Расчет местных сопротивлений в системах вентиляции | C.O.K. archive | 2012
Рис. 1. Зависимость КМС унифицированных приточных тройников от величины
Такие потери пропорциональны динамическому давлению pд = ρv2/2, где ρ — плотность воздуха, равная примерно 1,2 кг/м3 при температуре около +20 °C, а v — его скорость [м/с], как правило, за сопротивлением. Коэффициенты пропорциональности ζ, называемые коэффициентами местного сопротивления (КМС), для различных элементов систем В и КВ обычно определяются по таблицам, имеющимся, в частности, в [2] и в ряде других источников.
Наибольшую сложность при этом чаще всего вызывает поиск КМС для тройников или узлов ответвлений, поскольку в этом случае необходимо принимать во внимание вид тройника (на проход или на ответвление) и режим движения воздуха (нагнетание или всасывание), а также отношение расхода воздуха в ответвлении к расходу в стволе Lo ʹ = Lo/Lc и площади сечения прохода к площади сечения ствола fn ʹ = fn/fc.
Для тройников при всасывании нужно учитывать еще и отношение площади сечения ответвления к площади сечения ствола fo ʹ = fo/fc.
Кроме того, в случае использования электронных таблиц MS Excel опять-таки желательно иметь формулы для непосредственного вычисления КМС через отношения расходов и сечений. При этом такие формулы должны быть, с одной стороны, достаточно простыми и удобными для массового проектирования и использования в учебном процессе, но, в то же время, не должны давать погрешность, превышающую обычную точность инженерного расчета.
Ранее подобная задача была решена автором применительно к сопротивлениям, встречающимся в водяных системах отопления [3]. Рассмотрим теперь данный вопрос для механических систем В и КВ. Ниже приведены результаты аппроксимации данных [2] для унифицированных тройников (узлов ответвлений) на проход. Общий вид зависимостей выбирался, исходя из физических соображений с учетом удобства пользования полученными выражениями при обеспечении допустимого отклонения от табличных данных:
- для приточных тройников, при Lo ʹ ≤ 0,7 и fn ʹ ≥ 0,5:
а при Lo ʹ ≤ 0,4 можно пользоваться упрощенной формулой: - для вытяжных тройников:
Нетрудно заметить, что относительная площадь прохода fn ʹ при нагнетании или соответственно ответвления fo ʹ при всасывании влияет на КМС одинаковым образом, а именно с увеличением fn ʹ или fo ʹ сопротивление будет уменьшаться, причем числовой коэффициент при указанных параметрах во всех приведенных формулах один и тот же, а именно (–0,25). Кроме того, и для приточных, и для вытяжных тройников при изменении расхода воздуха в ответвлении относительный минимум КМС имеет место при одинаковом уровне Lo ʹ = 0,2.
Данные обстоятельства говорят о том, что полученные выражения, несмотря на свою простоту, в достаточной мере отражают общие физические закономерности, лежащие в основе влияния исследуемых параметров на потери давления в тройниках любого типа. В частности, чем больше fn ʹ или fo ʹ, т.е. чем ближе они к единице, тем меньше меняется структура потока при прохождении сопротивления, а значит, и меньше КМС.
Для величины Lo ʹ зависимость является более сложной, но и здесь она будет общей обоих режимов движения воздуха. Представление о степени соответствия найденных соотношений и исходных значений КМС дает рис. 1, где показаны результаты обработки таблицы 22.37 для КМС унифицированных тройников (узлов ответвлений) на проход круглого и прямоугольного сечения при нагнетании. Примерно такая же картина получается и для аппроксимации табл.
22.38 с помощью формулы (3).Заметим, что, хотя в последнем случае речь идет о круглом сечении, нетрудно убедиться, что выражение (3) достаточно удачно описывает и данные табл. 22.39, относящиеся уже к прямоугольным узлам. Погрешность формул для КМС в основном составляет 5–10 % (максимально до 15 %). Несколько более высокие отклонения может давать выражение (3) для тройников при всасывании, но и здесь это можно считать удовлетворительным с учетом сложности изменения сопротивления в таких элементах.
