第8章通风管道系统的设计计算

1、8.0 概述概述 8.1 风管内气体流动的流态和阻力风管内气体流动的流态和阻力 8.2 风管内的压力分布风管内的压力分布 8.3 通风管道的水力计算通风管道的水力计算 8.4 均匀送风管道设计计算均匀送风管道设计计算 8.5 通风管道设计中的常见问题及其处理措施通风管道设计中的常见问题及其处理措施 8.6 气力输送系统的管道设计计算气力输送系统的管道设计计算 定义：定义：把符合卫生标准的新鲜空气输送到室内各需要地点，把室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

2、排送到室外的管道。处理后排送到室外的管道。 分类：分类：包括通风除尘管道、空调管道等。包括通风除尘管道、空调管道等。 作用：作用：把通风进风口、空气的热、湿及净化处理设备、送把通风进风口、空气的热、湿及净化处理设备、送( (排排) )风风 口、部件和风机连成一个整体，使之有效运转。口、部件和风机连成一个整体，使之有效运转。 设计内容：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。能量损耗的计算；风机和电动机功率的选择。 设计目标：设计目标：在满足工艺设计要求和保证使用效果的前提下，合理在满足工艺设

3、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。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。 如图，在风机如图，在风机4的动力作用下，排风罩（或排风口）的动力作用下，排风罩（或排风口）1将室将室 内污染空气吸入，经管道内污染空气吸入，经管道2送入净化设备送入净化设备3，经净化处理达到规，经净化处理达到规 定的排放标准后，通过风帽定的排放标准后，通过风帽5排到室外大气中。排到室外大气中。 如图，在风机如图，在风机3的动力作用下，室外空气进入新风口的动力作用下，室外空气进入新风口1， 经进气处理设备经进气处理设备2处理后达到处理后达到 卫生标准或

4、工艺要求后，由风管卫生标准或工艺要求后，由风管 4输送并分配到各送风口输送并分配到各送风口5 ，由风口送入室内。，由风口送入室内。 8.1.1 两种流态及其判别分析两种流态及其判别分析 流体在管道内流动时，其流动状态，可以分为层流、紊流。流体在管道内流动时，其流动状态，可以分为层流、紊流。 雷诺数既能判别流体在风道中流动时的流动状态，又是计算雷诺数既能判别流体在风道中流动时的流动状态，又是计算 风道摩擦阻力系数的基本参数。风道摩擦阻力系数的基本参数。 DV Re 在通风与空调工程中，雷诺数通常用右式表示：在通风与空调工程中，雷诺数通常用右式表示： 8.1.2 风管内空气流动的阻力风管内空气流动

5、的阻力 l 产生阻力的原因：产生阻力的原因： 空气在风管内流动之所以产生阻力是因为空气是具有粘滞性空气在风管内流动之所以产生阻力是因为空气是具有粘滞性 的实际流体，在运动过程中要克服内部相对运动出现的摩擦的实际流体，在运动过程中要克服内部相对运动出现的摩擦 阻力以及风管材料内表面的粗糙程度对气体的阻滞作用和扰阻力以及风管材料内表面的粗糙程度对气体的阻滞作用和扰 动作用。动作用。 l 阻力的分类：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力阻力的分类：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力 l v R P s m 24 1 2 X F Rs 空气在任意横断面形状不变的管道中流动时，根据流体力学原空气在任意横断面形状不变的

6、管道中流动时，根据流体力学原 理，它的沿程阻力可以按下式确定：理，它的沿程阻力可以按下式确定： 对于圆形截面风管，其阻力由下式计算： l v D P m 2 1 2 单位长度的摩擦阻力又称比摩阻。对于圆形风管，由上式可知 其比摩阻为： 2 / 2 v D lPR mm （8-5） （1）圆形风管的沿程阻力计算）圆形风管的沿程阻力计算 摩擦阻力系数摩擦阻力系数与管内流态和风管管壁的粗糙度与管内流态和风管管壁的粗糙度K/D有关有关 )/(DKRf e ， 图图8-1 摩擦阻力系数摩擦阻力系数随雷诺数和相对粗糙度的变化随雷诺数和相对粗糙度的变化 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

7、区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、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全国通用通风管道 计算表计算表也采用该公式：也采用该公式： Re 51. 2 71. 3 lg2 1 D K 为了避免繁琐的计算，可根据公式（为了避免繁琐的计算，可根据公式（8-5）和式（）和式（8-7）制成）制成 各种形式的表格或线算图。附录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所示的通风管道单位长度摩

