Расчет вентиляционных коробов. Как рассчитать сечение и диаметр воздуховода

Важность воздухообмена

Некачественная вентиляция приводит к размножению бактерий, вызывающих инфекции дыхательных путей. Продукты питания начинают быстро портиться. Повышенный уровень влажности провоцирует появление грибка и плесени на стенах и предметах мебели.

Свежий воздух может поступать в помещение естественным способом, но добиться соблюдения всех санитарно-гигиенических показателей можно только при работе качественной системы вентиляции. Она должна быть рассчитана для каждого помещения отдельно, учитывая состав и объем воздуха, конструктивные особенности.

Для небольших частных домов и квартир достаточно оборудовать шахты с естественной циркуляцией воздушных потоков. Но для промышленных помещений, больших домов требуется дополнительное оборудование в виде вентиляторов, которые обеспечивают принудительную циркуляцию.

При планировке здания предприятия или общественного учреждения необходимо принимать во внимание следующие факторы:

• качественная вентиляция должна быть в каждом помещении;
• необходимо, чтобы состав воздуха соответствовал всем утвержденным нормам;
• на предприятия требуется установка дополнительного оборудования, которое будет регулировать скорость воздуха в воздуховоде;
• для кухни и спальни необходимо монтировать разные типы вентиляции.

Чтобы система воздухообмена соответствовала всем требованиям, нужно произвести расчет скорости воздуха в воздуховоде. Это поможет правильно подобрать прибор.

Основные формулы аэродинамического расчета

Первым делом необходимо сделать аэродинамический расчет магистрали. Напомним что магистральным воздуховодом считается наиболее длинный и нагруженный участок системы. За результатами этих вычислений и подбирается вентилятор.

Рассчитывая магистральную ветвь желательно, чтобы скорость в воздуховоде увеличивалась по ходу приближения к вентилятору!

Только не забывайте об увязке остальных ветвей системы. Это важно! Если нет возможности произвести увязку на ответвлениях воздуховодов в пределах 10% нужно применять диафрагмы. Коэффициент сопротивления диафрагмы рассчитывается за формулой:

Если неувязка будет больше 10%, когда горизонтальный воздуховод входит в вертикальный кирпичный канал в месте стыковки необходимо разместить прямоугольные диафрагмы.

Основная задача расчета состоит из нахождения потерь давления. Подбирая при этом оптимальный размер воздуховодов и контролирую скорость воздуха. Общие потери давления представляют собой сумму двух компонентов — потерь давления по длине воздуховодов (на трение) и потерь в местных сопротивлениях. Расчитываются они по формулам

Эти формулы правильны для стальных воздуховодов, для всех остальных вводится коэффициент поправки. Он берется из таблицы в зависимости от скорости и шероховатости воздуховодов.

Для прямоугольных воздухопроводов расчетной величиной принимается эквивалентный диаметр.

Рассмотрим последовательность аэродинамического расчета воздуховодов на примере офисов, приведенных в предыдущей статье, по формулам. А затем покажем как он выглядит в программке Excel.

Пример расчета

По расчетам в кабинете воздухообмен составляет 800 м3/час. Задание было запроектировать воздуховоды в кабинетах не больше 200 мм высотой. Размеры помещения даны заказчиком. Воздух подается при температуре 20°С, плотность воздуха 1,2 кг/м3.

Проще будет если результаты заносить в таблицу такого вида

Сначала мы сделаем аэродинамический расчет главной магистрали системы. Теперь все по-порядку:

• Разбиваем магистраль на участки по приточным решеткам. У нас в помещении восемь решеток, на каждую приходится по 100 м3/час. Получилось 11 участков. Вводим расход воздуха на каждом участке в таблицу.

• Записываем длину каждого участка.
• Рекомендуемая максимальная скорость внутри воздуховода для офисных помещений до 5 м/с. Поэтому подбираем такой размер воздуховода, чтобы скорость увеличивалась по мере приближения к вентиляционному оборудованию и не превышала максимальную. Это делается для избежания шума в вентиляции. Возьмем для первого участка берем воздуховод 150х150, а для последнего 800х250.
  V1=L/3600F =100/(3600*0,023)=1,23 м/с.

  V11= 3400/3600*0,2= 4,72 м/с

  Нас результат устраивает. Определяем размеры воздуховодов и скорость по этой формуле на каждом участке и вносим в таблицу.

• Начинаем расчеты потерь давления. Определяем эквивалентный диаметр для каждого участка, например первого dэ=2*150*150/(150+150)=150. Затем заполняем все данные необходимые для расчета из справочной литературы или вычисляем: Re=1,23*0,150/(15,11*10^-6)=12210. λ=0,11(68/12210+0,1/0,15)^0,25=0,0996 Шероховатость разных материалов разная.

