اصول طراحی کانال گالوانیزه با استاندارد اسمکنا

5.1 دامنه

هنگامی که کلمه "سیال" در صنعت تهویه مطبوع استفاده می شود، می تواند به وسایل هوا، آب، بخار یا مبرد اشاره کند. در این فصل به خواص سیال هوا پرداخته می‌شود، زیرا این ویژگی‌ها تأثیر مستقیمی بر رفتار هوا در تمام محاسبات جریان و دما خواهند داشت.

5.2 خواص سیالات

دسته های اصلی خواص سیال عبارتند از: حالت، تراکم پذیری، ویسکوزیته، وزن یا چگالی، حجم ویژه، فراریت، فشار بخار، گرمای ویژه و محتوای گرما. این ویژگی‌ها در ارتباط با سیستم‌های تهویه مطبوع مورد بحث قرار خواهند گرفت.

5.2.1 حالت

حالت سیال به مایع یا گاز بودن آن اشاره دارد. مایعات مورد استفاده در سیستم های محیطی آب، سیالات حرارتی مانند اتیلن گلیکول و مبردها در حالت مایع هستند. گازها بخار، مبردهای تبخیر شده و مخلوط بخار آب و هوا هستند که در جو یافت می شوند. برخی از مواد، از جمله معمولا مبردهای استفاده شده ممکن است در هر یک از این سه حالت وجود داشته باشد. یک مثال آب است که ممکن است جامد (یخ)، مایع (آب) یا گاز (بخار یا بخار آب) باشد.

5.2.2 تراکم پذیری

تراکم پذیری سیال، یا سهولت کاهش حجم آن با اعمال فشار، به وضعیت سیال و همچنین نوع سیال بستگی دارد. فشرده سازی مایعات غیرممکن نیست اما در این متن غیرقابل تراکم در نظر گرفته شده است. گازهای همه سیالات و هوای محیط نسبتاً آسان فشرده می شوند و فشرده سازی با معادلات به دما و فشار مربوط می شود.

5.2.3 ویسکوزیته

ویسکوزیته به حالت مایع، سهولت جریان یا دشواری در جریان یافتن آن اشاره دارد. هر چه ویسکوزیته سیال بیشتر باشد، فشار بیشتری برای جریان یافتن آن در لوله کشی لازم است که به انرژی بیشتری نیاز دارد. ویسکوزیته برای فن های تهویه مطبوع مشکلی ایجاد نمی کند، اما مشکلاتی را در امتداد دیواره های کانال در به علت اصطکاک افت ایجاد می کند.

5.2.4 وزن، چگالی و حجم خاص

وزن یک ماده مقدار نیرویی است که تحت کشش میدان گرانشی زمین وارد می کند و این نیرو بر حسب پوند (کیلوگرم) اندازه گیری می شود.

چگالی یک ماده به تعداد ذرات یا مولکول های ماده در یک حجم معین مربوط می شود. مشخص شده است که راه رفتن در هوای ساکن آسان تر از آب ساکن است، بنابراین می توان فرض کرد که چگالی هوا بسیار کمتر از چگالی آب است. چگالی بر حسب واحد وزن در واحد حجم گفته می شود. هنگامی که در سیستم های تهویه مطبوع استفاده می شود،lbs/ft³ (kg/m³) استفاده می شود.

شرایط استاندارد برای هوای مورد اشاره در سیستم تهویه مطبوع عبارتند از: هوای خشک در 70 درجه فارنهایت (21 درجه سانتیگراد) و در فشار اتمسفر 29.92 اینچ جیوه (101.325 کیلو پاسکال). در این شرایط، چگالی هوا 0.075 پوند بر فوت مکعب (1.204 کیلوگرم بر متر مکعب) است.

حجم مخصوص، چگالی متقابل است و در صورت مشخص بودن وزن، برای تعیین حجم استفاده می شود. چگالی و حجم ویژه هر دو تحت تأثیر دما و فشار قرار می گیرند. حجم ویژه هوا در شرایط استاندارد 13.33 ft³/lb (0.83 m³/kg) است.

5.2.5 فرار، عمل مویرگی، چسبندگی و کشش سطحی

فرار، کشش سطحی و عملکرد مویرگی یک سیال در سیستم های محیطی اتفاقی هستند.

فراریت سرعت تبخیر مایعات است. دما و فشار نیز بر نوسانات تأثیر می گذارد، افزایش دما تبخیر را در یک سیستم باز افزایش می دهد.

هنگامی که انتهای باز یک لوله کوچک در هر مایعی غوطه ور می شود، مایع اگر دیواره های لوله را "خیس" کند، از سطح مایع اطراف بالاتر می رود و در غیر این صورت زیر سطح مایع اطراف باقی می ماند. این ویژگی یک سیال عمل مویرگی نامیده می شود.

همانطور که در شکل 5-1 نشان داده شده است، "پیوستگی" جذب مولکول های مایع به یکدیگر است و "چسبندگی" جذب مولکول های مایع به سطح ماده دیگری است که با آن تماس می گیرد. اگر نیروهای چسبنده مایع قوی تر از نیروهای چسبندگی آن باشند، سطح داخلی لوله را خیس می کند و در لوله بالاتر می رود.

