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第8章通风管道的设计计算


第8章

通风管道系统的设计计算
8.1.1 8.1.2 两种流态及其判别分析 风管内空气流动的阻力

§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
8.2.1
8.2.2

动压、静压和全压
风管内空气压力的分布

§

8.3 通风管道的设计计算
8.3.1
8.3.2 8.3.3

风道设计的内容及原则
风道设计的方法 风道设计的步骤
1

§8.4 均匀送风管道设计计算
8.4.1 8.4.2 均匀送风管道的设计原理 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
8.5.3 8.5.4

风管的布置、选型及保温与防腐
进排风口布置 防爆及防火

§8.6 气力输送系统的管道设计计算 8.6.1 8.6.2 气力输送系统的分类和特点 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。
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

通风除尘管道
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。
1 排风罩

室外大气
5 风帽

2 风管
4 风机 1 排风罩 3 净化设备

有害气体

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 室内

4 风管

1新风口

3 风机

2 进气处理设备
6

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 式中:平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数 ?
Re ? Vd

?
7

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 8

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 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

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,

粘滞力和惯性力的比值,用雷诺数 Re来衡量;另一方面(外因)

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。
9

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。 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。
10

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
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 r? ? ? 1.74 ? 2 lg ? ?? ?
2

11

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。

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。
12

§8.1.2 风管内气体流动的阻力
Re ? 2000
2000? Re ? 4000

层流

? ? f (Re )
? ? f ( Re )

vD Re ? ?

紊流过渡区 光滑区

Re ? 4000

? ? f ( Re )

紊流

K ? ? f ( Re , ) 过渡区 D K 粗糙区(阻力平方区)? ? f ( ) D

◆通风空调系统流体多数处于紊流过渡区

13

1 沿程阻力

14

(1)圆形风管的沿程阻力计算
阻力计算公式:

15

16

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
v L D

图的多种用法:
由L、D求Rm 由L、Rm求D

L

由L、v求D、Rm

18

Rm

计算表

19

线算图的适用范围:

20

密度和粘度的修正

Rm ? Rmo ( ? / ?0 )

0.91

(? /? 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

空气温度和大气压力的修正

Rm ? Kt K B Rmo

? 273? 20 ? Kt ? ? ? ? 273? t ? 0.9 KB ? (B / 101.3)
Kt-温度修正系数

0.825

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, Kr-管壁粗糙度修正系数

Rm ? Kr Rmo

K-管壁粗糙度,mm
v-管内空气流速,m/s

Kr ? (Kv)0.25

23

24

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

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第 8章 通风管道系统的设计计算

修正:1)ρ≠ ρ0、 ν ≠ ν0

Rm ? Rm 0 ( ? / ? 0 ) 0.91 (? /? 0 ) 0.1 Rm ? 实际比摩阻,Pa / m Rm 0 ? 线算图查出的比摩阻, / m Pa

? ? 实际空气密度,kg / m3 ? ? 实际空气运动粘度, 2 / s m

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第 8章 通风管道系统的设计计算

修正:2) t≠ t0 、B ≠ B0

Rm ? Kt K B Rm0
公式法 查图法
0.825

大气压力修正系数 B ? ?B / 101.3? K
0 t ? 实际空气温度, C

? 273? 20 ? 温度修正系数 t ? ? K ? ? 273? t ?

0.9

B ? 实际大气压力, kPa
温度和大气压力修正曲线
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第 8章 通风管道系统的设计计算

修正: 3)K≠ K0

Rm ? Kr Rm0
公式法 查表法

K r ? ?Kv ?

0.25

K ? 管壁粗糙度,见表 ? 2 8 v ? 管内空气流速, / s m

K r ? 管壁粗糙度修正系数, 见表8 ?(P 242 1 )
28

29

v L D

L

30

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。 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。
31

vA
vB

A B

VA = VB

RmA=RmB

DB为A的流速当量直径,记作Dv

计算式:

2ab Dv ? ?a ? b ?
32

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。

33

2.流量当量直径 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,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,

34

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。
35

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)

1 v? ? 5m / s 0.5 ? 0.4

2ab Dv ? a?b 2 ? 500? 400 ? 500? 400 ? 444m m

查图得Rm=0.61Pa/m
36

例题
表面光滑的风管 (K=0.15mm),断 面尺500×400mm, 流量=1m3/s,求比摩

阻(流量当量法)

L ? 1m3 / s

(ab) 0.625 DL ? 1.3 (a ? b) 0.25 ? 487m m
查图得Rm=0.61Pa/m
37

38

降低摩擦阻力措施
1.减小摩擦阻力系数。

2.保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时,井巷断面扩 大33%,Rf值可减少50%。
井巷的定义:为达到采矿目的在矿体和岩体中所掘进的一系列 通道和空间的总称。 3.选用周长较小的井巷。在井巷断面相同的条件下,圆形断面 的周长最小,拱形断面次之,矩形、梯形断面的周长较大。

