RO137186A2

RO137186A2 - Orientable diffuser with enhanced induction by passive flow control, for customized ventilation

Info

Publication number: RO137186A2
Application number: ROA202100320A
Authority: RO
Inventors: Ilinca Năstase; Florin Bode
Original assignee: Universitatea Tehnică De Construcţii Din Bucureşti
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-12-30

Abstract

The invention relates to an orientable diffuser with enhanced induction by passive flow control, for customized ventilation. According to the invention, the diffuser is provided with two orifices of which the first one is meant for intake of fresh/treated air and the second is provided for pressurized delivery of air towards the user, the intake orifice being circular and the discharge orifice having a lobed geometry with six petals having acute angles at the apex, the median axes of two adjacent petals generating angles of 60°

Description

DESCRIEREDESCRIPTION

OFICIUL Ut STA I' f’ENTHU Ut/ENT» Șl MĂRCI Cerere de brevet de invenție „Difuzor orientabil, cu inducție sporită prin control pasiv al curgerii, pentru ventilarea personalizată”OFICIUL Ut STA I' f'ENTHU Ut/ENT» Șl MARCI Application for invention patent "Directional diffuser, with increased induction by passive flow control, for personalized ventilation"

b. precizarea domeniului de aplicare a invențieib. specifying the scope of the invention

Invenția se referă la o soluție propusă pentru reducerea disconfortului termic și o îmbunătățire a calității aerului respirat de către utilizator în cazul sistemelor de ventilare personalizată. Difuzorul poate fi utilizat în sistemele de ventilare personalizată pentru clădiri, automobile, vagoane feroviare, aeronave destinate transportului de pasageri.The invention refers to a solution proposed for the reduction of thermal discomfort and an improvement of the quality of the air breathed by the user in the case of personalized ventilation systems. The diffuser can be used in customized ventilation systems for buildings, automobiles, railway carriages, aircraft intended for passenger transport.

c. precizarea stadiului cunoscut al tehnicii în domeniul obiectului invenției, cu menționarea dezavantajelor soluțiilor tehnice cunoscutec. specification of the known state of the art in the field of the object of the invention, with the mention of the disadvantages of the known technical solutions

Obiectivul principal al sistemelor ventilare si climatizare este de a furniza aer curat și de a menține condiții confortabile pentru utilizatori. Sistemele de distribuție a aerului prin amestec, cele mai răspândite la ora actuală în cazul utilizării lor în clădiri, urmăresc asigurarea parametrilor de confort termic și de puritate a aerului în întreaga zonă de ocupație a încăperilor considerate. Acest mod de distribuție a aerului tratat prezintă o serie de avantaje tehnico-economice, dar în anumite situații se poate traduce prin consumuri energetice importante fără a se atinge parametrii de funcționare preconizați. în acest caz, putem regăsi fie o distribuție neomogenă a câmpurilor de temperatură, având drept consecință nelulțumirea utilizatorilor ce pot acuza senzația de „curent de aer”, fie o puritate neadecvată a aerului ce poate induce stări de oboseală, eficacitate scăzută a muncii și pe termen lung sindromul de „clădire bolnavă” [1-7].The main objective of ventilation and air conditioning systems is to provide clean air and maintain comfortable conditions for users. The air distribution systems by mixing, the most widespread at present in the case of their use in buildings, aim to ensure the parameters of thermal comfort and air purity throughout the occupied area of the considered rooms. This way of distributing the treated air presents a number of technical and economic advantages, but in certain situations it can result in significant energy consumption without reaching the expected operating parameters. in this case, we can find either an inhomogeneous distribution of the temperature fields, resulting in the dissatisfaction of users who may accuse the sensation of "air current", or an inadequate air purity that can induce states of fatigue, low work efficiency and on long-term "sick building" syndrome [1-7].

