烟气管道阻力计算

第三节第三节 管道阻力管道阻力 空气在风管内的流动阻力有两种形式 一是由于空气本身的黏滞性以及空气与管壁间 的摩擦所产生的阻力称为摩擦阻力 另一是空气流经管道中的管件时 如三通 弯头等 流速的大小和方向发生变化 由此产生的局部涡流所引起的阻力 称为局部阻力 一 摩擦阻力一 摩擦阻力 根据流体力学原理 空气在管道内流动时 单位长度管道的摩擦阻力按下式计算 24 2 v R R s m 5 3 式中 Rm 单位长度摩擦阻力 Pa m 风管内空气的平均流速 m s 空气的密度 kg m3 摩擦阻力系数 Rs 风管的水力半径 m 对圆形风管 4 D Rs 5 4 式中 D 风管直径 m 对矩形风管 2ba ab Rs 5 5 式中 a b 矩形风管的边长 m 因此 圆形风管的单位长度摩擦阻力 2 2 v D Rm 5 6 摩擦阻力系数 与空气在风管内的流动状态和风管内壁的粗糙度有关 计算摩擦阻力 系数的公式很多 美国 日本 德国的一些暖通手册和我国通用通风管道计算表中所采用 的公式如下 Re 51 2 7 3 lg 2 1 D K 5 7 式中 K 风管内壁粗糙度 mm Re 雷诺数 vd Re 5 8 式中 风管内空气流速 m s d 风管内径 m 运动黏度 m2 s 在实际应用中 为了避免烦琐的计算 可制成各种形式的计算表或线解图 图 5 2 是 计算圆形钢板风管的线解图 它是在气体压力 B 101 3kPa 温度 t 20 管壁粗糙度 K 0 15mm 等条件下得出的 经核算 按此图查得的 Rm 值与 全国通用通风管道计算 表 查得的 d 值算出的 Rm 值基本一致 其误差已可满足工程设计的需要 只要已知 风量 管径 流速 单位摩擦阻力 4 个参数中的任意两个 即可利用该图求得其余两个参 数 计算很方便 图图 5 2 圆形钢板风管计算线解图圆形钢板风管计算线解图 例 有一个 10m 长薄钢板风管 已知风量 L 2400m3 h 流速 16m s 管壁 粗糙度 K 0 15mm 求该风管直径 d 及风管摩擦阻力 R 解 利用线解图 5 2 在纵坐标上找到风量 L 2400m3 h 从这点向右做垂线 与 流速 16m s 的斜线相交于一点 在通过该点表示风管直径的斜线上读得 d 230mm 再过该点做垂直于横坐标的垂线 在与表示单位摩擦阻力的横坐标交点上直接读得 Rm 13 5Pa m 该段风管摩擦阻力为 R Rml 13 5 10Pa 135Pa 无论是按照 全国通用通风管道计算表 还是按图 5 2 计算风管时 如被输送空气 的温度不等于 20 而且相差较大时 则应对 R 值进行修正 修正公式如下 tmm KRR 5 9 式中 m R 在不同温度下 实际的单位长度摩擦阻力 Pa Rm 按 20 的计算表或线解图查得的单位摩擦阻力 Pa Kt 摩擦阻力温度修正系数 如图 5 3 所示 图图 5 3 摩擦阻力温度修正系数摩擦阻力温度修正系数 钢板制的风管内壁粗糙度 K 值一般为 0 15mm 当实际使用的钢板制风管 其内壁粗 糙度 K 值与制图表数值有较大出入时 由计算图表查得的单位摩擦阻力 Rm 值乘以表 5 3 中相应的粗糙度修正系数 表中 为风管内空气流速 表表 5 3 管壁粗糙度修正系数管壁粗糙度修正系数 对于一般的通风除尘管道 粉尘对摩擦阻力的影响很小 例如含尘浓度为 50g m3时 所增大的摩擦阻力不超过 2 因此一般情况下可忽略不计 二 局部阻力二 局部阻力 各种通风管道要安装一些弯头 三通等配件 流体经过这类配件时 由于边壁或流量 的改变 引起了流速的大小 方向或分布的变化 由此产生的能量损失 称为局部损失 也称局部阻力 局部阻力主要可分为两类 流量不改变时产生的局部阻力 如空气通过 弯头 渐扩管 渐缩管等 流量改变时所产生的局部阻力 如空气通过三通等 局部阻力可按下式计算 2 2 Z 5 10 式中 Z 局部阻力 Pa 局部阻力系数 