Miért kellett mérni?
A textil légcsatornákról a szakmában sok jó tapasztalat kering, de kevés a független, számszerű adat. A „huzatmentes” és „egyenletes” jelzők a gyakorlatban beigazolódnak, ám egy tervező a kiírásnál számokra támaszkodik, nem jelzőkre. A DAAL-CON Kft, mint az EXANDAIR textil légcsatorna rendszerek hazai gyártója ezért 2022 és 2024 között a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástan Tanszékével közös ipari kutatásban (GINOP_PLUSZ-2.1.1-21-2022-00044) vizsgálta, mi történik valójában egy perforált textil csatorna körül.
A kutatás három kérdésre kereste a választ:
- Mennyivel jobb a légelosztás egy hagyományos, rácsbefúvós fém csatornához képest?
- Mi okozza a különbséget?
- Hogyan lehet ezt a tudást olyan méretezési eszközzé alakítani, amellyel a tervező a kivitelezés előtt ellenőrizheti a komfortot?
A kísérleti rendszer
A méréseket a nagytarcsai gyártócsarnok K+F részlegén felépített pilot rendszeren végeztük. Egymás mellé került egy perforált textil és egy rácsos befúvókkal szerelt fém csatorna. Az összehasonlítás csak akkor korrekt, ha minden más azonos, ezért a két ág átmérője, hossza és térfogatárama megegyezett.
Négy mérési módszert kombináltunk, mindegyiket egy-egy konkrét kérdéshez:
- Munkapont és ellenállásmérés Prandtl-csővel,
- Komfort megítélése a tartózkodási zónában: hődrótos anemométerrel felvett sebességmező.
- A kilépő levegő iránya: füstpróba, 240 filmkocka/s-os gyorskamerás felvétellel.
- Zajmérés: kondenzátormikrofon, oktáv- és harmadoktáv-sávos spektrummal.
A mért adatokra CFD-modellt kalibráltunk, így a tanulságok a pilot rendszeren túl, más geometriákra is kiterjeszthetők.
Eredmény: az eloszlás számít, nem a felület
A kutatás legfontosabb felismerése első ránézésre ellentmondásos. A fém csatorna rácsainak geometriai kilépő felülete négyszer akkora volt, mint a textilperforációk összességének értéke, a légelosztás mégis a textilnél lett kedvezőbb.
| Jellemző | Fém, rácsbefúvókkal | Perforált textil |
| Kiáramlási szög (központi szög) | 55° | 130° |
| Kiáramlás jellege | koncentrált sugarak | radiális, a falra merőleges elemi légsugarak |
| Átlagos légsebesség a tartózkodási zónában (a befúvási átlagsebesség %-ában) | 3,0% | 1,6% |
| Geometriai kilépő felület (relatív) | 4× | 1× |
A magyarázat az impulzusban rejlik. A rácsból kilépő, nagy sebességű légsugár az injektorhatás révén magával ragadja a környező levegőt. Ezt érzékeli a csarnokban dolgozó ember huzatként. A textilnél ugyanaz a légmennyiség sokkal nagyobb felületen, kis sebességgel lép ki, így a tartózkodási zónában mért sebesség a felére esett.
Külön figyelmet érdemel a fűtési üzem. A füstpróbánál a 19 °C-os csarnokba 25 °C-os levegőt fújtunk be. A melegebb levegő nem rétegződött a mennyezet alatt, hanem lejutott a padlószintig. Magas belmagasságú csarnokoknál ez közvetlenül a fűtési energia hasznosulásában mutatkozik meg.
Ventilátor-munkapont és zaj
A mérések egy kevésbé látványos, de üzemeltetési szempontból fontos különbséget is kimutattak. A fém ágon a beállított térfogatáramot csak fojtással lehetett tartani, ami a ventilátort kedvezőtlen hatásfokú tartományba tolta. A textil ágon ugyanehhez elég volt a fordulatszám-szabályozás. A különbség a ventilátor villamos teljesítményfelvételében jelenik meg.
Akusztikailag a textil csatorna alatt átlagosan 8 dB-lel alacsonyabb hangnyomásszintet mértünk. Az adatok szerint a zajszint minden esetben a helyi sebességekkel együtt mozgott, vagyis a csendesebb működés ugyanannak az oknak a következménye, mint a jobb komfort.
Ipar 4.0: a csatorna mint érzékelő
Váratlan mellékeredmény, hogy a textil fal a fémnél jobban átengedi a ventilátor akusztikai „ujjlenyomatát”. A fojtott, rendellenes üzem jellegzetes spektrális jeleket hagy, amelyek harmadoktáv-sávos felbontással már kimutathatók. Ez megnyitja az utat egy olyan állapotfelügyelet felé, amely egyetlen mikrofonnal, a légtechnikai rendszer megbontása nélkül jelezné a hibás üzemet.
