Аэродинамический расчёт воздуховодов: скорость и потери

Как рассчитать воздуховоды вентиляции: скорость в сечении, потери на трение и в местных сопротивлениях, подбор диаметра под нормативную скорость и напор вентилятора.

Аэродинамический расчёт воздуховодов: скорость и потери — схема
Аэродинамический расчёт воздуховодов: скорость и потери. Схема к статье.

Аэродинамический расчёт отвечает на один вопрос: какой напор должен создать вентилятор, чтобы через сеть прошёл нужный расход воздуха. Ответ складывается из двух частей — потерь на трение по длине воздуховода и потерь в местных сопротивлениях.

Ниже — как посчитать скорость в сечении, определить потери для участка, подобрать диаметр под нормативную скорость и почему одна ошибка в скорости обходится дороже всего.

Динамическое давление

Начать стоит с ключевой величины. Движущийся воздух обладает давлением, которое называется динамическим:

При скорости 5 м/с динамическое давление равно 1,2 · 25 / 2 = 15 Па. Именно на эту величину умножаются коэффициенты местных сопротивлений, и именно поэтому потери так чувствительны к скорости: рост скорости вдвое увеличивает потери вчетверо.

Скорость в сечении

Скорость получают из расхода и площади сечения:

Площадь для круглого воздуховода равна πd²/4, для прямоугольного — произведению сторон. На практике для прямоугольных воздуховодов пользуются эквивалентным диаметром — диаметром круглого воздуховода с теми же потерями.

Расход, м³/чØ100Ø125Ø160Ø200Ø250Ø315
2007,14,52,81,81,10,7
40014,19,15,53,52,31,4
600—13,68,35,33,42,1
1000——13,88,85,73,6
2000———17,711,37,1

Скорости указаны в м/с. Таблица наглядно показывает, почему для расхода 600 м³/ч диаметр 125 мм не годится: скорость 13,6 м/с означает шумную магистраль.

Нормативные скорости

Выбор скорости — компромисс между размером воздуховода и шумом.

УчастокСкорость, м/сПочему
Магистраль вне помещений5–8экономия сечения, шум не мешает
Ответвления3–5умеренный шум
Помещения с людьмидо 3комфорт по шуму
Приточные решётки1–2иначе свист в решётке
Вытяжные решётки2–3допустимо выше

Потери на трение

Трение по длине считают по формуле Дарси — Вейсбаха:

Коэффициент трения зависит от шероховатости и числа Рейнольдса. Для инженерных расчётов удобна формула Альтшуля:

Шероховатость зависит от материала:

МатериалШероховатость, ммКомментарий
Сталь оцинкованная0,15стандарт для жилых систем
Алюминий0,10гладкая поверхность
Пластик0,05минимальные потери
Гибкий гофрированный1,0потери в 3–5 раз выше
Бетон1,5для промышленных систем

Местные сопротивления

Каждый поворот, тройник, решётка, фильтр и заслонка создают местное сопротивление. Потери в них считают через сумму коэффициентов:

Типовые значения коэффициентов:

ЭлементζКомментарий
Поворот 90° плавный0,2–0,3радиус больше диаметра
Поворот 90° резкий0,5–1,2без отвода
Тройник на проход0,2–0,5прямая ветвь
Тройник на ответвление0,5–2,0зависит от соотношения расходов
Приточная решётка1,5–3,0зависит от живого сечения
Вытяжная решётка1,0–2,0—
Фильтр G42,0–5,0растёт при запылении
Фильтр F75,0–10,0—
Заслонка открытая0,3–1,0зависит от угла
Диафрагма1,0–10,0подбирается под увязку

Калькулятор ниже считает скорость, динамическое давление, коэффициент трения, потери на трение и в местных сопротивлениях, подбирает диаметр под нормативную скорость и определяет мощность вентилятора.

