CANALE DE AER

CANALE DE AER

1 GENERALITATI

Canalele de aer (tubulatura de ventilare) asigura transportul aerului proaspat sau tratat spre incaperile ventilate, precum si evacuarea in exterior a aerului viciat. Teoretic, canalele de aer pot avea orice fel de sectiune; mai des se folosesc cele cu sectiune dreptunghiulara, patrata sau circulara. Din punct de vedere economic sunt avantajoase sectiunile circulare, deoarece la aceeasi sectiune si viteza (deci acelasi debit de aer transportat) necesita un consum mai mic de material. Din acest motiv in cazul instalatiilor de ventilare industriale, unde se transporta debite mari de aer, se adopta de regula tubulatura circulara. In cazul tubulaturii dreptunghiulare se recomanda sa nu depaseasca raportul laturilor 2:1. O a doua cerinta, la fel de importanta. in alegerea sectiunii, in special pentru canalele de introducere, este de natura functionala si anume: ele trebuie astfel concepute incat sa permita racordarea unui anumit numar de ramificatii sau guri de aer necesare, lucru care este usurat in cazul tubulaturii dreptunghiulare. Pe langa acesta intervin de multe ori si alti factori cum ar fi: posibilitatile constructive de pozare sau sustinere a canalelor, posibilitatile de mascare, modul de tratare estetica a incaperii etc.

2 MATERIALE PENTRU TUBULATURA DE VENTILARE

Canalele de ventilare se confectioneaza din anumite materiale care trebuie sa indeplineasca unele cerinte cum ar fi: durabilitate, rezistenta mecanica, sa fie incombustibile, nehigroscopice, netede, sa nu fie atacate de microorganisme etc. Acestor cerinte li se adauga restrictii cu rol hotarator in cazul cand aerul transportat contine vapori cu actiune chimica sau cand tubulatura este pozata in medii agresive.

Canalele de ventilare din tabla de otel (neagra sau zincata) sunt cel mai des intrebuintate necesitand tehnologie de executie relativ simpla, montaj usor, indeplinind multe din conditiile cerute. In medii umede sau cand aerul transportat are un continut mare de vapori de apa se recomanda folosirea tablei zincate. Pentru canalele care transporta aer cu un continut mic de vapori de apa (si deci nu exista pericol de condensare) se poate folosi tabla neagra, grunduita cu minium de plumb la interior si exterior. In cazul cand aerul transportat este agresiv, sau canalele sunt pozate in medii agresive, pot fi folosite si canale din tabla neagra (tratate prin vopsire antichimica sau bachelitizate) sau tabla plumbuita.

Canalele de zidarie (rostuita sau tencuita) se folosesc de obicei local pentru tronsoanele scurte ale instalatiilor de ventilare (priza, evacuari etc).

Canalele din placi de beton cu zgura sau ipsos cu zgura sunt folosite de asemenea pentru scopuri secundare.

Canalele de rabit necesita multa atentie la executie atat in privinta micsorarii rugozitatii, cat si pentru asigurarea etanseitatii fata de alte spatii ventilate sau neventilate.

Canalele de lemn pot fi din lemn masiv, aglomerat sau placaj; aerul transportat trebuie sa fie uscat, iar canalele ignifugate. Au dezavantajul ca se deformeaza si sunt perisabile fiind atacate de microorganisme.

Canalele din materiale ceramice sunt folosite in cazul laboratoarelor cu noxe de agresivitate deosebita. Conduc la solutii greoaie si scumpe. Pun unele probleme in privinta pieselor speciale si a asigurarii etanseitatii la imbinari.

Canalele din materiale plastice se confectioneaza din policlorura de vinil, polipropilena si polietilena. Prin incalzire sunt aduse in stare plastica si li se da forma dorita circulara sau dreptunghiulara. Imbinarea se face usor prin sudura, rezultand canale foarte etanse. Imbinarea se poate face si prin flanse sau mufe.