Sistemele de ventilare personalizată, utilizate cu precădere în incinte puternic confinate cu încărcări termice și de umiditate concentrate - cum ar fi habitaclul autovehiculelor și cockpitul avioanelor de pasageri - sau în mediul industrial, devin în acest context din ce în ce mai atractive pentru utilizarea în clădiri. Acestea se pretează pentru încăperile cu destinații terțiare în care sunt preconizate perioade mari de timp pentru ocuparea unui post de lucru fix, de exemplu în cazul clădirilor de birouri. Ideea de bază din spatele sistemelor de ventilare personalizată constă în furnizarea aerului proaspăt tratat (încălzit, răcit, sau pur și simplu prelevat direct din exterior) în apropierea corpului uman, deobicei acesta fiind dirijat către fața utilizatorului. în acest mod se vizează îmbunătățirea purității aerului respirat și a confortului termic, într-un cuvânt a calității micro-climatului asociat respectivului post de lucru. Așa cum este arătat de către literatura de specialitate [5, astfel de dispozitive în combinație cu sisteme clasice de încălzire/răcire, permite realizarea unor economii importante de energie în cazul clădirilor.Customized ventilation systems, used mainly in highly confined premises with concentrated thermal and humidity loads - such as the passenger compartment of cars and the cockpit of passenger planes - or in the industrial environment, are in this context becoming more and more attractive for use in buildings . They are suitable for rooms with tertiary uses where long periods of time are expected for occupying a fixed workstation, for example in the case of office buildings. The basic idea behind personalized ventilation systems is to deliver freshly treated air (heated, cooled, or simply taken directly from outside) close to the human body, usually directed towards the user's face. in this way, the aim is to improve the purity of the breathing air and the thermal comfort, in a word, the quality of the micro-climate associated with the respective workplace. As shown by the specialized literature [5, such devices in combination with classic heating/cooling systems, allow achieving important energy savings in the case of buildings.

în ceea ce privește sistemele utilizate în domeniul transporturilor (auto, feroviare sau aviație) dispozitivele de introducere a aerului existente, nu sunt optimizate pe deplin pentru a răspunde criteriilor de confort ale utilizatorilor. Principalul dezavantaj al acestor difuzoare de aer este datorat concepției geometrice ce are drept rezultat formarea unor jeturi concentrate de aer, în care amestecul dintre fluidul primar și ambianță nu se realizează în mod eficient pe parcursul distanței dintre planul de refulare și zona de impact cu corpul uman. Astfel, de cele mai multe ori viteza aerului refulat ajunge în proximitatea feței cu valori ce depășesc limitele acceptate din punct de vedere al senzației de confort, generând senzația de „curent de aer”, uscăciune și iritabilitate a mucoaselor.as regards the systems used in the field of transport (automotive, railway or aviation) the existing air intake devices are not fully optimized to meet the comfort criteria of the users. The main disadvantage of these air diffusers is due to the geometric design that results in the formation of concentrated air jets, in which the mixing between the primary fluid and the environment is not effectively achieved during the distance between the discharge plane and the impact zone with the human body . Thus, most of the time, the speed of the compressed air reaches the proximity of the face with values that exceed the accepted limits in terms of the feeling of comfort, generating the sensation of "air current", dryness and irritability of the mucous membranes.

Unul dintre fabricanții de sisteme de ventilare personalizată este compania Exhausto din Danemarca [13]. Difuzorul propus de către această companie prezintă caracteristici geometrice complet diferite, de unde rezultă și capabilități diferite, de cele ce caracaterizează produsul prezentat în această propunere de brevet. Acesta are rolul de a efectua ventilarea personalizată a persoanelor care efectuează activități sedentare în clădiri, dar principalul său dezavantaj este legat de modul de distribuție a aerului în proximitatea faței utilizatorului. Debitul de aer vehiculat este ridicat (5-10 1/s) ceea ce duce la creșterea vitezei aerului pe langa capul utilizatorului si implicit si la accentuarea unei senzații de disconfort pe care acesta o resimte.One of the manufacturers of customized ventilation systems is the Exhausto company from Denmark [13]. The speaker proposed by this company presents completely different geometric characteristics, which result in different capabilities, from those that characterize the product presented in this patent proposal. It has the role of carrying out personalized ventilation of people who carry out sedentary activities in buildings, but its main disadvantage is related to the way of air distribution in the proximity of the user's face. The air flow rate is high (5-10 1/s), which leads to an increase in the speed of the air near the user's head and, implicitly, to an increase in the feeling of discomfort that he feels.

