Удельные потери на трение и скорость: два рычага
Каждый фут прямого воздуховода стоит воздуху немного статического давления: он трётся о стенку. В пересчёте на единицу длины эта цена и есть удельные потери на трение: дюймы водяного столба на 100 футов воздуховода в имперских единицах или паскали на метр в системе СИ. Скорость показывает, как быстро воздух движется через сечение, в футах в минуту или метрах в секунду. Эти величины связаны. Если заданный расход воздуха пропустить через воздуховод меньшего сечения, скорость вырастет, а вместе с ней и удельные потери на трение; если воздуховод увеличить, упадут обе.
Подбор размера воздуховода — это выбор точки на этом компромиссе. Больший воздуховод тише, теряет меньше давления и экономит энергию вентилятора на протяжении всего срока службы здания, но требует больше стали и места над потолком. Меньший воздуховод дешевле и легче прокладывается, но он шумнее и заставляет вентилятор работать тяжелее каждый час. Удельные потери на трение и скорость — два регулятора, которые задают этот баланс.
Номограмма трения и метод равного трения
Классический инструмент — номограмма потерь на трение в воздуховодах. Она связывает четыре величины для круглого воздуховода со стандартным воздухом: расход воздуха в cfm, диаметр воздуховода, скорость и удельные потери на трение. Зная любые две, две другие можно считать прямо с номограммы. Для ощущения порядка цифр: около 6000 cfm в круглом воздуховоде диаметром 28 in. идут со скоростью примерно 1400 fpm и теряют около 0,08 in. w.g. на 100 ft. Номограмма — это графическое решение уравнения трения Дарси—Вейсбаха, поэтому потери на трение так круто растут со скоростью: примерно пропорционально её квадрату.
Чаще всего номограммой на низконапорной коммерческой системе пользуются по методу равного трения. Вы выбираете одни удельные потери на трение и подбираете под них размер каждого участка воздуховода. Поскольку расход воздуха падает по мере разветвления трассы, а удельные потери на трение остаются постоянными, скорость сама снижается к концам системы, что незаметно уменьшает аэродинамический шум у выпусков. Удельные потери около 0,08–0,10 in. w.g. на 100 ft — типичная отправная точка, чаще всего около 0,10 для приточных и 0,08 для вытяжных воздуховодов. Это расчётная рекомендация, а не предел из норм. Разумный диапазон простирается примерно от 0,05 in. w.g. на 100 ft для тихой энергоэффективной системы до около 0,15 для более компактной и дешёвой, а подходящее значение всегда зависит от проекта.
Метод равного трения популярен, потому что он прост и хорошо подходит для систем с постоянным расходом. Его главная слабость в том, что он не выравнивает давление, доступное на каждом ответвлении, если только схема не симметрична, поэтому нужны балансировочные клапаны, чтобы уравновесить короткие участки рядом с вентилятором и длинные участки до дальних помещений.
Рекомендуемые скорости воздуха
Верхний предел скорости задают шум и стоимость, а не физика, поэтому полезные цифры — это рекомендации, а не ограничения. Давно используемые скорости для комфортного кондиционирования воздуха по типам зданий таковы:
| Воздуховод |
Жилые здания |
Школы, офисы, общественные здания |
Промышленные здания |
| Магистраль | 700–900 fpm | 1000–1300 fpm | 1200–1800 fpm |
| Ответвление | 500–700 fpm | 600–900 fpm | 800–1000 fpm |
Это рекомендуемые расчётные значения, а не нормативные. По практическому правилу ответвления рассчитывают примерно на 80 процентов скорости в магистрали, а конечный участок к диффузору примерно на 50 процентов, что делает воздух медленным и тихим там, где он входит в помещение. Приточные диффузоры и вытяжные решётки по той же причине обычно рассчитывают на скорость на лицевой поверхности в несколько сотен fpm.
Скорость, шум и мощность вентилятора
Штрафы за скорость растут неблагоприятно. Потери на трение увеличиваются примерно пропорционально квадрату скорости, а мощность вентилятора, нужная для их преодоления, — кубу, поэтому при удвоении скорости при том же расходе воздуха трение возрастает вчетверо, а мощность вентилятора в восемь раз. Более высокая скорость также напрямую создаёт больше аэродинамического шума, поэтому скорость сдерживают, чтобы уровень шума по NC или RC в помещениях с постоянным пребыванием людей оставался приемлемым. Скорость в прямоугольной магистрали, проходящей через занимаемое помещение, часто держат около 2000 fpm при мягком требовании по шуму и ниже 1000 fpm при строгом; круглый воздуховод выдерживает более высокие скорости, прежде чем становится шумным.
По скорости системы условно делят на низкоскоростные — примерно до 2000 fpm, среднескоростные — от около 2000 до 2500 fpm и высокоскоростные — выше примерно 2500 fpm. Граница не является одним фиксированным числом: в разных источниках её проводят где-то между 1500 и 2500 fpm.
Когда метод равного трения не подходит
Метод равного трения — выбор по умолчанию для низконапорных систем, но в более крупных или более скоростных системах встречаются и два других метода.
- Восстановление статического давления подбирает размеры воздуховода так, чтобы скорость ступенчато снижалась вдоль трассы, а восстановленное скоростное давление компенсировало потери на трение на следующем участке. В результате статическое давление на каждом ответвлении получается примерно одинаковым, что упрощает подбор выпусков и балансировку. Это обычный выбор для крупных, высокоскоростных систем и систем VAV, чаще всего для воздуховода высокого давления между кондиционером и боксами VAV.