Во всяком случае, характер зависимости КМС от влияющих на него факторов здесь отражается очень хорошо. При этом полученные соотношения не требуют никаких иных исходных данных, кроме уже имеющихся в таблице аэродинамического расчета. В самом деле, в ней в явном виде должны быть указаны и расходы воздуха, и сечения на текущем и на соседнем участке, входящие в перечисленные формулы. Особенно это упрощает вычисления при использовании электронных таблиц MS Excel.
В то же время формулы, приведенные в настоящей работе, весьма просты, наглядны и легко доступны для инженерных расчетов, особенно в MS Excel, а также в учебном процессе. Их применение позволяет отказаться от интерполяции таблиц при сохранении точности, требуемой для инженерных расчетов, и непосредственно вычислять КМС тройников на проход при самых разнообразных соотношениях сечений и расходов воздуха в стволе и ответвлениях.
Этого вполне достаточно для проектирования систем В и КВ в большинстве жилых и общественных зданий.
Новости сетевых электронных изданий открытого доступа
Актуальные проблемы комплексной безопасности в строительстве, тенденции развития в современных условиях : сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции (г. Москва, 30 ноября 2022 г.)
20.02.2023
Аннотация: Актуальные проблемы комплексной безопасности в строительстве, тенденции развития в современных условиях [Электронный ресурс] : сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции (г. Москва, 30 ноября 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, институт гидроэнергетического строительства, кафедра комплексной безопасности в строительстве.
— Электрон. дан. и прогр. (2 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2023. — URL: https://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/. — Загл.с титул. экрана. ISBN 978-5-7264-3206-9 Подробнее →Актуальные проблемы строительной отрасли и образования – 2022 : сборник докладов Третьей Национальной научной конференции (г. Москва, 19 декабря 2022 г.)
08.02.2023
Актуальные проблемы строительной отрасли и образования – 2022 [Электронный ресурс] : сборник докладов Третьей Национальной научной конференции (г. Москва, 19 декабря 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, управление научной политики. — Электрон. дан. и прогр. (58 Мб) — Москва: Издательство МИСИ – МГСУ, 2023. — Режим доступа: https://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/. — Загл. с титул.
ISBN 978-5-7264-3202-1
Подробнее →
Современные проблемы и решения в системах отопления, вентиляции и теплоснабжения : сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 130-летию со дня рождения профессора П.Н. Каменева (г. Москва, 17–18 ноября 2022 г.)
14.12.2022
Современные проблемы и решения в системах отопления, вентиляции и теплоснабжения [Электронный ресурс] : сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 130-летию со дня рождения профессора П.Н. Каменева (г. Москва, 17–18 ноября 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, институт инженерно-экологического строительства и механизации. — Электрон. дан. и прогр. (5,5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. — URL: https://mgsu.
ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/.— Загл. с титул. экрана.ISBN 978-5-7264-3155-0
Подробнее →
Геоэкологические проблемы техногенного этапа истории Земли — 2022 [Электронный ресурс] : сборник материалов Всероссийской (национальной) научно-практической конференции (г. Москва, 14 октября 2022 г.)
14.12.2022
Геоэкологические проблемы техногенного этапа истории Земли — 2022 [Электронный ресурс] : сборник материалов Всероссийской (национальной) научно-практической конференции (г. Москва, 14 октября 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, институт гидротехнического и энергетического строительства, кафедра инженерных изысканий и геоэкологии. — Электрон. дан. и прогр. (6 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. — URL: https://mgsu.
ISBN 978-5-7264-3158-1
Подробнее →
Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства : сборник тезисов докладов V Всероссийского научно-практического семинара (г. Москва, 25 мая 2022 г.)
04.10.2022
Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства [Электронный ресурс] : сборник тезисов докладов V Всероссийского научно-практического семинара (г. Москва, 25 мая 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра гидравлики и гидротехнического строительства. — Электрон. дан. и прогр. (2 Мб). – Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. – Режим доступа: http://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/ — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3111-6
Подробнее →УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ТЕРРИТОРИЙ
22. 09.2022
Устойчивое развитие территорий [Электронный ресурс] : сборник докладов IV Международной научно-практической конференции (г. Москва, 30–31 мая 2022 г.) / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, институт строительства и архитектуры. — Электрон. дан. и прогр.
