5通风管道的设计计算

1第五章通风管道的设计计算通风管道是通风除尘和空调系统的重要组成部分。目的是在保证要求的风量分配前提下，合理确定风管布置和尺寸，使系统的初投资和运行费用综合最优。应与排风罩的设计、除尘器和通风机的选型等一起进行全面考虑，它直接影响到通风除尘和空调系统的使用效果和技术经济性能。2主要内容包括：风管的布置、管径的确定、管内气体流动时能量消耗的估算以及为保护通风除尘系统的正常运行所必须采用的风管附件的设置等。本章主要阐述通风管道的设计原理和计算方法。–5．1风管内空气流动的阻力–5．2管道系统的压力分布–5．3通风除尘管道系统的设计计算–5．4通风管道的布置及部件–5．5均匀送风与均匀吸风管道的设计计算35．1风管内空气流动的阻力摩擦阻力：是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为或沿程阻力；局部阻力：是空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失。45．1．1摩擦阻力根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力按下式计算：Pa,242luRpsmλ——摩擦阻力系数；u——风管内空气的平均流速，m／s；ρ——空气的密度，kg／m3；l——风管长度，m；Rs——风管的水力半径，m；即PfRs5f——管道中充满流体部分的横断面积，m2；P——湿周长，即为风管的周长，m；对于圆形风管，摩擦阻力计算公式可改写为：圆形风管单位长度的摩擦阻力（又称比摩阻）为：Pa,22luDpmPa,22uDRmD——圆形风管直径，m。得圆形风管的摩擦阻力为Pa,lRpmm6摩擦阻力系数λ与空气在风管内的流动状态和风管管壁的相对粗糙度有关。在通风和空调系统中，薄钢板风管的空气流动状态大多数属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区。计算过渡区摩擦阻力系数的公式很多，目前得到较广泛采用的公式为：Re51.271.3lg21DK式中K——风管内壁粗糙度，mm；D——风管直径，mm。7进行通风管道设计时，为了避免烦琐的计算，可根据公式制成各种形式的计算表或线解图。图5-1所示的线解图，可供计算管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可利用该图求得其余的两个参数。Re51.271.3lg21DKPa,22uDRm8线解图是按过渡区的λ值，在大气压力B0＝101.3kPa、温度t0＝20℃、空气密度ρ0=1.204kg／m3、运动粘度ν0＝15.06×l0-6m2／s、管壁粗糙度K＝0.15mm、圆形风管等条件下得出的。当实际使用条件与上述条件不相符时，应进行修正。图5-1通风管道单位长度摩擦阻力线解图9（1）密度和粘度的修正/mPa,1.0091.000mmRR（2）空气温度和大气压力的修正Pa/m,0mBtmRKKR温度修正系数825.027320273tKt大气压力修正系数9.03.101BKB10Kt和KB可直接由图5-2查得。从图5-2可以看出，在t=0～100℃的范围内，可近似把温度和压力的影响看作是直线关系。图5-2温度与大气压的修正系数11(3)管壁粗糙度的修正摩擦阻力系数λ值不仅与雷诺数Re有关，还与管壁粗糙度K有关。粗糙度增大，阻力系数λ值增大。在通风空调工程中，常采用不同材料制作风管，各种材料的粗糙度K见下表所示风管材料绝对粗糙度(mm)风管材料绝对粗糙度(mm)薄钢板或镀锌钢板塑料板矿渣石膏料矿渣混凝土板0.15～0.180.01～0.051.01.5胶合板砖砌体混凝土木板1.03.0～6.01.0～3.00.2～1.012当风管管壁的粗糙度K≠0.15mm时，可先由图6-1查出Rm0，再近似按下式修正。