Основы аэродинамического расчета воздуховодов. Подбор вентиляторов

Этап первый

Сюда входит аэродинамический расчёт механических систем кондиционирования или вентиляции, который включает ряд последовательных операций.Составляется схема в аксонометрии, которая включает вентиляцию: как приточную, так и вытяжную, и подготавливается к расчёту.

Размеры площади сечений воздуховодов определяются в зависимости от их типа: круглого или прямоугольного.

Формирование схемы

Схема составляется в аксонометрии с масштабом 1:100. На ней указываются пункты с расположенными вентиляционными устройствами и потреблением воздуха, проходящего через них.

Выстраивая магистраль, следует обратить внимание на то какая система проектируется: приточная или вытяжная

Приточная

Здесь линия расчёта выстраивается от самого удалённого распределителя воздуха с наибольшим потреблением. Она проходит через такие приточные элементы, как воздуховоды и вентиляционная установка вплоть до места где происходит забор воздуха. Если же система должна обслуживать несколько этажей, то распределитель воздуха располагают на последнем.

Вытяжная

Строится линия от самого удалённого вытяжного устройства, максимально расходующего воздушный поток, через магистраль до установки вытяжки и дальше до шахты, через которую осуществляется выброс воздуха.

Если планируется вентиляция для нескольких уровней и установка вытяжки располагается на кровле или чердаке, то линия расчёта должна начинаться с воздухораспределительного устройства самого нижнего этажа или подвала, который тоже входит в систему. Если установка вытяжки находится в подвальном помещении, то от воздухораспределительного устройства последнего этажа.

Вся линия расчёта разбивается на отрезки, каждый из них представляет собой участок воздуховода со следующими характеристиками:

• воздуховод единого размера сечения;
• из одного материала;
• с постоянным потреблением воздуха.

Следующим шагом является нумерация отрезков. Начинается она с наиболее удалённого вытяжного устройства или распределителя воздуха, каждому присваивается отдельный номер. Основное направление – магистраль выделяется жирной линией.

Далее, на основе аксонометрической схемы для каждого отрезка определяется его протяжённость с учётом масштаба и потребления воздуха. Последний представляет собой сумму всех величин потребляемого воздушного потока, протекающего через ответвления, которые примыкают к магистрали. Значение показателя, который получается в результате последовательного суммирования, должно постепенно возрастать.

Определение размерных величин сечений воздуховодов

Производится исходя из таких показателей, как:

• потребление воздуха на отрезке;
• нормативные рекомендуемые значения скорости движения воздушного потока составляют: на магистралях — 6м/с, на шахтах где происходит забор воздуха – 5м/с.

Рассчитывается предварительное размерная величина воздуховода на отрезке, которая приводится к ближайшему стандартному. Если выбирается прямоугольный воздуховод, то значения подбираются на основе размеров сторон, отношение между которыми составляет не более чем 1 к 3.

Исходные данные для вычислений

Когда известна схема вентиляционной системы, размеры всех воздухопроводов подобраны и определено дополнительное оборудование, схему изображают во фронтальной изометрической проекции, то есть аксонометрии. Если ее выполнить в соответствии с действующими стандартами, то на чертежах (или эскизах) будет видна вся информация, необходимая для расчета.

1. С помощью поэтажных планировок можно определить длины горизонтальных участков воздухопроводов. Если же на аксонометрической схеме проставлены отметки высот, на которых проходят каналы, то протяженность горизонтальных участков тоже станет известна. В противном случае потребуются разрезы здания с проложенными трассами воздухопроводов. И в крайнем случае, когда информации недостаточно, эти длины придется определять с помощью замеров по месту прокладки.
2. На схеме должно быть изображено с помощью условных обозначений все дополнительное оборудование, установленное в каналах. Это могут быть диафрагмы, заслонки с электроприводом, противопожарные клапаны, а также устройства для раздачи или вытяжки воздуха (решетки, панели, зонты, диффузоры). Каждая единица этого оборудования создает сопротивление на пути воздушного потока, которое необходимо учитывать при расчете.
3. В соответствии с нормативами на схеме возле условных изображений воздуховодов должны быть проставлены расходы воздуха и размеры каналов. Это определяющие параметры для вычислений.
4. Все фасонные и разветвляющие элементы тоже должны быть отражены на схеме.