Difuzorul de aer introdus într-un corp de formă sferică ce permite orientabilitatea sa este o soluție des întâlnită în zilele noastre în aplicațiile de ventilație, această soluție fiind una utilizată încă de acum aproximativ 90 de ani [14], Aplicarea de diverse orificii în difuzorul sferic pentru ventilare este o practică curentă, cea mai utilizată soluție pentru orificiu fiind forma circulară, dar existând si altfel de forme cum ar fi cea prezentată în [15]. Este de notat faptul că nici una din aceste invenții nu se referă la utilizarea orificiului practicat în sferă în termeni de control pasiv al curgerii.The air diffuser inserted in a spherically shaped body that allows its orientation is a common solution nowadays in ventilation applications, this solution being one that has been used since about 90 years ago [14], Application of various holes in the diffuser spherical for ventilation is a current practice, the most used solution for the hole being the circular shape, but there are also other shapes such as the one presented in [15]. It should be noted that none of these inventions relate to the use of the orifice drilled in the sphere in terms of passive flow control.

d. problema tehnică pe care o rezolvă invențiad. the technical problem that the invention solves

Prezenta invenție are ca scop ameliorarea problemelor de disconfort al utilizatorilor în cazul sistemelor de ventilare personalizată și ameliorarea calității ambientale a microclimatului format în jurul corpului uman prin controlul pasiv al curgerii prin duza lobată cu șase petale pe o sferă.The present invention aims to alleviate the problems of user discomfort in the case of personalized ventilation systems and to improve the ambient quality of the microclimate formed around the human body by passively controlling the flow through the lobed nozzle with six petals on a sphere.

e. prezentarea soluției tehnice a invenției, cu evidențierea elementelor sau tehnică originale care rezolvă problema tehnică menționatăe. presentation of the technical solution of the invention, highlighting the original elements or techniques that solve the mentioned technical problem

Soluția propusă pentru reducerea disconfortului termic al utilizatorului constă în implementarea unei geometrii speciale de orificiu pe suprafața unui difuzor sferic. Geometria orificiului estre de tip lobat având o formă axial simetrică, cu șase „petale” {Fig. /). Acesta este elementul de inovație corespunzător acestei invenții.The solution proposed to reduce the user's thermal discomfort consists in implementing a special hole geometry on the surface of a spherical diffuser. The geometry of the lobed orifice having an axially symmetrical shape, with six "petals" {Fig. /). This is the element of innovation corresponding to this invention.

Difuzorul lobat va fi introdus într-un corp de formă sferică ce permite orientabilitatea sa, atât din punct de vedere al unghiului {Fig. 2a) cât și al direcției de refulare {Fig. 2b). Difuzorul sferic este integrat într-un manșon care va permite orientarea difuzorului {Fig. 2). Această soluție nu face obiectul brevetului, nefiind una originală, acest tip de soluție fiind extrem de întâlnită în diverse aplicații.The lobed diffuser will be inserted into a spherical body that allows its orientation, both from the point of view of the angle {Fig. 2a) and of the discharge direction {Fig. 2b). The spherical diffuser is integrated into a sleeve that will allow the orientation of the diffuser {Fig. 2). This solution is not the subject of the patent, not being an original one, this type of solution being extremely common in various applications.

