Hệ thống vận chuyển không khí (part1)

Theo chức năng

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

- Đường ống cung cấp không khí (Supply Air Duct - SAD)

- Đường ống hồi gió (Return Air Duct - RAD)

- Đường ống cấp không khí tươi (Fresh Air Duct)

- Đường ống thông gió (Ventilation Air Duct)

- Đường 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:

Theo áp suất

Theo áp suất dư của dòng không khí trong đường ống người ta chia ra làm 3 loại: đường ống có 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

- Đường ống gió treo

- Đường ống gió ngầm

Theo hình dáng tiết diện đường ống

- Đường ống chữ nhật, hình vuông;

- Đường ống tròn;

- Đường ống ô van.

Theo vật liệu chế tạo đường ống

- Đường ống tôn tráng kẽm;

- Đường ống inox;

- Đường ống nhựa PVC;

- Đường ống polyurethan (foam PU).

Dưới đây chúng ta nghiên cứu đặc điểm và cấu tạo của hai loại đường ống thường hay sử dụng trên thực tế la: đường ống ngầm và đường ống treo.

Vật liệu sử dụng

Vật liệu chế tạo đường ống gió thường là 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 chưa có các qui định cụ thể và chi tiết 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 9.2 trình bày một số qui cách về chế tạo và lắp đặt đường ống gió.

Các qui định về gia công và lắp đặt ống gióHình dạng tiết diện

Hình dáng đường ống gió rất đa dạng: Chữ nhật, tròn, vuông và ô van. Tuy nhiên, đường ống 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, dễ bọc cách nhiệt và đặc biệt các chi tiết phụ như cút, xuyệt, chạc 3, chạc 4 vv . . . dễ chế tạo hơn các kiểu tiết diện khác.

Các loại tiết diện đường ống

a- Chữ nhật; b- Tiết diện vuông; c- Tiết diện tròn; c- Tiết diện ô van

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.

Qui định về bọc cách nhiệt

Hiện nay người ta thường sử dụng bông thuỷ tinh chuyên dụng để bọc cách nhiệt các đường ống gió, bông thuỷ tinh được lắp lên đường ống nhờ các đinh mũ được gắn lên đường ống bằng các chất keo, sau khi xuyên lớp bông qua các đinh chông người ta lồng các mảnh kim loại trông giống như các đồng xu vào bên ngoài kẹp chặp bông và bẻ gập các chông đinh lại.

Cần lưu ý sử dụng số lượng cách chông đinh một cách hợp lý , khi số lượng quá nhiều sẽ tạo cầu nhiệt không tốt, nhưng nếu quá ít thì bông sẽ được giữ không chặt. Mật độ đinh gắn khoảng 01 đinh trên 0,06m² bề mặt ống gió.

Cách gắn lớp cách nhiệt

1- Đinh chông; 2- Lớp bông thuỷ tinh cách nhiệt

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

Cần lưu ý các loại đường ống gió nào thì cần bọc cách nhiệt và độ dày tương ứng bao nhiêu. Các đường ống bọc cách nhiệt bao gồm: đường cấp gió và đường hồi gió. Các đường ống cấp gió tươi, hút xả và thông gió không cần bọc cách nhiệt.

Đường hồi gió đi trong không gian điều hòa không cần bọc cách nhiệt. Riêng đường ống cấp gió đi trong không gian điều hoà có thể bọc hoặc không tuỳ thuộc nhiệt độ và tầm quan trọng của phòng. Khi không bọc cách nhiệt trên bề mặt đường ống khí mới vận hành có thể đọng sương, do nhiệt độ trong phòng còn cao, sau một thời gian khi nhiệt độ phòng đã giảm thì không xảy ra đọng sương nữa.

Chiều dày lớp bông thủ tinh cách nhiệt phụ thuộc kích thước đường ống và tính năng của đường ống. Nói chung đường ống cấp gió cần bọc bông thuỷ tinh dày hơn đường hồi gió. Đường ống càng lớn, bọc cách nhiệt càng dày. Chiều dày lớp bông cách nhiệt nằm trong khoảng 2075mm.

