通风管道系统的设计计算.ppt

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 4 风机风机 1 排风罩 5 风帽 1 排风罩 2 风管 有害气体 室外大气室外大气 3 3 净化设备净化设备 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。 空调送风系统空调送风系统 3 3 风机风机 1 1新风口新风口 室外大气室外大气 2 2 进气进气处理设备处理设备 4 4 风管风管 5 5 送风口送风口 室内室内 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 8.1 风管内气体流动的流态和阻力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。 在通风风与空调调工程中，雷诺诺数通常用右式表示： 8.1.2 风管内空气流动的阻力 l 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。 l 阻力的分类：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力 1 1 沿程阻力沿程阻力 空气在任意横断面形状不变变的管道中流动时动时 ，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： 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： （8-5） （1）圆形风管的沿程阻力计算 摩擦阻力系数与管内流态态和风风管管壁的粗糙度K/D有关 图图8-1 摩擦阻力系数随雷诺诺数和相对对粗糙度的变变化 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： 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 需要说说明的是，附录录4的线线算图图是是按过过渡区的值值，在压压 力B0=101.3kPa、温度t0=200C、空气密度0=1.24kg/m3、运动动 粘度=15.0610-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圆圆形风风管、气 流与管壁间间无热热量交换换等条件下得的。当实际实际 条件与上述不 符时时，应进应进 行修正。 1）密度和粘度的修正 2）空气温度和大气压力的修正 3）管壁粗糙度的修正 有一通风风系统统，采用薄钢钢板圆圆形风风管（ K = 0.15 mm），已 知风风量L3600 m2/h（1 m3/s）。管径D300 mm，空气温 度t30。求风风管管内空气流速和单单位长长度摩擦阻力。 =0.97 解：查附录4，得14 m/s，7.68 Pa/m 查图8-2得， =0.977.68 Pa/m=7.45 Pa/m 例例8-18-1 2. 2. 矩形风管的沿程阻力计算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。 v圆形风管Rs和矩形风管的水力半径Rs“必须相等。 v圆形风管的水力半径 Rs=D/4 v矩形风管的水力半径 Rs“=ab/2（a+b） vRs= Rs=D/4= ab/2（a+b） vD= ab/2（a+b）=Dv v Dv称为边长为ab 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 l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。 l流量当量直径可近似按下式计算。 l DL=1.37(ab)0.625/（a+b）0.25 l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 矩道风风道内空气流速 1）根据矩形风风管的流速当量直径Dv和实际实际 流速V，求矩形 风风管的单单位长长度摩擦阻力。 有一表面光滑的砖砖砌风风道（K=3mm），横断面尺寸为为 500mm 400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求单单位 长长度摩阻力。 例例8-2 8-2 由V=5m/s、Dv=444mm查图查图 得Rm0=0.62Pa/m 200200 1.01.0 0.010.01 0.10.1100100 400400 4000 4000 管径管径 4040 3535 1 1 80 80 流速流速 3030 444444 5 5 0.620.62 R R mm(Pa/m) (Pa/m) 空气量空气量mm 3 3 /s/s 450450 粗糙度修正系数 由L=1m3/S、DL=487mm 查图查图 2-3-1得 Rm0=0.61Pa/m Rm=1.960.61=1.2 Pa/m 2）用流量当量直径求矩形风风管单单位长长度摩擦阻力。 