Měření teplotních a rychlostních polí za velkoplošnou vyústkou Bystřická, Alena 1 & Janotková, Eva 2 1 Ing, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Odbor termomechaniky a techniky prostředí, Technická 2, 616 69 Brno, ABystric@seznam.cz 2 Doc. Ing. CSc., janotkova@fme.vutbr.cz Abstrakt: The article contains a description of measurement methods, which are used for temperature and airflow patterns measuring. These patterns are measured behind the displacement unit. The displacement unit is a component of the ventilation system, which is used for displacement ventilation research. There is a specific visualisation method used for the research. The method allows information about a shape and velocity of air flow behind the supply displacement unit to be obtained. At the same time, the air flow pattern is measured using a system of hot-wire anemometers which provide information about the velocities and temperatures over the flow pattern. A description of the visualisation method, measuring system and measuring procedure is included as well as the results obtained during the test measurement. Klíčová slova: zaplavovací větrání, teplotní a rychlostní pole, vizualizační metody, termočlánky, žárové anemometry Úvod: V současnosti se v oblasti větrání a klimatizace stále více uplatňují nové energeticky a ekologicky výhodné systémy distribuce vzduchu v místnosti. Tyto systémy využívají vztlakových sil, a proto se svým charakterem nejvíce blíží k přirozenému větrání. Správnou funkci těchto systémů zabezpečují speciální vyústky, které mohou být kazetové velkoplošné, podlahové či stěnové. Technické parametry u těchto vyústek jsou omezeny hygienickými hledisky proudění vzduchu v místnosti, jimiž jsou výtoková rychlost vzduchu a rozdíl teplot vzduchu přiváděného a vzduchu v místnosti [1]. U velkoplošných vyústí je rozdíl teplot navrhován v rozmezí 1 4 K a výtoková rychlost vzduchu nepřekračuje 0,5 m/s. Velkoplošné vyústky jsou určeny i pro teplotně stabilizovaný přívod větracího vzduchu bezprostředně do pobytové zóny místnosti, kdy teplota přiváděného vzduchu však musí být přibližně o 2 K nižší než teplota v místnosti. Jsou vhodné pro větrání průmyslových hal, pracovišť zatížených škodlivými látkami, prostorů občanských staveb, obchodů, laboratoří apod.
Popis větracího systému: Měření teplotních a rychlostních polí za velkoplošnou vyústkou je součástí výzkum zaplavovacího větrání, který probíhá na Odboru termomechaniky a techniky prostředí Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Zkušební místnost, v níž je vyústka instalována, má rozměry 8.5 x 4,6 m a je opatřena výškově stavitelným stropem v rozmezí od 2,2 do 3,5 m. Místnost je určena pro měření skutečných objektů v měřítku 1:1, nebo se dá využít i pro modelové zkoumání rozlehlých místností či průmyslových hal. Větrací systém je tvořen vzduchovody, ventilátory pro nucený přívod a odvod vzduchu, odváděcími vyústkami, přívodní velkoplošnou vyústkou, chladicím zařízením, které zajišťuje chlazení vzduchu a směšovací komorou, umožňující regulaci teploty přiváděného vzduchu. Schéma zařízení je na obr. 1. Podrobný popis větracího systému je uveden v [2]. přechodový oblouk chladič ventilátorová komora směšovací komora Wilsonova mříž zkušební místnost laboratoře větrání velkoplošná vyústka Obr. 1 Schéma větracího systému Použitá velkoplošná vyústka o rozměrech 1,1 x 1 x 0,55 m a jmenovitém průřezu 1,1 m 2, umístěná ve zkušební místnosti byla dimenzována na výkon ventilátoru instalovaného v přívodním vzduchovodu. Výkon ventilátoru je 0,2 až 0,65 m 3 /s a rychlost vzduchu vystupujícího z navržené velkoplošné vyústi se může pohybovat v rozmezí 0,15 0,59 m/s. Vyústka je tvořena pravou a levou komorou a vzduch je do ní přiváděn pomocí ohebné hadice pouze v jedné její polovině. Dále je do přívodní části vzduchotechnického zařízení pro výzkum zaplavovacího větrání instalován výparník chladicího zařízení mezistropní klimatizační jednotky, který zajišťuje chlazení vzduchu přiváděného do zkušební místnosti. Pro regulaci teploty vzduchu je navržena směšovací komora s regulační klapkou, umístěná mezi výparníkem chladicího zařízení a ventilátorem. K usnadnění regulace teploty slouží dálkové ovládání regulační klapky ve směšovací komoře. Metody měření: Při výzkumu je využívána metoda vizualizace proudu mlhou [3], která umožňuje získat informace o tvaru a směru proudění vzduchu za přívodní velkoplošnou vyústkou. Mlha se vyvíjí ve speciálním generátoru JEM ZR-12AL, jehož výstupní výkon může dosahovat hodnot 0 m 3 /min. Součástí generátoru je také dálkové ovládání, které je umístěno v prostoru laboratoře vybaveném výpočetní a řídící technikou. K proměření teplotních a rychlostních polí je použita soustava termočlánků a žárových anemometrů, připojených k měřicímu přístroji Testo 454. Ke Testu 454 je možno připojit 6 sond se žhavenou kuličkou. Uvedené sondy jsou vhodné nejen pro svou přesnost a citlivost,
ale také z důvodu malých rozměrů, čímž minimálně ovlivňují zkoumané proudění. Jednotlivé sondy jsou spolu s termočlánky uchyceny k otočnému a výškově stavitelnému stojanu, a lze je tak snadno umístit do charakteristických bodů proudu (viz obr. 2). Na obrázku 3 je vyobrazeno schéma posuvného systému v němž je stojan umístěn. Termočlánky jsou rovněž umístěny přímo na výstupním průřezu vyústky, což umožňuje přesně stanovit teplotu vzduchu přiváděného do místnosti. Teploty v místnosti a ve vzduchovodech jsou měřeny pomocí termočlánků a Wilsonova mříž zajišťuje kontinuální měření objemového toku přiváděného vzduchu. Proměřením teplot a rychlostí v charakteristických bodech získáme informace o vlastnostech zkoumaného proudu vzduchu. Jednotlivá měření jsou prováděna při různých parametrech proudu vytékajícího z vyústky. Obr. 2 Soustava žárových anemometrů a termočlánků umístěných na stojanu a na výstupním průřezu velkoplošné vyústi. Obr. 3 Schéma posuvného systému s otočným a výškově stavitelným stojanem Postup a výsledky měření: Teplotní a rychlostní pole bylo měřeno vždy v bodech pro každou rovinu. Rozmístění bodů v rovinách paralelních s výstupním průřezem vyústi a v rovinách k ním kolmých je znázorněno na obrázku 4. Měření probíhalo při různých variantách nastavení parametrů přiváděného vzduchu. Jednotlivé varianty jsou uvedeny v tabulce č. 1. ŘEZ A B C D E F ROVINA 5 75 0cm y y x z Obr. 4 Umístění měřicích bodů a znázornění jednotlivých řezů a rovin vzhledem k výstupnímu průřezu vyústky
Tabulka č.1 - Varianty nastavení parametrů přiváděného vzduchu Varianta a1 a2 a3 b1 b2 b3 ΔT O [K] 2 2 2 0 0 0 w O [m/s] 0,15 0,2 0,3 0,15 0,2 0,3 ΔT O je rozdíl teplot vzduchu v místnosti a vytékajícího z vyústky, w O je výtoková rychlost z vyústky. Prvním krokem bylo proměření rozložení rychlostí na výstupu ze vzduchotechnické vyústky. Při prvním kontrolním měření byla teplota přiváděného vzduchu shodná s teplotou okolí a výstupní rychlost byla nastavena na 0,15 m s -1. Měření bylo prováděno v rovině 5cm od čela vyústky. Bylo zjištěno, že rozložení rychlostí je značně nerovnoměrné, což je způsobeno tím, že vzduch je do vyústky přiváděn pouze v jedné její polovině. S cílem zrovnoměrnit rychlostní pole, byl na výstupní mřížku vyústky připevněn filtrační materiál a nové měření bylo provedeno pro stejné parametry přiváděného vzduchu. Z naměřených hodnot jsou však stále patrné oblasti, kde výstupní rychlost přesahuje hodnotu 0,2 m s -1. Tyto oblasti vznikají vlivem netěsností na okrajích vyústky, kde nebylo možné filtrační materiál dostatečně připevnit k výstupní mřížce vyústky. Původní rozložení rychlostí a rozložení rychlostí po upevnění filtračního materiálu na výstupní mřížku vyústky je zobrazeno na obr. 4a a 4b. Y [cm] 90 0 0 90 0 X [cm] Rychlost [m s -1 ] 0.3 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0 0 90 0 X [cm] a) b) Obr. 4 Rozložení rychlostí v rovině 5 cm od čela vyústky a) klasického provedení b) s filtračním materiálem na výstupní mřížce Y [cm] 90 Ukázka výsledků měření rychlostních a teplotních polí za takto upravenou vyústkou je na obr. 5 a obr. 6. Na obrázku 5 je rozložení rychlostí a na obr. 6 rozložení teplot pro rovinu ve vzdálenosti 5 cm od čela vyústi a pro řez B. Uvedené výsledky odpovídají variantě nastavených parametrů a2 - teplotní rozdíl ΔT O (rozdíl teplot vzduchu v místnosti a přiváděného vzduchu) je 2 K a rychlost přiváděného vzduchu w O je 0,2 m/s. Hodnoty naměřených rychlostí a teplot byly zpracovány pomocí programu Surfer a poskytly tak přehledné informace o rychlostech a teplotách v proudu za velkoplošnou vyústkou.
