CN105546778B

CN105546778B - 一种实现均匀送风的静压箱

Info

Publication number: CN105546778B
Application number: CN201510963726.XA
Authority: CN
Inventors: 李安桂; 杨长青; 任彤; 张静
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2015-12-20
Filing date: 2015-12-20
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-20
Also published as: CN105546778A

Abstract

本发明公开了一种实现均匀送风的静压箱，包括箱体，箱体侧壁设置有进风口，箱体内部设置有孔板和隔板，孔板上设置有多个孔口，孔板和隔板将箱体内部空间分成三个区域，分别为进风区域、第一紊流区域和第二紊流区域；进风区域的侧壁上设置所述的进风口，第一紊流区域的侧壁上设置有竖直出风口，第二紊流区域的侧壁上设置有水平出风口；空气由进风口进入进风区域内，经过孔板分别进入第一紊流区域和第二紊流区域内，分别由竖直出风口和水平出风口送出。本发明提高了水平方向和竖直方向贴附射流的均匀性，减弱了出风气流与室内污染(热空气)混合能力，同时提高了送风射流距离，降低送风气流对人员的吹风感。

Description

一种实现均匀送风的静压箱

技术领域

本发明涉及一种静压箱，具体涉及一种实现均匀送风的静压箱。

背景技术

静压箱作为一种将动压转化为静压的装置，它可以稳定气流和减少气流的振动，同时降低气流噪声，起到万能接头的作用。静压箱可以把部分动压变为静压，提高送风距离，同时对风量均匀分配，保证风口送风的均匀性，使送风效果更加理想；将静压箱应用到通风空调系统中，可提高整个系统的综合性能。

然而，目前传统的静压箱，虽然能够实现较好的降噪效果，实现多路出风口，但是其实际运行时仍面临气流稳压效果不好、传至室内空气均匀性低等问题，送风的均流性仍达不到理想程度。送风气流的均匀性越低，风口出风与室内污染(热)空气混合能力越强，导致新鲜(冷)空气很难送达人员工作区。另一方面，由于送入静压箱的空气压力和速度会随着气流进入的深度而逐渐变化，在不同进深位置送出的气流是不均匀的，进而导致室内工作区气流组织的紊乱，影响人体的舒适感。同时，已有研究表明，采用贴附射流送风方式能够将处理后的新鲜空气送至较远的工作区，并且能有效减少直接送风对人员带来的“吹风感”。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种实现均匀送风的静压箱。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现均匀送风的静压箱，包括箱体，箱体侧壁设置有进，箱体内部设置有孔板和隔板，孔板上设置有多个孔口，孔板和隔板将箱体内部空间分成三个区域，分别为进风区域、第一紊流区域和第二紊流区域；进风区域的侧壁上设置所述的进风口，第一紊流区域的侧壁上设置有竖直出风口，第二紊流区域的侧壁上设置有水平出风口；

空气由进风口进入进风区域内，经过孔板分别进入第一紊流区域和第二紊流区域内，分别由竖直出风口和水平出风口送出。

具体地，所述孔板包括水平孔板和竖直孔板，水平孔板、竖直孔板和隔板的端面相交于同一直线；水平孔板、竖直孔板和箱体侧壁围成所述的进风区域，水平孔板、隔板和箱体的侧壁围成所述的第一紊流区域，竖直孔板、隔板和箱体的侧壁围成所述的第二紊流区域。

进一步地，所述箱体包括顶面、底面、左侧壁、右侧壁、前壁和后壁；竖直孔板垂直于水平孔板，水平孔板的一端固设在箱体的右侧壁上，竖直孔板的顶端固设在箱体的顶面上，隔板的底端固设在箱体的左侧壁和底面的交线上，隔板与箱体的底面形成夹角。