(26,5 Мб). — Москва: Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. —
URL: http://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/2022/sbornik URT.pdf. —Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3104-8
Подробнее →
Зелёные технологии в жизненном цикле зданий и сооружений [Электронный ресурс] : сборник материалов Всероссийской конференции (г. Москва, 25 мая 2022 г.)
11.07.2022
Зелёные технологии в жизненном цикле зданий и сооружений [Электронный ресурс] : сборник материалов Всероссийской конференции (г.
ISBN 978-5-7264-3069-0
Подробнее →
Тенденции развития физической культуры и спорта в современных условиях [Электронный ресурс] : сборник докладов XV Международной научно-практической конференции (г. Москва, 9–10 июня 2022 г.)
04.07.2022
Тенденции развития физической культуры и спорта в современных условиях [Электронный ресурс] : сборник докладов XV Международной научно-практической конференции (г. Москва, 9–10 июня 2022 г.) / ред. кол.: проф. В.А. Никишкин, канд. биол. наук, доцент Н.Н. Бумарскова, канд. социол. наук, проф. С.И. Крамской ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, институт физической культуры и спорта. — Электрон. дан. и прогр. (5,5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2022. — URL: https://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/ — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3060-7
Подробнее →
Оптимальная форма поперечного сечения газо/воздуховодов
Всемирный инженерно-технический журнал Vol.04 No.03 (2016), ID статьи:72372,6 страниц
10.4236/wjet.2016.43D030
Оптимальная форма поперечного сечения газо/воздуховодов
Yongjian Gu
Департамент морской инженерии США Академия торгового флота США Кингс-Пойнт, Нью-Йорк, США
Поступила в редакцию: 24 сентября 2016 г. ; Принято: 22 октября 2016 г.; Опубликовано: 29 октября 2016 г.
АННОТАЦИЯ
На промышленных предприятиях, кораблях и в зданиях большое количество газо- и воздуховодов применяется для соединения оборудования, ОВКВ, среднего транспорта, выхлопа и т. д. Эти воздуховоды могут быть спроектированы в различной формы поперечного сечения, например, круглой или прямоугольной. Путем геометрического расчета формы поперечного сечения воздуховода и инженерного опыта автор показывает, что круглое поперечное сечение является оптимальной формой в системе воздуховодов. Круглый воздуховод имеет более короткий периметр, чем воздуховоды другой формы поперечного сечения, и более прочную конструкцию в тех же рабочих условиях. Количественно определена экономия материала круглого воздуховода за счет меньшего периметра. В статье показано, что круглый воздуховод экономически привлекателен. Экономический анализ экономии материальных затрат проиллюстрирован примером. Для системы длинных воздуховодов экономия материалов и затрат на них значительна. Предполагается, что круглый воздуховод в системе газо- и воздуховодов должен иметь приоритет, пока позволяют полевые условия. В документе экономия материальных затрат также преобразуется в PW, AW и FW, используемые для экономического анализа LCC.
Ключевые слова:
Оптимальные, Воздуховоды, Форма поперечного сечения, Экономический и стоимостной анализ подключение оборудования и средний транспорт, например, в HVAC и выхлопных системах. Формы поперечного сечения воздуховодов часто проектируются и изготавливаются прямоугольными, квадратными или круглыми. Материал воздуховода чаще всего представляет собой оцинкованный металлический лист. В зависимости от целей применения воздуховода используются изоляционные материалы. С геометрической точки зрения круглый воздуховод имеет наименьший периметр по сравнению с прямоугольным и квадратным воздуховодами с одинаковой площадью проходного сечения. Следовательно, материал круглого воздуховода по сравнению с квадратным или прямоугольным воздуховодом с равной площадью поперечного сечения может быть уменьшен. В то время как при равных периметрах круглый воздуховод имеет наибольшую площадь проходного сечения, что, по-видимому, уменьшит трение потока. Тем не менее, круглый воздуховод должен быть оптимальной конструкцией для воздуховодов. Соотношения периметра и площади поперечного сечения этих воздуховодов показаны в Таблице 1. Если система воздуховодов имеет длину в тысячи футов, экономия материала и экономия затрат на материалы будут значительными, и другие преимущества могут быть получены при использовании круглого воздуховода.