Așa cum se poate observa în Fig. 7 a el este prevăzut cu două orificii, dintre care primul este destinat pentru admisia aerului tratat/proaspăt iar cel de-al doilea este prevăzut pentru refularea aerului căre utilizator. Orificiul de admisie a aerului este circular iar cel pentru evacuare este de geometrie lobata, cu șase petale, cu vârfurile rotunjite. Axele mediane ale două petale adiacente generează unghiuri de 60° {Fig. 7b). Acest tip de orificiu de tip lobat cu șase petale a retumat rezultate extrem de bune în legătură cu o inducție superioară a aerului ambiant spre deosebire de alte tipuri de difuzoare studiate [16],As can be seen in Fig. 7 of it is provided with two openings, the first of which is intended for the intake of treated/fresh air and the second is provided for the discharge of the user's air. The air intake hole is circular and the one for the exhaust has a lobed geometry, with six petals, with rounded tips. The median axes of two adjacent petals generate angles of 60° {Fig. 7b). This type of lobed six-petal orifice returned extremely good results in relation to a superior induction of the ambient air in contrast to other types of loudspeakers studied [16],

Dinamica complexă a curgerii de tip jet generată de acest orificiu, asigură o rată de inducție mult mai mare decât în cazul jeturilor generate de alte geometrii de difuzoare utilizate în mod curent pentru ventilarea personalizată, la aceeași suprafață liberă de refulare și același debit de aer injectat. Inducția mărită are loc pe întreaga lungime axială a jetului. Consecința acestui fenomen este exprimată printr-o diluție mai rapidă a puterii termice injectate și printr-o descreștere a vitezei aerului în zona de impact cu corpul uman {Fig. 4). Studiile prin simulare numerică au evidențiat mai clar mecanismul inducției sporite al difuzorului orientabil, cu inducție sporită prin control pasiv al curgerii {Fig. 5a,b și Fig. 6).The complex jet flow dynamics generated by this orifice provide a much higher induction rate than jets generated by other diffuser geometries currently used for custom ventilation at the same discharge free surface and injected air flow rate . The increased induction occurs along the entire axial length of the jet. The consequence of this phenomenon is expressed by a faster dilution of the injected thermal power and by a decrease in the air speed in the area of impact with the human body {Fig. 4). Numerical simulation studies have more clearly revealed the increased induction mechanism of the steerable diffuser, with increased induction by passive flow control {Fig. 5a,b and Fig. 6).

Au fost efectuate și o serie de măsurări experimentale ale valorilor de viteză ale aerului care curge prin difuzorului orientabil, cu inducție sporită prin control pasiv al curgerii, pentru ventilarea personalizată. Tehnica utilizată a fost Laser Doppler Velocimetry și a confirmat observațiile anterioare Fig. 7 a,b. Măsurările au fost efectuate prin utilizarea unui bord de automobil real, la care au fost schimbate grilele de introducere cu difuzorul inovativ prezentat în această invenție.A series of experimental measurements of the velocity values of the air flowing through the adjustable diffuser with enhanced induction by passive flow control for customized ventilation were also performed. The technique used was Laser Doppler Velocimetry and confirmed previous observations Fig. 7a, b. The measurements were made using a real car dashboard, where the intake grills were changed with the innovative diffuser presented in this invention.

Pierderile de sarcină și nivelul de zgomot induse de acest tip de difuzor sunt m deThe load losses and the noise level induced by this type of speaker are m de

comparabile cu cele utilizate în același tip de sisteme, difuzorul nenece energie suplimentar pentru vehicularea aerului.comparable to those used in the same type of systems, the diffuser does not require additional energy to circulate the air.

Difuzorul va fi realizat din materiale plastice care sa respecte reglementările in vigoare din domeniul instalațiilor de ventilare.The diffuser will be made of plastic materials that comply with the regulations in force in the field of ventilation installations.

f prezentarea unuia sau mai multor exemple concrete de realizare a invenției, cu referire la figurile din desenele explicative ale invenției, în cazul în care sunt și desene.f presentation of one or more concrete examples of the realization of the invention, with reference to the figures in the explanatory drawings of the invention, if there are also drawings.

