Главная Инструменты Истечение сжатого воздуха через отверстие. Истечение сжатого воздуха через отверстие Истечение сжатого воздуха через отверстие

Истечение сжатого воздуха через отверстие. Истечение сжатого воздуха через отверстие Истечение сжатого воздуха через отверстие

Шум является одним из основных источников нарушения комфортного состояния. Шумы и звуки создаются волнами при сжатии и расширении в воздухе, воздуховодах, системе гидравлики, в жидкостях, передвигающихся по трубам. Основным параметром шума является его частота. Шум распространяется в очень широком спектре частот и измеряется в децибелах (дБ). Шум создается встроенными вентиляторами, насосами, потоками рабочих сред и т.д.

Меры по снижению шума основываются на двух видах операций, применяемых одновременно или последовательно:

меры, относящиеся к самому источнику шума;

меры, относящиеся к путям передачи шума.

Меры, относящиеся к источнику шума. В холодильном блоке основные источники шума – это компрессор и вентиляторы конденсатора. Низкий уровень шумовых характеристик зависит от правильного выбора холодильной установки, блока переработки воздуха, вентиляторов и т.п.

Не менее важным является выбор места расположения установки. Следует избегать расположения установки в углах помещения, и, по возможности, располагать установки как можно дальше от стен, так как отражаясь от стен, шум возрастает.

Монтируя установки снаружи здания, нужно избегать расположения их внутри шахт, и лестничных пролетов; вблизи окон и дверей.

Вибрация, передаваемая установкой на опоры, может быть погашена благодаря применению специальных противовибрационных материалов.

Меры, относящиеся к путям передачи шума. Эти меры относятся главным образом к снижению шума, передающегося по воздуховодам.

Мероприятия по снижению шума, связаны с использованием специальных способов подсоединения отдельных элементов, внутренним покрытиям воздуховодов, установкой шумоглушителей.

При подсоединении вентилятора к воздуховоду рекомендуется использовать антивибрационную прокладку, а также предусматривать прямой участок воздуховода сразу же после места его подсоединения.

Подсоединение воздухозаборников и распределителей к основному воздуховоду должно быть соосным. Отсутствие или неправильное размещение направляющих заслонок в воздухозаборниках и распределителях приводит к повышению шума.

В больших помещениях необходимо предусмотреть установку нескольких заборников и распределителей воздуха для более равномерного распределения воздушных потоков и уменьшения скорости прохождения воздуха.

Кроме того, применяют специальные шумоглушители, которые изготавливаются, например, из нескольких слоев минеральной ваты специально подобранной плотности. Внешняя поверхность ваты усилена стекловолокнистым покрытием.

Шумоглушители конструктивно делятся на пластинчатые и трубчатые. Пластинчатый шумоглушитель представляет собой коробку из тонкого металлического листа, проходное сечение которой разделено пластинами или ячейками, облицованными звукопоглощающим материалом. Трубчатый шумоглушитель выполняется в виде двух круглых или прямоугольных труб, вставленных одна в другую. Пространство между наружной (гладкой) и внутренней (перфорированной) трубой заполнено звукопоглощающим материалом. Размеры внутренней трубы совпадают с размерами воздуховода, на котором устанавливается шумоглушитель. Шумоглушитель может быть элементом как приточных, так и вытяжных систем. Чаще всего его устанавливают между вентилятором и магистральным воздуховодом. Необходимость установки шумоглушителя должна быть подтверждена специальным акустическим расчетом. Конструкторский расчет шумоглушителя состоит в определении:

площади поперечного сечения трубчатого шумоглушителя или суммарной площади каналов между пластинами для прохода воздуха пластинчатого шумоглушителя (живого сечения);

длины шумоглушителя, определяемой на основании частотных характеристик;

аэродинамического сопротивления (по опытным данным фирмы-изготовителя).

Расчет площади поперечного сечения выполняется из условий допустимой по шумообразованию скорости воздуха в шумоглушителе:

где F − площадь поперечного сечения шумоглушителя, м 2 ; L − расход воздуха через глушитель, м 3 /с; V доп − допустимая скорость воздуха в глушители, м/с.

Для общественных и административных зданий допустимая скорость воздуха в воздуховодах в зависимости от допустимого уровня звука приведена в таблице 3.

Таблица 3

Допустимый уровень звука, дБ
Допустимая скорость воздуха, м/с

Проблемы борьбы с шумом должны рассматриваться на стадии проектирования, когда есть возможность выбирать наиболее рациональные решения. После завершения работ по строительству объекта понижение уровня шума даже на несколько дБ представляется задачей намного более сложной и дорогостоящей.

9. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА В КОНДИЦИОНИРУЕМОМ
ПОМЕЩЕНИИ

Задача распределения приточного воздуха является весьма важной для эффективной работы системы кондиционирования. Воздухораспределение является своеобразным процессом обработки воздуха, совершаемым непосредственно при подаче его в помещение и формирует поля температур и скоростей в рабочей зоне. При этом в разных местах рабочей зоны могут возникать значительные отклонения температур от заданной, большая подвижность или, наоборот, застой. Таким образом, даже правильно запроектированная СКВ может не обеспечить эффект кондиционирования, если воздухораспределение выбрано и рассчитано неправильно. В основе теории воздухораспределения используются теоретические и экспериментальные данные аэродинамики.

