THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÊNH GIÓ

Đường ống gió được chia làm nhiều loại dựa trên các cơ sở khác nhau :

* Theo chức năng :

Theo chức năng người ta chia hệ thống kênh gió ra làm các loại chủ yếu sau :

- Kênh cấp gió (Supply Air Duct - SAD)

- Kênh hồi gió (Return Air Duct - RAD)

- Kênh cấp gió tươi (Fresh Air Duct)

- Kênh thông gió (Ventilation Air Duct)

- Ống thải gió(Exhaust Air Duct)

* Theo tốc độ gió :

Theo tốc độ người ta chia ra loại tốc độ cao và thấp, cụ thể như sau :

Bảng 6-1

* Theo áp suất

Theo áp suất người ta chia ra làm 3 loại : Áp suất thấp, trung bình và cao như sau :

- Áp suất thấp: 95 mmH2O

- Áp suất trung bình: 95  172 mmH2O

- Áp suất cao: 172  310 mmH2O

* Theo kết cấu và vị trí lắp đặt :

- Kênh gió treo

- Kênh gió ngầm

- Kênh thường được xây dựng bằng gạch hoặc bê tông và đi ngầm dưới đất. Kênh gió ngầm thường kết hợp dẫn gió và lắp đặt các hệ thống đường nước, điện, điện thoại đi kèm nên gọn gàng và tiết kiệm chi phí nói chung.

- Kênh gió ngầm được sử dụng khi không gian lắp đặt không có hoặc việc lắp đặt các hệ thống kênh gió treo không thuận lợi, chi phí cao và tuần hoàn gió trong phòng không tốt.

- Kênh gió ngầm thường sử dụng làm kênh gió hồi, rất ít khi sử dụng làm kênh gió cấp do sợ ảnh hưởng chất lượng gió sau khi đã xử lý do ẩm mốc trong kênh, đặc biệt là kênh gió cũ đã hoạt động lâu ngày. Khi xây dựng cần phải xử lý chống thấm kênh gió thật tốt.

- Kênh thường có tiết diện chữ nhật và được xây dựng sẵn khi xây dựng công trình.

- Hệ thống kênh gió ngầm thường được sử dụng trong các nhà máy dệt, rạp chiếu bóng. Các kênh gió ngầm này có khả năng thu gom các sợi bông tạo điều kiện khử bụi trong xưởng tốt. Vì vậy trong các nhà máy dệt, nhà máy chế biến gỗ để thu gom bụi người ta thường hay sử dụng hệ thống kênh gió kiểu ngầm.

Hệ thống kênh treo là hệ thống kênh được treo trên các giá đỡ đặt ở trên cao. Do đó yêu cầu đối với kênh gió treo là :

- Kết cấu gọn, nhẹ

- Bền và chắc chắn

- Dẫn gió hiệu quả, thi công nhanh chóng.

Vì vậy kênh gió treo được sử dụng rất phổ biến trên thực tế (hình 6.1).

* Vật liệu sử dụng : Tole tráng kẽm, inox, nhựa tổng hợp, foam định hình.

Trên thực tế sử dụng phổ biến nhất là tôn tráng kẽm có bề dày trong khoảng từ 0,5  1,2mm theo tiêu chuẩn qui định phụ thuộc vào kích thước đường ống. Trong một số trường hợp do môi trường có độ ăn mòn cao có thể sử dụng chất dẻo hay inox. Hiện nay người ta có sử dụng foam để làm đường ống : ưu điểm nhẹ , nhưng gia công và chế tạo khó, do đặc điểm kích thước không tiêu chuẩn của đường ống trên thực tế.

Khi chế tạo và lắp đặt đường gió treo cần tuân thủ các qui định về chế tạo và lắp đặt. Hiện nay ở Việt nam vẫn chưa có các qui định cụ thể về thiết kế chế tạo đường ống. Tuy nhiên chúng ta có thể tham khảo các qui định đó ở các tài liệu nước ngoài như DW142, SMACNA. Bảng 6.2 trình bày một số qui cách về chế tạo và lắp đặt đường ống gió.

