Naturalną cechą strumienia powietrza nawiewanego jest ruch powietrza w kierunku prostoliniowym wraz z powiększeniem objętości strumienia przy zachowaniu symetrii przekroju poprzecznego. Wpływ otoczenia przejawia się w zakłócaniu tych podstawowych tendencji strumienia powietrza.
Wpływ warunków cieplnych pomieszczenia powoduje zmianę kierunku przepływu, spotykanie się różnych strumieni powietrza narusza symetrię przekroju i powoduje zakłócenie prostoliniowości przepływu. Bliskość przegród, elementów konstrukcji i urządzeń narusza symetrię przekroju oraz ogranicza zdolność strumienia do mieszania się z powietrzem otoczenia. Wszystkie te czynniki w znacznym stopniu zniekształcają planowany przepływ powietrza, ustalony na podstawie teorii swobodnych strumieni. Zakłócenia występują w tym większym stopniu, im mniejsza jest stateczność strumienia.

Wpływ sił wyporu na kształtowanie się strumienia
powietrza w pomieszczeniu

Bardzo istotnym czynnikiem zniekształcającym strumień powietrza jest występowanie różnicy temperatur między strumieniem powietrza nawiewanego a otoczeniem. Zróżnicowanie temperatur może być spowodowane doprowadzaniem powietrza o innej temperaturze, niż temperatura powietrza pomieszczenia, albo pionowym i poziomym gradientem temperatury. Uwzględnienie w sposób teoretyczny wpływu nierównomierności rozkładu temperatur w pomieszczeniu jest niemożliwe. Rozważania dotyczące wpływu różnicy temperatur odnoszone są do średniej temperatury pomieszczenia lub rozpatrywanej jego strefy. Różnica gęstości powietrza powoduje powstanie skierowanych pionowo sil wyporu lub sił ciężkości oddziaływających na strumień powietrza nawiewanego, przy czym decydującą wielkością jest wypadkowa tych sił i siły bezwładności. Zależność między siłami bezwładności i siłami wyporu lub ciężkości określa liczba Archimedesa (Ar).

Przy rozpatrywaniu wylotów przesłoniętych obudową (nie rozpraszających powietrza) miarodajna jest wielkość liczby Archimedesa dla przekroju początkowego.

Z powyższych zależności wynika, że przy tej samej ilości powietrza, prędkości i różnicy temperatur, strumień powietrza wypływającego z otworu nie zasłoniętego będzie charakteryzował się zawsze mniejszą liczbą Archimedesa. Świadczy to o większym wpływie siły Archimedesa i mniejszej bezwładności strumieni wypływających z otworów przesłoniętych obudową. Strumień izotermiczny praktycznie nie istnieje ze względu na zróżnicowanie temperatur otoczenia. Oddziaływanie sił wyporu na strumień powietrza nawiewanego przejawia się występowaniem następujących zjawisk:

• odchylenie osi poziomej strumienia powietrza w górę lub w dół, w przypadku strumienia wypływającego z dala od przegród poziomych.
• przylepianie lub odrywanie się strumienia płynącego wzdłuż poziomej przegrody,
• zwiększenie lub zmniejszenie zasięgu strumienia powietrza płynącego pionowo z dala lub w pobliżu przegrody.

Przy rozwiązywaniu zagadnień doprowadzania powietrza nawiewanego o innej temperaturze niż powietrze otoczenia, należy zawsze uwzględnić wpływ sił Archimedesa, gdyż w większości przypadków wpływa on niekorzystnie na warunki rozdziału powietrza. Wpływ ten będzie tym większy, im większy jest stopień przesłonięcia wylotu

Poślizg strumienia powietrza

Jeżeli wylot powietrza przylega bezpośrednio do ściany lub innej przegrody, lub jest usytuowany w pobliżu tych przegród, występuje wówczas zjawisko poślizgu strumienia po tej przegrodzie. Powstały strumień powietrza należy traktować jako strumień półograniczony, charakteryzujący się w stosunku do strumienia swobodnego:

• wolniejszym spadkiem prędkości osiowej, a więc większym zasięgiem strumienia,
• dwukrotnym zmniejszeniem zdolności mieszania z powietrzem otoczenia,
• wolniejszym wyrównywanym się różnicy temperatur,
• taką samą indukcją powietrza otaczającego bezpośrednio za wylotem (w strefie formowania się).