Устройство, через которое воздух из приточного воздуховода поступает в помещение, представляет собой воздухораспределитель.

Закономерности pacпространения приточных струй. Из круглого отверстия диаметром d о в неограниченное пространство поступает воздух (рис. 21, а). В наиболее общем случае отверстие закрывается специальными насадками: диффузорами, сетками, решетками и др. Если температуры воздуха выходящего из отверстия и в пространстве одинаковы, тогда ось струй искривляться не будет. Поток воздуха, выходящий из отверстия, турбулентный. Поэтому частицы имеют соответствующие скорости не только в направлении оси струи, но и в поперечном направлении. Это объясняет движение воздуха, окружающего струю, расширение границ струи и торможение струи, т.е. уменьшение скорости. Границы струи определить трудно, к тому же для неизотермических струй динамические (скоростные) и температурные границы не совпадают. Поэтому за динамическую границу струи принимают удвоенное расстояние от оси до точки, где скорость равна половине осевой (рис. 21, а).

Развитие струи характеризуется тремя участками. На участке формирования происходит слияние отдельных струек в сплошной поток в плоскости, перпендикулярной направлению выпуска. Начальный участок струи характеризуется постоянной скоростью и температурой по оси струи, постепенно формируясь в основной участок. Та часть струи, в пределах которой скорости не меняются, называется ядром сечения.

Наибольшее значение для расчётов воздухораспределения имеет поведение струи на основном участке. Здесь осевая скорость непрерывно убывает, а профили скоростей в поперечных сечениях подобны. Скорость в любой точке струи определяется в зависимости от расстояния х от места выпуска и расстояния y по формуле:

, (101)

где w x − скорость на оси струи; С = 0,082.

Если струя поступает в окружающую среду с другой температурой, то она является неизотермической. Неизотермичность струи учитывается критерием Архимеда (Аr):

, (102)

где β = 1/Т в − коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К; g = 9,8 − ускорение свободного падения, м/с 2 ; d о − диаметр воздухораспределительного устройства,м; w о − скорость выхода воздуха, м/с; (t в – t п) – рабочая разность температур, °С.

При Аr > 0,001 ось неизотермической струи заметно искривляется; при
t п > t в струя «всплывает» вверх, при t п < t в струя, наоборот, опускается вниз. Изменение закономерностей движений приточных неизотермических струй по сравнению с изотермическими приводит к несколько иным закономерностям распределения температур в струе. Это учитывается коэффициентом неизотермичности струи К н в формулах:

; (103)

. (104)

где w x и ∆t x − скорость и избыточная температура на оси струи на расстоянии х от места выпуска; m − коэффициент затухания скорости в основном участке; n − коэффициент затухания температуры, зависят от конструкции воздухораспределителя.

Искривленная ось траектории приточной неизотермической струи описывается уравнением:

. (105)

Совсем другими закономерностями описывается всасывающий факел. Устройства воздухоудаления представляют собой приемные отверстия вытяжного и рециркуляционного воздуха, оборудованные решетками и перфорированными панелями.

При всасывании в устройство воздухоудаления воздух поступает со всех сторон. На рис. 21, б показаны линии равных скоростей и линии токов для всасывающего отверстия. Закономерности течения воздуха в этом случае зависят от формы отверстия: у круглого отверстия уже на расстоянии одного диаметра скорость воздуха составляет всего 5 % от скорости в центре отверстия. По мере удаления от устройства скорость воздуха затухает быстрее, чем у приточной струи.

Сравнивая закономерности распространения простейшей приточной струи и характер всасывания, можно сделать вывод об их принципиальном различии. Приточные струи дальнобойны, то есть, могут распространяться в пределах значительной части помещения, определяя тем условия обитания. Вытяжной факел, напротив, быстро «угасает». Поэтому характер движения воздушных потоков и эффект воздухораспределения определяется в первую очередь приточными струями. По этой же причине расчёт сводится, прежде всего, к выбору приточных устройств, обеспечивающих в обитаемой зоне помещения заданные условия.

Классификация приточных струй. Различают приточные и вытяжные струи, затопленные и незатопленные. Затопленные струи различаются тем, что поступают в ту же среду, например, воздух в воздух. Вентиляционные струи всегда затопленные.

По геометрической форме приточные струи могут быть: компактными, плоскими и веерными.

Компактные струи образуются при выпуске воздуха из цилиндрических труб, круглых, квадратных и прямоугольных отверстий, как открытых, так и затененных решетками, перфорированными листами.

Плоские струи формируются при истечении воздуха из щелевых каналов воздушных завес, воздуховодов, прямоугольных вытянутых отверстий, как открытых, так и затененных решетками, перфорированными листами.

Веерные струи образуются при раздаче воздуха через насадки с плоским диском, поворачивающим струю на 90° и распространяющим поток воздуха во всех направлениях.