Если такой схемы на бумаге или в электронном виде не существует, то придется ее начертить хотя бы в черновом варианте, при вычислениях без нее не обойтись.

2. Вычисление потерь на трение

Потери
энергии потока вычисляются пропорционально
так называемому
«динамическому» напору, величине
pW2/2,
где р -плотность
воздуха при температуре потока
(определяется по таблице (1)
и (2)), a
W
— скорость в том или ином сечении контура
циркуляции воздуха.

Падение
давления воздуха вследствие действия
трения вычисляют
по формуле Вейсбаха:

=

гдеl
— длина участка контура циркуляции, м,
d_экв-эквивалентный
диаметр поперечного сечения участка,
м,

d_экв=

-коэффициент
сопротивления трения.

Коэффициент
сопротивления
трения определяется режимом течениявоздуха
в рассматриваемом сечении контура
циркуляции, или величиной
критерия Рейнольдса:

Re=d_экв

где
Wid_экв
— скорость и эквивалентный диаметр
канала
и
кинематический коэффициент вязкости
воздуха (определяется по таблицам
/1/ и /2/,
м
/с.

Значение

для значенийReв
интервале 105
-108
(развитое
турбулентное
значение) определяется по формуле
Никурадзе:

=3,2
.
10-3—
0,231 .Re-0,231

Более
подробные сведения по выбору
можно получить из /4/ и /5/ В
/5/
приведена диаграмма для нахождения
значения
,
облегчающая
расчеты.
Вычисленные значения
выражаются в паскалях (Па).

В
таблице 3 сведены значения исходных
данных для каждого канала
скорость,
длина, поперечное сечение,
эквивалентный диаметр,
величина
критерия Рейнольдса, коэффициент
сопротивления,
динамический
напор и величина вычисленных потерь на
трение.

						Таблица 3
№ канала (рис5)	W, м/с	F, м2	dэкв М	l, м	W2/2, Н	Re		, Па
1	15	0.8	0,77	1,0	76,5	3,5 . 105	0,015	1,5
2	25	0,87	0,88	1,75	212,5	6,7 . 105	0,013	5,5
3	21,7	1,0	0,60	3,0	160,1	3,9 . 105	0,014	11,2
4	28,9	0,75	0,60	1,75	283,9	5,3 . 105	0,0135	11,2

Расчеты
сопротивлений трения в каналах печи

5.3.
«Местные» потери
— под этим термином понимают потери
энергии в тех
местах, где поток воздуха внезапно
расширяется или суживается, претерпевает
повороты и т.д.
В
проектируемой печи таких мест достаточно
много — калориферы, повороты
каналов, расширения или сужения каналов
и др.
Эти
потери вычисляются также, как доля
динамического напора p=W2/2,
умножая
его на так называемый «коэффициент
местного сопротивления»
:

Сумма
29.4Па

_местн
=/2

Коэффициент
местного сопротивления определяется
но таблицам /1/ и /5/ в зависимости от типа
местного сопротивления, и габаритных
характеристик. Например, в
данной печи местное сопротивление типа
внезапного сужения имеет место
в канале 1-2 (см. рис.7). Соотношение сечений
(узкого к широкому).По
приложению /1 / находим
=0,25

= 160Па,

Совершенно
аналогично вычисляются другие местные
потери. Необходимо
отметить, что в ряде случаев местные
потери обусловлены
действием сразу двух видов сопротивлений.
Например, имеет
место поворот канала и одновременно
изменение его сечения (сужение
или расширение) следует провести
вычисление потерь для
обоих случаев и результаты сложить.
Результаты вычислений местных потерь
сведены в таблицу 4

