Kandilised õhukanalid

Kandilised õhukanalid peaksid kõnealla tulema alles siis, kui teistsuguse geomeetriaga torustik ei anna soovitud tulemust. [1]

Õhukanalite dimensioneerimine seisneb parima võimaliku kombinatsiooni leidmises. Projekteerija ülesanne on vähendada energiakulu ja müra. Samal ajal jälgides ruumi, materjali, paigalduse, maksumuse jms piiranguid. [1]

Kasutades tavapärast lähenemist siis külgede suhe peaks alati olema võimalikult lähedane 1:1-le [1]. Kandiliste kanalite külgede suhe üle 4:1 ei ole soovitatav [2].

Aerodünaamika

Turbulentne vool ja külgede mõju

Orlandi ja Pirozzoli (2019) viisid läbi kõrglahutusega DNS-arvutused (Direct Numerical Simulation), et uurida õhuvoolu käitumist ristkülikukujulistes kanalites erinevate külgede suhete korral.
Tulemused näitavad, et nurga piirkondades tekivad nõrgad sekundaarsed voolud, mis on tunduvalt aeglasemad kui põhivool ning mille mõju keskmisele kiirusjaotusele on väike, eriti suurte Reynoldsi arvude korral.

“Sekundaarsed voolud on põhilise voolu suhtes pigem nõrgad ning seetõttu on ebatõenäoline, et need muudaksid oluliselt statistilisi profiile võrreldes tavaliste seinaäärsete vooludega. Eriti kehtib see suurte Reynoldsi arvude puhul, kus tugevaim keerisenergia koondub järjest väiksemasse piirkonda.”
(Orlandi & Pirozzoli, 2019, lk 2)

See tähendab, et isegi suure külgede suhtega (nt 6:1 või 8:1) kanalites on põhivoolu kiirusjaotus peaaegu ühtlane ning rõhukadu suureneb võrreldes ruudukujulise kanaliga vaid umbes 5–10 % [4][5].
Seinte ja nurkade mõju tegelikule aerodünaamikale on seega märgatavalt väiksem, kui tavaliselt arvatakse.

Akustika

Õhukanali akustiline käitumine sõltub peamiselt voolukiirusest, materjali jäikusest ja seinte vibratsioonist.
Turbulentne õhuvool sirgetes kanalites tekitab ise suhteliselt vähe müra — peamine heli tekib liitmike, suunamuutuste, restide ja klappide piirkonnas, kus vool muutub ebastabiilseks ja energia hajub heliks. [1][8]

Kõrge küljesuhtega (nt 6:1 või 8:1) kanalites ei ole sisemine aerodünaamiline müra tavaliselt probleem.
Küll aga muutuvad sellised kanalid akustiliselt tundlikumaks kanali seinavibratsiooni ja heli läbilaske seisukohalt.

Laiad ja õhukesed knalid võivad madalatel sagedustel hakata võnkuma ventilaatori, õhuimpulsside või hoone konstruktsiooni vibratsiooni mõjul.
Selline paneelivibratsioon on eeskätt konstruktsiooniline nähtus — kanalisein käitub osaliselt nagu membraan, mis võimendab madalsageduslikke rõhumuutusi. [2]

Kui kanalisein hakkab võnkuma, võib selle kaudu hakata levima heli õhku või kõrvalruumidesse.
Seda nimetatakse heli läbikiirguseks (breakout noise), mis ei ole sama mis kanaliseina enda võnkumine, vaid selle võnkumisest või õhukesest kanaliseinast põhjustatud õhu kaudu leviv müra. [2][8]

Võnkumine sõltub peamiselt seinapaksusest, tugevduste vahekaugusest ja kasutatud materjalist.
Näiteks DW/144 [2] määrab maksimaalsed lubatud läbipaine väärtused vastavalt kanali survetüübile ja külgede mõõtmetele, et piirata nii mehaanilist kui ka akustilist resonantsi.
Mida suurem on kanali laius, seda tihedamalt tuleb kasutada jäigastusribasid või suuremat plekipaksust.

