通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

8.0概述8.1風(fēng)管內(nèi)氣體流動(dòng)的流態(tài)和阻力8.2風(fēng)管內(nèi)的壓力分布8.3通風(fēng)管道的水力計(jì)算8.4均勻送風(fēng)管道設(shè)計(jì)計(jì)算8.5通風(fēng)管道設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題及其處理措施8.6氣力輸送系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)計(jì)算第8章通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算1定義：把符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的新鮮空氣輸送到室內(nèi)各需要地點(diǎn)，把室內(nèi)局部地區(qū)或設(shè)備散發(fā)的污濁、有害氣體直接排送到室外或經(jīng)凈化處理后排送到室外的管道。8.0概述分類(lèi)：包括通風(fēng)除塵管道、空調(diào)管道等。作用：把通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口、空氣的熱、濕及凈化處理設(shè)備、送(排)風(fēng)口、部件和風(fēng)機(jī)連成一個(gè)整體，使之有效運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)內(nèi)容：風(fēng)管及其部件的布置；管徑的確定；管內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)能量損耗的計(jì)算；風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率的選擇。設(shè)計(jì)目標(biāo)：在滿足工藝設(shè)計(jì)要求和保證使用效果的前提下，合理地組織空氣流動(dòng)，使系統(tǒng)的初投資和日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最優(yōu)。2通風(fēng)除塵管道4風(fēng)機(jī)1排風(fēng)罩5風(fēng)帽1排風(fēng)罩2風(fēng)管有害氣體室外大氣3凈化設(shè)備如圖，在風(fēng)機(jī)4的動(dòng)力作用下，排風(fēng)罩（或排風(fēng)口）1將室內(nèi)污染空氣吸入，經(jīng)管道2送入凈化設(shè)備3，經(jīng)凈化處理達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)風(fēng)帽5排到室外大氣中。3空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)3風(fēng)機(jī)1新風(fēng)口室外大氣2進(jìn)氣處理設(shè)備4風(fēng)管5送風(fēng)口室內(nèi)如圖，在風(fēng)機(jī)3的動(dòng)力作用下，室外空氣進(jìn)入新風(fēng)口1，經(jīng)進(jìn)氣處理設(shè)備2處理后達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)或工藝要求后，由風(fēng)管4輸送并分配到各送風(fēng)口5，由風(fēng)口送入室內(nèi)。48.1風(fēng)管內(nèi)氣體流動(dòng)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(nèi)流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)，可以分為層流、紊流。雷諾數(shù)既能判別流體在風(fēng)道中流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，又是計(jì)算風(fēng)道摩擦阻力系數(shù)的基本參數(shù)。在通風(fēng)與空調(diào)工程中，雷諾數(shù)通常用右式表示：8.1.2風(fēng)管內(nèi)空氣流動(dòng)的阻力產(chǎn)生阻力的原因：空氣在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)之所以產(chǎn)生阻力是因?yàn)榭諝馐蔷哂姓硿缘膶?shí)際流體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的摩擦阻力以及風(fēng)管材料內(nèi)表面的粗糙程度對(duì)氣體的阻滯作用和擾動(dòng)作用。