第2章 气体输配管网的水力特征与水力计算

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注意: 密度、粘度修正;温度、大气压力和热交换修正;壁面粗糙度修正。
非圆管利用图表--引入“当量直径”

流速当量直径: 假设某一圆形风管中的空气流速与非圆形 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,则该圆形风管的直 径就称为此矩形风管的流速当量直径,以 Dv表示。根据这一定义,断面为a×b的矩形 风管的流速当量直径Dv为:
〔例2-3〕
图2-3-2 虚拟管路与流动环路
(2)枝状管网的环路、共用管路和独用管路
枝状管网中,管段的流向是唯一的。 以管网的源为起点,沿着管路(含虚拟管路),
顺着流向(虚拟管路中的流向是从开式管网的真 实出口到真实进口)前进,最终必定回到起点。 沿途所经过的所有管路(含虚拟管路)构成了枝 状管网的一个流动环路。 〔例2-3〕管网的环路有: 1-3-5-6-7-虚拟管路-1 (流动环路I) 2-3-5-6-7-虚拟管路-2 (流动环路II) 4-5-6-7-虚拟管路-4 (流动环路III)
假定流速法 压损平均法
静压复得法
假定流速法的特点
先按技术经济要求选定管内流速,再结合所需输送
的流量,确定管道断面尺寸,进而计算管道阻力, 得出需要的作用压力。假定流速法适用于作用压力 未知的情况。
假定流速法的基本步骤
(1)绘制管网轴测图,对各管段进行编号,标出长度和流量,确定最不利环 路。 (2)合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。 (3)根据各管段的流量和确定的流速,确定最不利环路各管段的断面寸。 (4)计算最不利环路各管段的阻力。 (5)平衡并联管路。确定并联管路的管径,使各并联管路的计算阻力与各自 的资用压力相等,可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分配的关键。若 并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等,在实际运行时,管网会自动调整 各并联管路流量,使并联管路的实际流动阻力与各自的资用压力相等。这时各
同理确定出3、5、6、7的管内流速和管径。
2.3.1.2 风管摩擦阻力计算
公式计算:
Pml
1