Аэродинамический расчёт воздуховодов

Методика: СП 60.13330.2020

Поворот 90° — 0,2–0,5; тройник — 0,5–2,0; решётка — 1,5–3,0; фильтр — 2,0–10
Потери давления в сети90Паиз них на трение 23 Па, на местные сопротивления 68 Па
Скорость в сечении5,31м/с
Динамическое давление16,9Па
Удельные потери1,89Па/м
Коэффициент трения λ0,0224
Число Рейнольдса70 736
Диаметр под 3 м/с315мм
Мощность вентилятора (КПД 0,6)25Вт
Скорость 5,31 м/с — подходит для магистралей вне обслуживаемых помещений, но даёт заметный шум. Для ответвлений и помещений с людьми желательно до 3–5 м/с, то есть диаметр от 206 до 266 мм.
Потери давления от расхода воздуха
0,001002003000,002004006008001 0001 200ваш вариантРасход воздуха, м³/чПотери давления, Па
Показать ход расчёта
Площадь сеченияA = π·d²/4 = 3,1416·0,200²/40,03142 м²
Скорость воздухаv = L/(3600·A) = 600/(3600·0,03142)5,305 м/с
Динамическое давлениеPд = ρ·v²/2 = 1,20·5,305²/216,89 Па
Число РейнольдсаRe = v·d/ν = 5,305·0,200/1,5·10⁻⁵70 736
Коэффициент тренияλ = 0,11·(k/d + 68/Re)^0,25 = 0,11·(0,00075 + 68/70 736)^0,250,0224
Потери на трениеPтр = λ·(l/d)·Pд = 0,0224·(12/0,200)·16,8922,7 Па
Потери в местных сопротивленияхPм = Σζ·Pд = 4,0·16,8967,5 Па
Суммарные потериP = Pтр + Pм = 22,7 + 67,590,2 Па
Оговорка. Потери на трение считаны по формуле Дарси — Вейсбаха с коэффициентом трения по Альтшулю (шероховатость материала учтена). Местные сопротивления — через сумму коэффициентов ζ и динамическое давление. Расчёт для одного участка: полную сеть считают по самому неблагоприятному кольцу, суммируя потери всех участков. Нормативы скорости: 5–8 м/с для магистралей вне обслуживаемых помещений, 3–5 м/с для ответвлений, до 3 м/с в помещениях с постоянным пребыванием людей. Шероховатость гибких гофрированных воздуховодов в разы выше гладких — именно поэтому их стараются применять на коротких участках.
Результат обновляется автоматически при изменении полей

Числовой пример

Участок приточной вентиляции: расход 600 м³/ч, круглый воздуховод Ø200 мм, длина 12 м, сталь оцинкованная, сумма местных сопротивлений 4, плотность 1,2 кг/м³.

  1. Площадь сечения: 3,1416 · 0,2² / 4 = 0,0314 м².
  2. Скорость: 600 / 3600 / 0,0314 = 5,31 м/с.
  3. Динамическое давление: 1,2 · 5,31² / 2 = 16,9 Па.
  4. Число Рейнольдса: 5,31 · 0,2 / 1,5·10⁻⁵ = 70 800.
  5. Относительная шероховатость: 0,00015 / 0,2 = 0,00075.
  6. Коэффициент трения: 0,11 · (0,00075 + 68/70 800)^0,25 = 0,0247.
  7. Потери на трение: 0,0247 · (12 / 0,2) · 16,9 = 25 Па.
  8. Потери в местных сопротивлениях: 4 · 16,9 = 68 Па.
  9. Суммарные потери: 25 + 68 = 93 Па.
  10. Удельные потери: 25 / 12 = 2,1 Па/м — выше рекомендуемых 1–1,5.

Вывод: скорость 5,31 м/с допустима для магистрали, но удельные потери завышены из-за большого числа местных сопротивлений. Основной вклад дают именно они — 68 Па против 25 Па на трение. Это типичная картина: в коротких сетях местные сопротивления важнее трения.