4.降低巷道长度。
5.避免巷道内的风量过于集中。
39

二、局部阻力
当空气流过断面变化的管件(如各种变径管、风管进出 口)、流向变化的管件(弯头)和流量变化的管件(如三 通、四通)都会产生局部阻力。

(一)局部阻力及其计算
和摩擦阻力类似,局部阻力一般也用动压的倍数来表示:

? 2 Z ?? v 2
式中:ξ——局部阻力系数,无因次。
40

几种常见的局部阻力产生的类型: 1、突变 紊流通过突变部分时,由于惯性作用,出现主流与边壁脱离 的现象,在主流与边壁之间形成涡漩区,从而增加能量损失。

2、渐变 渐扩段主要是由于沿流动方向出现减速增压现象,在边壁附 近产生涡漩。而且压差的作用方向与流动方向相反,使边壁附

近,流速本来就小,趋于零,在这些地方主流与边壁面脱离,
出现与主流相反的流动,涡漩。

41

3、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用,在外侧出现减速增压,

出现涡漩。

4、分岔与会合 是上述的综合,局部阻力的产生主要是与涡漩区有关,涡漩 区愈大,能量损失愈多,局部阻力愈大。

42

(二)减小局部阻力的措施
在常用的通风系统总流动阻力中,局部阻力占主要比例

1.弯管

圆形风管弯头曲率半径一般应大于1~2倍管径

矩形风管长宽比B/A越大,阻力越小

矩形直角弯头内设导流片

2.三通

减小干管和支管间夹角 保持干管和支管流速相当 避免出现引流现象,主管气流速度大于支管气流速度

3.排风立管出口
降低排风立管的出口流速

减小出口的动压损失

44

8.2 风管内的压力分布
气体在风管内流动时由风管两端气体的压力差引起的, 它从高压端流向低压端。气体流动的能量来自风机。 对于一套通风系统内气体的压力分布,在风机未开 动时,整个管道系统内气体压力处处相等,都等于大 气压力,关内气体处于相对静止状态。开动风机后, 风机吸入口和压入口出现压力差。

45

空气在风管中流动时,由于受风管的阻力和流速的
影响,因此风管内各断面空气的压力也是不断变化


用图形表达系统压力分布情况,有利于设计、运行

调节、问题诊断等
压力分布图把一个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,称为通风除尘系统的压力分布图。
46

压力分布图的绘制方法(归纳)
1)确定压力基准线
通常为水平线,并以大气压为参照对象,将大气压力作 为零点

2)确定系统分隔断面并编号
通常以流速、流向及流量变化的断面为分隔断面

3)先绘制全压线
从已知压力点开始

4)再绘制静压线
从全压线向下减去动压值
47

理论基础

1、全压=动压+静压(Pq=Pd+Pj)
2、未开风机时,Pj=Pq=大气压=0 3、风机开动后,Pq2= Pq1-(Rml+pZ)1-2

48

第 8章 通风管道系统的设计计算

风管内空气压力分布

风管内空气压力分布
49

50

51

52

53

54

55

结论

结论

57

58

第 8章 通风管道系统的设计计算

上节重点

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

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当量直径:与矩形风管有相同Rm的圆形风管直径。 流速当量直径 定义:

Dv ?

2ab a?b
注意 使用Dv时,用v查Rm 使用DL时,用qv查Rm

v矩 ? v圆,Rm矩 ? Rm圆, 则Dv ? D圆

流量当量直径

(ab)0.625 DL ? 1.3 (a ? b)0.25

定义:

qv 矩 ? qv圆,Rm矩 ? Rm圆, 则DL ? D圆
60

理论基础
1、全压=动压+静压(Pq=Pd+Pj) 2、未开风机时,Pj=Pq=大气压 3、风机开动后,Pq2= Pq1-(Rml+pZ)1-2
局部阻力的产生条件:当空气流过断面变化的管件 (如各种变径管、风管进出口)、流向变化的管件(弯 头)和流量变化的管件(如三通、四通)都会产生局部 阻力。
61

§8.3

通风管道设计计算

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

62

§8.3.1

风道设计的内容及原则

63

第 8章 通风管道系统的设计计算

§8.3.2

风道设计的方法

设计计算方法:压损平均法、静压复得法、假定流速法

64

第 8章 通风管道系统的设计计算

§8.3.2

风道设计的方法

设计计算方法:压损平均法、静压复得法、假定流速法
静压复得法:利用风管分支处复得的静压来克服该管段的 阻力,确定风管的断面尺寸。一般适用于高速空调系统的计算

假定流速法:先按技术经济要求选定流速,再根据风量确 定风管的断面尺寸和阻力,然后对各支路的压力损失进行调整, 使其平衡。这是目前最常用的计算方法。
65

8.3.3 风道设计的步骤

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。编号:以风量和风向不变的原则,把通风系统分成若干 个单独管段,一般从距风机最远的一段管件,由远而近顺序编号。 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)的长度。