• Динамическое давление Pд=1,2*1,23*1,23/2=0,9 Па тоже записывается в столбец.
• Из таблицы 2.22 определяем удельные потери давления или рассчитываем R=Pд*λ/d= 0,9*0,0996/0,15=0,6 Па/м и заносим в столбик. Затем на каждом участке определяем потери давления на трение: ΔРтр=R*l*n=0,6*2*1=1,2 Па.
• Коэффициенты местных сопротивлений берем из справочной литературы. На первом участке у нас решетка и увеличение воздуховода в сумме их КМС составляет 1,5.
• Потери давления в местных сопротивлениях ΔРм=1,5*0,9=1.35 Па
• Находим суму потерь давления на каждом участке = 1.35+1.2=2,6 Па. А в итоге и потери давления во всей магистрали = 185,6 Па. таблица к тому времени будет иметь вид

Далее производится по тому же методу расчет остальных ветвей и их увязка. Но об этом поговорим отдельно.

При увязке ответвлений расхождение в потерях давления должно быть не более 15%, если воздух поступает в одно помещение (цех) и не более 10%, если в разные помещения

После этого аэродинамический расчет можно считать завершенным. Для круглых воздуховодов принцип расчета такой же, только эквивалентный диаметр приравнивается к диаметру воздуховода.

Правила определения скорости воздуха в воздуховоде

Скорость потока воздуха в вентиляции напрямую связана с уровнем вибрации и шума в системе. Эти показатели необходимо учитывать при поведении вычисления. Движение массы воздуха создает шум, интенсивность которого зависит от количества изгибов труб. Большую роль играет и сопротивление: чем оно будет выше, тем ниже будет скорость движения воздушных масс.

Нормы уровня шума

На основании санитарных норм в помещениях устанавливаются максимально возможные показатели звукового давления.

Превышение перечисленных параметров возможно только в исключительных случаях, когда нужно подсоединить к системе дополнительное оборудование.

Уровень вибрации

Во время работы любого вентиляционного устройства производится вибрация. Ее показатели зависят от материала, из которого изготовлен воздуховод.

Максимальная вибрация зависит от нескольких показателей:

• качества прокладок, которые предназначены для снижения уровня вибрации;
• материала изготовления труб;
• размера воздуховода;
• скорости воздушного потока.

Общие показатели не могут быть выше установленных санитарными нормами.

Кратность воздухообмена

Очистка воздушных масс происходит за счет воздухообмена, он разделяется на принудительный и естественный. Во втором случае он достигается при помощи открывания окон, форточек, в первом через установку вентиляторов и кондиционеров.

Для оптимального микроклимата смена воздуха должна происходить не реже раза в час. Количество таких циклов носит название кратность воздухообмена. Ее необходимо определить, чтобы установить скорость движения воздуха в вентиляционном канале.

Расчет кратности производится по формуле N=V/W, где N – кратность в час; V – объем воздуха, который заполняет за час кубический метр помещения; W – объем помещения в кубических метрах.

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.

Алгоритм и формулы вычисления скорости воздуха

Расчет расхода воздуха можно сделать самостоятельно, учитывая условия и технические параметры. Для подсчета нужно знать объем помещения и норму кратности. Например, для комнаты 20 квадратных метров минимальное значение – 6. Использование формулы дает 120 м³. Это объем, который в течение часа должен перемещаться через каналы.

Скорость в воздуховоде рассчитывается и на основе параметров диаметра сечения. Для этого используется формула S=πr²=π/4*D², где

• S – площадь сечения;
• r – радиус;
• π – константа 3,14;
• D – диаметр.

Как только будет известная площадь сечения и расход воздуха, можно вычислить его скорость. Для этого используется формула V=L/3600*S, где:

• V – скорость м/с;
• L – расход м³/ч;
• S – площадь сечения.

От скорости в сечении воздуховода зависят параметры шума и вибрации. Если они превышают допустимые нормативы, нужно снижать скорость, увеличивая сечение. Для этого можно установить трубы из другого материала или сделать изогнутый канал прямым.

Вычисление расхода воздуха

Важно правильно вычислить площадь сечений любых форм, как круглых, так и прямоугольных. Если размер будет неподходящим, обеспечить нужный баланс воздуха будет невозможно. Слишком большой воздухопровод займет много места. Это уменьшит площадь в помещении, доставит дискомфорт жильцам. При неправильном расчете и выборе очень маленького размера канала будут наблюдаться сильные сквозняки. Это происходит из-за сильного увеличения давления воздушного потока.

