Duto redondo vs retangular: qual é melhor?

1. Fundo

O sistema de dutos de ar é um componente crucial na engenharia de ar condicionado e ventilação. Sua finalidade é transportar de forma eficiente o ar ajustado até o equipamento final com base na vazão projetada.

Normalmente, os dutos de ar têm três formatos de seção transversal: retangular, circular e oblonga. Os dutos retangulares são geralmente produzidos rebitando quatro placas de aço, enquanto os dutos redondos são criados enrolando uma placa de aço de 137 mm de largura em uma máquina formadora 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 utilizados devido ao seu processo de fabricação simples e aos pequenos requisitos de espaço de instalação. No entanto, com o desenvolvimento de grandes máquinas formadoras de dutos circulares em espiral, muitos projetos de engenharia demonstraram que dutos circulares são mais econômicos e apresentam melhor desempenho em outros parâmetros de engenharia em comparação com 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 fornecimento 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 vêm em vários formatos, incluindo redondo, semicircular, quarto de círculo, oval e semi-oval para acomodar os requisitos de diferentes estruturas de construção.

Duto de tecido de fibra redonda

Tabela 1: A quota de mercado das condutas circulares em 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 económica, o custo total de um sistema de condutas de ar num edifício ao longo da sua vida útil pode ser dividido em:

• Investimento inicial: Inclui custos de projeto, custos de material e instalação, custos de espaço, custos de comissionamento, etc.
• Custos operacionais: Inclui salários do pessoal, custos de energia e custos de manutenção.
• Custo de renovação: Inclui o custo de reparo e substituição de peças desgastadas.

Pesquisas estrangeiras mostraram que, em muitos parâmetros, os sistemas de dutos circulares superam os sistemas de dutos retangulares.

Este artigo irá resumir as conclusões destes estudos e concentrar-se na comparação dos aspectos económicos dos sistemas de condutas de ar.

Deve-se notar que, em circunstâncias normais, o custo de renovação constitui uma pequena parcela do custo total e, portanto, não será considerado nesta discussão.

2. Investimento inicial

As razões pelas quais o investimento inicial necessário para um sistema de condutas circulares é inferior ao de um sistema de condutas rectangulares são as seguintes:

• Os dutos redondos são mais fáceis de fabricar e transportar.
• Os componentes e acessórios dos dutos circulares foram altamente padronizados.
• Os dutos circulares são estruturalmente mais capazes de suportar a pressão sem deformação, enquanto os dutos retangulares requerem parafusos, rebites, vigas de suporte e outras medidas de reforço adicionais.
• Para o mesmo diâmetro hidráulico, um duto circular requer menos metal que um duto retangular. Quanto maior for a proporção do duto retangular, maior será o consumo de metal.
• A estrutura suspensa dos dutos circulares é mais fácil de instalar em comparação aos dutos retangulares. De acordo com GB50243-2002 “Código para Construção e Aceitação de Trabalhos de Ventilação e Ar Condicionado”, a distância entre suportes para dutos retangulares com lados longos maiores que 400mm é de 4m, enquanto a distância entre suportes para dutos espirais é aumentada para 5m.
• O ponto de medição para medir o volume de ar de um duto circular é menor que o de um duto retangular, portanto, quando o sistema de dutos estiver balanceado, o custo de comissionamento também será menor que o de um duto retangular.
• Os dutos circulares podem reduzir significativamente a introdução de ruído de baixa frequência na sala, reduzindo assim a necessidade de equipamentos de redução de ruído.

Projetamos dois esquemas de sistema de ventilação para uma sala grande usando dutos circulares e retangulares e comparamos a perda de pressão do sistema e os parâmetros econômicos relacionados. Os resultados, baseados nos preços do mercado nórdico do ano, são apresentados na Figura 1.

Os cálculos mostraram que, sob as mesmas condições de equipamento final, o custo global de instalação do sistema de condutas circulares foi apenas metade daquele do sistema de condutas rectangulares, e o custo do material do sistema de condutas circulares foi de 80% daquele do sistema de condutas rectangulares. sistema.

Perda total de pressão (Pa): 150,0 Custo total de instalação: 0,51R Custo total do material: 0,8 milhões (A)	Perda total de pressão (Pa): 165,4 Custo total de instalação: R Custo total do material: M （B）

Figura 1: Comparação de esquemas de projeto de dutos

(A) Duto circular (B) Duto retangular

A análise económica do espaço ocupado pelo sistema de condutas é um desafio devido à sua dependência da estrutura e finalidade do edifício.

Geralmente, acredita-se que os dutos retangulares economizam espaço, mas na realidade, para dutos retangulares com proporção próxima, a área real que ocupam é maior do que a dos dutos circulares. Isto ocorre principalmente porque os dutos retangulares requerem flanges para conexão, e a altura das bordas dos flanges 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. Assim, para dutos de ar retangulares com proporção próxima a 1, as vantagens dos dutos circulares não podem ser negligenciadas.