具体地，所述竖直出风口设置在箱体的底面上，所述水平出风口设置在箱体的左侧壁上，进风口设置在箱体的前壁上。

进一步地，所述隔板与箱体的底面形成的夹角为45°，所述竖直孔板的高度与水平孔板的宽度相同。

进一步地，所述水平孔板和竖直孔板上的多个孔口的孔径均沿空气流动方向依次减小。

进一步地，所述水平孔板和竖直孔板的开孔率均为11.5％-23％。

进一步地，所述竖直孔板的高度和水平孔板的宽度均为250mm～500mm。

进一步地，所述竖直出风口和水平出风口均为条缝式出风口。

进一步地，所述箱体内表面安装有消声层。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、采用本发明的装置，空气由进风口进入进风区域内，经过孔板分别进入第一紊流区域和第二紊流区域内，分别由竖直出风口和水平出风口送出。上述过程加长了空气在静压箱内的流动距离，使得动压转化为静压的比例增加，同时由于第一紊流区域和第二紊流区域的稳压作用，大大提升了竖直出风口和水平出风口出风的均匀性。本发明提高了水平方向和竖直方向贴附射流的均匀性，减弱了出风气流与室内污染(热空气)混合能力，同时提高了送风射流距离，降低送风气流对人员的吹风感。

2、所述水平孔板和竖直孔板上的多个孔口的孔径均沿空气流动方向依次减小，保证孔板的孔口的出风流量相同。

3、水平孔板和竖直孔板的开孔率均为11.5％-23％，在保证阻力损失较小的情况下，将气流的动压及时转化为需要的静压。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；(a)是本发明的立体图；(b)是本发明的正视图；(c)是箱体结构示意图；

图2是孔板的一个孔口出流图；

图3是孔板的相邻孔口的出流图；

图4是孔板上的孔口分布示意图；

图5是是静压箱出风口断面出风均匀性分析实验测点选取图；

图6是进风口风速为4m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的水平出风口的中心轴线速度；

图7是进风口风速为4m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的竖直出风口的中心轴线速度；

图8是进风口风速为6m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的水平出风口的中心轴线速度；

图9是进风口风速为6m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的竖直出风口的中心轴线速度；

图10是进风口风速为8m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的水平出风口的中心轴线速度；

图11是进风口风速为8m/s时，本发明的静压箱与传统静压箱的竖直出风口的中心轴线速度；

图中标号代表：1—箱体，1-1—顶面，1-2—底面，1-3—左侧壁，1-4—右侧壁，1-5—前壁，1-6—后壁；2—进风区域，3—第二紊流区域，4—第一紊流区域，5—竖直孔板，6—水平孔板，7—孔口，8—隔板，9—进风口，10—水平出风口，11—竖直出风口。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，本发明的实现均匀送风的静压箱，包括箱体1，箱体1侧壁设置有进风口9，箱体1内部设置有孔板和隔板8，孔板和隔板8将箱体1内部空间分成三个区域，分别为进风区域2、第一紊流区域4和第二紊流区域3；进风区域1的侧壁上设置所述的进风口9，第一紊流区域4的侧壁上设置有竖直出风口11，第二紊流区域3的侧壁上设置有水平出风口10。

采用本发明的装置，空气由进风口9进入进风区域2内，经过孔板分别进入第一紊流区域4和第二紊流区域3内，分别由竖直出风口11和水平出风口10送出。上述过程加长了空气在静压箱内的流动距离，使得动压转化为静压的比例增加，同时由于第一紊流区域4和第二紊流区域3的稳压作用，大大提升了竖直出风口11和水平出风口10出风的均匀性。本发明提高了水平方向和竖直方向贴附射流的均匀性，减弱了出风气流与室内污染(热空气)混合能力，同时提高了送风射流距离，降低送风气流对人员的吹风感。

具体地，所述孔板包括水平孔板6和竖直孔板5，水平孔板6、竖直孔板5和隔板8的端面相交于同一直线；水平孔板6、竖直孔板5和箱体1侧壁围成所述的进风区域2，水平孔板6、隔板8和箱体1的侧壁围成所述的第一紊流区域4，竖直孔板5、隔板8和箱体1的侧壁围成所述的第二紊流区域3。

