Въздухопроводи и въздухопроводни мрежи

Видове въздуховоди, използвани материали, начини на монтаж и загуби на налягане

     Нормалното протичане на голяма част от производствените процеси в индустриалните предприятия налага поддържането на определени параметри на микроклимата. Те се съобразяват със специфичните изисквания на извършваните технологични операции и с оглед запазване на благоприятни условия за работа на персонала. За целта се изграждат вентилационни инсталации. Наличната въздухопроводна мрежа доста често e част от интериора на помещението. Структурата й от последователно и успоредно свързани участъци осигурява условия за безпроблемно пренасяне на въздух, с различни топлофизични и химични характеристики до и от зоната на обслужваните от вентилационната система помещения, съоръжения и машини. Доставя се необходимият пресен въздух и се отвежда отработеният. Осигурява се, също така, изменение на масовите дебити на въздуха - общо или по отделните клонове на мрежата. Предотвратява се пренасянето на въздух от зона, в която е възникнал пожар, а също така се ограничава разпространението на шум между отделни зони с различни акустични изисквания.
В зависимост от предназначението си, условията на експлоатация и специфичните технологични изисквания всяка въздухопроводна система включва прави и фасонни въздуховоди, елементи за свързване и монтаж, както и различни устройства. Например, за вземане и изхвърляне на въздух, за предотвратяване на разпространението на възникнал пожар, за ограничаване разпространението на шум и други.

Въздуховодите с относително големи размери
Те са основните "доставчици" на пресен въздух, както и основните канали, по които се отвежда изсмукваният от вентилираното помещение замърсен въздух. Използват се също и за транспортиране на рециркулационния и изхвърляния въздух. Разполагат се в помещения с различно предназначение. Обикновено заемат немалка част от застроения обем, тъй като се характеризират с относително големи размери. Изграждат се от прави и фасонни части, за изработването на които се използват различни материали, съобразени с конкретната приложна област и експлоатационни условия, както и с архитектурата и конструкцията на сградата.
Правите участъци от въздуховодите могат да бъдат с различна форма на напречното сечение, която се определя по конструктивни съображения. Обикновено се изработват с кръгло, правоъгълно, плоскоовално или овално напречно сечение.
Често вентилационните и климатичните инсталации имат сложна топология, обхващаща въздуховоди, преминаващи през различни части от сградата, с различна посока и наклон. Това налага използването на различни фасонни части, чрез които се свързват отделните прави участъци на въздуховодите. Основно конструктивно изискване към фасонните части
е да създават минимални съпротивления на преминаващия въздух. Когато въздуховодите са с кръгло напречно сечение, се препоръчва радиусът на закръгленията (по осова линия) за колена, дъги и отклонения да бъде r і 1,5d. За правоъгълни въздуховоди препоръчителният радиус е r > а, където a е размерът на страната, която лежи в равнината на огъване на оста. В случай че колената на правоъгълния въздухопровод са с радиус, по-малък от размера на страната (r < а), е необходимо да се вградят направляващи лопатки. Желателно е ъгълът на конфузорите a да бъде по-малък или равен на 60°, а на дифузорите a І 45°. Не се препоръчва стъпаловидно изменение на напречното сечение (без конфузор или дефузор), както и пред разклонения на разстояние до 10d да се разполагат местни съпротивления.
Стените на въздуховода могат да бъдат гладки, спирално навити или с оребрени отвън или отвътре стени. Видът на стените зависи от вида на използвания материал, от геометричните размери на въздуховода и др. За да се постигнат минимални загуби от триене, се препоръчва правите части на въздуховода да са с кръгло напречно сечение. Също така, при избора на форма на напречното сечение на въздуховода е добре да се вземат предвид конструктивните особености на сградата, като разполагаемо място и възможност за вграждане в строителните елементи. Важно е да се отчетат и естетическите, и технико-икономическите фактори.

