第6章 风管设计计算

第6章通风管道的设计计算本章内容提要及重点§1水力计算基础§2通风管路水力计算§3管道内的压力分布§4均匀送风管道设计计算§5通风管道设计中的有关问题第一节水力计算基础本节重点：摩擦阻力与局部阻力的概念比摩阻的概念与线算图的使用局部阻力系数的查询一、摩擦阻力•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：22vDlPm。单位阻，的摩擦阻力，又称比摩称为圆形风管单位长度mPaRvDRmm/22lRPm摩擦阻力或沿程阻力是风管内空气流动时，由于空气本身的粘性及其与管壁间的摩擦而引起的沿程能量损失。242vRlPsm对圆形风管：PfRs式中Δ—风管内壁凸起的高度，mm。柯式公式不仅适用于紊流过渡区，而且也适用于紊流光滑管区和紊流粗糙管区。为了避免繁琐的计算，可根据式(1)和式(2)制成各种表或线解图，教材附录9(P243)就是一种线解图，可用于计算管道通风阻力。摩擦阻力系数λ与管内的流态Re和风管管壁的粗糙度Δ/D有关，λ＝f(Re,Δ/D)。通风工程中常用柯列布鲁克(Colebrook)公式计算摩擦阻力系数，柯式公式为通风管道单位长度摩擦阻力线算图教材P243流速管径•附录6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。。圆形管壁粗糙度、运动粘度、空气密度、温度、值，在压力该线算图是按过渡区的mmKsmmkgCtkPaB15.0/1006.15/204.1203.10126030001、密度和粘度修正。、；；为实际的空气动力粘度图上查出的比摩阻为实际的比摩阻01.0091.000mmmmRRvRRPa/m2、空气温度和大气压力修正kPa。B为实际的大气压力为实际的空气密度；为大气压力修正系数；为温度修正系数；，BtBtmBtmKKBKtKRKKR9.0825.003.10127320273Kt和KB也可直接由图查得。3、管壁粗糙度的修正管内空气流速。—管壁粗糙度；—管壁粗糙度修正系数；—vKKKvKRKRrrmrm25.00风管材料粗糙度/mm薄钢板或镀锌薄钢板0.15～0.18塑料板0.01～0.05矿渣石膏板1.0矿渣混凝土板1.5胶合板1.0砖砌体3～6混凝土1～3木板0.2～1.0各种材料的粗糙度Δ当风管管壁的粗糙度Δ≠0.15mm时，可按下式修正。例：有一通风系统，采用薄钢板圆形风管(Δ＝0.15mm)，已知风量L＝3600m3/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。解：查图，得v＝14m/s，Rm0＝7.7Pa/m。查图6-2得，Kt＝0.97。Rm＝KtRm0＝0.97×7.7＝7.47Pa/m二、矩形风管的摩擦阻力•附录6是按圆形管道得出的，对于矩形管道需先把矩形断面折算成当量直径。•所谓当量直径，是指与矩形风管有相同单位长度摩擦阻力的圆形风管的直径，分流速当量直径和流量当量直径。1.流速当量直径DVVssssDbaabDRRbaabUSRDDDUSR22422则令矩形风管的水力半径圆形风管的水力半径，25.0625.03.1baabDL2.流量当量直径DL注意：•利用当量直径求矩形风管阻力时，要注意其对应关系：–采用流速当量直径时，必须用流速去查比摩阻–采用流量当量直径时，必须用流量去查比摩阻三.局部阻力•当风流的方向和断面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。•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、风管的侧面送、排风门)都会产生局部阻力。22vZζ由实验测定，并整理成经验公式，见附录10（P244）•突然扩大突然缩小•渐扩管渐缩管附录10教材P24422121211SSSS•伞形罩圆形弯头矩形弯头附录10教材P244•合流三通附录10教材P244~249F1+F2F3F1=F3α=30°v3F3v3F3v3F3F1+F2=F3α=30°F1+F2F3F1=F3α=30°如何查询局部阻力系数？•例1有一合流三通，如图所示，已知L1＝1.17m3/s(4200m3/h)，D1＝500mm，v1＝5.96m/sL2＝0.78m3/s(2800m3/h)，D2＝250mm，v2＝15.9m/sL3＝1.94m3/s(7000m3/h)，D3＝560mm，v3＝7.9m/s分支管中心夹角α＝30°。求此三通的局部阻力。解：按附录7(P245)列出的条件，计算下列各值L2/L3＝0.78/1.94＝0.4F2/F3＝(D2/D3)2＝(250/560)2＝0.2经计算F1＋F2≈F3根据F1＋F2＝F3及L2/L3＝0.4、F2/F3＝0.2查得支管局部阻力系数ζ2＝2.7直管局部阻力系数ζ1＝－0.73支管的局部阻力2222215.91.22.7409.622vZ221115.961.20.7315.622vZPa直管的局部阻力Pa为什么局部阻力系数会出现负值？•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，对应有两个阻力系数。当合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，直管会引射支管气流，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。这称为引射现象。解决的办法：尽可能做到各分支管内流速相等，防止出现引射现象。例2•已知L2/L3＝0.2，F2/F3＝0.25F1＋F2＝F3，α＝30°•查ζ1和ζ2ζ1=0.24，ζ2=-0.25思考•已知L2/L3＝0.347，F2/F3＝0.34F1＋F2＝F3，α＝30°•如何查ζ1和ζ2？