Аэродинамический критерий для проектирования распылительной системы, предотвращающей застревание частиц в ручных устройствах для создания веерного тумана, от компании Shenzhen Huizhichen Smart Technology Co., Ltd; эксперт по аэродинамике.

Абстрактный:
Ручные устройства для распыления водяного тумана должны эффективно подавать водяной туман, избегая при этом его попадания на вход вентилятора. В данной статье предлагается критерий аэродинамического проектирования: динамическое давление распыляемой струи должно быть больше или равно статическому давлению на всасывании вентилятора в месте расположения сопла, с соответствующим запасом прочности. На основе этого принципа оцениваются требуемая скорость распыляемой струи и соответствующее давление подачи воды для типичных конфигураций ручных вентиляторов. Анализ показывает, что риск попадания тумана зависит не только от скорости струи, но и от положения сопла, размера капель, типа вентилятора и локальной структуры потока. Для небольших высокоскоростных осевых вентиляторов может потребоваться скорость струи приблизительно 16–32 м/с при различных условиях близости к входному отверстию. Для общих инженерных применений рекомендуется избегать прямого выравнивания с входным отверстием вентилятора, увеличивать расстояние от сопла до входного отверстия, выбирать умеренные размеры капель и поддерживать достаточный импульс распыления для повышения эффективности подачи воды.

1. Введение

Ручные распылители широко используются для индивидуального охлаждения, увлажнения и портативной подачи водяного тумана. В типичных конструкциях небольшой вентилятор создает воздушный поток, а распылительная форсунка выпускает капли воды в окружающий воздух. Распространенная причина поломки заключается в том, что мелкий туман затягивается обратно во входное отверстие вентилятора из-за локального отрицательного давления, что приводит к снижению производительности распыления, внутреннему увлажнению, увеличению шума и потенциальным проблемам с надежностью.

Многие существующие конструкции в основном основаны на эмпирической регулировке давления насоса или положения форсунки. Однако унос тумана по сути является проблемой аэродинамического взаимодействия между распыляемой струей и потоком, создаваемым вентилятором. Поэтому простой количественный критерий может помочь в разработке продукта на ранних стадиях.

Данное исследование посвящено портативным устройствам для распыления тумана с помощью вентилятора, оснащенным небольшими высокоскоростными осевыми вентиляторами. Главная цель — разработка практического правила проектирования, связывающего давление всасывания вентилятора, динамическое давление распыляемой струи, требуемую скорость струи и давление подачи воды.

2. Определение проблемы и предположения

Анализ основан на следующих предположениях:

• Эффект всасывания вентилятора проявляется в локальном падении статического давления, или отрицательном давлении, вблизи входного отверстия вентилятора.
• Распыление осуществляется с помощью форсунки для создания водяного тумана, работающей в условиях окружающего воздуха.
• Форсунка расположена вблизи входного отверстия вентилятора, при этом направление распыления направлено к вентилятору, параллельно ему или под углом к ​​нему.
• Основная задача проектирования — предотвратить попадание капель тумана на вход вентилятора.
• Плотность воздуха принимается равной
  [ \rho \approx 1.2 \ \mathrm{кг/м^3}. ]

Ключевые переменные определены следующим образом:

3. Критерий аэродинамического проектирования

Для предотвращения попадания тумана в вентилятор, распылительная струя должна обладать достаточным импульсом, чтобы противостоять местному всасывающему потоку. Упрощенный критерий выражается следующим образом:

[ P_d \geq k \cdot P_{fan} ]

где динамическое давление распыляемой струи определяется следующим образом:

[ P_d = \frac{1}{2}\rho v^2 ]

Коэффициент запаса прочности (k) учитывает турбулентность на краю потока, неравномерность входного потока, распределение размеров капель и переходные колебания в работе вентилятора. Для ручных распылительных вентиляторов типичный диапазон значений составляет:

[ k = 1.5 \sim 2.0 ]

В следующих случаях рекомендуется использовать более высокий коэффициент запаса прочности:

• Сопло расположено очень близко к входному отверстию вентилятора;
• Размер капель очень мал;
• Вентилятор создает сильное локальное всасывание;
• Входное потоковое поле характеризуется высокой турбулентностью.

Исходя из требований к динамическому давлению, минимальную необходимую скорость струи можно оценить следующим образом:

[ v = \sqrt{\frac{2 k P_{fan}}{\rho}} ]

Эта скорость относится к скорости струи воздушного тумана на выходе из сопла, а не к давлению водяного насоса. Путаница между скоростью струи и давлением воды в системе водоснабжения — распространённая ошибка проектирования.

4. Оценка давления на всасывании вентилятора

Для небольшого высокоскоростного осевого вентилятора, работающего со скоростью приблизительно 16 000 об/мин, локальное отрицательное давление вблизи входного отверстия значительно изменяется с расстоянием. Типичные эталонные значения:

• Совсем рядом с заливом:
  (P_{fan} \approx 250 \sim 350 \ \mathrm{Pa})
• На расстоянии 1–2 см от входного отверстия:
  (P_{fan} \approx 80 \sim 150 \ \mathrm{Pa})

Эти значения являются приблизительными и зависят от геометрии вентилятора, скорости вращения, конструкции корпуса и условий эксплуатации. Их следует проверить экспериментальными измерениями в процессе разработки реального изделия.