Материали за въздухопроводи
Сред най-често използваните материали за въздуховоди са различни видове ламарина. Обикновено се прилага поцинкована или черна, а когато въздуховодите са предназначени за транспортирането на агресивни газове, се използва предимно алуминиева или медна ламарина. Използват се и технологии за нанасяне на покрития на стоманените въздухопроводи, например от корозионноустойчиви изкуствени материали. В зависимост от химичния състав на транспортираната газо-въздушна смес се избира и съответният защитен слой.
За въздуховодите, изработени от ламарина, надлъжните и напречните връзки на ламаринените листове се изработват на фалц, с междинни шибри или чрез заваряване (спояване). Въздуховоди с кръгла или плоскоовална форма в повечето случаи се изработват като спираловидни тръби, с непрекъснато фалцово съединение (винтов шев). Правоъгълните въздухопроводи се произвеждат предимно с гладки, спиралнонавити или напречнооребрени стени. Фасонните въздухопроводи, като колена и тройници, обикновено се изработват на фалц или чрез заваряване, след предварителното им разкрояване.
Колената без закръгления на ръбовете, които са перпендикулярни на равнината на обръщане на въздушния поток и имат големи съпротивления, са сериозни генератори на шум. За да се ограничи нивото му, необходимо е радиусът на страната на коляното r да бъде най-малко равен на страната а. Ако това условие не може да се изпълнени, се препоръчва поставянето на направляващи лопатки, броят на които обикновено не надвишава три. За да се определи радиусът им, се използва изразът:
rк = 1,3rк-1 + 0,08а, mm.
Постигането на добра плътност на въздухопроводите зависи производствената технология. Максимална плътност се постига при заварени или запоени краища. При определяне на дебелината на стоманената ламарина за производството на въздуховоди се отчитат размерите на напречното сечение и работното налягане на въздуха (подналягане или свръхналягане).

Приложение на бетонови и зидани канали
В голяма част от индустриалните предприятия се пренасят големи количества въздух. Това налага при изграждане на въздухопроводната мрежа да се използват въздуховоди с големи напречни сечения. В този случай подходящо решение е изграждането на бетонови или зидани канали. Те са подходящи за въздухопроводи с големи размери, предназначени за хоризонтално и вертикално пренасяне на въздух. Основен техен недостатък е голямата им акумулационна способност, което се отразява неблагоприятно при необходимост от бърза промяна в режимите на работа на системите за кондициониране. Сред предимствата им е постигането на висока плътност. Често, за да се облекчи и ускори прокарването им, бетоновите или зиданите въздуховоди се комбинират със строителната конструкция. Така те не оказват пряко влияние в помещението, например върху естественото осветление. Дълготрайността им е съизмерима с живота на самата сграда. При изграждането им, обаче, е необходимо да се обърне специално внимание и на топлинната изолация на каналите. Целта е да се минимизира влиянието на външните атмосферни условия, т.е да се ограничат загряването на въздуха от слънчевото излъчване през лятото и охлаждането му през зимата.
Бетоновите канали могат да се монтират и под пода на помещението. Това разположение се използва широко в предприятията от леката промишленост. Стените на бетоновите канали се измазват с гладка циментова замазка, а размерите на канала се избират така, че да не се затруднява контролирането и почистването им. Размери като минимална височина 1,2 m и широчина 0,6 m осигуряват лесното им почистване.

Въздуховоди от изкуствени материали
Въздуховодите се изработват и от изкуствени материали, на базата на PVC, полипропилен, полиуретан и др. През последните години във вентилационните и климатичните инсталации широко се използват и гъвкави тръби и маркучи. Доскоро те се прилагаха предимно в местни смукателни инсталации. Сред най-често използваните въздуховоди от изкуствени материали са кръглите тръби или правоъгълните канали, изработени от листове PVC и полиетилен. Обикновено свързването на отделните листове се осъществява чрез залепване или заваряване. Този вид въздуховоди са устойчиви на корозионното въздействие на почти всички агресивни газове и пари, но са с ограничена температурна устойчивост. Подходящи са за температури до около 60 - 80 °С. Други техни недостатъци са увеличаване на чупливостта им при понижение на температурата и фактът, че променят структурата си под въздействие на слънчевата радиация.
Използването на гъвкави тръби и маркучи съществено облекчава монтажа, особено при изработване на въздухопроводната мрежа в заводски условия. Много подходящи са за свързване на смукатели и въздухоразпределители към главните въздухопроводи. Произвеждат се в различни модификации в зависимост от използвания материал, гъвкавостта, топлинната им изолация и т.н. Изработват се предимно от спиралнонавита или пръстеновидно свързана лента от алуминий, специална хартия, изкуствени материали и гума. В някои случаи, в заводски условия върху такива тръби се поставя високоефективен изолационен материал. Обикновено връзката между тях или към съоръженията се осъществява с вътрешна (щуцер) или външна (маншет) муфа от ламарина. За уплътняване се използва самозалепваща се лента. Високо качество и плътност на връзката се постига при използване на гривни от термопласти, които след загряване се свиват плътно около тръбите.
За да се осигури нормална и безпроблемна работа на вентилационната система, при използването на гъвкави тръби и маркучи е необходимо те да отговарят на следните изисквания - минимален радиус на огъване, максимална допустима разлика в наляганията от двете страни, минимална въздухопропускаемост, механична якост при удар. Добре е, също така, да се има предвид, че към негоримите тръби принадлежат само тези от алуминиево фолио.