可选地，所述箱体1包括顶面1-1、底面1-2、左侧壁1-3、右侧壁1-4、前壁1-5和后壁1-6；竖直孔板5垂直于水平孔板6，水平孔板6的一端固设在箱体1的右侧壁1-4上，竖直孔板5的顶端固设在箱体1的顶面1-1上，隔板8的底端固设在箱体1的左侧壁1-3和底面1-2的交线上，隔板8与箱体1的底面形成夹角。

进一步地，所述竖直出风口11设置在箱体1的底面1-2上，所述水平出风口10设置在箱体1的左侧壁1-3上，进风口9设置在箱体1的前壁1-5上，处于前壁1-5的1/4面积处的中心位置。

空气由进风口9进入进风区域2内，高速度的空气气流沿进风区域2长度方向移动，撞击进风区域2的箱体1的侧壁，动压转变为静压，进风区域2内的空气在静压作用下分别穿过水平孔板6和竖直孔板5进入第一紊流区域4和第二紊流区域3，此时的空气气流的均匀性得到提升，随着空气不断由进风区域2进入第一紊流区域4和第二紊流区域3，两个区域内的压力逐渐升高，均匀性较好的空气气流由竖直出风口11和水平出风口10送出，竖直出风口11和水平出风口10均为条缝式出风口，分别在压差作用下送风气流在房间的天花板和侧壁上形成水平和竖直双贴附效应，延长了送风射程，从而能够将新鲜空气很好地送到通风空调房间的工作区内。

为了保证竖直出风口11和水平出风口10的出风量基本相同，则需要保证两个出风口相对应的紊流区域的静压相同，因此需要在静压箱内营造出两个体积相同的空间，即所述隔板8与箱体1的底面形成的夹角为45°，所述竖直孔板5的高度与水平孔板6的宽度相同。

为了满足建筑室内送分气流的覆盖长度以及为空调房间提供足够的冷(热)量，静压箱的出风量，即竖直出风口和水平出风口的出风速度需要满足1m/s～3.0m/s的要求，因此在静压箱进风口9处的进风量需满足一定范围，为了减小静压箱内的噪声产生，一般设计要求静压箱内断面风速一般需要小于2m/s，同时为了保证第一紊流区域4和第二紊流区域3具备足够多的多股汇流缓冲区域，所述竖直孔板5的高度和水平孔板6的宽度均为250mm～500mm。

空气由进风口9进入进风区域内部后，沿空气气流的流动方向气流的动压逐渐减小，静压逐渐增大，孔口的出风速度逐渐增大，为了保证孔板的孔口的出风流量相同，将所述水平孔板6和竖直孔板5上的多个孔口7的孔径均沿空气流动方向依次减小。设通过第i个圆孔的送风量为Q_i(m³/s)。

进一步地，所述水平孔板6和竖直孔板5的开孔率均为11.5％-23％。

空气流过孔板上的孔口7的过程其实是先进行突然缩小，然后突然扩大，由于孔板的厚度较小，因此可以忽略上述过程中的沿程阻力损失，所以气流通过孔口的阻力系数可以简化为突然缩小产生的局部阻力系数ζ₁与突然扩大产生局部阻力系数ζ₂之和；

突然缩小过程中在孔板表面形成的漩涡比较复杂，局部阻力系数ζ₁与开孔率N的关系符合经验公式ζ₁＝(1-N)^0.75；突然扩大过程中，对孔口7之后气流的两个段面应用伯努利方程，与动量方程联立，并引入收缩系数ε，可知局部阻力系数ζ₂＝(1-εN)²；

