局部排风系统的管道设计

局部排风系统的管道设计

为防止设备在生产过程中产生的有害物对车间空气产生污染，往往通过排气罩或吸风口就地将有害物加以捕集，并用管道输送到净化设备进行处理，达到排放标准后，再回用或排入大气。这就是设备的局部排风。

当生产中有多台这样的设备，且每台的局部排风量不需很大，出于经济上的考虑，往往用管道将它们联成整体，组成局部排风系统，整个系统共用一台净化设备和风机。

在局部排风系统中，为了达到对有害物的捕集效果，要求局部排风系统能按各设备要求的局部排风量排风。而做到这一点的关键在于管道系统设计。各设备局部排风量相等时称为均匀吸风管道系统。考虑到一般情况，各设备的局部排风量不等时称为定量吸风管道系统。

均匀吸风管道的设计过去采用干管的等速设计法或降速梯形设计法，对定量吸风管道则采用汇流三通的阻力平衡法，这些方法对问题的分析过于粗糙，运行后风量偏差较大，已不适应人们对环境的要求。本文的局部排风系统管道设计方法，对排风管道内气流的能量关系作了更详细的分析，并可进行更精确的计算。运行后设备的排风量与设计值偏差很小。现加以介绍，供大家在工程实践中参考。

1 局部排风系统管道设计原理

局部排风系统的吸风支管一端是机上吸口，另一端在汇流三通处与干管相接，支管气流与干管气流在汇流三通处具有公共点称为两股气流的汇合点（如图1），两股气流在汇合点汇合，一般动压是不等的，但其静压相等。干管气流到达汇合点的静压称为剩余静压，它是汇合点的实际静压。吸口与汇合点的静压差是支管吸风的动力。对于形状和尺寸给定的支管，只要吸口状态和汇流三通汇合点处的静压一定，支管的吸风量就一定。支管吸口的状态以及支管的形状和尺寸确定之后，根据风量或风速，就可求得支管在汇流三通处的静压，称为该支管的计算静压。

对于第I根支管，只要列出吸口断面与汇流三通汇合点断面之间的柏努利方程，就可求出它的计算静压。当吸口处于大气状态下时，有

因此，（1）

式中，为支管在汇流三通汇合点处的计算静压，（Pa）；

为支管（包括吸口）的局部阻力系数之和；

为支管摩擦阻力系数；

为支管长度，（m）；

为支管内径，（m）；

为支管动压，（Pa）；

由此得出结论：吸口处于大气状态下的支管给定风量时计算静压的绝对值等于该支管的总阻力和动压之和。

各支管的形状和尺寸以及吸口状态都相同，如果给定的吸风量也相等，各支管的计算静压就相等。如果干管气流到达汇合点的剩余静压也相等，那么各支管的吸风量就相等，这就是所谓的静压恒定原理。如果干管气流到达汇合点的剩余静压不仅相等，而且等于各支管的计算静压，那么各支管的吸风量不仅相等，而且能按照给定的风量吸风，这就是均匀吸风原理。

就一般情况而言，对于任意形状和尺寸的支管以及任意给定的风量，只要求出各支管的计算静压，并使干管气流到达汇合点的剩余静压等于该支管的计算静压，则该支管就能按给定的风量吸风，这就是定量吸风原理。它对吸风管道的设计更具有普遍意义。

2 剩余静压计算

前已述及，干管气流到达汇流三通汇合点处的剩余静压是该点的实际静压。汇流三通处两股气流在汇合点汇合，一般动压是不等的，但其静压相等。设在第i个汇流三通前干管气流速度为，支管气流速

度为，汇合点的静压为，那么两股气流的全压分别为和。对于均匀吸风管道，每根支管的吸风量都相同且为Q，那么到达第i个汇流三通的干管风量为iQ，支管风量为Q。干

管气流的总机械能为iQ（），支管气流的总机械能为Q（）。

两股气流到达汇合点后相混合，在混合过程中进行能量交换和动量交换，并受到阻力引起机械能损失。机械能损失的多少与实际汇流速度v i以及理论汇流速度U i都有关系。理论汇流速度是两股气流混合时机械能损失最小的汇流速度。设支管和干管连接的倾角为α，对均匀吸风管道，第i个汇流三通的理论汇流速度为：

汇流三通阻力分直通局部阻力和支管局部阻力，直通局部阻力引起干管气流在汇合时的机械能损失，

其值为；支管局部阻力引起支管气流在汇合时的机械能损失，其值为；而混合后机械能等于混合前的机械能与混合时损失的机械能之差，即两股气流在汇流三通混合时的能量关系式为：

（2）

式中，为第i个汇流三通汇合点的静压，（Pa）；

为第i个汇流三通两股气流混合后的静压，（Pa）；

、分别为相应于实际汇流速度v i的直通局部阻力系数和支管局部阻力系数，且有：α≤45°u i≥v i时

（3）

（4）

α≤45°u i

（5）

（6）

将（3）、（4）或（5）、（6）代入汇流三通两股气流混合的能量关系式（2），就能得到混合气流全压或静压的表达式。

对于定量吸风管道，各支管的吸风量一般是不相等的。设第i根支管的吸风量为Q i M3/s，i＝0，1，2，…，n，则干管在第i个汇流三通前的风量为M3/s，因此将均匀吸风管道汇流三通两股气流混合的能量关系式（2）中的用代替，用代替，并将直通局部阻力系数

和支管局部阻力系数的计算公式代入且注意（）＋（）＝1，即可得到定量吸风管道系统在第i个汇流三通两股气流混合的全压或静压的计算式，它与均匀吸风管道具有相同的形式。

α≤45°u i≥v i时

（7）

α≤45°u i

（8）

对定量吸风管道，第i个汇流三通的理论汇流速度

气流从第i个汇流三通到第i＋1个汇流三通的摩擦阻力为：

式中，

为第i个汇流三通到第i＋1个汇流三通的摩擦阻力系数；

为第i个汇流三通到第i＋1个汇流三通的干管长度，（m）

为空气密度，取＝1.2kg/m3。

因此气流到达第i＋1个汇流三通的剩余静压为：

α≤45°u i≥v i时

（9）

α≤45°u i

（10）

最初一根支管与干管连接后称为肘管。只要列出最初一根支管吸口的断面与第一个汇流三通汇合点断面之间的柏努利方程就可求得肘管的剩余静压。

3 问题的解法与工程实例

3.1 问题的两种求解方法

从上面的推导可以看出，理论汇流速度一定时剩余静压仅是实际汇流速度的函数。根据局部排风管道系统的设计原理，列气流到达汇流三通汇合点的剩余静压等于该支管的计算静压的定量吸风方程。通过解方程确定干管实际汇流速度和直径。或者不断改变实际汇流速度进行迭代计算，使气流到达汇合点的剩余

静压逐步逼近该支管的计算静压。用数学关系式表示如下：，该式称为计算终止条件。式中＞0称为逼近误差，是任意小的数。

现给出后一种方法的计算流程。（如图2）