A mérésből méretezés lett
A kutatás kézzelfogható terméke a BME-vel közösen fejlesztett méretező szoftver. Elődje a Bernoulli-egyenletből indult ki, ami egy perforált csatornánál pontatlan. A levegő ugyanis a teljes hossz mentén folyamatosan távozik, így a csatorna eleje és vége között változik a térfogatáram, és vele az impulzus-áram (a tömegáram és sebesség szorzata) is. Az új számítás ezért az impulzustételre épül.
A tervező a szokásos adatokat adja meg: légmennyiség áganként, a betáplálási ponton rendelkezésre álló nyomás, befújt és helyiséghőmérséklet, páratartalom, telepítési magasság. A program ezekből három dolgot ellenőriz folyamatosan:
- Kondenzáció a külső falon. Ha a helyiség levegője a befújt levegő hőmérsékletére hűlve telítetté válna, a szoftver figyelmeztet. Hűtési üzemben ez a reklamációk leggyakoribb forrása.
- Nyomásviszonyok. A statikus és dinamikus nyomás mellett a nyomásesés alakulását is követi a csatorna mentén.
- Kiáramlás egyenletessége. Jelzi, ha a megadott paraméterekkel a kifúvás nem lesz egyenletes.
A legtöbbet használt funkció a csatorna körüli sebességmező kiszámítása. Egy példán: 4500 m³/h, DN500, 25 m-es ág, 4,0 m-es telepítési magasság, 110 Pa össznyomás a légcsatorna elején, 24 °C-os helyiség és 18 °C-os befújt levegő. A tartózkodási zónában 0,06–0,09 m/s adódik, jóval a 0,2 m/s-os komfortküszöb alatt. A huzatmentesség így a tervezőasztalon ellenőrizhető érték lesz. A tervezést Revit elemtár (könyökök, T-idomok, koncentrikus és excentrikus szűkítők) egészíti ki.
Fordítotttervezési irány: a kívánt áramlásból a perforáció
Bizonyos terekben történő alkalmazáshoz a méretező szoftver mellett CFD-szimulációt is futtatunk. A módszer újdonsága, hogy a csatorna falát nem egyenként modellezett lyukakként, hanem porózus zónaként írjuk le. Először a kívánt áramlási képhez hangoljuk a fal áteresztőképességét, majd ebből fejtjük vissza a ténylegesen legyártandó perforációkiosztást.
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy nem katalógusból választunk csatornát, hanem a konkrét térre tervezünk. A változtatható paraméterek: a lyukméret (0,1–30 mm), a perforáció pozíciója és iránya, a lyuk fajtája (kör, hódfarok vagy hibrid), valamint az anyag (légáteresztő, nem légáteresztő vagy antisztatikus anyag).
Öt szabály tervezőknek
A kutatás tanulságait öt gyakorlati szabályba sűrítettük:
- Ne merőleges kifúvással számoljon. A levegő kilépési iránya eltér a lyuktengelytől; ezt a füstpróbák egyértelműen megmutatták. A kilépési irány a merőlegeshez képest a csatornában való áramlási irányban hajlik el (lásd 1. ábra).
- A porozitás és a kiosztás hatása erősebb a levegőeloszlásra, mint a lyuk alakja. Az eloszlás határozza meg a komfortot.
- Az iránytörés a kritikus pont, nem a perforáció. A könyököknél és idomoknál dől el, működik-e a rendszer.
- A felfúvódásról az anyag és a perforáció együtt dönt. A textil csak feszes állapotban működik jól, ezért az anyag áteresztőképességét és a kilépő felületet együtt kell méretezni.
- Az idomveszteségeket tartalékkal vegye figyelembe.
A két leggyakrabban hiányzó tervezési adat a légcsatorna elején rendelkezésre álló nyomás és a helyiség páratartalma. Az előbbi nélkül a felfúvódás, az utóbbi nélkül a kondenzáció nem ellenőrizhető.
Összegzés
A BME-vel közös kutatás legfontosabb hozadéka, hogy a textil légcsatorna tervezése a tapasztalati becslésről átkerült a mérésekkel validált számítás és szimuláció területére. A tervező ma már a kivitelezés előtt látja a várható légsebességet, és a kondenzáció kockázatát, így a komfort nem utólag derül ki, hanem tervezési adat lesz.
A fejlesztést tovább folytatjuk, hogy a textil légcsatornák az ipari, kereskedelmi és közösségi terekben is előre kiszámítható, energiahatékony megoldást kínáljanak.