8、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。余两个参数。 （8-7） 附录附录4 通风管道通风管道 单位长度摩擦阻单位长度摩擦阻 力线算图力线算图 需要说明的是，附录需要说明的是，附录4的线算图是是按过渡区的的线算图是是按过渡区的 值，在压力值，在压力 B0=101.3kPa、温度、温度t0=200C、空气密度、空气密度 0=1.24kg/m3、运动粘、运动粘 度度 =15.0610-6

9、m2/s、壁粗糙度、壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、气、圆形风管、气 流与管壁间无热量交换等条件下得的。当实际条件与上述不符流与管壁间无热量交换等条件下得的。当实际条件与上述不符 时，应进行修正。时，应进行修正。 1）密度和粘度的修正）密度和粘度的修正 1 . 0 0 91. 0 00 )()( mm RR 2）空气温度和大气压力的修正）空气温度和大气压力的修正 0mBtm RKKR 825. 0 273 20273 t Kt 9 . 0 ) 3 .101(BK B 3）管壁粗糙度的修正）管壁粗糙度的修正 0mrm RKR 有一通风系统，采用薄钢板圆形风管（有一通风系统，采用薄钢板圆形风管

10、（ K = 0.15 mm），已），已 知风量知风量L3600 m2/h（1 m3/s）。管径）。管径D300 mm，空气温，空气温 度度t30。求风管管内空气流速和单位长度摩擦阻力。求风管管内空气流速和单位长度摩擦阻力。 0m R t K 0mtm RKR =0.97 解：查附录解：查附录4，得，得14 m/s，7.68 Pa/m 查图查图8-2得，得， =0.977.68 Pa/m=7.45 Pa/m 全国通用通风管道计算表全国通用通风管道计算表和附录和附录4的线算图是按圆形风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，需要把矩形风管管得出的，在进行矩形风管的摩擦阻力计算

11、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。求得矩形风管的单位长度摩擦阻力。 所谓所谓“当量直径当量直径”，就是与矩形风管有相同单位长度摩擦阻，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。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）流速当量直径 （2）流量当量直径）流量当量直径 解解 矩道风道内空气流速矩道风道内空气流速 1）根据矩形风管的流速当量直径）根据矩形风管的流速当量直径Dv和实际流速和实

12、际流速V，求矩形，求矩形 风管的单位长度摩擦阻力。风管的单位长度摩擦阻力。 有一表面光滑的砖砌风道（有一表面光滑的砖砌风道（K=3mm），横断面尺寸为），横断面尺寸为 500mm 400mm,流量流量L=1m3/s(3600m3/h)，求单位，求单位 长度摩阻力。长度摩阻力。 1 5/ 0.5 0.4 L Vm s ab 22 500 400 444 500400 V ab Dmm ab 由由V=5m/s、Dv=444mm查图得查图得Rm0=0.62Pa/m 0.25 0.25 0 3 51.96 1.96 0.62 1.22/ t mtm KKV RK R Pa m 粗糙度修正系数粗糙度修正

13、系数 由由L=1m3/S、DL=487mm 查图查图2-3-1得得Rm0=0.61Pa/m Rm=1.960.61=1.2 Pa/m 2）用流量当量直径求矩形风管）用流量当量直径求矩形风管 0.625 0.25 0.625 0.25 1.3 0.4 0.5 1.3 0.4 0.5 0.447 L ab D a b m 一般情况下，通风除尘、空气调节和气力输送管道都要安装一般情况下，通风除尘、空气调节和气力输送管道都要安装 一些诸如断面变化的管件一些诸如断面变化的管件(如各种变径管、变形管、风管进出口、如各种变径管、变形管、风管进出口、 阀门阀门)、流向变化的管件（弯头）和流量变化的管件、流向变

14、化的管件（弯头）和流量变化的管件(如三通、四通、如三通、四通、 风管的侧面送、排风口风管的侧面送、排风口)，用以控制和调节管内的气流流动。，用以控制和调节管内的气流流动。 流体经过这些管件时，由于边壁或流量的变化，均匀流在这一流体经过这些管件时，由于边壁或流量的变化，均匀流在这一 局部地区遭到破坏，引起流速的大小，方向或分布的变化，或者气局部地区遭到破坏，引起流速的大小，方向或分布的变化，或者气 流的合流与分流，使得气流中出现涡流区，由此产生了局部损失。流的合流与分流，使得气流中出现涡流区，由此产生了局部损失。 多数局部阻力的计算还不能从理论上解决，必须借助于由实验多数局部阻力的计算还不能从理