Bảng 6.2 : Các qui định về gia công và lắp đặt ống gió

* Hình dạng tiết diện :

Hình dáng kênh gió rất đa dạng : Chữ nhật, tròn, vuông, . .vv. Tuy nhiên, kênh gió có tiết diện hình chữ nhật được sử dụng phổ biến hơn cả vì nó phù hợp với kết cấu nhà, dễ treo đỡ, chế tạo, bọc cách nhiệt và đặc biệt các chi tiết cút, xuyệt, chạc 3, chạc 4 . .vv dễ chế tạo hơn các kiểu tiết diện khác.

* Cách nhiệt:Để tránh tổn thất nhiệt, đường ống thường bọc một lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh, hay stirofor, bên ngoài bọc lớp giấy bạc chống cháy và phản xạ nhiệt. Để tránh chuột làm hỏng người ta có thể bọc thêm lớp lưới sắt mỏng.

- Khi đường ống đi ngoài trời người ta bọc thêm lớp tôn ngoài cùng để bảo vệ mưa nắng

- Đường ống đi trong không gian điều hòa có thể không cần bọc cách nhiệt. Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống mới hoạt động, nhiệt độ trong phòng còn cao thì có khả năng đọng sương trên bề mặt ống.

* Ghép nối ống:

- Để tiện cho việc lắp ráp, chế tạo, vận chuyển đường ống được gia công từng đoạn ngắn theo kích cỡ của các tấm tôn. Việc lắp ráp thực hiện bằng bích hoặc bằng các nẹp tôn. Bích có thể là nhôm đúc, sắt V hoặc bích tôn.

* Treo đỡ:

- Việc treo đường ống tùy thuộc vào kết cấu công trình cụ thể : Treo tường, trần nhà, xà nhà .

- Khi nối kênh gió với thiết bị chuyển động như quạt, động cơ thì cần phải nối qua ống nối mềm để khử chấn động theo kênh gió.

- Khi kích thước ống lớn cần làm gân gia cường trên bề mặt ống gió.

- Đường ống sau khi gia công và lắp ráp xong cần làm kín bằng silicon.

1) Quan hệ giữa lưu lượng và tốc độ gió ra miệng thổi.

Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống kênh gió là phải đảm bảo phân bố lưu lượng gió cho các miệng thổi đều nhau. Giả sử tất cả các miệng thổi có kích cỡ giống nhau, để lưu lượng gió ra các miệng thổi bằng nhau ta chỉ cần khống chế tốc độ gió trung bình ở các miệng thổi bằng nhau là được.

Lưu lượng gió chuyển động qua các miệng thổi được xác định theo công thức:

gx = fx.vx , m3/s(6-1)

gx - Lưu lượng gió ra một miệng thổi, m3/s

fx - Tiết diện thoát gió của miệng thổi, m2.

vx - Tốc độ trung bình của gió ra miệng thổi, m/s

Tốc độ trung bình vx ở đầu ra miệng thổi được tính theo công thức :

vx = gx/fx , m/s(6-2)

Thực ra do bị nén ép khi ra khỏi miệng thổi nên tiết diện bị giảm và nhỏ hơn tiết diện thoát gió thực.

Theo định luật Becnuli áp suất thừa của dòng không khí (còn gọi là áp suất tĩnh Ht) đã chuyển thành cột áp động của dòng không khí chuyển động ra miệng thổi :

px - po = .(’.vx)2 /2 = Ht , Pa

px, là áp suất tuyệt đối của dòng không khí trong ống dẫn trước miệng thổi, N/m2

po là áp suất không khí môi trường nơi gió thổi vào, N/m2

’ Hệ số thu hẹp dòng phụ thuộc điều kiện thổi ra của dòng không khí

Ht - Cột áp tĩnh tại tiết diện nơi đặt miệng thổi , N/m2

(6-3) vx=β'.2.Htρ,m/svx=β'.2.Htρ,m/s size 12{v rSub { size 8{x} } =β' "." sqrt { { {2 "." H rSub { size 8{t} } } over {ρ} } } ,m/s} {}Từ đó rút ra :

Theo (6-1) và (6-3) có thể nhận thấy để đảm bảo phân bố gió cho các miệng thổi đều nhau người thiết kế phải đảm bảo áp suất tĩnh dọc theo đường ống không đổi là được.