Materialele plastice au o mare rezistenta la actiunea chimica a multor gaze, vapori si fluide. De aceea se recomanda folosirea tubulaturii din mase plastice in industria chimica, farmaceutica, la instalatiile piscinelor si incaperilor de tratament medical. Folosirea maselor plastice la temperaturi mai mari trebuie facuta cu grija deoarece proprietatile mecanice scad rapid cu cresterea temperaturii.

3 IMBINAREA, RIGIDIZAREA SI SUSTINEREA CANALELOR DE AER

Grosimea tablei (intre 0,5 si 1,25 mm) se alege in functie de diametrul, latura mare a sectiunii sau perimetrul canalului.

Imbinarea tablei pentru formarea unui tronson de canal se face prin faltuire. Falturile pot fi de colt sau de camp. Functie de dimensiuni, un canal poate avea 1,2 sau 4 falturi. Deoarece costul unui falt este relativ ridicat, se recomanda sa se confectioneze canale cu 1 falt.

Canalele de aer se confectioneaza (in ateliere de prefabricate) sub forma de tronsoane drepte si piese speciale (curbe, reductii, ramificatii etc.). Tronsoanele drepte au de regula lungimi maxime de 2,0 m, imbinarea se face prin flanse de otel cornier sau alte profile.

In cazul cand canalele sunt montate suspendat, se recomanda ca prinderea sa se faca in dreptul flanselor, in caz contrar suruburile flanselor sunt supuse la incovoiere, ceea ce poate afecta etanseitatea tubulaturii (tab. 1). Sustinerea canalelor de aer se poate face in diferite moduri (fig. 1).

Distanta l dintre doua puncte de sustinere Tabelul 1

Fig. 1. Modalitati de sustinere a canalelor de aer:

Surub fixat prin impuscare; 2- cornier; 3- surub cu piulita de strangere;

4- platbanda perforata; 5- tirant filetat; 6- peretele canalului; 7- canal de aer.

4. ELEMENTELE COMPONENTE SI MODUL DE

ALCATUIRE AL CANALELOR DE AER

In figura 2 se exemplifica o retea de canale pentru introducere, reprezentata prin axele canalelor, avand deci precizate (dupa planuri) traseele si lungimile tronsoanelor.

Reteaua de canale de aer trebuie astfel conceputa incat sa-si poata indeplini rolurile functionale, si anume:

micsorarea vitezelor de la centrala de ventilare catre gurile de introducere (in cazul obisnuit al solutiei cu viteze descrescatoare);

asigurarea debitelor de aer necesare la fiecare ramificatie;

asigurarea posibilitatilor de reglare a instalatiei;

realizarea unei instalatii economice, silentioase

Fig. 2. Schema izometrica a unei retele de canale de aer:

P- priza de aer proaspat; CTA- agregat de ventilare; VE- ventilator de evacuare; GE- gura de evacuare a aerului in exterior; Cp- canal de aer principal; Cs- canal secundar; R- ramificatie; GR- gura de refulare; CR- clapeta de reglaj; Pm- punct de masurare; CV- capac de vizitare.

4.1. Retele de canale dreptunghiulare

Principalele elemente componente ale retelei de canale cu sectiune dreptunghiulara sunt urmatoarele: tronsoane drepte avand sectiune constanta (a b); difuzoare si confuzoare care realizeaza treceri de la o sectiune (a b) la alta sectiune (a₁ b₁), marirea ( la difuzoare) sau micsorarea (la confuzoare) sectiunii putandu-se face simetric sau asimetric, intr-unul sau doua planuri, in functie de posibilitatile locale de incadrare a canalelor in cladire; curbe (coturi) cu pastrarea constanta a sectiunii, avand raza de curbura mare (normala) sau mica; curbe (coturi) cu marirea sau micsorarea sectiunii; ramificatii normale (prin divizarea sectiunii totale a canalului principal in sectiuni proportionale cu debitele vehiculate) sau in T. In figura 3, a se da un exemplu de retea pentru introducere in care micsorarea

Unghiul q al difuzoarelor nu trebuie sa depaseasca in mod normal 12-14⁰. La unghiuri mai mari fenomenul de desprindere (care practic incepe pentru unghiuri de 3-5⁰) se accentueaza, marindu-se pierderea de sarcina locala si devenind in acelasi timp sursa de zgomot. In cazul confuzoarelor, restrictia in privinta unghiului nu mai este justificata.