Изработват се и от изолационни плочи
Въздухопроводите се изработват и от изолационни плочи от твърдопресована мергелна или стъклена вата, каширани с алуминиево фолио. При тази конструкция се постига добра топлинна и звукова изолация, но въздуховодите имат ограничени якостни характеристики. За осъществяване на надлъжните връзки на стените обикновено се използва ъглов профил от тънкостенна ламарина.
В редица приложения се използват и плочи на базата на азбестоцимент (етернит, интернит), гипс, силикати, изкуствени материали (тип сандвич с експандиран пенополиуретан) и други.
Независимо от вида на материала, съществуват редица общи изисквания. Преди всичко, материалът трябва да осигурява гладка вътрешна повърхност на въздухопровода, да не задържа прах и да позволява лесно почистване. Необходимо е и материалите да са нехигроскопични и въздухонепроницаеми, както и да са корозионноустойчиви, негорими и да не променят физическите си свойства във времето. При избора на материал за въздухопровод е добре да се вземат предвид експлоатационните условия -  като температура, влажност и газов състав на въздуха, както и архитектурата и конструкцията на сградата, необходимата надеждност и, не на последно място, разбира се, икономическите показатели.

Свързване на отделните части от въздухопровода
Отделните части от въздухопровода се свързват помежду си фланцово, с рейки и муфи, или чрез заваряване. Разнообразието на конструкции се обяснява с разликите в размерите на напречните сечения и технологиите на изработване.
Широко са разпространени рейковите връзки, които обаче се използват предимно за правоъгълни въздуховоди. За въздуховодите с кръгло напречно сечение от изкуствени материали се използват предимно връзки с муфи и нипели. Уплътняването се осъществява чрез самозалепваща се лента или загряване на муфи от специални пластмаси.
Фланцовите връзки се изпълняват в два основни варианта в зависимост от материала, от който са изработени фланците. Между тях се поставя уплътнител (гума, азбест) и се пристягат с винтови съединения. При първия вариант, който е подходящ за всички форми на въздуховодите, се използват фланци от ъглови стоманени профили. В зависимост от размерите на напречното сечение се определят големината на профилите и стъпката, както и броят на винтовите съединения. При този вид връзки се постига висока плътност на въздухонепроницаемостта и повишена товароносимост на въздухопровода. Недостатъци на свързването са голямата маса, трудоемкият монтаж, необходимостта от пространство за извършване на монтажните операции и относително по-високата цена.
Вторият вариант се препоръчва предимно за свързване на правоъгълни въздуховоди. При него се постига олекотена конструкция, като фланците са от студеносгънат профил със свързващи ъгли, през които преминават винтовите съединения. За страни с дължини над 1000 mm се препоръчва използването на укрепващи скоби. Фланците се закрепват към въздухопровода чрез нитоване или електросъпротивително заваряване.
Когато с въздуха се транспортират твърди частици или токсични газове, обикновено стоманените въздуховоди се заваряват. Заваряването се препоръчва и за технологични смукателни инсталации на агресивни токсични газове.
За да се предотврати пренасянето на вибрации, свързването на въздухоразпределителната мрежа към машини и движещи се части се осъществява чрез участъци от еластичен въздухонепроницаем материал.
Монтажът на въздухопроводите
се извършва върху конозоли, опори и подвески. Широко се използва окачването с подвески от перфорирана лента. За всяка отделна конструкция товароносимостта и необходимото разстояние между отделните подвески е индивидуално и се дава от производителя. Обикновено за диаметри, по-малки от 630 mm, разстоянието е 4 m, за диаметри под 1000 mm е 3 m, а над 1000 mm - 2 m. Препоръчително е за въздуховоди, в които се очаква кондензация на водни пари, хоризонталните части да се монтират под наклон от 3 градуса.
Желателно е въздухопроводите да не пресичат тръби или строителни елементи. Ако това се налага, елементите се облицоват с цел постигане на обтекаема форма и ненарушаване на целостта на въздухопровода. Когато се предвижда открит монтаж, сред важните критерии за избор е дизайнът. При закрит монтаж се вземат предвид разполагаемото място и възможността за вграждане в строителната конструкция.
Независимо от начина на монтаж, редица производители препоръчват използването на въздухопроводи с кръгло напречно сечение. В зависимост от предназначението на инсталацията се определя и необходимата плътност на въздухопроводната мрежа.