阻力的分類(lèi)：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力51沿程阻力空氣在任意橫斷面形狀不變的管道中流動(dòng)時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，它的沿程阻力可以按下式確定：對(duì)于圓形截面風(fēng)管，其阻力由下式計(jì)算：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的摩擦阻力又稱(chēng)比摩阻。對(duì)于圓形風(fēng)管，由上式可知其比摩阻為：（8-5）（1）圓形風(fēng)管的沿程阻力計(jì)算6摩擦阻力系數(shù)λ與管內(nèi)流態(tài)和風(fēng)管管壁的粗糙度K/D有關(guān)圖8-1摩擦阻力系數(shù)λ隨雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的變化1沿程阻力7有關(guān)過(guò)渡區(qū)的摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式很多，一般采用適用三個(gè)區(qū)的柯氏公式來(lái)計(jì)算。它以一定的實(shí)驗(yàn)資料作為基礎(chǔ)，美國(guó)、日本、德國(guó)的一些暖通手冊(cè)中廣泛采用。我國(guó)編制的《全國(guó)通用通風(fēng)管道計(jì)算表》也采用該公式：為了避免繁瑣的計(jì)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(fēng)管道單位長(zhǎng)度摩擦阻力線算圖，可供計(jì)算管道阻力時(shí)使用。運(yùn)用線算圖或計(jì)算表，只要已知流量、管徑、流速、阻力四個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，即可求得其余兩個(gè)參數(shù)。（8-7）1沿程阻力8附錄4通風(fēng)管道單位長(zhǎng)度摩擦阻力線算圖9需要說(shuō)明的是，附錄4的線算圖是是按過(guò)渡區(qū)的值，在壓力B0=101.3kPa、溫度t0=200C、空氣密度0=1.24kg/m3、運(yùn)動(dòng)粘度=15.06×10-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圓形風(fēng)管、氣流與管壁間無(wú)熱量交換等條件下得的。當(dāng)實(shí)際條件與上述不符時(shí)，應(yīng)進(jìn)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1沿程阻力10有一通風(fēng)系統(tǒng)，，采用薄鋼板圓圓形風(fēng)管（K=0.15mm），已知風(fēng)量L＝3600m2/h（1m3/s）。管徑D＝300mm，空氣溫度t＝30℃。求風(fēng)管管內(nèi)空空氣流速和單位位長(zhǎng)度摩擦阻力力。=0.97解：查附錄4，得υ＝14m/s，＝7.68Pa/m查圖8-2得，=0.97×7.68Pa/m=7.45Pa/m[例8-1]1沿程阻力112.矩形風(fēng)管的沿程程阻力計(jì)算《全國(guó)通用通風(fēng)管管道計(jì)算表》和附錄4的線算圖是按圓圓形風(fēng)管得出的的，在進(jìn)行矩形形風(fēng)管的摩擦阻阻力計(jì)算時(shí)，需需要把矩形風(fēng)管管斷面尺寸折算算成與之相當(dāng)?shù)牡膱A形風(fēng)管直徑徑，即當(dāng)量直徑，再由此求得矩形形風(fēng)管的單位長(zhǎng)度度摩擦阻力。所謂“當(dāng)量直徑”，就是與矩形風(fēng)管有有相同單位長(zhǎng)度摩摩擦阻力的圓形風(fēng)風(fēng)管直徑，它有流速當(dāng)量直徑和流量當(dāng)量直徑兩種。（1）流速當(dāng)量直徑（2）流量當(dāng)量直徑12[解]矩道風(fēng)道內(nèi)空氣流流速1）根據(jù)矩形風(fēng)管的的流速當(dāng)量直徑Dv和實(shí)際流速V，求矩形風(fēng)管的單單位長(zhǎng)度摩擦阻力力。有一表面光滑的磚磚砌風(fēng)道（K=3mm），橫斷面尺寸為500mm×400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求單位長(zhǎng)度摩阻力力。[例8-2]13由V=5m/s、Dv=444mm查圖得Rm0=0.62Pa/m2001.00.010.11004004000管徑4035180流速3044450.62Rm(Pa/m)空氣量m3/s450粗糙度修正系數(shù)[例8-2]14由L=1m3/S、DL=487mm查圖2-3-1得Rm0=0.61Pa/mRm=1.96×0.61=1.2Pa/m2）用流量當(dāng)量直徑求矩形風(fēng)管單位長(zhǎng)長(zhǎng)度摩擦阻力。