinitel místní tlakové ztráty. Teprve od úhlů výrazně vyšších - cca od 60°, začne odpor klapky prudce narůstat. Tato vlastnost výrazně omezuje regulační schopnost klapek, protože více než 50% rozsahu nastavení není vhodných pro regulování průtoku vzduchu.

Pokud se bude sledovat hlučnost regulačních klapek, tak lze na základě experimentů prokázat, že se akustický výkon odpovídající generování aerodynamického hluku klapkou dá vyjádřit funkční závislostí

W~K. X/ kde je K n

(-) konstanta úměrnosti, (m/s) rychlost proudění vzduchu, (-) exponent závislý na hodnotě Machova čísla.

Pro oblast Ma < 0,2 činí exponent n = 6. Tento poznatek znamená, že se vyzařovaný akustický výkon zvýší 64 x pokud se zvýší rychlost proudění 2x. Při snaze o snížení hlučnosti regulačních klapek je tedy třeba přednostně snižovat rychlost proudění vzduchu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že regulační prvek je tvořen dvojicí klapek, umístěných v potrubí koncového elementu za sebou ve vzdálenosti větší než je poloměr potrubí, přičemž alespoň jedna klapka je propojena s regulačním zařízením.

Alespoň jedna klapka může být opatřena na 30 až 60 % své plochy perforací, popřípadě může být průměr alespoň jedné klapky o 4 až 8 % menší než je vnitřní průměr potrubí.

Ve výhodném provedení jsou klapky navzájem propojeny pro současné naklápění pod stejným úhlem. Úhel naklápění klapek může být nastaven po 15° od 0 do 90°,

- 1 CZ 303109 B6

Úprava koncového elementu je založena na kaskádové expanzi vzduchu. Podstatou konstrukční úpravy je zařízení dvou klapek za sebou, které tvoří jeden konstrukční celek. Požadovaná tlaková ztráta se rozloží na dvě klapky, čímž se sníží potřebná rychlost proudění vzduchu v jejím zúženém průřezu vv_L..

Za předpokladu, že obě klapky budou natočeny na stejný úhel a tudíž budou vykazovat stejný součinitel místní tlakové ztráty a tedy i stejnou tlakovou ztrátu - při sériově řazených odporech se tlakové ztráty seěítají, tak pro vytvoření požadované tlakové ztráty muže poklesnout rychlost proudění na 70 % původní hodnoty u jednoduché klapky.

Vzhledem ke shora uvedeným skutečnostem tj. závislost akustického výkonu na 6. mocnině rychlosti proudění, poklesne generovaný aerodynamický hluk na 1/8. Tomu teoreticky odpovídá pokles hladiny akustického výkonu o 9 dB.

Druhou nezanedbatelnou vlastností prezentované konstrukce klapky je skutečnost, že se výrazně zlepší regulační schopnost tohoto řešení, což je dokumentováno průběhem součinitele místní tlakové ztráty pro dvojitou klapku (viz obr. 2 a 3).

V praxi se běžně pracuje se jmenovitým průtokem, tzv. k_k hodnotou - v rámci dříve používané terminologie průtokový součinitel, vyjadřující objemový průtok klapkou k_k [m7h] při definovaném rozdílu tlaků Ap_k. Provede-li se přepočet součinitelů ζ na poměr ki/kknnh je možno v grafech v bezrozměrných souřadnicích sledovat chování soustavy klapek.

Řešení podle vynálezu má nízkou hlučnost a lineární regulační charakteristiku.

Objasnění obrázků na výkresech

Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1 je schéma dvou sériově řazených regulačních klapek. Na Obr. 2 je znázorněna závislost poměrného průtoku kf</kum pro soustavu dvou těsných klapek na poměrném úhlu natočení regulačního listu klapky pro nastavený konstantní úhel klapky A. Na Obr. 3 je znázorněna závislost poměrného průtoku kk/kkHM pro soustavu perforované klapky s perforací 35 % a těsné klapky na poměrném úhlu natočení regulačního listu klapky Θ/Θιμ pro nastavený konstantní úhel klapky B. Na Obr. 4a až 4d je zobrazen pohled na regulační list klapky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky je opatřeno regulačním prvkem 1, tvořeným dvojicí klapek 11, 12, umístěných v potrubí 2 koncového elementu za sebou ve vzdálenosti větší než je poloměr potrubí 2. Jedna klapka J_L je propojena s regulačním zařízením aje opatřena na 35 % své plochy perforací. Klapky 11, 12 jsou navzájem propojeny pro současné naklápění pod stejným úhlem.