Vì vậy thay vì khảo sát tốc độ ra miệng thổi vx (hay gx vì tiết diện của các miệng thổi đều nhau) ta khảo sát phân bố cột áp tĩnh Ht dọc theo đường ống để xem xét với điều kiện nào phân bố cột áp tĩnh sẽ đồng đều trên toàn tuyến ống.

3) Sự phân bố cột áp tĩnh dọc đường ống dẫn gió.

Xét một đường ống gió, tốc độ gió trung bình và cột áp tĩnh của dòng không khí tại tiết diện có miệng thổi đầu tiên là 1 và H1 , của miệng thổi thứ 2 là 2 và H2 ... và của miệng thổi thứ n là n và Hn (hình 6-2).

Trở kháng thủy lực tổng của đường ống là p

Theo định luật Becnuli ta có :

H1 + 21 /2 = Hn + 2n /2 + p(6-4)

Hay:

Hn = H1 + (21 - 2n)/2 - p

Từ đó suy ra :

H = Hn - H1 = (21 - 2n)/2 - p (6-5)

Thành phần (21 - 2n)/2 gọi là độ giảm cột áp động.

Như vậy để duy trì cột áp tĩnh trên tuyến ống không đổi H =0 ta phải thiết kế hệ thống kênh gió sao cho (21 - 2n)/2 - p = 0

Ta có các trường hợp có thể xãy ra như sau:

a) Trường hợp (21 - 2n)/2 = p : Giảm cột áp động bằng tổng tổn thất trên tuyến ống.

Như vậy cột áp động đã biến một phần để bù vào tổn thất trên tuyến ống.

Khi đó : H1 = Hn nghĩa là cột áp tĩnh không thay đổi dọc theo đường ống. Đây là trường hợp lý tưởng, tốc độ và lưu lượng ở các miệng thổi sẽ đều nhau.

b) Trường hợp (21 - 2n)/2 > p hay H1 < Hn

Giảm cột áp động lớn hơn tổng tổn thất áp lực trên tuyến ống.

Trong trường hợp này ta có Hn > H1 , phần cột áp động dư thừa góp phần làm tăng cột áp tĩnh cuối đường ống, lượng lượng gió các miệng thổi cuối lớn hơn, hay gió dồn vào cuối tuyến ống.

Trường hợp này có thể xãy ra khi :

- Tốc độ đoạn đầu quá lớn, nên áp suất tĩnh trên trong ống rất nhỏ trong khi tốc độ đoạn cuối nhỏ. Trong một số trường hợp nếu tốc độ đi ngang qua tiết diện nơi lắp các miệng thổi ở đoạn đầu quá lớn thì các miệng thổi đầu có thể trở thành miệng hút lúc đó tạo nên hiện tượng hút kiểu EJectơ. Để khắc phục, cần giảm tốc độ đoạn đầu, tăng tốc độ đoạn cuối. Vì thế khi lưu lượng dọc theo kênh gió giảm thì phải giảm tiết diện tương ứng để duy trì tốc độ gió, tránh không nên để tốc độ giảm đột ngột .

- Đường ống ngắn, ít trở lực cục bộ nhưng có nhiều miệng thổi hoặc đoạn rẻ nhánh. Trường hợp này trở lực p rất nhỏ, nhưng tốc độ giảm nhanh theo lưu lượng. Để khắc phục cần giảm nhanh tiết diện đoạn cuối nhằm khống chế tốc độ phù hợp.

c) Trường hợp (21 - 2n)/2 < p hay H1 > Hn

Giảm cột áp động nhỏ hơn tổng tổn thất áp lực trên tuyến ống.

Trong trường hợp này gió tập trung vào đầu tuyến ống.

Nguyên nhân gây ra có thể là:

- Tốc độ đoạn đầu nhỏ, áp suất tĩnh lớn nên lưu lượng gió của các miệng thổi đầu lớn và cuối tuyến ống lưu lượng không đáng kể.