66

假定流速法设计步骤
2.确定合理的空气流速

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。
⑴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。 ⑵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。对除尘系统流速过低,会使粉尘 沉积堵塞管道。因此,必须通过全面的技术经济比较选定合理的

流速。
67

一般风管内的流速参照以下两个表格选取

68

如果管内流速过低,对除尘系统和气力输送系统来说,还 会造成沉积、管道堵塞,此类管道中风速可按表8-5选取。

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假定流速法设计步骤
3.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 确定风管断面尺寸时,应采用附录6所列的通风 管道统一规格,以利于工业化加工制作。风管断 面尺寸确定后,应按管内实际流速计算阻力。阻 力计算应从最不利环路(即阻力最大的环路)开始。
70

假定流速法设计步骤
4. 并联管路的阻力计算

①阻力不平衡率:各并联管路阻力损失的相对差额。

一般通风系统<15%

除尘系统<10%

②当并联管路阻力差超过上述规定时,可采用以下

方法。

假定流速法设计步骤
阻力平衡法:
调整支管管径
? ?p ? ' D ? D? ' ? ? ?p ? ? ?
'
0.225

改变管径来改变支管阻 力
两支管阻力<20%时用 不改变管径,增大阻力 小的那段支管的流量

增大风量

? ?p ? qV ? qV ? ? ?p ? ? ? ?
'

0.5

增加支管局损

改变阀门开度 增加阀门个数

需反复调节使各支管风 量达到设计要求
72

假定流速法设计步骤
5 计算系统的总阻力:以最不利环路的阻力加上空气 净化处理装置的和其他可能的设备的阻力 6 选择风机
p f ? 风机风压,Pa qV , f ? 风机风量,m 3 / h K p ? 风压附加系数,一般送 排风系统K p ? 1.1 ~ 1.15; 除尘系统K p ? 1.15 ~ 1.2; 气力输送系统K p ? 1.20。 K q ? 风量附加系数,一般送 排风系统K q ? 1.1; 除尘系统K q ? 1.1 ~ 1.15; 气力输送系统K q ? 1.15。 ?p ? 总阻力,Pa qV ? 总风量,m 3 / h
73

p f ? K p ? ?p qV , f ? K q ? qV

第 8章 通风管道系统的设计计算

说明:①选风机不仅要考虑风量和阻力,还要考虑输送气体性质。
②风机在非标准状态下工作,风量、风压及电动机功率需换 算成标准状况参数后,再从风机样本上选取。
qV , f ? q 'V , f
' ? 1.2 ? pf ? p f ? ' ? ?? ? ? ? ' ? 1.2 ? N?N? ' ? ?? ? ? ?

qV , f ,p f ,N ? 标准状态下风机风量、 风压及功率, 3 / h、Pa、kW m q 'V , f ,p’,N ' ? 非标准状态下风机风量 、风压及功率, 3 / h、Pa、、kW m f

? ' ? 非标准状态下空气密度 kg / m3 ,

74

8.4 均匀送风管道设计计算
根据工业与民用建筑的使用要求,通风和空 调系统的风管有时需要把等量的空气,经由 风道侧壁均匀的输送到各个房间。这种均匀 送风方式可使送风房间得到均匀的空气分布,

而且风管的制作简单、材料节约。

75

均匀送风管道通常有三种形式: (1)管道断面积保持不变,孔口面积或条缝

面积变化;这种方式不仅可以保证均匀送风,
而且沿着条缝口长度或每个孔口的出风速度

也相等,应用范围广泛。

76

(2)管道断面积变化,孔口面积或条缝面积 不变;

77

(3)风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变。 风道面积与孔口面积都不变时,管内静压会不

断增大,可以根据静压变化,在孔口设置不同
的阻体来改变流量系数。

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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 出流的实际流速和流向 孔口出流的风量 实现均匀送风的条件

8.4.2 均匀送风管道的计算
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8.4.1 均匀送风管道的设计原理
空气沿风管流动时,在管壁的垂直方向上受到气流 的静压作用。如果在风管的侧壁开孔,由于孔口内 外存在压差,空气将在垂直于管壁的方向上从孔口 流出。但由于受到原有管内轴向流速的影响,其孔 口出流方向并非垂直于管壁,而是以合成速度沿风 管轴线成α角的方向流出。