По способу распространенияструи различают: свободные , распространяющиеся без изменения своей формы и стесненные , имеющие на своем пути преграду из различных предметов или конструкций, или других струй.

Струи, имеющие ту же температуру, что и окружающая среда, называются изотермическими . Струи с температурой выше окружающей среды − неизотермическими , или слабонагретыми. Ось такой струи отклоняется кверху (струя всплывает). Струи с температурой ниже окружающей среды − тоже неизотермическими, или слабоохлажденными. Ось струи отклоняется книзу (струя тонет).

Струи, выпущенные параллельно какой-либо поверхности (обычно это потолок), налипают на него, но через некоторое расстояние происходит отрыв. Такая струя активнее обычной в 1,4 раза.

Струи могут быть настильными и отрывными. Настильные струи распространяются вдоль некоторой поверхности, например перекрытия, при этом их дальность действия увеличивается. Такой приём, как настилание струи применяют, например, для помещений малой высоты, при наличии гладкого перекрытия с тем, чтобы удлинить путь движения воздуха до рабочей зоны. Отрывные струи , напротив находят применение в помещениях большой высоты, а также при наличии поперечных по отношению к струе ребер.

Конструкции воздухораспределительных устройств. По конструктивному исполнению воздухораспределители и устройства воздухоудаления весьма разнообразны: решетки, плафоны, сопла, перфорированные панели и воздуховоды, различного рода насадки и т.д. Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее характерных из них.

Приточная регулируемая решетка (рис. 22, а) получила широкое применение в помещениях со стороны стен, в основном в многокомнатных административных, общественных и лечебных зданиях. Различные модификации решетки снабжаются поворотными перьями 1, которые позволяют управлять направлением струи (горизонтально, направленно на перекрытие или в нижнюю зону), выбирать тип струи, изменять дальнобойность струи и равномерность параметров в рабочей зоне. Направляющие 2 обеспечивают выход воздуха под углом к плоскости отверстия, близким к нормальному. Тяга 3, устанавливаемая в потоке воздуха, позволяет изменять расход приточного воздуха.

Многообразные конструкции воздухораспределителей, предназначенные для подачи приточного воздуха со стороны перекрытия, получили наименование потолочных анемостатов. Некоторые конструкции таких устройств показаны на рис. 22, б, в, д, е. Все они создают веерные (настильные или отрывные) струи. В таких случаях происходит весьма интенсивное снижение скорости и избыточной температуры. Это объясняется развитой поверхностью, в пределах которой происходит эжекция. Двухструйный плафон (рис. 22, б) даёт возможность при поднятом диске 1 получать отрывную веерную струю, а при опущенном − настильную струю. Под диском при подаче воздуха через плафон возникает разрежение. Для стабилизации режима работы в центре диска имеется отверстие, через которое выходит очень малая часть потока. Этот воздух выходит струей под диск, где возникает разрежение. В модернизированной конструкции плафона диск имеет много мелких отверстий, т.е. перфорацию. В этом случае кроме веерной струи в центре образуется ассимметричная струя.

Многодиффузорный плафон (рис. 22, в) сконструирован так, что создаётся принудительный угол расширения воздушного потока. Количество диффузоров определяет число полных веерных струй. Комбинированный приточно-вытяжной плафон (рис. 22, г) находит применение в случае, когда подача и удаление воздуха производятся через вышерасположенный технический этаж. Подача воздуха производится полными веерными струями. В центре плафона производится удаление воздуха из помещения. В такой конструкции важно принять меры к устранению перетекания приточной струи во всасывающее отверстие. Такая конструкция получила широкое распространение.

Центробежный анемостат (рис. 22, д) работает следующим образом. Приточный воздух подаётся по стрелке 1. На турбину 2 он поступает тангенциально, т.е. по касательной. Поэтому своей энергией воздух приводит турбину 2 во вращение. При этом в нижней части подсасывается воздух из помещения. На выходе 3 происходит интенсивное перемешивание приточного и рециркуляционного воздуха. Поэтому даже в низких помещениях удаётся распределить воздух при большой рабочей разности температур.

Вращающийся воздухораспределитель показан на рис. 22, е. Отличие его от всех ранее рассмотренных заключается в импульсном характере формирования струи. В этом случае получается наибольшее гашение скоростей и избыточных температур. Сам воздухораспределитель вращается относительно неподвижного подводящего патрубка. Воздух, проходя через каналы, образованные направляющими перегородками, выходит в помещение. При выходе воздуха возникает пара сил, которая и приводит во вращение подвижную часть воздухораспределителя. При этом в одном и том же фиксированном направлении воздух поступает импульсно, отдельными порциями. Это обеспечивает весьма быстрое гашение параметров.

Схемы вентилирования помещения учитывают место подачи приточного и удаление вытяжного воздуха. Различают такие схемы, как «сверху-вниз», «сверху-вверх», «снизу-вверх», и другие. Для помещений большой высоты (более 8 м) применяется подача в среднюю зону. Для каждой схемы характерна своеобразная циркуляция воздушных потоков, В результате каждый раз формируется определенное соотношение между характерными температурами воздуха.

