通風管道系統(tǒng)的設計計算.ppt

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8.0 概述 8.1 風管內氣體流動的流態(tài)和阻力 8.2 風管內的壓力分布 8.3 通風管道的水力計算 8.4 均勻送風管道設計計算 8.5 通風管道設計中的常見問題及其處理措施 8.6 氣力輸送系統(tǒng)的管道設計計算,第8章通風管道系統(tǒng)的設計計算,定義：把符合衛(wèi)生標準的新鮮空氣輸送到室內各需要地點，把室內局部地區(qū)或設備散發(fā)的污濁、有害氣體直接排送到室外或經凈化處理后排送到室外的管道。,8.0 概 述,分類：包括通風除塵管道、空調管道等。,作用：把通風進風口、空氣的熱、濕及凈化處理設備、送(排)風口、部件和風機連成一個整體，使之有效運轉。,設計內容：風管及其部件的布置；管徑的確定；管內氣體流動時能量損耗的計算；風機和電動機功率的選擇。,設計目標：在滿足工藝設計要求和保證使用效果的前提下，合理地組織空氣流動，使系統(tǒng)的初投資和日常運行維護費用最優(yōu)。,通風除塵管道,如圖，在風機4的動力作用下，排風罩（或排風口）1將室內污染空氣吸入，經管道2送入凈化設備3，經凈化處理達到規(guī)定的排放標準后，通過風帽5排到室外大氣中。,空調送風系統(tǒng),如圖，在風機3的動力作用下，室外空氣進入新風口1，經進氣處理設備2處理后達到 衛(wèi)生標準或工藝要求后，由風管4輸送并分配到各送風口5 ，由風口送入室內。,8.1 風管內氣體流動的流態(tài)和阻力,8.1.1 兩種流態(tài)及其判別分析,流體在管道內流動時，其流動狀態(tài)，可以分為層流、紊流。 雷諾數(shù)既能判別流體在風道中流動時的流動狀態(tài)，又是計算風道摩擦阻力系數(shù)的基本參數(shù)。,在通風與空調工程中，雷諾數(shù)通常用右式表示：,8.1.2 風管內空氣流動的阻力,產生阻力的原因： 空氣在風管內流動之所以產生阻力是因為空氣是具有粘滯性的實際流體，在運動過程中要克服內部相對運動出現(xiàn)的摩擦阻力以及風管材料內表面的粗糙程度對氣體的阻滯作用和擾動作用。 阻力的分類：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力,1 沿程阻力,空氣在任意橫斷面形狀不變的管道中流動時，根據(jù)流體力學原理，它的沿程阻力可以按下式確定：,對于圓形截面風管，其阻力由下式計算：,,單位長度的摩擦阻力又稱比摩阻。對于圓形風管，由上式可知其比摩阻為：,,（8-5）,（1）圓形風管的沿程阻力計算,摩擦阻力系數(shù)λ與管內流態(tài)和風管管壁的粗糙度K/D有關,,,圖8-1 摩擦阻力系數(shù)λ隨雷諾數(shù)和相對粗糙度的變化,有關過渡區(qū)的摩擦阻力系數(shù)計算公式很多，一般采用適用三個區(qū)的柯氏公式來計算。它以一定的實驗資料作為基礎，美國、日本、德國的一些暖通手冊中廣泛采用。我國編制的《全國通用通風管道計算表》也采用該公式：,,為了避免繁瑣的計算，可根據(jù)公式（8-5）和式（8-7）制成各種形式的表格或線算圖。附錄4所示的通風管道單位長度摩擦阻力線算圖，可供計算管道阻力時使用。運用線算圖或計算表，只要已知流量、管徑、流速、阻力四個參數(shù)中的任意兩個，即可求得其余兩個參數(shù)。,（8-7）,附錄4 通風管道單位長度摩擦阻力線算圖,需要說明的是，附錄4的線算圖是是按過渡區(qū)的?值，在壓力B0=101.3kPa、溫度t0=200C、空氣密度?0=1.24kg/m3、運動粘度?