№	Тип местного сопротивления	W, м/с		Па	Прим.
	Внезапное сужение	43,4	0,125	160	Нах. по табл
1-1	Поворот на 90°	25	1,5	318	~
2-3	Скругленный поворот	25	О,1	21,3	~
3	Диафрагмы в потоке (калориферы)	35,8	3,6	601	~
3-4	Скругленный поворот	21,7	0,28	44,8	~
4-1	Поворот на 90 с раширением	28,9	0,85	241	~
4-1	Внезапное сужение	28,9	0,09	25,5	~

Сумма

=1411,6 Па

Суммарные
потери:

=30 + 1410 =1440 Па

Вентиляторы
выбираем по характеристикам
центробежных

вентиляторов
, предположительно для типа ВРС № 10
(рабочее

колесо
диаметром 1000
мм).

Для
производительности 21,5
м3/с
и необходимого напора Н>1440

Па..
Получаем: n=550
об/мин;

,5;
N_уст
25
кВт.

Привод
вентилятора от асинхронного двигателя,
мощностью 30
кВт
типа
АО
при 720
об/мин,
через клиноременную передачу.

Этап второй

Здесь рассчитываются аэродинамические показатели сопротивления. После выбора стандартных сечений воздуховодов уточняется величина скорости воздушного потока в системе.

Расчёт потерь давления на трение

Следующим шагом является определение удельных потерь давления на трение исходя из табличных данных или номограмм. В ряде случаев может пригодиться калькулятор для определения показателей на основе формулы, позволяющей произвести расчёт с погрешностью в 0,5 процента. Для вычисления общего значения показателя, характеризующего потери давления на всём участке, нужно его удельный показатель умножить на длину. На этом этапе также следует учитывать поправочный коэффициент на шероховатость. Он зависит от величины абсолютной шероховатости того или иного материала воздуховода, а также скорости.

Вычисление показателя динамического давления на отрезке

Здесь определяют показатель, характеризующий динамическое давление на каждом участке исходя из значений:

• скорости воздушного потока в системе;
• плотности воздушной массы в стандартных условиях, которая составляет 1,2 кг/м3.

Определение значений местных сопротивлений на участках

Их можно рассчитать исходя из коэффициентов местного сопротивления. Полученные значения сводят в табличной форме, в которую включаются данные всех участков, причём не только прямые отрезки, но и по несколько фасонных частей. Название каждого элемента заносится в таблицу, там же указываются соответствующие значения и характеристики, по которым определяется коэффициент местного сопротивления. Эти показатели можно найти в соответствующих справочных материалах по подбору оборудования для вентиляционных установок.

При наличии большого количества элементов в системе или при отсутствии определённых значений коэффициентов используется программа, которая позволяет быстро осуществить громоздкие операции и оптимизировать расчёт в целом. Общая величина сопротивления определяется как сумма коэффициентов всех элементов отрезка.

Вычисление потерь давления на местных сопротивлениях

Рассчитав итоговую суммарную величину показателя, переходят к вычислению потерь давления на анализируемых участках. После расчёта всех отрезков основной линии полученные числа суммируют и определяют общее значение сопротивления вентиляционной системы.

Расчет воздуховодов приточных и вытяжных систем механической и естественной вентиляции

Аэродинамический
расчет воздуховодов обычно сводится
к определению размеров их поперечного
сечения,
а также потерь давления на отдельных
участках
и в системе в целом. Можно определять
расходы
воздуха при заданных размерах воздуховодов
и известном перепаде давления в системе.

При
аэродинамическом расчете воздуховодов
систем вентиляции обычно пренебрегают
сжимаемостью
перемещающегося воздуха и пользуются
значениями избыточных давлений, принимая
за условный
нуль атмосферное давление.

При
движении воздуха по воздуховоду в любом
поперечном
сечении потока различают три вида
давления:
статическое,
динамическое
и полное.

Статическое
давление
определяет потенциальную
энергию 1 м3
воздуха в рассматриваемом сечении (р_ст
равно давлению на стенки воздуховода).

