第四章 防排烟系统的管路设计计算

第四章防排烟系统管路设计计算张村峰Email:cowboyzhang@2008～2009第二学期主要内容管道设计基础知识沿程阻力局部阻力管道内的压力分布通风管道的设计计算管道设计基础知识通风管道的基本概念基本术语流动阻力及其形式通风管道的基本概念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、有害气体排送室外或经净化处理后排送室外的管道。通风除尘：排风空调：送风通风管道的基本概念按空气流速不同低速管道：流速≥15m/s或静压≥400Pa高速管道断面的几何形式圆形非圆形通风管道的基本概念管段：具有一定长度的、并保持摩擦阻力系数和流速及断面几何形状不变的风道。管道计算的任务设计计算：已知通风系统和通风量，确定管道的断面尺寸和阻力，选择合适的风机和电动机的功率。校核计算：验证已有系统是否符合要求。基本术语流量体积流量：质量流量：基本术语流速V基本术语湿周：流体的过流面积的周界与管道壁面相接处的那部分长度，用表示。（单位：m）基本术语水力半径：水力要素过流面积与湿周之比。（单位：m）过流面积一定，湿周小，流动阻力小，水力半径大。湿周一定，过流面积大，流动阻力小，水力半径大。基本术语静压：静止流体作用于管道壁面的总压力。帕：N/m2工程单位：kgf/m2液柱的高度：mH2O、mmHg对于静止流体，有：基本术语动压：迫使流体由静至动向前加速运动的动压力。基本术语全压：动压与静压之和。物理意义：一定数量的流体压力与该流体所含的能量成正比。水力学意义：表示总水头。基本术语①表示理想总水头线。②表示实际总水头线。③表示测压管水头线。④表示管道轴线。⑤表示基准线或基准面。基本术语沿程阻力与沿程损失：阻碍空气沿着管段长度方向上的运动的力，称之为沿程阻力或沿程摩阻。空气因克服沿程阻力所引起的能量损失称之为沿程损失。当阻碍流体运动的力发生在流体中的某一个局部地区时，称之为局部阻力。流体因克服局部阻力所引起的能量损失，称之为局部损失。基本术语在通风与空气调节工程中，为了便于分析和计算，通常根据流体运动管段壁面是否沿程发生变化，把能量损失分成两类：即沿程损失和局部损失。因此整个通风或空调系统中的能量损失应是沿程损失和局部损失之和。即沿程阻力沿程阻力计算基本公式圆形管道的沿程阻力其它形式的管道影响沿程阻力损失的因素沿程阻力计算基本公式计算的关键在于确定沿程摩擦阻力系数λ！沿程阻力计算基本公式绝对粗糙度：壁面表面凸起的峰顶和下凹的谷底的高差。沿程阻力计算基本公式尼古拉兹实验沿程阻力计算基本公式沿程阻力计算基本公式I区为层流区。这个区的Re＜2000(即lgRe＜3.36)，所有的K／D实验点都落在直线I上，即λ＝64／Re。

沿程阻力计算基本公式

Ⅱ区为过渡区。这个区又可以分成三个小区(分成三段摩擦阻力曲线)。a小区，由层流到湍流的过渡段，又称临界过渡区。这个区的Re在2000-4000(即1gRe＝3.36-3.6)，K/D实验点都集中在“段曲线上，流态既不稳定又范围小，无实用意义。