4 Rs

v 2
2
l Rml
K 2.51 2 lg ( 3.71 4Rs) Re
对于圆管,4Rs=D
图表计算

制成计算表或线算图。图2-3-1所示的线算图,可供计算 管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四 个参数中的任意两个,即可利用该图求得其余的两个参 数。该图是按过渡区的λ 值,在压力B0=101.3kPa、温度 t0=20℃、空气密度ρ 0=1.204kg/m3、运动粘度 ν 0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、 气流与管壁间无热交换等条件下得出的。当实际条件与 上述条件不相符时,应进行修正。
几何形状有关。
局部阻力系数与其安装条件(受流动环境的影响) 、各
部分的几何尺寸有关(如突扩)。同名的局部阻力在不 同的场合有不同的阻力系数值。
局部阻力系数值通过一般实验获得。 局部阻力系数值对应是某断面动压而言的,使用时必须
注意。
各工程设计手册给出了常用的局部阻力系数。
2.2.3 常用的水力计算方法
表帮助计算。
任何计算公式或图表,都有其使用范围,使用时要
特别注意。
当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时,常
采用修正的方法。
2.2.1 局部阻力计算
产生原因:
流动边界几何形状改变,使流动产生涡旋、流动方 向变化,引起能量损失。
局部阻力基本计算公式:
P
v
2
2
局部阻力系数
局部阻力处,流动处于阻力平方区。局部阻力系数只与
水力计算中,各种计算公式和基础数据的选取,应遵循
相关规范、标准的规定。
2.3.1 通风空调工程气体输配管网水力计算
以通风空调工程的空气输配管网为例,学习开式枝状气
体输配管网水力计算的具体方法。设计计算要确定管径 和动力大小,主要采用假定流速法。
需先完成空气输配管网的布置,确定设备和各送排风点
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
水力计算:设计计算;校核计算 设计计算:根据要求的流量分配,确定管网的各段
管径(或断面尺寸)和阻力。对枝状管外,求得管 网特性曲线,为匹配管网动力设备准备好条件,进 而选择确定动力设备(风机、水泵等)的型号。
校核计算:根据已定的动力设备,确定保证流量输
第二章 气体输配管网的水力特征与 水力计算 重点:
重力、压力及重力和压力综合作用的3种气
体管流的水力特征;
流体输配管网水力计算的基本原理、方法及
相关概念;
环路与环路位压,阻力平衡,动静压的相互
转换。
2.1 气体管流的水力特征
2.1.1 气体重力管流的水力特征 (1)竖向开口管道
H2 1
2
H1
压损平均法的基本步骤
(1)绘制管网轴测图,对各管段进行编号,标出长度和流量,确定 最不利环路。
(2)根据确定的最不利环路的资用压力,计算最不利环路单位管长 的压力损失。 (3)根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量,确定其各管 段管径。 (4)确定各并联支路的资用压力,计算单位管长的压力损失。 (5)根据各并联支路单位管长压力损失和各管段流量,确定其各管 段管径。
段的起点(终点)相同,具有相同的压力。不包含动力源 的并联管段,阻力应相等。
管段阻力是构成管网阻力的基本单元。流体力学已经揭示,
管段中的流体流动阻力有两种,一种是摩擦阻力,也称为 沿程阻力。另一种是局部阻力。
2.2.1 摩擦阻力计算
摩擦阻力系数
说 明
工程上常根据自身的工程特点,编制相应的计算图
1
2
H2
g(ρ1-ρ2)(H2-H1)=
P1 2 (2-1-5)
注意:
P 1)断面1和2分别在进口和出口外, 12 包含了进口阻 力损失和出口阻力损失。
H1 D
2)进出口位于相同标高时,流动动力是竖管内的密度 差与高差的乘积,与管外大气密度无关。
3)流动方向取决于竖管内密度的相对大小。
(3)闭式管道内的重力流
〔例2-3〕 管内流速和管径:
有水平风管,初定流速为14m/s 。管径计算:
1500m3 / h 4 D 0.195m 3600s / h 14m / s
没有这个标准规格,取为d=0.2m=200mm 则实际风速为:
1 2
1500m3 / h v 13.4m / s 2 (0.2m) 3600s / h 4
(2-1-2)
Hale Waihona Puke Baidu
上式表明:流动阻力依靠位压(即重力的作用)克服。流动方向取决 于管内外的密度差。以厨房排烟管网为例,当没有开启排风机、且未设防 倒流阀,夏季竖井中密度低,室外空气经竖井进入室内;冬季竖井温度高, 室内空气进入竖井。
(2)U型管道内的重力流
通过列写断面1-D、断面D-2的能量方程,综合 后得到:
P
v
2
2
各种管件(弯头、三通等)的局部阻力系数ξ 通常 查图表确定。查图表时要注意依据的参数值。还要 注意对应的特征速度。 各种设备的局部阻力或局部阻力系数,由设备生产 厂商提供。
局部阻力计算
〔例2-3〕
(1)管段1 设备密闭罩ζ =1.0(对应接管动压) 90°弯头(R/D=1.5)一个ζ =0.17 直流三通(1→3)(见图2-3-3) 根据F1+F2≈F3 ,α =30°,查得ζ 13=0.20 Σ ζ =1.0+0.17+0.20=1.37 计算出管段1的局部阻力损失为:147.5Pa。 同理计算出3、5、6、7各管段的局部阻力,填入表 中。
位置的确定;各送排风点要求的风量;管道布置、各管 段的输送风量。
制作风管的水力计算表格。
2.3.1.1 确定最不利环路的管内流速和管道断面尺寸
(1)绘制风管系统轴测图,并划分管段,对各管段进行 编号,标注其长度和设计风量。
注:管段:管内流量和管道断面均不变化。管段长度按 中心线长度计算,不扣除管件(如三通、弯头)本身的 长度。
〔例2-3〕
图2-3-2 通风除尘管网轴测图
(2)确定管内流速和管道断面尺寸