V dalším provedení je regulační prvek i tvořen dvojicí klapek 11. 12, umístěných v potrubí 2 koncového elementu, za sebou ve vzdálenosti větší než je poloměr potrubí 2. Jedna klapka 12 je propojena s regulačním zařízením a její průměr je o 4 % menší, než je vnitřní průměr potrubí 2. Úhel naklápění klapek 11, 12 je nastaven po 15° od 0 do 90°.

Na Obr. 1 d označuje průměr regulačního listu klapky 11, 12. D vnitřní průměr potrubí 2, w rychlost nabíhajícího proudu, w_c rychlost v zúženém průřezu a Θúhel natočení klapky jj_, J2.

Nezanedbatelnou vlastností klapek 11, 12 je jejích regulační schopnost. Závislost tlakové ztráty na klapce JJ., J2 lze vyjádřit funkční závislostí

Ί

Η’’

Λ η = Ρ - /·» “Τ 9) f' kde ξ (-) je součinitel místní tlakové ztráty, w (m/s) rychlost proudění, p (kg/m³) hustota vzduchu.

Zobrazená soustava dvou klapek 11, lije určena do potrubí 2 o průměru 180 mm. Tento rozměr byl zvolen z důvodů, aby byl eliminován negativní vliv přechodu z experimentální trati na měřený element, současně byla kladena podmínka na tlakovou odolnost celého měřicího řetězce včetně měřené klapky JJ, 12 a připojovacího potrubí. Vhodně se podařilo nalézt plastové potrubí o vnitřním průměru 0,175 m, s tlakovou odolností min. 0,1 MPa, což bylo dostačující pro plánované experimenty.

Prakticky je možné klapku 11, 12 konstruovat z jakéhokoliv běžně používaného materiálu, nejčastěji z pozinkovaného plechu, tak jak je zvykem v systémech vzduchotechniky.

Prstenec instalovaný po obvodu potrubí 2 plní nosnou funkci hřídelí klapky JJ, 12 a současně je na obou stranách osazen aretačním prvkem pro přesné nastavení požadovaného úhlu natočení klapky JJ, 12. Nastavení úhluje rozděleno po 15° od plného otevření úhel 0° do plného uzavření 90°.

Pro konstrukci soustavy klapek 11, 12 účinně snižující akustický výkon generovaný pří škrcení průtoku vzduchu se ukazují jako nejvhodnější řešení regulační listy zobrazené na Obr. 4. Jejich vhodnou kombinací je možné, pro požadované parametry v potrubí 2 dosáhnout snížení celkové hladiny akustického výkonu min, o 5 dB. Všechny regulační listy jednotlivých klapek JJ, 12 mají vnější průměr 0,175 m a tloušťku 2 mm - perforované 1 mm. Výjimkou je regulační klapka, jejíž list má průměr snížen na 93 %. Podle typu jsou jednotlivé listy plné či perforované s perforací 35 a 58 %. Tyto perforace byly zvoleny s ohledem na běžnou dostupnost a praktické využití v systémech vzduchotechniky.

Tloušťka regulačního listu má bezprostřední souvislost s množstvím vyzářené akustické energie při obtékání turbulentním proudem. Tento rozměr má souvislost se vznikem čistých tónových složek ve spektru daných bezrozměrným. Strouhalovým číslem, v němž je charakteristickým rozměrem právě tloušťka obtékané desky. Tloušťky listů klapek JJ, 12 byly voleny s ohledem na tuhost listu a prakticky používané rozměry.

Akustický výkon generovaný klapkou závisí nejen na tlakové ztrátě klapky JJ, 12, ale také na rozměru a geometrii regulačního listu. Je-li dán požadavek na porovnání různých typů klapek JJ, 12, je nutné všechny tyto informace vzít v úvahu.

V tab. 1 je provedeno porovnání jednotlivých soustav klapek JJ, 12 pro tlakovou ztrátu Apt = 100 Pa. Porovnání je provedeno pro tri vybrané střední rychlosti proudění v potrubí 3, 6, 9 a 12 m/s. Prázdná pole v tabulce vyjadřují, že daný typ klapky není schopen požadovanou tlakovou ztrátu dosáhnout.

V soustavě jsou vždy obě klapky JJ, 12 natočeny na stejný úhel. Pro soustavu perforované klapky 35 % a těsné klapky jsou v tabulce uvedeny dvě varianty nastavení. První variantou je perforovaná klapka pevně nastavena na úhel 75° (A75°). Druhý případ je pro pevně nastavenou těsnou klapku na úhel 15° (B15°), průtok je pak regulován perforovanou klapkou. Tato varianta byla vybrána s přihlédnutím k velmi dobrým výsledkům, přinášejícím možnost linearizace regulační charakteristiky.

