第八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。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，则该圆风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径。（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，则该圆风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径。圆形风管Rs´和矩形风管的水力半径Rs“必须相等。圆形风管的水力半径Rs´=D/4矩形风管的水力半径Rs=ab/2（a+b）Rs´=Rs=D/4=ab/2（a+b）D=ab/2（a+b）=DvDv称为边长为a×b的矩形风管的流速当量直径。如果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，由附录查得的Rm。即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。（2）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。流量当量直径可近似按下式计算。DL=1.37(ab)0.625/（a+b）0.25以流量当量直径DL和矩形风管的流量L，查附录6所得的单位长度摩擦阻力Rm，即为矩形风管的单位长度摩擦阻力[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）渐扩管和渐扩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1.假定流速法2.压损平均法3.静压复得法目前常用的是假定流速法。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进行的。目的是，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。在有的情况下，风机的风量、风压已经确定，要由此去确定风管的管径。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风道设计的步骤假定流速法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）选择风机假定流速法的特点是，先按技术经济要求选定风管的流速，再根据风管的风量确定风管的断面尺寸和阻力。假定流速法的计算步骤和方法如下，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。管段长度一般按两管件间中心线长度计算，不扣除管件(如三通、弯头)本身的长度。2．确定合理的空气流速风管内的空气流速对通风、空调系统的经济性有较大的影响。流速高，风管断面小，材料耗用少，建造费用小，但是系统的阻力大，动力消耗增大，运用费用增加。对除尘系统会增加设备和管道的摩损，对空调系统会增加噪声。3.管道压力损失计算阻力计算应从最不利环路开始根据各风管的风量和选择的流速确定各管段的断面尺寸，计算摩擦阻力和局部阻力。确定风管断面尺寸时，采用通风管道统一规格。袋式除尘器和静电除尘器后风管内的风量应把漏风量和反吹风量计人。在正常运行条件下，除尘器的漏风率应不大于5％4.并联管路的阻力平衡为了保证各送、排风点达到预期的风量，两并联支管的阻力必须保持平衡。对一般的通风系统，两支管的阻力差应不超过15％；除尘系统应不超过10％。若超过上述规定，可采用下述方法使其阻力平衡。（1）调整支管管径通过改变支管管径，即改变支管的阻力，达到阻力平衡。（2）增大排风量当两支管的压力损失相差不大时(在20％以内)，可以不改变管径，将压力损失小的那段支管的流量适当增大，以达到压力平衡。（3）增大支管的压力损失阀门调