=15.0610-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圓形風管、氣流與管壁間無熱量交換等條件下得的。當實際條件與上述不符時，應進行修正。,1）密度和粘度的修正,,2）空氣溫度和大氣壓力的修正,,3）管壁粗糙度的修正,,有一通風系統(tǒng)，采用薄鋼板圓形風管（ K = 0.15 mm），已知風量L＝3600 m2/h（1 m3/s）。管徑D＝300 mm，空氣溫度t＝30℃。求風管管內空氣流速和單位長度摩擦阻力。,[例8-1],2. 矩形風管的沿程阻力計算,《全國通用通風管道計算表》和附錄4的線算圖是按圓形風管得出的，在進行矩形風管的摩擦阻力計算時，需要把矩形風管斷面尺寸折算成與之相當?shù)膱A形風管直徑，即當量直徑，再由此求得矩形風管的單位長度摩擦阻力。,所謂“當量直徑”，就是與矩形風管有相同單位長度摩擦阻力的圓形風管直徑，它有流速當量直徑和流量當量直徑兩種。,假設某一圓形風管中的空氣流速與矩形風管中的空氣流速相等，并且兩者的單位長度摩擦阻力也相等，則該圓風管的直徑就稱為此矩形風管的流速當量直徑。,（1）流速當量直徑,假設某一圓形風管中的空氣流速與矩形風管中的空氣流速相等，并且兩者的單位長度摩擦阻力也相等，則該圓風管的直徑就稱為此矩形風管的流速當量直徑。,,圓形風管Rs和矩形風管的水力半徑Rs“必須相等。 圓形風管的水力半徑 Rs=D/4 矩形風管的水力半徑 Rs“=ab/2（a+b） Rs= Rs=D/4= ab/2（a+b） D= ab/2（a+b）=Dv Dv稱為邊長為ab 的矩形風管的流速當量直徑。如果矩形風管內的流速與管徑為Dv ，的圓形風管內的流速相同，兩者的單位長度摩擦阻力也相等。因此，根據(jù)矩形風管的流速當量直徑Dv 和實際流速v，由附錄查得的Rm 。即為矩形風管的單位長度摩擦阻力。,（2）流量當量直徑,設某一圓形風管中的空氣流量與矩形風管的空氣流量相等，并且單位長度摩擦阻力也相等，則該圓形風管的直徑就稱為此矩形風管的流量當量直徑。 流量當量直徑可近似按下式計算。 DL=1.37(ab)0.625/（a+b）0.25 以流量當量直徑DL和矩形風管的流量L，查附錄6所得的單位長度摩擦阻力Rm ，即為矩形風管的單位長度摩擦阻力,[解] 矩道風道內空氣流速 1）根據(jù)矩形風管的流速當量直徑Dv和實際流速V，求矩形風管的單位長度摩擦阻力。,有一表面光滑的磚砌風道（K=3mm），橫斷面尺寸為500mm 400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求單位長度摩阻力。,[例8-2],由V=5m/s、Dv=444mm查圖得Rm0=0.62Pa/m,粗糙度修正系數(shù),由L=1m3/S、DL=487mm查圖2-3-1得Rm0=0.61Pa/m Rm=1.960.61=1.2 Pa/m,2）用流量當量直徑求矩形風管單位長度摩擦阻力。 矩形風道的流量當量直徑,2 局部阻力,一般情況下，通風除塵、空氣調節(jié)和氣力輸送管道都要安裝一些諸如斷面變化的管件(如各種變徑管、變形管、風管進出口、閥門)、流向變化的管件（彎頭）和流量變化的管件(如三通、四通、風管的側面送、排風口)，用以控制和調節(jié)管內的氣流流動。 流體經過這些管件時，由于邊壁或流量的變化，均勻流在這一局部地區(qū)遭到破壞，引起流速的大小，方向或分布的變化，或者氣流的合流與分流，使得氣流中出現(xiàn)渦流區(qū)，由此產生了局部損失。 多數(shù)局部阻力的計算還不能從理論上解決，必須借助于由實驗得來的經驗公式或系數(shù)。