流体输配管网第4章

流体输配管网河北工业大学建筑环境与设备工程系第四章多相流管网水力特征与水力计算第一节液气两相流管网水力特征与水力计算第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算第三节气－固两相流管网水力特征与水力计算第一节液气两相流管网水力特征与水力计算一、液气两相流管网的水力特征■非满流排水管道内，是水、气、固三种介质的复杂运动水量气压变化大流速变化剧烈事故危害大1、建筑内部排水流动特点一、液气两相流管网的水力特征2防止管内气体进入室内的措施2.1水封——存水弯的作用•利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压变化，防止管内气体进入室内.•设置在卫生器具和空调机集水盘管等的排水口下•水封高度：h＝50～100mm–h太大：杂物易沉积，堵塞管道–h太小：水封的静压力不足以抵抗管内气压的变化–水封的水量，反映水封强度2.2水封破坏的原因因动态或静态原因造成存水弯内水封高度减少，不足以抵抗管道内允许的压力变化值时（正或负25mmH2o)，管道内气体进入室内的现象叫水封破坏。水封的破坏与水封强度有关。水封强度是指存水弯内水封抵抗管道系统内压力变化的能力，其值与存水弯内水量损失有关。水量损失的原因：自虹吸损失：卫生器具在瞬时大量排水的情况下，存水弯自身充满而形成虹吸，排水结束后，存水弯内水封实际高度低于应有高度。诱导虹吸损失：当管道系统内其他卫生器具大量排水时，系统内压力变化，使存水弯内的水上下波动形成虹吸。静态损失：卫生器具较长时间不使用造成虹吸。一、液气两相流管网的水力特征3、横管内流动状态3.1能量转换关系式：ghgke222203.2水流状态：急流、水跃、跃后段、逐渐衰减3.3管内压力（1）横支管内压力变化如右图：（2）横干管内压力变化排水量大、卫生器具与横干管的高差大，使得与立管连接处动能大、水流充满断面立管底部的压力骤然上升、下部几层横支管内形成正压，存水弯内的污水溅至卫生器具内。则建筑底部横支管与立管的最小垂直距离符合表4-1-1一、液气两相流管网的水力特征4立管中水流状态4.1排水立管水流特点–断续的非均匀流–水气两相流：水中有气，气中有水滴–管内压力变化：•立管上部形成负压，最大处在横支管下部4.2排水立管中水流流动状态•附壁螺旋流•水膜流•水塞流4.3水膜流的力学分析■终限流速计算式：当水膜所受向上的管壁摩擦力与重力达到平衡时，水膜的下降速度和水膜厚度不再发生变化，这是的速度为终限流速。当量粗糙高度：指和实际管道沿程阻力系数值相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度。■终限长度计算式：从排水横支管水流入口至终限流速形成处的高度。52101175.1jptdQkvmltt2144.0一、液气两相流管网的水力特征5排水管在水膜流时的通水能力■在水膜流状态，当达到终限流速时，水膜下降流速和厚度保持不变，立管通水能力也不变.■表达式：■终限流速时过水断面积：■水膜厚度：mWQtt1012)(cmedeWtjtt21121cmdejt)(38351011036.0dKQp÷÷一、液气两相流管网的水力特征6影响排水立管内部压力波动的因素及防止措施6.1影响排水立管内部压力波动的因素水舌是水流在冲激流状态下，由横支管进入立管下落，在其连接部短时间内形成的水力学现象：■水舌沿进水流动方向充塞立管■水舌两侧由两个气孔作为空气流动通路，其两孔断面远比水舌上方立管内的气流断面小■水流带动向下流动的空气通过水舌，造成空气能量的局部损失■当无伸顶通气管时，局部阻力很大，排水时造成的负压则很大，水封极易破坏.立管内最大负压值的大小与粗糙高度和管径成反比；与排水流量、终限流速和空气总阻力系数成正比，空气总阻力系数中最大为水舌阻力系数。一、液气两相流管网的水力特征6.2稳定立管压力增大通水能力的措施■减少终限流速1增加管材内壁粗糙度高度，使水膜与管壁间的界面力增加，减少水流下降速度2立管上隔一定距离设乙字弯（5-6层）消能，实验表明速度减小50%左右。