随着开口率N的减小，两个局部阻力系数ζ₁和ζ₂都同时增大，则总的阻力系数增大，阻力损失会变得很大；随着开孔率N的增大，孔板上孔口7的总面积越来越大，相邻两个孔口7之间的间距减小，气流在到达相邻孔口7的过程中，气流的动压不能及时转化为需要的静压，孔板均流的作用减弱。因此通过实验验证，所述水平孔板6和竖直孔板5的开孔率均为11.5％-23％，在保证阻力损失较小的情况下，将气流的动压及时转化为需要的静压。

进一步地，所述箱体1内表面安装有消声层。消声层采用玻璃棉毡或聚乙烯泡沫灯光消声材料，厚度为10mm，能够减少箱体1内气流撞击与湍动带来的震荡，减小产生的噪声，同时隔绝箱体1内空气与箱体1外周围环境的换热，起到一定的保温作用。

本发明的静压箱的均匀送风原理如下：

根据流体力学理论，在静压箱进风区域内流动的空气遇到孔板时,考虑局部阻力，其静压差产生的流速为：

其中，P_j为静压箱进风区域内空气的静压；μ为流量系数。

参见图2，表示孔板空气出流示意图，将进风区域等价为一个风管结构，现设孔口实际流速为v，孔口出流与风管轴线的夹角为α，则它们与孔口面积f_i，(1≤i≤n)，n为孔口的个数，孔口在气流垂直方向上的投影面积f，静压差产生的流速v_j有如下关系：

则孔口出流流量为：

式中μ-孔口流量系数，可近似取μ＝0.6～0.65；

f_i-第i个孔口的面积，m²；

v_ji-第i个孔口垂直于孔板面的静压速度，m/s；

P_ji-第i个孔口垂直于孔板面的静压，Pa；

ρ-空气密度，取ρ＝1.2kg/m³。

在已知进风口9的送风量Q₀的情况下，可知孔口送风量Q_i，Q_i＝Q₀/n，n为孔口的个数；根据公式(4)，若求得每个孔口对应的静压P_ji，即可获得每个孔口的孔口面积f_i：

各孔口流量系数μ相等，根据《实用供热空调设计手册》，必须使得出流角α≥60°，此时有v_j/v_d≥1.73。

每个孔口对应的静压的计算方法如下：

分析孔板中气流到达相邻的两个出风孔口时的能量变化，参见图3。设静压箱进风区域内气流到达第i个孔口的速度v_di，设第i个孔口的静压P_ji已知，气流到达第i+1个出风孔口的速度v_d(i+1)，其中，第i个孔口与第i+1个孔口指的是沿气流流动方向的前后两个孔口，则：

v_di＝(Q₀-∑Q_i-1)/F (5)

v_d(i+1)＝(Q₀-∑Q_i)/F (6)

式中：Q₀为进风口的进口风量；∑Q_i-1为前i-1个孔口出风量之和，∑Q_i为前i个孔口出风量之和，且当i＜n(n为出风孔口总数)时，Q₀-∑Q_i＞0；F为相邻两个孔口之间的管段横截面积；

相邻两个孔口的能量方程为：

其中，λ_i+1表示第i个孔口到第i+1个孔口之间管段的摩擦阻力系数；l_i+1表示第i个孔口中心与i+1个孔口中心之间的距离；D_i+1为第i个孔口与第i+1个孔口之间管段当量直径，其中，a表示进风区域的高度，b表示进风区域的宽度。

根据公式(4)和(5)知，只要给出进风口的静压，算出第一个孔口的静压，依次迭代，就可以求出各孔口的静压，从而求出各孔口的孔口面积f_i。

实施例1

根据实际使用情况建立静压箱数值计算模型，静压箱壳体尺寸长×宽×高为1500×800×800mm；水平孔板6和竖直孔板5的尺寸长×宽为1500×400mm，开孔率为14.95％，如图1所示；隔板长×高为上边沿与两孔板边重合，下边沿与静压箱左下角重合；竖直出风口11和水平出风口10的长度均为1300mm，宽度为100mm；进风口9为直径200mm的圆孔，进风口9风速为4m/s，即进风量为450m³/h。由上述步骤可以计算出，孔口7大小从进风口9的端部开始依次减小，分别为28.0mm，28.0mm，27.1mm，26.2mm，25.4mm，24.6mm，23.8mm，23.0mm，22.3mm，21.6mm，20.9mm，20.0mm，数量分布如图4所示。

