Аэродинамический расчет воздуховодов приточной системы вентиляции. Калькулятор для расчета и подбора компонентов системы вентиляции Потери давления в воздуховоде таблица

Схема приточной вентиляционной системы показана на рисунке 23. и включают в себя следующие основные элементы: 1- воздухоприемные устройства для забора наружного воздуха; 2- вентилятор с устройствами для очистки 3, охлаждения 4, осушки, увлажнения и нагрева 5 наружного воздуха; 6 система воздуховодов, по которым приточный воздух от вентилятора направляется в помещения.

1- воздухоприемные устройства, 2- вентилятор с устройствами для очистки 3, охлаждения 4, осушки, увлажнения и нагрева 5 наружного воздуха, 6- воздуховоды

Рисунок 23. Схема приточной вентиляционной установки

Аэродинамический расчет воздуховодов сводится к определению размеров поперечного сечения воздуховода и к расчету потерь давления в сети.

Исходными данными для его проведения являются:

значения расходов воздуха на каждом участке V (м 3 /час); длина участка Li (м); предельные значения скоростей движения воздуха на участках w i (м/с); а также значения коэффициентов местных сопротивлений Z i .

Расчет поперечных сеченийотдельных участков воздуховодов (fк) при выбранной скорости воздуха и определенном его расходе производится по формуле:

где V - расход воздуха, проходящего через рассматриваемое сечение, м 3 /ч;

ω - скорость воздуха в этом же сечении, м/с.

При расчете нагнетательных воздуховодов скорость воздуха в них принимают в диапазоне от 6 до 12 м/с. Скорость воздуха на выходе из решеток у вагонов с установками охлаждения должна быть не выше 0,25 м/с. При отсутствии охлаждения скорость выхода воздуха из вентиляционной решетки должна быть зимой 0,3-0,6 м/с, летом 1,2-1,5 м/с.

При расчете гидравлических потерь в воздуховодах следует учитывать, что вентилятор в процессе своей работы выполняет две задачи:

Переводит воздух из состояния покоя в состояния движения с некоторой скоростью w;

Преодолевает сопротивление трению, возникающее в воздуховоде при движении воздуха со скоростью w.

Схема приточной вентиляционной установки и эпюры давления в воздуховодах показана на рисунке 24. Для перемещения воздуха по прямолинейному участку нагнетательного воздуховода со скоростью w 2 вентилятор должен обеспечить полное давление (Н п), которое складывается из динамического (скоростного) и статического давления Н ст.

, (2.3)

Динамическое давление обусловлено наличием движущейся массы воздуха со скоростью w 2 и определяется из выражения:

где - плотность воздуха кг/м 3 ;

v - скорость движения воздуха в воздуховоде м/с;

g – ускорение силы тяжести м/с 2 .

Статическое давление необходимо для преодоления сопротивления движению потока воздуха по длине воздуховода (), а также на преодоление местного сопротивления (Z 2).

, (2.5)

где R – потери давления на единицу длины воздуховода;

L – длина воздуховода, м.

Суммарные потери давления Н р во всасывающем и нагнетательном воздуховодах составляют:

, (2.6)

где Rв и Rн - потери на трение на 1-м погонном метре длины всасывающего и нагнетательного воздуховода соответственно, мм. вод. ст.;

l В и l Н - соответственно длина всасывающего и нагнетательного воздуховода, м;

Z в и Z н - потери давления в местных сопротивлениях, соответственно всасывающего и нагнетательного воздуховода, мм. вод. ст.

Потери давления на единицу длины круглого воздуховода определяются по формуле:

, (2.7)

где λ - коэффициент сопротивления трению воздуха о стенки;

d - диаметр воздуховода, м.

Для воздуховодов прямоугольного сечения со сторонами а и b потери давления на единицу длины составят:

, (2.8)

Величина коэффициента сопротивления трению λ зависит от режима движения воздуха, характеризующегося числом Рейнольдса, и от состояния внутренних поверхностей воздуховода. Число Рейнольдса, как известно, определяется из выражения.

