При горении свечей в храмах-памятниках образуются продукты сгорания (углеродосодержащие аэрозоли, сажа, копоть), которые негативно влияют не только на самочувствие прибывающих внутри людей, но и на памятную древнюю живопись, фрески. Существуют местные вентиляционные устройства для удаления вредных веществ, которые транспортируются по сети воздуховодов непосредственно в атмосферу. Для помещений, в которых нарушение внутреннего интерьера невозможно, необходима система удаления и фильтрации воздуха от источника вредных выделений.
Для разработки конструкции выполнен патентный обзор вентиляционных устройств для удаления загрязненного воздуха. По его результатам были выделены: вихревой местный отсос [1], недостатками которого являются неравномерность скоростей всасывания воздуха, неэффективное использование пространства между конусами, увеличение веса конструкции, наличие расширения по ходу воздушного потока, которое снижает скорость потока и способствует налипанию загрязнений; вытяжной кожух [2], недостатками которого являются сложность конструкции и снижение эффективности работы вытяжного зонта из-за неравномерности всасывания; вытяжные зонты [3, 4], недостатком которых является невозможность их установки без вытяжного воздуховода, нарушающего внутренний интерьер помещения и требующего устройства вентиляционных отверстий в перекрытиях или стенах.
Настоящая работа направлена на оценку возможности применения разрабатываемого устройства в храмах-памятниках.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
− определить эффективность разработанной полезной модели;
− определить основные параметры удаляемого воздуха и развитие конвективного потока над источником тепловыделений;
− оценить эффективность улавливания вредных выделений разработанным устройством.
Материалы и методы исследования
Теоретический расчет размеров корпуса и целесообразности применения вытяжного зонта для удаления загрязненного воздуха проводился по методике расчета местных вытяжных устройств (рис. 5) [5]. Для расчета производительности устройства учитывались тепловыделения от горящих свечей как тепловыделения от нагретых поверхностей по методике расчета горячих конвективных потоков [6, 7].
Для оценки эффективности применения разработанной конструкции вытяжного зонта проведено математическое моделирование с помощью программного комплекса SolidWorks с разделом вычисления потока газа FlowSimulation, основанное на методе конечных объемов. (серийный номер: 9710 0250 0354 3538 JGWC T8H8, сетевая лицензия: 25735).
Для расчета учтены движение окружающего воздуха внутри помещения, влияющего на сбивание восходящих от свечей потоков газа при горении, перемещение поверхностей тепловыделений от свечи во время ее сгорания, а также характеристики производительности подобранных вентиляторов для назначения граничных условий.
Проведение математического расчета. Для построенной модели (рис. 1) разработанного вытяжного зонта (внешний корпус – нижнее основание 310х310 мм, верхнее основание 150х150 мм, внутренний корпус – нижнее основание 200х200 мм, верхнее 100х100 мм) и подсвечника с установленными в столешницу диаметром 200 мм, удаленную на расстояние 450 мм от нижней кромки зонта, свечами длиной 300 мм были заданы граничные условия:
I рода – для параметров вентилятора (объемный расход на входе и выходе L = 0,0041 м3/с), для параметров окружающего воздуха (температура T = 18°С, давление P = 101333 Па);
II рода – условие градиента бесконечности на границах расчетной области по давлению, температуре и скорости, условия течения окружающего воздуха uв = const = 0.2 м/с вдоль оси Х, движение столешницы под свечи v = –0,083 м/с вдоль оси Y;
III рода – тепловыделения для верхних граней цилиндра свечи Q = 75 Вт [8] (8 шт.).
Рис. 1. Расчетная область с построенными моделями вытяжного устройства и подсвечника
Установленное фактическое время 300 секунд, количество разбитых ячеек по текучей среде 30 708, твердой среде – 1 008, итераций более 7 000.
Результаты исследования и их обсуждение
На рисунке 2 показано движение газовых потоков в конечный момент времени расчета. Предполагается, что смещение потоков газа относительно оси расположения модели является результатом влияния движения окружающего воздуха. Это следует также из разницы подпора воздуха с разных сторон.
Принцип работы полезной модели вытяжного зонта (рис. 3) заключается в эжекции основного конвективного потока воздуха через внутренний корпус струей с большей кинетической энергией на выходе из межкорпусного пространства.
Рис. 2. Распределение скоростей в сечении
Рис. 3. Принцип работы полезной модели
На рисунке 3 видно, что скорость внутри корпуса u = 0,2 м/с при смешении с удаляемым воздухом, выходящим из внешнего корпуса и приобретаемым большую скорость за счет работы вентиляторов, увеличивается до u = 0,4 м/с.
Рис. 4. Эжекция воздуха при 2 потоках с разными параметрами
Расчет эжекции воздуха производится по формуле (1) [9] с основой на типовой схеме смешения газовых потоков с различными скоростями при прохождении через кольцевые или прямоугольные отверстия (рис. 4).
G3 = G1 + G2 (1)
или
u3 ∙ A3 ∙ B3 = u1 ∙ A1 ∙ B1 + u2 ∙ A2 ∙ B2
Теоретическая скорость воздуха в блоке смешения и фильтрации удаляемого воздуха u3 = 0,311 м/с. Исходя из полученных результатов математического моделирования, скорость в зоне смешения равна 0,284–0,341 м/с.
Неравномерность смешения потоков может быть связана с недостаточной длиной камеры смешения.
При определении размеров конструкции устройства (рис. 5) были рассчитаны скорость на входе в вытяжной зонт по формуле (2), которая зависит от тепловыделений (Q), расстояния до кромки зонта (l) и эквивалентного диаметра (d).
(2)
Осевая скорость воздуха на входе в вытяжной зонт, рассчитанная теоретическим путем, составляет v1 = 1,16 м/с.
В конечный момент времени расчета 300 секунд максимальная скорость воздуха на нижней кромке зонта составляет 0,4 м/с, что в 3 раза ниже теоретической. Это может объясняться тем, что горизонтально направленные струи воздуха сбивают удаляемый поток.
Рис. 5. Расчетная схема прямоугольного зонта
Рис. 6. Распределение скоростей в сечении на 10-й секунде
На рисунках 6–8 видно, что для стабилизации удаления воздуха при возможном движении окружающего воздуха необходимо 3 минуты. Это объясняется тем, что вентиляторам требуется обеспечить воздухообмен межкорпусного пространства и уловить восходящие конвективные потоки.
Рис. 7. Распределение скоростей в сечении на 180-й секунде
Рис. 8. Распределение скоростей в сечении на 300-й секунде
Выводы
Анализ результатов оценки эффективности работы разработанной конструкции вытяжного зонта для удаления конвективных потоков показал, что:
− подвижность воздуха внутри помещения не влияет на работу устройства;
− эффективность работы вытяжного зонта подтверждена при помощи математического моделирования;
− тепловыделения от горящих свечей незначительно влияют на температуру удаляемых газов (на расстоянии 50–100 мм температура восходящих газов принимает температуру помещения);
− для стабилизации работы устройства необходим интервал времени (180 сек), за которое воздух в межкорпусном пространстве приобретет достаточную скорость для эжекции основного конвективного потока.