静压箱的箱体1、水平孔板6、竖直孔板5和隔板8均采用厚度为2.5mm的镀锌钢板制作，消声材料采用玻璃棉毡，厚度为10mm，紧贴附在静压箱箱体内侧壁。

为了验证本发明静压箱装置出风的均匀性，需知道出风口断面速度分布情况，进一步计算得到反映出风均匀性的紊流强度，为此选用室内气体流动计算应用最多的标准化k-ε模型。采用有限体积法对上述控制方程进行离散，离散格式选用二阶迎风格式，引入边界条件后选用SIMPLE算法对离散方程求解，当速度项和压力项残差值均小于10^-3，同时温度和组分的残差值均小于10^-6时，控制方程组收敛，此时即可得到出风口断面上的速度分布，取竖直出风口和水平出风口长度方向的中心轴线上的速度分布进行分析，如图5中细横线所示。同时为了与传统中空壳体静压箱装置风口出风均匀性进行比较，在相同参数设置条件，相同出风边界条件下，进一步模拟了传统中空壳体静压箱装置出风口断面中轴线上的速度分布，采用线图形式在图6，7中分别表示了本发明的静压箱与传统静压箱水平出风口10和竖直出风口11的中心轴线速度。

采用本发明的静压箱，水平出风口10中心轴线的速度大小基本相同，分布在0.45-0.66m/s范围内，最大速度差为32.30％；采用传统中空壳体静压箱装置时，中心轴线速度分布在0.25-1.44范围内，最大速度差为82.51％。就出风速度波动性来说，采用本发明的静压箱时，水平出风口10最大出风速度偏差由82.51％降低到了32.30％，波动性减小了155.49％。

采用本发明的静压箱时，竖直出风口11中心轴线的速度大小基本相同，分布在0.41-0.72m/s范围内，最大速度差为42.75％；采用传统中空壳体静压箱装置时，中心轴线速度分布在0.05-1.42范围内，最大速度差为96.12％。就出风速度波动性来说，采用本发明静压箱时，竖直出风口11最大出风速度偏差由96.12％降低到了42.75％，波动性减小了124.84％。

同时利用风口均匀性计算公式和沿出风口中轴线上的速度分布，计算得到采用本发明的静压箱后，水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为8.04％和9.52％，传统中空壳体静压箱装置水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为34.87％和35.78％，前者相对后者出风均匀性分别提升了333.76％和275.96％。综合来说，本发明的静压箱速度波动性较小，均匀性较好。

实施例2

其他与实施例1相同，进风口9风速为6m/s，即进风量为680m³/h。图8，9中分别表示了本发明的静压箱与传统静压箱水平出风口10和竖直出风口11的中心轴线速度分布。

采用本发明静压箱时，水平出风口10和竖直出风口11中心轴线的最大速度差分别为41.54％和36.89％；采用传统中空壳体静压箱装置时，水平出风口10和竖直出风口11中心轴线的最大速度差分别为97.81％和68.74％。前者较后者出风波动性分别减小了135.48％和86.35％。

水平出风口10和竖直出风口11出风均匀性方面，采用本发明的静压箱，水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为9.20％和8.68％，传统中空壳体静压箱装置水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为33.75％和21.20％，前者相对后者出风均匀性分别提升了266.91％和144.27％。

实施例3

其他与实施例1相同，进风口9风速为8m/s，即进风量为900m³/h。图10，11中分别表示了本发明的静压箱与与传统静压箱水平出风口10和竖直出风口11的中心轴线速度分布。