Три температуры являются характерными для помещения: температура воздуха в рабочей зоне t в (обычно задана); температура приточного воздуха t П. (определяется обычно графически по I-d диаграмме); температура уходящего воздуха t у.

Расчёт воздухораспределения производят в следующем порядке :

анализируют конструктивно-планировочные характеристики помещения и размещение оборудования;

выясняют возможности подачи приточного воздуха со стороны перекрытия (при наличии вышерасположенного этажа) или со стороны стен;

выбирают схему вентилирования помещения: «сверху-вверх» и другие.

выбирают тип и конструкцию воздухорасиределителя в зависимости от требований к точности поддержания параметров (настенная решетка, потолочный анемостат, перфорированная панель).

для выбранной конструкции определяются величины коэффициентов m и n, К н, входящих в формулы (103) и (104);

по формуле (104) определяют d o - характерный размер воздухораспределителя и по формуле (103) - скорость в опасной точке w x . Полученная скорость сравнивается с допустимой по гигиеническим соображениям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверкин А.Г. Примеры и задачи по курсу «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение»: Учебное пособие. – Пенза: ПГАСА, 2002. – 116 с.

2. Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика: Учебное пособие. – М.: «Евроклимат», изд во «Арина», 2000 – 416 с.

3. Бражников А.М., Малова Н.Д. Кондиционирование воздуха на предприятиях мясной и молочной промышленности. – М.: Пищевая пром-сть, 1979. – 265 с.

4. Малова Н.Д. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию для предприятий пищевой промышленности. – М.: ТермоКул, 2005. – 304 с.

5. Краснов Ю.С., Борисоглебская А.П., Антипов А.В. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке. – М.: ТермоКул, 2004. – 373 с

6. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: Учебник для вузов. – СПб.: Политехника, 2001. – 423 с.

7. Сотников А.Г. Термодинамические основы обработки воздуха. Конспект лекций: В 2 ч. – Л.: ЛТИХП, 1977, – 136 с.

8. Строительные нормы и правила. Отопление, вентилящия и кондиционирование воздуха. СНиП 41-01-2003 – М.: Изд-во ЦНТИ, 2004.

9. Строительные нормы и правила. Строительная климатология. СНиП 23-01-99 – М.: Изд-во ЦНТИ, 2000.

10. Строительные нормы и правила. Строительная теплотехника. СНиП II-3-79* – М.: Изд-во ЦНТИ, 1998.

11. Техническая термодинамика: Учебник для вузов /Под ред. В.И. Крутова – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. школа, 1981. – 439 с.

12. Цветков Ю.Н. Бурцев С.И. Кондиционирование воздуха: Учебное пособие. – Л. ЛТИХП, 1986. – 81 с.

13. Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. – 3-е изд., перераб. – М.: Агропромиздат, 1989. – 223 с.

Истечение в вязкостном потоке. Рассмотрим истечение через малое отверстие площадью F из области l с высоким (атмосферным) давлением р1 в область 2 низкого давления р2. При уменьшении рг скорость истечения и, следовательно, количество протекающего газа непрерывно увеличивается до тех пор, пока скорость истечения через отверстие не становится равной скорости звука. . Дальнейшее уменьшение р2 не приводит к увеличению скорости и количества протекающего газа; они остаются постоянными.

Поток газа, проходящий через сечение привыражается

формулой

(25)

где г = - <: 1; F- площадь отверстия; k- постоянная Больцмана; Pi

mr - масса молекулы; T1- абсолютная температура в области /. Для воздуха при 200 Cv = 1,403; T1 = 293° К и

(26)

где Q в мм рт. ст. - л/с; р - в мм рт. ст.; F - в см2. Максимальное значение Q при

для воздуха rKp = 0,52.

Сопротивление и пропускную способность отверстия для воздуха при 20° С подсчитаем по формулам (18) и (19). При 1 > г > 0,52

При 0,52 ;> г

При 0,1 > г

тогда поток газа

где п - число молекул в единице объема при давлении рх. Из формулы (3) для идеального газа

Поток через отверстие площадью F из области с давлением рх в область с давлением р2

Но так как характер течения определяется только вероятностью попадания молекулы в отверстие из любой точки камеры, то и из области с давле-

где L - в л/с; F - в см2; г - - (P1 > рг).

Таким образом, пропускная способность отверстия в вязкостном режиме является функцией г отношения давлений, пока это отношение не станет меньше 0,1.

Значения пропускной способности на единицу площади отверстия для воздуха при разных значениях г:

Приведенные формулы и значения величин действительны для отверстий, которые весьма малы по сравнению с размерами камер. Края отверстия должны быть как можно более тонкими, в противном случае линии течения значительно изменяются и уравнения дают ошибочные результаты.