局部阻力一般按下面公式確定：,,局部阻力系數(shù)也不能從理論上求得，一般用實驗方法確定。在附錄5中列出了部分常見管件的局部阻力系數(shù)。,局部阻力在通風、空調系統(tǒng)中占有較大的比例，在設計時應加以注意。減小局部阻力的著眼點在于防止或推遲氣流與壁面的分離，避免漩渦區(qū)的產生或減小漩渦區(qū)的大小和強度。下面介紹幾種常用的減小局部阻力的措施。,減小局部阻力的措施,,（1） 漸擴管和漸擴管,幾種常見的局部阻力產生的類型： １、突變 ２、漸變,３、轉彎處 ４、分岔與會合,（2） 三通,圖8-4 三通支管和干管的連接,（3）彎管,,圖8-5 圓形風管彎頭,,圖8-6 矩形風管彎頭,,圖8-7 設有導流片的直角彎頭,（4） 管道進出口,圖8-8 風管進出口阻力,（5） 管道和風機的連接,,圖8-9 風機進出口管道連接,8.2 風管內的壓力分布,8.2.1 動壓、靜壓和全壓,空氣在風管中流動時，由于風管阻力和流速變化，空氣的壓力是不斷變化的。研究風管內壓力的分布規(guī)律，有助于我們正確設計通風和空調系統(tǒng)并使之經濟合理、安全可靠的運行。,分析的原理是風流的能量方程和靜壓、動壓與全壓的關系式。,根據(jù)能量守恒定律，可以寫出空氣在管道內流動時不同斷面間的能量方程（伯努利方程）。,我們可以利用上式對任一通風空調系統(tǒng)的壓力分布進行分析,8.2.2 風管內空氣壓力的分布,把一套通風除塵系統(tǒng)內氣流的動壓、靜壓和全壓的變化表示在以相對壓力為縱坐標的坐標圖上，就稱為通風除塵系統(tǒng)的壓力分布圖。 設有圖8-10所示的通風系統(tǒng)，空氣進出口都有局部阻力。分析該系統(tǒng)風管內的壓力分布。,,8.3 通風管道的水力計算,8.3.1 風道設計的內容及原則,風道的水利計算分設計計算和校核計算兩類。,風道設計時必須遵循以下的原則： （1）系統(tǒng)要簡潔、靈活、可靠；便于安裝、調節(jié)、控制與維修。 （2）斷面尺寸要標準化。 （3）斷面形狀要與建筑結構相配合，使其完美統(tǒng)一。,8.3.2 風道設計的方法,風管水力計算方法 1.假定流速法 2.壓損平均法 3.靜壓復得法 目前常用的是假定流速法。,通風管道的水力計算,通風管道的水力計算是在系統(tǒng)和設備布置、風管材料、各送排風點的位置和風量均已確定的基礎上進行的。 目的是，確定各管段的管徑(或斷面尺寸)和阻力，保證系統(tǒng)內達到要求的風量分配。最后確定風機的型號和動力消耗。 在有的情況下， 風機的風量、風壓已經確定，要由此去確定風管的管徑。 風管水力計算方法有假定流速法、壓損平均法和靜壓復得法等幾種， 目前常用的是假定流速法。,8.3.3 風道設計的步驟,假定流速法風管水力計算的步驟。,（1）繪制通風或空調系統(tǒng)軸測圖,（2）確定合理的空氣流速,（3）根據(jù)各管段的風量和選擇的流速確定各管段的斷面尺寸，計算最不利環(huán)路的摩擦阻力和局部阻力,（4）并聯(lián)管路的阻力計算,（5）計算系統(tǒng)的總阻力,（6）選擇風機,假定流速法的特點是，先按技術經濟要求選定風管的流速，再根據(jù)風管的風量確定風管的斷面尺寸和阻力。 假定流速法的計算步驟和方法如下， 1．繪制通風或空調系統(tǒng)軸測圖，對各管段進行編號，標注長度和風量。 管段長度一般按兩管件間中心線長度計算，不扣除管件(如三通、彎頭)本身的長度。 2．確定合理的空氣流速 風管內的空氣流速對通風、空調系統(tǒng)的經濟性有較大的影響。流速高，風管斷面小，材料耗用少，建造費用小，但是系統(tǒng)的阻力大，動力消耗增大，運用費用增加。對除塵系統(tǒng)會增加設備和管道的摩損，對空調系統(tǒng)會增加噪聲。