Nie przewidywane z góry wystąpienie zjawiska poślizgu może niekiedy poważnie zakłócić założony przebieg zmienności parametrów strumienia powietrza. Natomiast często wykorzystuje się to zjawisko przy projektowaniu rozdziału powietrza.

Przy projektowaniu przylepionych strumieni powietrza bardzo istotną rolę odgrywa temperatura sąsiadujących ze strumieniem przegród. Jeżeli strumień powietrza porusza się wzdłuż poziomej przegrody o niskiej temperaturze, wówczas na skutek ochłodzenia powietrza w warstwie przysufitowej, może nastąpić szybkie oderwanie się strumienia od tej przegrody. W tych samych warunkach, przy pierwszym ruchu powietrza skierowanym w dół, występuje zwiększenie prędkości przepływu wskutek dodatkowego ochłodzenia powietrza. Ponadto kontakt z powierzchnią o innej temperaturze pow< duje zmianę założonej temperatury powietrza nawiewanego.

Zjawisko odchylenia pierwotnej osi strumienia wskutek bliskości przegród

Odchylenie pierwotnej osi strumienia wskutek bliskości przegrody, tak zwany efekt Coanda, w praktyce jest spotykane dość często, przy czym, jeżeli występuje w sposób nieplanowany, może całkowicie zmienić przewidywany przebieg strumienia powietrza. Zmiana kierunku przepływu oraz przylepienie się strumienia powietrza do sąsiadującej przegrody jest spowodowane powstawaniem podciśnienia w przestrzeni powstałego wskutek tendencji strumienia do zasysania powietrza otaczającego. Możliwość powstawania podciśnienia jest spowodowana utrudnionym zasysaniem powietrza z otoczenia.

Zasięg i granice swobodnego strumienia powietrza

Jako zasięg strumienia powietrza przyjmuje się odległość, w której strumień powietrza przestaje poruszać się w kierunku swojej osi. Zasięg strumienia jest zależny od wielkości i budowy nawiewnika, prędkości wypływu powietrza, ustawienia łopatek kierujących i usytuowania nawiewnika w stosunku do przegrody. Wskutek wpływu sił lepkości cząsteczki powietrza, poruszające się z prędkością 0,3 m/s, w spokojnym otoczeniu zostają gwałtownie zahamowane przez to otoczenie. Tę graniczną prędkość przyjmuje się jako prędkość zamierania strumienia. Wydaje się, że gdy w otaczającym strumień powietrzu występują naturalne ruchy powietrza, graniczna prędkość zamierania strumienia nie powinna być większa niż 0,3 m/s. Jednak w pewnych przypadkach projektant może tę graniczną prędkość powiększyć, o ile nie grozi to pogorszeniem warunków w strefie pracy.

Granice boczne strumienia powietrza przyjęto w literaturze określać przez kąt jego rozwarcia. Kryterium to z wielu względów nie jest ścisłe, a mianowicie:

• kąt rozwarcia strumienia zależy od wybranej prędkości granicznej;
• granice boczne strumienia nie są linią prostą;
• dla strumieni nieizotermicznych należy rozróżniać dwa rodzaje granic — dynamiczną i termiczną.

Według Abramowicza teoretyczna wielkość kąta rozwarcia strumienia wynosi 25 stopni przy prędkości strumienia = 0. Rzeczywista wielkość kąta rozwarcia dla nawiewnika z łopatkami ustawionymi równolegle, przyjmowana jest w granicach 18 do 22 stopni. Przy ustalaniu zależności ogólnych dla strumieni powietrza przyjęto miarodajną wielkość kąta, którego ramiona stanowią miejsce geometryczne punktów, w których prędkość strumienia powietrza jest równa połowie osiowej prędkości zamierania. Z analizy rozkładu prędkości w przekroju poprzecznym strumienia wynika, że najlepszy jest kąt 12 st. Tak przyjęta wielkość pozwala na wyprowadzenie prawidłowych zależności charakteryzujących strumień powietrza i jest powszechnie stosowana w praktyce.

