Por que os dutos redondos geralmente são preferidos aos retangulares em sistemas HVAC? Apesar do uso tradicional de dutos retangulares, a engenharia moderna revela que os dutos redondos oferecem vantagens significativas. Eles são mais econômicos na fabricação, mais fáceis de instalar e melhores para minimizar o vazamento de ar e a perda de pressão. Este artigo explora esses benefícios, comparando o investimento inicial, os custos operacionais e a eficiência geral. No final, você entenderá por que a mudança para dutos redondos pode resultar em economias substanciais e melhor desempenho em seus projetos de HVAC.
O sistema de dutos de ar é um componente crucial na engenharia de ar condicionado e ventilação. Sua finalidade é transportar com eficiência o ar ajustado para o equipamento final com base no fluxo projetado.
Normalmente, os dutos de ar têm três formas de seção transversal: retangular, circular e oblonga. Os dutos retangulares geralmente são produzidos rebitando quatro chapas de aço, enquanto os dutos redondos são criados enrolando uma chapa de 137 mm de largura em um tubo de aço. chapa de aço em uma máquina de formação de espiral. Os dutos oblongos são relativamente incomuns e normalmente são formados pela compressão de dutos circulares.
Antes de 1960, os dutos retangulares eram os mais usados devido ao seu processo de fabricação simples e à necessidade de pouco espaço para instalação. No entanto, com o desenvolvimento de grandes máquinas de formação de dutos circulares em espiral, muitos projetos de engenharia demonstraram que os dutos circulares são mais econômicos e têm melhor desempenho em outros parâmetros de engenharia em comparação com os dutos retangulares.
Muitos dutos de ar de tecido de fibra atualmente disponíveis no mercado são sistemas de distribuição de ar que combinam recursos como saídas de ar, dutos de suprimento de ar, caixas de pressão estática, materiais de isolamento térmico e amortecedores. Eles ganharam popularidade entre os usuários devido às suas vantagens, como fornecimento de ar preciso e uniforme, bloco de instalação leve, aparência atraente e resistência a bactérias e mofo.
Os dutos de tecido de fibra são fornecidos em vários formatos, incluindo redondo, semicircular, quarto de círculo, oval e semioval para acomodar os requisitos de diferentes estruturas de edifícios.
Duto de tecido de fibra redondo
Tabela 1: A participação de mercado dos dutos circulares a cada ano:
| País | 1960 | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | 1985 | 1990 | 2000 |
| Nórdico | 5 | 15 | 40 | 60 | 70 | 80 | 85 | 90 |
| Alemanha | 5 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 25 | 50 |
| França | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 50 | 65 |
| Inglaterra | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 35 | 35 | 55 |
Do ponto de vista da análise econômica, o custo total de um sistema de dutos de ar em um edifício durante sua vida útil pode ser dividido em:
Pesquisas estrangeiras mostraram que, em muitos parâmetros, os sistemas de dutos circulares superam os sistemas de dutos retangulares.
Este artigo resumirá os resultados desses estudos e se concentrará na comparação dos aspectos econômicos dos sistemas de dutos de ar.
Deve-se observar que, em circunstâncias normais, o custo de renovação constitui uma pequena parte do custo total e, portanto, não será considerado nesta discussão.
Os motivos pelos quais o investimento inicial necessário para um sistema de dutos circulares é menor do que o de um sistema de dutos retangulares são os seguintes:
Projetamos dois sistema de ventilação para uma sala grande usando dutos circulares e retangulares, e comparou a perda de pressão do sistema e os parâmetros econômicos relacionados. Os resultados, baseados nos preços do mercado nórdico do ano, são mostrados na Figura 1.
Os cálculos mostraram que, sob as mesmas condições do equipamento final, o custo geral de instalação do sistema de dutos circulares era apenas a metade do custo do sistema de dutos retangulares, e o custo do material do sistema de dutos circulares era 80% do custo do sistema de dutos retangulares.
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| Perda de pressão total (Pa): 150.0 Custo total da instalação: 0,51R Custo total do material: 0,8 milhão （A） | Perda de pressão total (Pa): 165.4 Custo total da instalação: R Custo total do material: M （B） |
Figura 1: Comparação dos esquemas de projeto de dutos
(A) Duto circular (B) Duto retangular
A análise econômica do espaço ocupado pelo sistema de dutos é um desafio devido à sua dependência da estrutura e da finalidade do edifício.
Em geral, acredita-se que os dutos retangulares economizam espaço, mas, na realidade, para dutos retangulares com uma relação de aspecto próxima, a área real que eles ocupam é maior do que a dos dutos circulares. Isso ocorre principalmente porque os dutos retangulares exigem flanges para conexão e a altura das bordas do flange é normalmente maior que 20 mm, conforme mostrado na Figura 2 (A).
No entanto, os modernos dutos de ar em espiral podem ser conectados com flexibilidade padronizada, conforme mostrado na Figura 2 (B), o que não apenas economiza espaço, mas também é mais fácil de instalar. Portanto, para dutos de ar retangulares com uma relação de aspecto próxima a 1, as vantagens dos dutos circulares não podem ser ignoradas.
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| (A) | (B) |
Figura 2: Comparação das conexão do duto esquema
(A) Duto retangular (B) Duto circular
No caso de dutos retangulares com grandes proporções, eles podem ser substituídos por vários dutos circulares, conforme mostrado na Figura 3. Essa alternativa pode facilitar muito o controle do volume de ar e também reduzir os custos de instalação. Embora o custo dos materiais possa aumentar, uma pesquisa mostrou que, com esse esquema, o investimento inicial é quase o mesmo que o do duto retangular.