کشش سطحی خاصیتی است که باعث می‌شود یک مایع روی برخی از سطوح به صورت «مجوره» شکل بگیرد و به عنوان کار انجام شده برای گسترش سطح مایع در یک واحد سطح تعریف می‌شود. هر سیالی با کشش سطحی بالا، تبخیر مولکول‌های مایع را که دقیقاً در زیر سطح قرار دارند در هوای آفتاب‌گیر دشوارتر می‌کند. با افزایش دمای مایع، یا افزایش سرعت جریان هوا در سطح مایع، می توان سرعت تبخیر را به میزان قابل توجهی افزایش داد.

شکل 5-1: خاصیت مویینگی سیال

توجه: نیروی عمل مویرگی را می توان با گروهی از لوله های کوچک با قطرهای مختلف با یک سر غوطه ور در آب نشان داد. قطر لوله مستقیماً بر ارتفاع بالا آمدن آب در هر لوله تأثیر می گذارد. کشش سطحی (نیروی رو به بالا) آب باعث بالا آمدن آب می شود - هر چه لوله باریکتر باشد، مایع بالاتر می رود زیرا وزن ستون باریک مایع کمتر از ستون ضخیم تر است. فشار منفی در انتهای بالایی لوله - حتی یک فشار بسیار کوچک - باعث افزایش مقدار افزایش می شود. این بخشی از دلیلی است که کنترل اختلاف فشار ساختمان بسیار مهم است.

5.2.6 فشار بخار

فشار بخار نشان‌دهنده کمترین فشار مطلقی است که در آن یک مایع معین در دمای معین، قبل از تبخیر به شکل یا حالت گازی خود، مایع باقی می‌ماند. فشار بخار یک سیال می تواند بالابر مکش یک پمپ هیدرونیک را محدود کند. فشار بخار بر حسب ²lb/in (mm Hg) اندازه گیری می شود.

5.2.7 گرمای ویژه

گرمای ویژه (Cp) مقدار انرژی گرمایی مورد نیاز برای افزایش دمای یک واحد از یک ماده به میزان یک درجه است. مقادیر گرمای ویژه در شرایط استاندارد به شرح زیر است:

5.3 استاتیک سیالات

اصطلاح "ایستا" همانطور که در این متن به کار می رود به معنای "در حالت استراحت" یا "حرکت نکردن" است. اگرچه شرایط "استاتیک" زمانی که یک سیال از طریق یک سیستم پمپ می شود همچنان وجود دارد، اما بحث در مورد این مفهوم آسان تر خواهد بود که گویی فن ها یا پمپ ها کار نمی کنند.

5.3.1 فشار اتمسفر استاندارد

وزن نیروی گرانشی است که یک ماده اعمال می کند که بر حسب پوند (گرم یا کیلوگرم) اندازه گیری می شود. یک فوت مکعب هوا در شرایط استاندارد 0.075 پوند (0.034 کیلوگرم) وزن دارد.

وزن ستون هوای اتمسفر زمین که روی یک اینچ مربع فشار می‌آورد 14.696 پوند (یا 101325 نیوتن در هر متر مربع ( 1 N/m2 = 1 Pa ) است، بنابراین فشار اتمسفر استاندارد برابر با 101.325 کیلو پاسکال است.

توجه: 1 کیلو پاسکال = 1000 پاسکال

5.3.2 فشار مطلق

هوا در شرایط استاندارد (هوای 70 درجه فارنهایت در سطح دریا با فشار هوا 29.92 اینچ جیوه) فشار 14.696 psi را اعمال می کند. این فشار در یک سیستم زمانی است که فشار سنج صفر می شود. بنابراین فشار مطلق یک سیستم، فشار گیج بر حسب پوند بر اینچ مربع است که به فشار اتمسفر 14.696 psi اضافه شده است. نماد "psia" مخفف پوند بر اینچ مربع مطلق است. در سیستم متریک 101.325 کیلو پاسکال به فشار گیج اضافه می شود. اغلب هنگام کار با فشارهای مطلق، یک "g" برای فشار گیج یا (یک مطلق) در پشت عبارات فشار (psig) یا (psia) نوشته می شود. فشارهای مطلق به صورت غیر عادی برای کارهای طراحی سیستم تهویه مطبوع روزمره استفاده نمی شود.

معادله 5-1

5.3.3 هد استاتیک

هد استاتیک فشار ایجاد شده توسط وزن سیال در حالت سکون در یک سیستم است. با شروع فقط فشار اتمسفر بر روی سطح بالای ستون باز از هوا یا مایع، فشار هد استاتیک تا حداکثر در پایین ترین نقطه ستون افزایش می یابد. از آنجایی که آب نسبتاً تراکم ناپذیر است، چگالی با ارتفاع ستون تغییر نمی کند.

با این حال، هوا یک سیال قابل تراکم است. بنابراین چگالی هوا با افزایش ارتفاع، کاهش می یابد. در هر سیستمی که حاوی مایع است، مانند آب، افزایش فشار یا هد استاتیک ناشی از ارتفاع قابل توجه است. این باید در تجهیزات تهویه مطبوع انتخاب شده برای نگهداری آنها و در طراحی سیستم هایی که در آن جریان دارند در نظر گرفته شود.

5.4 دینامیک سیالات

در مکانیک سیالات، اصطلاح دینامیک برای توصیف وضعیت حرکت سیال در یک سیستم استفاده می شود.