Se recomanda ca in sectiunea ramificatiei sa se adopte viteze egale, deoarece astfel nu se introduc rezistente locale suplimentare si se usureaza conceperea geometrica a tubulaturii. Nu se recomanda montarea clapetelor de reglare direct din difuzoare, fiind indicat, mai ales in cazul cand difuzoarele sunt asimetrice ca intre difuzor si ramificatie sa se prevada un tronson drept, care sa favorizeze uniformizarea curentului de aer inainte de a se ramifica.

Deficienta acestei scheme consta in faptul ca presupune folosirea multor piese speciale, la difuzoare adaugandu-se si coturile necesare pentru schimbarea directiei.

Se poate concepe o schema care sa satisfaca aceleasi deziderate, insa modificarea vitezelor sa se faca direct din cot, folosindu-se coturi cu sectiune variabila (fig. 3,b).

In aceasta solutie constructiva tubulatura este mai economica, deoarece este redus la minimum numarul de piese speciale. Aceasta schema se comporta in functionare cel putin ca si cea din figura 3, a cu conditia ca raportul dintre sectiunea de iesire si intrare in cot sa nu fie mai mare de 1,5-1,75.

Asupra coturilor cu sectiune variabila (coturi-confuzoare sau coturi-difuzoare) se recomanda ca modificarea sectiunii sa se faca pe seama numai a uneia din laturi. Modificarea lungimilor ambelor laturi duce la dificultati in executie.

Trebuie remarcat de asemenea ca in cazul solutiei cu coturi de sectiune variabila, se pot folosi pe langa acestea dupa necesitate si difuzoare (confuzoare) pentru modificarea vitezei pe portiunile drepte ale retelei.

Din punctul de vedere al realizarii ramificatiilor, in cazul adoptarii de viteze constante, se foloseste modul de formare a acestora, fie din latimea, fie din inaltimea canalului. Aceste moduri de creare a ramificatiilor prezinta ca principal avantaj, faptul ca reduce numarul de tipuri de piese speciale, observandu-se ca toate coturile si clapetele au aceleasi dimensiuni, lucru avantajos din punctul de vedere al executiei si chiar al montajului.

Pentru imbunatatirea curgerii la coturile cu raza mica de curbura sau cu muchii rotunjite este indicat sa se monteze palete aerodinamice de ghidare a aerului. Datorita fortelor aerodinamice, care se dezvolta pe paletele de ghidare, pericolul de formare a vartejurilor este foarte mult diminuat.

4.2. Retele de canale circulare

Tubulatura cu sectiune circulara, avantajoasa sub aspect economic, este folosita cu precadere la instalatiile de ventilare industriala, la sistemele de climatizare de inalta presiune, la sistemele de transport pneumatic etc.

Cateva elemente geometrice si constructive ale acestor canale sunt indicate in figura 4. Ca piese speciale sunt difuzoarele, confuzoarele si coturile- ultimile executandu-se

Fig. 4 Elemente constructive pentru canalele de aer cu sectiune circulara.

ceva mai greu, deoarece sunt alcatuite din segmenti. Un astfel de cot este caracterizat de o raza medie de curbura R si un unghi a£90⁰, deoarece ramificatiile se racordeaza la tubulatura sub unghiuri a=15⁰, 30⁰, 45⁰ sau alte valori apropiate.

4.3 Canale circulare din benzi de tabla tip Spiromatic

Se executa cu ajutorul unei linii automate prin faltuire, din benzi rezultand o cusatura (falt) sub forma elicoidala. Masina are productivitate foarte mare, poate produce canale cu diametrul cuprins intre 100 si 2000 mm si lungimi pana la 9 m. linia automata are in componenta sa si o masina de aplatisare a canalelor circulare. Instalatia functioneaza la I.C.I.M.-Brasov.

