第8章通风管道系统的设计计算

8.0概述8.1风管内气体流动的流态和阻力8.2风管内的压力分布8.3通风管道的水力计算8.4均匀送风管道设计计算8.5通风管道设计中的常见问题及其处理措施8.6气力输送系统的管道设计计算第8章通风管道系统的设计计算定义：把符合卫生标准的新鲜空气输送到室内各需要地点，把室内局部地区或设备散发的污浊、有害气体直接排送到室外或经净化处理后排送到室外的管道。8.0概述分类：包括通风除尘管道、空调管道等。作用：把通风进风口、空气的热、湿及净化处理设备、送(排)风口、部件和风机连成一个整体，使之有效运转。设计内容：风管及其部件的布置；管径的确定；管内气体流动时能量损耗的计算；风机和电动机功率的选择。设计目标：在满足工艺设计要求和保证使用效果的前提下，合理地组织空气流动，使系统的初投资和日常运行维护费用最优。通风除尘管道4风机1排风罩5风帽1排风罩2风管有害气体室外大气3净化设备如图，在风机4的动力作用下，排风罩（或排风口）1将室内污染空气吸入，经管道2送入净化设备3，经净化处理达到规定的排放标准后，通过风帽5排到室外大气中。空调送风系统3风机1新风口室外大气2进气处理设备4风管5送风口室内如图，在风机3的动力作用下，室外空气进入新风口1，经进气处理设备2处理后达到卫生标准或工艺要求后，由风管4输送并分配到各送风口5，由风口送入室内。8.1风管内气体流动的流态和阻力8.1.1两种流态及其判别分析流体在管道内流动时，其流动状态，可以分为层流、紊流。雷诺数既能判别流体在风道中流动时的流动状态，又是计算风道摩擦阻力系数的基本参数。DVRe在通风与空调工程中，雷诺数通常用右式表示：8.1.2风管内空气流动的阻力产生阻力的原因：空气在风管内流动之所以产生阻力是因为空气是具有粘滞性的实际流体，在运动过程中要克服内部相对运动出现的摩擦阻力以及风管材料内表面的粗糙程度对气体的阻滞作用和扰动作用。阻力的分类：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力1沿程阻力lvRPsm2412XFRs空气在任意横断面形状不变的管道中流动时，根据流体力学原理，它的沿程阻力可以按下式确定：对于圆形截面风管，其阻力由下式计算：lvDPm212单位长度的摩擦阻力又称比摩阻。对于圆形风管，由上式可知其比摩阻为：2/2vDlPRmm（8-5）（1）圆形风管的沿程阻力计算摩擦阻力系数λ与管内流态和风管管壁的粗糙度K/D有关)/(DKRfe，图8-1摩擦阻力系数λ随雷诺数和相对粗糙度的变化有关过渡区的摩擦阻力系数计算公式很多，一般采用适用三个区的柯氏公式来计算。它以一定的实验资料作为基础，美国、日本、德国的一些暖通手册中广泛采用。我国编制的《全国通用通风管道计算表》也采用该公式：Re51.271.3lg21DK为了避免繁琐的计算，可根据公式（8-5）和式（8-7）制成各种形式的表格或线算图。附录4所示的通风管道单位长度摩擦阻力线算图，可供计算管道阻力时使用。运用线算图或计算表，只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可求得其余两个参数。（8-7）附录4通风管道单位长度摩擦阻力线算图需要说明的是，附录4的线算图是是按过渡区的值，在压力B0=101.3kPa、温度t0=200C、空气密度0=1.24kg/m3、运动粘度=15.06×10-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、气流与管壁间无热量交换等条件下得的。当实际条件与上述不符时，应进行修正。1）密度和粘度的修正1.0091.000)()(mmRR2）空气温度和大气压力的修正0mBtmRKKR825.027320273tKt9.0)3.101(BKB3）管壁粗糙度的修正0mrmRKR有一通风系统，采用薄钢板圆形风管（K=0.15mm），已知风量L＝3600m2/h（1m3/s）。