محاسبات کانال و فشار استاتیک

پس از محاسبه مقدار هوای مورد نیاز برای یک فضای مشخص، باید سیستم کانال کشی را برای انتشار هوا به فضاهای مختلف طراحی و تعیین اندازه نمود. همچنین ضروری است فشار استاتیکی را که فن باید تولید کند را تعیین کرد. این فشار استاتیک مثبت (جهت تامین) و یا منفی (جهت تخلیه) به منظور غلبه بر مقاومت سیستم کانال کشی که شامل کانال اصلی، کانال های انشعابی، اتصالات و سایر تجهیزات سیستم کانال کشی می باشد به کار می رود. هر کانال علاوه بر مقاومتی که به دلیل اصطکاک ایجاد می کند، به دلیل وجود اتصالات و تجهیزات مانند زانو، فیلتر، هود، دمپر، کویل های سرمایی و گرمایی، دیفیوزرها و … نیز مقداری مقاومت اضافی تولید می کند. همان طور که قبلا ذکر شد، دمپرها در عین این که باعث اتلاف انرژی هستند اما وجود آن ها به دلیل بالانس سیستم و فراهم نمودن هوای تعیین شده برای هر فضا لازم است. لذا فن باید فشار استاتیک بیشتری را تولید کند به طوری که دمپر با کاهش دبی جریان، هوای مورد نیاز هر فضا را تامین نموده و سیستم را بالانس نماید.
به طور کلی جهت طراحی سیستم کانال کشی و محاسبه فشار استاتیک مورد نیاز از ۴ روش زیر استفاده می شود.
۱. روش اصطکاک یکسان
۲. روش کاهش سرعت
۳. روش سرعت ثابت
۴. روش بازیافت فشار استاتیک
به کارگیری این روش ها بسته به نوع کاربری فضا و شرایط موجود مانند تعداد انشعابات و سرعت مجاز جریان متفاوت می باشد. جدول ۱ سرعت جریان را بدون در نظر گرفتن این موضوع که کدامیک از این ۴ روش استفاده می شوند نشان می دهد. ما در این جا به توضیح این ۴ روش می پردازیم. ذکر این مطلب در شروع بحث ضروری است که به جهت پایین نگهداشتن اصطکاک کانال، استفاده از کانال های با مقطع دایره ای انتخاب اول و کانال های با مقطع مربع انتخاب جایگزین به شمار می روند. در صورت استفاده از کانال های با مقطع مستطیل می بایست نسبت ابعاد به مربع نزدیک باشد. ما در این جا محاسبات را برای کانال های دایره ای شکل انجام می دهیم. ابعاد کانال های مستطیل شکل می تواند با توجه به مقطع دایره ای شکل محاسبه شده از چهار روش مذکور انتخاب شود.

روش اصطکاک یکسان

این روش، روش مناسبی برای سیستم هایی است که سرعت جریان در کانال آن ها متوسط است. از این روش برای سیستم های تامین و همین طور سیستم های تخلیه هوا استفاده می شود. در روش اصطکاک یکسان، انتخاب قطر و سرعت کانال برای یک اصطکاک مساوی (در هر ۱۰۰ فوت طول کانال) صورت می گیرد. این اصطکاک معمولا بین ۱/۰ تا ۲/۰ اینچ آب است. مقادیر بزرگتر منجر به کاهش قطر کانال و افزایش سرعت جریان در کانال می شود.
قطر کانال در این روش از رابطه زیر محاسبه می گردد:

D^۵  = (CFM/K) ^۲

در این رابطه D قطر کانال بر حسب اینچ می باشد. همچنین مقدار K برای افت فشار معین در هر ۱۰۰ فوت طول کانال یک عدد ثابت

می باشد که از جدول ۲ یا شکل ۱ قابل استخراج است.

جدول ۲–  مقادیر K برای مقادیر مختلف افت فشار(اینچ آب) در هر ۱۰۰ فوت طول کانال

شکل ۱ –  نمودار K و F

مشاهده می شود که در این رابطه با افزایش دبی، قطر کانال افزایش می یابد. همچنین از آنجا که برای یک افت فشار بیشتر مقدار K بیشتری نیز به دست می آید لذا با افزایش مقدار افت فشار، قطر کانال کاهش می یابد.

D^۵  = (CFM/K) ^۲

با تعیین قطر کانال و دبی هوا می توان سطح مقطع کانال و سرعت جریان را نیز مطابق روابط زیر محاسبه نمود:

A= π (D/24)^۲

V=CFM/A

VP=(V/4005)^۲

سرعت جریان در کانال می بایست با مقادیر پیشنهادی در جدول مطابقت داشته باشد و در غیر این صورت باید افت فشار اصطکاکی انتخاب شده مورد تجدید نظر قرار گیرد.