5. Требуемая скорость распыления

Используя значения (k = 2,0) и (ρ = 1,2 кг/м³), ниже приведены требуемые скорости струи в типичных условиях.

Эти результаты показывают, что риск попадания тумана в форсунку резко возрастает, когда она расположена непосредственно рядом с входным отверстием вентилятора. Даже небольшое увеличение расстояния может значительно снизить требуемую скорость струи.

6. Взаимосвязь между скоростью струи и давлением воды в водопроводе.

Для обычных форсунок, распыляющих мелкодисперсный туман, зависимость между скоростью струи и давлением подаваемой воды можно приблизительно оценить следующим образом:

• Скорость струи 15–25 м/с:
  Давление воды составляет приблизительно 0,4–0,8 МПа (4–8 бар).
• Скорость струи выше 30 м/с:
  Давление воды составляет приблизительно 0,9–1,2 МПа (9–12 бар).

Эти оценки являются приблизительными и зависят от типа форсунки, диаметра отверстия, коэффициента расхода, свойств жидкости и механизма распыления. Поэтому их следует рассматривать как предварительные проектные ориентиры, а не как точные значения.

7. Практические аспекты проектирования

7.1 Влияние размера капель

Очень мелкие капли, особенно размером менее 10 мкм, обладают низкой инерцией и легко подвержены влиянию окружающего воздушного потока. Даже при достаточном импульсе основной струи распыления мелкий туман на краю распыла может все еще увлекаться локальными вихрями вблизи входа в вентилятор. Поэтому простое увеличение давления воды может не полностью решить проблему увлечения.

Для портативных устройств с вентиляторным распылением диапазон размеров капель приблизительно 20–40 мкм может обеспечить лучший баланс между видимостью тумана, охлаждающим эффектом и предотвращением заноса частиц.

7.2 Положение форсунки и угол распыления

Расположение форсунки оказывает сильное влияние на поведение потока воздуха. Расположение непосредственно перед входным отверстием вентилятора создает наибольший риск. Более надежным вариантом является:

• Избегайте выравнивания сопла непосредственно по центру входного отверстия;
• принять косое направление распыления;
• При наличии конструктивных ограничений необходимо поддерживать расстояние не менее 15 мм между соплом и входным отверстием вентилятора.

7.3 Влияние типа вентилятора

Центробежные или турбовентиляторы обычно создают более высокое статическое давление, чем небольшие осевые вентиляторы при аналогичных скоростях вращения. При использовании вентилятора с высоким статическим давлением локальное разрежение вблизи входа может быть сильнее, и, соответственно, требуемая скорость распыления увеличится.

8. Инженерные рекомендации

Для портативных высокоскоростных устройств распыления тумана с вентилятором рекомендуются следующие стратегии проектирования:

Предпочтительная конфигурация
Расположите форсунку под углом относительно входного отверстия вентилятора, поддерживайте расстояние не менее 15 мм и используйте систему распыления при давлении приблизительно 5–7 бар. Такая конфигурация, как правило, обеспечивает стабильную подачу тумана с низким риском его попадания в воздух.

Компактная конфигурация при ограниченном пространстве
Если форсунку необходимо расположить очень близко к входному отверстию, давление подачи воды следует увеличить как минимум до 10 бар, а размер капель умеренно увеличить до 20–40 мкм. В этом случае не рекомендуется использовать очень мелкий сухой туман.

Конфигурация с низкой производительностью или чувствительная к стоимости
Если допустимо незначительное подтягивание тумана, для базовой работы может быть достаточно давления воды 3–4 бар, хотя при этом стабильность подачи тумана может снизиться.

9. Заключение

В данном исследовании предлагается простой аэродинамический критерий для проектирования вентилятора распыления: динамическое давление струи должно превышать местное статическое давление на всасывании вентилятора на соответствующий запас прочности. Для небольших высокоскоростных осевых вентиляторов требуемая скорость струи может варьироваться от приблизительно 16 м/с до 32 м/с в зависимости от положения сопла и интенсивности всасывания на входе. Соответствующее давление подачи воды обычно находится в диапазоне 3–12 бар, в зависимости от характеристик сопла и конструкции системы.

Предложенный метод подходит для ранних этапов концептуального проектирования и инженерной оценки. Для окончательной проверки продукта по-прежнему необходимы экспериментальные измерения распределения давления на входе в вентилятор, размера капель, траектории распыления и скорости уноса. В будущих исследованиях можно дополнительно включить моделирование гидродинамики, моделирование многофазных потоков и оценку комфорта и эффективности охлаждения на основе восприятия человеком.

Новые правила ЕС в отношении батарей: новые правила ЕС в отношении батарей позволяют пользователю извлекать и заменять батарею.

Компания Shenzhen HuiZhiZhen Smart Technology Co., Ltd. (JMK Smart) — это производственное предприятие-экспортер, постоянно стремящееся к инновациям, технологиям и качеству. В отрасли лидируют ручные вентиляторы, настольные вентиляторы, вентиляторы для кемпинга и безлопастные вентиляторы с креплением на шею.