80

3、实现均匀送风的条件

要实现均匀送风,必须具备两个基本要求:
①各侧孔或短管的出流风量相等;

②出口气流尽量垂直于管道侧壁,否则尽管风量相等
也不会均匀

83

(1)保持各侧孔静压相等

要使静压沿风管全长保持不变,或者说各侧孔
的静压相等,必须保证首端和末端的动压差等 于风管全长上的压力损失,或者两侧孔出流的 动压差等于两侧孔间的压力损失,即

84

(2)各侧孔流量系数保持相等 侧孔的流量系数u与孔口形状、出流角度α , 以及孔口送风量与孔口前风量之比有关。一般 取0.6 (3)增大出流角度α 为使出流夹角大于60°,要使Vj>1.73Vd
85

8.4.2 均匀送风管道计算
均匀送风管道计算的目的是确定侧孔的个数、间距、

面积及出风量、风管断面尺寸和均匀送风管段的
阻力。

均匀送风管道计算和一般送风管道计算相似,只是
在计算侧孔时的局部阻力系统时需要注意。

侧孔可以认为是支管长度为零的三通。当空气从侧
孔出流时,产生两种局部阻力:一种是直通部分

的局部阻力,另一种是侧孔局部阻力。
86

即 孔口流量与孔口前风管中的流量之比

8.5通风管道设计中的有关问题
与工程实际密切相关的问题,本节介绍的一些原 则,在工程中必须结合具体情况应用并不断总结 参照标准及资料: 《通风与空调工程施工质量验收规范》 GB50234-2002 设计手册 2002年4月1日实施

89

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

90

8.5.1 系统划分原则
1.空气处理要求相同、室内参数要求相同的,可划 为同一个系统。 2.同一生产流程、运行班次和运行时间相同的,可 划为同一系统。

91

8.5.1 系统划分原则
3.对下列情况应单独设置排风系统, (1)两种或两种以上的有害物质混合后能引起燃烧或 爆炸; (2)两种有害物质混合后能形成毒害更大或腐蚀性的 混合物或化合物; (3)两种有害物质混合后易使蒸汽凝结并积聚粉尘; (4)放散剧毒物质的房间和设备。

92

93

4.除尘系统的划分应符合下列要求:
(1)同一生产流程、同时工作的扬尘点相距不大时,宜 合为一个系统; (2)同时工作但粉尘种类不同的扬尘点,当工艺允许不 同粉尘混合回收或粉尘无回收价值时,也可合设一个 系统; (3)温湿度不同的含尘气体,当混合后可能导致风管内

结露时,应分设系统。
5.如排风量大的排风点位于风机附近,不宜和远处排

风量小的排风点合为同一系统。
94

95

8.5.2风管布置、选型及保温与防腐
1、风管布置

(1)除尘系统的排风点不宜过多,以利于各支管间阻力平衡
(2)除尘风管应尽可能垂直或倾斜敷设,倾斜敷设时与水平

面夹角最好大于45度。如必需水平敷设或倾角小于30度 时,应采取措施,如加大流速等

(3)通风系统的风管宜采用圆形或矩形风管,在保证实用的
前提下尽量照顾到整齐美观。
96

(4)排除含有剧毒物质的排风系统,应尽量减少正压管段 的长度,且正压管段不得穿过其它房间 (5) 排除潮湿气体或含有水蒸气的风管,应有不小于 0.005的坡度,并应在风管的最低点和风机的底部都 采取排水措施 (6)通风设备、风管及配件等,应根据所处的环境和输送 的气体、蒸气或粉尘的腐蚀性等,采取相应的防腐措 施。 (7)通风系统的风管,应根据需要设置必要的侧孔,其位 置和数量应符合检测要求。
97

除尘管道布置原则
除尘管道的布置除应遵守一般通风管道的布置原则外,还有一 些特殊要求: (1)除尘系统的风管宜采用圆形钢制风管,其接头和接缝应严密。 (2)风管宜垂直或倾斜安装,倾斜安装时与水平面的夹角应大于

45°,小坡度或水平敷设的管段应尽量缩短,并应采取防止积
尘的措施。 (3)支管宜从主管的上面或侧面插入,三通管的夹角,宜采用 15 °-45 ° 。 (4)在容易积灰的异形管件附近,应设置密闭清扫孔。