با توجه به سیستم های تهویه مطبوع، در مقایسه با وضعیت ایستا زمانی که سیستم خاموش است و سیالات در حالت استراحت هستند، به سیستمی اطلاق می شود که در حال کار با سیالات جاری است.

5.4.1 انرژی بالقوه

انرژی بالقوه توانایی انجام کار است. آب پشت سد توانایی انجام کار را دارد، زیرا اختلاف سرهای ساکن بین بالاترین سطح آب پشت سد و سطح آب زیر پای سد وجود دارد. با این حال، تا زمانی که جریان وجود نداشته باشد، کار وجود ندارد و انرژی ذخیره شده تماماً پتانسیل است.

اگر آب پشت سد از دروازه ای در سد عبور کند، انرژی پتانسیل (در حالت استراحت) به انرژی جنبشی (حرکت) تبدیل می شود و کار انجام می شود (نیروی آب در حال حرکت در ارتفاع).

5.4.2 سرعت

سرعت یک سیال به سطح مقطع کانال (لوله یا کانال) که از طریق آن جریان دارد و حجم جریان در داخل کانال مربوط می شود. همانطور که در نمودار در شکل 5-2 نشان داده شده است، سرعت یک سیال در داخل کانال تغییر می کند. این پدیده که به پروفیل سرعت معروف است در اثر اصطکاک بین دیواره های کانال و سیال ایجاد می شود.

هنگامی که جریان متلاطم است، نرخ اصطکاک افزایش می‌یابد، انتقال حرارت از طریق دیواره‌های مبدل افزایش می‌یابد، و معمولاً نویز سیستم ناشی از نرخ‌های جریان سیال آشفته بالاتر نیز افزایش می‌یابد.

شکل 5-2: نمایش پروفیل سرعت

در سیستم های کانال تهویه مطبوع از معادله زیر برای بدست آوردن میانگین سرعت هوا استفاده می شود:

معادله 5-2:

مطمئن شوید که واحدهای اندازه گیری صحیح در معادله 5-2 استفاده شده است. واحدهای اندازه گیری دیگر را می توان با معادله 5-2 استفاده کرد، اما ممکن است لازم باشد که ثابت ها اعمال شوند. به عنوان مثال، 1m³/s = 1000 L/s سیستم متریک که در آن L/s معمولا استفاده می شود. بنابراین معادله 5-2 تبدیل می شود:

هنگامی که به جریان سیال اشاره می شود، سرعت آن به صورت خطی در حال حرکت در نظر گرفته می شود، اگرچه این جریان خط مستقیم با حرکت در لوله کشی یا اتصالات لوله و چرخش جهت آن تغییر می کند. این سرعت جریان مستقیم بر حسب فوت در دقیقه (fpm) یا متر بر ثانیه (m/s) اندازه گیری می شود. با این حال، سرعت چرخش اجزای سیستم دوار مانند پمپ ها و فن ها بر حسب دور در دقیقه (rpm) اندازه گیری می شود.

با این حال، مایعات چالش سخت تری هستند. ذرات یا مولکول های سیال تا حدودی مستقل هستند و ممکن است با سرعت های متفاوتی نسبت به یکدیگر حرکت کنند. در نتیجه، سرعت‌های اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف در یک مقطع کانال یکسان نیستند، زیرا ممکن است مولکول‌ها روی یکدیگر «لغزند».

اصطکاک باعث سرعت های مختلف یک سیال در سطح مقطع کانال می شود. با این حال، اصطکاک در دیواره متحرک کانال، سرعت سیال در تماس را تا نزدیک به صفر کاهش می دهد. "لایه" بعدی مولکول های سیال توسط اولی، سومین "لایه" توسط لایه دوم کاهش می یابد و به همین ترتیب تا زمانی که بالاترین سرعت توسط گروه واحد مرکزی "لایه ها" به دست آید. بدون اصطکاک، همه ذرات به طور مستقل اما با سرعت یکسان حرکت می کنند.

سرعت محاسبه شده سیال در کانال با استفاده از رابطه 5-2، یک سرعت متوسط است، نه مقداری که نشان دهنده سرعت سیال در هر نقطه از مقطع است.

شکل 5-3: ارتباط بین ضریب اصطکاک و عدد رینولدز

5.4.3 جریان در کانال هوا

شکل پروفیل سرعت در شکل 5-2، پدیده ای به نام جریان آرام را نشان می دهد. خطوط سرعت مستقیماً برای سادگی نشان داده شده اند تا نکته را نشان دهند. این پروفیل سرعت تحت شرایط خاص بسته به ویسکوزیته، اصطکاک، سرعت و عوامل دیگر وجود دارد که در صورت ترکیب، مقداری به نام عدد Reyuolds به دست می‌آید. وقتی عدد Reyuolds کم باشد، جریان آرام رخ می دهد و همه ذرات در یک خط مستقیم جریان می یابند.

وقتی سرعت به مقدار بحرانی عدد رینولدز یا بالاتر از آن افزایش می‌یابد، تقریباً بین 2000 تا 3000، وضعیت پیچیده‌تر می‌شود. مولکول ها به صورت تصادفی یا تصادفی شروع به چرخیدن می کنند، اما دائماً در جهت جریان به جلو حرکت می کنند. به این حالت جریان آشفته می گویند. به نواحی آرام و متلاطم در شکل 5-3 توجه کنید.