Подбор диаметра и увязка

Диаметр подбирают под нормативную скорость. Для расхода 600 м³/ч:

Целевая скоростьТребуемый диаметрБлижайший типоразмер
3 м/с266 мм315 мм
5 м/с206 мм200 мм (скорость 5,3)
8 м/с163 мм160 мм (скорость 8,3)

После расчёта всех участков выполняют увязку: потери в параллельных ветвях должны совпадать с точностью до 10–15 %. Расхождение устраняют диафрагмами или заслонками на ответвлениях. Без увязки воздух пойдёт по пути наименьшего сопротивления, и дальние помещения останутся без притока.

Мощность вентилятора

Мощность на валу вентилятора считают по суммарному напору и расходу:

Для примера: 93 · 600 / (3600 · 0,6) = 26 Вт на валу. С учётом КПД двигателя и запаса на запыление фильтров берут вентилятор мощностью в 1,5–2 раза больше.

Увязка параллельных ветвей

После расчёта потерь по всем участкам выполняют увязку. Смысл в том, что воздух, как и вода, идёт по пути наименьшего сопротивления: если одна ветвь имеет меньшее сопротивление, она заберёт больше расхода, а остальные останутся без воздуха.

Увязка считается по расхождению потерь в параллельных ветвях:

Допустимое расхождение — 10–15 %. Если оно больше, в ветвь с меньшими потерями ставят дополнительное сопротивление.

Способ увязкиКак работаетКогда применяют
Диафрагмашайба с отверстием, постоянное сопротивлениепростые системы, дешёвый вариант
Дроссель-клапанрегулируемое сопротивлениесистемы с наладкой
Изменение диаметраподбор сечения под нужные потерипри проектировании
Балансировочный клапанточная настройка с фиксациейответственные системы

Особенности естественной вентиляции

Расчёт воздуховодов естественной вентиляции отличается тем, что движущая сила известна заранее и мала. Гравитационный напор создаётся разностью плотностей наружного и внутреннего воздуха:

Для канала высотой 5 м при наружной температуре 0 °С и внутренней 20 °С напор составляет всего 5 · 9,81 · (1,29 − 1,20) = 4,4 Па. Это очень мало: потери в канале не должны превышать эту величину.

Отсюда особенности расчёта:

  • скорости в каналах берут низкие, 0,5–1,5 м/с;
  • сечения каналов получаются большими;
  • каждый канал проверяют на располагаемый напор при летних условиях, когда тяга минимальна;
  • при недостаточной тяге ставят дефлектор или переходят на механическую вытяжку.

Частые ошибки

  1. Скорость выше нормативной в жилых помещениях. Воздуховод на 8 м/с в спальне слышен постоянно. Для помещений с людьми скорость ограничивают 3 м/с, даже если это требует большего диаметра.
  1. Игнорирование местных сопротивлений. В коротких сетях они дают 60–70 % потерь. Расчёт «только по трению» занижает напор вдвое и больше.
  1. Гофрированные воздуховоды на длинных участках. Шероховатость 1,0 мм против 0,15 у стали увеличивает потери в разы. Гибкие участки делают минимальной длины.
  1. Расчёт одного участка вместо всей сети. Вентилятор подбирают по самому неблагоприятному кольцу. Расчёт только магистрали без учёта ответвлений и решёток даёт заниженный напор.
  1. Отсутствие увязки ветвей. Без диафрагм или заслонок воздух уходит в ближние помещения. Дальние остаются без притока при формально правильном расходе.
  1. Забыть про запыление фильтра. Сопротивление фильтра растёт в 2,5 раза по мере запыления. Вентилятор подбирают с запасом на конечное сопротивление, иначе расход упадёт вдвое к концу срока службы фильтра. Подробнее — в статье про фильтры вентиляции.

Частые вопросы

Какая скорость воздуха допустима в воздуховоде?

Для магистралей вне обслуживаемых помещений 5–8 м/с, для ответвлений 3–5 м/с, в помещениях с постоянным пребыванием людей до 3 м/с. Выше 8 м/с воздуховод становится источником шума, а потери растут пропорционально квадрату скорости.

Как рассчитать потери давления в воздуховоде?