(5)除尘风管转弯处的曲率半径R=1· 5-3.0D,如曲率半径不允许 98
大时,要在弯头内设导流叶片。

2、风管选型

(1)常用断面形状
矩形:易于和建筑、装修配合;局部构件制作容易 ——常用于空调系统 圆形:阻力小;省材料、强度高;管道制作容易

——常用于通风系统及空调高速风管
其他形状:根据实际需要
99

(2)管道定型化

随着我国国民经济的发展,通风、空调工程大量增加。为了最大
限度地利用板材,实现风管制作、安装机械化、工厂化,在国家 建委组织下,1975年确定了《通风管道统一规格》。 《通风管道统一规格》有圆形和矩形两类(见附录6)。必须指出: 1 .《通风管道统一规格》中,圆管的直径指外径,矩形断面尺寸 是外边长,即尺寸中都包括了相应的材料厚度。 2.为了满足阻力平衡的需要,除尘风管和气密性风管的管径规格

较多。
3.管道的断面尺寸(直径和边长)采用只R20系列,即管道断面尺寸

是以公比数汐

1.12的倍数来编制的。
100

(3)风管材料

通风管道所采用的材料,应根据工程要求选用。常用的材料有 以下几种:
A 金属薄板 金属薄板是制作风管及部件的主要材料。 (1)普通薄钢板,有良好的加工性能及结构强度,常用于一般通风 管道和除尘风道。其表面容易生锈,应刷油漆进行防腐。 (2)镀锌钢板,由普通薄钢板镀锌而成,其表面有锌层保护起防锈 作用。由于其表面为银白色,又称‘白铁皮”。白铁皮一般厚 度较薄,常用在气体中无粉尘磨损的空调系统及不受酸雾作用 的潮湿环境中。 (3)铝及铝合金板,加工性能好、耐腐蚀、摩擦时不易产生火花, 但造价较高,常用于要求防爆的通风系统。 (4)不锈钢板,具有良好的耐腐蚀能力,其造价较高,只是在对耐 101 腐蚀要求较高,例如化工系统的通风管道中。

B 非金属材料 (1)硬聚氯乙烯,耐酸、碱和耐腐蚀能力强,机械加工性能好,表面光 滑,施工方便。常用于有腐蚀性气体的通风系统。但硬聚氯乙烯不 耐高温,使用温度一般不超过60度,线膨胀系数大,不易于老化和 防火。 (2)玻璃钢,这是以玻璃纤维制品为增强材料,以树脂为粘结剂,经 过—定的成型工艺制作的复合材料。耐腐蚀性很好,常用于含有腐 蚀性的气体以及含有水蒸气的排风系统 (3)塑料复合钢板,这是在普通薄钢板表面喷上一层0.2-0.4mm厚的塑 料层。常用于防尘要求较高的空调系统和-10 ℃ ~ 70℃的耐腐蚀系 统。这种钢板价格较高,比普通碳素钢板贵50%。 、 (4)砖和混凝土,这是最普通的建筑材料,常用于利用建筑空间或铺设 地下风道的场合。 102

在通风管中采用的非金属材料种类较多,但其应用不如金属薄板普遍。

风管材料 1)薄钢板
一般通风空调系统: 0.5~1.5mm 除尘系统:1.5~3.0mm

2)塑料板
含腐蚀性气体的通风系统

103

3)无机玻璃钢
湿度较大的场合

104

4)各种软管
金属、塑料 有的可带有保温层

105

5)复合风管

双层铝箔加酚醛树脂
单层铝箔加玻璃纤维

其他

106

6)新型柔性风管系统

优越性:
空气分布均匀,避免吹风感 重量轻,安装方便快捷,对 结构要求低 灵活性好,便于系统变更 便于清洗

107

保温材料
在下列情况应对风管进行保温: (1)由于冷、热损失过大,不保温,经济上不合理; (2)由于冷、热损失使介质温度达不到设计要求的温度; (3)由于热量损失,在风管内输送的气体温度降低到有可能在 风管中或在随后的干式除尘器中结露或冻结; (4)由于冷量损失,在风管外表面产生结露;

(5)由于输送高温气体,风管外表面温度过高(例如大于50℃),
会引起操作检修人员烫伤,或会引起煤气、蒸气、粉尘爆

炸、起火的场合。

·
108

保温材料的具体要求有: (1)导热系数小,一般不超过0.23W/m· K;

(2)材料的孔隙率高,密度小,密度一般不超过600kg/m3, (3)具有一定的抗压强度,不易变形;

(4)吸湿性小,对管壁无腐蚀作用;
(5)不宜采用有机物和易燃物,否则要进行防腐防火处理

(6)用于高温管道时,应耐高温,在高温下性能稳定;
(7)易于施工安装,成本低。
109

保温层结构可参阅有关的国家标准图。通常保温结构 有四层: (1)防腐层:涂防腐油漆或沥青: (2)保温层:填贴保温材料;