5. ACCESORIILE CANALELOR DE AER

Canalele de aer contin o serie de accesorii necesare la controlul si masurarea debitului si presiunii aerului, la curatirea canalelor, precum si pentru schimbarea directiei curentului de aer, pentru inchiderea unor tronsoane de canal in caz de incendiu, pentru reglarea debitelor de aer pe diverse trasee. locul si tipul acestor accesorii se precizeaza prin proiect si trebuie urmarit ca acestea sa se monteze pentru a putea executa reglajul instalatiei, precum si pentru interventii ulterioare.

Clapetele de aer pot fi simple, pentru montarea la ramificatii sau de obturare.

Jaluzelele, paralele sau opuse cu actionare simultana (se executa si cu reglare individuala) pot fi fara blocaj sau cu blocaj intr-o anumita pozitie de actionare manuala sau automata. Se atrage atentia asupra faptului ca atunci cand nu se executa conform catalogului de detalii, clapetele trebuie sa fie executate din tabla mai groasa (2.4 mm, functie de dimensiuni) pentru a nu se indoi in timpul manevrarilor si pentru a nu vibra in timpul functionarii. In acest ultim caz ele pot deveni surse de zgomot. Este necesar ca in dreptul clapetelor (pe una din laturile accesibile) sa se monteze capace de vizitare pentru a se urmari pozitia si a se interveni in cazul in care intepenesc.

Sibarele reprezinta elemente mult mai sigure de inchiderea portiunilor de canal, ramificatiilor sau ventilatoarelor. Ele se utilizeaza si la reglarea debitului ventilatoarelor, metoda curenta, dar cu consumuri de energie mari.

Capacele de vizitare se monteaza pe canale in dreptul clapetelor, jaluzelelor, modificarilor de sectiune ce ar favoriza adunarea prafului etc. si pot avea sectiune circulara sau dreptunghiulara.

Punctele de masurare pe canale se prevad pentru a permite, masuratori de debit, presiune sau temperatura in vederea reglarii unei noi instalatii noi executate, sau pentru a putea executa anumite modificari la instalatiile existente. Se executa cu sectiune circulara sau dreptunghiulara. Din punct de vedere constructiv sunt asemanatoare capacelor de vizitare.

6. IZOLAREA CANALELOR DE AER

Se recurge la aceasta operatie pentru a reduce schimbul de caldura cu mediul ambiant si pentru a impiedica procesul de condensare a vaporilor de apa din aer pe peretii canalelor. Schimbul de caldura prin peretii canalelor este dependent de debitul de aer vehiculat, de perimetrul canalului, de diferenta de temperatura si de coeficientul global de transfer termic.

7. CALCULUL CANALELOR DE AER

7.1. Metode specifice de calcul

La dimensionarea canalelor de aer se deosebesc doua situatii distincte si anume:

Cazul retelelor de canale pentru vehicularea aerului fara particule in suspensie, la care se admite reglarea debitului de aer la ramificatii cu ajutorul unor clapete. Prin modul de dimensionare se urmareste in general reducerea numarului de piese speciale si de tipodimensiuni care usureaza executia si montajul.

Cazul retelelor de canale pentru vehicularea aerului cu particule in suspensie, la care prevederea de piese speciale de reglaj la ramificatii nu mai este permisa si pentru care echilibrarea hidraulica a retelei trebuie asigurata prin calcul. In aceasta categorie ar putea intra si retelele de ventilare de inalta presiune la care gradul de precizie necesar la dimensionare, influenta presiunii statice asupra functionarii aparatelor terminale, costul mai ridicat al canalelor, evitarea pericolului de zgomot ce poate fi produs de piesele de reglaj ar justifica de asemenea asigurarea echilibrarii hidraulice direct prin calcul.

