第8章通风管道的设计计算

1第8章通风管道系统的设计计算§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8.1.2风管内空气流动的阻力§8.2风管内的压力分布8.2.1动压、静压和全压8.2.2风管内空气压力的分布§8.3通风管道的设计计算8.3.1风道设计的内容及原则8.3.2风道设计的方法8.3.3风道设计的步骤2§8.4均匀送风管道设计计算8.4.1均匀送风管道的设计原理8.4.2均匀送风管道的计算§8.5通风管道设计中的常见问题及其处理措施8.5.1系统划分8.5.2风管的布置、选型及保温与防腐8.5.3进排风口布置8.5.4防爆及防火§8.6气力输送系统的管道设计计算8.6.1气力输送系统的分类和特点8.6.2气力输送系统设计计算教学大纲知识点：比摩阻、局部阻力系数的确定方法；均匀送风管道的设计计算；通风管道内流动阻力的计算方法和压力分布规律；风道设计；系统划分；风管的布置、选择、保温与防腐；进、排风口布置；防爆及防火；气力输送系统。重点：通风管道内流动阻力的计算方法和压力分布规律；比摩阻、均匀送风管道的设计计算；系统划分；风管的布置、选择。难点：通风管道内流动阻力的计算方法和压力分布规律；局部阻力系数的确定；气力输送系统。34定义：通风管道是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。6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。7同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。（１）雷诺数－Re式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数VdRe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8雷诺实验示意图实验表明：Re≤2000层流（下临界雷诺数）Re＞4000紊流（上临界雷诺数）中间为过渡区实际工程计算中，为简便起见，通常用Re=2300来判断管路流动的流态Re≤2300层流，Re＞2300紊流9尼古拉兹实验：通过人工粗糙管流实验，确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系，实验曲线被划分为5个区域，即1．层流区2．临界过渡区3．紊流光滑区4．紊流过渡区5．紊流粗糙区（阻力平方区）。实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r称为相对糙度。10Ⅰ区——层流区。当Re＜2000时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。这表明λ与相对糙度ε/r无关，只与Re有关，且λ=64/Re。与相对粗糙度无关Ⅱ区——过渡流区。2000≤Re≤4000，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。11Ⅳ区——紊流过渡区，在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有εδ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2lg274.11r12风管内空气流动的阻力有两种：1、由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；包括圆形风管的局部阻力计算和矩形风管的局部阻力计算。2、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的比较集中的能量损失，称为局部阻力。8.1.2风管内空气流动的阻力13vDRe§8.1.2风管内气体流动的阻力)(2000eeRfR)(40002000eeRfR)(4000eeRfR),(DKRfe)(DKf光滑区紊流过渡区紊流层流过渡区粗糙区（阻力平方区）◆通风空调系统流体多数处于紊流过渡区1沿程阻力14（1）圆形风管的沿程阻力计算阻力计算公式：151617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：为了避免繁琐的计算，可根据公式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。18附录4：线算图图的多种用法：由L、D求Rm由L、Rm求D由L、v求D、RmDLLvRm19计算表20线算图的适用范围：密度和粘度的修正1.0091.00)/()/(momRRRm-实际的单位长度摩擦阻力，Pa/mRmo-图上查出的单位长度摩擦阻力，Pa/mρ-实际的空气密度，kg/m3ν-实际的运动粘度系数，m2/s空气温度和大气压力的修正moBtmRKKRKt-温度修正系数KB-大气压力修正系数T-实际的空气温度，℃B-实际的大气压力，kPa825.027320273tKt9.0)3.101/(BKB23管壁粗糙度的修正mormRKRKr-管壁粗糙度修正系数K-管壁粗糙度，mmv-管内空气流速，m/s粗糙度k≠0.15mm时，25.0)(KvKr2425Rm线算图使用方法：已知任意两参数，可求出其他两参数。流量Q、管径D、流速v、比摩阻Rm使用条件：1）λ值为紊流过渡区；2）B0=101.325kPa，t0=20℃，ρ0=1.204kg/m3，ν0=15.06×10-6m2/s，K0=0.15mm实际条件与此不符，则需修正3）圆形钢制风管第8章通风管道系统的设计计算26smmkgmPaRmPaRRRmmmm////)/()/(2301.0091.000实际空气运动粘度，实际空气密度，线算图查出的比摩阻，实际比摩阻，修正：1）ρ≠ρ0、ν≠ν0第8章通风管道系统的设计计算27kPaBCtBKtKBt实际大气压力，实际空气温度，大气压力修正系数温度修正系数09.0825.03.101/27320273温度和大气压力修正曲线公式法查图法修正：2）t≠t0、B≠B00mBtmRKKR第8章通风管道系统的设计计算28smvKKvKr/2825.0管内空气流速，管壁粗糙度，见表0mrmRKR修正：3）K≠K0公式法）（见表管壁粗糙度修正系数，24218PKr查表法第8章通风管道系统的设计计算293030DLLvRm312.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，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，DV表示。圆形风管和矩形风管的水力半径必须相等。32ABvAvBVA=VBRmA=RmBDB为A的流速当量直径，记作DvbaabDv2计算式：33DV称为边长为a×b的矩形风管的流速当量直径。矩形风管内的流速与管径为DV的圆形风管内的流速相同，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DV和实际流速v，由附录4查得的Rm即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。342．流量当量直径设某一圆形风管中的空气流量与矩形风管的空气流量相等，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。，，圆矩圆矩mmvvRRqq35必须指出，利用当量直径求矩形风管的阻力，要注意其对应关系：采用流速当量直径时，必须用矩形风管中的空气流速去查出阻力，采用流量当量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查阻力。用两种方法求得的矩形风管单位长度摩擦阻力是相等的。36例题：表面光滑的风管（K=0.15mm），断面尺寸500×400mm，流量=1m3/s，求比摩阻（流速当量法）smv/54.05.01mmbaabDv44440050040050022查图得Rm=0.61Pa/m37例题表面光滑的风管（K=0.15mm），断面尺500×400mm，流量=1m3/s，求比摩阻（流量当量法）smL/13mmbaabDL487)()(3.125.0625.0查图得Rm=0.61Pa/m3839降低摩擦阻力措施1．减小摩擦阻力系数。2．保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大33%，Rf值可减少50%。井巷的定义：为达到采矿目的在矿体和岩体中所掘进的一系列通道和空间的总称。3．选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。4．降低巷道长度。5．避免巷道内的风量过于集中。40二、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)、流向变化的管件（弯头)和流量变化的管件(如三通、四通)都会产生局部阻力。（一）局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力一般也用动压的倍数来表示：式中：ξ——局部阻力系数，无因次。22vZ41几种常见的局部阻力产生的类型：１、突变紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。２、渐变渐扩段主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。而且压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于零，在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，涡漩。42３、转弯处流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。４、分岔与会合是上述的综合，局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，