矩矩形風(fēng)道的流量量當(dāng)量直徑0.011.02002001.00.010.11004004000管徑4035180流速3044750.61RmPa/m空氣量m3/s()()()()0.6250.250.6250.251.30.40.51.30.40.50.447LabDabm=+×=+=[例8-2]152局部阻力一般情況下，通風(fēng)風(fēng)除塵、空氣調(diào)節(jié)節(jié)和氣力輸送管道道都要安裝一些諸諸如斷面變化的管管件(如各種變徑管、變變形管、風(fēng)管進(jìn)出出口、閥門(mén))、流向變化的管件件（彎頭）和流量量變化的管件(如三通、四通、風(fēng)風(fēng)管的側(cè)面送、排排風(fēng)口)，用以控制和調(diào)節(jié)節(jié)管內(nèi)的氣流流動(dòng)動(dòng)。流體經(jīng)過(guò)這些管件件時(shí)，由于邊壁或或流量的變化，均均勻流在這一局部部地區(qū)遭到破壞，，引起流速的大小小，方向或分布的的變化，或者氣流流的合流與分流，，使得氣流中出現(xiàn)現(xiàn)渦流區(qū)，由此產(chǎn)產(chǎn)生了局部損失。。多數(shù)局部阻力的計(jì)計(jì)算還不能從理論論上解決，必須借借助于由實(shí)驗(yàn)得來(lái)來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式或系系數(shù)。局部阻力一一般按下面公式確確定：局部阻力系數(shù)也不不能從理論上求得得，一般用實(shí)驗(yàn)方方法確定。在附錄錄5中列出了部分常見(jiàn)見(jiàn)管件的局部阻力力系數(shù)。16局部阻力在通風(fēng)、、空調(diào)系統(tǒng)中占有有較大的比例，在在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注注意。減小局部阻阻力的著眼點(diǎn)在于于防止或推遲氣流流與壁面的分離，，避免漩渦區(qū)的產(chǎn)產(chǎn)生或減小漩渦區(qū)區(qū)的大小和強(qiáng)度。。下面介紹幾種常常用的減小局部阻阻力的措施。減小局部阻力的措措施（1）漸擴(kuò)管和漸縮縮管幾種常見(jiàn)的局部阻阻力產(chǎn)生的類(lèi)型：：１、突變２、漸變17３、轉(zhuǎn)彎處４、分岔與會(huì)合θ2θ3123１３２θ1θ2減小局部阻力的措措施18（2）三通圖8-4三通支管和干管的的連接19（3）彎管圖8-5圓形風(fēng)管彎頭圖8-6矩形風(fēng)管彎頭圖8-7設(shè)有導(dǎo)流片的直角角彎頭（4）管道進(jìn)出口圖8-8風(fēng)管進(jìn)出口阻力20（5）管道和風(fēng)機(jī)的的連接圖8-9風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道連連接218.2風(fēng)管內(nèi)的壓力分布布8.2.1動(dòng)壓、靜壓和全壓壓空氣在風(fēng)管中流動(dòng)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)管阻阻力和流速變化，，空氣的壓力是不不斷變化的。研究究風(fēng)管內(nèi)壓力的分分布規(guī)律，有助于于我們正確設(shè)計(jì)通通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)并并使之經(jīng)濟(jì)合理、、安全可靠的運(yùn)行行。分析的原理是風(fēng)流流的能量方程和靜靜壓、動(dòng)壓與全壓壓的關(guān)系式。動(dòng)壓(Pd):指空氣流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生生的壓力，只要風(fēng)風(fēng)管內(nèi)空氣流動(dòng)就就具有一定的動(dòng)壓壓，其值永遠(yuǎn)是正正的。靜壓(Pj):由于空氣分子不規(guī)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而撞擊于于管壁上產(chǎn)生的壓壓力稱(chēng)為靜壓。計(jì)算時(shí)，以絕對(duì)真真空為計(jì)算零點(diǎn)的的靜壓稱(chēng)為絕對(duì)靜靜壓。以大氣壓力力為零點(diǎn)的靜壓稱(chēng)稱(chēng)為相對(duì)靜壓?？湛照{(diào)中的空氣靜壓壓均指相對(duì)靜壓。。靜壓高于大氣壓時(shí)時(shí)為正值，低于大大氣壓時(shí)為負(fù)值。228.2風(fēng)管內(nèi)的壓力分布布全壓(Pq)

:全壓是靜壓和動(dòng)壓壓的代數(shù)和：Pq＝Pj十Pd全壓代表l