Wloty i wyloty powietrza

Wloty i wyloty powietrza są zazwyczaj zaopatrzone w obudowy. Obudowane wyloty powietrza nazywamy nawiewnikami, natomiast wloty – wywiewnikami.

W technice wentylacyjnej z uwagi na miejsce usytuowania nawiewników rozróżniamy: ścienne, sufitowe, podokienne i podłogowe. Ponadto są one podzielone na osiowo symetryczne, szczelinowe i wachlarzowe lub pierścieniowe. Nawiewniki są to obudowy wylotów dające możność formowania, ewentualnie również kierowania strumienia powietrznego; zazwyczaj składową częścią obudowy są łopatki kierujące proste lub pierścieniowe, mogą być również w postaci dysz, talerzy, płyt perforowanych itp.

O stanie dobrego samopoczucia ludzi w pomieszczeniach użyteczności publicznej lub o właściwym stanie powietrza w pomieszczeniach przemysłowych przy stosowaniu wentylacji mechanicznej, czy też klimatyzacji, decyduje poprawne obliczenie ilości powietrza wentylacyjnego i prawidłowe rozwiązanie rozprowadzenia tego powietrza w pomieszczeniu.
Rozwiązanie sposobu rozprowadzenia powietrza przez wentylatory w pomieszczeniu nazywamy rozdziałem powietrza wentylacyjnego. Przez rozdział powietrza należy rozumieć takie rozmieszczenie i dobór nawiewników i wywiewników, który zapewniłby równomierne rozprowadzenie obliczonej ilości powietrza w danym pomieszczeniu przy jednoczesnym zapewnieniu w strefie przebywania ludzi właściwego rozkładu pól temperatur, prędkości powietrza i koncentracji zanieczyszczeń.

Opracowanie koncepcji rozdziału powietrza jest skomplikowane, gdyż prawie każde pomieszczenie wymaga indywidualnego rozwiązania tego zagadnienia, zwłaszcza w budownictwie przemysłowym. Pomyślne rozwiązanie rozdziału powietrza zależy w każdym przypadku od umiejętnego i właściwego wykorzystania materiału doświadczalnego podanego w niniejszym artykule. W wielu przypadkach, zwłaszcza dla pomieszczeń dużych i wysokich, najwłaściwszym sposobem byłoby rozwiązywanie tego zagadnienia na modelach. Projektujący urządzenie wentylacji mechanicznej powinien być świadom tego, że bez prawidłowo opracowanego rozdziału powietrza nie można uzyskać efektywnie działającego urządzenia nawet w przypadku poprawnie ustalonej ilości powietrza wentylacyjnego, właściwego zaprojektowania przewodów powietrznych i doboru najlepszej jakości elementów wyposażenia urządzeń wentylacyjnych – wentylatorów lub klimatyzacyjnych – klimatyzatorów.

Strumień powietrzny

Podczas napływu powietrza wentylacyjnego do pomieszczenia wypełnionego powietrzem – powstaje strumień zatopiony, który w technice wentylacyjnej nazywamy w skrócie strumieniem powietrznym.

Strumienie powietrzne mogą być swobodne i półograniczone. Strumieniem swobodnym nazywamy taki strumień, który rozwija się w ośrodku powietrznym będącym w stanie względnego bezruchu i w przestrzeni nieskrępowanej powierzchniami przegród tworzących pomieszczenie. Strumieniem półograniczonym nazywamy taki strumień, który rozwija się wzdłuż powierzchni ściany lub sufitu. Strumień powietrza opuszczający wylot ma z reguły charakter ruchu burzliwego, przy czym temperatura powietrza w strumieniu może być wyższa lub niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Takie strumienie nazywamy nie izotermieznymi. Strumień izotermiczny, jest strumieniem powietrza o temperaturze równej temperaturze powietrza w pomieszczeniu, w praktyce wentylacyjnej występuje dość rzadko. Ponadto należy rozróżniać strumienie skupione, gdy wektory prędkości wypływu powietrza z nawiewnika są równoległe wzajemnie, względnie strumienie rozproszone, gdy wektory prędkości wypływu powietrza z nawiewnika tworzą między sobą pewien kąt.