3利用横支管与立管连接处的特殊构造，形成密度小的水沫状水气混合物，减小速度。4使水流沿切线进入立管，在重力、离心力共同作用和管壁的限定下，水流旋流而下，降低垂直方向的速度。5对立管作特殊处理，增加水与管内壁的附着力。减小水舌阻力系数1设置通气立管。向负压区补充的空气不通过水舌。水舌阻力系数趋近于0，立管内负压减小。2在横支管上设单路进气阀。当某一支管排水时，立管内形成负压，其他支管上的进气阀打开补气，不经过水舌。3在排水横管与立管连接处的立管内设置挡板，使横支管排出的冲激流被挡板阻挡，不会射到立管形成水舌。4将排水立管内壁制成螺旋线导流突起，使水流在螺旋线导流下，旋转下落，立管中心是空气柱，未形成水舌。5排水立管轴线与横支管轴线错开半个管径连接。管中心形成空气柱，减小水舌阻力系数。6采用水舌面积小、两侧气孔面积大的斜三通、异径三通等。4.1.2、建筑排水管网的水力计算目的：确定排水管网各管段的管径、横向管道的坡度和通气管的管径。4.1.2.1排水定额和设计秒流量一建筑内部排水定额1以每人每日为标准此计算结果用来设计污水泵、化粪池等。2以卫生器具为标准卫生器具排水定额是经过实测得来的。主要是用来计算建筑内部各管段的排水设计秒流量，进而确定各管段的管径。管段的设计秒流量与其接纳的卫生器具类型、数量及使用频率有关。为便于累加计算，与建筑给水一样，以污水盆排水量0.33升每秒为一个排水当量，将其他卫生器具的排水量与0.33升每秒的比值，作为该卫生器具的排水当量。由于卫生器具排水具有突然、迅速、流率大的特点，所以，一个排水当量的排水流量是一个给水当量额定流量的1.65倍。各卫生器具的排水流量和当量值见下表：二设计秒流量是确定各管段管径的依据■住宅、集体宿舍、旅馆、医院、幼儿园、办公楼、学校等建筑，用水设备使用不集中，用水时间长，同时排水百分数随卫生器数量具增加而减少，其计算式：■工业企业生活间、公共浴室、洗衣房、公共食堂、实验室、影剧院、体育场等建筑，卫生器具使用集中，排水时间集中，同时使用百分数高，其计算式：max12.0qNqpubnqqppu4.1.2.2建筑排水管网的水力计算一横管的水力计算1设计规定：横管按非满流设计，便于有毒气体自由排出■充满度：生活污水为0.5～0.6；工业废水为0.6～1.0■自净流速：规定最小流速，防止固体物在管内沉积.■管道坡度：通用坡度：正常条件下应保证的坡度最小坡度：必须保证的坡度■最小管径Wqu21321IRn二横管的水力计算方法■横干管和连多个卫生器具的横支管，应逐段计算各管段的排水秒流量，通过水力计算来确定各管段管径、坡度■建筑内部横向管道按明渠均匀流公式计算4.1.2.2建筑排水管网的水力计算三立管的水力计算■排水立管按通气方式分：■普通伸顶通气■专用通气立管通气■特制配件伸顶通气■无通气■先计算设计秒流量，再按水力计算表4-1-9确定管径四通气管道水力计算■单立管排水系统的伸顶通气管管径与污水管管径相同寒冷地区为防止管口结霜，应在平顶或吊顶一下0.3M处将管径放大一级。■双立管根据排水能力和管道长度确定，一般不宜小于污水管的1/2，最小管径按表4-1-10确定。通气立管大于50M时，管径应与排水立管相同。■三立管或多立管2跟或2根以上排水立管与1根通气立管连接，应按最大1根排水立管管径查表4-1-10确定共用通气立管管径。但保证管径不小余其余任何1根排水立管管径。结合通气立管管径不宜小于通气立管管径。■汇合通气管•式中DN——通气横干管和总伸顶通气管管径，MM；•DMAX——最大1根通气管管径，MM；•DI——其余通气立管管径，MM；•■例题•图为某6层集体宿舍男厕排水系统轴测图，管材为排水铸铁管。每层横支管设污水盆1个，自闭式冲洗阀小便器2个，自闭式冲洗阀大便器3个，试计算确定管径。IMAXDDDN2225.0三、空调凝结水管路系统的设计■凝结水的排放属于液气两相流■管路系统设计应注意：■泄水支管坡度：•凝结水盘泄水管i≮0.01；水平支干管i≮0.002；无坡度敷设时，管内流速≮0.25m/s.