(3)防潮层:包油毛毡、塑料布或刷沥青。
用以防止潮湿空气或水分侵入保温层内,从而破坏保

温层或在内部结露;
(4)保护层:室内管道可用玻璃布、塑料布或木板、胶合

板作成,室外管道应用铁丝网水泥或铁皮作保护层。 110

8.5.3 进、排风口
(一)进风口

进风口是通风、空调系统采集室外新鲜空气的入口, 其位置应满足下列要求:
1.应设在室外空气较清洁的地点。进风口处室外空气 中的有害物质浓度不应大于室内作业地点最高允许 浓度的30%;

2.应尽量设置在排风口的上风侧,并且应低于排风口;
3.进风口的底部距室外地坪不宜低于2m,当布置在绿 化地带时不宜低于1m; 4.降温用的进风口宜设在建筑物的背阴处。
111

(二)排风口 1.在一般情况下通风排气立管出口至少应高出 屋面0.5m。 2.通风排气中的有害物质必需经大气扩散稀释 时,排风口应位于建筑物空气动力阴影区和正

压区以上
3.要求在大气中扩散稀释的通风排气,其排风

口上不应设风帽

112

上节课重点

设计计算方法:压损平均法、静压复得法、假定流速法

113

实现均匀送风的条件:

①各侧孔或短管的出流风量相等;
②出口气流尽量垂直于管道侧壁

可采取的措施: (1)保持各侧孔静压相等 (2)各侧孔流量系数保持相等 3)增大出流角度α
114

系统划分原则
1.空气处理要求相同、室内参数要求相同的,可划 为同一个系统。 2.同一生产流程、运行班次和运行时间相同的,可 划为同一系统。

115

系统划分原则
3.对下列情况应单独设置排风系统, (1)两种或两种以上的有害物质混合后能引起燃烧或 爆炸; (2)两种有害物质混合后能形成毒害更大或腐蚀性的 混合物或化合物; (3)两种有害物质混合后易使蒸汽凝结并积聚粉尘; (4)放散剧毒物质的房间和设备。

116

117

8.5.4 防爆及防火
空气含有可燃物时,如果可燃物与空气中的氧在一定 条件下进行剧烈的氧化反应,就可能发生爆炸。尽管 某些可燃物如糖、面粉、煤粉等在常态下是不易爆炸

的,但是,当它们以粉末状悬浮于空气中时,与空气
中的氧得到了充分的接触。

这时只要在局部地点形成了可燃物与氧发生氧化反应
所必需的温度,局部地点就会立刻发生氧化反应。
120

8.5.4 防爆及防火

氧化反应产生的热量向周围空间传播时,若迅速地使 周围的可燃物与空气的混合物达到了氧化反应所必需 的温度,由于联锁反应,在极短的时间内,能使整个 空间的可燃混合物都发生剧烈的氧化反应,产生大量 的热量和燃烧产物,形成急剧增墒的压力波,这就是 爆炸。

121

空气中可燃物浓度过小或过大时都不会造成爆炸

浓度过小,空气中可燃物质点之间的距离大,一个质点 氧化反应所产生的热量还没有传递至另一质点,就被 周周空气所吸收,致使混合物达不到氧化反应的温度。 浓度过大,混合物中氧气的合量相对不足,同样不会形 成爆炸。因此,可燃物发生爆炸的浓度有一个范围, 这个范围称为爆炸浓度极限。
122

设计有爆炸危险的通风系统时,应注意以下几点:

1.系统的风量除了满足一般的要求外,还应校
核其中可燃物的浓度。如果可燃物浓度在爆炸浓

度的范围内.则应按下式加大风量:

123

2.防止可燃物在通风系统的局部地点(死角)积聚。 3.选用防爆风机,并采用直联或联轴器传动方式。如 果采用三角皮带传动,为防止静电产生火花,可用接 地电刷把静电引入地下。 4.有爆炸危险的通风系统,当系统内压力急剧升高, 靠防爆门自动开启泄压。 5. 对某些火灾危险大的和重要的建筑物、高层建筑和多 层建筑,在风管系统中的适当位置应当装防火阀。 6. 在有火灾危险的车间中,送、排风装置不应设在通风 机室内。
124

8.6 气力输送系统的管道设计
气力输送系统是一种利用气流输送物料的装置

优点:物料输送实现机械化,减轻了人们的劳动强度;
设备简单,布置灵活,投资较省;占地少,能节省

建筑空间,还能露天设置;在输送物料过程中,可
同时进行混和、干燥、冷却、分选等工艺过程;由

于是管道密闭输送,防尘效果好,改善了劳动卫生
条件。

缺点:动力消耗较大.管道磨损较快。

125

8.6.1 气力输送系统的分类和特点
气力输送系统的类型和特点: 气力输送系统可分为吸送式和压送式两大类. 根据系统的压力不同,吸送式分为低真空(真空度小于20kPa) 和高真空(真空度20-50kPa)两种; 压送式分为高压(100一700kPa)和低压(50kPa以下) 还有在系统中兼具吸送和压送的混合式,以及循环式。

