Расчет площади живого сечения КИД: теория и реальность

Н. В. Кашенцева, инженер-проектировщик ОВиК

Одной из ключевых задач при проектировании клапанов сброса избыточного давления является обеспечение работы в регламентированном диапазоне параметров. Для систем противодымной вентиляции помещений этот диапазон, как правило, ограничен значениями 20–150 Па. Столь узкий интервал обусловливает необходимость выполнения расчетов с высокой степенью достоверности, поскольку даже незначительная погрешность может привести к неработоспособности системы.

Цель данной работы – выявление физической сущности и границ применимости формулы для предварительного расчета площади живого сечения клапана избыточного давления. В статье рассматриваются основные моменты, определяющие необходимость корректировки коэффициентов.

В ходе анализа исследовались стеновые клапаны избыточного давления (КИД). Вместе с тем клапаны избыточного давления выпускаются и в других конструктивных исполнениях. В частности, канальные клапаны применяются в составе обвязки вентиляторов, а также для организации сброса избыточного давления в смежное помещение или наружу. Особенности расчета для указанных случаев различаются, поэтому в рамках настоящей статьи они не рассматриваются.

В ряде каталогов приводится формула для предварительного расчета площади живого сечения клапана избыточного давления. Например, согласно [1] подбор клапана осуществляется следующим образом:

где
V_д– скорость потока воздуха в открытой двери при закрытом клапане, м/с;

S_д– площадь открытой двери, м²;

k_пр– коэффициент, учитывающий конструктивные особенности клапана (для КИД рекомендуется принимать равным 1,7);

ΔP– перепад давления на клапане при закрытой двери, соответствующий избыточному давлению в тамбур-шлюзе, Па;

ρ – плотность воздуха, кг/м³.

Аналогичная формула представлена в каталогах других производителей [2–4]. Разница в коэффициенте k – обычно он варьируется от 1,7 до 1,8.

Физическая интерпретация коэффициента k неоднократно становилась предметом обсуждения в профессиональной среде. Несмотря на кажущуюся очевидность его связи с коэффициентом местного сопротивления, обоснование этой зависимости может быть выполнено различными способами.

Часто предполагается, что данная зависимость определяется исключительно коэффициентом местного сопротивления самого клапана избыточного давления:

Однако при обратном расчете полученное значение коэффициента может отличаться от диапазона 1,7–1,8. Сопротивление стенового клапана для сечения, соответствующего расходу воздуха через открытую дверь, как правило, находится в пределах 0,7–1,0. Под указанным сечением в данном случае понимаются размеры проема 700×500–900×400 мм; конкретные значения коэффициентов сопротивления для рассматриваемых диапазонов будут представлены далее.

Причина заключается в том, что при таком подходе учитывается не вся совокупность аэродинамических факторов, определяющих процесс истечения. В действительности расчетная схема включает не только сопротивление самого клапана: первоначально необходимо учитывать истечение воздуха через проем в плоской стенке, а затем – дополнительное сопротивление, вносимое установленным в данном проеме клапаном. Именно пренебрежение первой составляющей является одной из наиболее распространенных причин расхождения расчетных и фактических значений.

Для более детального рассмотрения данного вопроса обратимся к данным, приведенным в отечественных справочных изданиях по аэродинамическим сопротивлениям и расчету вентиляционных систем [5, 6]. В частности, в разделе 4.3 «Естественная вентиляция» справочного издания [5] рассматриваются особенности расчета сопротивлений при движении воздуха через проемы и элементы естественной вентиляции (с. 941, формула 4.69):

где
М – массовый расход газа, проходящего через отверстие любой формы, кг/с;

ρ – плотность воздуха, кг/м³;

Q – объемный расход воздуха через отверстие, м³/с;

μ – коэффициент расхода для данного отверстия, зависящий от числа Рейнольдса и формы отверстия;

S – площадь отверстия, м²;

Δp – перепад давления между входом и выходом, Па;

γ – удельный вес воздуха, Н/м³.