جریان آرام تلفات اصطکاک کمتری را ایجاد می کند، اما سرعت های کانال هوا تهویه مطبوع به طور عملی کم است. یک مورد خاص از جریان آرام لایه به لایه نامیده می شود که منجر به تشکیل لایه های حرارتی هوا به دلیل تفاوت در چگالی سیال می شود. این یک مشکل خاص زمانی است که هوای بسیار سرد بیرون سعی می کند با هوای برگشتی در ورودی برخی از واحدهای تهویه مطبوع مخلوط شود. جریان آرام نویز سیستم به میزان قابل توجهی کمتری ایجاد می کند، اما انتقال حرارت ضعیف است.

جریان آشفته، برعکس، تلفات اصطکاک بالاتر، سرعت‌های بالاتر، و کاهش احتمال لایه‌بندی هوای مخلوط، نویز بیشتر و انتقال حرارت عالی ایجاد می‌کند.

به طور کلی، تولید جریان آشفته آسان‌تر است و برای عملکرد سیستم مطلوب‌تر است، اما مانعی برای تکنسین‌هایی است که سعی می‌کنند بالانس کردن سیستم را انجام دهند. برای سادگی، میانگین سرعت به صورت یک فلش منفرد در جهت جریان نشان داده می شود.

5.4.4 از دست دادن اصطکاک کانال

جریان سیال با اصطکاک مقاومت می کند. مقاومت طبیعی ناشی از حرکت یک ماده با سرعتی متفاوت از ماده ای که با آن در تماس است. یک ماده ممکن است ساکن باشد و دیگری متحرک یا هر دو ممکن است با سرعت های متفاوتی حرکت کنند.

در بسیاری از موارد اصطکاک ضروری و مفید است. به عنوان مثال، اگر اصطکاک وجود نداشت، راه رفتن غیرممکن بود. به عبارت ساده تر، بدون اصطکاک، هیچ حرکتی را نمی توان با وسایل متعارف متوقف کرد. در کانال هوا تهویه مطبوع اصطکاک یک نقطه ضعف گران است و با انتخاب مواد کانال با سطوح داخلی صاف، اصطکاک کم حاصله باعث صرفه جویی در انرژی فن می شود.

تلفات اصطکاکی به دلیل سرعت سیال است و در نتیجه تبادل تکانه بین مولکول ها در جریان آرام و بین ذرات در حال حرکت با سرعت های مختلف در جریان آشفته است. تلفات اصطکاکی در تمام طول کانال هوا رخ می دهد.

جدول A-1 نشان می دهد که ورق گالوانیزه معمولی (رده متوسط صاف) دارای ضریب زبری (E) 0.0003 فوت (0.09 میلی متر) است. این مقداری است که ASHRAE در توسعه نمودار تلفات اصطکاک کانال هوا در شکل های A-1 و A-1M استفاده کرده است. این داده ها را می توان از جدول A-1 به دست آورد.

شکل A-1: نمودار ضریب اصطکام کانال

شکل A-M1: نمودار ضریب اصطکام کانال

جدول A-1: جدول ضریب اصطکاک مواد اولیه کانال ها

5.4.5 اعداد رینولدز

عدد ریولدز (R) نسبت نیروی اینرسی به نیروی ویسکوز ناشی از تغییرات سرعت در سیال است. عدد Reyuolds وسیله ای مناسب و غیربعدی برای مقایسه دو جریان ارائه می دهد. نمودار مودی در شکل 5-3 رابطه ضریب اصطکاک (f)، عدد رینولدز (Re) و زبری نسبی (E/D) را نشان می دهد.

در ناحیه جریان آرام (اعداد رینولدز کمتر از 2000)، ضریب اصطکاک تنها تابعی از اعداد رینولدز است. برای جریان آشفته، ضریب اصطکاک به عدد رینولدز، زبری سطح کانال هوا و انسدادهای داخلی مانند اتصالات بستگی دارد. نمودار مودی (شکل 5-3) رفتار کانال گرد را نشان می دهد. برای کانال های هیدرولیکی صاف، ضریب اصطکاک دوباره فقط به عدد رینولدز بستگی دارد، اما وابستگی به طور قابل توجهی با جریان آرام متفاوت است.

به طور کلی، برای سطوح غیر صاف، ضریب اصطکاک به زبری و عدد رینولدز بستگی دارد. با این حال، برای یک سطح زبری ذرات فراتر از یک عدد رینولدز به اندازه کافی بزرگ، ضریب اصطکاک مستقل از عدد رینولدز می شود، یک شرایط جریان به عنوان کاملاً ناهموار در نظر گرفته می شود. بین مرزهای رفتار هیدرولیکی صاف و رفتار کاملاً زبر، یک ناحیه زبری انتقالی است که در آن ضریب اصطکاک به زبری و عدد رینولدز بستگی دارد. این منطقه متلاطم ناهموار، جایی است که بیشترین جریان هوا در سیستم های تهویه مطبوع رخ می دهد.

برای مجاری گرد، عدد رینولدز ممکن است با استفاده از رابطه 5-3 محاسبه شود. برای کانالهای مستطیلی، قطر معادل را می توان با استفاده از رابطه 4-5 برای استفاده در معادله 5-3 برای به دست آوردن عدد رینولدز به دست آورد.