Figura 3: Um plano alternativo para substituir o duto retangular de 550 mm × 150 mm por dois dutos circulares D = 200 mm
Em circunstâncias normais, a maior parte dos custos operacionais dos sistemas de ar condicionado é o consumo de energia. Isso inclui a energia necessária para aquecer ou resfriar o ar e também para transportar o ar até o equipamento final. Se todo o sistema de dutos for bem isolado, a quantidade de vazamento de ar dos dutos se tornará uma fonte significativa de consumo excessivo de energia.
Para o sistema de dutos, o ventilador fornece energia de circulação, e a pressão do vento do ventilador normalmente não excede 650Pa. Excluindo a perda de pressão no equipamento final da unidade de tratamento de ar, a cabeça de pressão disponível de todo o sistema de dutos é de cerca de 200-300Pa.
Portanto, é fundamental minimizar a perda de carga para o sistema de dutos de ar. Ao mesmo tempo, o nível de vazamento de ar também afeta diretamente a seleção da potência do ventilador. De acordo com o teorema do ventilador, a potência do ventilador é proporcional ao cubo do volume de ar. Ou seja, se a taxa de vazamento do duto de ar for 6%, a potência do ventilador aumentará em 20%. A taxa de vazamento dos dutos de ar circulares é muito menor em comparação com os dutos de ar retangulares.
A taxa de vazamento do duto de ar pode ser calculada pela seguinte fórmula:
Na Europa, a estanqueidade dos dutos de ar é dividida em quatro níveis (A, B, C, D) de acordo com a constante de vazamento de ar.
A Tabela 2 mostra as constantes de vazamento de ar máximas permitidas para os respectivos graus.
| Classe A | KA= | 0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe B | KB= | 0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe C | KC= | 0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe D | KD = | 0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Tabela 2: Classificação da estanqueidade do ar em sistemas de dutos europeus
A comparação com dutos circulares mostra que os dutos retangulares exigem um número significativamente maior de parafusos e rebites para a conexão, o que leva a um vazamento de ar muito maior.
A Figura 4 exibe dados medidos na Bélgica, que mostram que a taxa média de vazamento dos dutos retangulares é sete vezes maior do que a dos dutos circulares.
O "Código para Construção e Aceitação de Trabalhos de Ventilação e Ar Condicionado" GB50243-2002 também afirma que o vazamento de ar permitido para dutos circulares é 50% do que para dutos retangulares.
Figura 4: Medições das taxas de vazamento de ar em 21 edifícios belgas (Carrié et al, 1999)
O equivalente hidráulico é utilizado para estimar a perda de pressão do sistema de dutos retangulares com o mesmo diâmetro equivalente hidráulico. Apesar de suas diferentes formas de seção transversal, eles têm a mesma perda de pressão ao longo do caminho.
A Figura 5 compara a perda de pressão de um duto circular (D = 0,5 m, U = 5 m/s, Σ = 0,15 mm) e um duto retangular com a mesma área e taxa de fluxo. É evidente que, nesse caso, a perda de pressão do duto retangular é muito maior do que a do duto circular e, à medida que a proporção do duto aumenta, a perda de pressão aumenta. Isso implica que é necessária uma potência maior do ventilador.
Figura 5: Comparação da perda de pressão entre o duto retangular e o duto circular com fluxo e velocidade de fluxo constantes (fluxo = 1m³ / s, v = 5m / s)
O conceito de "diâmetro hidráulico equivalente" pressupõe que a tensão de cisalhamento média ao longo do limite de um duto retangular deve ser consistente. Em outras palavras, a linha isocinética deve ser paralela ao limite do duto de ar. Entretanto, os resultados reais das medições mostram que, em um duto de ar retangular, o gradiente de velocidade ao longo da linha diagonal decai mais lentamente e o gradiente de velocidade ao longo da linha central decai mais lentamente.
Portanto, em teoria, o diâmetro hidráulico equivalente deve ser usado com cautela nos dois casos a seguir:
Os dados experimentais também questionam a universalidade do diâmetro hidráulico equivalente. JONES realizou uma série de experimentos sobre a perda de pressão de dutos retangulares lisos. A reanálise de seus dados experimentais é mostrada na Figura 6.
Apesar da falta de dados para 10 <relação de aspecto <25, os dados da Figura 6 ainda sugerem fortemente o efeito monotonicamente crescente da relação comprimento-largura na perda de pressão do diâmetro hidráulico equivalente.
Os experimentos de Griggsetal com dutos retangulares ásperos têm resultados semelhantes.
Figura 6: Comparação da perda de pressão entre o duto retangular liso e o duto circular com diferentes proporções de comprimento e largura
Para evitar a síndrome do edifício doente, é necessário limpar os dutos de ar regularmente. Os métodos de limpeza incluem o método seco (usando um aspirador de pó e uma escova) ou o método úmido (usando um esfregão longo). Em ambos os casos, a limpeza de dutos circulares é mais fácil do que a de dutos retangulares.
A análise econômica de sistemas de dutos de ar é uma tarefa desafiadora. Ela deve considerar uma série de fatores, pois a vida útil de um sistema de dutos pode ultrapassar dez anos. Nesse caso, uma pequena melhoria no projeto e na qualidade pode aumentar muito a lucratividade do investimento.
Portanto, o uso de dutos circulares é uma solução mais econômica. No entanto, é importante observar que, por motivos como silêncio e espaço, os dutos retangulares ainda são recomendados para alguns componentes de grande fluxo e tamanho do sistema de dutos de ar, como aberturas de entrada de ar fresco e saídas de dispositivos de tratamento de ar.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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