,3. 管道壓力損失計算 阻力計算應從最不利環(huán)路開始 根據(jù)各風管的風量和選擇的流速確定各管段的斷面尺寸，計算摩擦阻力和局部阻力。 確定風管斷面尺寸時，采用通風管道統(tǒng)一規(guī)格。 袋式除塵器和靜電除塵器后風管內的風量應把漏風量和反吹風量計人。在正常運行條件下，除塵器的漏風率應不大于5％,4. 并聯(lián)管路的阻力平衡 為了保證各送、排風點達到預期的風量，兩并聯(lián)支管的阻力必須保持平衡。對一般的通風系統(tǒng)，兩支管的阻力差應不超過15％；除塵系統(tǒng)應不超過10％。若超過上述規(guī)定，可采用下述方法使其阻力平衡。 （1）調整支管管徑 通過改變支管管徑，即改變支管的阻力，達到阻力平衡。,（2）增大排風量 當兩支管的壓力損失相差不大時(在20％以內)，可以不改變管徑，將壓力損失小的那段支管的流量適當增大，以達到壓力平衡。 （3）增大支管的壓力損失 閥門調節(jié)是最常用的一種增加局部壓力損失的方法，它是通過改變閥門的開度，來調節(jié)管道壓力損失的。 5.風機選擇,[例8-3]圖8-11所示為某車間的振動篩除塵系統(tǒng)。采用矩形傘形排風罩排塵，風管用鋼板制作（粗糙度K＝0.15mm），輸送含有鐵礦粉塵的含塵氣體，氣體溫度為20℃。該系統(tǒng)采用CLSΦ800型水膜除塵器，除塵器含塵氣流進口尺寸為318mm552mm，除塵器阻力900Pa。對該系統(tǒng)進行水力計算，確定該系統(tǒng)的風管斷面尺寸和阻力并選擇風機。,,,,,,,,,,,,,,,,,【例題】 有一通風除塵系統(tǒng)，風管全部用鋼板制作，管內輸送含有輕礦物粉塵的空氣，氣體溫度為常溫。各排風點的排風量和各管段的長度見圖所示。該系統(tǒng)采用袋式除塵器進行排氣凈化，除塵器壓力損失△P=1200Pa。對該系統(tǒng)進行設計計算。,【解】 1．對各管段進行編號，標出管段長度和各排風點的排風量。 2．選定最不利環(huán)路， 本系統(tǒng)選擇1-3-5-除塵器-6-風機-7為最不利環(huán)路。 3．根據(jù)各管段的風量及選定的流速，確定最不利環(huán)路上各管段的斷面尺寸和單位長度摩擦阻力。 輸送含有輕礦物粉塵的空氣時，風管內最小風速為，垂直風管12m／s、水平風管14m／s。 考慮到除塵器及風管漏風，管段6及7的計算風量為63001.05=6615m3／h。,管段1 根據(jù)L1=1500m3／h(0.42m3)、vl=14m／s 查出管徑和單位長度摩擦阻力。 所選管徑應盡量符合附錄8的通風管道統(tǒng)一規(guī)格。 D1=200mm Rm1=12.5Pa／m 同理可查得管段3、5、6、7的管徑及比摩阻. 4．確定管段2、4的管徑及單位長度摩擦阻力. 5．查附錄7，確定各管段的局部阻力系數(shù)。,(1)管段1 設備密閉罩 ξ =1．0(對應接管動壓) 900彎頭(R／D=1.5)一個ξ =0.17 直流三通(1—3) 根據(jù)Fl+F2≈F3 F2 / F3 =：(140／240)=0.292 L2 / L3=800/2300=0.34 7． 