Kui on vajalik vähendada kanalist väljuvat heli, kasutatakse:

• Topeltseinalisi või isolatsiooniga kanaleid,
• Sisepindmise vooderdisega kanaleid (nt mineraalvill + perforeeritud sisesein),
• või kanalite akustilisi summuteid vahetult müratekitajate juures. [3][9]

Samuti tuleb arvestada, et õhuvoolu tekitatud müra hakkab märgatavalt suurenema alles siis, kui voolukiirus ületab umbes 10–12 m/s või kui õhk läbib järsu kuju- või suunamuutuse (näiteks kitsenduse, painutuse või siibri).
Sellisel juhul tekib müra peamiselt turbulentsest energiast ja rõhuimpulsside lagunemisest, mitte kanali sirge lõigu enda voolust. [1][8][9]

Kokkuvõtlikult: sirged ja korrektselt projekteeritud kanalilõigud ei ole ise olulised müraallikad.
Müraga tuleb tegeleda liitmike, ventilaatorsõlmede ja konstruktsioonilise jäikuse tasandil, mitte vältida kõrgema külgede suhtega kanaleid puhtalt akustilistel kaalutlustel.

Arutelu

Tuginedes käesoleval leheküljel toodud allikatele võib järeldada, et kvaliteetse ja optimeeritud lahenduse saavutamiseks ei piisa üksnes rusikareeglite järgimisest. Külgede suhtarvu ja õhukiiruse kohta käivad lihtsustatud juhised piiravad sageli projekteerija võimet leida antud olukorrale parim tehniline kompromiss. Lisaks rusikareeglite tundmisele peab projekteerija olema valmis väljuma mugavustsoonist ning rakendama füüsikalist mõtlemist ja analüüsi.

Rusikareeglid on pärit ajast, mil informatsioon ja arvutusvõimsus olid piiratud ning detailne modelleerimine polnud võimalik. Tänapäeval on need eeldused muutunud — inseneeria peab ajaga kaasas käima, mitte jääma kinni konservatiivsesse mugavustsooni. Tehniline otsus peab põhinema andmetel, standarditel ja mõistmisel, mitte pelgalt traditsioonilisel “nii on alati tehtud” mõtteviisil.

Õhuvool sirges kanalis käitub sarnaselt jõevooluga. Isegi siis, kui vesi liigub kiiresti, on sileda jõesängi lõik peaaegu vaikne — vool on stabiilne ja energia püsib kontrolli all. Iseloomulik kohin tekib alles siis, kui vesi kohtub kivide, käänakute või astangutega. Sama kehtib ka õhukanalite puhul: turbulents ja müra tekivad peamiselt liitmike ja suuna- või ristlõikemuutuste piirkonnas, mitte sirgetes ja sujuvates lõikudes.

Paslik on välja tuua olukorrad, kus kanal töötab "kõrge" rõhu all ja õhk hakkab lekkima pragude või ühenduskohtade kaudu — sel juhul muutuvad lekkeavad ise väikesteks düüsideks, mis tekitavad iseloomulikku vilinat või sisinat. See ei ole õhuvoolu enda müra, vaid lekete kaudu väljuva õhu akustiline nähtus.

Viited

[1] The Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE). Guide B2: Ventilation and Ductwork (2016). London: CIBSE. ISBN 978-1-906846-75-6.

[2] Building Engineering Services Association (BESA). DW/144: Sheet Metal Ductwork. 2nd ed. London: BESA, 2019. ISBN 978-1-916953-04-0.

[3] Behl, H. R. Duct Systems Design Guide. Ottawa: National Research Council of Canada, Institute for Research in Construction (NRCC 47381), 1999. ISBN 0-660-17798-8.

[4] Orlandi, P., & Pirozzoli, S. DNS of Transitional and Turbulent Flows in Rectangular Ducts. arXiv preprint arXiv:1907.07987, 2019.

[5] Holmes, D. B. Velocity Profiles in Ducts with Rectangular Cross Sections. Chemical Engineering Science, Vol. 23, 1968, pp. 715–728.

[6] Liu, W., Long, Z., & Chen, Q. A Procedure for Predicting Pressure Loss Coefficients of Duct Fittings Using CFD (RP-1493). HVAC&R Research, Vol. 18, No. 6, 2012, pp. 1168–1181.

[7] Peszyński, K., Drobniak, S., & Puchała, K. Analysis of the Velocity Distribution in Different Types of Duct Flows. EPJ Web of Conferences 180 (2018), 02081.

[8] The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Fundamentals Handbook – Chapter 21: Duct Design. Atlanta: ASHRAE, 2017.

[9] Sheet Metal and Air Conditioning Contractors’ National Association (SMACNA). HVAC Systems – Duct Design. Chantilly, VA: SMACNA, 2013.