Rychlost [m s -1 ] 90 90 0 a) b) Obr. 5 Rozložení rychlostí a) v rovině 5 cm od vyústky b) v řezu B 90 a) b) Obr. 6 Rozložení teplot a) v rovině 5 cm od vyústky b) v řezu B 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 Rozdíl teplot [K] 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 90 0 Z obrázku 5 je patrné, že rozložení rychlostí je rovnoměrnější než při zkušebním měření a také že za vyústkou se vytváří klesající proud vzduchu v jehož středu nabírá proud na rychlosti. Z obrázku 6a je v rovině vyústky patrná nejchladnější oblast v místě, kde je do vyústky přiváděn chladný vzduch. S rostoucí vzdáleností od vyústky je ve spodní části řezu zachován teplotní rozdíl ΔT = 2 K, zatím co v horní části se projevuje vliv teplejšího vzduchu v okolí proudu. Proud tedy klesá směrem k podlaze, což odpovídá principu daného typu větrání. Současně s proměřováním rychlostních polí byla provedena vizualizace proudění pomocí mlhy. Pro vizualizaci je využívána kamera Canon DM-XM1. V prvním případě byla vizualizace prováděna pro výstupní rychlost 0,15 m s -1 a teplota přiváděného vzduchu byla shodná s teplotou okolí. V případě druhém byla zachována výstupní rychlost avšak teplota vzduchu byla o 2-3 K nižší než teplota vzduchu ve zkušební místnosti. Pro oba případy byl pořízen videozáznam, z něhož je stejně jako z uvedených fotografií (viz obr. 7), patrný výrazný vývoj klesajícího proudu chladného vzduchu vystupujícího z vyústky. Pomocí vizualizace byla také ověřena nerovnoměrnost přívodu vzduchu z velkoplošné vyústky.
a) b) Obr. 7 Záznam vizualizace proudění vzduchu z velkoplošné vyústky pomocí mlhy a) izotermní proud b) neizotermní proud (teplotní rozdíl 2 K) Závěr: Provedením publikovaných kontrolních měření byla ověřena funkce použitého experimentálního zařízení a získány první informace o instalovaném systému zaplavovacího větrání. Výsledky experimentů odpovídají zásadám proudění při stabilizovaném přívodu vzduchu. Současně však byly zjištěny chyby a nedostatky, které se v soustavě vyskytují a které bude třeba odstranit. Jedná se o vhodné upevnění filtračního materiálu k výstupní mřížce velkoplošné vyústky, případně použití jiného řešení pro zajištění rovnoměrného rozložení rychlostí na výstupu z velkoplošné vyústky. Dále pak měření ukázala, že je nezbytné zdokonalit použitou regulaci teploty vzduchu, která by zajistila po celou dobu měření konstantní teplotu přiváděného vzduchu. Experimentální zařízení a měřicí metody uvedené v tomto příspěvku umožní hlubší výzkum zaplavovacího větrání. Poznatky získané při měření charakteristických vlastností proudu vzduchu za velkoplošnou vyústkou, jako je např. tvar rychlostního a teplotního pole v proudu a obrazy proudění vzduchu v místnosti, doplní poznatky o zaplavovacím větrání, které doposud chybí. Poděkování Výsledky publikované v tomto příspěvku vznikly za finanční podpory GAČR v rámci řešení projektu č. 1/05/H018. Literatura [1] SZÉKYOVÁ, M. FERSTL, K NOVÝ, R.: Větrání a klimatizace. JAGA GROUP, s. r. o., Bratislava 06 [2] BYSTŘICKÁ, A. JANOTKOVÁ, E.: Návrh zařízení pro výzkum zaplavovacího větrání. XXIV. Mezinárodní vědecká konference kateder mechaniky tekutin a termomechaniky Blansko, VUT v Brně 05. [3] PAVELEK, M. JANOTKOVÁ, E. ŠTĚTINA, J.: Vizualizační a optické měřicí metody. Internetová skripta FSI VUT v Brně, Brno 01