查得ξ =0.20 ∑ξ =1.0+0.17+0.20=1.37,(3)管段3 直流三通(3-5) 根據(jù)F3+F4≈F5 F4 / F5 =：(280／380)2=0.54 L4 / L5=4000/6300=0.634 查得ξ =-0.05 (4)管段4 設備密閉罩 ξ =1 合流三通(4-5) ξ =0.64 ∑ξ=1.0+0.17+0.64,(5)管段5 除塵器進口變徑管(漸擴管) 除塵器進口300800mm，變徑管長度500mm tg α=1/2(800-380)/500=0.42 α=22.7 ξ =0.60,(6)管段6 除塵器出口變徑管(漸縮管) 除塵器出口尺寸300800mm變徑管長度400mm tg α=1/2(800-420)/400=0.475 α=25.4 ξ =0.10 900彎頭2個 ξ =20.17=0.34 風機進口漸擴管 選風機，風機進口直徑D1=500mm,變徑管長度300mm tg α=1/2(500-420)/300=0.13 α=7.60 ξ =0.03 ∑ξ=0.1+0.34+0.03=0.47,(7)管段7 風機出口漸擴管 風機出口尺寸410315mm D7=420mm F 7 / F =1.07 ξ=0 帶擴散管的傘形風帽(h／D0=0.5)ξ =0.60 ∑ξ =0．60,6．計算各管段的沿程摩擦阻力和局部阻力。,7．對并聯(lián)管路進行阻力平衡 (1)匯合點 ?Pl=298.5Pa ?P2 =179.7Pa （?Pl -?P2 ） / ?Pl = （298.5- 179.7）/ 298.5 =39. 7％10％ 為使管段l、2達到阻力平衡，改變管段2的管徑，增大其阻力。 根據(jù)公式(6-16) D2=D2(?P2 ／ ?P2 )0.225=124.8mm 取D2 =130mm。其對應的阻力 ?P2 =179.7（140/130） 1/0.225=249.7Pa （?Pl -?P2 ） / ?Pl=（298.5- 249.7）/ 298.5 =16.8 ％ 10％,(2)匯合點B ?Pl +?P3=298.5+54=352Pa ?P4= 362Pa ?P4-（?Pl +?P3 ）/ ?P4=362-352.5/362=2.6 ％10％ 符合要求 8．計算系統(tǒng)的總阻力 ?P= ∑(Rml+Z)=298.5+54+99.2+58.6+87.8+1200 =1798Pa,9．選擇風機 風機風量 Lf=1.15L=1.156615=7607m3／h 風機風壓 Pf=1.15P=1.151798=2067Pa，,通風除塵系統(tǒng)風管壓力損失的估算 在進行系統(tǒng)的方案比較或申報通風除塵系統(tǒng)的技術改造計劃時，對系統(tǒng)的總損失作粗略通風除塵系統(tǒng)風管壓力損失的估算 。,,,,,,,,,,7,l =3.7m,風機,8,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,l =12m,6,5,4,3,2,1,9,10,L=5500m3/h,L=2700m3/h,L=2650m3/h,l =4.2m,l =5.5m,l =5.5m,l =6.2m,通風除塵系統(tǒng)的系統(tǒng)圖,l =5.4m,除塵器,圖8-11所示為某車間的振動篩除塵系統(tǒng)。采用矩形傘形排風罩排塵，風管用鋼板制作（粗糙度K＝0.15mm），輸送含有鐵礦粉塵的含塵氣體，氣體溫度為20℃。該系統(tǒng)采用CLSΦ800型水膜除塵器，除塵器含塵氣流進口尺寸為318mm552mm，除塵器阻力900Pa。對該系統(tǒng)進行水力計算，確定該系統(tǒng)的風管斷面尺寸和阻力并選擇風機。,8.4 均勻送風管道設計計算,在通風、空調、冷庫、烘房及氣幕裝置中，常常要求把等量的空氣經由風道側壁（開有條縫、孔口或短管）均勻的輸送到各個空間，以達到空間內均勻的空氣分布。這種送風方式稱為均勻送風。,均勻送風管道通常有以下幾種形式：,（1）條縫寬度或孔口面積變化，風道斷面不變，如圖8-14所示。