Определение естественного давления и расчёт воздуховодов

Для нормальной работы системы естественной вентиляции необходимо, чтобы было сохранено равенство

, (6.2)

где R - удельная потеря давления на трение, Па/м; l - длина воздуховодов (каналов), м; Rl - потеря давления на трение расчётной ветви, Па; Z - потеря давления на местные сопротивления, Па; - располагаемое давление, Па; a - коэффициент запаса, равный 1,1…1,15, b - поправочный коэффициент на шероховатость поверхности.

Расчёту воздуховодов (каналов) должна предшествовать следующая расчётно-графическая работа.

1. Определение воздухообменов для каждого помещения по кратностям (согласно СНиП соответствующего здания).

2. Компоновка систем вентиляции. В одну систему объединяют только одноименные или близкие по назначению помещения. Системы вентиляции квартир, общежитий и гостиниц не совмещают с системами вентиляции детских садов и яслей, торговых и других учреждений, находящихся в том же здании. Санитарные узлы во всех случаях обслуживаются самостоятельными системами и при пяти унитазах и более оборудуются механическими побудителями. В детских садах и яслях рекомендуется устраивать вытяжные системы естественной вентиляции, самостоятельные для каждой группы детей, объединяя помещения с учётом их назначения. В курительных комнатах, как правило, осуществляется механическая вентиляция. Вытяжку из комнат жилого дома сокнами, выходящими на одну сторону, рекомендуется объединять в одну систему.

3. Графическое изображение на планах этажей и чердака элементов системы (каналов и воздуховодов, вытяжных отверстии и жалюзийных решёток, вытяжных шахт). Против вытяжных отверстий помещений указывается количество воздуха, удаляемого по каналу. Транзитные каналы, обслуживающие помещения нижних этажей, рекомендуется обозначать римскими цифрами (I, II, III и т.д.). Все системы вентиляции должны быть пронумерованы.

4. Вычерчивание аксонометрических схем в линиях, или, что лучше, с изображением внешних очертаний всех элементов системы (рис. 6.4). На схемах в кружке у выносной черты проставляется номер участки, над чертой указывается нагрузка участка, м³/ч, а под чертой - длина участка, м. Аэродинамический расчёт воздуховодов (каналов) выполняют по таблице или номограммам, составленным для стальных, воздуховодов круглого сечения при r_в = l,205 кг/м³,
t_в = 20 °С. В них взаимосвязаны величины L, R, v, h_v и d.

Аэродинамический расчёт воздуховодов системы вентиляции сводится:

- к определению размеров воздуховодов, каналов отдельных участков сети, обеспечивающих перемещение требуемого количества воздуха;

- к определению суммарного сопротивления, возникающего при движении воздуха в магистральной сети, для определения в дальнейшем расчётного давления, создаваемого вентилятором;

- к возможной увязке потерь давления на отдельных участках сети воздуховодов.

Наименьшая скорость движения воздуха в системах с механическим побуждением, с учётом акустических требований, принимается на участках перед обслуживаемыми помещениями (3 – 5 м/с), наибольшая – в магистральных воздуховодах перед вентиляционными установками (до 7 – 9 м/с). В системах естественной вентиляции скорость движения воздуха, как правило, не превышает 0,9 –1,1 м/с.

Аэродинамический расчёт ведётся преимущественно по методу удельных потерь. Расчётная потеря давления в наиболее протяженной и нагруженной магистральной сети воздуховодов Δр^рпредставляет сумму потерь давления на каждом расчётном участке магистрали

Δр^р = Σ (Δр_тр + Δр_мс) = Σ [R_тр l β_ш + Σξ (v²ρ/2)],Па (кг/м²)(6.3)

где Δр_три Δр_мспотери давления, Па (кг/м²), на расчётном участке соответственно по длине l, м, и в местных сопротивлениях; R_тр– удельная потеря на трение, Па/м (кг/м²×м), определяемая по таблицам, номограммам [10] или расчётным путём;
β_ш– коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности воздуховода, канала; Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений в долях динамического давления, определяемых экспериментально и принимаемых по таблицам в справочной литературе; v – скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³.

Таблицы и номограммы [10] для определения R_трсоставлены для круглых воздуховодов. Поэтому при применении воздуховодов прямоугольной формы пользуются понятием «эквивалентный диаметр» прямоугольного воздуховода, при котором потери давления на трение R_трв круглом и прямоугольном воздуховодах равны.