2. Экономия материала и преимущества использования круглого воздуховода
При проектировании системы воздуховодов форма поперечного сечения воздуховода может быть круглой или прямоугольной с одинаковым трением потока, что означает одинаковую площадь поперечного сечения потока. Уравнение, связывающее диаметр D круглого воздуховода и длины сторон прямоугольного воздуховода, будет [1]
(1)
Тогда k, отношение периметра круглого воздуховода к прямоугольному воздуховоду, равно 9. 0006
(3)
Уравнение (3) становится после преобразования
(4)
где R = a/b = длина длинной стороны/длина короткой стороны , Результаты соотношения периметров k варьируются в зависимости от соотношения сторон Rand. Описание приведено в таблице 2.
Можно видеть, что для круглого воздуховода требуется меньший периметр по сравнению с прямоугольным воздуховодом. Чем больше R, тем меньше k, что означает меньше материала для круглого воздуховода, чем для прямоугольного. Из практики промышленности значение R обычно равно 9.0006
Таблица 1. Отношения периметра и площади.
Таблица 2. Отклонение K от R.
около 2. Таким образом, материал воздуховода можно сэкономить на 20%, используя круглый воздуховод. Другими словами, экономия затрат на материал для круглого воздуховода составляет 20% по сравнению с прямоугольным воздуховодом.
1) Экономия затрат на листовой металл
Оцинкованная металлическая сталь является наиболее распространенным материалом, используемым при изготовлении воздуховодов. Стоимость изготовления воздуховодов обычно зависит от общей массы воздуховода и фитингов. Для прямого воздуховода из оцинкованной металлической стали цена за единицу калибров 26, 24, 22, 20 и 18 менее 454 кг (1000 фунтов) составляет около 5,79 долларов США./ кг (2,63 доллара США за фунт) [2]. В Таблице 3 показана экономия затрат на материал на единицу длины воздуховода 813 мм x 406 мм (32″ × 16″) при R = 2. будет происходить всякий раз, когда на поверхности объекта есть прерывность или неоднородность. Периметр прямоугольного воздуховода имеет резкие повороты, а периметр круглого воздуховода продолжается плавно. Таким образом, круглый воздуховод с меньшей концентрацией напряжений будет иметь более длительный срок эксплуатации.
Стабильность конструкции
Также известно, что когда в воздуховоде течет поток сжатого воздуха или газа, воздуховод будет обозначать внутреннюю силу. Круглый воздуховод имеет более высокую устойчивость конструкции, чем прямоугольный воздуховод, согласно анализу внутренних напряжений. Таким образом, в круглом воздуховоде могут не потребоваться прочностные компоненты, используемые в прямоугольном воздуховоде, например стальные элементы со стороны сечения и направления потока. Это уменьшит материал воздуховода и трудозатраты на изготовление. В результате снижается стоимость материалов и изготовления.
3) Прочая экономия
Если требуется изоляция, воздуховоды обычно облицовываются лицевым стекловолоконным покрытием (внутренняя облицовка воздуховода) или обертываются снаружи многослойным стекловолоконным полотном размером 25 мм на 50 мм (1 дюйм на 2 дюйма) (обертка воздуховода). ). Поскольку периметр круглого воздуховода меньше периметра прямоугольного воздуховода, количество изоляционных материалов будет меньше.
Таблица 3. Экономия затрат на материал на единицу длины.
Стоимость доставки зависит от массы материала, которая обычно составляет около 0,33 долл. США/кг (0,15 долл. США/фунт) [2]. Поскольку масса воздуховода снижается из-за уменьшения материала воздуховода, соответственно снижается стоимость доставки.