Metodele de dimensionare ale retelelor de canale de aer sunt numeroase, fiecare

dintre ele avand avantaje si dezavantaje care limiteaza domeniul lor de aplicare. Astfel se pot enumera:

metoda sectiunii constante care este avantajoasa in cazul cand canalul de aer indeplineste si un al doilea rol cum este cazul grinzilor de canal. Cheltuielile de investitie sunt mari, iar reglajul debitului este dificil;

metoda vitezei constante presupune alegerea aceleiasi viteze pentru toata reteaua de canale, viteza fiind stabilita in general din conditiile limitative din punctul de vedere al nivelului de zgomot sau al pierderilor de sarcina. Este in general neeconomica iar reglajul debitului la ramificatii se face greu. In practica se adopta viteza constanta pe portiuni de retea cu cateva ramificatii ducand la reducerea numarului de tipuri de piese speciale, ceea ce este avantajos din punctul de vedere al executiei si montajului;

metoda vitezelor descrescatoare presupune alegerea unor viteze descrescatoare de la ventilator spre orificiile de refulare (absorbtie), valorile acestor viteze stabilindu-se in functie de gradul de confort al obiectivului caruia ii este destinata instalatia de ventilare, de locul de pozare si modul de alcatuire al canalelor etc.

Desi in practica alegerea vitezelor respective se face in mare masura in mod arbitrar,

aceasta metoda este justificata prin faptul ca se urmareste obtinerea pe intreaga retea a unei pierderi de sarcina unitara R aproape uniforma. Metoda este folosita curent, motiv pentru care va fi prezentata amanuntit in paragrafele urmatoare;

in metoda recuperarii presiunii statice dimensionarea unui tronson se face pe baza castigului de energie realizat in piesa de micsorare a vitezei (difuzor) prevazuta in partea din amonte a acestuia. Spre exemplu, prin scaderea vitezei de la v₁ la v₂ o parte din energia cinetica a curentului de aer (circa 75%), transformata in energie potentiala, este folosita pentru invingerea rezistentelor aeraulice pe tronsonul imediat urmator.

Deci:

(1)

metoda diametrelor optime din punct de vedere tehnic si economic care asigura cheltuieli minime de investitie si exploatare este, tinand seama si de caracterul variabil al preturilor, cea mai rationala.

Totusi valorile reiesite pentru viteze sunt si in acest caz, limitate din considerente

privind nivelul de zgomot produs de circulatia aerului prin canale.

In cele ce urmeaza se va prezenta metodologia de calcul pentru metoda folosita in

mod frecvent in practica si anume aceea in care se adopta viteze descrescatoare, cu luarea in consideratie sau nu a recuperarii presiunii statice.

Trecerea la dimensionarea canalelor de aer presupune cunoasterea unor date cum ar

fi: numarul, dimensiunile su locul de amplasare a gurilor de introducere si evacuare; alcatuirea centralei de ventilare si locul ei de amplasare; tipul, dimensiunile, pozitia de montaj si locul de amplasare a prizei de aer; dimensiunile si locul de amplasare a gurii pentru evacuarea aerului viciat in atmosfera.

Dimensionarea propriu-zisa se poate imparti in doua faze distincte:

dimensionarea geometrica (constructiva), care are ca rezultat final stabilirea definitiva a solutiei;

calculul pierderilor totale de sarcina in retea.

7.2. Dimensionarea geometrica sau constructiva

Aceasta presupune:

stabilirea traseului canalelor care se face tinandu-se seama de locul de amplasare al centralei de ventilare, de structura de rezistenta si particularitatile constructive ale incaperii respective, de posibilitatile de pozare si de mascare a tubulaturii. Ca rezultat al acestei etape se poate intocmi o schema izometrica a sistemului de canale (v. fig. 2);

stabilirea debitelor de aer ce se transporta pe fiecare portiune de canal. Se considera ca traseu dezavantajos, traseul cel mai lung, fiecare din portiunile respective avand un debit cunoscut.

Caracterul preliminar mentionat consta in aceea ca prin tronson se intelege o portiune de canal cu acelasi debit si cu acelasi diametru echivalent, insa in aceasta etapa nu este indeplinita decat prima conditie. Mai mult, deoarece vitezele cresc de la gurile de introducere catre centrala de ventilare este asteptat ca pe unele din portiunile stabilite 1,2 etc. sa apara modificari de viteza, deci si diametre echivalente, care avand totusi acelasi debit se vor nota cu numere cu indice prim, adica 1 etc.