Когда известны параметры воздуховодов (их длина, сечение, коэффициент трения воздуха о поверхность), можно рассчитать потери давления в системе при проектируемом расходе воздуха.

Общие потери давления (в кг/кв.м.) рассчитываются по формуле:

P = R*l + z,

где R - потери давления на трение в расчете на 1 погонный метр воздуховода, l - длина воздуховода в метрах, z - потери давления на местные сопротивления (при переменном сечении).

1. Потери на трение:

В круглом воздуховоде потери давления на трение P тр считаются так:

Pтр = (x*l/d) * (v*v*y)/2g,

где x - коэффициент сопротивления трения, l - длина воздуховода в метрах, d - диаметр воздуховода в метрах, v - скорость течения воздуха в м/с, y - плотность воздуха в кг/куб.м., g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

• Замечание: Если воздуховод имеет не круглое, а прямоугольное сечение, в формулу надо подставлять эквивалентный диаметр, который для воздуховода со сторонами А и В равен: dэкв = 2АВ/(А + В)

2. Потери на местные сопротивления:

Потери давления на местные сопротивления считаются по формуле:

z = Q* (v*v*y)/2g,

где Q - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке воздуховода, для которого производят расчет, v - скорость течения воздуха в м/с, y - плотность воздуха в кг/куб.м., g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2). Значения Q содержатся в табличном виде.

Метод допустимых скоростей

При расчете сети воздуховодов по методу допустимых скоростей за исходные данные принимают оптимальную скорость воздуха (см. таблицу). Затем считают нужное сечение воздуховода и потери давления в нем.

Порядок действий при аэродинамическом расчете воздуховодов по методу допустимых скоростей:

• Начертить схему воздухораспределительной системы. Для каждого участка воздуховода указать длину и количество воздуха, проходящего за 1 час.
• Расчет начинаем с самых дальних от вентилятора и самых нагруженных участков.
• Зная оптимальную скорость воздуха для данного помещения и объем воздуха, проходящего через воздуховод за 1 час, определим подходящий диаметр (или сечение) воздуховода.
• Вычисляем потери давления на трение P тр.
• По табличным данным определяем сумму местных сопротивлений Q и рассчитываем потери давления на местные сопротивления z.
• Располагаемое давление для следующих ветвлений воздухораспределительной сети определяется как сумма потерь давления на участках, расположенных до данного ветвления.

В процессе расчета нужно последовательно увязать все ветви сети, приравняв сопротивление каждой ветви к сопротивлению самой нагруженной ветви. Это делают с помощью диафрагм. Их устанавливают на слабо нагруженные участки воздуховодов, повышая сопротивление.

Таблица максимальной скорости воздуха в зависимости от требований к воздуховоду

Назначение	Основное требование
	Бесшумность	Мин. потери напора
	Магистральные каналы	Главные каналы		Ответвления
		Приток	Вытяжка	Приток	Вытяжка
Жилые помещения
Гостиницы
Учреждения
Рестораны
Магазины

Примечание: скорость воздушного потока в таблице дана в метрах в секунду

Метод постоянной потери напора

Данный метод предполагает постоянную потерю напора на 1 погонный метр воздуховода. На основе этого определяются размеры сети воздуховодов. Метод постоянной потери напора достаточно прост и применяется на стадии технико-экономического обоснования систем вентиляции:

• В зависимости от назначения помещения по таблице допустимых скоростей воздуха выбирают скорость на магистральном участке воздуховода.
• По определенной в п.1 скорости и на основании проектного расхода воздуха находят начальную потерю напора (на 1 м длины воздуховода). Для этого служит нижеприведенная диаграмма.
• Определяют самую нагруженную ветвь, и ее длину принимают за эквивалентную длину воздухораспределительной системы. Чаще всего это расстояние до самого дальнего диффузора.
• Умножают эквивалентную длину системы на потерю напора из п.2. К полученному значению прибавляют потерю напора на диффузорах.