معادله 5-3 (I-P)

معادله 5-3 (SI)

معادله 5-4

5.5 الگوهای جریان سیال

هنگامی که هوا از کانال با قطر ثابت عبور می کند، سرعت متوسط باید موازی با خط مرکزی کانال باشد. سرعت در دیواره کانال صفر است و سرعت متوسط می تواند به دو روش موازی با کانال باقی بماند:

آ. جریان آرام: تمام سرعت ها موازی با دیواره کانال هستند.

ب جریان آشفته: سرعت در نقاط مختلف کانال می تواند دارای اجزای عمود بر دیوار باشد، مشروط بر اینکه میانگین این اجزا صفر باشد.

برای کانال های انتقال هوا و تهویه مطبوع، جریان آرام به طور معمول وجود ندارد و تمام جریان هوا را می توان آشفته در نظر گرفت، به جز سرعت های بسیار کم هوا. مولفه های سرعت عمود بر دیوار تضمین می کنند که سرعت موازی با دیوار در بیشتر کانال تقریباً یکنواخت خواهد بود، با یک تغییر بزرگ در نزدیکی دیوار کانال.

پروفیل های سرعت در یک سیستم کانال برای جریان کاملاً توسعه یافته بسته به آرام یا متلاطم بودن جریان و میزان ناهمواری کانال متفاوت است. پروفیل های سرعت شرایط مختلف جریان در شکل 5-4 نشان داده شده است.

شکل 5-4: پروفیل سرعت جریان در کانال

سرعت مطلق جریان هوا به طور قابل ملاحظه ای در سطح ناحیه کانال متفاوت خواهد بود. با این حال، برای سیستم های کانال تهویه مطبوع، سرعت مورد استفاده برای تعیین فشار سرعت، همیشه سرعت متوسطی است که در رابطه 5-2 ارائه می شود:

پروفیل های سرعت کانال های نشان داده شده در شکل 5-4 در طول کانال های یکنواخت و در اطراف خط مرکزی متقارن هستند. در جاهایی که در کانال اختلالاتی مانند چرخش، انبساط یا انقباض وجود دارد، با جدا شدن جریان هوا، مشخصات سرعت در سراسر کانال می تواند نامتقارن شود. به زانویی بدون شعاع داخلی 90 درجه در شکل 5-6 مراجعه کنید.

اگر طول کانال مستقیم کافی (3 تا 20 برابر قطر) وجود داشته باشد تا بسته به اندازه کانال و سرعت هوا، توزیع سرعت یکنواختی را به دست آورد، پس از یک اختلال، جریان به یک پروفیل سرعت عادی باز خواهد گشت.

5.5.1 اتصالات کانال

مشخصات افت فشار کل اتصالات کانال با آزمایش آزمایشگاهی با طول کافی کانال مستقیم (معمولاً 3 تا 10برابر قطر) قبل و بعد از اتصال تعیین می شود تا اطمینان حاصل شود که یک پروفیل سرعت یکنواخت ایجاد شده است. در جایی که اتصالات به هم نزدیک هستند، تلفات فشار به طور قابل توجهی بیشتر از مجموع تلفات برای اتصالات جداگانه خواهد بود، به دلیل تأثیر توزیع سرعت غیر یکنواخت که وارد اتصالات بعدی می شود و از دست دادن هرگونه بازیابی فشار استاتیک مرتبط با اتصالات قبلی این وضعیت هنگام تلاش برای متعادل کردن سیستم‌های تهویه مطبوع با اتصالات کانالی با فاصله نزدیک، به یک مشکل واقعی تبدیل می‌شود.

علاوه بر جدایی جریان ناشی از تلاطم در پاشنه زانویی در شکل 5-6، جریان هوا حتی می تواند در یک اتصالات انبساط تدریجی همانطور که در شکل 5-5 نشان داده شده است جدا شود. پیش بینی این شرایط هنگام طراحی سیستم کانال بسیار دشوار است.

شکل 5-5: جداسازی جریان در یک دیفیوزر

5.5.2 دستگاه های جریان

رفتار دستگاه های جریان مانند دمپر متعادل کننده پروانه نیز با سایر عناصر یک سیستم تعامل دارد.

شکل 5-7 یک دمپر کنترلی را در یک کانال نشان می دهد که هوا را از یک پلنوم که با فشار ثابت نگه داشته می شود تخلیه می کند. با یک کانال بلندتر، موقعیت دمپر تا زمانی که حدود یک چهارم بسته نشود، بر میزان جریان تأثیر نمی گذارد. زمانی که دمپر بیش از نیمه بسته باشد، طول کانال تأثیر کمی دارد. دمپر دقیقاً کانال را در موقعیت 90 درجه می بندد (بی نهایت =k). مقادیر K برای تنظیمات دمپر در بالای مقیاس افقی نشان داده شده است.

شکل 5-6: تغییر پروفیل سرعت در یک زانویی بدون شعاع گردش

شکل 5-7: تاثیر طول کانال بر عملکرد دمپر

5.6 فشار سیستم کانال های انتقال هوا

5.6.1 روابط فشار

فشار نیروی مورد نیاز برای غلبه بر اصطکاک و تلفات دینامیکی سیستم های تهویه مطبوع است. فشار توسط یک دستگاه پمپاژ تولید می شود که در سیستم های تهویه مطبوع یک پمپ گردشی یا فن است.