-3 CZ 303109 B6

Klapky Π, 12 byly posuzovány jako samostatný prvek včleněný do potrubní sítě bez vlivu úseků regulovaných klapkou. Na základě tohoto přístupu lze považovat získané měřené hodnoty za hodnoty příslušející autoritě klapky P_k = I.V grafech značí θκ_Μ úhel natočení listu při plném otevření klapky.

Na obr. 2 je zobrazena soustava dvou těsných klapek JJ,, 12, kde d - D 3. Z grafu je patrné, že lineární průběh je nejlépe popsán křivkami A30° a A45°. A označuje klapku instalovanou jako první v proudu vzduchu. V oblasti odpovídající 50 % otevření jsou křivky A30° i A45° výrazně vzdáleny od lineárního průběhu. V této oblasti by bylo výhodné přejít na jiné přednastavení ío klapky A.

Vhodně navržená soustava sestavení z klapky perforované s perforací 35 % a těsné klapky je zobrazena na obr. 3. Při nastavení druhé klapky na úhel 15° (Β 15) dosáhne se, jak zobrazuje graf, výrazné lineární odezvy. Průtok je pak plynule regulován perforovanou klapkou. Lineární regu15 lační schopnost reprezentuje v obrázcích čárkovaná čára.

Na obr. 4 - a) Regulační list těsné klapky, b) List regulační klapky, c) List klapky s perforací 35 %, d) List klapky s perforací 58 %.

Tab. 1 Porovnání jednotlivých klapek a soustav klapek (obě klapky natočeny na stejný úhel) při 2o tlakové ztrátě Ap_k = 100 Pa a střední rychlosti proudění v potrubí w_s

	Θ ΙΊ	ř-x-f J \|dB\| j	ΙΊ	ldB\|	& ΙΊ	fdBl	β ΙΊ	\|dB\|
Typ klapky	h, - 3 nvs 100 Pa 1	tv, - 6 rn s i 100 Pa I i	-9 nvs Jp* - 100 Pa	h, - 12 nvs ’ 100 Pa
> ! i tísná klapka ί	46,8	60,3	34,3	67,4	i 27,7	1 75	[	76,8
soust dvou tísných i klapek	, 40.7 !	! 61,6 '	27,4 1	70,5	19,5 i 1	73,5	15,3	76,5
: perforovaná klapka 35 i _% '	1	1	59.8	Í 59,4 l	r .......* 1 44,4	65,8	35	69,7
soust dvou perloros aných klapek	-1 78,9	Ϊ-' 52,7 i	Ί ¹ i ! 45,5	Γ 1 61,9 1	33,2	66,5	26	70,7
perforovaná klapka 58 ! O o	i	1	1 1 _ i	-	71.5	62	52,2	66,7
SOUSI. dvou perforovaných klapek 58	i	-	81,2	ί 59.3	49.7	64J	36 t t t	68,5
soust perforovaná 35 tísná (A75)	43,6 ί t	58 ! I	-	-	-	-	f i 1 L .	-
: soust, perforovaná 35 '% tísná(R15)	1.	-	60	61,9 i L .	42,5 i	67,8	i ! 29 1 1	723

-4CZ 303109 B6

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky podle tohoto vynálezu 5 nalezne uplatnění v širokém rozsahu výrobků pro vzduchotechnická zařízení a to zejména v případech, kdy je požadovaná nízká hlučnost těchto zařízení a kvalitní regulovatelnost průtoku vzduchu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY is 1. Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu v systémech vzduchotechniky opatřené regulačním prvkem, vyznačující se tím, že regulační prvek (1) je tvořen dvojicí klapek (11, 12), umístěných v potrubí (
2) koncového elementu za sebou ve vzdálenosti větší než je poloměr potrubí (2), přičemž alespoň jedna klapka (11, 12) je propojena s regulačním zařízením.

lo 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna klapka (11, 12) je opatřena na 30 až 60 % své plochy perforací.
3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že průměr alespoň jedné klapky (11, 12) je o 4 až 8 % menší než je vnitřní průměr potrubí (2).
4. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že klapky (11, 12) jsou navzájem propojeny pro současné naklápění.
5. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že úhel io naklápění klapek (11, 12) je nastaven po 15° od 0 do 90°.
6. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je součástí koncového distribučního elementu.