Номограмма для расчёта стальных воздуховодов круглого селения системы естественной вентиляции показана на рис. 6.5. Чтобы воспользоваться номограммой для расчёта воздуховода прямоугольного сечения, необходимо предварительно определить соответствующую величину равновеликого (эквивалентного) диаметра, т. е. такого диаметра круглого воздуховода, при котором для той же скорости, движения воздуха, как и в прямоугольном воздуховоде, удельные потери давления на трение были бы равны. Обычно эквивалентный диаметр d_э, м, определяют по формуле, исходя из равенства скоростей в воздуховодах

, (6.4)

где a, b - размеры сторон прямоугольного воздуховода, м.

Эквивалентные по трению диаметры для кирпичных каналов приведены в табл. 6.1.

Рис. 6.4. Схема системы вытяжной вентиляции

Таблица 6.1 – Эквивалентные по трению диаметры для кирпичных каналов [11]

Размер в кирпичах	Площадь, м2	,мм
1/2´1/2	0,02
1/2´1	0,038
1´1	0,073
1´1	0,11
1´2	0,14
2´2	0,28

Примечание. Для каналов квадратного сечения эквивалентный по трению диаметр равен стороне квадратного канала а.

Если воздуховоды имеют шероховатую поверхность, то коэффициент трения для них, а следовательно, и удельная потеря давления на трение будут соответственно больше, чем указано в таблице или номограмме для стальных воздуховодов.

Поправочные коэффициеты на шероховатость поверхности воздуховода приведены в табл. 6.2.

Методика расчёта воздуховодов (каналов) систем естественной вентиляции может быть представлена в следующем виде [11].

1. При заданных объёмах воздуха, подлежащего перемещению по каждому участку каналов, принимают скорость его движения.

2. По объёму воздуха и принятой скорости определяют предварительно площадь сечения каналов. Потери давления на трение и местные сопротивления для таких сечений каналов выявляют по таблицам или номограммам.

Таблица 6.2 – Значение коэффициентов шероховатости b [11]

Скорость движения воздуха, м/с	При материале трубопровода
шлакогипсе	шлакобетоне	кирпиче	штукатурке по сетке
0,4	1,08	1,11	1,25	1,48
0,8	1,13	1,19	1,4	1,69
1,2	1,18	1,25	1,5	1,84
1,6	1,22	1,31	1,58	1,95
	1,25	1,35	1,65	2,04
2,4	1,28	1,38	1,7	2,11
	1,32	1,43	1,77	2,2
	1,37	1,49	1,86	2,32
	1,41	1,54	1,93	2,41
	1,44	1,58	1,98	2,48
	1,47	1,61	2,03	2,54
	1,49	1,64	2,06	2,58

3. Сравнивают полученные суммарные сопротивления с располагае­мым давлением. Если эти величины совпадают, то предварительно полученные площади сечения каналов могут быть приняты как окончательные. Если же потери давления оказались меньше или больше располагаемого давления, то площадь сечения каналов следует увеличить или, наоборот, уменьшить, т.е. поступать так же, как при расчёте трубопровода системы отопления.

При предварительном определении площади сечений каналов систем естественной вентиляции можно задаваться следующими скоростями движения воздуха: в вертикальных каналах верхнего этажа v = 0,5 - 0,6 м/с, из каждого нижерасположенного этажа на 0,1 м/с больше, чем из предыдущего, но не выше 1 м/с; в сборных воздуховодах v ³1 м/с и в вытяжной шахте v = 1 - 1,5 м/с.

Если при расчёте воздуховодов задана площадь сечения каналов и известен часовой расход воздуха, то скорость v, м/с, определяется по формуле

, (6.4)

где f - площадь сечения канала или воздуховода, м²; L - объём вентиляционного воздуха, м³/ч.

Потери давления на местные сопротивления

, (6.5)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений; - динамическое давление, Па.

Динамическое давление определяется по дополнительной шкале номограммы для расчёта воздуховодов (приведена с правой стороны номограммы).

Местные сопротивления в системе вентиляции во многих случаях существенно зависят от соотношений размеров фасонных частей и других вентиляционных элементов, а в тройниках-крестовинах от соотношений соединяемых или делимых потоков.

Пример 6.1. Рассчитать воздуховоды системы естественной вытяжной вентиляции, обслуживающей кабинеты двухэтажного здания поликлиники [11]. Аксонометрическая схема системы вентиляции с указанием объёма воздуха, проходящего по каждому участку, длин и номеров участков показана на рис. 6.3.

Воздух удаляется из верхней зоны помещений на высоте 0,5 м от потолка. Высота этажей, включая толщину перекрытия, 3,3 м. Высота чердака под коньком крыши 3,6 м.