Теперь по приведенной ниже диаграмме определяют диаметр начального воздуховода, идущего от вентилятора, а затем диаметры остальных участков сети по соответствующим расходам воздуха. При этом принимают постоянной начальную потерю напора.

Диаграмма определения потерь напора и диаметра воздуховодов

Использование прямоугольных воздуховодов

В диаграмме потерь напора указаны диаметры круглых воздуховодов. Если вместо них используются воздуховоды прямоугольного сечения, то необходимо найти их эквивалентные диаметры с помощью приведенной ниже таблицы.

Примечания:

• Если позволяет пространство, лучше выбирать круглые или квадратные воздуховоды;
• Если места недостаточно (например, при реконструкции), выбирают прямоугольные воздуховоды. Как правило, ширина воздуховода в 2 раза больше высоты).

В таблице по горизонтальной указана высота воздуховода в мм, по вертикальной - его ширина, а в ячейках таблицы содержатся эквивалентные диаметры воздуховодов в мм.

Таблица эквивалентных диаметров воздуховодов

Сопротивление прохождению воздуха в вентиляционной системе, в основном, определяется скоростью движения воздуха в этой системе. С увеличением скорости возрастает и сопротивление. Это явление называется потерей давления. Статическое давление, создаваемое вентилятором, обуславливает движение воздуха в вентиляционной системе, имеющей определенное сопротивление. Чем выше сопротивление такой системы, тем меньше расход воздуха, перемещаемый или . Расчет потерь на трение для воздуха в воздуховодах, а также сопротивление сетевого оборудования (фильтр, шумоглушитель, нагреватель, клапан и др.) может быть произведен с помощью соответствующих таблиц и диаграмм, указанных в каталоге. Общее падение давления можно рассчитать, просуммировав показатели сопротивления всех элементов вентиляционной системы.

Рекомендуемая скорость движения воздуха в воздуховодах:

Определение скорости движения воздуха в воздуховодах:

V= L / 3600*F (м/сек)

где L - расход воздуха, м 3 /ч;
F - площадь сечения канала, м 2 .

Рекомендация 1.
Потеря давления в системе воздуховодов может быть снижена за счет увеличения сечения воздуховодов, обеспечивающих относительно одинаковую скорость воздуха во всей системе. На изображении мы видим, как можно обеспечить относительно одинаковую скорость воздуха в сети воздуховодов при минимальной потере давления.

Рекомендация 2.
В системах с большой протяженностью воздуховодов и большим количеством вентиляционных решеток целесообразно размещать вентилятор в середине вентиляционной системы. Такое решение обладает несколькими преимуществами. С одной стороны, снижаются потери давления, а с другой стороны, можно использовать воздуховоды меньшего сечения.

Пример расчета вентиляционной системы:
Расчет необходимо начать с составления эскиза системы с указанием мест расположения воздуховодов, вентиляционных решеток, вентиляторов, а также длин участков воздуховодов между тройниками, затем определить расход воздуха на каждом участке сети.

Выясним потери давления для участков 1-6, воспользовавшись графиком потери давления в круглых воздуховодах, определим необходимые диаметры воздуховодов и потерю давления в них при условии, что необходимо обеспечить допустимую скорость движения воздуха.

Участок 1: расход воздуха будет составлять 220 м 3 /ч. Принимаем диаметр воздуховода равным 200 мм, скорость - 1,95 м/с, потеря давления составит 0,2 Па/м х 15 м = 3 Па (см. диаграмму определение потерь давления в воздуховодах).

Участок 2: повторим те же расчеты, не забыв, что расход воздуха через этот участок уже будет составлять 220+350=570 м 3 /ч. Принимаем диаметр воздуховода равным 250 мм, скорость - 3,23 м/с. Потеря давления составит 0,9 Па/м х 20 м = 18 Па.

Участок 3: расход воздуха через этот участок будет составлять 1070 м 3 /ч.
Принимаем диаметр воздуховода равным 315 мм, скорость 3,82 м/с. Потеря давления составит 1,1 Па/м х 20= 22 Па.