管径D＝300mm，空气温度t＝30℃。求风管管内空气流速和单位长度摩擦阻力。0mRtK0mtmRKR=0.97解：查附录4，得υ＝14m/s，＝7.68Pa/m查图8-2得，=0.97×7.68Pa/m=7.45Pa/m[例8-1]2.矩形风管的沿程阻力计算《全国通用通风管道计算表》和附录4的线算图是按圆形风管得出的，在进行矩形风管的摩擦阻力计算时，需要把矩形风管断面尺寸折算成与之相当的圆形风管直径，即当量直径，再由此求得矩形风管的单位长度摩擦阻力。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，它有流速当量直径和流量当量直径两种。（1）流速当量直径（2）流量当量直径[解]矩道风道内空气流速1）根据矩形风管的流速当量直径Dv和实际流速V，求矩形风管的单位长度摩擦阻力。有一表面光滑的砖砌风道（K=3mm），横断面尺寸为500mm×400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求单位长度摩阻力。15/0.50.4LVmsab22500400444500400VabDmmab[例8-2]由V=5m/s、Dv=444mm查图得Rm0=0.62Pa/m0.250.250351.961.960.621.22/tmtmKKVRKRPam2001.00.010.11000.62Rm(Pa/m)空气量m3/s粗糙度修正系数由L=1m3/S、DL=487mm查图2-3-1得Rm0=0.61Pa/mRm=1.96×0.61=1.2Pa/m2）用流量当量直径求矩形风管单位长度摩擦阻力。矩形风道的流量当量直径0.011.02002001.00.010.11000.61RmPa/m空气量m3/s0.6250.250.6250.251.30.40.51.30.40.50.447LabDabm×2局部阻力一般情况下，通风除尘、空气调节和气力输送管道都要安装一些诸如断面变化的管件(如各种变径管、变形管、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、风管的侧面送、排风口)，用以控制和调节管内的气流流动。流体经过这些管件时，由于边壁或流量的变化，均匀流在这一局部地区遭到破坏，引起流速的大小，方向或分布的变化，或者气流的合流与分流，使得气流中出现涡流区，由此产生了局部损失。多数局部阻力的计算还不能从理论上解决，必须借助于由实验得来的经验公式或系数。局部阻力一般按下面公式确定：2ρυζZ2局部阻力系数也不能从理论上求得，一般用实验方法确定。在附录5中列出了部分常见管件的局部阻力系数。局部阻力在通风、空调系统中占有较大的比例，在设计时应加以注意。减小局部阻力的着眼点在于防止或推迟气流与壁面的分离，避免漩涡区的产生或减小漩涡区的大小和强度。下面介绍几种常用的减小局部阻力的措施。减小局部阻力的措施（1）渐扩管和渐缩管几种常见的局部阻力产生的类型：１、突变２、渐变３、转弯处４、分岔与会合θ2θ3123１３２θ1θ2（2）三通图8-4三通支管和干管的连接（3）弯管图8-5圆形风管弯头图8-6矩形风管弯头图8-7设有导流片的直角弯头（4）管道进出口图8-8风管进出口阻力（5）管道和风机的连接图8-9风机进出口管道连接8.2风管内的压力分布8.2.1动压、静压和全压空气在风管中流动时，由于风管阻力和流速变化，空气的压力是不断变化的。研究风管内压力的分布规律，有助于我们正确设计通风和空调系统并使之经济合理、安全可靠的运行。分析的原理是风流的能量方程和静压、动压与全压的关系式。Z2Z112根据能量守恒定律，可以写出空气在管道内流动时不同断面间的能量方程（伯努利方程）。212222121122PgZPgZPjj2122221122PPPjj我们可以利用上式对任一通风空调系统的压力分布进行分析8.2.2风管内空气压力的分布把一套通风除尘系统内气流的动压、静压和全压的变化表示在以相对压力为纵坐标的坐标图上，就称为通风除尘系统的压力分布图。