Ghép nối đường 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. Trước kia người ta thường sử dụng các thanh sắt V để làm bích đường ống gió. Ưu điểm của bích nối kiểu này là rất chắc chắn, ghép nối dễ dàng, tuy nhiên việc gắn kết các thanh sắt V vào đường ống gió khó khăn và khó tự động hoá, nên chủ yếu chế tạo bằng thủ công. Đối với công trình lớn, việc làm bích V sẽ rất chậm chạp, khó đạt được tiến độ yêu cầu.

Chi tiết bích nối đường ống

1- Bích sắt V; 2- Đinh tán; 3- Gân gia cường; 4- Ống gió

Để chế tạo hàng loạt bằng máy, hiện nay người ta thường sử dụng bích tôn. Bích tôn có nhiều kiểu gắn kết khác nhau cho ở hình 9-5 dưới đây.

Các kiểu lắp ghép đường ống

Treo đỡ

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

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

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

Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống đường ống 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:

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

f_x - Tiết diện thoát gió của miệng thổi, m²;

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

Quan hệ giữa cột áp tĩnh trên đường và vận tốc không khí ra các miệng thổi .

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

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 H_t) đã chuyển thành cột áp động của dòng không khí chuyển động ra miệng thổi:

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

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

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

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

Từ đó rút ra:

Theo (9-3) và (9-4) 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 v_x (hay g_x vìtiết diện của các miệng thổi đều nhau) ta khảo sát phân bố cột áp tĩnh H_t dọc theo đường ống để xem xét với điều kiện nào phân bố cột áp tĩnh sẽ đồng đều trên toàn tuyến ống.

Trường hợp ρ(ω21 - ω2n)/2 = ΣΔp ta có Hn = H1:

Cột áp thuỷ tĩnh ở miệng thổi đầu bằng miệng thổi cuối. Điều đó xay ra khi giảm cột áp động bằng tổng tổn thất trên tuyến ống.

Đây là trường hợp lý tưởng, tốc độ và lưu lượng ở các miệng thổi đầu tiên và cuối tuyến ống sẽ đều nhau. Tuy nhiên để tất cả các miệng thổi có lưu lượng gió đều nhau thì phải thoả mãn điều kiện sau:

Tức là giảm cột áp động từ miệng thổi thứ nhất đến miệng thổi bất kỳ đúng bằng tổng trở lực từ miệng thổi thứ nhất đến miệng thổi đó. Hay nói cách khác, trong quá trình chuyển động của dòng không khí cần thiết kế đường ống sao cho giảm cột áp động vừa đủ để bù tổn thất áp suất từng đoạn ống.

Từ đây chúng ta có thể suy ra cơ sở để thiết kế đường ống gió đảm bảo phân bố gió đều giữa các miệng thổi là giảm dần tốc độ gió dọc theo chiều chuyển động vừa đủ để giảm cột áp động giữa các miệng thổi bằng tổng trở lực trên đoạn ấy.

Trường hợp ρ(ω21 - ω2n)/2 > ΣΔp hay Hn > H1

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

Trong trường hợp này ta có cột áp thủy tĩnh phía cuối tuyến ống lớn hơn phía trước, gió sẽ dồn về cuối tuyến ống.

Trường hợp này có thể xãy ra khi:

- Tốc độ đoạn đầu quá lớn, nên áp suất tĩnh bên 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 đường ống 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 ΣΔp 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.

Điều này có thể gặp trong trường hợp ví dụ dưới đây. Trên một đoạn ống khá ngắn, bố trí nhiều miệng thổi . Do lưu lượng thay đổi một cách nhanh chóng nên nếu không thay đổi tiết diện đường ống thì tốc độ giảm rất nhanh, kết quả cột áp động cũng giảm nhanh. Tuy nhiên do đoạn ống rất ngắn nên Δp_i rất nhỏ, có thể bỏ qua. Vì vậy ta sẽ có H₄ >> H₁ . Gió sẽ tập trung về cuối tuyến ống (trường hợp A).