Integrarea acestui nou tip de difuzor in zone de tip birou se poate efectua prin practicarea unor orificii circulare in tablia mesei si introducerea acestuia prin aceste orificii (Fig. 3a).The integration of this new type of diffuser in office-type areas can be done by making some circular holes in the table top and inserting it through these holes (Fig. 3a).

O alta soluție este prinderea acestui difuzor de marginea ecranului calculatorului/laptopului cu ajutorul unei cleme (Fig. 3b). Difuzorul va fi alimentat cu aer de la o rețea de aer proaspăt care va putea fi montata prin tavanul fals.Another solution is to attach this speaker to the edge of the computer/laptop screen with a clamp (Fig. 3b). The diffuser will be supplied with air from a fresh air network that can be mounted through the false ceiling.

Un alt mod de utilizare al acestei invenții este pentru ventilarea automobilelor, vagoanelor de calatori sau avioanelor de pasageri in locul grilelor de ventilare clasice.Another way of using this invention is for the ventilation of automobiles, passenger cars or passenger planes instead of classic ventilation grids.

g. prezentarea avantajelor rezultate din aplicarea invențieig. presentation of the advantages resulting from the application of the invention

Principalul avantaj al difuzorului orientabil, cu inducție sporită prin control pasiv al curgerii, pentru ventilarea personalizată este datorat concepției geometrice speciale ce asigură diluția mai rapidă a puterii termice injectate și descreșterea vitezei aerului în zona de impact cu corpul uman. Astfel, viteza aerului refulat va ajunge în proximitatea feței cu valori în limitele acceptate din punct de vedere al senzației de confort, asigurând funcția primară a sistemului de ventilare și anume aceea de a asigura un debit igienic de aer proaspăt pentru fiecare utilizator. Astfel va fi diminuată senzația de „curent de aer”, de uscăciune și iritabilitate a mucoaselor.The main advantage of the adjustable diffuser, with increased induction through passive flow control, for personalized ventilation is due to the special geometric design that ensures the faster dilution of the injected thermal power and the decrease of the air speed in the area of impact with the human body. Thus, the speed of the discharged air will reach the proximity of the face with values within the accepted limits in terms of the feeling of comfort, ensuring the primary function of the ventilation system, namely that of ensuring a hygienic flow of fresh air for each user. Thus, the sensation of "air current", of dryness and irritability of the mucous membranes will be reduced.

Difuzorul poate fi utilizat atât pentru sistemele de ventilare personalizată din clădiri cât și pentru cele din automobile Fig. 7a,b, vagoane feroviare, avioane de pasageri.The diffuser can be used both for customized ventilation systems in buildings and for those in automobiles Fig. 7a,b, railway carriages, passenger planes.

Referințe:References:

1. Fanger, P.O., Introduction of the olf and the decipol units to quantify air pollution perceived by humans indoors and outdoors. Energy and Buildings, 1988.12(1): p. 1-6.1. Fanger, P.O., Introduction of the olf and the decipole units to quantify air pollution perceived by humans indoors and outdoors. Energy and Buildings, 1988.12(1): pp. 1-6.

2. Fanger, P.O. and B. Berg-Munch. Ventilation and body odor, in Engineering Foundation Conference on Management of Atmospheres in Tightly Enclosed Spaces. 1983. Atlanta.2. Fanger, P.O. and B. Berg-Munch. Ventilation and body odor, in Engineering Foundation Conference on Management of Atmospheres in Tightly Enclosed Spaces. 1983. Atlanta.

3. Fanger, P.O. and N.K. Cbristensen, Perception of draught in ventilated spaces. Ergonomics, 1986. 29(2): p. 215 - 235.3. Fanger, P.O. and N.K. Cbristensen, Perception of draft in ventilated spaces. Ergonomics, 1986. 29(2): pp. 215 - 235.