Таким образом, для расчета количества воздуха, проходящего через любое отверстие, необходимо знать площадь его сечения, коэффициент расхода, плотность воздуха и перепад давлений по обе стороны отверстия. Коэффициент расхода может быть вычислен через коэффициент местного сопротивления по формуле [5, с. 941]:

Произведение скорости воздуха в дверном проеме на площадь дверного проема является объемным расходом, т. е. для формулы из [1] справедливо:

Из формулы (4.69) [5] выразим площадь отверстия:

Отсюда:

                                
Полученное выражение соответствует формуле, выведенной ранее другими специалистами. Однако следует обратить внимание, что коэффициент местного сопротивления, входящий в данную зависимость, не является характеристикой непосредственно клапана избыточного давления.

При расчете перетока воздуха через тонкую стенку необходимо учитывать суммарное сопротивление, включающее коэффициент местного сопротивления самого проема, обусловленный потерями давления при сжатии и последующем расширении потока, а также сопротивление установленного в проеме элемента – решетки или клапана. Данный подход приведен в справочной литературе [6, с. 119].

При установке сетки на входе потока суммарный коэффициент местного сопротивления может быть приближенно определен как сумма коэффициентов сопротивления сетки и входа:

где
ζ' – коэффициент сопротивления входа без сетки, определяемый по диаграммам 3-1, 3-4 – 3-8 в зависимости от формы входной кромки [6];

ζ – коэффициент сопротивления сетки, определяемый по графикам диаграммы 8-6 [6];

n = F₁/F₀ – отношение площади сечения в месте установки сетки к площади узкого сечения входного участка.

Поскольку клапаны типа КИД выполняются с прямоугольным или квадратным проходным сечением, определение коэффициентов расхода возможно на основании данных для проемов аналогичной формы, приведенных в справочной литературе [5, с. 68].

При турбулентном потоке и достаточно больших числах Re коэффициент расхода прямоугольного отверстия равен 0,62, а квадратного – 0,6.

Выполним вычисления:

                прямоугольное: μ = 0,62, следовательно, ζ = 2,60;

                квадратное: μ = 0,60, следовательно, ζ = 2,78.

Рассмотрим отверстие с клапаном без решетки.

Прямоугольная форма: тогда для значений 1,7 ≤ k ≤ 1,85 – 0,29 ≤ ζ_клапан ≤ 0,8225.

Квадратная форма:   тогда для значений 1,7 ≤ k ≤1,85 – 0,11 ≤ ζ_клапан ≤ 0,6425.

Для анализа характеристик клапанов избыточного давления рассмотрим данные нескольких производителей.

Согласно данным [1], для клапанов, сопоставимых по габаритным размерам с рассчитанными на расход воздуха через открытый дверной проем, коэффициент местного сопротивления составляет около 0,7 (значения предоставляются производителем по запросу). Минимальное значение коэффициента местного сопротивления для представленного ряда клапанов составляет 0,37 и соответствует клапану с наибольшим проходным сечением; максимальное значение – 1,5 – относится к клапану сечением 150×150 мм. Рекомендуемое k_пр = 1,7.

В [4] приведены значения минимального коэффициента местного сопротивления клапана в зависимости от высоты клапана (размер В) при полностью открытой створке. Согласно представленным данным, при увеличении размера B от 250 до 700 мм коэффициент местного сопротивления снижается с 0,62 до 0,40. Рекомендуемое k_пр = 1,8.

В [2] представлен широкий спектр конструктивных исполнений клапанов избыточного давления, включая одностворчатые и многостворчатые конструкции, а также варианты с различными типами привода. В связи с этим значения коэффициента местного сопротивления зависят не только от геометрических размеров, но и от конструктивного исполнения клапана. Значение коэффициента порядка 0,7 соответствует одностворчатому исполнению, выбранному для обес-печения расхода через проем средней открытой двери, тогда как для многостворчатых клапанов оно может достигать 1,0. Следует отметить, что производитель указывает: приведенные характеристики не относятся к режиму полностью открытых створок.

Однако в актуальных материалах [2] приведена формула для определения требуемого проходного сечения клапана:

где
V_дв – скорость потока воздуха в открытой двери при закрытом клапане, м/с;

S_дв– площадь открытой двери, м²;

ΔP_кид – перепад давления на клапане при закрытой двери, соответствующий избыточному давлению в тамбур-шлюзе, Па;

ρ – плотность подаваемого воздуха, кг/м³.

Для расчета проходного сечения клапана избыточного давления применительно к другим помещениям может использоваться формула, основанная на объемном расходе воздуха:

где Q – объемный расход воздуха, м³/с;

ΔP – перепад давления на клапане, Па;

ρ – плотность воздуха, кг/м³.