In literatura de specialitate aceste viteze sunt limitate superior la valorile de mai jos:

pentru joasa presiune..........10 m/s;

pentru medie presiune.........18 m/s;

pentru inalta presiune..........20 m/s.

Valorile maxime se aleg numai pe tronsoanele de transport al aerului la distanta.

Pentru distributie se aleg valori mai reduse.

Stabilirea pe baza de viteze alese ale sectiunii si dimensiunilor (diametru, laturi) pe fiecare tronson de canal. Astfel, pentru instalatiile de ventilare de joasa presiune vitezele recomandate, in m/s, sunt indicate in tabelul 2.

Tabelul 2

Cunoscandu-se debitul si viteza pe o portiune de canal I se pot determina sectiunea:

Desenarea la scara a retelei de canale, inclusiv precizarea tuturor pieselor speciale (coturi, ramificatii, schimbari de sectiune, clapete etc.), in scopul de a se constata daca solutia se incadreaza in particularitatile constructive ale incaperii sau obiectivului respectiv.

7.3. Calculul pierderilor totale de sarcina

Pentru un sistem de canale de introducere (sau de evacuare) calculul pierderilor totale de sarcina se face cu relatia:

[Pa] (2)

unde: l este coeficientul adimensional de rezistenta; l- lungimea tronsonului respectiv de canal, in m; d_e- diametrul echivalent, in mm; SV- suma coeficientilor de rezistenta locala pe un anumit tronson I; v_i- viteza medie a aerului pe tronsonul respectiv, in m/s;

r_i- densitatea aerului, la temperatura medie pe care o are in tronsonul respectiv, in kg/m³; g- acceleratia gravitatiei, in m/s²; R- pierderea de sarcina liniara unitara pe tronsonul respectiv, in Pa/s; Z- pierderea de sarcina locala pe un anumit tronson, in Pa; i- indicele tronsonului de calcul; n- numarul total de tronsoane pe traseul ce se calculeaza

Pierderea de sarcina liniara R se determina cu ajutorul nomogramei.

In practica valorile R, pentru canale netede sunt indicate in tabele sau nomograme in

functie de viteza v si de diametrul echivalent d_e.

Pentru canale cu sectiune diferita de cea circulara, valorile R se pot calcula cu aceeasi relatie (2) sau se pot lua din aceleasi tabele prin folosirea diametrului echivalent relativ la viteza (fig. 10.12). pentru un canal dreptunghiular cu dimensiunile a b mm,

[mm] (3)

Semnificatia fizica a acestuia rezulta imediat, pornindu-se de la expresia generala a relatiei pierderii de sarcina liniara, cunoscuta din mecanica fluidelor si anume:

(4)

unde R_h este raza hidraulica.

Exprimand pe R_h pentru cele doua feluri de canale rezulta imediat:

canale circulare, cu diametrul d

(5)

canale dreptunghiulare, cu laturile a b

(6)

Deci pierderea de sarcina liniara R pentru un canal cu sectiunea dreptunghiulara este egala cu cea a unui canal cu sectiune circulara cu diametrul egal cu diametrul echivalent de, cu conditia ca viteza de circulatie a aerului in cele doua canale sa fie aceeasi.

Pentru canale rugoase, pierderea de sarcina liniara unitara este

(7)

unde: R_l este pierderea liniara de sarcina unitara pentru canale rugoase; R- pierderea de sarcina unitara pentru canale rugoase netede; v- viteza de circulatie a aerului in tronsonul respectiv; k- rugozitatea absoluta.

Pentru cateva materiale folosite curent la executarea canalelor de aer, valorile lui k sunt indicate in tabelul 3.

Tabelul 3

Pierderea de sarcina locala

[Pa]. (8)

Problema se reduce la calculul sau aprecierea coeficientilor de rezistenta locala x, in functie de care se determina pierderea de sarcina locala care apare datorita modificarii vitezei (ca marime si directie) in piesele speciale.