15、论上解决，必须借助于由实验 得来的经验公式或系数。局部阻力一般按下面公式确定：得来的经验公式或系数。局部阻力一般按下面公式确定： 2 Z 2 局部阻力系数也不能从理论上求得，一般用实验方法确定。在局部阻力系数也不能从理论上求得，一般用实验方法确定。在 附录附录5中列出了部分常见管件的局部阻力系数。中列出了部分常见管件的局部阻力系数。 局部阻力在通风、空调系统中占有较大的比例，在设计时应局部阻力在通风、空调系统中占有较大的比例，在设计时应 加以注意。减小局部阻力的着眼点在于防止或推迟气流与壁面的加以注意。减小局部阻力的着眼点在于防止或推迟气流与壁面的 分离，避免漩涡区的产生或减小漩涡区的大小和强

16、度。下面介绍分离，避免漩涡区的产生或减小漩涡区的大小和强度。下面介绍 几种常用的减小局部阻力的措施。几种常用的减小局部阻力的措施。 （1） 渐扩管和渐渐扩管和渐缩缩管管 几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变、突变 、渐变、渐变 、转弯处、转弯处 、分岔与会合、分岔与会合 2 3 12 3 1 2 （2） 三通三通 图8-4 三通支管和干管的连接 （3）弯管）弯管 图图8-5 圆形风管弯头圆形风管弯头 图图8-6 矩形风管弯头矩形风管弯头 图图8-7 设有设有 导流片的直导流片的直 角弯头角弯头 （4） 管道进出口管道进出口 图图8-8 风管进出口阻力风管进出口阻

17、力 （5） 管道和风机的连接管道和风机的连接 图图8-9 风机进出口管道连接风机进出口管道连接 8.2.1 动压、静压和全压动压、静压和全压 空气在风管中流动时，由于风管阻力和流速变化，空气的空气在风管中流动时，由于风管阻力和流速变化，空气的 压力是不断变化的。研究风管内压力的分布规律，有助于我们压力是不断变化的。研究风管内压力的分布规律，有助于我们 正确设计通风和空调系统并使之经济合理、安全可靠的运行。正确设计通风和空调系统并使之经济合理、安全可靠的运行。 分析的原理是风流的能量方程和静压、动压与全压的关系式。分析的原理是风流的能量方程和静压、动压与全压的关系式。 根据能量守恒定律，可以写出

18、空气在管道内流动根据能量守恒定律，可以写出空气在管道内流动 时不同断面间的能量方程（伯努利方程）。时不同断面间的能量方程（伯努利方程）。 212 2 2 21 2 1 1 22 PgZPgZP jj 21 2 2 2 2 1 1 22 PPP jj 我们可以利用上式对任一通风空调系统的压力分布进行分析我们可以利用上式对任一通风空调系统的压力分布进行分析 8.2.2 风管内空气压力的分布风管内空气压力的分布 把一套通风除尘系统内气流的动压、静压和全压的变化表把一套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，就称为通风除尘系统的压示在以相对压力为纵坐标的坐标图上

19、，就称为通风除尘系统的压 力分布图。力分布图。 设有图设有图8-10所示的通风系统，空气进出口都有局部阻力。所示的通风系统，空气进出口都有局部阻力。 分析该系统风管内的压力分布。分析该系统风管内的压力分布。 8.3.1 风道设计的内容及原则风道设计的内容及原则 风道的水利计算分风道的水利计算分设计计算设计计算和和校核计算校核计算两类。两类。 风道设计时必须遵循以下的原则：风道设计时必须遵循以下的原则： （1）系统要简洁、灵活、可靠；便于安装、调节、控制与维修。）系统要简洁、灵活、可靠；便于安装、调节、控制与维修。 （2）断面尺寸要标准化。）断面尺寸要标准化。 （3）断面形状要与建筑结构相配合，

20、使其完美统一。）断面形状要与建筑结构相配合，使其完美统一。 8.3.2 风道设计的方法风道设计的方法 风管水力计算方法有假定流速法、压损平均法和静压复得法风管水力计算方法有假定流速法、压损平均法和静压复得法 等几种，目前常用的是假定流速法。等几种，目前常用的是假定流速法。 8.3.3 风道设计的步骤风道设计的步骤 下面以假定流速法为例介绍风管水力计算的步骤。下面以假定流速法为例介绍风管水力计算的步骤。 （1）绘制通风或空调系统轴测图）绘制通风或空调系统轴测图 （2）确定合理的空气流速）确定合理的空气流速 （3）根据各管段的风量和选择的流速确定各管段的断面尺寸，计）根据各管段的风量和选择的流速确

21、定各管段的断面尺寸，计 算最不利环路的摩擦阻力和局部阻力算最不利环路的摩擦阻力和局部阻力 （4）并联管路的阻力计算）并联管路的阻力计算 （5）计算系统的总阻力）计算系统的总阻力 （6）选择风机）选择风机 通风除尘系统的系统图通风除尘系统的系统图 图图8-11所示为某车间的振动筛除尘系统。采用矩形伞形排风罩排尘，风管所示为某车间的振动筛除尘系统。采用矩形伞形排风罩排尘，风管 用钢板制作（粗糙度用钢板制作（粗糙度K0.15mm），输送含有铁矿粉尘的含尘气体，气体温度），输送含有铁矿粉尘的含尘气体，气体温度 为为20。该系统采用。该系统采用CLS800型水膜除尘器，除尘器含尘气流进口尺寸为型水膜除尘

