通风管道系统的设计计算讲解学习

8.6.2 气力输送系统设计计算
2
教学大纲
知识点：比摩阻、局部阻力系数的确定方法；均匀送 风管道的设计计算；通风管道内流动阻力的计算方法 和压力分布规律；风道设计；系统划分；风管的布置、 选择、保温与防腐；进、排风口布置；防爆及防火； 气力输送系统。 重点：通风管道内流动阻力的计算方法和压力分布规 律；比摩阻、均匀送风管道的设计计算；系统划分； 风管的布置、选择。 难点：通风管道内流动阻力的计算方法和压力分布规 律；局部阻力系数的确定；气力输送系统。
16
Ⅰ区——层流区。当Re＜2000时，不论管道粗糙度如何，其实验 结果都集中分布于直线Ⅰ上。这表明λ与相对糙度ε/r无关，只与
Re有关，且λ=64/Re。与相对粗糙度无关
Ⅱ区——过渡流区。2000≤Re≤4000，在此区间内，不同相对糙 度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集 中在线段Ⅱ上。λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。
1
§8.4 均匀送风管道设计计算
8.4.1 均匀送风管道的设计原理
8.4.2 均匀送风管道的计算
§8.5 通风管道设计中的常见问题及其处理措施
8.5.1 系统划分
8.5.2 风管的布置、选型及保温与防腐
8.5.3 进排风口布置
8.5.4 防爆及防火
§8.6 气力输送系统的管道设计计算
8.6.1 气力输送系统的分类和特点
Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊
流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ
大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中
在直线Ⅲ上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增
大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而
相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。
42
例题：表面光滑的风管 （K=0.15mm），断面尺 寸500×400mm，流量 =1m3/s，求比摩阻（流速 当量法）
32
第 8章 通风管道系统的设计计算
修正：1）ρ≠ ρ0、 ν ≠ ν0
Rm Rm0 ( / 0 )0.91( /0 )0.1
Rm 实际比摩阻，Pa/ m Rm0 线算图查出的比摩阻，Pa/ m
实际空气密度，kg/ m3 实际空气运动粘度，m2 / s
33
第 8章 通风管道系统的设计计算
修正：2） t≠ t0 、B ≠ B0
紊流 过渡区
f
(Re,
K) D
粗糙区（阻力平方区） f ( K )
D
◆通风空调系统流体多数处于紊流过渡区 20
1 沿程阻力
21
（1）圆形风管的沿程阻力计算
阻力计算公式：
22
23
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：
由L、Rm求D
由L、v求D、Rm
v D
25
Rm
计算表
26
线算图的适用范围：
27
密度和粘度的修正
R m R m (o/ 0 )0 .9(1/0 )0 .1
Rm-实际的单位长度摩擦阻力，Pa/m Rmo-图上查出的单位长度摩擦阻力，Pa/m ρ-实际的空气密度，kg/m3 ν-实际的运动粘度系数，m2/s
U 1 g1 Z 1 21 2 p 1 1 Q e W e U 2 g2 Z 1 22 2 p 2 2
即:对于连续稳态流动系统,输入该系统的总能量等 于输出该系统的总能量。
理想流体柏努利方程的物理意义
g1z1 212p1g2z1 222p2
gz为单位质量流体所具有的位能； p/ρ为单位质量流体所具有的静压能； u2/2为单位质量流体所具有的动能。
是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道 长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的
影响通过λ值来反映。
➢ 1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀 粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙
度；绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r 称为相对糙度。
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，以DL表示。 根据推导，流量当量直 径可近似按下式计算。
qv矩 qv圆， Rm矩 Rm圆，
41
必须指出，利用当量直径求矩形风管的阻力，要 注意其对应关系：采用流速当量直径时，必须用 矩形风管中的空气流速去查出阻力，采用流量当 量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查阻 力。用两种方法求得的矩形风管单位长度摩擦阻 力是相等的。
RmKtKBRm0
公式法 查图法
温度修正系数Kt
273 200.825 273t
大气压力修正系数KB B /101.30.9
t 实际空气温度0，C
B 实际大气压力，kPa
温度和大气压力修正曲线
34
第 8章 通风管道系统的设计计算
修正： 3）K≠ K0
RmKrRm0
公式法
查表法
Kr Kv0.25
30
31
第 8章 通风管道系统的设计计算
Rm 线算图
流量Q、管径D、流速v、比摩阻Rm
使用方法：已知任意两参数，可求出其他两参数。
使用条件：1）λ值为紊流过渡区； 2）B0=101.325kPa，t0=20℃，ρ0=1.204kg/m3， ν0=15.06×10-6m2/s，K0=0.15mm 实际条件与此不符，则需修正 3）圆形钢制风管
2、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的比较集中的能量损失， 称为局部阻力。
19
§8.1.2 风管内气体流动的阻力
层流
R e200 0f(R e)
Re
vD
紊流过渡区
2 0 R e 0 40 00 f( R 0 e )
光滑区
R e 400 0f(R e)
g1z1 212p1g2z1 222p2
1、理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，三种能量 可互为转换。
2、当流速为0时，有流体静力学方程
gz1
p1
gz2
p2
3、当为水平管路时，公式的变形？