Истечение в молекулярном потоке. При рассмотрении истечения в молекулярном потоке из камеры с давлением рх в камеру сдавленней рг прежде всего следует учесть, что длина свободного пробега молекул больше характерного размера камеры. Отсюда следует, что градиент давления вблизи отверстия и линии течения не образуются. Молекула газа может попаеть в отверстие непосредственно из любой точки камеры. Количество протекших через отверстие молекул будет, таким образом, определяться только их тепловым движением и, согласно законам молекулярно-кинетической теории, число молекул, прошедших через единицу сечения в единицу времени, может быть подсчитано по уравнению (12)

В конструктивных расчетах и сборке систем вентиляции жилых помещений нужно обеспечить комфортный уровень шума для пребывания людей. Повышенный фоновый шум негативно влияет на психику и здоровье. Вместе с тем эффективная работа данной системы должна соответствовать заданным параметрам по объемам и частоте циркуляции воздуха и не быть энергозатратной.

В большинстве случаев требуемый результат по снижению уровня шума при работе с приточно-вытяжными вентиляционными системами достигается целесообразным подбором параметров и характеристик ключевых элементов на этапе разработки.

В расчетах каналов и соединительных элементов воздуховода важно отталкиваться от требуемого объема прогоняемого воздуха без дополнительного запаса. Превышение оптимального значения количества воздуха для циркуляции увеличит скорость течения в элементах воздуховодов и рост аэродинамических потерь. Чтобы компенсировать их, придется увеличивать площадь сечения каналов воздуховодов, а это повлечет нежелательные траты на материалы и усложнит монтаж.

Конфигурация и внутренние размеры комплекса воздуховодов для вентиляции определяются из расчета, что суммарное сопротивление всех участков и элементов сети равно напору, создаваемому вентилятором.

Связь характеристик вентиляционных систем с уровнем шума

В эмпирических формулах расчета уровня шума вентиляционной сети фигурируют расход воздуха, поперечные размеры воздуховода, безразмерные величины, характеризующие качество звукоизоляции помещения, а также значения сопротивления для ровных и изогнутых участков труб.

Уменьшение аэродинамических потерь воздуховода, расширение проходного сечения и установка вентилятора с меньшим расходом воздуха позволят сберечь электроэнергию. Потребляемая вентилятором энергия напрямую зависит от величины расхода воздуха и напора. Он, в свою очередь, прямо пропорционален скорости воздуха в воздуховоде.

Повысив скорость воздуха, можно уменьшить диаметр сечения воздуховода и сэкономить на покупке составных частей и монтаже. Повышение скорости достигается установкой высоконапорных вентиляторов. Имея ту же производительность, что и низконапорные, они будут расходовать больше электроэнергии и их эксплуатация обойдется дороже.

Конкретно сказываются на уровне шума следующие допустимые параметры вентиляционной системы:

Расход воздуха. Имея установленную конфигурацию и размеры системы воздуховодов, можно снизить уровень шума за счет уменьшения расхода.
Площадь сечения воздуховода. Ее увеличение дает более слабый шум на выходе из вентиляционных отверстий.
Коэффициент аэродинамического сопротивления. Определяется совершенством формы переходных участков трубопровода. Применение обтекаемых и плавных отводов, диффузоров и дросселей может помочь в достижении низкого шума при эксплуатации.
Все вышеперечисленные факторы могут быть учтены в зависимости от конкретной ситуации и задач, которые ставит проектировщик. Взвешенно и критически подходя к подбору всех параметров, удастся найти сбалансированное решение для конструкции будущей вентиляции.

Вернуться к оглавлению

Схема компоновки и план прокладки вентиляционных каналов системы вентиляции

При компоновке и размещении приточно-вытяжного комплекса надо руководствоваться следующими условиями:

Вернуться к оглавлению

Особенности выбора вентилятора

В выборе вентилятора надо руководствоваться следующими требованиями:

Вернуться к оглавлению

В проектировании тихих систем вентиляции кроме подбора устройств с удовлетворительными шумовыми характеристиками нужно подбирать выгодные места их установки.

В разрабатываемом здании вентиляторы располагают в специально отведенных звукоизолированных помещениях – в вентиляционных камерах. Камеры ставят обособленно от помещений с повышенными требованиями к тишине и комфортному уровню шума. Их оборудуют вдали от шахт лифтов, лестничных переходов, дверных и оконных проемов.

Вентиляторы, размещенные на открытых ярусах, крепят вдали от отражающих поверхностей, от углов, в места, где гарантируется незначительное проникновение шума в жилые и рабочие помещения, а также на окружающие здание снаружи строения.

Выводы воздуховодов в открытое пространство предполагается направить так, чтобы шум не направлялся в сторону жилых построек и мест отдыха. Корректное направление звука от работы вентиляции эффективно помогает в минимизации шумовых помех вентиляционных комплексов объектов.

Правильно разместив в пространстве и направив выходное отверстие вентиляции, вы добьетесь снижения шума до разрешенных пределов без дополнительных затрат.

Инженерные расчеты пневмосистем сводятся к определению скоростей и расходов воздуха при наполнении и опорожнении резервуаров (рабочих камер двигателей), а также с его течением по трубопроводам через местные сопротивления. Вследствие сжимаемости воздуха эти расчеты значительно сложнее, чем расчеты гидравлических систем, и в полной мере выполняются только для особо ответственных случаев. Полное описание процессов течения воздуха можно найти в специальных курсах газодинамики.