تنها هدف این دستگاه تولید فشار، ایجاد فشار کافی برای غلبه بر مقاومت سیستم در برابر جریان سیال است. فشار تولید شده با اختلاف فشار بین ورودی فن و تخلیه فن نشان داده می شود. این اختلاف فشار دقیقا برابر با مقاومت سیستم در برابر جریان است و در مورد آب، اختلاف ارتفاع برای سیال پمپاژ شده است. اندازه گیری اختلاف فشار ورودی و تخلیه یک دستگاه فشار از هر نوع، اندازه گیری مقاومت سیستم در یک نرخ جریان خاص است.

اکنون می توان نیروهای موجود در یک سیستم را که در برابر جریان سیال تولید می کنند و در برابر آن مقاومت می کنند، خلاصه کرد. این نیروها (بر حسب فشارها) را می توان با معادلات مفید مرتبط دانست.

آن ها هستند:

فشار کل (TP) تعیین می کند که چه مقدار انرژی در سیال در هر نقطه از سیستم وجود دارد.

فشار استاتیک (SP) در سیستم در هر نقطه، معیاری از انرژی پتانسیل موجود برای تولید جریان و حفظ آن جریان در برابر مقاومت است. این فشار به طور یکسان در همه جهات اعمال می شود. برای مثال، شبیه فشار داخلی یک بالون است.

فشار سرعت (Vp) در سیستم در هر نقطه معیاری از انرژی جنبشی ناشی از جریان سیال است. فشار سرعت و سرعت با یک معادله مستقیماً مرتبط هستند. این فشار فقط در جهت جریان اعمال می شود.

رابطه بین سه فشار در یک نقطه خاص از یک سیستم را می توان با معادله زیر تعریف کرد:

معادله 5-5

ASHRAE از نمادهای مختلفی برای سه فشار فوق استفاده می کند. با این حال، SMACNA سالهاست که از نمادهای فوق استفاده می کند، بنابراین بهتر است هر دو را بدانید. نمادهای ASHRAE عبارتند از:

5.6.2 تغییرات فشار

فشار در سیستم های هوای تهویه مطبوع ساده تر از فشار در سیستم های هیدرونیک است، زیرا وزن هوا در سیستم ها در بیشتر محاسبات نادیده گرفته می شود. مقاومت در برابر جریان هوا که توسط یک سیستم کانال انتقال هوا اعمال می شود، توسط فن غلبه می کند. انرژی را به شکل فشار کل برای غلبه بر این مقاومت تأمین می کند و جریان هوای ضروری را حفظ می کند. شکل 5-10 نمونه ای از تغییرات فشار معمولی در یک سیستم کانال هوا را نشان می دهد، با خطوط درجه فشار کل و فشار استاتیک با اشاره به خط مبنا فشار اتمسفر.

در کار تهویه مطبوع، اختلاف فشار معمولاً آنقدر کم است که جریان تراکم ناپذیر فرض می شود. روابط هوا در چگالی استاندارد 0.075 پوند بر ft3 (1.204 کیلوگرم بر میلی لیتر) بیان می شود و برای تفاوت های قابل توجه در چگالی به دلیل ارتفاع یا دما، اصلاحات لازم است. فشار استاتیک (Sp) و فشار سرعت (VP) به صورت متقابل قابل تبدیل هستند و می توانند در جهت جریان افزایش یا کاهش پیدا کنند. فشار کل (TP)، با این حال، همیشه در جهت جریان هوا کاهش می یابد.

با اشاره به رابطه 5-5، در هر مقطعی، فشار کل (TP) مجموع فشار استاتیک (SP) و فشار سرعت (Vp) است. برای تمام مقاطع کانال مستقیم یا کانال راسته با مساحت ثابت، تغییر در تلفات فشار استاتیکی معادل تغییر در تلفات فشار کل است، زیرا تغییری در سرعت وجود ندارد. اگر تغییر فشار سرعت برابر با صفر باشد زیرا سرعت ثابت است، ΔTP=ΔSP+0 یا تغییر فشار کل (ΔTP) = تغییر فشار استاتیک (ΔSP).

بنابراین، برای مقاطع کانال مستقیم با جریان و مساحت ثابت، فشار سرعت میانگین ثابت است. تلفات فشار در مقاطع کانال مستقیم فقط تلفات اصطکاکی است. در جایی که مقاطع کانال راسته (مستقیم) دارای سطح مقطع کوچکتری هستند، مانند مقاطع کانال BC و FG در شکل 5-10، خطوط فشار با سرعت بیشتری در کانال های مساحت بزرگتر سقوط می کنند (تلفات فشار تقریباً با مجذور سرعت افزایش می یابد).

5.6.3 بازیابی استاتیک

با مراجعه به نمودار شکل 5-10، افزایش سطح مقطع کانال، مانند برش های واگرا C (تدریجی) و G (تدریج)، باعث کاهش سرعت و فشار سرعت می شود. کاهش مداوم فشار کل و افزایش فشار استاتیکی ناشی از تبدیل فشار سرعت به فشار استاتیکی. این افزایش در فشار استاتیک معمولاً به عنوان بازیابی استاتیکی شناخته می شود و بر حسب ده ها فشار متوسط سرعت جریان هوا در بالادست یا پایین دست بیان می شود.

فشار کل و فشار سرعت را می توان با ابزار دقیق مناسب اندازه گیری کرد.

