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1、8.0 概述8.1 風(fēng)管內(nèi)氣體流動的流態(tài)和阻力8.2 風(fēng)管內(nèi)的壓力分布8.3 通風(fēng)管道的水力計算8.4 均勻送風(fēng)管道設(shè)計計算8.5 通風(fēng)管道設(shè)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(shè)計計算第8章通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計計算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: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)連成一個整體,使之有效運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計內(nèi)容:風(fēng)管及其部件的布置;管徑的確定;管內(nèi)氣體流動時能量損耗的計算;風(fēng)機(jī)和電
2、動機(jī)功率的選擇。設(shè)計目標(biāo):在滿足工藝設(shè)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(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
3、 風(fēng)管內(nèi)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(nèi)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(fēng)道中流動時的流動狀態(tài),又是計算風(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)空氣流動的阻力產(chǎn)生阻力的原因: 空氣在風(fēng)管內(nèi)流動之所以產(chǎn)生阻力是因?yàn)榭諝馐蔷哂姓硿缘膶?shí)際流體,在運(yùn)動過程中要克服內(nèi)部相對運(yùn)動出現(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51 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(xué)原理,它的沿程阻力可以按下式確定: 對
4、于圓形截面風(fēng)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(fēng)管,由上式可知其比摩阻為: (8-5)(1)圓形風(fēng)管的沿程阻力計算6摩擦阻力系數(shù)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)隨雷諾數(shù)和相對粗糙度的變化1 沿程阻力7 有關(guān)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(shí)驗(yàn)資料作為基礎(chǔ),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(fēng)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(fēng)管道單位長度摩擦阻力線算圖,可供計算管道阻力時使用。
5、運(yùn)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)1 沿程阻力8附錄4 通風(fēng)管道單位長度摩擦阻力線算圖9 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(yùn)動粘度=15.0610-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圓形風(fēng)管、氣流與管壁間無熱量交換等條件下得的。當(dāng)實(shí)際條件與上述不符時,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),采用薄鋼板圓形風(fēng)管( K = 0.15 mm),已知風(fēng)量L
6、3600 m2/h(1m3/s)。管徑D300 mm,空氣溫度t30。求風(fēng)管管內(nèi)空氣流速和單位長度摩擦阻力。=0.97解:查附錄4,得14 m/s,7.68 Pa/m 查圖8-2得,=0.977.68 Pa/m=7.45 Pa/m例8-11 沿程阻力112. 矩形風(fēng)管的沿程阻力計算 全國通用通風(fēng)管道計算表和附錄4的線算圖是按圓形風(fēng)管得出的,在進(jìn)行矩形風(fēng)管的摩擦阻力計算時,需要把矩形風(fēng)管斷面尺寸折算成與之相當(dāng)?shù)膱A形風(fēng)管直徑,即當(dāng)量直徑,再由此求得矩形風(fēng)管的單位長度摩擦阻力。 所謂“當(dāng)量直徑”,就是與矩形風(fēng)管有相同單位長度摩擦阻力的圓形風(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
7、直徑(2)流量當(dāng)量直徑12解 矩道風(fēng)道內(nèi)空氣流速1)根據(jù)矩形風(fēng)管的流速當(dāng)量直徑Dv和實(shí)際流速V,求矩形風(fēng)管的單位長度摩擦阻力。 有一表面光滑的磚砌風(fēng)道(K=3mm),橫斷面尺寸為500mm400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h),求單位長度摩阻力。 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=1.960.61=1.2