Pa/m,0mrmRKR25.0)(KuKr式中Kr——管壁粗糙度修正系数；K——管壁粗糙度，mm；u——管内空气流通，m/s。13（4）矩形风管的摩擦阻力计算为利用圆形风管的线解图或计算来计算矩形风管的摩擦阻力，需要把矩形风管断面尺寸折算成相当的圆形风管直径，即折算成当量直径，再据此求得矩形风管中的单位长度的摩擦阻力。所谓“当量直径”，就是与矩形风管有相同单位长度摩擦阻力的圆形风管直径，有流速当量直径和流量当量直径。141）流速当量直径设某一圆形风管中的空气流速与矩形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以Du表示。根据这一定义，圆形风管和矩形风管的水力半径必须相等。15圆形风管的水力半径为：4DRs)b(a)(2'分别为矩形风管的边长和baabRsuDbaabD)(2矩形风管的水力半径为Du称为边长为a×b的矩形风管的流速当量直径；如果矩形风管内的流速与管径为Du的圆形风管内的流通相同，两者的单位长度摩擦阻力也相等。因此，根据矩形风管的流速当量直径Du和实际流速u，由图查得的Rm值，即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。162）流量当量直径设某一圆形风管中的气体流量与矩形风管的气体流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流量当量直径，以DL表示。根据推导，流量当量直径可近似按下式计算。53327.1babaDL在常用的矩形风管的宽、高比条件下，其误差在5%左右。175．1．2局部阻力当空气流过断面变化的管件（如各种变径管、风管进出口、阀门）、流向变化的管件（弯头）和流量变化的管件（如三通、四通、侧面送、吸风等），由于管道边界形状的急剧改变，引起气流中出现涡流区和速度的重新分布，从而使流动的能耗增加，这种能耗称局部阻力。18（1）局部阻力计算局部阻力按下式计算式中ζ——局部阻力系数。局部阻力系数一般通过实验方法来确定。实验时先测出管件前后的全压差（即局部阻力pz，再除以与速度u的动压，求得局部阻力系数ζ值。有的还整理成经验公式。可查有关表。Pa,22upz19严格地说在管件处造成的能量损失仅仅占局部阻力损失的一部分，另一部分在管件下游一定长度的管段上消耗的，因此无法与摩擦阻力分开。为了计算方便，通常是假定局部阻力集中在管件的某一断面上，并包含了它的摩擦阻力。局部阻力在通风除尘管道和空调系统中占有较大的比例，往往占风管总阻力的40～80%，因此，必须采取积极措施，把局部阻力减小到最低限度。20（2）一些管件的设计在通风除尘管道设计中，对管件的制作、连接、气流的进出口、风管与风机的接口等部分，都有一定的制作要求。211）风管系统的进出口风管系统的进口处是各种形式的排风罩。在机械通风除尘系统的设计中，在保证对尘源的控制效果的前提下，应尽可能考虑减少排风罩的阻力消耗。含尘气流从大气空间进入风道，在气流进口处不仅造成气流的压缩，而且产生涡流，因此为产生很大的局部阻力。几种罩口的局部阻力系数和流量系数弄列于表5-2所示。22表5-2几种罩口的局部阻力系数和流量系数23风管系统的出口处，气流排入大气。当空气由风管出口排出时，气流在排出前具有的能量将全部损失掉。对于出口无阻挡的风管，这个能量消耗就等于动压，所以出口局部阻力系数ζ=1；若在出口处设有风帽或其它构件时，ζ1，风管出口的局部阻力大小等于ζ1的部分的数值。为了降低出口动压，有时把风管系统的气流出口作成扩张角不大的渐扩管。242）弯头布置管道时，应尽量取直线，减少弯头。圆形风管弯头的曲率半径一般应大于（1～2）倍管径，如图5-3所示；图5-3圆形风弯头25矩形风管弯头断面的长宽比（B／A）愈大，阻力愈小，如图5-4；在民用建筑中，常采用矩形直角弯头，应在其中设导流片，如图5-5所示。