Основные закономерности течения воздуха (газа) такие же, как и для жидкостей, т.е. имеют место ламинарный и турбулентный режимы течения, установившийся и неустановившийся характер течения, равномерное и неравномерное течение из-за переменного сечения трубопровода и все остальные кинематические и динамические характеристики потоков. Вследствие низкой вязкости воздуха и относительно больших скоростей режим течения в большинстве случаев турбулентный.

Для промышленных пневмоприводов достаточно знать закономерности установившегося характера течения воздуха. В зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей средой расчеты параметров воздуха выполняются с учетом вида термодинамического процесса, который может быть от изотермического (с полным теплообменом и выполнением условия Т = const) до адиабатического (без теплообмена).

При больших скоростях исполнительных механизмов и течении газа через сопротивления процесс сжатия считается адиабатическим с показателем адиабаты k = 1,4. В практических расчетах показатель адиабаты заменяют на показатель политропы (обычно принимают n = 1,3…1,35), что позволяет учесть потери, обусловленные трением воздуха, и возможный теплообмен.

В реальных условиях неизбежно происходит некоторый теплообмен между воздухом и деталями системы и имеет место так называемое политропное изменение состояния воздуха. Весь диапазон реальных процессов описывается уравнениями этого состояния

pV n = const

где n - показатель политропы, изменяющийся в пределах от n = 1 (изотермический процесс) до n = 1,4 (адиабатический процесс).

В основу расчетов течения воздуха положено известное уравнение Бернулли движения идеального газа

Слагаемые уравнения выражаются в единицах давления, поэтому их часто называют "давлениями":
z - весовое давление;
p - статическое давление;
- скоростное или динамическое давление.

На практике часто весовым давлением пренебрегают и уравнение Бернулли принимает следующий вид

Сумму статического и динамического давлений называют полным давлением P 0 . Таким образом, получим

При расчете газовых систем необходимо иметь в виду два принципиальных отличия от расчета гидросистем.

Первое отличие заключается в том, что определяется не объемный расход воздуха, а массовый. Это позволяет унифицировать и сравнивать параметры различных элементов пневмосистем по стандартному воздуху (ρ = 1,25 кг/ м3, υ = 14,9 м2/с при p = 101,3 кПа и t = 20°C). В этом случае уравнение расходов записывается в виде

Q м1 = Q м2 или υ 1 V 1 S 1 = υ 2 V 2 S 2

Второе отличие заключается в том, что при сверхзвуковых скоростях течения воздуха изменяется характер зависимости расхода от перепада давлений на сопротивлении. В связи с этим существуют понятия подкритического и надкритического режимов течения воздуха. Смысл этих терминов поясняется ниже.

Рассмотри истечение газа из резервуара через небольшое отверстие при поддержании в резервуаре постоянного давления (рис.11.1). Будем считать, что размеры резервуара настолько велики по сравнению с размерами выходного отверстия, что можно полностью пренебрегать скоростью движения газа внутри резервуара, и, следовательно, давление, температура и плотность газа внутри резервуара будут иметь значения p 0 , ρ 0 и T 0 .

Рис.11.1. Истечение газа из отверстия в тонкой стенке

Скорость истечения газа можно определять по формуле для истечения несжимаемой жидкости, т.е.

Массовый расход газа, вытекающего через отверстие, определяем по формуле

где ω 0 - площадь сечения отверстия.

Отношение p/p 0 называется степенью расширения газа. Анализ формулы (11.7) показывает, что выражение, стоящее под корнем в квадратных скобках, обращается в ноль при p/p 0 = 1 и p/ p 0 = 0. Это означает, что при некотором значении отношения давлений массовый расход достигает максимума Q max . График зависимости массового расхода газа от отношения давлений p/p 0 показан на рис.11.2.

Рис.11.2. Зависимость массового расхода газа от отношения давлений

Отношение давлений p/p 0 , при котором массовый расход достигает максимального значения, называется критическим. Можно показать, что критическое отношение давлений равно

Как видно из графика, показанного на рис.11.2, при уменьшении p/p 0 по сравнению с критическим расход должен уменьшаться (пунктирная линия) и при p/p 0 = 0 значение расхода должно быть равно нулю (Q m = 0). Однако в действительности это не происходит.

В действительности при заданных параметрах p 0 , ρ 0 и T 0 расход и скорость истечения будут расти с уменьшением давления вне резервуара p до тех пор, пока это давление меньше критического. При достижении давлением p критического значения расход становится максимальным, а скорость истечения достигает критического значения, равного местной скорости звука. Критическая скорость определяется известной формулой

После того, как на выходе из отверстия скорость достигла скорости звука, дальнейшее уменьшение противодавления p не может привести к увеличению скорости истечения, так как, согласно теории распространения малых возмущений, внутренний объем резервуара станет недоступен для внешних возмущений: он будет "заперт" потоком со звуковой скоростью. Все внешние малые возмущения не могут проникнуть в резервуар, так как им будет препятствовать поток, имеющий ту же скорость, что и скорость распространения возмущений. При этом расход не будет меняться, оставаясь максимальным, а кривая расхода примет вид горизонтальной линии.