8、Pa/m2)用流量當(dāng)量直徑求矩形風(fēng)管單位長度摩擦阻力。矩形風(fēng)道的流量當(dāng)量直徑0.011.02002001.00.010.11004004000管徑4035180流速3044750.61Rm Pa/m空氣量m3/s()()()()0.6250.250.6250.251.30.4 0.51.30.4 0.50.447LabDa bm=+=+= 例8-2 152 局部阻力 一般情況下,通風(fēng)除塵、空氣調(diào)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(fēng)管進(jìn)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(fēng)管的側(cè)面送、排風(fēng)口),用以控制和調(diào)節(jié)管內(nèi)的氣流流動。 流
9、體經(jīng)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)得來的經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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)。 16 局部阻力在通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)中占有較大的比例,在設(shè)計時應(yīng)加以注意。減小局部阻力的著眼點(diǎn)在于防止或推遲氣流與壁面的分離,避免漩渦區(qū)的產(chǎn)生或減小漩渦區(qū)的大小和強(qiáng)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)
10、 漸擴(kuò)管和漸縮管幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型:、突變、漸變 17、轉(zhuǎn)彎處 、分岔與會合2312312減小局部阻力的措施18(2) 三通 圖8-4 三通支管和干管的連接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)的連接圖8-9 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道連接218.2 風(fēng)管內(nèi)的壓力分布8.2.1 動壓、靜壓和全壓 空氣在風(fēng)管中流動時,由于風(fēng)管阻力和流速變化,空氣的壓力是不斷變化的。研究風(fēng)管內(nèi)壓力的分布規(guī)律,有助于我們正確設(shè)計通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)并使之經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的運(yùn)行。 分析的原理是風(fēng)流的能量方程和靜
11、壓、動壓與全壓的關(guān)系式。 動壓(Pd): 指空氣流動時產(chǎn)生的壓力,只要風(fēng)管內(nèi)空氣流動就具有一定的動壓,其值永遠(yuǎn)是正的。 靜壓(Pj):由于空氣分子不規(guī)則運(yùn)動而撞擊于管壁上產(chǎn)生的壓力稱為靜壓。計算時,以絕對真空為計算零點(diǎn)的靜壓稱為絕對靜壓。以大氣壓力為零點(diǎn)的靜壓稱為相對靜壓。空調(diào)中的空氣靜壓均指相對靜壓。靜壓高于大氣壓時為正值,低于大氣壓時為負(fù)值。228.2 風(fēng)管內(nèi)的壓力分布 全壓(Pq):全壓是靜壓和動壓的代數(shù)和:PqPj十Pd 全壓代表lm3氣體所具有的總能量。若以大氣壓為計算的起點(diǎn),它可以是正值,亦可以是負(fù)值。Z2Z112 根據(jù)能量守恒定律,可以寫出空氣在管道內(nèi)流動時不同斷面間的能量方程(
12、伯努利方程)。 我們可以利用上式對任一通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的壓力分布進(jìn)行分析238.2.2 風(fēng)管內(nèi)空氣壓力的分布 把一套通風(fēng)除塵系統(tǒng)內(nèi)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(biāo)的坐標(biāo)圖上,就稱為通風(fēng)除塵系統(tǒng)的壓力分布圖。 設(shè)有圖8-10所示的通風(fēng)系統(tǒng),空氣進(jìn)出口都有局部阻力。分析該系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)的壓力分布。248.3 通風(fēng)管道的水力計算8.3.1 風(fēng)道設(shè)計的內(nèi)容及原則風(fēng)道的水力計算分設(shè)計計算和校核計算兩類。風(fēng)道設(shè)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(diào)節(jié)、控制與維修。(2)斷面尺寸要標(biāo)準(zhǔn)化。(3)斷面形狀要與建筑結(jié)構(gòu)相配合,使其完美統(tǒng)一。 8.3.2 風(fēng)道設(shè)計的方法 管