4. Melikov, A., T. Ivanova, and G. Stefanova, Seat headrest-incorporated personalized ventilation: Thermal comfort and inhaled air quality. Building and Environment, 2012. 47: p. 100-108.4. Melikov, A., T. Ivanova, and G. Stefanova, Seat headrest-incorporated personalized ventilation: Thermal comfort and inhaled air quality. Building and Environment, 2012. 47: p. 100-108.

5. Melikov, A.K., Personalized ventilation. Indoor Air Pollution, 2004.14(suppl. 7): p. 157-167.5. Melikov, A.K., Personalized ventilation. Indoor Air Pollution, 2004.14(suppl. 7): p. 157-167.

6. Melikov, A.K., et al. Impact of airflow interaction on inhaled air quality and transport of contaminants in rooms with personalized and total volume ventilation.6. Melikov, A.K., et al. Impact of airflow interaction on inhaled air quality and transport of contaminants in rooms with personalized and total volume ventilation.

2003. Singapore. /4/^2003. Singapore. /4/^

7. Melikov, A.K., R. Cermak, and M. Majer, Personalized ventilation: evaluation of different air terminal devices. Energy and Buildings, 2002. 34(8): p. 829-836.7. Melikov, A.K., R. Cermak, and M. Majer, Personalized ventilation: evaluation of different air terminal devices. Energy and Buildings, 2002. 34(8): pp. 829-836.

8. Gao, N. and J. Niu, CFD study on micro-environment around human body and personalized ventilation. Building and Environment, 2004. 39 p. 795 - 805.8. Gao, N. and J. Niu, CFD study on micro-environment around human body and personalized ventilation. Building and Environment, 2004. 39 pp. 795 - 805.

9. Russo, J.S., T.Q. Dang, and H.E. Khalifa, Computațional analysis of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment, 2009.44(8): p. 1559-1567.9. Russo, J.S., T.Q. Dang, and H.E. Khalifa, Computational analysis of reduced-mixing personal ventilation jets. Building and Environment, 2009.44(8): pp. 1559-1567.

10. Schiavon, S. and A.K. Melikov, Energy-saving strategies with personalized ventilation in cold climates. Energy and Buildings, 2009.41(5): p. 543-550.10. Schiavon, S. and A.K. Melikov, Energy-saving strategies with personalized ventilation in cold climates. Energy and Buildings, 2009.41(5): pp. 543-550.

11. Schiavon, S., A.K. Melikov, and C. Sekhar, Energy analysis of the personalized ventilation system in hot and humid climates. Energy and Buildings, 2010.42(5): p. 699-707.11. Schiavon, S., A.K. Melikov, and C. Sekhar, Energy analysis of the personalized ventilation system in hot and humid climates. Energy and Buildings, 2010.42(5): pp. 699-707.

12. Sun, W., et al., Thermal performance of a personalized ventilation air terminal device at two different turbulence intensities. Building and environment, 2007.42: p. 3974-3983.12. Sun, W., et al., Thermal performance of a personalized ventilation air terminal device at two different turbulence intensities. Building and environment, 2007.42: p. 3974-3983.

13. http://www. exhausto. com/produkter/productqroupdisplaypage ?pgid={2BFl CFB4-4BA8-13. http://www. exhausted com/produkter/productqroupdisplaypage ?pgid={2BFl CFB4-4BA8-

49CC-A994-A102FB1C3E32}.49CC-A994-A102FB1C3E32}.

Claims

demand

The spherical diffuser is equipped with two holes, the first of which is intended for the intake of treated/fresh air and the second is intended for the discharge of air to the user (fig la). The air intake hole is circular and the one for the exhaust has a lobed geometry, with six petals, with rounded tips. The median axes of two adjacent petals generate angles of 60° (figlb).