Порядок расчёта. Температура наружного воздуха для расчёта вытяжной системы естественной вентиляции принимается равной + 5 °C (r₅ = 1,27 кг/м³). Внутренняя температура воздуха во врачебных кабинетах, согласно СНиП должна быть 20 °C (r₂₀ = 1,205 кг/м³). При высоте чердака 3,6 м принимаем высоту вытяжной шахты, исчисляя её от оси горизонтальноговоздуховода до устья шахты, 4,6 м.

Располагаемое естественное давление в системе вентиляции для помещений второго этажа согласно формуле (6.1), равно

Па,

а для помещений первого этажа

Па.

Расчёт воздуховодов начинаем с наиболее неблагоприятно расположенного канала, для которого возможная удельная потеря давления имеет наименьшее значение.

Из схемы системы вентиляции видно, что таким будет канал второго этажа правой ветки, обозначенный № 1 (см. рис. 6.3).

Действительно, возможная удельная потеря давления для участков 1, 2, 3, 4, 5 и 6 при общей длине их

м

будет

Па,

а для участков 7, 3, 4, 5 и 6 при общей длине их

м

Па.

Приступаем к расчётам участков 1, 2, 3, 4, 5 и 6, для которых удельное давление получилось меньше.

Рис. 6.5. Номограмма для расчёта круглых стальных воздуховодов [10]

Участок 1. Для определения площади сечения канала участка 1 задаёмся скоростью движения воздуха в нём 0,6 м/с. При этой скорости и количестве удаляемого воздуха по каналу L = 80 м³/ч площадь сечения канала f, м², по формуле должна быть

м².

Принимаем для участка 1 кирпичный канал кирпич. Площадь сечения канала с учётом швов f = 0,038 м². При этой площади сечения факти­чески скорость движения воздуха v, м/с,

м/с.

Так как этот канал прямоугольного сечения, для определения потери давления на трение необходимо установить по табл. 6.1 эквивалентный диаметр. Он будет равен180 мм.

Пользуясь приведённой выше номограммой (см. рис. 6.4), находим, что при скорости движения воздуха 0,58 м/с в воздуховоде диаметром 180 мм потеря давления на трение на 1 м воздуховода равна 0,04 Па, а на всем участке 1 длиной 0,9 м с учётом коэффициента шероховатости (см. табл. 6.2).

Па.

Далее по прил. Ж находим сумму коэффициентов местных сопротивлений участка:

вход в жалюзийную решётку с поворотом потока x = 2;

два прямоугольных колена вверхнейчасти канала

.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений для участка 1

.

Динамическое давление h_v находим по скорости движения воздуха
0,58 м/с на номограмме внизу; оно равно 0,19 Па.

Потерю давления на местные сопротивления Z участка 1 определяем, умножая величину на h_v

Па.

Общая потеря давления на участке 1 составляет

Па.

Участок 2. На участках 1 и 2,количество движущегося воздуха одинаково (80 м³/ч), но площади сечения кирпичного канала и горизонтального гипсошлакового короба разные.

Горизонтальный гипсошлаковый короб принимаем размером 220´220 мм
(f = 0,048 м²). Эквивалентный диаметр d_э = 220 мм. Скорость движения воздуха научастке

м/с,

что при длине участка 0,5 м можно допустить, учитывая, что шлакогипсовые двойные короба не изготовляются размером меньшим, чем 220´220 мм.

При d_э = 220 мм и v = 0,47 м/с потеря давления на трение на этомучастке с учётом коэффициента шероховатости будет

Па.

На участке 2 имеется лишь одно местное сопротивление через тройник. По прил. Ж находим, что сопротивление тройника на проход z = 1,15.

Динамическое давление h_v при v = 0,47 м/с равно 0,13 Па. Потеря давления на местные сопротивления

Па.

Общая потеря давления на участке 2

Па.

Участок 3. Согласно данным, приведённым выше, задаёмся скоростью движения воздуха на участке 3 в 1 м/с. Тогда при количестве удаляемого воздуха L = 154 м³/ч по участку 3 площадь сечении короба должна быть равна

м².

Принимаем короб из гипсошлаковых плит размером 220´220 мм, эквивалентный диаметр d_э = 220 мм; фактическая скорость движения воздуха ввоздуховоде будет v = 0,89 м/с. При этих условиях потеря давления на трение на участке равна

Па.

На участке 3 имеется лишь одно местное сопротивление при проходе через тройник и следующий участок 4.

По прил. Ж интерполяцией находим, что коэффициент местного сопротивления тройника z = 0,65; динамическое давление при v = 0,89 м/с равно 0,49 Па.

Потеря давления на местные сопротивления участка 3

Па.