m3氣體所具有的總能能量。若以大氣壓壓為計(jì)算的起點(diǎn)，，它可以是正值，，亦可以是負(fù)值。。Z2Z112根據(jù)能量守恒定律律，可以寫(xiě)出空氣氣在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)時(shí)不同斷面間的能能量方程（伯努利利方程）。我們可以利用上式式對(duì)任一通風(fēng)空調(diào)調(diào)系統(tǒng)的壓力分布布進(jìn)行分析238.2.2風(fēng)管內(nèi)空氣壓力的的分布把一套通風(fēng)除塵系系統(tǒng)內(nèi)氣流的動(dòng)壓壓、靜壓和全壓的的變化表示在以相相對(duì)壓力為縱坐標(biāo)標(biāo)的坐標(biāo)圖上，就就稱(chēng)為通風(fēng)除塵系系統(tǒng)的壓力分布圖圖。設(shè)有圖8-10所示的通風(fēng)系統(tǒng)，，空氣進(jìn)出口都有有局部阻力。分析析該系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)的的壓力分布。248.3通風(fēng)管道的水力計(jì)計(jì)算8.3.1風(fēng)道設(shè)計(jì)的內(nèi)容及及原則風(fēng)道的水水力計(jì)算算分設(shè)計(jì)計(jì)算算和校核計(jì)算算兩類(lèi)。風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)必須須遵循以以下的原原則：（1）系統(tǒng)要要簡(jiǎn)潔、、靈活、、可靠；；便于安安裝、調(diào)調(diào)節(jié)、控控制與維維修。（2）斷面尺尺寸要標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。。（3）斷面形形狀要與與建筑結(jié)結(jié)構(gòu)相配配合，使使其完美美統(tǒng)一。。8.3.2風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)的方法法管水力計(jì)計(jì)算方法法有假定定流速法法、壓損損平均法法和靜壓壓復(fù)得法法等幾種種，目前前常用的的是假定定流速法法。258.3.3風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)的步驟驟下面以假假定流速速法為例例介紹風(fēng)風(fēng)管水力力計(jì)算的的步驟。。（1）繪制通通風(fēng)或空空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)軸測(cè)圖圖（2）確定合合理的空空氣流速速（3）根據(jù)各各管段的的風(fēng)量和和選擇的的流速確確定各管管段的斷斷面尺寸寸，計(jì)算算最不利利環(huán)路的的摩擦阻阻力和局局部阻力力（4）并聯(lián)管管路的阻阻力計(jì)算算（5）計(jì)算系系統(tǒng)的總總阻力（6）選擇風(fēng)風(fēng)機(jī)267l=3.7m風(fēng)機(jī)8l=12m654321910L=5500m3/hL=2700m3/hL=2650m3/hl=4.2ml=5.5ml=5.5ml=6.2m通風(fēng)除塵塵系統(tǒng)的的系統(tǒng)圖圖[例8-3]l=5.4m除塵器圖8-11所示為某某車(chē)間的的振動(dòng)篩篩除塵系系統(tǒng)。采采用矩形形傘形排排風(fēng)罩排排塵，風(fēng)風(fēng)管用鋼鋼板制作作（粗糙糙度K＝0.15mm），輸送送含有鐵鐵礦粉塵塵的含塵塵氣體，，氣體溫溫度為20℃。該系統(tǒng)統(tǒng)采用CLSΦΦ800型水膜除除塵器，，除塵器器含塵氣氣流進(jìn)口口尺寸為為318mm×552mm，除塵器器阻力900Pa。對(duì)該系系統(tǒng)進(jìn)行行水力計(jì)計(jì)算，確確定該系系統(tǒng)的風(fēng)風(fēng)管斷面面尺寸和和阻力并并選擇風(fēng)風(fēng)機(jī)。272829303132333435363738398.4均勻送風(fēng)風(fēng)管道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算算在通風(fēng)、、空調(diào)、、冷庫(kù)、、烘房及及氣幕裝裝置中，，常常要要求把等等量的空空氣經(jīng)由由風(fēng)道側(cè)側(cè)壁（開(kāi)開(kāi)有條縫縫、孔口口或短管管）均勻勻的輸送送到各個(gè)個(gè)空間，，以達(dá)到到空間內(nèi)均勻送風(fēng)風(fēng)管道通通常有以以下幾種種形式：：（1）條縫寬寬度或孔孔口面積積變化，，風(fēng)道斷斷面不變變，如圖圖8-14所示。圖8-14風(fēng)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(fēng)吹出吸入從條縫口口吹出和和吸入的的速度分分布40（2）風(fēng)道斷斷面變化化，條縫縫寬度或或孔口面面積不變變，如圖圖8-15所示。