- Снижение скорости просто назначает магистрали, ответвлениям и концевым участкам по таблице всё более низкие скорости, а затем размер каждого участка находится как площадь, равная расходу воздуха, делённому на скорость. Метод быстрый, но сильно зависит от суждения проектировщика.
Круглый воздуховод и эквивалентный диаметр
Форма воздуховода меняет трение ещё до применения любого метода. При заданной площади сечения у круглого воздуховода наименьший периметр, а значит, наименьшая площадь стенки, о которую трётся воздух, поэтому у него самые низкие потери на трение среди всех форм. Преимущество растёт, когда прямоугольный воздуховод сплющивается до более вытянутого соотношения сторон. Поэтому круглые и спирально-навивные воздуховоды — эффективный выбор на длинных трассах с большим расходом, где важны трение и энергия вентилятора, и это одна из причин, почему спирально-навивной станок занимает своё место рядом с линией для прямоугольных воздуховодов, а не вместо неё.
Чтобы сравнивать две формы корректно, используют эквивалентный диаметр: диаметр круглого воздуховода, который пропускает тот же расход воздуха при тех же потерях на трение, что и данный прямоугольный. Это правильная основа для считывания размера прямоугольного воздуховода с номограммы для круглых. Полный компромисс см. в нашем сравнении круглых и прямоугольных воздуховодов, а размеры — в таблицах подбора прямоугольных и спирально-навивных воздуховодов.
Спросите Taokron, какая линия подойдёт для вашего набора воздуховодов →
От трения к вентилятору и к цеху
Удельные потери на трение и скорость — это не только расчёт размеров. Они определяют вентилятор. Вентилятор должен создавать статическое давление, достаточное для преодоления всех потерь по критическому пути, то есть по пути наибольшего сопротивления от вентилятора до самого удалённого выпуска, плюс внешнее статическое давление теплообменников, фильтров и концевых устройств. Именно на это суммарное статическое давление подбирают вентилятор, и оно же определяет класс давления воздуховода. Более высокое статическое давление в системе переводит участок рядом с вентилятором в более высокий класс давления, а это задаёт конструкцию по SMACNA, по которой работает цех: более толстый металл, более частое усиление, более прочное соединение и более жёсткий класс герметизации. Если слишком агрессивно уменьшать воздуховод ради экономии стали, можно поднять класс давления и расход энергии вентилятора больше, чем вы сэкономили. Решение о размере и стоимость изготовления — два конца одного и того же расчёта.
Формулировки спецификаций, которые вы встретите
В спецификации по механической части обычно фиксируют метод подбора и предельную скорость или удельные потери на трение, а не каждый размер воздуховода: «Низконапорные приточные воздуховоды следует рассчитывать методом равного трения при удельных потерях на трение не более 0,10 in. w.g. на 100 ft, при скорости в магистрали не более 1300 fpm в помещениях с постоянным пребыванием людей». В спецификации VAV вместо этого написано: «Воздуховоды высокого давления между кондиционером и терминалами VAV следует рассчитывать методом восстановления статического давления». В любом случае спецификация задаёт компромисс между размером воздуховода, шумом и энергией вентилятора, которому затем следует остальная часть проекта.
Вопросы и ответы
Что такое потери на трение в воздуховоде?
Это статическое давление, которое воздух теряет на трение о стенку прямого воздуховода; его выражают через удельные потери на трение в in. w.g. на 100 ft (или Па/м). Номограмма трения связывает расход воздуха, диаметр, скорость и удельные потери на трение, так что любые две величины дают две другие.
Какие удельные потери на трение считаются хорошими при проектировании воздуховодов?
Около 0,08–0,10 in. w.g. на 100 ft — распространённое расчётное значение для метода равного трения, чаще всего 0,10 для притока и 0,08 для вытяжки. Это рекомендация, а не предел из норм; разумный диапазон — примерно от 0,05 для тихих эффективных воздуховодов до около 0,15 для более компактных и дешёвых, а подходящее число зависит от проекта.
Какие скорости воздуха в воздуховодах ОВК рекомендуются?
Рекомендуемые скорости в магистралях составляют около 700–900 fpm в жилых зданиях, 1000–1300 fpm в коммерческих и 1200–1800 fpm в промышленных. В ответвлениях они ниже. По практическому правилу ответвления рассчитывают примерно на 80 процентов, а конечный участок примерно на 50 процентов скорости в магистрали. Это рекомендации, а не нормы.
Почему скорость в воздуховоде важна для шума?
Трение растёт примерно пропорционально квадрату скорости, а мощность вентилятора — кубу, поэтому при удвоении скорости трение возрастает вчетверо, а мощность вентилятора в восемь раз. Более высокая скорость также создаёт больше аэродинамического шума, поэтому скорость ограничивают, чтобы удержать уровень шума по NC или RC в помещениях с постоянным пребыванием людей.
Меньше ли трение в круглом воздуховоде, чем в прямоугольном?
Да. При заданной площади у круглого воздуховода наименьший периметр, поэтому наименьшее трение о стенку и самые низкие потери среди всех форм, а разрыв увеличивается по мере того, как прямоугольный воздуховод становится более вытянутым. Эквивалентный диаметр — это размер круглого воздуховода, который соответствует расходу воздуха и трению прямоугольного.