Представленные зависимости основаны на упрощенной расчетной модели, в которой отдельный коэффициент расхода явно не учитывается. Поэтому при использовании такой зависимости целесообразно учитывать условия, при которых она была получена, и границы ее применимости.

Для проверки применимости приведенных в каталогах коэффициентов k рассмотрим несколько конкретных примеров.

Пример 1. Клапан стеновой 800×500 [4]:

• ζ клапана = 0,46;
  
• ζ отверстия = 2,60 (μ = 0,62);
  
• ζ суммарное ≈ 2,89;
  
• k = √2,89 = 1,74926 ≈ 1,8, что соответствует принятому в каталогах значению [4].

Однако при наличии защитной решетки необходимо учитывать дополнительное сопротивление, связанное с уменьшением живого сечения. Согласно данным [6, с. 119], сопротивления элементов с различным расчетным сечением не могут быть непосредственно просуммированы без учета соответствующих поправок. При принятии коэффициента живого сечения решетки 0,7 и сопротивления решетки ζ_реш = 1,7 получаем:

Полученный результат показывает, что установка защитной решетки может заметно влиять на итоговое значение коэффициента. Поэтому при наличии дополнительных элементов их аэродинамическое сопротивление следует учитывать отдельно.

Пример 2. Клапан стеновой 800×500 тип 1 [4]:

• ζ клапана = 0,8;
  
• ζ отверстия = 2,60 (μ = 0,62);
  
• ζ суммарное ≈ 3,4;,
  
• k = √3,4 =1,84.

Для клапана стенового 800×500 тип 2 [4]:

• ζ клапана = 0,9;
  
• ζ отверстия = 2,60 (μ = 0,62);
  
• ζ суммарное ≈ 3,5;
  
• k = √3,5 =1,87.

Для клапана стенового 300×300 тип 2 [4]:

• ζ клапана = 1,3;
  
• ζ отверстия = 2,78 (μ = 0,6, как для квадратного);
  
• ζ суммарное ≈ 4,65;
  
• k = √4,65 = 2,156.

Таким образом, даже без учета сопротивления решетки полученное значение превышает значение, принятое в рассматриваемой каталожной методике.

Давление в помещении с установленным КИД определяется суммарными аэродинамическими потерями в вентиляционной системе, включающими сопротивление всех ее элементов – от КИД до выхода потока в условно бесконечный объем (атмосферу или помещение с пренебрежимо малым изменением давления) – как пути наименьшего сопротивления в сравнении с путем утечек через закрытую дверь [7]. Другими словами, давление в помещении с КИД устанавливается на таком уровне, при котором перепад давления на КИД оказывается достаточным для преодоления суммарного гидравлического сопротивления всей вентиляционной трассы от этого клапана до точки сброса воздуха. Это следует из фундаментального принципа неразрывности потока и закона сохранения энергии: при установившемся режиме движущий перепад давления полностью расходуется на преодоление всех сопротивлений в системе.

Следует отметить, что при расчете требуемого сечения клапана избыточного давления необходимо учитывать не только аэродинамические потери в самом клапане и элементах его обвязки, но и условия обеспечения открывания дверей. При наличии доводчика фактическое усилие открывания определяется совокупностью давления на дверное полотно и механического сопротивления дверного блока [8, 9].

F = k_уд · B_пр · H_пр ·ΔP,

где F – усилие открытия двери с установленным дверным доводчиком (требуется соблюдать допустимые 100 Н для беспрепятственного открытия двери), Н;

k_у.д.– эмпирический коэффициент усилия открытия двери, равный 0,4582;

B_пр – ширина двери, м;

H_пр – высота двери, м.

Для двери габаритом 1,1×2,1 м ΔP = 94,5 Па.

Для створки двери габаритом 0,9×2,1 м ΔP = = 115,5 Па.

При этом данный параметр не относится к аэродинамическому сопротивлению клапана и не должен включаться в его коэффициент местного сопротивления. Сопротивление дверного блока, включая доводчик, необходимо учитывать отдельно при проверке обеспечения требуемого усилия открывания двери.

Рис. 1. Фрагмент плана 1

Расход на открытую дверь 3,87 кг/с при температуре –24 °С, габарит двери 1×2,1 м.

