第五章-通风管道的设计计算

设计计算的目的：在保证要求的风量分配前提下，合理确定风管布置和尺寸，使系统的初投资和运行费用综合和最优。第五章通风管道的设计计算第一节风管内风流的压力及能量方程一、风管内风流的压力通风中的空气压力也叫风流压力（简称为风压），它是表示运动空气所具有的能量，它包括静压、动压和全压。•1．静压•在房间内或风道内的空气，不论它是否流动，对其周围壁面都产生垂直于壁面的压力，称为空气的静压力。•绝对静压：以绝对零压作为基准的静压，用Pj表示。•相对静压：以当地大气压力为基准的静压，用表示。jPjP当地大气压绝对真空绝对静压与相对静压•不同标高的大气，其静压也不同。随着高度的升高，静压降低，反之亦然。如果空气是不可压缩的，•Pj=P0-ρgz•式中：z——相对于基准的高度，m；•p0——z=0基准处的空气静压，Pa(N/m2)；•pj——高度为z处的空气静压，Pa(N/m2)；•ρ——空气的密度，kg/m3；•g——重力加速度，m/s2。•2．动压•流动着的空气沿它的流动方向将产生一种压力，称为空气的动压力。•动压是单位体积风流运动所具有的动能。它恒为正且具有方向性，它的方向就是风流运动的方向。•单位体积空气的质量为ρ（kg/m3），风流速度为υ(m/s)，则根据动能公式即得风流动压Pd(Pa)计算式为：•Pd=ρυ2/2•3．全压•全压Pq等于静压Pj与动压Pd之和，即•Pq=Pj+Pd静压Pj以相对压力表示时，若静压为正，则全压总为正；若静压为负，则全压可能为正，也可能为负，取决于||值与Pd值的相对大小。•相对全压：•qPjdqPPPjP4、风流压力的测定风流压力测定二、风管内风流的流速由于流体具有粘性，在管道内流动时产生内摩擦，使得同一断面上各点的流速各不相等。平均流速：根据流量相等原则所确定的均匀流速，称为断面平均流速。工程上所指的管道流速就是这个断面的平均流速。一般所说的断面动压或全压，指平均风速所对应的动压或全压。•三、风管内风流运动的能量方程•能量方程是能量守恒原理在气体流动中的具体表现形式和数学表达式。流体运动所具有的能量包括内能U和机械能E，而机械能包括流体的静压能P，动压能ρυ2/2和位势能Zρg，即由于与外界发生热交换及对外界做功，其能量就要发生变化，根据热力学第一定律即有式中U1、U2——分别为断面1、2流体的内能；E1、E2——分别为断面l、2流体的机械能；q——流体与外界交换的热量；h——流体对外界所做的功。•对于绝热过程q=0；对于等温过程内能不变U1=U2。则不可压缩流体绝热、等温的稳定流动过程的能量方程为1-1断面与2-2断面之间若有风机（通风机的全压为H）存在时：1122Z1Z2u1u2•通风工程中。常采用相对压力表示风流的压力，而不测定和计算绝对压力。对于水平管道：1222221122huPuP1222221122huPuP对于垂直或倾斜管道：应用：阻力测定、通风机压力测定、分析通风管道的压力分布情况四、空气压力的测定•通风工程中空气压力测定包括：空气绝对压力测定和空气相对压力测定。•1．空气绝对压力的测定•绝对压力的测定，通常使用水银气压计和空盒气压计。•（1）水银气压计（2）空盒气压计•2．相对压力的测定•相对压力的测定，常用的有Ｕ形压力计、单管倾斜压力计和补偿微压计。它们都须与皮托管配合来测量风流的静压、动压和全压。•（1）皮托管•（2）Ｕ形压力计•Ｕ形压力计（也称为Ｕ形水柱计），有垂直和倾斜两种类型，它们都是由一内径相同、装有蒸馏水或酒精的Ｕ形玻璃管与刻度尺所构成它的测压原理是：Ｕ形管两侧液面承受相同压力时，液面处于同一水平；当两侧液面压力不同时，压力大的一侧液面下降，另一侧液面上升，从中间的标尺即可读出压差。•（3）单管倾斜压力计•为了提高测量精度，可采用倾斜Ｕ形压力计。设倾斜Ｕ形压力计的倾斜角度为α，两侧液面差为L(mm)，则所测压力差为H（mmH2O），即所测压力P（Pa）为：•P=ρgH=ρgLsinα•式中ρ——Ｕ形管中液体的密度（kg/m3）；•P——所测压力，Pa；•g——重力加速度，m/s2。•（4）补偿式微压计五、风速测定•1．空气示踪法•空气示踪法是把有色烟雾（称为示踪气体）释放于运动的空气中，根据示踪气体在一定时间t内的距离L，即可计算出风速大小u为：•u=L/t•常用的示踪气体有氯化铵（NH4Cl），六氟化硫（SF6）等。SF6比较稳定，适用于通风模拟试验。•2、机械风表与电子风表•3．动压法•采用皮托管与压差计测出风流的动压pd，然后按下式计算出相应的风速：dPv2式中Ri——第I个测点圆环半径，m；R——风筒半径，m；i——从风筒中心算起圆环序号；n——测点圆环数。测点圆环的数量n，应根据被测风管的直径大小来确定。一般直径为300～600mm时，n取3，直径为700～1000mm时，n取4。平均风速与风量测算（1）各点分别测定法niinivimvnhnV11121nivihn11nivimhnv112式中：hvi、vi——第i测点的速压、风压；n——测点数；——空气密度。(2)多点联合测定法，即将各皮托管所有静压端相连，所有全压端相连后，集中用一台压差计测平均动压为。•4．热式风速仪•包括热球风速仪、热线风速仪等，其原理是通过热敏感元件因风速变化引起其温度变化而使其电性参数改变，从而实现对风速的测定。第二节风管内风流的阻力•摩擦阻力由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力。•局部阻力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比较集中的能量损失，称为局部阻力。一、摩擦阻力1.摩擦阻力计算式lvRPsm2412摩擦阻力系数；风管的水力半径，m。