- Tổn thất đường ống quá lớn : Đường ống quá dài, có nhiều chổ khúc khuỷu.

- Tiết diện đường ống được giảm quá nhanh không tương ứng với mức độ giảm lưu lượng nên tốc độ dọc theo tuyến ống giảm ít, không giảm thậm chí còn tăng. Vì thế cột áp tĩnh đầu tuyến ống lớn hơn cuối tuyến ống.

Vì vậy khi thiết kế đường ống cần phải chú ý :

- Thiết kế giảm dần tiết diện đường ống dọc theo chiều thổi một cách hợp lý , tuỳ thuộc vào trở lực của đường ống.

4) Sự phân bố cột áp tĩnh trên đường ống hút.

Hình 3

Xét một kênh hút, tốc độ trung bình và cột áp tĩnh của dòng không khí tại tiết diện có miệng hút đầu là 1 và H1 , của miệng hút thứ 2 là 2 và H2 ... và của miệng hút thứ n là n và Hn .

Trở kháng thủy lực tổng của đường ống là p

Hình 6.3 : Phân bố cột áp tĩnh dọc theo kênh hút

Theo định luật Becnuli ta có :

H1 + 21 /2 = Hn + 2n /2 + p

Hay:

Hn = H1 + (21 - 2n)/2 - p

Hay :

H = Hn - H1 = (21 - 2n)/2 - p(6-6)

Để H = 0 ta phải đảm bảo : (21 - 2n)/2 - p = 0

Hay nói cách khác tốc độ gió dọc theo chiều chuyển động của dòng không khí phải giảm dần và mức độ giảm phải tương ứng với mức tăng tổn thất p.

Do lưu lượng dọc theo chiều chuyển động của gió trong kênh hút tăng dần và tốc độ gió cũng phải giảm dần , vì thế tiết diện kênh hút phải lớn dần.

1) Lựa chọn tốc độ không khí trên đường ống

Lựa chọn tốc độ gió có liên quan tới nhiều yếu tố.

- Khi chọn tốc độ cao đường ống nhỏ, chi phí đầu tư và vận hành thấp, nhưng trở lực hệ thống lớn và độ ồn do khí động của dòng không khí chuyển động cao.

- Ngược lại khi tốc độ bé, đường ống lớn chi phí đầu tư và vận hành lớn, khó khăn lắp đặt, nhưng trở lực bé.

Tốc độ hợp lý là một bài toán kinh tế, kỹ thuật phức tạp. Bảng 6.3 dưới đây trình bày tốc độ gió thích hợp dùng để tham khảo lựa chọn khi thiết kế.

Bảng 6.3 : Tốc độ gió trên kênh gió, m/s

2) Xác định đường kính tương đương của đường ống

Để vận chuyển không khí người ta sử dụng nhiều loại ống gió: Chữ nhật, vuông, ô van, tròn. Tuy nhiên để tính toán thiết kế đường ống gió thông thường người ta xây dựng các giãn đồ cho các ống dẫn tròn. Vì vậy cần qui đổi tiết diện các loại ra tiết diện tròn tương đương, sao cho tổn thất áp suất cho một đơn vị chiều dài đường ống là tương đương nhau, trong điều kiện lưu lượng gió không thay đổi.

Đường kính tương đương có thể xác định theo công thức hoặc tra bảng. Để thuận lợi cho việc tra cứu và lựa chọn , người ta đã lập bảng xác định đường kính tương đương của các đường ống dạng chữ nhật nêu ở bảng 6-4.