فشار سرعت را نمی توان مستقیماً اندازه گیری کرد، اما ممکن است با استفاده از معادلات زیر محاسبه شود:

معادله 5-6 (I-P)

معادله 5-6 (SP)

مثال 5-5 (I-P)

فرض کنید در تغییر ناگهانی G در شکل 5-10، تغییر فشار کل سیستم در آن نقطه ناچیز است. سپس با استفاده از فشارهای زیر و سرعت پایین دست جدید، تغییر فشار استاتیکی (بازیافت استاتیکی) و فشار استاتیکی سیستم جدید را محاسبه کنید.

احتیاط - از مثال‌های بالا فقط برای نشان دادن یک فرآیند استفاده شد. بازیابی استاتیک واقعی سیستم در جداول ضریب تلفات برازش گنجانده شده است که در بخش «تلفات دینامیک» توضیح داده خواهد شد.

5.7 تلفات اصطکاک

5.7.1 اطلاعات تلفات

افت فشار در کانال های مستقیم ناشی از اصطکاک سطحی است و با سرعت هوا، اندازه و طول کانال و زبری سطح داخلی متفاوت است. داده‌های تلفات اصطکاک به آسانی از نمودارهای تلفات اصطکاک کانال، شکل‌های 1A- و A-1M بدست می‌آیند. آنها بر اساس هوای استاندارد با چگالی 0.075 پوند بر فوت مکعب (1.204 کیلوگرم بر متر مکعب) هستند که از جریان های متوسط، تمیز،کانال گرد و کانال گالوانیزه با ضریب زبری مطلق 0.0003 فوت (0.09 میلی متر) جریان می یابد. مقادیر به‌دست‌آمده از شکل‌های 1A- و A-1M را می‌توان با فاکتورهای اتصال مورد بحث در پاراگراف بعدی، برای دماهای بین 50 تا 90 درجه فارنهایت (10 و 32 درجه سانتی‌گراد) و برای هر رطوبت نسبی در ارتفاعات تا 2000 فوت (600 متر) استفاده کرد. فراتر از این محدودیت ها، اصلاحاتی باید برای غیر از چگالی هوای استاندارد و هنگام استفاده از مواد کانال دیگر یا کانال های انعطاف پذیر انجام شود.

5.7.2 عوامل تصحیح

کل تلفات اصطکاک یک مقطع از کانال را نیز می توان با استفاده از معادله دارسی ویسباخ (معادلات 5-7 و 5-8) با ضریب اصطکاک به دست آمده از نمودار شکل 5-3 به دست آورد.

معادله 5-7 (I-P)

معادله 5-8 (I-P)

معادله 5-7 (SI)

5.8 تلفات دینامیک

5.8.1 ضرایب تلفات

با رجوع مجدد به نمودار در شکل 5-10، هنگامی که سطح مقطع کانال کاهش می یابد، مانند مقاطع همگرا B (تند) و F (تدریجی)، هم سرعت و هم فشار سرعت در جهت جریان هوا افزایش می یابد، و مقدار مطلق فشار کل و فشار استاتیک کاهش می یابد. تلفات فشار در نقطه B و F تلفات فشار دینامیکی هستند.

افت فشار دینامیکی به دلیل تغییر جهت یا سرعت هوا است و در گذرها، زانوها و انسداد کانال ها مانند دمپرها رخ می دهد. تلفات دینامیکی اتصالات را می توان به صورت ضریب تلفات بیان کرد. این ثابتی است که وقتی در فشار سرعت ضرب می‌شود، بر اساس سرعت متوسط جریان هوا در آن نقطه، یا بر حسب طول معادل کانال مستقیم که مقدار تلفات یکسانی دارد، تلفات فشار دینامیکی را ایجاد می‌کند. طول های معادل دیگر توسط SMACNA و ASHRAE برای طراحی دوئت تهویه مطبوع استفاده نمی شود.

در قسمت خروجی اتصال H، ضریب تلفات اتصال ممکن است بزرگتر از فشار سرعت بالادست، برابر با فشار سرعت، یا کمتر از فشار سرعت باشد. مقدار افت فشار کل، همانطور که در بخش تلفات موضعی مشاهده می شود، به عدد رینولدز دبی و شکل آن بستگی دارد. یک تخلیه کانال ساده با جریان آشفته دارای ضریب افت فشار کل 1.0 است، در حالی که تخلیه مشابه با جریان آرام می تواند ضریب افت فشار کل بیشتر از 1.0 داشته باشد. بنابراین، فشار ساکن در بالادست اتصالات تخلیه را می توان با کم کردن فشار سرعت بالادست از فشار کل بالادست محاسبه کرد.

اتصالات ورودی در بخش A همچنین ممکن است ضرایب افت فشار کل کمتر از 1.0 یا بیشتر از 1.0 داشته باشد. این ضرایب اشاره به فشار سرعت پایین دست هستند. بلافاصله در پایین دست ورودی، فشار کل به سادگی مجموع فشار استاتیک و فشار سرعت است. توجه داشته باشید که در سمت مکش فن، فشار کل و فشار ساکن همیشه نسبت به فشار اتمسفر منفی است. با این حال، فشار سرعت همیشه یک مقدار مثبت است.

