Аэродинамический расчет систем вентиляции общего назначения

При перемещении воздуха происходит потеря энергии, которая выражается в перепадах давления воздуха на отдельных участках системы и в системе в целом. Аэродинамический расчет выполняется с целью определения размеров поперечного сечения воздуховодов и потери давления в системе.

Потери давления на участке воздуховода ∆p_уч, Па, состоят из потерь на трение и местные сопротивления и определяются по формуле

∆p_уч = R l n + Z, (1)

где R – удельные потери давления на трение, Па/м; l – длина участка, м; n – коэффициент, учитывающий фактическую шероховатость стенок воздуховода, принимается по таблице А.3 приложения А в зависимости от скорости движения воздуха в сечении воздуховода и абсолютной шероховатости стенок воздуховода, которая определяется по таблице А.1 приложения А; Ζ – потери давления в местных сопротивлениях, Па.

Потери давления на трение R, Па, на 1 м круглого воздуховода определяют по формуле

R = (λ/d) (ρv²/2), (2)

где λ – коэффициент сопротивления трения; d – диаметр воздуховода, м; v – скорость воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³; ρv²/2 – динамическое (скоростное) давление, Па.

Коэффициент сопротивления трения рассчитывается по формуле Альтшуля

λ = 0,11 (К_э/d + 68/Re)^0,25, (3)

где К_э – абсолютная шероховатость поверхности воздуховода (для листовой стали равна 0,1 мм); d – диаметр воздуховода, мм; Re – число Рейнольдса.

Значения динамического давления и удельные потери давления на трение, рассчитанные для круглых воздуховодов при транспортировании чистого воздуха с температурой 20°C и ρ= 1,2 кг/м³, приведены в таблице А.4 приложения А.

Для воздуховодов прямоугольного сечения за расчетную величину d принимают эквивалентный диаметр d_эv, при котором потери давления в круглом воздуховоде при той же скорости воздуха равны потерям в прямоугольном воздуховоде (при этом расходы воздуха в прямоугольном воздуховоде и соответствующем ему круглом воздуховоде диаметром d_эv не совпадают).

Значение эквивалентного диаметра определяют по формуле

d_эv = 2 a b / (a + b), мм, (4)

где a, b – размеры сторон прямоугольного воздуховода, мм.

Потери давления на местные сопротивления Z, Па, определяют по формуле

Z= p_д ζ, (5)

где p_д – динамическое давление, Па,

p_д = ρv²/2; (6)

Σζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке воздуховода. Значения коэффициентов местных сопротивлений приведены в таблицах А.5-А.38 приложения А.

При температуре транспортируемого воздуха, не равной 20°C, потери давления, вычисленные по формуле (1), следует принимать с поправочными коэффициентами К₁ и К₂ соответственно на трение и местные сопротивления. Значения коэффициентов приведены в таблице А.2 приложения А.

Аэродинамический расчет состоит из расчета участков основного направления – магистрали и увязки всех остальных участков системы. Расчет выполняется в следующей последовательности.

1. Определяют расход воздуха L, м³/ч, на всех участках системы. Участок характеризуется постоянным расходом воздуха и постоянным сечением воздуховода. Расчетные расходы на участках находят суммированием расходов на отдельных ответвлениях, начиная с наиболее удаленных от вентилятора участков. Значение расхода воздуха и длину каждого участка указывают на аксонометрической схеме.

2. Выбирают основное (магистральное) направление, для чего выявляют наиболее протяженную цепочку последовательно расположенных участков. При равной протяженности магистралей в качестве расчетной выбирают наиболее нагруженную магистраль. Проставляют номера участков на расчетной магистрали, начиная с наиболее удаленного участка. Затем нумеруют участки на ответвлениях. Составляют таблицу аэродинамического расчета (таблица 8). Расход, длину и номера участков заносят в графы 1, 2, 3.

3. Определяют размеры воздуховодов на расчетных участках. Для этого вычисляют ориентировочную площадь поперечного сечения воздуховода F, м², по формуле

F = L / (3600 v_рек), (7)

где v_рек – рекомендуемая скорость движения воздуха, м/с, принимается по таблице 7.

Принимают по таблицам 1-5 ближайший стандартный размер воздуховода. Диаметр круглого воздуховода можно определить по таблице А.4 приложения А по v_рек и L.

4. Вычисляют фактическую скорость движения воздуха с учетом площади сечения принятого стандартного сечения воздуховода:

v_ф = L / (3600 F_ф). (8)

По этой скорости вычисляют динамическое давление p_д или определяют его по таблице А.4 приложения А. Значения v_ф и p_д заносят в графу 12 таблицы 8.