采用本发明的静压箱时，水平出风口10和竖直出风口11中心轴线的最大速度差分别为32.62％和33.96％；采用传统中空壳体静压箱装置时，水平出风口10和竖直出风口11中心轴线的最大速度差分别为82.96％和95.93％。前者较后者出风波动性分别减小了154.36％和182.48％。

水平出风口10和竖直出风口11出风均匀性方面，采用本发明的静压箱，水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为7.90％和8.36％，传统中空壳体静压箱装置水平出风口10和竖直出风口11不均匀性分别为34.52％和35.68％，前者相对后者出风均匀性分别提升了337.18％和326.57％。

综上所示，采用本发明的静压箱多出口低风速送风时，出风波动性相对传统中空壳体静压箱装置降低很多；出风均匀性方面，采用本发明的静压箱时，出风均匀性相对传统中空壳体静压箱装置提升巨大。所以，本发明的静压箱可以有效提高送风距离，同时有效保证多路出风口风量均匀分配，保证多路出风口送风的均匀性。

Claims

1.一种实现均匀送风的静压箱，包括箱体(1)，箱体(1)侧壁设置有进风口(9)，其特征在于，箱体(1)内部设置有孔板和隔板(8)，孔板上设置有多个孔口(7)，孔板和隔板(8)将箱体(1)内部空间分成三个区域，分别为进风区域(2)、第一紊流区域(4)和第二紊流区域(3)；进风区域(2)的侧壁上设置所述的进风口(9)，第一紊流区域(4)的底面上设置有竖直出风口(11)，第二紊流区域(3)的侧壁上设置有水平出风口(10)；

空气由进风口(9)进入进风区域(2)内，经过孔板分别进入第一紊流区域(4)和第二紊流区域(3)内，分别由竖直出风口(11)和水平出风口(10)送出。

2.如权利要求1所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述孔板包括水平孔板(6)和竖直孔板(5)，水平孔板(6)、竖直孔板(5)和隔板(8)的端面相交于同一直线；水平孔板(6)、竖直孔板(5)和箱体(1)侧壁围成所述的进风区域(2)，水平孔板(6)、隔板(8)、箱体(1)的侧壁和箱体(1)的底面(1-2)围成所述的第一紊流区域(4)，竖直孔板(5)、隔板(8)、箱体(1)的侧壁和箱体(1)的顶面(1-1)围成所述的第二紊流区域(3)。

3.如权利要求2所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述箱体(1)包括顶面(1-1)、底面(1-2)、左侧壁(1-3)、右侧壁(1-4)、前壁(1-5)和后壁(1-6)；竖直孔板(5)垂直于水平孔板(6)，水平孔板(6)的一端固设在箱体(1)的右侧壁(1-4)上，竖直孔板(5)的顶端固设在箱体(1)的顶面上(1-1)，隔板(8)的底端固设在箱体(1)的左侧壁(1-3)和底面(1-2)的交线上，隔板(8)与箱体(1)的底面形成夹角。

4.如权利要求2所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述竖直出风口(11)设置在箱体(1)的底面(1-2)上，所述水平出风口(10)设置在箱体(1)的左侧壁(1-3)上，进风口(9)设置在箱体(1)的前壁(1-5)上。

5.如权利要求2所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述隔板(8)与箱体(1)的底面形成的夹角为45°，所述竖直孔板(5)的高度与水平孔板(6)的宽度相同。

6.如权利要求2所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述水平孔板(6)和竖直孔板(5)上的多个孔口(7)的孔径均沿空气流动方向依次减小。

7.如权利要求2所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述水平孔板(6)和竖直孔板(5)的开孔率均为11.5％-23％。

8.如权利要求5所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述竖直孔板(5)的高度和水平孔板(6)的宽度均为250mm～500mm。

9.如权利要求1所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述竖直出风口(11)和水平出风口(10)均为条缝式出风口。

10.如权利要求1所述的实现均匀送风的静压箱，其特征在于，所述箱体(1)内表面安装有消声层。