Để khắc phục cần tăng tốc độ đoạn cuối bằng cách giảm diện tích f_i của đường ống. Trong trường hợp này do Δp_i ≈ 0, nên phải tăng f_i sao cho ω_i ≈ ω₁ tức là:

Trường hợp ρ(ω21 - ω2n)/2 < ΣΔp hay Hn < H1

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:

- Chọn tốc độ đoạn đầu quá nhỏ, nhưng đường ống quá dài và khúc khuỷu. Trong trường hợp này gió không đủ năng lượng để chuyển động đến cuối đường ống và tập trung ở các miệng thổi đầu.

- Tổn thất đường ống quá lớn: Đường ống quá dài, có nhiều chổ khúc khuỷu, nên tổn thất áp suất quá lớn, giảm cột áp động không đủ bù tổn thất áp suất.

- 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:

Sự phân bố cột áp tĩnh trên đường ống hút.

Xét một đường ống hút, tốc độ trung bình và cột áp tĩnh của dòng không khí ngang qua tiết diện có miệng hút đầu là ω₁ và H₁ , của miệng hút thứ 2 là ω₂ và H₂ ... và của miệng hút thứ n là ω_n và H_n .

Trở kháng thủy lực tổng của đường ống là ΣΔp

Phân bố cột áp tĩnh dọc theo đường ống hút

Tương tự như trường hợp dòng không khí dọc theo đường ống cấp gió, ta có biểu thức:

Như vậy, để đảm bảo H₁ = H₂ = . . . = H_n

Thì phải đảm bảo

Xét miệng hút thứ nhất với miệng hút thứ n, để đảm bảo phân bố gió đều giữa 02 miệng hút đó ta phải đảm bảo giảm cột áp động từ miệng hút thứ nhất đến miệng hút thứ n bằng tổng tổn thất áp suất trong khoảng đó, tức là:

Tổn thất ma sát

Tổn thất ma sát được xác định theo công thức:

λ - Hệ số trở lực ma sát

l - chiều dài ống, m;

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

ρ - Khối lượng riêng của không khí, kg/m³;

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

* Đối với ống tôn mỏng hoặc nhôm có bề mặt bên trong láng và tiết diện tròn thì hệ số trở lực ma sát có thể tính như sau:

trong đó:

Re là tiêu chuẩn Reynolds :

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

ω - Tốc độ chuyển động trung bình của không khí trên đường ống, m/s

d - Đường kính của ống, m

Đối với ống chữ nhật có thể tính theo công thức này nhưng quy đổi ra đường kính tương đương.

* Đối ống gió có bề mặt bên trong nhám

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

* Đối với ống bằng nhựa tổng hợp

- Đối với polyetylen :

- Đối với vinylplast :

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 (9-18) ta có thể viết lại như sau:

l - Chiều dài đường ống, m

Δp₁ - Tổn thất áp lực trên 1m chiều dài đường ống, Pa/m

Đồ thị xác định tổn thất ma sát

Người ta đã xây dựng đồ thị nhằm xác định Δp₁ trên hình 9.9. Theo đồ thị này khi biết 2 trong các thông số sau: lưu lượng gió V (lít/s), tốc độ không khí ω (m/s) trong đường ống, đường kính tương đương d_tđ (mm) là xác định được tổn thất trên 1m chiều dài đường ống. Phương pháp xác định theo đồ thị rất thuận lợi và nhanh chóng.

Tổn thất cục bộ

Tổn thất áp lực cục bộ được xác định theo công thức:

Trị số  trở lực cục bộ phụ thuộc hình dạng, kích thước và tốc độ gió qua chi tiết.