126

(一)吸送式系统

低压吸送式系统应用较多。安装在系统尾部的高压风机
运行时,系统内形成负压,物料和空气一起被吸入受料 器(常称喉管),物料在喉管起动、加速后沿输料管送到 分离器(位于卸料目的地),分离器分离下来的物料存入 料仓,含尘空气经除尘器净化后排入大气,必要时还需 装设消声器。整个系统在负压下工作,也称为负压式气 力输送系统。
127

128

吸送式气力输送系统特点: (1)可以在数处进料,向一处输送物料;或从低处向高 处输送物料; (2)吸尘点无粉尘飞扬。系统处于负压状态,管道和设 备的不严密处不会冒灰; (3)受料器结构简单,进料方便; (4)可以同时实现烘干等工艺过程; (5)风机或真空泵的润滑油不会污损物料; (6)生产率较低,料气比一般小于4kg料/kg空气,输 送距离较短;两者均受到真空度的限制; (7)对系统及分离器、除尘器下部的卸料器均有较高的 密闭要求。
129

在输送距离较大、输料量较多时,应当采用高真空吸送式气 力输送系统。这种系统具有低真空吸送式系统的一般特点外, 还具有以下一些特点: (1)生产效率高,输送物料量大,输送距离较远; (2)工作稳定可靠,不容易堵塞;如果物料发生沉积,真空度会

自动随着提高,将管道吹通;
(3)气-固两相流的流动性能好,物料对管道的磨损有所缓解; (4)要求管道和设备有较高的机械强度和良好的气密性 (5)高真空吸送式系统的组成与低真空吸送式系统相似.但是受 料器不是采用喉管,而是采用吸嘴;不是采用高压风机,而 是采用水环式真空泵。
130

(二)压送式系统 与吸送式气力输送系统不同,压送式系统在正压状态下 工作。 压送式系统分为低压压送和高压压送两种,前者以高 压风机为动力。 低压压送式系统,风机安装在系统的前端,系统在正压 下工作。从受料器来的物料与空气混合为气—固两相 流,并被送至目的地,由分离器分离,分离下来的固 体物料从下部卸料器卸出。含尘空气则经除尘器净化 后排入大气。
131

132

压送式气力输送系统的优点是: (1)能将集中的物料分向几处输送,可以向高于大气 压力的容器输送物料; (2)生产率高;输料量大,并且易于调节; (3)卸料器结构简单; (4)管内输送风速较低,管壁磨损较轻,输送距离长, 目前可达200m以上;稍有粘性的物料也可以输送; (5)由于工作压力高,输料用的气体量小。
压送式气力输送系统的缺点是: (1)受料器结构复杂; (2)物料中可能沾染风机或压缩机出来的油和水滴。
133

8.6.2气力输送系统的设计计算
气力输送系统设计计算的程序如下: (1)由工艺提供资料,确定系统输料量(生产率); (2)根据物料性质和输送条件,确定气力输送方式和主 要部件、设备的型式; (3)合理布置管路,绘制系统轴测图 (4)根据物料性质、气力输送方式和规模等确定料气比、 输送风速 (5)计算系统风量,确定管道直径; (6)计算系统的总阻力; (7)选择风机。
134

8.6.2气力输送系统的设计计算
气力输送系统设计主要参数
气力输送系统的流动阻力

气力输送系统设计流程
气力输送系统主要设备的选择及管道布置

135

下面阐述与管道设计有关的两个问题。

(一)气力输送系统设计的主要参数
1 混合比 又称料气比,指单位时间内按输送物料的质量 与同一时间通过输料管的空气量之比,料气比 的大小关系到系统的经济性、可靠性和输料的

大小。
136

2.输送风速

气力输送系统中输料管的气流速度称为输送风
速,它是一个重要的技术经济参数。 送风速太高,不但系统阻力大,管道磨损严重, 而且还能使物料容易破碎; 风速太低,工作不稳定,甚至造成堵塞。因此,

输送风速要经过分析比较,合理确定

137

3 物料速度 物料速度是指管道中颗粒群达到的最大速度.管 道中的颗粒在气流的推动下开始运动,随后迅 速加速,直到颗粒群速度增大到一定数值,作

用于颗粒群上的气流推力与各种阻力达到平衡,
这时颗粒群作等速运动,运动速度达到最大值,

这一最大速度就是物料速度
在两相流中,气流必须用一部分能量使物料颗粒 悬浮,另一部分能量推动颗粒运动.
138

(二)气力输送系统的流动阻力 在计算气一固两相流的阻力时,认为两相流和单相 流的运动形式是相同的,物料群是一种特殊的流体 (常称拟流体),因此,可以利用单相气流的阻力计算 公式;并且认为两相流的阻力是单相流体的阻力与 由固体颗粒群引起的附加阻力之和,即