Загуби на налягане от триене във въздухопроводите
Известно е, че при транспортирането на въздух във въздухопроводите се наблюдават загуби на налягане. В правите участъци на въздуховодната мрежа тези загуби се дължат на триене и на местните съпротивления при промяна характера на течението. Загубите на налягане от триене са определят от израза
Dpтр = Rl = (l/d)pдl, Ра,
където l е коефициент на триене; d - диаметър на въздухопровода, m; pд - динамичното налягане, Ра, а l е дължината на правия участък.
За кръглите въздуховоди с грапавост на стените e = 0,15 mm, специфичните загуби от триене Rc, за въздуха при стандартни условия, т.е. при температура tc = 20 °C и барометрично налягане Bc = 101,3 kPa, се определят графично. Всяко изменение на температурата, барометричното налягане и относителна влажност j оказва влияние върху плътността r и кинематичния вискозитет u на въздуха, а следователно и върху R.
При определени условия е възможно да се пренебрегне влиянието на температурата, налягането и барометричното налягане върху R. Влиянието на температурата е несъществено, когато тя е в границите t = tc ± 20 °C, на налягането, когато p = Bc ± 5 кРа, а на барометричното налягане, при надморска височина до 500 m (тогава грешката е в границите на ± 5 %).
Определянето на R за други условия се осъществява като отчетените стойности за Rс се коригират или R = Rскгрко,  Pa/m. Във формулата кгр  е корекционният коефициент за грапавост, който според действителната грапавост на стените на използвания материал се определя графично при повърхнини с по-малка гладкост и таблично при повърхнини с по-малка грапавост от еталона (e = 0,15 mm). От своя страна, ко е корекционният коефициент за плътност и вискозитет на въздуха: ко = (rд /rс )0,9 .(uд/uс)0,1 , където индексът д е за действителни условия, а с - за стандартни условия.
За правоъгълни и овални въздуховоди загубите на налягане от триене се определят както при кръгли въздухопроводи. Разликата е, че при тях се работи с еквивалентния диаметър du  по дебит. За правоъгълни въздуховоди du = 1,3 ((ab)0.625)/((a+b)0.25), mm, където a и b са размерите на въздухопровода, mm. За овалните въздуховоди при отношение на страните a/b в границите от 2 до 4.1 - du = 1,55А0,625Р-0,25, mm, където А е лицето на напречното сечение на овален въздухопровод и се определя с израза А = (pb2)/4 + b(a - b), mm, а Р е периметърът на напречното сечение - Р = pb + 2(a - b), mm.
При въздухопроводи, използвани за пневмотранспорт, загубите от триене се повишават поради наличието на твърди частици във въздушния поток. Определят се чрез израза
Dpтр тн = Dpтр (1+кпрmпр), Ра,
където Dpтр са загуби при транспортиране на чист въздух, Ра; кпр - коефициент на пропорционалност на нарастване на загубите, който зависи от вида на примесите; mпр = mпр/mвз е относителната част на примесите във въздуха, равна на отношението на масовите дебити на примесите и на въздуха.

Загубите от местни съпротивления
Dpм.с обикновено се съпровождат и от загуби от триене Dpmp. За по-лесно определяне, загубите от местни съпротивления се разглеждат отделно. Те се определят с израза Dpм.с = zpд,  Ра, където z е коефициент на местно съпротивление, а pд  - динамично налягане. Стойностите на z се получават обикновено по експериментален път и се дават в таблици в зависимост от вида на местните съпротивления. Когато на отворите за вход и изход на въздуха или на друг елемент се монтира решетка (перфорирана плоча), общият действителен коефициент z'о се пресмята като:
l за равни сечения Ао = А1 чрез обикновено сумиране и z'о = zо + zp;
l за нееднакви сечения Ао № А1 и z'о = zо + zp/(А1/Ао)2 , където zp е коефициент на местно съпротивление на решетката за сечението А1, в което е поставена; а zо - на разглеждания елемент за сечението Ао.
Загубите от триене в местните съпротивления се пресмятат заедно с тези на правите участъци. Дължината на правия участък се измерва между центровете на ограничаващите го от двете страни местни съпротивления.