b小区，这个区的Re＞4000(即1gRe＞3.6)以后，K/D实验点都集中在b段直线上，表明λ只与Re有关，与K/D无关，所以又称湍流光滑区。

c小区，当Re继续增大时，K/D实验点各自渐渐偏离b段曲线，形成一条条波状曲线，表明此时λ不仅与Re有关，而且与K/D也有关，称湍流过渡区。沿程阻力计算基本公式Ⅲ区为湍流粗糙区。当Re增大到一定程度后，K/D实验散点分别落在大致平行于lgRe坐标轴的六条直线上，表明λ只与K/D有关，与Re无关。流体运动处于湍流粗糙区或称阻力平方区(又称第二自模化区)。沿程阻力计算基本公式圆形管道的沿程阻力Darcy—Weisbach公式圆形管道比摩阻其它形式的管道（矩形）为了利用已有的圆形风道的计算公式或计算图表，对于计算诸如一些非圆形断面的矩形风道或其它断面的风道，通常借助于“当量直径”这一概念来计算。所谓当量直径，就是与矩形风管具有相同单位长度摩擦阻力的圆形风管直径。流速当量直径流量当量直径其它形式的管道所谓流速当量直径就是这样的一种假想直径，设某一圆形风道中的空气流速V圆、比摩阻R圆与矩形风道中的空气流速V矩、比摩阻V矩相等，则称该圆形风道的直径Dv为此矩形风道的流速当量直径。其它形式的管道（矩形）所谓流速当量直径就是这样的一种假想直径，设某一圆形风道中的空气流量L圆、比摩阻R圆与矩形风道中的空气流量L矩、比摩阻R矩相等，则称该圆形风道的直径DL为此矩形风道的流量当量直径。其它形式的管道直接采用Darcy—Weisbach公式，但必须计算水力半径。影响沿程阻力损失的因素上述的计算采用的是标准参数：大气压力P0=101.325kPa温度t0=200C空气密度ρ0=1.204kg/m3运动粘度ν0=15.06×10-6m2/s管壁粗糙度K=0.15mm圆形钢制风管如果使用条件与上述不符，必须进行修正。影响沿程阻力损失的因素密度和粘度修正影响沿程阻力损失的因素空气温度和大气压力的修正影响沿程阻力损失的因素管壁粗糙度修正影响沿程阻力损失的因素常见材料的粗糙度影响沿程阻力损失的因素钢板制风道粗糙度修正系数影响沿程阻力损失的因素塑料板制风道粗糙度修正系数影响沿程阻力损失的因素非金属制风道粗糙度修正系数例题1有一通风系统，采用薄钢板圆形风管（K：0.15mm），已知风量qV=3600m3/h。管径D=300mm，空气温度300C，试求管内流速和单位长度摩擦阻力。例题2一薄钢矩形风管，断面尺寸为500mm×320mm，流量qv=0.75m3/s，求单位长度摩擦阻力。局部阻力定性分析定量计算局部阻力的定性分析阀门、弯头、三通……流量不变：阀门、弯头、渐阔（缩）管流量改变：三通、风管侧壁的送（吸）风口局部阻力的定性分析渐变与突变截面突变，惯性力处于支配地位。局部阻力的定性分析渐变与突变减速增压，压力处于支配地位。局部阻力的定性分析渐变与突变离心力作用，内外侧有压强差。渐变与突变收缩角不够小。局部阻力的定性分析局部阻力的定性分析局部阻力的定量计算管道截面突然扩大局部阻力的定量计算管道截面突然缩小局部阻力的定量计算渐扩管其水头损失可由其摩擦损失hf和扩散损失hea两部分组成。对于圆形管道，可由其扩大面积比n=A2/A1和扩散角α组成。局部阻力的定量计算局部阻力的定量计算渐缩管局部阻力的定量计算弯管局部阻力的定量计算弯管在弯管内形成的二次流，消失较慢，因而加大了弯管后面的影响长度。弯管的影响长度最大可超过50倍管径。弯管的几何形状决定于转角θ和曲率半径与管径之比R/d(或R/b)。对矩形断面的弯管还有高宽比h/b。局部阻力的定量计算三通局部阻力的定量计算三通凡是和分流前或汇流后的流道直通的管道称直管，而与其成交角α的管道称支管。三通的局部阻力系数取决于夹角α、流量、管道的几何参数。每个支管的局部阻力系数是不一样的。合流三通的局力系数常常出现负值，意味着经过三通后的流体能量反而增加了。不同的流股汇合后，它们在混合的过程中，必然会有动量的交换。高速流股将它的一部分动能传递给了低速流股，使低速流股中的单位能量有所增加。减少流动阻力的措施摩擦阻力减少管道长度降低摩擦系数：壁面粗糙度增大管道口径，通过管道流速来选择。减少流动阻力的措施局部阻力（渐扩管与渐缩管）当气流流经断面面积变化的管件时，由于管道断面的突然变化使气流产生冲击，周围出现涡流区，造成局部阻力。扩散角大的渐扩管局部阻力系数也较大，因此尽量避免风管断面的突然变化，用渐缩或渐扩管代替突然缩小或突然扩大，中心角最好在80—100，不要超过450。减少流动阻力的措施减少流动阻力的措施局部阻力（三通）分支管中心夹角宜取得小一些(一般不超过300，只是在受到场条件限制或者为了阻力平衡需至的情况下，才采用较大的夹角)或者将支管与总管连接处的折角改缓，以减小三通的局部阻力，三通支管常采用一定的曲率半径，同时还应尽量使支管与干管内的流速保持相等。减少流动阻力的措施减少流动阻力的措施局部阻力（弯管）管道的布置，应尽量采取直线，减少弯管，或者用弧弯代替直角弯。弯管的阻力系数在一定范围内随曲率半径的增大而减小，圆形风管弯管的曲率半径一般应大于1～2倍管径；矩形风管弯管断面的长宽比(B/A)愈大，阻力愈小。其曲率半径一般为当量直径的6～12倍。对于断面大的弯管，可在弯管内部布置一组导流叶片，以减小漩涡区和二次流，降低弯管的阻力系数。减少流动阻力的措施减少流动阻力的措施局部阻力（管道进出口）减少流动阻力的措施局部阻力（管道和风机的连接）管道与风机的连接应当保证气流在进出风机时均匀分布，避免发生流向和流速的突然变化，避免在接管处产生局部涡流。为了使风机正常运行，减少不必要的阻力，最好使连接凤机的风管管径与风机的进、出口尺勺大致相同。如果在风机的吸入口安装多叶形或插板式阀门时，最好将其设置在离风机进口至少5倍于风管直径的地方，避安由于吸入口处气流的涡流影响风机效率。在风机的出口处避免安装阀门，连接风机出口的风管最好用一段直管。如果受到安装位置的限制，需要在风机出口处直接安装弯管时，弯管的转向应与风机叶轮的旋转方向一致。减少流动阻力的措施管道内的压力分布简单通风系统复杂通风系统简单通风系统当系统中仅仅只有摩擦阻力的损失，而无其它管件和空气处理设备等局部阻力的损失，这种只有徐变阻力损失而无骤变阻力损失的压力分布系统，我们称其为简单通风系统，它是组成复杂通风系统的基本单元。在通风工程中，通常以相对压力表示大气压力。以大气压力为基准，大于大气压力为正压，小于大气压力为负压。简单通风系统简单通风系统结论风机的风压等于风机的摩擦阻力及出口动压损失之和，亦即等于风道的总阻力。风机吸入段的全压和静压都为负值，风机压出段的全压和静压一般情况下均为正值。因此，当风道连接处不严密时，会有空气漏入和溢出。复杂通风系统当系统中不仅有摩擦阻力损失，而且又有局部阻力的损失。这种既有徐变阻力损失又有骤变阻力损失的压力分布系统，我们称其为复杂通风系统。复杂通风系统复杂通风系统结论各并联支管的阻力总是相等。如果设计时没