Teoretycznie będziemy rozpatrywali izotermiczny strumień powietrza, który po opuszczeniu wylotu będzie kontynuował swój ruch w otaczającym go powietrzu jako strumień swobodny. Ruch powietrza w takim strumieniu (jak już uprzednio wspomniano) ma charakter burzliwy, wskutek czego występuje także ruch cząsteczek powietrza w kierunku poprzecznym do kierunku ruchu strumienia. Skrajne cząsteczki, wychodzące poza zasadniczą masę strumienia, przenoszą do granicznej warstwy otaczającego i względnie nieruchomego powietrza pewien ruch, który powoduje, że cząsteczki tego powietrza rozpoczynają ruch w kierunku strumienia powietrza.

Klasyczne teorie, określające zachowanie się swobodnego strumienia powietrza w pomieszczeniu, zostały opracowane dla wylotu niezasłoniętego w kształcie dyszy z zaokrąglonymi krawędziami.

W praktyce wentylacyjnej stosuje się wyloty przesłonięte różnego rodzaju osłonami jak łopatki kierujące, kraty, siatki, płyty perforowane itp., które powodują podział strumienia powietrza na szereg strumieni jednostkowych, łączących się następnie w jeden strumień w pewnej odległości od wylotu.

Analizując charakter strumieni powietrza, wypływających z różnego rodzaju wylotów stwierdzić można, że poza pewnym przekrojem początkowym, kształt strumieni jest podobny i praktycznie niezależny od rodzaju wylotu.

Oznacza to. że zależność jest słuszna dla wszelkiego rodzaju wylotów o przekroju kołowym lub kwadratowym przy wyrównanym polu prędkości o przekroju początkowym. Konieczna przy tym jest znajomość takich charakterystycznych wielkości dla przekroju początkowego, jak prędkość i przekrój łączny strumienia powietrza. Z doświadczeń wynika. że dla wylotów z obudową należy wyodrębnić strefę formowania się właściwego strumienia powietrza, leżącą między płaszczyzną wylotu a przekrojem początkowym. Zjawiska zachodzące w lej strefie decydują o własnościach strumienia powietrza w przekroju początkowym.

Wskutek zastosowania obudowy wylotu, jak to już wspomniano uprzednio, następuje podział strumienia powietrza na szereg strumieni jednostkowych. Omawianemu podziałowi całkowitego strumienia powietrza towarzyszy znaczne zróżnicowanie ciśnień statycznych w przekroju. W przestrzeniach wolnych, powstałych między strumieniami jednostkowymi. panuje podciśnienie będące przyczyną występowania dwojakiego rodzaju zjawisk:

• ruchu wirowego powietrza w ramach wydzielonych przestrzeni, czemu towarzyszy strata pędu całkowitego strumienia powietrza oraz przewężenie tego strumienia,
• zasysanie znacznych ilości powietrza z otoczenia

Oba te zjawiska występują tym wyraźniej, im większy jest stopień przesłonięcia płaszczyzny wylotu.

Ilość ciepła przenoszonego przez strumień powietrza jest praktycznie stała wzdłuż całej jego drogi. Wskutek różnej intensywności mieszania strumienia powietrza z powietrzem otoczenia, spadek temperatury w strumieniu powietrza ma inny przebieg w strefie formowania się strumienia, niż poza przekrojem początkowym.

Analizując warunki wypływu powietrza przez płaszczyznę osłaniającą wylot, stwierdzić można występowanie przewężenia jednostkowych strumieni powietrza spowodowane wpływem ostrych krawędzi obudowy oraz przewężenia całkowitego strumienia powietrza. Wielkości współczynników kontrakcji (przewężenia) są uzależnione od wzajemnego oddziaływania sąsiadujących jednostkowych strumieni powietrza. Ogólnie stwierdzić można, że o wielkości współczynnika decyduje układ geometryczny powierzchni wylotu oraz wielkość pędu jednostkowych strumieni powietrza.