第六章 通风管道的设计计算

通风管道的设计计算第六章通风管道是通风和空调系统的重要组成部分，设计计算的目的是，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。通风管道系统的设计直接影响到通风空调系统的使用效果和技术经济性能。目录6.16.26.36.46.5通风空调施工图风道设计中的有关问题风道压力分布风道的水力计算风道阻力6.1风道阻力根据流体力学可知，空气在管道内流动，必然要克服阻力产生能量损失。空气在管道内流动有两种形式的阻力，即摩擦阻力和局部阻力。6.1.1摩擦阻力由于空气本身的粘滞性和管壁的粗糙度所引起的空气与管壁间的摩擦而产生的阻力称为摩擦阻力。克服摩擦阻力而引起的能量损失称为摩擦阻力损失，简称沿程损失。空气在横断面不变的管道内流动时，沿程损失可按下式计算·（6.1）smRP41lv22式中——风道的沿程损失，Pa；——摩擦阻力系数；——风道内空气的平均流速，m/s；——空气的密度，kg/m3；——风道的长度，m；——风道的水力半径，m；=（6.2）——管道中充满流体部分的横断面积，m2；——湿周，在通风系统中即为风管周长，m。mPvlsRsRPFFP·Pa/m（6.3）（1）圆形风管的沿程损失对于圆形风管==式中——风管直径。则圆形风管的沿程损失和单位长度沿程损失即比摩阻分别为·Pa·Pa/m（6.5）smRR4122vsRPF442DDDDDPm1lv22DRm22v单位长度的摩擦阻力，也称比摩阻，为（6.4）摩擦阻力系数与风管管壁的粗糙度和管内空气的流动状态有关，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。通常，高速风管的流动状态也处于过渡区。只有流速很高，表面粗糙的砖、混凝土风管流动状态才属于粗糙区。因此，对于通风和空调系统中，空气流动状态多处于紊流过度区。在这一区域中用下式计算（6.6）式中——风管内壁的粗糙度，mm；——雷诺数。=（6.7）式中——风管内流体（空气）的运动粘度，m2/s。)Re51.271D.3K(2lg1KReRevD在通风管道设计中，为了简化计算，可根据公式（6.5）和式（6.6）绘制的各种形式的线算图或计算表进行计算。图6.1为风管单位长度沿程损失线算图。只要知道风量、管径、比摩阻、流速四个参数中的任意两个，即可求出其余的两个参数。表6.1的编制条件是：大气压力为101.3kPa，温度为20℃，空气密度为1.204kg/m3，运动粘度为15.06×10-6m2/s，管壁粗糙度k=0.15mm，当实际使用条件与上述条件不同时，应进行修正。①大气温度和大气压力的修正Pa/m（6.8）式中——实际使用条件下的单位长度沿程损失，Pa/m；——温度修正系数；——大气压力修正系数；——线算图或表中查出的单位长度沿程损失，Pa/m。mBtmRRmRtBmR图6.1风管单位长度沿程损失线算图=（6.9）=（6.10）式中——实际的空气温度，℃；——实际的大气压力，kPa。和也可直接由图6.2查得。②密度和粘度的修正（6.11）——实际的空气密度，℃；——实际的空气运动粘度，kPa。tB0.82527320273t0.9101.3BtBtB0.010.100mmRR②绝对粗糙度的修正通风空调工程中常采用不同材料制成风管，各种材料的绝对粗糙度见表6.1.(6.12)式中——粗糙度修正系数。=（6.13）——管内空气流速，m/s。mkmRRkk0.25Kvv管道材料K（mm）管道材料K（mm）薄钢板和镀锌钢板0.15~0.18胶合板1.0塑料板0.01~0.05砖管道3~6矿渣石膏板1.0混凝土管道1~3矿渣混凝土板1.5木版0.2~1.0表6.1各种材料的粗糙度【例6.1】已知太原市某厂已通风系统采用钢板制圆形风道，风量L=1000m3/h，管内空气流速v=10m/s，空气温度t=80℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。