13、水力計算方法有假定流速法、壓損平均法和靜壓復(fù)得法等幾種,目前常用的是假定流速法。258.3.3 風(fēng)道設(shè)計的步驟下面以假定流速法為例介紹風(fēng)管水力計算的步驟。(1)繪制通風(fēng)或空調(diào)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(fēng)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(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)除塵系統(tǒng)的系統(tǒng)圖例8-3l =5.4m除塵器 圖8-11所示為某車
14、間的振動篩除塵系統(tǒng)。采用矩形傘形排風(fēng)罩排塵,風(fēng)管用鋼板制作(粗糙度K0.15mm),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CLS800型水膜除塵器,除塵器含塵氣流進(jìn)口尺寸為318mm552mm,除塵器阻力900Pa。對該系統(tǒng)進(jìn)行水力計算,確定該系統(tǒng)的風(fēng)管斷面尺寸和阻力并選擇風(fēng)機(jī)。 272829303132333435363738398.4 均勻送風(fēng)管道設(shè)計計算 在通風(fēng)、空調(diào)、冷庫、烘房及氣幕裝置中,常常要求把等量的空氣經(jīng)由風(fēng)道側(cè)壁(開有條縫、孔口或短管)均勻的輸送到各個空間,以達(dá)到空間內(nèi)均勻的空氣分布。這種送風(fēng)方式稱為均勻送風(fēng)。 均勻送風(fēng)管道通常有以下幾種形式:(1)條縫寬度或
15、孔口面積變化,風(fēng)道斷面不變,如圖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) 吹出吸入從條縫口吹出和吸入的速度分布40(2)風(fēng)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(fēng)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(fēng) (3)風(fēng)道斷面、條縫寬度或孔口面積都不變,如圖8-16所示。 風(fēng)道斷面F及孔口面積 不變時,管內(nèi)靜壓會不斷增大,可以根據(jù)靜壓變化,在孔口上設(shè)置不同的阻體來改變流量系數(shù) 。8.4 均勻送風(fēng)管道設(shè)計計算41 8.4.1 均勻送風(fēng)管道的設(shè)計原理 風(fēng)管內(nèi)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(cè)壁開孔,
16、由于孔口內(nèi)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(nèi)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(fēng)管軸線成 角的方向流出,如圖8-17所示。ff0vjvdvf0圖8-17 孔口出流狀態(tài)圖421. 出流的實(shí)際流速和流向靜壓差產(chǎn)生的流速為: 空氣從孔口出流時,它的實(shí)際流速和出流方向不僅取決于靜壓產(chǎn)生的流速大小和方向,還受管內(nèi)流速的影響??卓诔隽鞯膶?shí)際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(shí)際流速 的方向與風(fēng)道軸線方向 的夾角(出流角)為空氣在風(fēng)管內(nèi)的軸向流速為: 8.4.1 均勻送風(fēng)管道的設(shè)計原理 432. 孔口出流的風(fēng)量對于孔口
17、出流,流量可表示成: 孔口處平均流速: 8.4.1 均勻送風(fēng)管道的設(shè)計原理 443.實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)的條件 要實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)需要滿足下面兩個基本要求:1)各側(cè)孔或短管的出流風(fēng)量相等;2)出口氣流盡量與管道側(cè)壁垂直,否則盡管風(fēng)量相等也不會均勻。 從式(8-34)可以看出,對側(cè)孔面積 保持不變的均勻送風(fēng)管道,要使各側(cè)孔的送風(fēng)量保持相等,必需保證各側(cè)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(xiàng)措施。如圖8-18所示有兩個側(cè)孔,根據(jù)流體力學(xué)原理可知,斷面1處的全壓 應(yīng)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(cè)孔靜壓相等45由此說明,欲使兩個側(cè)
18、孔靜壓相等,就必須有 也就是說,若能使兩個側(cè)孔的動壓降等于兩側(cè)孔間的風(fēng)管阻力,兩側(cè)孔處的靜壓就保持相等。圖8-18 側(cè)孔出流狀態(tài)圖 46(2)保持各側(cè)孔流量系數(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)孔氣流出流方向與送風(fēng)均勻性478.4.2 均勻送風(fēng)管道的計算 均勻送風(fēng)管道計算的目的是確定側(cè)孔的個數(shù)、間距、面積及出風(fēng)量,風(fēng)管斷面尺寸和均勻送風(fēng)管段的阻力。 均勻送風(fēng)管道計算和一般送風(fēng)管道計算相似,只是在計算側(cè)孔送風(fēng)時的局部阻力系數(shù)時需要注意。側(cè)孔送風(fēng)管道可以認(rèn)為是支管長度為零的三通。當(dāng)空
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