Участок 4: расход воздуха через этот участок будет составлять 1570 м 3 /ч. Принимаем диаметр воздуховода равным 315 мм, скорость - 5,6 м/с. Потеря давления составит 2,3 Па х 20 = 46 Па.

Участок 5: расход воздуха через этот участок будет составлять 1570 м 3 /ч. Принимаем диаметр воздуховода равным 315 мм, скорость 5,6 м/с. Потеря давления составит 2,3 Па/м х 1= 2,3 Па.

Участок 6: расход воздуха через этот участок будет составлять 1570 м 3 /ч. Принимаем диаметр воздуховода равным 315 мм, скорость 5,6 м/с. Потеря давления составит 2,3 Па х 10 = 23 Па. Суммарная потеря давления в воздуховодах будет составлять 114,3 Па.

Когда расчет последнего участка завершен, необходимо определить потери давления в сетевых элементах: в шумоглушителе СР 315/900 (16 Па) и в обратном клапане КОМ 315 (22 Па). Также определим потерю давления в отводах к решеткам (сопротивление 4-х отводов в сумме будут составлять 8 Па).

Определение потерь давления на изгибах воздуховодов

График позволяет определить потери давления в отводе, исходя из величины угла изгиба, диаметра и расхода воздуха.

Пример. Определим потерю давления для отвода 90° диаметром 250 мм при расходе воздуха 500 м3/ч. Для этого найдем пересечение вертикальной линии, соответствующей нашему расходу воздуха, с наклонной чертой, характеризующей диаметр 250 мм, и на вертикальной черте слева для отвода в 90° находим величину потери давления, которая составляет 2Па.

Принимаем к установке потолочные диффузоры серии ПФ, сопротивление которых, согласно графику, будет составлять 26 Па.

Теперь просуммируем все величины потери давления для прямых участков воздуховодов, сетевых элементов, отводов и решеток. Искомая величина 186,3 Па.

Мы рассчитали систему и определили, что нам нужен вентилятор, удаляющий 1570 м3/ч воздуха при сопротивлении сети 186,3 Па. Учитывая требуемые для работы системы характеристики нас устроит вентилятор требуемые для работы системы характеристики нас устроит вентилятор ВЕНТС ВКМС 315.

Определение потерь давления в воздуховодах.

Определение потерь давления в обратном клапане.

Подбор необходимого вентилятора.

Определение потерь давления в шумоглушителях.

Определение потерь давления на изгибах воздухуводов.

Определение потерь давления в диффузорах.

Такие потери пропорциональны динамическому давлению pд = ρv2/2, где ρ — плотность воздуха, равная примерно 1,2 кг/м3 при температуре около +20 °C, а v — его скорость [м/с], как правило, за сопротивлением. Коэффициенты пропорциональности ζ, называемые коэффициентами местного сопротивления (КМС), для различных элементов систем В и КВ обычно определяются по таблицам, имеющимся, в частности, в и в ряде других источников. Наибольшую сложность при этом чаще всего вызывает поиск КМС для тройников или узлов ответвлений, поскольку в этом случае необходимо принимать во внимание вид тройника (на проход или на ответвление) и режим движения воздуха (нагнетание или всасывание), а также отношение расхода воздуха в ответвлении к расходу в стволе Loʹ = Lo/Lc и площади сечения прохода к площади сечения ствола fnʹ = fn/fc. Для тройников при всасывании нужно учитывать еще и отношение площади сечения ответвления к площади сечения ствола foʹ = fo/fc. В руководстве соответствующие данные приведены в табл. 22.36-22.40.