5.8.2 استفاده از ضرایب تلفات اتصالات

ضریب تلفات دینامیکی "C" بدون بعد است و نشان دهنده درصد افت هد سرعت در انتقال کانال، انشعاب ها یا خم ها است. افت هد سرعت برابر با فشار سرعت در نقطه است. مقادیر ضریب تلفات دینامیکی برای زانوها و سایر عناصر کانال از آزمایش آزمایشگاهی اتصالات تعیین شده یا محاسبه شده است و می‌توان آن را در ضمیمه یافت.

ضریب افت اتصال (C) 0.75 به این معنی است که اتصالات 75 درصد از هد سرعت (یا فشار سرعت) را در آن نقطه از سیستم کانال از دست می دهد. در آزمایش آزمایشگاهی، اندازه‌ها یا ترکیبی از اندازه‌های اتصالات یا کانال‌ها در محدوده مجموعه‌ای از سرعت‌های متوسط کانال آزمایش شدند.

مجموع تلفات فشار (مرتبط برای تلفات اصطکاک کانال و شرایط هوای استاندارد) نمودار شد و مقادیر متوسط تعیین شد. سپس هر مجموعه از ضرایب از دست دادن برازش با استفاده از معادله 5-9 ایجاد شد. هر بازیابی یا تلفات استاتیکی ناشی از تغییرات سرعت توسط کاهش سرعت در اتصالات بیشتر از افت فشار دینامیکی اتصالات بود.

فشار سرعت به‌دست ‌آمده با استفاده از معادله 5-6 نیز ممکن است از جداول A-4 و A-M4 راحت‌تر انتخاب شوند. این فشار سرعت با ضرایب تلفات برازش در معادله 5-9 برای به دست آوردن فشار کل اتصالات انتخاب شده در شرایط نشان داده شده استفاده می شود. اطمینان حاصل کنید که آیا فشار سرعت (Vp) از سرعت بالادست یا پایین دست است.

معادله 5-9:

فشار سرعت (Vp) مورد استفاده برای اتصالات کانال مستطیلی باید از سرعت متوسط (V) به دست آمده با استفاده از رابطه 5-9 بدست آید:

در جایی که سطح مقطع کانال های مختلف درگیر است، از حروف با یا بدون زیرنویس برای نشان دادن ناحیه ای که سرعت متوسط باید در آن محاسبه شود، استفاده می شود، مانند A برای سطح ورودی، A₁ برای منطقه خروجی، و A₀ برای سطح دهانه.

توجه داشته باشید که هرگونه بازیابی استاتیکی ناشی از تلاطم کانال در ضریب تلفات اتصالات کانال لحاظ می شود. بازیابی استاتیک اضافی را که در برخی از برنامه های طراحی کانال های صنعتی تهویه مطبوع یافت می شود، اضافه نکنید.

5.9 اصول اندازه گذاری سایز کانال

5.9.1 بارها

مقدار جریان هوا در سیستم های کانال هوای تامین تهویه مطبوع بر اساس کل افزایش/کاهش حرارت ساختمان یا فضایی است که قرار است گرم، خنک یا تهویه شود. این متن شامل بارهای گرمایش و سرمایش ساختمان یا فضا نمی‌شود، اما معادله گرمای معقول برای هوا، نمونه‌هایی و مطالعه جریان هوا در کانال‌های تهویه مطبوع و رابطه آن با نیازهای فضا را ممکن می‌سازد.

پس از محاسبه بار برای تمام فضاها، کل بار برای انتخاب تجهیزات تهویه مطبوع استفاده می شود. برای سادگی، یک هوساز فقط گرمایشی ممکن است از کاتالوگ تجهیزات هوا انتخاب شود، اما حجم جریان هوا (cfm یا L/s)، افزایش دما (فارنهایت یا سانتی گراد) و خروجی حرارت (Btuh یا W) بر اساس معادله 5-10:

معادله 50-10 (I-P)

معادله 5-10 (SI)

5.9.2 ارتباط کانال و دستگاه با تهویه مطبوع

انتخاب دستگاه های تهویه مطبوع برای طراحی کانال متصل شده به سیستم مهم است. جریان هوای کمتر باعث افزایش دما می شود. سرعت هوا و طول سیستم کانال نیز بر تلفات دما از طریق دیواره کانال و همچنین کانال مستقیم و تلفات فشار اتصالات تأثیر می گذارد.

پس از انتخاب دستگاه های تهویه مطبوع، بارهای فضایی مجزا با کل جریان هوا متناسب می شود و جریان هوا برای هر بخش در طرح کانال مشخص می شود. محدوده فشار استاتیک خارجی واحد تهویه مطبوع ممکن است سرعت و افت فشار را که ممکن است در بخش مجزای کانال مورد استفاده قرار گیرد محدود کند. برای سیستم‌های فشار پایین‌تر، افت فشار 0.1 in. wg در هر 100 اینچ (0.8 Pa/m) محل خوبی برای شروع است.

طولانی ترین جریان کانال را اندازه گیری کنید (فرض می شود که بیشترین افت فشار را دارد). برای یک تخمین تقریبی، طول کانال را دو یا سه برابر کنید - این تقریباً تلفات ایجاد شده برای اتصالات معمولی در یک کانال را محاسبه می کند و 0.1 in. wg در هر 100 فوت (0.8 Pa/m) ضرب می­شود و با موارد فشار استاتیک دستگاه های تهویه مطبوع موجود مقایسه می شود.

شکل 5-8: نمودار اصطکاک کانال