F=0.0195 (12L/D)VP

۱۲L/D = قطر کانال/ طول کانال

روش کاهش سرعت

این روش برای تعیین ابعاد کانال سیستم های تخلیه یا تامین هوا که در آنها انشعابات متعدد با طول های مختلف وجود دارد مناسب است. در سیستم های تامین هوا، ابتدا سرعت جریان را برای ابتدای کانال اصلی درست پس از خروجی فن و با توجه به جدول تعیین می کنیم. مقدار این سرعت به دلیل آن که طی چند مرحله در انشعابات مختلف کاهش می یابد، باید به اندازه کافی بالا باشد. به همین دلیل این روش به روش کاهش سرعت موسوم است. برای سیستم های تخلیه روش کار درست عکس این است. به این صورت که سرعت انتخابی می بایست به اندازه کافی کوچک باشد تا طی چند مرحله افزایش در انشعابات کانال به سمت ورودی فن جریان یابد لذا شاید بهتر باشد برای سیستم های تخلیه اسم این روش را روش افزایش سرعت بنامیم اگرچه برای هردو روش یک اسم به کار می رود. مطابق روش قبل در این جا نیز افت فشار اصطکاکی با فشار سرعت جریان در کانال متناسب بوده و از دمپرها برای بالانس سیستم استفاده می شود. در مقایسه با روش قبل به دلیل این که تقارن انشعابات در این روش کمتر به چشم می خورد، دمپرها نقش مهمتری را در تنظیم دبی جریان ایفا می کنند. مقادیر قطر، سرعت جریان و افت فشار اصطکاکی در هر شاخه از روابط زیر حاصل می شوند.

A= π (D/24)^۲

V=CFM/A

VP=(V/4005)^۲

F=0.0195 (12L/D)VP

۱۲L/D = قطر کانال/ طول کانال

   D  = ۱۳.۵۴√A

روش سرعت ثابت

این روش برای سیستم های پنوماتیک انتقال مواد که در آن ها نیاز به در تعلیق نگهداشتن ذرات مانند براده های چوب، دانه های غلات و … وجود دارد به کار می رود. در این سیتم ها اغلب یک کانال وجود دارد اما در بعضی موارد از یک یا دو کانال انشعابی نیزاستفاده می شود. بسته به نوع و وزن ذراتی که می بایست انتقال یابد سرعت جریان بسیار بالا و بین fpm 3000 تا fpm 7000 می باشد.

روش بازیافت فشار استاتیک

از مزایا و کاربردهای این روش امکان استفاده از آن برای فضاهایی است که می بایست مقدار یکسانی از هوای تازه در قسمت های مختلف انتشار یابد. افزایش فشار استاتیک زمانی رخ می دهد که حرکت جریان هوا کند شود. هنگامیکه این اتفاق می افتد در حدود نیمی از فشار سرعت جریان به شکل فشار استاتیک اضافی باز تولید می شود. (نیم دیگر به صورت اصطکاک و توربولانس اتلاف می گردد.) و این افت فشار ممکن است به دلیل زاویه مخروطی کانال و یا به دلیل آنکه کانال مقداری از جریان را به عقب و به صورت معکوس هدایت می کند – در حالیکه قطر کانال در طول مسیر تغییر نمی یابد – صورت گیرد. در هر سه روشی که تا به حال بررسی شد مشاهده کردیم که قطر کانال در هر انشعاب کاهش می یابد. در روش بازیافت فشار استاتیک قطر کانال اصلی در تمام طول مسیر ثابت می ماند. این امر سبب کاهش سرعت جریان در محل هر انشعاب و افزایش فشار استاتیک در این محل می گردد که برای غلبه بر اصطکاک کانال به صورت متوالی در هر مقطع کانال اصلی (مابین محل دو انشعاب) به کار می رود، بنابراین فشار استاتیک در محل هر انشعاب یکسان باقی می ماند.
در روش کاهش سرعت جریان، یک سرعت نسبتا بالا برای اولین مقطع کانال اصلی انتخاب می شد و قطر کانال در این قسمت محاسبه می شد. برای مقاطع بعدی کانال اصلی، قطر کانال و سرعت جریان در کانال کاهش می یافت. در روش بازیافت فشار استاتیک نیز برای اولین مقطع کانال اصلی یک سرعت جریان نسبتا بالا در نظر گرفته می شود و قطر کانال نیز در این قسمت محاسبه می شود با این تفاوت که برای مقاطع بعدی تغییری در قطر کانال صورت نمی گیرد و قطر کانال ثابت باقی می ماند اگرچه سرعت جریان از روش کاهش سرعت نیز دارای افت بیشتری است.
در این روش نیز مشابه روش های قبل داریم:

A= π (D/24)^۲

V=CFM/A

VP=(V/4005)^۲

F=0.0195 (12L/D)VP

۱۲L/D = قطر کانال/ طول کانال

   D  = ۱۳.۵۴√A

می توان سرعت را از رابطه V=CFM/A و فشار سرعت جریان را از رابطه VP=(V/4005)^۲ (  تعیین کرد. با استفاده از طول داکت (L) افت فشار اصطکاکی را برای این مقطع محاسبه می کنیم.

نگارش: دکتر پویا صانعی پور