Допустимый перепад давления

Сопротивление системы сброса рассчитано в табл. 1 и составляет 80 Па, что входит в рассчитанный допустимый диапазон 20–103 Па.

Если бы обвязка воздуховодами и форкамера отсутствовали, то без учета ветровой нагрузки результат составил бы порядка 82 Па (см. табл. 2).

Парадоксальная разница объясняется условиями прохода воздуха и формированием потоков воздуха. При входе в воздуховод поток после входного сечения постепенно перестраивается и принимает структуру, близкую к развитому течению. Для острого входа без специальных направляющих элементов коэффициент местного сопротивления составляет порядка ζ = 0,5.

В случае истечения через отверстие в тонкой плоской стенке происходит сжатие струи за кромкой отверстия, сопровождающееся отрывом потока, образованием зон рециркуляции и дополнительными вихревыми потерями. В результате коэффициент местного сопротивления такого элемента существенно выше и для рассматриваемого случая составляет не менее ζ = 2,6.

Выводы

Физический смысл коэффициента в формуле подбора площади живого сечения клапана избыточного давления – это число, обратное коэффициенту расхода (k = 1/m), который характеризует гидравлическое совершенство отверстия с клапаном.

В ряде каталожных методик используются упрощенные расчетные зависимости, в которых отдельные составляющие аэродинамических потерь не учитываются явно. В связи с этим при их применении целесообразно принимать во внимание конструктивное исполнение и типоразмер клапана, а также условия его установки.

Исходная упрощенная зависимость наиболее соответствует расчетной схеме свободного клапана без дополнительных элементов сопротивления. При наличии решеток или элементов обвязки требуется дополнительный учет создаваемых ими аэродинамических потерь.

Границы применимости формулы зависят от сечения клапана и, соответственно, его коэффициента местного сопротивления. Расчетным путем в данном материале определены границы:

прямоугольная форма: 0,29 ≤ ζ_клапан ≤ 0,8225;

квадратная форма: 0,11 ≤ _клапан ≤ 0,6425.

Проведенный анализ показывает, что каталожные зависимости целесообразно использовать для предварительного подбора клапана. При уточненном расчете необходимо учитывать фактические аэродинамические характеристики выбранного клапана, его типоразмер и конструктивное исполнение, наличие решеток и элементов обвязки, а также условия работы системы в целом. При определении допустимого перепада давления следует также учитывать условия открывания дверей.

Литература

1. «ВЕЗА». Воздушные клапаны: каталог продукции. – Версия от 04.06.2026. – URL: https://www.veza.ru/api/v1/storage/view-file/Каталоги/ВЕЗА_Воздушные%20клапаны_от%2004.06.2026.pdf (дата обращения: 10.07.2026).
2. «СигмаВент». Каталог противопожарных клапанов. Клапаны избыточного давления КИД. – URL: https://sigma-vent.ru/catalog/protivopozharnie-klapany/klapany-spetsializirovannye/klapany-izbytochnogo-davleniya-kid/ (дата обращения: 10.07.2026).
3. Rowen. Клапан избыточного давления КИД. – URL: https://rowen.ru/catalog/ventilyatsionnye_klapany/klapan_izbytochnogo_davleniya_kid/ (дата обращения: 10.07.2026).
4. «В-Клапан». Клапан противопожарный избыточного давления КПВ.01 (02,03) КИД. – URL: https://v-klapan.ru/production/klapany/klapan-protivopozharnyi-izbytochnogo-davleniya-kpv01-02-03-kid/ (дата обращения: 10.07.2026).
5. Юрьев А. С., Пирогов С. Ю., Низовцев В. М. и др. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / под ред. А. С. Юрьева. – СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2001.
6. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М. О.  Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М : Машиностроение, 1992.
7. Howarth A. T., Taylor-Firth A. Pressure-driven flows around doors // Building Services Engineering Research and Technology. – 1991. – Vol. 12. – № 2. – P. 75–77.
8. Есин В. М., Перцев Ю. И. Усилие открывания двери при нерасчетных режимах работы вентиляционных систем противодымной защиты // Пожаровзрывобезопасность. – 2003. – № 1. – С. 18–22.
9. Бусахин А. В., Савенко Г. А. Разработка способов повышения безопасности при работе систем противодымной вентиляции. Часть 4. Метод обеспечения требуемых параметров при работе системы подпора на открытую дверь // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. – 2023. – № 6.