Расчет по сечению

Чтобы посчитать, с какой скоростью будет проходить воздух по трубе, нужно определить площадь сечения. Для расчета используется следующая формула S=L/3600*V, где:

• S – площадь сечения;
• L – расход воздуха в кубических метрах на час;
• V – скорость в метрах в секунду.

Для круглых воздуховодов необходимо определить диаметр по формуле: D = 1000*√(4*S/π).

Если воздуховод будет прямоугольным, а не круглым, вместо диаметра нужно определить его длину и ширину. При установке такого воздуховода в расчет берут примерное сечение. Оно рассчитывается по формуле: a*b=S, (a – длина, b – ширина).

Существуют утвержденные нормативы, по которым соотношение ширины и длины не должно превышать показатель 1:3. Также рекомендуется использовать в работе таблицы с типовыми размерами, которые предлагают производители воздуховодов.

У круглых воздуховодов есть преимущество. Они характеризуются меньшим уровнем сопротивления, поэтому при работе вентиляционной системы будут максимально снижены уровень шума и вибрации.

Материал и форма сечения воздуховодов

Круглые воздуховоды чаще всего используются на больших предприятиях. Это связано с тем, что для их установки требуется много квадратных метров площади помещения. Для жилых домов больше всего подходят прямоугольные сечения, их используются также в поликлиниках, детских садах.

Чаще всего для изготовления труб используется сталь. Для круглого сечения она должна быть упругая и твердая, для прямоугольных более мягкая. Трубы могут быть из текстильных и полимерных материалов.

Правильный выбор вентиляционных труб

Перед проектированием вентиляционной системы нужно принимать во внимание все показатели скорости, шума и вибрации. Необходимо делать расчеты с учетом площади помещения, чтобы обеспечить качественный воздухообмен. Большую роль в выборе также играет материал изготовления.

Наиболее универсальными считаются воздуховоды их оцинкованной стали. Они могут эксплуатироваться при высоких показателях температуры и давления. Их можно использовать для любых климатических зон.

В промышленности чаще всего используются воздуховоды из черной стали. Они жаро- и огнестойкие, но подвержены сильной коррозии.

Высокой степенью гибкости, прочности и эластичности обладает алюминиевый гофрированный воздуховод. Материал устойчив к высоким температурам. Но у такого воздуховода есть недостаток. Из-за высокого аэродинамического сопротивления возникает сильный шум во время работы.

Высокой прочностью, длительным сроком эксплуатации и легкостью монтажа отличаются пластиковые воздуховоды. Они популярны за счет низкой стоимости и небольшого веса. Минусом является низкая стойкость к высоким температурам.

В жилых домах часто устанавливаются трубы из полиизоцианурата. Они характеризуются высокими свойствами пожаробезопасности, длительным сроком эксплуатации, легкости монтажа.

Вычисления для калорифера

Калорифер представляет собой оборудование, предназначенное для кондиционирования помещения с подогревом воздушных масс. Применяется это устройство для создания более комфортной обстановки в холодное время года. Калориферы используются в системе принудительного кондиционирования. Еще на этапе проектирования важно рассчитать мощность оборудования. Делается это на основании производительности системы, разницы между наружной температурой и температурой воздуха в помещении. Два последних значения определяются согласно СНиПам. При этом надо учесть, что в помещение должен поступать воздух, температура которого не меньше +18 °C.

Разница между наружными и внутренними условиями определяется с учетом климатической зоны. В среднем во время включения калорифер обеспечивает нагрев воздуха до 40 °C, чтобы компенсировать разницу между теплым внутренним и наружным холодным потоком.

Чтобы рассчитать оборудование, требуемое для вентиляции помещения, необходимо использовать такую формулу:

I = P / U, где:

• I – это число для максимально потребляемого оборудованием тока;
• Р – мощность устройства необходимого для помещения;
• U – напряжение для питания калорифера.

Если нагрузка меньше, чем требуется, то надо устройство выбирать не таким мощным. Температуру, на уровень которой калорифер может нагреть воздух, рассчитывают по такой формуле:

ΔT = 2,98 * P / L, где:

• ΔT – число разности температур воздуха, которое наблюдает на входе и на выходе системы кондиционирования;
• Р – мощность устройства;
• L – величина производительности оборудования.

В жилом помещении (для квартир и частных домов) калорифер может иметь мощность 1-5 кВт, а вот для офисных значение берется больше – это 5-50 кВт. В некоторых случаях электрические калориферы не используются, оборудование тут подключается к водяному отоплению, что позволяет экономить электроэнергию.