139

系统设计时,各部分压力损失的计算比较繁琐。对于低真空 吸送式和低压压送式系统,其压力损失一般由进气口、空气 过滤器、风管、吸嘴、输送管、分离除尘器、排气管和排气 口等的压力损失组成。 (1)进气口的压力损失 (2)空气过滤的压力损失

(3)风管的压力损失
(4)供料装置的压力损失 (5)定常输送区间的压力损失 (6)分离除尘器压力损失 (7)排气管压力损失 (8)排气口压力损失
140

(三) 气力输送系统设计流程

141

(四) 气力输送系统主要设备的选择及管道布置
气力输送系统由气源设备、供料装置、输送管道和分

离过滤设备四大部分组成。
1 供料装置 是气力输送系统的重要部件,其作用是使物

料进入系统,在合适的料气比下使物料起动、加速。
根据供料装置的构造利工作原理不同,又分为喉管和

吸嘴两种基本类型,每种类型又将不同的形式。

142

2 物料分离和除尘装置 分离器的作用是将物料从气—固两相流中分离出来。在 输送粒度较大的物料,采用一级分离已能满足要求; 对于较细的物料,则需两级分离。如果要对物料分选, 则要根据分选要求,采用多级分离。两级或多级分离 时,后一级的分离器效率应比前一级高。 气力输送系统中常用的分离器有容积式、惯性式和离心 式两种,

容积式和惯性式分离器的工作原理类似于除尘装置,主 要用于分离粒度较大的物料,其特点是构造简单、制 造方便、磨损较轻、运行管理容易;但体积较大,分 143 离效率不高。

3 输料管道
气力输送系统的输料管是用来输送物料的管道,一般采用圆形 截面管,以使空气在整个截面上均匀分布。

管道设计、配置和施工应遵循以下原则:
(1)输送距离要尽量短 (2)管道的弯头要尽可能少,并采用较大的曲率半径 (3)应充分考虑利用建筑物作支撑,同时不影响其他设备的维 护保养和通道的畅通 (4)管道之间通常采用法兰连接 (5)输送高温物料或在高温的环境中工作时,系统应考虑预热 膨胀的措施

(6)管路尽量简单,避免支路交叉
144

4 气源设备
作为气力输送系统的气源,在选用时应考虑以下 几个方面: (1)根据输送的条件,充分满足所需的风量、风压 要求

(2)对灰尘的敏感性小
(3)对压送用的气源设备,应尽可能减少排气中的

油分和水分
(4)要持久耐用、运转可靠
145

(5)所使用输送介质的种类和性质、湿度、腐蚀性、 吸入压力、润滑条件、毒性 (6)安装的场所:地基的承载能力、面积、高度限制、 周围温度、进出安装条件等 (7)电源的种类、柴油机的种类、电压、频率以及电 压的 波动率等 (8)运管控制和监视:全过程自动控制、监视和遥控

(9)冷却水条件:工业用水、清水、河水、循环水及
其温度 (10)环保的要求,噪声的限制等
146

假定流速法设计步骤
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。 2.确定合理的空气流速 3.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

4. 并联管路的阻力计算
阻力不平衡率:各并联管路阻力损失的相对差额。一般通风

系统<15%

除尘系统<10%
147

假定流速法设计步骤
阻力平衡法:
调整支管管径
? ?p ? ' D ? D? ' ? ? ?p ? ? ?
'
0.225

改变管径来改变支管阻 力
两支管阻力<20%时用 不改变管径,增大阻力 小的那段支管的流量

增大风量

? ?p ? qV ? qV ? ? ?p ? ? ? ?
'

0.5

增加支管局损

改变阀门开度 增加阀门个数

需反复调节使各支管风 量达到设计要求
148

假定流速法设计步骤
5 计算系统的总阻力:以最不利环路的阻力加上空气 净化处理装置的和其他可能的设备的阻力 6 选择风机
p f ? 风机风压,Pa qV , f ? 风机风量,m 3 / h K p ? 风压附加系数,一般送 排风系统K p ? 1.1 ~ 1.15; 除尘系统K p ? 1.15 ~ 1.2; 气力输送系统K p ? 1.20。 K q ? 风量附加系数,一般送 排风系统K q ? 1.1; 除尘系统K q ? 1.1 ~ 1.15; 气力输送系统K q ? 1.15。 ?p ? 总阻力,Pa qV ? 总风量,m 3 / h
149

p f ? K p ? ?p qV , f ? K q ? qV


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