Потери складываются из трения по длине и местных сопротивлений. Трение считают по формуле Дарси — Вейсбаха с коэффициентом трения, местные — через сумму коэффициентов ζ, умноженную на динамическое давление. Для участка 12 м при 600 м³/ч и диаметре 200 мм потери составляют около 90 Па.

Что такое динамическое давление?

Это давление движущегося воздуха, равное ρv²/2. При скорости 5 м/с и плотности 1,2 кг/м³ оно составляет 15 Па. Именно на динамическое давление умножают коэффициенты местных сопротивлений, поэтому потери в них растут как квадрат скорости.

Какие удельные потери считаются нормальными?

Ориентир для магистралей — 1–1,5 Па на метр длины. Если удельные потери выше, сеть получится энергоёмкой и потребует вентилятора с высоким напором. Если намного ниже, сечение завышено и воздуховод неоправданно дорогой.

Как влияет материал воздуховода на потери?

Через шероховатость. Гладкая сталь имеет шероховатость 0,15 мм, гибкий гофрированный воздуховод — около 1,0 мм, что в разы увеличивает коэффициент трения. Поэтому гофрированные участки применяют только на коротких отводах.

Нужно ли считать всю сеть или достаточно одного участка?

Считать нужно всю сеть, но подбор вентилятора ведут по самому неблагоприятному кольцу: суммируют потери всех последовательных участков от решётки до выброса. Потери параллельных ветвей должны быть уравнены диафрагмами или задвижками.

Что в итоге

Аэродинамический расчёт — это последовательность из четырёх шагов: скорость из расхода и сечения, динамическое давление, потери на трение и местные сопротивления, суммирование по самому неблагоприятному кольцу. Диаметр подбирают под нормативную скорость, а не под удобство монтажа.

Главный вывод: потери растут как квадрат скорости, поэтому экономия на диаметре оборачивается либо шумом, либо мощным вентилятором.

Смежные материалы: расчёт вентиляции — воздухообмен помещений, приточная вентиляция — калорифер и обработка воздуха, естественная вентиляция — гравитационный напор, фильтры вентиляции — рост сопротивления при запылении.

Частые вопросы

Какая скорость воздуха допустима в воздуховоде?

Для магистралей вне обслуживаемых помещений 5–8 м/с, для ответвлений 3–5 м/с, в помещениях с постоянным пребыванием людей до 3 м/с. Выше 8 м/с воздуховод становится источником шума, а потери растут пропорционально квадрату скорости.

Как рассчитать потери давления в воздуховоде?

Потери складываются из трения по длине и местных сопротивлений. Трение считают по формуле Дарси — Вейсбаха с коэффициентом трения, местные — через сумму коэффициентов ζ, умноженную на динамическое давление. Для участка 12 м при 600 м³/ч и диаметре 200 мм потери составляют около 90 Па.

Что такое динамическое давление?

Это давление движущегося воздуха, равное ρv²/2. При скорости 5 м/с и плотности 1,2 кг/м³ оно составляет 15 Па. Именно на динамическое давление умножают коэффициенты местных сопротивлений, поэтому потери в них растут как квадрат скорости.

Какие удельные потери считаются нормальными?

Ориентир для магистралей — 1–1,5 Па на метр длины. Если удельные потери выше, сеть получится энергоёмкой и потребует вентилятора с высоким напором. Если намного ниже, сечение завышено и воздуховод неоправданно дорогой.

Как влияет материал воздуховода на потери?

Через шероховатость. Гладкая сталь имеет шероховатость 0,15 мм, гибкий гофрированный воздуховод — около 1,0 мм, что в разы увеличивает коэффициент трения. Поэтому гофрированные участки применяют только на коротких отводах.

Нужно ли считать всю сеть или достаточно одного участка?

Считать нужно всю сеть, но подбор вентилятора ведут по самому неблагоприятному кольцу: суммируют потери всех последовательных участков от решётки до выброса. Потери параллельных ветвей должны быть уравнены диафрагмами или задвижками.