见表 5 4 空气流速 m s 空气密度 kg m3 上式表明 局部阻力与其中流速的平方成正比 局部阻力系数通常都是通过实验确定 的 可以从有关采暖通风手册中查得 表 5 4 列出了部分管道部件的局部阻力系数值 在 计算通风管道时 局部阻力的计算是非常重要的一部分 因为在大多数情况下 克服局部 阻力而损失的能量要比克服摩擦阻力而损失的能量大得多 所以 在制作管件时 如何采 取措施减少局部阻力是必须重视的问题 表表 5 4 常见管件局部阻力系数常见管件局部阻力系数 下面通过分析几种常见管件产生局部阻力的原因 提出减 少局部阻力的办法 1 三通 图 5 4 为一合流三通中气流的流动情况 流速不同的 1 2 两股气流在汇合时发生碰撞 以及气流速度 改变时形成涡流是产生局部阻力的原因 三通局部阻力的大小与分支管中心夹角 三通断面形状 支管与总 管的面积比和流量比 即流速比 有关 图图 5 4 合流三通中气流流动状态合流三通中气流流动状态 为了减少三通局部阻力 分支管中心夹角 应该取得小一些 一般不超过 30 只有在安装条件限制或 为了平衡阻力的情况下 才用较大的夹角 但在任何情况下 都不宜做成垂直的 T 形三通 为了避免出现 引射现象 应尽可能使总管和分支管的气流速度相等 即按 3 1 2来确定总管和分支管的断面积 这 样 风管断面积的关系为 F3 F1 F2 2 弯头 当气流流过弯头时 见图 5 5 由于气流与管壁的冲击 产生了涡流区 又由于气流的惯性 使边界层 脱离内壁 产生了涡流区 两个涡流区的存在 使管道中心处的气流速度要比管壁附近大 因而产生了旋 转气流 涡流区的产生和气流的旋转都是造成局部阻力的原因 图图 5 5 弯头中气流流动状况弯头中气流流动状况 实验证明 增大曲率半径可以使弯头内的涡流区和旋转运动减弱 但是弯头的曲率半径也不宜太大 以 免占用的空间过大 一般取曲率半径 R 等于弯头直径的 1 2 倍 在任何情况下 都不宜采用 90 的 形 直角弯头 3 渐缩或渐扩管 渐缩或渐扩管的局部阻力是由于气流流经管件时 断面和流速发生变化 使气流脱离管壁 形成涡流区 而造成的 图 5 6 是渐扩管中气流的流动状况 图图 5 6 渐扩管中气流流动状况渐扩管中气流流动状况 实验证明 渐缩或渐扩管中心角 越大 涡流区越大 能量损失也越大 为了减少渐缩 渐扩管的局部 阻力 必须减小中心角 缓和流速分布的变化 使涡流区范围缩小 通常中心角 不宜超过 45 三 系统阻力三 系统阻力 整个通风除尘系统的阻力称为系统阻力 它包括吸尘罩阻力 风管阻力 除尘器阻力和出口动压损失 4 部分 四 通风管道的压力分布四 通风管道的压力分布 图 5 7 所示为一简单通风系统 其中没有管件 吸尘罩和除尘器 假定空气在进口 A 和出口 C 处局部阻 力很小 可以忽略不计 系统仅有摩擦阻力 图图 5 7 仅有摩擦阻力的风管压力分布仅有摩擦阻力的风管压力分布 按下列步骤可以说明该风管压力分布 1 定出风管中各点的压力 风机开动后 空气由静止状态变为运动状态 因为风管断面不变 所以各点 断面 的空气流速相等 即动压相等 各点的动压分布分别为 点 A 点 B 全压 空气从点 A 流至点 B 时要克服风管的摩擦阻力 所以点 B 的全压 即风机吸入口的全压 为 式中 Rm 风管单位长度摩擦阻力 Pa m l1 从点 A 至点 B 的风管长度 m 由式 5 11 可以看出 当风管内空气流速不变时 风管的阻力是由降低空气的静压来克服的 点 C 当空气排入大气时 这一能量便全部消失在大气中 称为风管出口动压损失 点 B 空气由点 B 流至点 C 需要克服摩擦阻力 Rml2 所以 2 把以上各点的数值在图上标出 并连成直线 即可绘出压力分布图 如图 5 7 所示 风机产生的风压 Hf 等于风机进 出口的全压差 即 从风管压力分布图和计算结果可以给人们以下启示 风机产生的风压等于风管的阻力及出口动压损失之和 亦即等于系