Таким образом, существует две зоны (области) течения:

подкритический режим , при котором

надкритический режим , при котором

В надкритической зоне имеет место максимальная скорость и расход, соответствующие критическому расширению газа. Исходя из этого при определении расходов воздуха предварительно определяют по перепаду давления режим истечения (зону), а затем расход. Потери на трение воздуха учитывают коэффициентом расхода μ, который с достаточной точностью можно вычислить по формулам для несжимаемой жидкости (μ = 0,1...0,6).

Окончательно скорость и максимальный массовый расход в подкритической зоне, с учетом сжатия струи определятся по формулам

Аэрогидродинамические шумы обусловлены нестационарными процес-сами в газовых и жидких средах. По природе образования они делятся на не-сколько видов.

Вихревой шум – возникает в результате вихреобразования у твердых гра-ниц потока – обусловлен турбулентностью в пограничном слое у стенок кана-

ла (рис.2.8) и срывом вихрей при обтекании тел (рис.2.9). За обтекаемым телом образуется вихревой след. Интенсивность вихреобразования зависит от обте-каемости тела и угла α (угол атаки) составленного направлением потока и хор-дой профиля тела (см. рис.2.9).

Рис. 2.8. Вихреобразование в пограничном слое у стенок канала.

Рис.2.9.Схема возникновения вихреобразования при обтекании потоком твердого тела.

Интенсивность вихревого шума зависит от формы размеров тела, от ско-рости набегающего потока u . Он имеет сплошной спектр, располагающийся в широкой области звуковых частот. Частота вихревого шума определяется час-тотой срыва вихрей с поверхности обтекаемого тела и может быть найдена из выражения

Для обтекаемых пластин и цилиндров Sh = 0,18 – 0,20.

Если на частоте определенной по (2.10) длина волны намного больше раз-меров тела (λ>>D) , то акустическая мощность шума пропорциональна шестой степени скорости

где θ – угол наблюдения, отсчитываемый от перпендикуляра к направлению потока.

Приведенные выше формулы можно использовать и для характеристики шума срыва пограничного слоя вблизи стенок труб и каналов. Вихревой шум, возникающий в каналах, может передаваться по рабочему телу, как в атмосфе-ру, так и на стенки механизма, которые в этом случае порождают звуковые вибрации других частей механизма и воздушный шум. Если частота срыва вихрей совпадает с частотой собственных колебаний обтекаемого тела, могут возникнуть интенсивные резонансные вибрации тела.

Источниками вихревого шума являются воздуходувные машины, насосы, воздуховоды, трубопроводы.

Шум вращения – образуется в машинах с вращающимися рабочими коле-сами (насосы, вентиляторы, пропеллеры, турбины). Лопасти колеса поперемен-но рассекают рабочую среду, вызывая чередующиеся разряжения и сгущения потока. Частота этого шума пропорциональна частоте вращения рабочего коле-са и количеству лопастей z

f = nz / 60,

(2.14)

здесь n – количество оборотов колеса в минуту.

Распространение шума вращения в пространстве неравномерно. Вдоль оси вращения колеса шум почти отсутствует, а максимум наблюдается в на-правлении составляющим с направлением потока угол 65 – 75 о.

Шум неоднородности потока возникает при взаимодействии неоднород-ного потока с твердыми телами (рабочим колесом вентилятора или насоса, про-пеллера). Он имеет силовое происхождение и носит дипольный характер. При обтекании лопаток турбулентным потоком на них возникают дополнительные силы реакции, вызванные различием значений скорости набегающего потока по всей плоскости колеса. Эти силы и вызывают шум. Частота обусловленного не-однородностью потока шума также определяется количеством лопаток и чис-лом оборотов колеса или пропеллера, т.е. по формуле (2.14).

Сиренный или объемный – шум, возникающий при периодическом вы-пуске газа в атмосферу – (сирена, ротационная воздуходувка, винтовые насосы и компрессоры, пневматические двигатели, шум выпуска и впуска ДВС). Аку-стическая мощность зависит не только от числа оборотов n , но и от размера выпускного отверстия d

где z – число отверстий, m – количество выхлопов, i – номер гармоники.

Для одноцилиндрового двухтактного ДВС m = 1; для четырехтактного m = 2.

Шум отрывных течений – обусловлен пульсациями границ вихревых зон,образующихся при обтекании препятствий, в том числе и в местных сопротив-лениях каналов (рис.2.10).

а – резкое расширение (диффузор); б – разветвление (тройник); в – поворот (колено); г- препятствие на стенке канала

Рис. 2.10. Вихреобразование в пограничном слое у стенок канала.

Шум отрывных течений является широкополосным, как и вихревой шум. Его спектр и интенсивность зависят от скорости потока, вида местного сопро-тивления, размеров канала и препятствий.