解由附录6.1查得：D=200mm=6.8Pa/m，太原市大气压力：B=91.9kPa由图6.1查得：=0.86，=0.92所以，==0.86×0.92×6.8=5.38Pa/mmRtBmRtBmR（2）矩形风管的沿程损失风管阻力损失的计算图表是根据圆形风管绘制的。当风管截面为矩形时，需首先把矩形风管断面尺寸折算成相当于圆形风管的当量直径，再由此求出矩形风管的单位长度摩擦阻力损失。当量直径就是与矩形风管有相同单位长度沿程损失的圆形风管直径，它分为流速当量直径和流量当量直径两种。①流速当量直径假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，且两风管的单位长度沿程损失相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流速当量直径，以Dv表示，所以，圆形风管和矩形风管的水力半径必须相等。圆形风管水力半径（6.14）矩形风管水力半径（6.15）式中——矩形风管的长度和宽度。4DRs）（baabPFRs2ba、根据式（6.3），当流速与比摩阻均相同时，水力半径必相等则有②流量当量直径假设某一圆形风管中的空气流量与矩形风管中的空气流量相等，且两风管的单位长度沿程损失也相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流量当量直径，以DL表示：圆形风管流量ssRR42Dabab（）2vabDDabvDL24（6.17）（6.16）（6.18）矩形风管流量令，则24LvD2242mLLDRD（）vabLLvab22142）（）（abLbaabRmmmRR3351.265LabDab（6.19）（6.20）（6.21）（6.22）必须说明，利用当量直径求矩形风管的沿程损失，要注意其对应关系；当采用流速当量直径时，必须采用矩形风管内的空气流速去查沿程损失；当采用流量当量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查单位管长沿程损失。这两种方法得出的矩形风管比摩阻是相等的。【例6.2】有一钢板制矩形风道，K=0.15mm，断面尺寸为500×250mm，流量为2700m3/h，空气温度为50℃，求单位长度摩擦阻力。解一矩形风管内空气流速=m/s流速当量直径==m由=6m/s，=330mm，查附录6.1得=1.2Pa/m由图6.1查得t=50℃时，=0.92所以==0.92×1.2=1.1Pa/mv625.05.0360027003600FLvDbaab233.025.05.025.05.02vvDmRtmRtmR解二流量当量直径=1.265=1.265m由L=2700m3/h，=384mm查附录6.1得=1.2Pa/m所以==0.92×1.2=1.1Pa/mLD533baba384.025.05.025.05.0533LDmRmRtmR6.1.2局部阻力风道中流动的空气，当其方向和断面的大小发生变化或通过管件设备时，由于在边界急剧改变的区域出现旋涡区和流速的重新分布而产生的阻力称为局部阻力，克服局部阻力而引起的能量损失称为局部阻力损失，简称局部损失。局部损失按下式计算Pa（6.23）式中——局部损失，Pa；——局部阻力系数。局部阻力系数通常用实验方法确定。在计算局部阻力时，一定要注意值所对应的空气流速。22jvPjP在通风系统中，局部阻力所造成的能量损失占有很大的比例，甚至是主要的能量损失，为减小局部阻力，以利于节能，在设计中应尽量减小局部阻力。通常采用以下措施：（1）布置管道时，应力求管线短直，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，见图6.3。矩形风管弯头的长宽比愈大，阻力愈小，应优先采用，见图6.5。必要时可在弯头内部设置导流叶片，见图6.4，以减小阻力。应尽量采用转角小的弯头，用弧弯代替直角弯，如图6.6所示。