,,圖8-14 風道斷面F及孔口流量系數(shù) 不變，孔口面積 變化的均勻吸送風,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,吹出,吸入,,從條縫口吹出和吸入的速度分布,（2）風道斷面變化，條縫寬度或孔口面積不變，如圖8-15所示。,,圖8-15風道斷面F變化，孔口流量系數(shù) 及孔口面積 不變的均勻送風,（3）風道斷面、條縫寬度或孔口面積都不變，如圖8-16所示。,風道斷面F及孔口面積 不變時，管內靜壓會不斷增大，可以根據(jù)靜壓變化，在孔口上設置不同的阻體來改變流量系數(shù) 。,,8.4.1 均勻送風管道的設計原理,風管內流動的空氣，在管壁的垂直方向受到氣流靜壓作用，如果在管的側壁開孔，由于孔口內外靜壓差的作用，空氣會在垂直管壁方向從孔口流出。但由于受到原有管內軸向流速的影響，其孔口出流方向并非垂直于管壁，而是以合成速度沿風管軸線成 角的方向流出，如圖8-17所示。,圖8-17 孔口出流狀態(tài)圖,1. 出流的實際流速和流向,靜壓差產生的流速為：,空氣從孔口出流時，它的實際流速和出流方向不僅取決于靜壓產生的流速大小和方向，還受管內流速的影響?？卓诔隽鞯膶嶋H速度為二者的合成速度。速度的大小為：,利用速度四邊形對角線法則，實際流速 的方向與風道軸線方向 的夾角（出流角）為,空氣在風管內的軸向流速為：,2. 孔口出流的風量,對于孔口出流，流量可表示成：,,孔口處平均流速：,3.實現(xiàn)均勻送風的條件,要實現(xiàn)均勻送風需要滿足下面兩個基本要求： 1）各側孔或短管的出流風量相等； 2）出口氣流盡量與管道側壁垂直，否則盡管風量相等也不會均勻。,從式（8-34）可以看出，對側孔面積 保持不變的均勻送風管道，要使各側孔的送風量保持相等，必需保證各側孔的靜壓 和流量系數(shù) 相等；要使出口氣流盡量保持垂直，要求出流角 接近90。,下面具體分析各項措施。,如圖8-18所示有兩個側孔，根據(jù)流體力學原理可知，斷面1處的全壓 應等于斷面2處的全壓 加上斷面1-2間的阻力，即,,（1）保持各側孔靜壓相等,由此說明，欲使兩個側孔靜壓相等，就必須有,也就是說，若能使兩個側孔的動壓降等于兩側孔間的風管阻力，兩側孔處的靜壓就保持相等。,圖8-18 側孔出流狀態(tài)圖,（2）保持各側孔流量系數(shù)相等,圖8-19 銳邊孔口的 值,（3）增大出流角度,,風管中靜壓與動壓的比值愈大，氣流在側孔的出流角度 也愈大，即出流方向與管壁側面愈接近垂直（如圖8-20（a）所示）。比值愈小，出流就會向風管末端偏斜，難于達到均勻送風的目的（如圖8-20（b）所示）。,,a） b） 圖8-20 側孔氣流出流方向與送風均勻性,8.4.2 均勻送風管道的計算,均勻送風管道計算的目的是確定側孔的個數(shù)、間距、面積及出風量，風管斷面尺寸和均勻送風管段的阻力。 均勻送風管道計算和一般送風管道計算相似，只是在計算側孔送風時的局部阻力系數(shù)時需要注意。側孔送風管道可以認為是支管長度為零的三通。當空氣從側孔出流時產生兩種局部阻力，即直通部分的局部阻力和側孔局部阻力。,,直通部分的局部阻力系數(shù) 可以按布達柯夫提出的公式確定也可以由表8-7查出。,側孔的局部阻力系數(shù) 可以由塔利耶夫的試驗數(shù)據(jù)（表8-8）確定，也可以按下式計算,8.5.2 風管的布置、選型及保溫與防腐,1.風管布置,2.風管選型,風管選型包括斷面形狀的選取，材料的選擇和管道規(guī)格。,3.風管保溫,骯臟的室內送風口散流器 提示通風系統(tǒng)內過多的污垢,5.管道及其設備的清潔,8.5.3 進排風口布置,8.5.4 防爆及防火,8.6 氣力輸送系統(tǒng)的管道設計計算,