Nếu tốc độ trên toàn bộ ống đều thì có thể xác đinh

Có 2 cách xác định tổn thất cục bộ:

a). Xác định tổn thất cục bộ theo công thức (9-25), trong đó hệ số  được xác định cho từng kiểu chi tiết riêng biệt: Cút, côn, Tê, Chạc ...vv và cho ở các phụ lục.

b). Qui đổi ra độ dài ống thẳng tương đương và xác định theo công thức tổn thất ma sát:

trong đó 1tđ=ξdλ size 12{1 rSub { size 8{ ital "tđ"} } = { {ξd} over {λ} } } {}là chiều dài tương đương, m

Dưới đây chúng tôi lần lượt giới thiệu cách tính tổn thất cục bộ theo 2 cách nói trên.

Cút tiết diện tròn

Cút tiết diện tròn có các dạng chủ yếu sau (hình 9-9a,b,c):

- Cút 90^o tiết diện tròn, cong đều;

- Cút 90^o tiết diện tròn, ghép từ 35 đoạn;

- Cút 90^o ghép từ 02 đoạn thẳng tạo thành góc θ^o;

Cút tiết diện tròn

Cút tiết diện chữ nhật

Cút tiết diện chữ nhật thường được chế tạo theo một trong các cách sau đây:

Trên hình 9-10 là các dạng cút tiết diện chữ nhật có thể có.

- Trường hợp 1: Cút 90o, tiết diện chữ nhật, cong đều. Yêu cầu kỹ thuật là bán kính trong R₁ tuỳ chọn, nhưng không nên quá bé. Tối ưu là R₁= 0,75W , R₂=1,75W và R = 1,25W

- Trường hợp 2: Cút 90o, thẳng góc và không có cánh hướng. Loại này ít dùng trên thực tế vì trở lực cục bộ khá lớn.

- Trường hợp 3: Cút 90o, thẳng góc và có các tấm hướng dòngcánh đơn với bước cánh là S, đoạn thẳng của cánh là L

- Trường hợp 4 : Cút 90 o , thẳng góc và có các cánh hướng dạng khí động, bước cánh S, bán kính cong của cánh là R.

Cút tiết diện chữ nhật

Côn mở và đột mở

Côn mở hay đột mở là chi tiết nơi tiết diện tăng dần từ từ hay đột ngột

Trong trường hợp này tốc độ tính theo tiết diện đầu vào

A₁- Diện tích tiết diện đầu vào, m²;

A₂- Diện tích tiết diện đầu ra, m²;

Đối với côn mở và đột mở ta có các trường hợp phổ biến như sau:

- Côn hoặc đột mở tiết diện tròn;

- Côn hoặc đột mở tiết diện chữ nhật.

Cần lưu ý rằng đột mở là trường hợp đặc biệt của côn khi góc mở hoặc góc thu là 180^o

Côn mở và đột thu

Côn thu và đột thu

- Côn thu là nơi tiết diện giảm theo chiều chuyển động của không khí. Côn thu có 2 loại: loại tiết diện thay đổi từ từ và loại tiết diện thay đổi đột ngột (đột thu). Tiết diện côn có thể là loại tròn hay chữ nhật.

- Khi tính toán trở lực tính theo tiết diện và tốc độ đầu vào

Côn thu và đột thu

A₁ - Tiết diện đầu vào của côn, mm²;

A₂- Tiết diện đầu ra của côn (A₂ > A₁) , mm²;

θ - Góc côn, ^o.

Bảng 9.17. Hệ số 

Đoạn ống hội tụ

Đoạn ống hội tụ là đoạn ống góp từ 2 dòng không khí trở lên. Thông thường ta gặp các đoạn ống hội tụ trong các ống hút về, ống thải. Trên hình 9-9 là các trường hợp thường gặp.

Để tính toán trong trường hợp này , tốc độ được chọn là tốc độ đoạn ống ra

Đoạn ống hội tụ tiết diện chữ nhật