Таблица 7 – Скорости движения воздуха v_рек, допускаемые

в воздуховодах, жалюзийных решетках и клапанах

приточных и вытяжных систем общего назначения

Элемент системы	vрек, м/с
1. Воздуховоды
В производственных зданиях:
магистральные	не более 12
ответвления	не более 6
В общественных и вспомогательных зданиях:
магистральные	не более 8
ответвления	не более 5
2. Жалюзийные клапаны и решетки
В производственных зданиях:
приточные и вытяжные	не более 5
В общественных и вспомогательных зданиях:
приточные и вытяжные	не более 3
3. Вытяжные шахты	3,0-6,0
4. Воздухоприемные жалюзи	2,0-4,0
5. Приточные шахты	2,0-6,0

5. Определяют удельные потери давления на трение R по таблице А.4 приложения А: для круглых воздуховодов – по расходу L и диаметру d; для прямоугольных – по эквивалентному диаметру d_эv (формула (4)) и скорости v_ф.

Значения R заносят в графу 8 таблицы 8.

6. При использовании неметаллических воздуховодов определяют абсолютную шероховатость материала K_э по таблице А.1, затем из таблицы А.3 по K_э и v_ф выписывают значение поправки на шероховатость воздуховода n, которое заносят в графу 9 таблицы 8.

7. Вычисляют потери давления на трение R l n (графа 10 таблицы 8).

8. Коэффициенты местных сопротивлений определяют по таблицам А.5-А.38 и записывают их в отдельную таблицу, пример которой приведен в таблице 10. При выборе коэффициентов местных сопротивлений необходимо обращать внимание на то, к какой скорости относится табличное значение коэффициента. Если окажется, что коэффициент местного сопротивления относится не к скорости на расчетном участке, то необходимо сделать пересчет:

ζ_i = ζ_т (v_т/v_i)², (9)

где ζ_т – табличное значение коэффициента местного сопротивления; v_i – скорость воздуха на расчетном участке, м/с; v_т – скорость воздуха на участке, к которой отнесено значение ζ_т.

Сумму коэффициентов местных сопротивлений Σζ заносят в графу 11 таблицы 8.

Таблица 8 – Аэродинамический расчет воздуховодов общего назначения

№ участка	L, м3/ч	l, м	ab или d, мм	dэv, мм	F, м2	v, м/с	R, Па/м	n	R l n, Па	Σζ	Рд, Па	Z, Па	∆pуч, Па	Σ∆pуч, Па	При­ме­ча­ния
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Примечание. При расчете системы, состоящей только из стальных воздуховодов круглого сечения, графы 5, 9, 16 можно исключить.

9. Вычисляют потери давления на местные сопротивления Z по формуле (5), результат проставляют в графу 13.

10. Определяют потери давления на участке по формуле (1) и записывают в графу 14 таблицы 8.

11. В графе 15 таблицы 8 проставляют сумму потерь давления на последовательно расположенных участках магистрали или ответвлений.

12. В графе 16 указывают материал воздуховода и абсолютную шероховатость K_э.

13. Зная потери давления на всех участках системы, производят увязку потерь давлений, то есть добиваются равенства потерь давления в ответвлениях Σ∆p_отв и параллельных им участках магистрали Σ∆p_{парал. уч}:

Σ∆p_отв = Σ∆p_{парал. уч} (10)

Допускается относительная невязка потерь давления в параллельных участках не более 10%:

100 · (Σ∆p_{парал. уч} – Σ∆p_отв) / Σ∆p_{парал. уч} < 10%. (11)

При невязке более 10% на ответвлении с меньшими потерями давления уменьшают сечение воздуховода, а если изменить сечение нельзя из-за превышения рекомендуемой скорости, то устанавливают диафрагму между фланцами преимущественно на вертикальных участках. Для определения размера диафрагмы вычисляют коэффициент местного сопротивления диафрагмы по формуле

ζ_д = ∆p_изб / p_д , (12)

где p_д – динамическое давление на участке, где устанавливается диафрагма; ∆p_изб – избыточное давление, Па, которое гасится диафрагмой:

∆p_изб = Σ∆p_{парал. уч} – Σ∆p_отв. (13)

По таблицам А.27, А.39, А.40 приложения А по диаметру или сечению воздуховода и значению ζ_д определяют размер диафрагмы.

Полученные значения диаметров или сечений воздуховодов, а также размеры диафрагм проставляются на схеме (см. пример 1).

14. После увязки параллельных участков окончательно выявляют участки, входящие в магистраль, т. е. последовательно расположенные участки, потери давления на которых максимальны. Суммируя потери давления на этих участках, находят потери давления в сети:

∆p_сети = Σ∆p_маг. (14)

Значение ∆p_сети необходимо для подбора вентагрегата.

Примеры аэродинамического расчета приточной и вытяжной систем вентиляции общего назначения приводятся ниже.