Шум струи – возникает при перемешивании потоков, имеющих различ-ные скорости (струйные течения, выбросы сжатого воздуха), имеет квадру-польный характер. При истечении газового потока вследствие разности стати-ческого давления на срезе сопла и в окружающей среде возникают вихри (рис.2.11), срыв которых приводит к пульсациям давления, а следовательно к звуку. Стекая по потоку, вихри сливаются и укрупняются. По мере удаления от

среза сопла структура струи меняется – зона смешения с окружающей средой расширяется, и скорость потока постепенно уменьшается.

Рис. 2.11. Схема вихреобразования на срезе сопла

Акустическая мощность струи существенно зависит от режима истечения

– дозвуковое или сверхзвуковое. Для характеристики режима используют один из аэродинамических параметров подобия – число Маха, которое определяется отношением скорости потока и к местной скорости звука с , т.е. М = и с / с . Для дозвуковых течений (М < 1)

ρ 2 u 6 D 2

W = k(M) , (2.17)

где k(M) – коэффициент Лайтхилла, зависящий от М; ρ с – плотность струи;

D – диаметр сопла;

ρ – плотность окружающей среды.

При М < 0,3 коэффициент k(M) = const и принимается равным k о ≈ 10 -5 . С увеличением скорости, при М > 0,5, k растет пропорционально квадрату М и формула (2.17) принимает вид

W = k		ρ 2 u 8	D 2	(2.18)
	c c
о	ρc

В диапазоне 0,5 < M < 1,5 коэффициент Лайтхилла k о = 3 . 10 -5 – 1,5 . 10 -4 . Меньшее значение соответствует холодным струям, верхнее – горячим струям реактивных двигателей.

Основная акустическая мощность излучается в начальном участке (рис.2.11), где при срыве вихрей и происходит генерация звука. На эту область приходится 65% общей звуковой мощности струи.

Спектр излучаемого струей шума зависит от расстояния вдоль струи. Вы-сокочастотные составляющие создаются первичными вихрями в начальном участке, а низкочастотные – крупными вихрями в зоне смешения струи. На Рис.2.12 приведен безразмерный третьоктавный спектр звуковой мощности струи в зависимости от числа Струхаля Sh = f D/u c .

Рис.2.12. Безразмерный третьоктавный спектр звуковой мощности струи

Характеристика направленности шума создаваемого струей подобен на-правленности излучения поперечного квадруполя (см. п.1.2.2), в виде сложив-шихся крыльев бабочки. Максимальное излучение для высоких частот наблю-дается под углом 90 о от оси струи и 20 о – для низких частот.

Шум сверхзвуковых течений , обусловленный скачками уплотнен ий, взаимодействующих с твердыми поверхностями или с атмосферным воздухом (шум самолета при переходе через звуковой барьер, шум распылителей, топоч-ных форсунок и т.п.).

Шумы при автоколебаниях упругих конструкций (хлопанье недостаточножестких стенок воздуховодов, "пение" гребных винтов, автоколебания в водо-разборных кранах и запорной арматуре при плохой конструкции или износе уплотняющих прокладок)

Шумы при неустойчивых течениях (поверхности раздела между подвиж-ным и неподвижным воздухом вблизи резонаторов; свисток, тонкая струя, на-бегающая на клин и др.) Возникают при обдуве полых тел, течениях газа по ка-налам, имеющим углубления, при движении автомобиля с открытыми окнами (инфразвук)

Кавитационный шум

Источником интенсивного шума является кавитация жидкости, возни-кающая на поверхности лопастей при высоких окружных скоростях и недоста-точном давлении на всасывании. Как правило, кавитационный шум появляется уже в ранней стадии кавитации. Даже малый очаг кавитации, практически не ухудшающий рабочих характеристик насоса, достаточен для того, чтобы вы-звать интенсивный шум.

Кавитационный шум возникает из-за потери жидкости прочности на раз-рыв при уменьшении в ней давления ниже определенного предела и возникно-вения в результате этого полостей (каверн) и пузырьков, заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами, при захлопывании которых возникает звуковой импульс

Рис.2.10. Схема появления кавитации на лопасти рабочего колеса насоса. 1 – лопасть насоса; 2 – эпюра распределения разрежения по контуру лопасти; 3

– зона кавитации.

Кавитация возникает в тех точках потока, где вследствие разрежения происходит разрыв сплошности жидкости. В образовавшуюся каверну диффун-дирует растворенный в воде воздух, а при весьма больших разрежениях - во-дяной пар. В момент последующего захлопывания парового или газового пу-зырька (вследствие конденсации пара или растворения газа) частицы воды уст-ремляются к его центру в связи с чем давление резко повышается. Возникает звуковой импульс. имеющий ряд составляющих различной частоты, распола-гающихся преимущественно в области средних и высоких звуковых частот. Ввиду обилия высокочастотных составляющих кавитационный шум оказывает очень сильное воздействие на органы слуха.

Аналогичные явления имеют место в трубопроводах, где при отрывном обтекании колен и клапанов также образуются очаги кавитации.