图5-4矩形风管弯头图5-5设有导流片的直角弯头26273）三通三通内流速不同的两股气流汇合时的碰撞，以及气流速度改变时形成涡流是造成局部阻力的原因。两股气流在汇合过程中的能量损失一般是不相同的，它们的局部阻力应分别计算。合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，会发生直管气流引射支管气流的作用，即流速大的直管气流失去能量，流速小的支管气流得到能量，因而支管的局部阻力有时出现负值。同理，直管的局部阻力有时也会出现负值。但不可能同时为负值。28必须指出，引射过程会有能量损失，为减小三通的局部阻力，应避免出现引射现象、注意支管和干管的连接，减小其夹角，如图5-6所示。同时还应尽量使主管和干管内的流速保持相等。图5-6三通支管和干管的连接294）管道断面的突然变化当气流流经断面积变化的管件（如渐缩管，渐扩管），或断面形状变化的管件（如圆形变矩形或矩形变圆形等异形管）时，由于管道断面的突然变化使气流产生冲击，周围出现涡流区，造成局部阻力。为了减少损失，当风管断面需要变化时，应尽量避免采用形状突然变化的管件，如图5-7，图中给出了管件制作和连接的优劣比较。30图5-7管件制作和连接的优劣比较315）通风机的进口和出口要尽量避免在接管处产生局部涡流，通风机的进口和出口风管布置方法可采用图5-8所示。图5-8风机进出口的管道连接32为了使通风机运行正常，减少不必要的阻力，最好使连接通风机的风管管径与通风机的进、出口尺寸大致相同。如果在通风机的吸入口安装多叶形或插板式阀门时，最好将其设置在离通风机进口至少5倍于风管直径的地方，避免由于吸口处气流的涡流而影响通风机的效率，在通风机的出口处避免安装阀门，连接风机出口的风管最好用一段直管。如果受到安装位置的限制，需要在风机出口处直接安装弯管时，弯管的转向应与风机叶轮的旋转方向一致。33减少局部阻力损失的途径有：①管路布置得尽量顺直，减少弯管和断面尺寸的突然变化。弯管的曲率半径不要取得太小。②在气流汇合部分（三通处）应尽量减少气流的撞击，二股汇合气流的通度最好相等，三通交角尽量减小。③排风口气流速度尽量降低，以减少出口动压的损失。345．1．3管段阻力对通风管道系统的阻力计算，往往以流量发生变化的管件或设备为分点，将整个系统分成若干管段分别计算阻力，在此基础上计算管道系统的总阻力。zimiippp式中pi——各管段的阻力，Pa；pmi——各段内气流的摩擦阻力，Pa；pzi——各段内气流的局部阻刀，Pa。355．2管道系统的压力分布气体在风管内流动，是由风管两端气体的压力差引起的，它从高压端流向低压端。气体流动的能量来自通风机，通风机产生的能量是风压。气体在流动中，要不断克服由于气流内部质点相对运动出现的切应力而作功，将一部分压能转化为热能而形成能量损失，即为管道的阻力。因为流动阻力是造成能量损失的原因，因此能量损失的变化必定反应流动压力的变化规律。研究管道系统内气体的压力分布，可以更深刻地了解气体在系统内的运动状态。36对于一套通风除尘系统，在风机末开动时，整个管道系统内气体压力处处相等，都等于大气压力，管内气体处于相对静止状态。开动通风机后，通风机吸入口和压出口处出现压力差，即把通风机所产生的能量传给气体，而这一能量又消耗在使管内气体流动，克服沿程的各种阻力。把一套通风除尘系统内气体的动压、静压及全压的变化表示在以相对压力为纵坐标的坐标图上，就成为通风除尘系统的压力分布图，如图5-9所示。37图5-9有摩擦阻力和局部阻力的风管压力分布在通风除尘系统中，一般都用相对压力表示全压，即取大气压力为零，低于大气压力为负压，高于大气压力为正压38（1）点1：110pPPqq11pPq222121uPd122121112puPPPdqjp1——空气入口处的局部阻力，Pa；Pd1-2——管段1—2的动压，Pa。39(2)点2)(2212112plRPPmqq)(2212112122plRPPPPmjdqj2212121plRPPmjjRm1-2——管段1—2的比摩