sRPfRsf—管道中充满流体部分的横断面积，P—湿周，在通风、空调系统中即为风管的周长，m。圆形风管442DDDPfRslvDPm212因为所以圆形风管单位长度的摩擦阻力（又称比摩阻）为：22vDRm2.摩擦阻力系数与空气在风管内流动状态和风管管壁的粗糙度有关。流动状态：管壁的粗糙度：绝对粗糙度：K相对粗糙度:K/d薄钢板风管的空气流动状态大多属于过渡区，则：vdReRe51.27.3lg21DK制成线解图或计算表，则已知流量、管径、流速、阻力四个参量中的两个，即可求得其余两个参量。线解图是按过渡区的λ值，在压力B0=101.3kPa、温度t0=20℃、空气密度ρ0=1.204kg/m3、运动粘度v0=15.06×10－6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管等条件下得出的。当实际使用条件下上述条件不相符时，应进行修正。熟悉附录6通风管道单位长度摩擦阻力线算图。Re51.27.3lg21DK22vDRm修正：实际使用条件与上述条件不相符时，应进行修正。1、密度和粘度的修正1.0091.000//mmRR式中，——实际的单位长度摩擦阻力，Pa/m；——图上查出的单位长度摩擦阻力，Pa/m；——实际的空气密度，kg/m3；——实际的空气运动粘度，m2/s。mR0mRv2、空气温度和大气压力的修正0mBtmRKKRtKBK——温度修正系数；——大气压力修正系数。825.027320273tKt9.03.101BKBB——实际的大气压力，kPa。也可以通过查图确定修正系数。•例6-1兰州市某厂有一通风系统，风管用薄钢板制作。已知风量L=1500m3/h（0.417m3/s），管内空气流速，空气温度t=100℃。求风管的管径和单位长度摩擦阻力。•解：兰州市大气压力有附录6查出D=200mm，由图6-1查出mPaRKKRmBtm/6.71183.082.00m/s12vkPaB5.82mPaRm/11082.0tK83.0BK•3管壁粗糙度的修正0mrmRKR25.0KvKr——管壁粗糙度修正系数；——管壁粗糙度，mm；——管内空气流速，m/s。rKKv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K4、矩形风管的摩擦阻力计算当量直径：与矩形风管有相同单位长度摩擦阻力的原型风管的直径。（1）流速当量直径:lvRPsm2412圆形风管的水力半径：矩形风管的水力半径：4'DRsbaabRs2'''''ssRRbaabD24令vDbaabD2•例6-2有一表面光滑的砖砌风管（K=3mm），断面尺寸为500*400mm，流量L=1m3/s（3600m3/h），求单位长度摩擦阻力。96.15325.025.0KvKrmPaRKRmrm/22.162.096.10解：矩形风管内空气流速smv/54.05.01矩形风管的流速当量直径mmbaabDv44440050040050022根据流速和直径，查附录6，得mPaRm/62.00粗糙度修正系数•（2）流量当量直径:设某一圆型风管中的空气流量与矩形风管的空气流量相等，并且单位长度的摩擦阻力也相等，则该圆型风管的直径就称为此矩形风管的流量当量直径，以表示。53327.1babaDLLD25.0625.03.1baabDL或应用时注意对应关系。二、局部阻力22vZ—局部阻力系数。在通风除尘管网中,连接部件很多,因此局部阻力较大,为了减少系统运行的能耗,在设计管网系统时,应尽可能降低管网的局部阻力.•降低管网的局部阻力可采取以下措施:•(1)避免风管断面的突然变化;(2)减少风管的转弯数量,尽可能增大转弯半径;•(3)三通汇流要防止出现引射现象,尽可能做到各分支管内流速相等.分支管道中心线夹角要尽可能小,一般要求不大于30°;•(4)降低排风口的出口流速,减少出口的动压损失;•(5)通风系统各部件及设备之间的连接要合理,风管布置要合理.三、通风管道的阻力特性1、通风管道的阻力特性系数2)(2vDlZPPm222)(LFDlP22)(FDlK2KLPK:阻力特性系数，62/mSPa2、并联分支管道的风量分配如果设计时并联支管的阻力并不相等，实际运行时，风量将如何分配？21PP222211LKLK21LLL1211KKLL1122KKLL因为所以3、例题：某有并联分支管道的通风管网如图所示。已知设计的结果不进行阻力平衡调整，求运行后并联分支管道的风量各为多少？（运行后的总风量等于设计的总风量）PaPPaPsmLsmL200,350,/4.0,/6.0213231L1L2第三节风管内风流的压力分布分析管内压力分布的目的是了解管内压力的分布规律,为管网系统的设计和运行管理提供依据.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.主要结论：(1)风机的风压等于风管的阻力和出口动压损失之和;(2)风机吸入段的全压和静压都是负值,风机入口处的负压最大;风机压出段的全压和静压都是正值,在出口处正压最大;(3)各分支管道的压力自动平衡.第四节通风管道的水力计算目的:确定各管段的管径和阻力前提:系统和设备布置、风管材料、各排风点的风量、位置均已确定。风管水力计算的方法•假定流速法常用的方法•压损平均法风机压头已定，用此方法比较方便•静压复得法利用复得的静压来克服阻力假定流速法的计算步骤和方法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、确定合理的空气流速3、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。通风管道统一规格4、并联管路的阻力计算衡量标准：对于一般的通风系统，两支管的阻力差应不超过15