矩形风风道的流量当量直径 0.010.01 1.01.0 200200 200200 1.01.0 0.010.01 0.10.1100100 400400 40004000管径管径 4040 3535 1 1 8080流速流速 3030 447447 5 5 0.610.61 R R mmPa Pa/m/m 空气量空气量mm 3 3 /s/s () () () () 0.625 0.25 0.625 0.25 1.3 0.4 0.5 1.3 0.4 0.5 0.447 L ab D a b m = + = + = 2 2 局部阻力局部阻力 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： 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减小局部阻力的措施 （1） 渐扩渐扩 管和渐扩渐扩 管 几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变 、渐变 、转弯处 、分岔与会合 2 3 12 3 1 2 （2） 三通 图8-4 三通支管和干管的连接 （3）弯管 图图8-5 圆圆形风风管弯头头 图图8-6 矩形风风管弯头头 图图8-7 设设有 导导流片的直 角弯头头 （4） 管道进进出口 图图8-8 风风管进进出口阻力 （5） 管道和风风机的连连接 图图8-9 风风机进进出口管道连连接 8.2 8.2 风管内的压力分布风管内的压力分布 8.2.1 动压动压 、静压压和全压压 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。 Z Z2 2 Z Z1 11 1 2 2 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）。 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 风风管内空气压压力的分布 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 8.3 通风管道的水力计算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 l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。 l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。 l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。 l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。 l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。 l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 l 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 l 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。 l确定风管断面尺寸时，采用通风管道统一规格。 l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 l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 l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 l阀门调节是最常用的一种增加局部压力损失的方法， 它是通过改变阀门的开度，来调节管道压力损失的。 l5.风机选择 v 例例8-38-3图8-11所示为某车间的振动筛除尘系统。采用 矩形伞形排风罩排尘，风管用钢板制作（粗糙度K 0.15mm），输送含有铁矿粉尘的含尘气体，气体温度为 20。该系统采用CLS800型水膜除尘器，除尘器含尘 气流进口尺寸为318mm552mm，除尘器阻力900Pa。 对该系统进行水力计算，确定该系统的风管断面尺寸和阻 力并选择风机。 【例题】 有一通风除尘系统，风管全部用 钢板制作，管内输送含有轻矿物粉尘的空气 ，气体温度为常温。各排风点的排风量和各 管段的长度见图所示。该系统采用袋式除尘 器进行排气净化，除尘器压力损失 P=1200Pa。对该系统进行设计计算。 【解】 1对各管段进行编号，标出管段长度和各排风点的排风 量。 2选定最不利环路， 本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为最不利环路。 3根据各管段的风量及选定的流速，确定最不利环路上 各管段的断面尺寸和单位长度摩擦阻力。 l 输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为， 垂直风管12ms、水平风管14ms。 l 考虑到除尘器及风管漏风，管段6及7的计算风量为 63001.05=6615m3h。 管段1 根据L1=1500m3h(0.42m3)、vl=14ms 查出管径和单位长度摩擦阻力。 所选管径应尽量符合附录8的通风管道统一规格。 D1=200mm Rm1=12.5Pam 同理可查得管段3、5、6、7的管径及比摩阻. 4确定管段2、4的管径及单位长度摩擦阻力. 5查附录7，确定各管段的局部阻力系数。 (1)管段1 l 设备密闭罩 =10(对应接管动压) l 900弯头(RD=1.5)一个 =0.17 l直流三通(13) l根据Fl+F2F3 lF2 / F3 =：(140240)=0.292 lL2 / L3=800/2300=0.34 7 查得 =0.20 l =1.0+0.17+0.20=1.37 (3)管段3 l直流三通(3-5) l根据F3+F4F5 lF4 / F5 =：(280380)2=0.54 lL4 / L5=4000/6300=0.634 查得 =-0.05 (4)管段4 l设备密闭罩 =1 l合流三通(4-5) =0.64 l=1.0+0.17+0.64 (5)管段5 l除尘器进口变径管(渐扩管) l除尘器进口300800mm，变径管长度500mm ltg =1/2(800-380)/500=0.42 l=22.7 =0.60 (6)管段6 l除尘器出口变径管(渐缩管) 除尘器出口尺寸300800mm变径管长度400mm tg =1/2(800-420)/400=0.475 =25.4 =0.10 900弯头2个 =20.17=0.34 l风机进口渐扩管 选风机，风机进口直径D1=500mm,变径管长度300mm tg =1/2(500-420)/300=0.13 =7.60 =0.03 =0.1+0.34+0.03=0.47 (7)管段7 l风机出口渐扩管 l风机出口尺寸410315mm D7=420mm lF 7 / F =1.07 =0 带扩散管的伞形风帽(hD0=0.5) =0.60 l =060 6计算各管段的沿程摩擦阻力和局部阻力。 7对并联管路进行阻力平衡 (1)汇合点 lPl=298.5Pa P2 =179.7Pa （Pl -P2 ） / Pl = （298.5- 179.7）/ 298.5 =39. 710 l为使管段l、2达到阻力平衡，改变管段2的管径，增大其阻力。 l 根据公式(6-16) l D2=D2(P2 P2 )0.225=124.8mm l 取D2 =130mm。其对应的阻力 l P2 =179.7（140/130） 1/0.225=249.7Pa l（Pl -P2 ） / Pl=（298.5- 249.7）/ 298.5 =16.8 10 (2)汇合点B l Pl +P3=298.5+54=352Pa lP4= 362Pa P4-（Pl +P3 ）/ P4=362-352.5/362=2.6 10 l符合要求 8计算系统的总阻力 l P= (Rml+Z)=298.5+54+99.2+58.6+87.8+1200 =1798Pa 9选择风机 l风机风量 Lf=1.15L=1.156615=7607m3h l风机风压 Pf=1.15P=1.151798=2067Pa， l通风除尘系统风管压力损失的估算 在进行系统的方案比较或申报通风除尘系统的技术改造 计划时，对系统的总损失作粗略通风除尘系统风管压力 损失的估算 。 系统性质管道风速 m/s 风管长度 m 排风点 个数 压力损失 pa 通风系统14302以上300500 14504以上350400 除尘系统161850612001400 7 7 l l =3.7m=3.7m 风机风机 8 8 l l =12m=12m 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 9 9 1010 L=5500m3/hL=5500m3/h L=2700m3/hL=2700m3/hL=2650m3/hL=2650m3/h l l =4.2m=4.2m l l =5.5m=5.5ml l =5.5m=5.5m l l =6.2m=6.2m 通风除尘系统的系统图 l l =5.4m=5.4m 除尘器除尘器 图图8-11所示为为某车间车间 的振动筛动筛 除尘尘系统统。采用矩形伞伞形排风风罩排尘尘，风风 管用钢钢板制作（粗糙度K0.15mm），输输送含有铁矿铁矿 粉尘尘的含尘尘气体，气体 温度为为20。该该系统统采用CLS800型水膜除尘尘器，除尘尘器含尘尘气流进进口尺寸 为为318mm552mm，除尘尘器阻力900Pa。对该系统进行水力计算，确定该系 统的风管断面尺寸和阻力并选择风机。 8.4 8.4 均匀送风管道设计计算均匀送风管道设计计算 在通风、空调、冷库、烘房及气幕装置中，常常要求把等量的 空气经由风道侧壁（开有条缝、孔口或短管）均匀的输送到各个空 间，以达到空间内均匀的空气分布。这种送风方式称为均匀送风。 均匀送风管道通常有以下几种形式： （1）条缝宽度或孔口面积变化，风道断面不变，如图8-14所示。 图图8-14 风风道断面F及孔口流量系数 不变，孔口面积 变化的均匀吸送风 吹出 吸入 从条缝口吹出和吸入的速度分布 （2）风道断面变化，条缝宽度或孔口面积不变，如图8-15所示。 图图8-15风风道断面F变变化，孔口流量系数 及孔口面积 不变 的均匀送风 （3）风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变，如图8-16所示。 风风道断面F及孔口面积积 不变时，管内静压会不断增大，可以根 据静压变化，在孔口上设置不同的阻体来改变流量系数 。 8.4.1 8.4.1 均匀送风管道的设计原理均匀送风管道的设计原理 风风管内流动动的空气，在管壁的垂直方向受到气流静压压作用， 如果在管的侧侧壁开孔，由于孔口内外静压压差的作用，空气会在垂直 管壁方向从孔口流出。但由于受到原有管内轴轴向流速的影响，其孔 口出流方向并非垂直于管壁，而是以合成速度沿风风管轴线轴线 成 角 的方向流出，如图8-17所示。 f f f f 0 0 v v j j v vd d v v f f 0 0 图8-17 孔口出流状态图 1. 出流的实际流速和流向 静压压差产产生的流速为为： 空气从孔口出流时时，它的实际实际 流速和出流方向不仅仅取决于静 压产压产 生的流速大小和方向，还还受管内流速的影响。孔口出流的实实 际际速度为二者的合成速度。速度的大小为： 利用速度四边边形对对角线线法则则，实际实际 流速 的方向与风道轴线 方向 的夹角（出流角）为 空气在风管内的轴向流速为： 2. 孔口出流的风量 对对于孔口出流，流量可表示成： 孔口处平均流速： 3.实现均匀送风的条件 要实现均匀送风需要满足下面两个基本要求： 1）各侧孔或短管的出流风量相等； 2）出口气流尽量与管道侧壁垂直，否则尽管风量相等也不会均匀。 从式（8-34）可以看出，对侧对侧 孔面积积 保持不变的均匀送风 管道，要使各侧孔的送风量保持相等，必