■设置水封■宜用聚氯乙稀塑料管或镀锌钢管，不宜用焊接钢管.■冷凝水立管的顶部，应设计通向大气的透气管.■布置管路要考虑定期冲洗的问题■管径应根据通过的冷凝水的流量计算确定第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算■汽液两相流管网水力特征■蒸汽、高温的凝结水在管路中流动：状态参数变化比较大，还会伴随相态变化–管壁散热产生沿途凝结水，蒸汽量减少，以两相流流动.–湿蒸汽经过阀门，被绝热节流，焓不变，但p、v、t发生变化，变成饱和蒸汽或过热蒸汽，ρ变化很大.–流经输水器和凝结水管路的压力降低，沸点改变，凝结水部分重新汽化，形成二次蒸汽，以两相流的状态在管中流动.第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算■汽液两相流管网水力特征■蒸汽供热管网：–沿途凝水能被高速蒸汽裹带形成随蒸汽流动的高速水滴–水滴落在管底的凝结水能被高速蒸汽流重新掀起形成水塞–混合流在阀门等流向改变处，水滴或水塞撞击管件等部件产生噪声、振动或局部升压，出现渗漏现象.■措施：–水平管道设置足够的坡度→汽、水同向–供汽干管拐弯处，设置输水器–间歇工作系统，应设置自动排气阀快速补气蒸汽作为热媒放热的特点•1.热负荷相同时G汽G水；管径小，初投资小。•2.流动过程中，状态变化复杂；•①蒸汽在管内流动，等压冷却散热，干饱和汽⇒湿饱和汽⇒凝结水；•②湿蒸汽经过较大局部阻力时，绝热节流，湿蒸汽⇒干蒸汽⇒过热蒸汽；•③凝结水流动过程中节流，二次汽化。•上述变化过程中，主要的变化参数是密度。•因此蒸汽系统比热水系统在设计和运行管理上都要复杂！容易出现“跑冒滴漏”问题•3.蒸汽在散热设备中平均温度高，设备面积小，但卫生条件差；•4.蒸汽比容大，管内流速可以大一些，可以避免传热滞后现象；•5.蒸汽的密度小，对高层建筑不存在水静压力的危害问题。•6.蒸汽管内时而混进空气，而凝结水管更容易进入空气，管道易受腐蚀，使用寿命短。•7.采用间歇供暖，噪声大。•8.管道温度高，无效热损失大。•蒸汽系统比热水系统耗能多，管理麻烦，运行费用高，供暖效果差。•不适用在民用建筑中，主要用于工业建筑及其辅助建筑，蒸汽不但满足工业用热需要，还能作为动力来源，在某些工业企业中，是不可替代的热媒！第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算■室内低压蒸汽供暖系统管路的水力计算方法–系统中靠锅炉出口蒸汽本身的压力，使蒸汽沿管道流动–低压蒸汽供暖系统水力计算原则和方法•蒸汽沿途凝结使G↓，因P↓而使ρ↓，由于变化不大，计算时可忽略ρ的变化.•蒸汽在管内流动中，存在摩擦阻力和局部阻力•比摩阻计算式：•蒸汽流态处于紊流过渡区λ的计算式：•局部阻力计算式与热水管路相同，ξ也相同mPadRm/22Re51.27.3lg21dk25.0Re6811.0dk22p第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算■室内低压蒸汽供暖系统管路的水力计算方法■低压蒸汽供暖系统水力计算原则和方法•进行最不利环路的水力计算☆采用平均比摩阻法•在散热器入口处，蒸汽压力应有1500～2000Pa的剩余压力☆采用比压降法•控制最不利环路的每1米总压力损失约为100Pa/m•进行其它环路立管的水力计算•按平均比摩阻法来选择其它立管管径•最大允许流速：•汽、水同向流动时30m/s；汽、水逆向流动时20m/s.–算例mPalpRgm/)2000(第二节汽液两相流管网水力特征与水力计算■室内高压蒸汽供暖系统管路的水力计算方法–室内高压蒸汽供暖管路水力计算原理与低压蒸汽相同–由于室内系统作用半径不大，仍可将整个系统的ρ作为常数，沿途凝水使G↓的因素可以忽略，水力计算公式同低压蒸汽管路–管内蒸汽流动状态属于紊流过渡区及阻力平方区–管壁的绝对粗糙度K值仍为0.2mm–设计手册都有不同蒸汽压力下的蒸汽管径计算表–局部阻力损失计算采用换算为当量长度进行计算*–水力计算的