管内的流速对通风、空调系统的经济性有较大的影响,对系统 的技术条件也有影响。流速高,风管断面小,占用的空间小,材料 耗用少,建造费用小;但是系统的阻力大,动力消耗增大,运行费 用增加,且增加噪声。若气流中含有粉尘等,会增加设备和管道的 磨损。反之,流速低,阻力小,动力消耗少;但是风管断面大,材 料和建造费用大,风管占用的空间也增大。流速过低会使粉尘沉积 而堵塞管道。 因此,必须通过全面的技术经济比较选定合理的流速。根据工 程经验,总结出了通风空调工程中风管内较为合理的空气流速。
配的管道尺寸;或者根据已定的管道尺寸,确定保 证流量输配的动力设备。
水力计算是流体输配管网设计及其运行质量保证的
基本手段。
水力计算的基本原理
水力计算的基本理论依据:流体力学一元流动连续性方程、
能量方程及串、并联管路流动规律。
管网的流动动力等于管网流动总阻力。 若干管段串联后的阻力,等于各管段阻力之和;各并联管
摩擦阻力

〔例2-3〕
查图得管段1的比摩阻为12.5Pa/m,填入计 算表中,并计算管段的摩擦阻力。
同理查得3、5、6、7管段的比摩阻和摩擦 阻力填入计算表中。 检查是否需要修正。本例无需进行修正。如 需修正的情况,在水力计算表中留出填写这 些参数的位置。


2.3.1.3 风管局部阻力计算

计算公式:

〔例2-3〕
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。
解释:环路;最不利环路。
根据表2-3-3,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12m/s、水平风管14m/s。
考虑到除尘器及风管漏风(思考?),取5%的漏风系数,
管段6及7的计算风量为6300×1.05=6615m3/h。
H2
具有与进出口断面等高的U型重
力流竖管相同的水力特征。
H1
2.1.2 气体压力管流水力特征
2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
若压力(Pq1-Pq2)驱动的流动方向与位压一致,则二者 综合作用加强管内气体流动,若驱动方向相反,则由绝 对值大者决定管流方向;绝对值小者实际上成为另加流 动阻力。 如空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井,冬季在位 压的辅助作用下,排气能力明显加强;夏季排气风机除 克服竖井的阻力时,还要克服位压,排气能力削弱,尤 其是高层建筑。
1-2断面的能量方程:
p j1
静压
v12
2
动压
g ( a )( H 2 H1 ) Pj 2
位压
2 v2
2
P 2 1
(2-1-1)
当1断面和2断面位于位于进口和出口处,这时静压均为0。将出口的 动压损失视为出口的一种流动局部阻力,则:
g ( a )( H2 H1 ) P2 1
静压复得法的特点
通过调整管道断面尺寸,维持管道在不同断面处的管内
静压。送风管道若要求各个风口风量均匀,常用此方法 保证要求的风口风速。
静压复得法的基本步骤
说 明
不论采用何种方法,水力计算前必须完成管网系统和设
备的布置,确定管道材料及每个管段的流量,然后循着各 种方法所要求的步骤进行计算。
2ab Dv ab
流量当量直径:
设某一圆形风管中的空气流量与非圆形风 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非 圆形风管的流量当量直径,以DL表示。根 据推导,矩形风管的流量当量直径可近似 按下式计算。
(ab) DL 1.3 0.25 ( a b)
0.625
各管段的总阻力=沿程阻力+局部 阻力。
2.3.1.4 并联管路的平衡
(1)开式管网的虚拟闭合 引入虚拟管路的概念,将开式管网变为虚 拟的闭式管网。 虚拟管路是连接开式管网出口和进口的虚 设管路,该管路中的流体为开式管网出口 和进口高度之间的环境流体,从管网出口 流向进口,其水力和热力参数都与环境流 体相同,虚拟管路的管径趋于无限大,流 动阻力为零。
并联管路的流量不是要求的流量。
(6)计算管网的总阻力,求取管网特性曲线。 (7)根据管网特性曲线、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、性质 等诸因素,综合考虑为管网匹配动力设备(风机、水泵等),确定动力设备所
需的参数。
压损平均法的特点

将已定的总作用压力,按干管长度平均分配给每一管段, 以此确定管段阻力,再根据每一管段的流量确定管道断 面尺寸。当管道系统所用的动力设备型号已定,或对分 支管路进行阻力平衡计算,此法较为方便。当然,也可 按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力分配给各 管段。
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