设有图8-10所示的通风系统，空气进出口都有局部阻力。分析该系统风管内的压力分布。8.3通风管道的水力计算8.3.1风道设计的内容及原则风道的水利计算分设计计算和校核计算两类。风道设计时必须遵循以下的原则：（1）系统要简洁、灵活、可靠；便于安装、调节、控制与维修。（2）断面尺寸要标准化。（3）断面形状要与建筑结构相配合，使其完美统一。8.3.2风道设计的方法风管水力计算方法有假定流速法、压损平均法和静压复得法等几种，目前常用的是假定流速法。8.3.3风道设计的步骤下面以假定流速法为例介绍风管水力计算的步骤。（1）绘制通风或空调系统轴测图（2）确定合理的空气流速（3）根据各管段的风量和选择的流速确定各管段的断面尺寸，计算最不利环路的摩擦阻力和局部阻力（4）并联管路的阻力计算（5）计算系统的总阻力（6）选择风机7l=3.7m风机8l=12m654321910L=5500m3/hL=2700m3/hL=2650m3/hl=4.2ml=5.5ml=5.5ml=6.2m通风除尘系统的系统图[例8-3]l=5.4m除尘器图8-11所示为某车间的振动筛除尘系统。采用矩形伞形排风罩排尘，风管用钢板制作（粗糙度K＝0.15mm），输送含有铁矿粉尘的含尘气体，气体温度为20℃。该系统采用CLSΦ800型水膜除尘器，除尘器含尘气流进口尺寸为318mm×552mm，除尘器阻力900Pa。对该系统进行水力计算，确定该系统的风管断面尺寸和阻力并选择风机。8.4均匀送风管道设计计算在通风、空调、冷库、烘房及气幕装置中，常常要求把等量的空气经由风道侧壁（开有条缝、孔口或短管）均匀的输送到各个空间，以达到空间内均匀的空气分布。这种送风方式称为均匀送风。均匀送风管道通常有以下几种形式：（1）条缝宽度或孔口面积变化，风道断面不变，如图8-14所示。0f图8-14风道断面F及孔口流量系数不变，孔口面积变化的均匀吸送风吹出吸入从条缝口吹出和吸入的速度分布（2）风道断面变化，条缝宽度或孔口面积不变，如图8-15所示。0f图8-15风道断面F变化，孔口流量系数及孔口面积不变的均匀送风（3）风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变，如图8-16所示。0f风道断面F及孔口面积不变时，管内静压会不断增大，可以根据静压变化，在孔口上设置不同的阻体来改变流量系数。8.4.1均匀送风管道的设计原理风管内流动的空气，在管壁的垂直方向受到气流静压作用，如果在管的侧壁开孔，由于孔口内外静压差的作用，空气会在垂直管壁方向从孔口流出。但由于受到原有管内轴向流速的影响，其孔口出流方向并非垂直于管壁，而是以合成速度沿风管轴线成角的方向流出，如图8-17所示。ff0vjvdvf0图8-17孔口出流状态图1.出流的实际流速和流向jjpv2ddpv222djdjdjppvvtg静压差产生的流速为：空气从孔口出流时，它的实际流速和出流方向不仅取决于静压产生的流速大小和方向，还受管内流速的影响。孔口出流的实际速度为二者的合成速度。速度的大小为：利用速度四边形对角线法则，实际流速的方向与风道轴线方向的夹角（出流角）为空气在风管内的轴向流速为：2.孔口出流的风量vfL36000jfff00sinjjPfvfL236003600000jvfLv0003600对于孔口出流，流量可表示成：孔口处平均流速：3.实现均匀送风的条件要实现均匀送风需要满足下面两个基本要求：1）各侧孔或短管的出流风量相等；2）出口气流尽量与管道侧壁垂直，否则尽管风量相等也不会均匀。0fjp从式（8-34）可以看出，对侧孔面积保持不变的均匀送风管道，要使各侧孔的送风量保持相等，必需保证各侧孔的静压和流量系数相等；要使出口气流尽量保持垂直，要求出流角接近90°。下面具体分析各项措施。1qP2qP2121)(ZlRPPmqq212211)(ZlRPPPPmdjdj如图8-18所示有两