Динамическое
давление
– это кинетическая энергия потока,
отнесенная к 1 м3
воздуха, определяется
по формуле:

(1)

где
– плотность
воздуха, кг/м3;
– скорость
движения воздуха в сечении, м/с.

Полное
давление
равно сумме статического и динамического
давлений.

(2)

Традиционно
при расчете сети воздуховодов применяется
термин “потери
давления”
(“потери
энергии потока”).

Потери
давления (полные) в системе вентиляции
складываются из потерь на трение и
потерь в местных
сопротивлениях (см.: Отопление и
вентиляция, ч. 2.1 “Вентиляция”
под ред. В.Н. Богословского, М., 1976).

Потери
давления на трение определяются по
формуле
Дарси:

(3)

где
– коэффициент
сопротивления трению, который
рассчитывается по универсальной формуле
А.Д. Альтшуля:

(4)

где
– критерий Рейнольдса; К – высота
выступов шероховатости (абсолютная
шероховатость).При
инженерных расчетах потери давления
на трение
,
Па (кг/м2),
в воздуховоде длиной /, м, определяются
по выражению

(5)

где
– потери
давления на 1 мм длины воздуховода,
Па/м [кг/(м2
* м)].

Для
определения Rсоставлены
таблицы и номограммы. Номограммы (рис.
1 и 2) построены для условий: форма сечения
воздуховода круг диаметром,
давление воздуха 98 кПа (1 ат), температура
20°С, шероховатость= 0,1 мм.

Для
расчета воздуховодов и каналов
прямоугольного сечения пользуются
таблицами и номограммами
для круглых воздуховодов, вводя при
этом
эквивалентный диаметр прямоугольного
воздуховода, при котором потери давления
на трение в
круглом
и прямоугольном
~
воздуховодахравны.

В
практике проектирования получили
распространение
три вида эквивалентных диаметров:

■ по скорости

при
равенстве скоростей

■ по
расходу

при
равенстве расходов

■ по
площади поперечного сечения

при равенстве
площадей сечения

При
расчете воздуховодов с шероховатостью
стенок,
отличающейся от предусмотренной в
таблицах или в номограммах (К = ОД мм),
дают поправку к
табличному значению удельных потерь
давления на
трение:

(6)

где
– табличное
значение удельных потерь давления
на трение;
– коэффициент
учета шероховатости стенок (табл. 8.6).

Потери
давления в местных сопротивлениях. В
местах поворота воздуховода, при делении
и слиянии
потоков в тройниках, при изменении
размеров
воздуховода (расширение – в диффузоре,
сужение – в конфузоре), при входе в
воздуховод или в
канал и выходе из него, а также в местах
установки
регулирующих устройств (дросселей,
шиберов, диафрагм) наблюдается падение
давления в потоке
перемещающегося воздуха. В указанных
местах происходит
перестройка полей скоростей воздуха в
воздуховоде и образование вихревых зон
у стенок, что сопровождается
потерей энергии потока. Выравнивание
потока происходит на некотором расстоянии
после прохождения
этих мест. Условно, для удобства проведения
аэродинамического расчета, потери
давления в местных
сопротивлениях считают сосредоточенными.

Потери
давления в местном сопротивлении
определяются
по формуле

(7)

где
–
коэффициент местного сопротивления
(обычно,
в отдельных случаях имеет место
отрицательное значение, при расчетах
следует
учитывать знак).

Коэффициентотносится
к наибольшей скорости
в суженном сечении участка или скорости
в сечении
участка с меньшим расходом (в тройнике).
В таблицах
коэффициентов местных сопротивлений
указано, к какой скорости относится.

Потери
давления в местных сопротивлениях
участка, z,
рассчитываются по формуле

(8)

где

– сумма
коэффициентов местных сопротивлений
на участке.

Общие
потери давления на участке воздуховода
длиной,
м, при наличии местных сопротивлений:

(9)

где
– потери
давления на 1 м длины воздуховода;

– потери
давления в местных сопротивлениях
участка.