圖8-15風(fēng)道斷面面F變化，孔孔口流量量系數(shù)及孔口面面積不不變的均均勻送風(fēng)風(fēng)（3）風(fēng)道斷斷面、條條縫寬度度或孔口口面積都都不變，，如圖8-16所示。風(fēng)道斷面F及孔口面積不變時(shí)，管內(nèi)靜壓會(huì)不斷增大，可以根據(jù)靜壓變化，在孔口上設(shè)置不同的阻體來(lái)改變流量系數(shù)。8.4均勻送風(fēng)風(fēng)管道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算算418.4.1均勻送風(fēng)風(fēng)管道的的設(shè)計(jì)原原理風(fēng)管內(nèi)流流動(dòng)的空空氣，在在管壁的的垂直方方向受到到氣流靜靜壓作用用，如果果在管的的側(cè)壁開(kāi)開(kāi)孔，由由于孔口口內(nèi)外靜靜壓差的的作用，，空氣會(huì)會(huì)在垂直直管壁方方向從孔孔口流出出。但由由于受到到原有管管內(nèi)軸向向流速的的影響，，其孔口口出流方方向并非非垂直于于管壁，，而是以以合成速速度沿風(fēng)風(fēng)管軸線線成角角的方方向流出出，如圖圖8-17所示。ff0vjvdvf0圖8-17孔口出流流狀態(tài)圖圖421.出流的實(shí)實(shí)際流速速和流向向靜壓差產(chǎn)產(chǎn)生的流流速為：：空氣從孔孔口出流流時(shí)，它它的實(shí)際際流速和和出流方方向不僅僅取決于于靜壓產(chǎn)產(chǎn)生的流流速大小小和方向向，還受受管內(nèi)流流速的影影響?？卓卓诔隽髁鞯膶?shí)際際速度為為二者的的合成速速度。速速度的大大小為：：利用速度度四邊形形對(duì)角線線法則，，實(shí)際流流速的的方向與與風(fēng)道軸軸線方向向的的夾夾角（出出流角））為空氣在風(fēng)管內(nèi)的的軸向流速為：：8.4.1均勻送風(fēng)管道的的設(shè)計(jì)原理432.孔口出流的風(fēng)量量對(duì)于孔口出流，，流量可表示成成：孔口處平均流速速：8.4.1均勻送風(fēng)管道的的設(shè)計(jì)原理443.實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)的的條件要實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)風(fēng)需要滿足下面面兩個(gè)基本要求求：1）各側(cè)孔或短管管的出流風(fēng)量相相等；2）出口氣流盡量量與管道側(cè)壁垂垂直，否則盡管管風(fēng)量相等也不不會(huì)均勻。從式（8-34）可以看出，對(duì)對(duì)側(cè)孔面積保保持不變變的均勻送風(fēng)管管道，要使各側(cè)側(cè)孔的送風(fēng)量保保持相等，必需需保證各側(cè)孔的的靜壓和和流量系數(shù)相相等；；要使出口氣流流盡量保持垂直直，要求出流角角接近近90°。下面具體分析各各項(xiàng)措施。如圖8-18所示有兩個(gè)側(cè)孔孔，根據(jù)流體力力學(xué)原理可知，，斷面1處的全壓應(yīng)應(yīng)等于斷面面2處的全壓加加上斷面1-2間的阻力，即（1）保持各側(cè)孔靜靜壓相等45由此說(shuō)明，欲使使兩個(gè)側(cè)孔靜壓壓相等，就必須須有也就是說(shuō)，若能能使兩個(gè)側(cè)孔的的動(dòng)壓降等于兩兩側(cè)孔間的風(fēng)管管阻力，兩側(cè)孔孔處的靜壓就保保持相等。圖8-18側(cè)孔出流狀態(tài)圖圖46（2）保持各側(cè)孔流流量系數(shù)相等=700=600=500=400=9000.40.50.60.70.80.11.00.5圖8-19銳邊孔口的值（3）增大出流角度風(fēng)管中靜壓與動(dòng)壓的比值愈大，氣流在側(cè)孔的出流角度也愈大，即出流方向與管壁側(cè)面愈接近垂直（如圖8-20（a）所示）。比值愈小，出流就會(huì)向風(fēng)管末端偏斜，難于達(dá)到均勻送風(fēng)的目的（如圖8-20（b）所示）。a）b）圖8-20側(cè)孔氣流出流方方向與送風(fēng)均勻勻性478.4.2均勻送風(fēng)管道的的計(jì)算均勻送風(fēng)管道計(jì)計(jì)算的目的是確確定側(cè)孔的個(gè)數(shù)數(shù)、間距、面積積及出風(fēng)量，風(fēng)風(fēng)管斷面尺寸和和均勻送風(fēng)管段段的阻力。均勻送風(fēng)管道計(jì)計(jì)算和一般送風(fēng)風(fēng)管道計(jì)算相似似，只是在計(jì)算算側(cè)孔送風(fēng)時(shí)的的局部阻力系數(shù)數(shù)時(shí)需要注意。。側(cè)孔送風(fēng)管道道可以認(rèn)為是支支管長(zhǎng)度