Однако, при больших относительных расходах в ответвлении КМС меняются весьма резко, поэтому в этой области рассматриваемые таблицы вручную интерполируются с трудом и со значительной погрешностью. Кроме того, в случае использования электронных таблиц MS Excel опять-таки желательно иметь формулы для непосредственного вычисления КМС через отношения расходов и сечений. При этом такие формулы должны быть, с одной стороны, достаточно простыми и удобными для массового проектирования и использования в учебном процессе, но, в то же время, не должны давать погрешность, превышающую обычную точность инженерного расчета. Ранее подобная задача была решена автором применительно к сопротивлениям, встречающимся в водяных системах отопления . Рассмотрим теперь данный вопрос для механических систем В и КВ. Ниже приведены результаты аппроксимации данных для унифицированных тройников (узлов ответвлений) на проход. Общий вид зависимостей выбирался, исходя из физических соображений с учетом удобства пользования полученными выражениями при обеспечении допустимого отклонения от табличных данных:

❏ для приточных тройников, при Loʹ ≤ 0,7 и fnʹ ≥ 0,5:а при Loʹ ≤ 0,4 можно пользоваться упрощенной формулой:

❏ для вытяжных тройников:

Нетрудно заметить, что относительная площадь прохода fnʹ при нагнетании или соответственно ответвления foʹ при всасывании влияет на КМС одинаковым образом, а именно с увеличением fnʹ или foʹ сопротивление будет уменьшаться, причем числовой коэффициент при указанных параметрах во всех приведенных формулах один и тот же, а именно (-0,25). Кроме того, и для приточных, и для вытяжных тройников при изменении расхода воздуха в ответвлении относительный минимум КМС имеет место при одинаковом уровне Loʹ = 0,2. Данные обстоятельства говорят о том, что полученные выражения, несмотря на свою простоту, в достаточной мере отражают общие физические закономерности, лежащие в основе влияния исследуемых параметров на потери давления в тройниках любого типа. В частности, чем больше fnʹ или foʹ, т.е. чем ближе они к единице, тем меньше меняется структура потока при прохождении сопротивления, а значит, и меньше КМС. Для величины Loʹ зависимость является более сложной, но и здесь она будет общей обоих режимов движения воздуха.

Представление о степени соответствия найденных соотношений и исходных значений КМС дает рис. 1, где показаны результаты обработки таблицы 22.37 для КМС унифицированных тройников (узлов ответвлений) на проход круглого и прямоугольного сечения при нагнетании. Примерно такая же картина получается и для аппроксимации табл. 22.38 с помощью формулы (3). Заметим, что, хотя в последнем случае речь идет о круглом сечении, нетрудно убедиться, что выражение (3) достаточно удачно описывает и данные табл. 22.39, относящиеся уже к прямоугольным узлам.

Погрешность формул для КМС в основном составляет 5-10 % (максимально до 15 %). Несколько более высокие отклонения может давать выражение (3) для тройников при всасывании, но и здесь это можно считать удовлетворительным с учетом сложности изменения сопротивления в таких элементах. Во всяком случае, характер зависимости КМС от влияющих на него факторов здесь отражается очень хорошо. При этом полученные соотношения не требуют никаких иных исходных данных, кроме уже имеющихся в таблице аэродинамического расчета. В самом деле, в ней в явном виде должны быть указаны и расходы воздуха, и сечения на текущем и на соседнем участке, входящие в перечисленные формулы. Особенно это упрощает вычисления при использовании электронных таблиц MS Excel.

В то же время формулы, приведенные в настоящей работе, весьма просты, наглядны и легко доступны для инженерных расчетов, особенно в MS Excel, а также в учебном процессе. Их применение позволяет отказаться от интерполяции таблиц при сохранении точности, требуемой для инженерных расчетов, и непосредственно вычислять КМС тройников на проход при самых разнообразных соотношениях сечений и расходов воздуха в стволе и ответвлениях. Этого вполне достаточно для проектирования систем В и КВ в большинстве жилых и общественных зданий.

1. А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. — М.: Стройиздат, 1987.
2. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2 / Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. — М.: Стройиздат, 1992.
3. О.Д. Самарин. О расчете потерь давления в элементах систем водяного отопления // Журнал С.О.К., №2/2007.