- Đường kính tương đương của tiết diện chữ nhật được xác định theo công thức sau :

(6-7) dtd=1,3.(a.b)0,625(a+b)0,25,mmdtd=1,3.(a.b)0,625(a+b)0,25,mm size 12{d rSub { size 8{ ital "td"} } =1,3 "." { { \( a "." b \) rSup { size 8{0,"625"} } } over { \( a+b \) rSup { size 8{0,"25"} } } } , ital "mm"} {}

a, b là cạnh chữ nhật, mm

Tuy tổn thất giống nhau nhưng tiết diện trên 2 ống không giống nhau

S' = a x b > S =  x dtđ2 / 4

(6-8)- Đường kính tương đương của ống ô van:

dtd=1,55.A0,625p0,25dtd=1,55.A0,625p0,25 size 12{d rSub { size 8{ ital "td"} } =1,"55" "." { {A rSup { size 8{0,"625"} } } over {p rSub { size 8{0,"25"} } } } } {}A - Tiết diện ống ô van :

A =  x b2 / 4 + b(a-b)

a, b là cạnh dài và cạnh ngắn của ô van, mm

p Là chu vi mặt cắt : p = .b + 2(a-b), mm

Bảng 6-4 : Đường kính tương đương của ống chữ nhật

Tiếp bảng (6-4)

3) Tổn thất áp suất trên đường ống gió

Có 2 dạng tổn thất áp lực:

- Tổn thất ma sát dọc theo đường ống pms

- Tổn thất cục bộ ở các chi tiết đặc biệt : Côn, cút, tê, van ...

(6-9)a. Tổn thất ma sát

Tổn thất ma sát được xác định theo công thức :

Δpms=λ.ld.ρω22,mmH2OΔpms=λ.ld.ρω22,mmH2O size 12{Δp rSub { size 8{ ital "ms"} } =λ "." { {l} over {d} } "." { { ital "ρω" rSup { size 8{2} } } over {2} } , ital "mmH" rSub { size 8{2} } O} {} - Hệ số trở lực ma sát

l - chiều dài ống, m

d - đường kính hoặc đường kính tương đương của ống, m

 - Khối lượng riêng của không khí, kg/m3

 - Tốc độ không khí chuyển động trong ống , m/s

Hệ số trở lực ma sát có thể tính như sau :

(6-10) λ=0,3164Re4,khiRe<105λ=0,3164Re4,khiRe<105 size 12{λ= { {0,"3164"} over { nroot { size 8{4} } {"Re"} } } , ital "khi""Re"<"10" rSup { size 8{5} } } {}* Đối với ống nhôm hoặc tôn mỏng bề mặt bên trong láng và tiết diện tròn

 = 0,0032 + 0,221.Re-0,237, khi Re > 105 (6-11)

trong đó:

Re là tiêu chuẩn Reynolds : Re = d/

 - Độ nhớt động học của không khí , m2/s

λ=1[1,81.logReRe.k1/d+7]2λ=1[1,81.logReRe.k1/d+7]2 size 12{λ= { {1} over { \[ 1,"81" "." "log" { {"Re"} over {"Re" "." k rSub { size 8{1} } /d+7} } \] rSup { size 8{2} } } } } {}(6-12)* Đối với bề mặt nhám

k1 là hệ số mức độ gồ ghề trung bình, m

Bảng 6-5

λ=0,323d0,07.Re0,25λ=0,323d0,07.Re0,25 size 12{λ= { {0,"323"} over {d rSup { size 8{0,"07"} } "." "Re" rSup { size 8{0,"25"} } } } } {}* Đối với ống bằng nhựa tổng hợp

(6-13)- Đối với polyetylen

(6-14)- Đối với vinylpast λ=d0,010,39.Re0,25λ=d0,010,39.Re0,25 size 12{λ=d rSup { size 8{0,"01"} } { {0,"39"} over { "." "Re" rSup { size 8{0,"25"} } } } } {}Việc tính toán theo các công thức tương đối phức tạp, nên người ta đã xây dựng đồ thị để xác tổn thất ma sát, cụ thể như sau:

Từ công thức (6-9) ta có thể viết lại như sau :

pms = l . p1 (6-15)

l - Chiều dài đường ống, m

p1 - Tổn thất áp lực trên 1m chiều dài đường ống, Pa/m

Người ta đã xây dựng đồ thị nhằm xác định p1 trên hình 6.4. Theo đồ thị này khi biết 2 trong các thông số sau : lưu lượng gió V (lít/s), tốc độ không khí  (m/s) trong đường ống, đường kính tương đương dtđ (mm) là xác định