（2）避免风管断面的突然变化，管道变径时，尽量利用渐扩、渐缩代替突扩、突缩。其中心角最好在8~10°，不超过45°，如图6.7。（3）管道和风机的连接要尽量避免在接管处产生局部涡流，如图6.8所示。（4）三通的局部阻力大小与断面形状、两支管夹角、支管与总管的截面比有关。为减小三通的局部阻力，应尽量使支管与干管连接的夹角不超过30°，如图6.9所示。当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，有时支管的局部阻力出现负值，同样直管的局部阻力也会出现负值，但不可能同时出现负值。为避免引射时的能量损失，减小局部阻力，应使≈≈，即F1+F2=F3，以避免出现这种现象。1v2v3v6.1.3总阻力摩擦阻力与局部阻力之和称为总阻力，克服摩擦阻力和局部阻力而引起的能量损失称为总阻力损失。（6.24）式中——管段总阻力损失，Pa。mjPPPP6.2风道压力分布空气在风道中流动时，由于风道内阻力和流速的变化，空气的压力也在不断地发生变化。下面通过图6.11所示的单风机通风系统风道内的压力分布图来定性分析风道内空气的压力分布。压力分布图的绘制方法是取一坐标轴，将大气压力作为零点，标出各断面的全压和静压值，将各点的全压、静压分别连接起来，即可得出。图中全压和静压的差值即为动压。系统停止工作时，通风机不运行，风道内空气处于静止状态，其中任一点的压力均等于大气压力，此时，整个系统的静压、动压和全压都等于零。系统工作时，通风机投入运行，空气以一定的速度开始流动，此时，空气在风道中流动时所产生的能量损失由通风机的动力来克服。从图中可以看出，在吸风口处的全压和静压均比大气压力低,入口外和入口处的一部分静压降转化为动压，另一部分用于克服入口处产生的局部阻力。在断面不变的风道中，能量的损失时由摩擦阻力引起的，此时全压和静压的损失时相等的,如管段1～2、3～4、5～6、6～6和8～9。在收缩段2～3，沿着空气的流动方向，全压值和静压值都减小了，减小值也不相等，但动压值相应增加了。在扩张段6～8和突扩点6处，动压和全压都减小了，而静压则有所增加，即会产生所说的静压复得现象。在出风口点9处，全压的损失与出风口形状和流动特性有关，由于出风口的局部阻力系数可大于1、等于1或小于1，所以全压和静压变化也会不一样。在风机段4～5处可看出，风机的风压即是风机入口和出口处的全压值，等于风道的总阻力损失。6.3.1风道水力计算方法风管水力计算的方法主要有以下三种：（1）等压损法该方法是以单位长度风道有相等的压力损失为前提条件，在已知总作用压力的情况下，将总压力值按干管长度平均分配给各部分，再根据各部分的风量确定风管断面尺寸，该法适用于风机压头已定及进行分支管路阻力平衡等场合。（2）假定流速法该方法是以技术经济要求的空气流速作为控制指标，再根据风量来确定风管的断面尺寸和压力损失，目前常用此法进行水力计算。6.3风道的水力计算（3）静压复得法该方法是利用风管分支处复得的静压来克服该管段的阻力，根据这一原则确定风管的断面尺寸，此法适用于高速风道的水力计算。6.3.2假定流速法计算方法和步骤（1）绘制系统轴测示意图，并对各管段进行编号，标注长度和风量。通常把流量和断面尺寸不变的管段划为一个计算管段。（2）确定合理的气流速度风管内的空气流速对系统有很大的影响。流速低，阻力小，动力消耗少，运行费用低，但是风管断面尺寸大，消耗材料多，建造费用大。反之，流速高，风管段面尺寸小，建造费用低，但阻力大，运行费用会增加，另外还会加剧管道与设备的磨损。因此，必须经过技术经济分析来确定合理的流速，表6.2、表6.3列出了不同情况下风管内空气流速范围。（3）由风量和流速确定最不利环路各管段风管断面尺寸，计算沿程损失、局部损失及总损失。计算时应首先从最不利环路开始，即从阻力最大的环路开始。确定风管断面尺寸时，应尽量采用通风管道的统一规格。（4）并联环路的计算为保证系统能按要求的流量进行分配，并联环路的阻力必须平衡。因受到风管断面尺寸的限制，对除尘系统各并联