Пример:
Система воздуховодов длиной 305 м (1000 футов) будет подавать 102 м 3 воздуха в минуту (3600 CFM). При расчете трение на 305 м (100 футов) воздуховода составляет 2 мм (0,08 дюйма водяного столба), а диаметр круглого воздуховода D = 610 мм (24 дюйма) выбран [3]. При равном трении в качестве альтернативы можно использовать прямоугольный воздуховод размером 813 мм × 406 мм (32 дюйма × 16 дюймов). Следовательно,
Периметр круглого воздуховода равен
L = πD = 1,92 м (6,3 фута)
Периметр прямоугольного воздуховода будет равен
L = 813 мм × 406 мм (32″ × 16″) = 2,4 м (8,0 футов)
Для системы воздуховодов 22 калибра длиной 305 м (1000 футов) общая экономия материала воздуховода составит
Экономия материала на единицу квадратной площади = 305 м × (2,4 м − 1,92 м) = 146,4 м = 305 м × 19,42 $/м = 5923 $
В таблице 4 показана экономия затрат на материалы для системы воздуховодов длиной 305 м (1000 футов) с калибром 26, 24, 22, 20 и 18 при одинаковых проектных условиях соответственно. . Можно увидеть, что для длинной системы воздуховодов экономия на материальных затратах значительна!
3. Экономия затрат на материалы в анализе LCC
Экономия затрат на материалы может применяться вместе с другим анализом экономии в стоимости жизненного цикла (LCC), чтобы получить общую экономию затрат на систему воздуховодов в течение заданного времени подъема системы. Другая экономия, например, затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание и ремонт или стоимость MV. Экономия материальных затрат должна быть преобразована в PW, AW и FW в анализе LCC [4]. PW, AW и FW экономии материальных затрат рассчитываются по
(5)
(6)
(7)
В качестве иллюстрации в таблице 5 показаны PW, AW и FW экономии материальных затрат калибра 22 из приведенного выше примера в разделе 2 со следующими назначениями.
Таблица 4. Материал Экономия затрат.
Таблица 5. Экономия при изменении i и n.
Процентная ставка (i) = 6%, 8% и 10% соответственно
Срок службы (n) = 15, 20, 25 и 30 лет соответственно
4. Заключение
Форма поперечного сечения системы газо- и воздуховодов, применяемых для подключения оборудования, ОВиК, среднего транспорта и вытяжки, можно выбрать как круглую, так и прямоугольную. Однако из геометрических расчетов и анализа напряжений следует, что круглый воздуховод имеет меньший периметр и более прочную структуру потока. В результате материал воздуховода может быть сохранен при одинаковом трении потока и других преимуществах, таких как срок службы воздуховода, который может быть получен в тех же рабочих условиях при использовании круглого воздуховода по сравнению с прямоугольным воздуховодом. Расчет из примера показывает, что для большой системы воздуховодов экономия материалов и затрат на материалы значительна.
Сделан вывод, что круглая форма поперечного сечения оптимальна по сравнению с квадратной и прямоугольной формой для газовоздушной системы.
Рекомендуется использовать круглый воздуховод в газо- и воздуховодах, если позволяют полевые условия.
Процитировать эту статью
Gu, YJ (2016) Оптимальная форма поперечного сечения газоходов/воздуховодов. Всемирный журнал инженерии и технологий, 4, 250-255. http://dx.doi.org/10.4236/wjet.2016.43D030
Ссылки
- 1. Линдебург, М. Р. (2006) Справочное руководство по машиностроению, Professional Publications, Inc., 12-е издание, Belmont, Chap. 20, 20-14.
- 2. Томпсон, Дж.А. (2014) Национальный оценщик сантехники и ОВКВ. Книжная компания Craftsman, Нью-Йорк.
- 3. (2015) Бюро испытаний, настройки и балансировки (TABB). www.tabbcertificate.org
- 4. Салливан, В. (2012) Инженерная экономика, Пятнадцатое издание, Prentice Hall. www.pearsonhighered.com
Сокращения
AW: годовая стоимость
CFM: кубический фут в минуту
D: диаметр круглого воздуховода
FW: будущая стоимость
HVAC: отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха по периметру