Hidravlični vs. Ekvivalentni premer: Napaka pri računanju zračnih kanalov, ki se odraža v padcu tlaka
Na v prejšnjem tednu izvedenem IZS izobraževanju »Osnove projektiranja zračnih kanalskih sistemov« se je skozi razgovor z udeleženci pokazalo, da pri projektiranju teh sistemov prihaja do sistemske zamenjave dveh ključnih pojmov: hidravličnega in ekvivalentnega premera pravokotnega kanala. Čeprav oba pretvarjata pravokotno obliko v okroglo, služita popolnoma različnima namenoma. Mešanje obeh vrednosti vodi v napačne izračune trenja in napačno dimenzioniranje sklopov kanalskega sistema.
Naj takoj pojasnim kaj je razlog za nastanek napake. Inženirji pravokotne kanale pogosto preračunavajo na okrogle premere z napačno predpostavko, da je en premer univerzalen za vse korake izračuna.
- Hidravlični premer (dh): Temelji na geometrijskem razmerju med površino preseka (A) in omočenim obsegom (P). Uporablja se izključno za izračun Reynoldsovega števila in koeficienta trenja (λ).
- Ekvivalentni premer (de): Je premer okroglega kanala, ki ima pri enakem prostorninskem pretoku in enakem faktorju trenja popolnoma enak padec tlaka zaradi trenja kot pravokotni kanal. Namenjen je preračunu ob uporabi diagrama za dimenzioniranje, izrisanega za okrogle cevi. Za ta izračun se uporablja Huebscher-jeva enačba:
Spodnja razpredelnica prikazuje razlike med obema premeroma za nekaj običajnih velikosti pravokotnih kanalov po SIST EN 1505:
V nadaljevanju prikaz velikosti napake na primeru pravokotnega kanala 500 x 300 mm in prostorninskem pretoku 3000 m3/h, pri čemer znaša hitrost 5,56 m/s. Če projektant padec tlaka v kanalu dolžine 10 m določi s pomočjo diagrama za okrogle cevi, se zgodi naslednje:
1. Pravilen izračun (uporaba ekvivalentnega premera de = 420 mm)
- Ekvivalentni premer podaja dejanske izgube pravokotnega kanala.
- Padec tlaka zaradi trenja znaša približno 0,96 Pa/m.
- Skupni padec tlaka za 10 m: 9,6 Pa.
2. Napačen izračun (uporaba hidravličnega premera dh = 375 mm)
- Inženir v diagramu napačno odčita vrednost za premer 375 mm.
- Padec tlaka zaradi trenja naraste na približno 1,68 Pa/m.
- Napačno izračunan padec tlaka za 10 m: 16,8 Pa.
Zaradi uporabe napačnega premera je upor v delu ravnega kanala za kar 76 % višji (16,8 Pa namesto dejanskih 9,6 Pa), kar vodi v določitev prevelikega in preglasnega ventilatorja s povišano priključno električno močjo. Spodaj je podan diagram za odčitavanje padca tlaka zaradi trenja na dolžinsko enoto v odvisnosti od pretoka, podanega v L/s, pri čemer zasenčeno sivo območje predstavlja območje priporočljive stopnje trenja in hitrosti zraka. Temelji na standardnem pretoku zraka skozi okrogle pocinkane kanale z drsnimi spojkami z žlebovi na medosni razdalji 1200 mm, kar ustreza absolutni hrapavosti 0,09 mm. Popravki niso potrebni za: (1) materiale kanalov s srednje gladkim faktorjem hrapavosti, (2) temperaturne spremembe reda ±15 K od 20 °C, (3) nadmorske višine do 500 m in (4) tlak v kanalih od -5 do +5 kPa glede na tlak okolice.
V razpredelnici v nadaljevanju je podan ekvivalentni premer pravokotnega kanala, kot izhaja izračunan iz Huebscher-jeve enačbe. Diagram in razpredelnica sta prevzeta iz ASHRAE priročnika, Osnove.
Združenje ASHRAE priporoča prednostno uporabo okroglih kanalov, sicer pa sploščenih ovalnih kanalov v primerih, kadar je potrebna vrhunska aerodinamična in akustična učinkovitost okroglih kanalov, vendar je projektant, omejen z višino stropa, plitkim tehničnim stropom ali tesnim inštalacijskim jaškom, to je v primerih, ko okroglih kanalov ne more umestiti. Glede na predstavljeno in še posebej v tehnični smernici TSG-1-004 priporočen SFP dovodnega in odvodnega ventilatorja, bi bilo upravičeno pričakovati, da bi v novih stavbah vgrajevali samo še okrogle oziroma sploščene ovalne kanale. V zadnji razpredelnici so podane enakovredne velikosti sploščenih ovalnih kanalov, izračunanih po Heyt & Diaz enačbi iz leta 1975. Njen vir je prav tako ASHRAE priročnik, Osnove.
Današnji projektant zračnih kanalov mora še vedno razumeti razliko med obema premeroma. Sodobna programska orodja so zelo zmogljiva, vendar so samo »kalkulatorji«, ne inženirji. Brez tega povsem osnovnega znanja inženir tvega, da bo naredil drage in nepopravljive napake. Neredko se napake dogajajo pri izvedbi, ko se projektirana velikost pravokotnega kanala zaradi prilagajanj spreminja v drugačno. Takrat pride še kako prav predstavljena prva razpredelnica.
Novico pripravil:
Mitja Lenassi, PI, CxA, BEMP