线性插值法减小局部阻力的措施(1)避免风管断面的突然变化用渐缩或渐扩管代替突然缩小或突然扩大。(2)减少风管的转弯数量，尽可能增大转弯半径。圆形风管弯头的曲率半径一般大于(1～2)倍管径；矩形风管弯头断面的长宽比（B/A）愈大，阻力愈小。采用矩形直角弯头，应在其中设导流片。(3)三通汇流要防止出现引射现象。分支管道中心线夹角要尽可能小。一般要求不大于30°。(4)降低管道进口和排风口的流速气流进入风管时，由于产生气流与管道内壁分离和涡流现象造成局部阻力，对于不同的进口形式，局部阻力相差较大。气流从风管口排出时，其在排出前所具有的能量全部损失。当出口处无阻挡时，此能量损失等于出口动压，当有阻挡(风帽、网格、百叶)时，能量损失将大于出口动压，就是说ζ1。为了降低出口动压损失，有时把出口制作成扩散角较小的渐扩管，ζ＜1。第二节风管内的压力分布单位体积流量的能量方程tmvv-Rtmm-RHZZgρhhPPhHZZgρρvvPPh21212121212221212122，也即212121vv-RhhPPh对于无压源的水平管道，以管道轴线为基准面，则有压力坡度图213456789P0第三节通风管路水力计算一.何为通风管道的水力计算•通风管道的水力计算是在系统和设备布置、风管材料、各送排风点的位置和风量均已确定的基础上，确定各管段的管径(或断面尺寸)和阻力，保证系统内达到要求的风量分配，最后确定风机的型号和动力消耗。•通风管道的水力计算最常用的方法是假定流速法。二.假定流速法的计算步骤1.绘制通风或空调系统轴测图，对各管段进行编号，标注长度和风量；2.选定最不利环路；3.确定合理的空气流速；4.根据风量和流速确定管段的断面尺寸，计算最不利环路的摩擦阻力和局部阻力；5.并联管路的阻力平衡；6.计算系统的总阻力；7.选择风机。除尘器圆形伞形罩　α=6002l=6m1l=11m800m3/h3l=5m5l=4m4l=6m7l=8m6l=4m风机4000m3/h1500m3/hAB图6－12　通风除尘系统的系统图实例如图示的通风系统。风管用钢板制作，输送含有轻矿物粉尘的空气，气体温度为常温。该系统采用脉冲喷吹清灰袋式除尘器，除尘器阻力ΔPc＝1200Pa。对该系统进行水力计算，并选择风机。1、对各管段进行编号，标出管段长度和各排风点的排风量。2、选定最不利环路，本系统选择l—3—5—除尘器－6—风机－7为最不利环路。3、根据各管段的风量及选定的流速，确定最不利环路上各管段的断面尺寸和单位长度摩擦阻力。根据教材表6-4(P159)，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为，垂直风管12m/s、水平风管14m/s。考虑到除尘器及风管漏风，取5％的漏风系数，管段6及7的计算风量为6300×1.05＝6615m3/h。110.4240.1953.14144LDv所选管径按通风管道统一规格调整为：D1＝200mm；实际流速v1＝13m/s；由附录6的图得，Rm1＝12.5Pa/m。同理可查得管段3、5、6、7的管径及比摩阻，具体结果见下表。4、确定管段2、4的管径及单位长度摩擦阻力，见下表。管段1有水平风管，根据L1=1500m3/h(0.42m3/s)、v1＝14m/s，求出管径为：m=195mm管道水力计算汇总表管流量长度管径流速动压局部阻力系数局部阻力比摩阻摩擦阻力管道阻力115000.421120014117.61.37161.112.5137.5298.6323000.64524014117.6-0.05-5.9126054.1563001.75538014117.60.6171.75.527.599.2666151.8444201286.40.4740.64.51858.6766151.8484201286.40.651.84.53687.828000.22614014117.60.6171.718108179.7440001.11628016153.61.81278.01484362.028000.2213015.9249.75、确定各管段的局部阻力系数查通风设计手册等资料确定局部阻力系数。(1)管段1设备密闭罩ζ＝1.0900弯头(R/D=1.5)一个ζ＝0.17直流三通(1→3)根据F1＋F2≈F3，即0.0283＋0.0154＝0.0437≈0.0452α＝300F2/F3＝(140/240)2＝0.34，L2/L3＝800/2300＝0.348查得ζ13＝0.2(使用插值法)管段1总的局部阻力系数为Σζ＝1.0＋0.17＋0.2＝1.37(2)管段2圆形伞罩α＝600ζ＝0.09900弯头(R/D＝1.5)一个ζ＝0.17600弯头(R/D＝1.5)一个ζ＝0.14合流三通(2→3)ζ23＝0.2管段2总的局部阻力系数为Σζ＝0.09＋0.17＋0.14＋0.2＝0.6(3)管段3直流三通(3→5)，如图所示。F3＋F4＝F5即0.0452＋0.0615＝0.108≈0.113α＝30°F4/F5＝(280/380)2＝0.54L4/L5＝4000/6300＝0.63ζ35＝－0.05Σζ＝－0.05(4)管段4设备密闭罩ζ＝1.0900弯头(R/D＝1.5)一个ζ＝0.17合流三通(4→5)ζ45＝0.64管段4总的局部阻力系数为Σζ＝1.0＋0.17＋0.64＝1.81(5)管段5除尘器进口变径管(渐扩管)除尘器进口尺寸300mm×800mm，变径管长度l＝500mmtgα=0.5×(800-380)/500＝0.42α=22.7°ζ＝0.60Σζ＝0.60(6)管段6除尘器出口变径管(渐缩管)除尘器出口尺寸300mm×800mm，变径管长度l＝500mmtg(α/2)=0.5×(800-420)/500＝0.38α=41.60ζ＝0.10900弯头(R/D＝1.5)2个ζ＝2×0