8.1 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
同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动 状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方 向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的 运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱 流动，称为紊流(或湍流)。 （１）雷诺数－Re
12lg3.Leabharlann KD 1R2.5e1为了避免繁琐的计算，可根据公式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。
附录4：线算图
L
图的多种用法：
L
由L、D求Rm
K管壁粗糙度，见 8表 2 v管内空气流速m， / s
Kr 管壁粗糙度修正系数， 见表8（1 P242）
35
36
v L
D L
37
Rm
2. 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。
尼古拉兹实验：通过人工粗糙管流实验，确定出沿程阻力系数 与雷诺数、相对粗糙度之间的关系，实验曲线被划分为5个区域， 即1．层流区 2．临界过渡区3．紊流光滑区4．紊流过渡区 5．紊流粗糙区（阻力平方区）。
➢ 实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于
粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；另一方面（外因）
度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，
尼古拉兹公式：
1 1.74 2lg
r
2
18
8.1.2 风管内空气流动的阻力
风管内空气流动的阻力有两种：
1、由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦产生的 沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；包括圆形 风管的局部阻力计算和矩形风管的局部阻力计算。
连续性方程 (equation of continuity)
流体在如图所示的管道中:
• 作连续稳定流动;
• 从截面1-1流入，从截面2-2流出；
1 G1
2 G2
1´ 2´
假设：管道两截面之间无流体漏损。
G1＝G2
ρ1A1ν1＝2A2ν2
此关系可推广到管道的任一截面，即
ρAν＝常数 上式称为连续性方程式。
3
8.0 概 述
➢ 定义：通风管道是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。 ➢ 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。 4
若流体不可压缩，ρ＝常数，则上式可简化为
Aν＝常数
流体流速与管道的截面积成反比。
对于圆形管道，有
4d12 14d22 2
或
( ) 1
d2 2
2
d1
式中d1及d2分别为管道上截面1和截面2处的管内 径。不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方
成反比。
根据能量守恒定律，得出连续稳态流动系统的总能 量衡算方程式如下：
空气温度和大气压力的修正
RmKtKBRmo
Kt
2
7
32
00.825
273t
KB(B/10.3)10.9
Kt-温度修正系数 KB-大气压力修正系数 T-实际的空气温度，℃ B-实际的大气压力，kPa
管壁粗糙度的修正
粗糙度k≠0.15mm时，
RmKrRmo Kr (Kv)0.25
Kr-管壁粗糙度修正系数 K-管壁粗糙度，mm v-管内空气流速，m/s
第8章 通风管道系统的设计计算
§8.1 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 8.1.2 风管内空气流动的阻力
§8.2 风管内的压力分布
8.2.1 动压、静压和全压 8.2.2 风管内空气压力的分布
§8.3 通风管道的设计计算
8.3.1 风道设计的内容及原则 8.3.2 风道设计的方法 8.3.3 风道设计的步骤
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。
（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，DV表示。圆形风管和矩形
风管的水力半径必须相等。
38
vA
A
vB
B
VA = VB RmA=RmB DB为A的流速当量直径，记作Dv
17
Ⅳ区——紊流过渡区，在这个区段内，各种不同相对糙度的实
验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。
Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层
流边层已变得极薄，有ε>>δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊
流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为
λ的唯一影响因素。故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙
计算式：
Dv
2ab
a b
39
DV称为边长为a×b的矩形风管的流速当量直径。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4查得的 Rm即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。
40
2．流量当量直径
设某一圆形风管中的空
空调送风系统
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。
室外大气
5 送风口
4 风管
1新风口
室内
3 风机 2 进气处理设备
6
通风管道系统的确定主要包括：
风管及其连接部件、风管形状和尺寸的确 定、风管内风流流动的能量损失的计算、 风机和电动机的确定。
式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数
Re Vd
14
雷诺实验示意图
实验表明： Re ≤ 2000 层流（下临界雷诺数） Re＞4000 紊流（上临界雷诺数） 中间为过渡区 实际工程计算中，为简便起见，通常用Re=2300来判断管路
流动的流态 Re≤2300 层流， Re＞2300 紊流 15