(A)	(B)

Figura 2: Comparação do esquema de conexão do duto

(A) Duto retangular (B) Duto circular

Para dutos retangulares com grandes proporções, eles podem ser substituídos por vários dutos circulares, conforme mostra a 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 neste esquema o investimento inicial é quase o mesmo do duto retangular.

Figura 3: Um plano alternativo para que o duto retangular de 550 mm × 150 mm seja substituído por dois dutos circulares D = 200 mm

3. Custos Operacionais

Em circunstâncias normais, a maior parte dos custos operacionais dos sistemas de ar condicionado é o consumo de energia. Isto 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 estiver bem isolado, a quantidade de vazamento de ar dos dutos torna-se uma fonte significativa de consumo excessivo de energia.

Para o sistema de dutos, o ventilador fornece energia circulante 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 pressão disponível de todo o sistema de dutos é de cerca de 200-300Pa.

Portanto, é crucial minimizar a perda de carga no 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 de 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.

3.1 Taxa de Vazamento de Ar

A taxa de vazamento do duto de ar pode ser calculada pela seguinte fórmula:

• f_referência = taxa de vazamento de área
• q_vl = vazamento de ar
• A = área de superfície do duto
• K = constante de vazamento de ar
• △p_referência = diferença de pressão entre o duto e o exterior

Na Europa, a estanqueidade das condutas de ar é dividida em quatro níveis (A, B, C, D) de acordo com a constante de fuga de ar.

Tabela 2 Mostra as constantes máximas de vazamento de ar permitidas para os respectivos graus.

Classe A	KA =	0,027×10-3 eu3 é-1 eu-2 Pai-0,65
Classe B	KB =	0,009×10-3 eu3 é-1 eu-2 Pai-0,65
Classe C	KC =	0,003×10-3 eu3 é-1 eu-2 Pai-0,65
Classe D	KD =	0,001×10-3eu3é-1eu-2Pai-0,65

Tabela 2: Classificação de estanqueidade ao ar em sistemas de dutos europeus

A comparação com dutos circulares mostra que os dutos retangulares exigem significativamente mais parafusos e rebites para conexão, levando a um vazamento de ar muito maior.

A Figura 4 apresenta dados medidos da Bélgica, que mostram que a taxa média de fugas de condutas retangulares é sete vezes superior à das condutas circulares.

O “Código para Construção e Aceitação de Obras de Ventilação e Ar Condicionado” GB50243-2002 também estabelece que o vazamento de ar permitido para dutos circulares é 50% daquele para dutos retangulares.

Figura 4: Medições das taxas de fuga de ar em 21 edifícios belgas (Carrié et al, 1999)

3.2 Perda de Carga

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 apresentam a mesma perda de pressão ao longo do caminho.

A Figura 5 compara a perda de pressão de um duto circular (D = 0,5m, U = 5m/s, Σ = 0,15mm) e um duto retangular com a mesma área e vazão. É evidente que neste caso, a perda de pressão do duto retangular é muito maior do que a do duto circular, e à medida que a relação de aspecto do duto aumenta, a perda de pressão aumenta. Isto implica que é necessária uma maior potência do ventilador.

Figura 5: Comparação da perda de pressão entre duto retangular e duto circular com vazão e velocidade de vazão constantes (vazão = 1m³/s, v = 5m/s)

O conceito de “diâmetro equivalente hidráulico” assume 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. No entanto, 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 utilizado com cautela nos dois casos a seguir:

• O fluxo é muito pequeno e o campo de fluxo não consegue atingir o estado de turbulência completa.
• A seção transversal do tubo está longe de ser circular, ou seja, o retângulo tem uma grande relação comprimento-largura.

Os dados experimentais também questionam a universalidade do diâmetro hidráulico equivalente. JONES conduziu uma série de experimentos sobre a perda de pressão em dutos retangulares lisos. A reanálise de seus dados experimentais é mostrada na Figura 6.

Apesar da falta de dados para 10

Os experimentos de Griggsetal com dutos retangulares ásperos tiveram resultados semelhantes.

Figura 6: Comparação da perda de pressão entre duto retangular liso e duto circular com diferentes relações comprimento-largura

3.3 Custos de Manutenção

Para prevenir a síndrome do edifício doente, é necessário limpar regularmente os dutos de ar. Os métodos de limpeza incluem o método seco (usando aspirador de pó e escova) ou método úmido (usando um esfregão longo). Em ambos os casos, a limpeza de dutos circulares é mais fácil do que dutos retangulares.

4. Conclusões

A análise econômica de sistemas de dutos de ar é uma tarefa desafiadora. Deve considerar uma série de factores, uma vez que a vida útil de um sistema de condutas pode muitas vezes exceder dez anos. Neste caso, uma pequena melhoria no design e na qualidade pode aumentar muito a rentabilidade do investimento.

Assim, a utilização de dutos circulares é uma solução mais econômica. No entanto, é importante notar que, por razões como silêncio e espaço, 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.