Общая потеря давления на участке 3 составляет

Па.

Участок 4. На участке 4 размер воздуховода принимаем 300´300 мм. При количестве удаляемого воздуха L = 250 м³/ч и площади сечения воздуховода
f = 0,09 м² скорость равна

м/с.

При d_э = 300 мм и v = 0,77 м/с потери давления на трение на участке 4

Па.

На участке 4 имеется тройник на проходе, и коэффициент местного сопротивления z = 0,4.

Динамическое давление при скорости удаляемого воздуха 0,77 м/с равно 0,37 Па. Потеря давления на местное сопротивление участка 4 (втройнике)

Па.

Общая потеря давления на участке 4

Па.

Участок 5. На участке 5 размеры короба не изменяем, и скорость воздуха на этом участке

м/с.

При v = 0,97 м/с и d_э = 300 мм потеря давления на трение составляет

Па.

На участке 5 имеется тройник на всасывание сz = 0,8. Динамическое давление при скорости движения воздуха 0,97 м/с равно 0,57 Па.

Потеря давления на местное сопротивление на участке 5

Па.

Общая потеря давления на участке 5

Па.

Участок 6. На участке 6 размер короба увеличиваем до 400´400 мм, так как суммарное количество воздуха, удаляемого системой вентиляции, равно
610 м³/ч.

Фактическая скорость движения воздуха в шахте

м/с.

При v = 1,00 м/с и d_э = 400 мм потеря давления на участке составит

Па.

На участке 6 имеется два вида местного сопротивления - утеплённый клапан и деревянная утеплённаяшахта с зонтом. Коэффициент местного сопротивления z утеплённого клапана 0,1, а вытяжной шахты с зонтом - 1,3.

Динамическое давление при скорости движения воздуха 1,06 м/с
h_v = 0,66 Па.

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений

Па.

Общая потеря давления на участке 6

Па.

Суммарная потеря давления в ветке

Па.

При располагаемом давлении в системе для второго этажа Dр₂=3,53 Па.

Дальнейший подбор площади сечений каналов и короба должен быть произведён с увязкой потерь давления. Так, например, для участка 7 канала, обслуживающего кабинет первого этажа, необходимо из общего давления Dр₁=5,59 Па вычесть потерю давления на участках 3, 4, 5, 6,которые мы уже рассчитали.

В результате будем иметь

Па.

Потеря давления на участке 7 составляет 0,67 Па (табл. 7.3), т. е. избыточное давление на этом участке

Па.

Потери давления на участках 8, 9 и 10 должны быть равны располагаемому давлению для каналов второго этажа за вычетом потери давления в вытяжной шахте, которая уже определена (см. участок 6).Потери давления на участках 11 и 12 должны быть равны располагаемому давлению для каналов первого этажа, уменьшенному на суммарную потерю участков 6, 9 и 10. Сечение канала 13 подбирается по располагаемому давлению для первого этажа за вычетом суммарной потери давления на участках 12, 10, 9 и 6. В процессе расчёта воздуховодов системы вентиляции заполняются специальные таблицы (табл. 6.3 и 6.4).

Таблица 6.3 – Результаты расчёта воздуховодов системы естественной вытяжной вентиляции

№ участка	L, м3/ч	l, м	a´b, мм	dэ, м	f, м2	v, м/c	R, Па/м	Rlb, Па	hv, Па	Sz	Z, Па	Rlb+Z, Па
		0,9	140´270		0,038	0,58	0,04	0,047	0,19	4,52	0,86	0,91
		0,5	220´220		0,048	0,47	0,026	0,014	0,13	0,15	0,15	0,16
			220´220		0,048	0,89	0,065	0,22	0,49	0,65	0,32	0,54
		0,5	300´300		0,09	0,77	0,034	0,020	0,37	0,4	0,15	0,17
		1,4	300´300		0,09	0,97	0,52	0,084	0,57	0,8	0,46	0,54
		4,6	400´400		0,16	1,06	0,043	0,023	0,66	1,4
		4,2	140´270		0,038	0,54	0,035	0,15	0,18	2,88	0,52	0,67

Таблица 6.4 – Значение коэффициента местного сопротивления z [11]

№ участка	Местное сопротивление	z	Sz
	Вход в жалюзийную решётку с поворотом потока Колено прямоугольное 2´1,26	2,52	4,52 4,52
	Тройник на проход	1,15	1,15
	То же	0,65	0,65
	Тройник: на проход на всасывание	0,4 0,8	0,4 0,8
	Клапан утеплённый	0,1	1,4
	Шахта с зонтом	1,3	1,4