22、器，除尘器含尘气流进口尺寸为 318mm552mm，除尘器阻力，除尘器阻力900Pa。对该系统进行水力计算，确定该系统。对该系统进行水力计算，确定该系统 的风管断面尺寸和阻力并选择风机。的风管断面尺寸和阻力并选择风机。 在通风、空调、冷库、烘房及气幕装置中，常常要求把等量的在通风、空调、冷库、烘房及气幕装置中，常常要求把等量的 空气经由风道侧壁（开有条缝、孔口或短管）均匀的输送到各个空空气经由风道侧壁（开有条缝、孔口或短管）均匀的输送到各个空 间，以达到空间内均匀的空气分布。这种送风方式称为均匀送风。间，以达到空间内均匀的空气分布。这种送风方式称为均匀送风。 均匀送风管道通常有以下几种形式：均

23、匀送风管道通常有以下几种形式： （1）条缝宽度或孔口面积变化，风道断面不变，如图）条缝宽度或孔口面积变化，风道断面不变，如图8-14所示。所示。 0 f图图8-14 风道断面风道断面F及孔口流量系数及孔口流量系数 不变，孔口面积不变，孔口面积 变变 化的均匀吸送风化的均匀吸送风 吹出吹出 吸入吸入 从条缝口吹出和吸入的速度分布从条缝口吹出和吸入的速度分布 （2）风道断面变化，条缝宽度或孔口面积不变，如图）风道断面变化，条缝宽度或孔口面积不变，如图8-15所示。所示。 0 f 图图8-15风道断面风道断面F变化，孔口流量系数变化，孔口流量系数 及孔口面积及孔口面积 不变不变 的均匀送风的均匀送风

24、 （3）风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变，如图）风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变，如图8-16所示。所示。 0 f 风道断面风道断面F及孔口面积及孔口面积 不变时，管内静压会不断增大，可以根不变时，管内静压会不断增大，可以根 据静压变化，在孔口上设置不同的阻体来改变流量系数据静压变化，在孔口上设置不同的阻体来改变流量系数 。 风管内流动的空气，在管壁的垂直方向受到气流静压作用，风管内流动的空气，在管壁的垂直方向受到气流静压作用， 如果在管的侧壁开孔，由于孔口内外静压差的作用，空气会在垂直如果在管的侧壁开孔，由于孔口内外静压差的作用，空气会在垂直 管壁方向从孔口流出。但由于受到原有管内轴向流

25、速的影响，其孔管壁方向从孔口流出。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 角角 的方向流出，如图的方向流出，如图8-17所示。所示。 图图8-17 孔口出流状态图孔口出流状态图 1. 出流的实际流速和流向出流的实际流速和流向 j j p v 2 d d p v 2 22 dj d j d j p p v v tg 静压差产生的流速为：静压差产生的流速为： 空气从孔口出流时，它的实际流速和出流方向不仅取决于静压空气从孔口出流时，它的实际流速和出流方向不仅取决于静压 产生的流速大小和方向，还受

26、管内流速的影响。孔口出流的实际速产生的流速大小和方向，还受管内流速的影响。孔口出流的实际速 度度为二者的合成速度。速度的大小为：为二者的合成速度。速度的大小为： 利用速度四边形对角线法则，实际流速利用速度四边形对角线法则，实际流速 的方向与风道轴线的方向与风道轴线 方向方向 的夹角（出流角）为的夹角（出流角）为 空气在风管内的轴向流速为：空气在风管内的轴向流速为： 2. 孔口出流的风量孔口出流的风量 vfL3600 0 j fff 00 sin j j P fvfL 2 36003600 000 j v f L v 0 0 0 3600 对于孔口出流，流量可表示成：对于孔口出流，流量可表示成：

27、 孔口处平均流速：孔口处平均流速： 3.实现均匀送风的条件实现均匀送风的条件 要实现均匀送风需要满足下面两个基本要求：要实现均匀送风需要满足下面两个基本要求： 1）各侧孔或短管的出流风量相等；）各侧孔或短管的出流风量相等； 2）出口气流尽量与管道侧壁垂直，否则尽管风量相等也不会均匀。）出口气流尽量与管道侧壁垂直，否则尽管风量相等也不会均匀。 0 f j p 从式（从式（8-34）可以看出，对侧孔面积）可以看出，对侧孔面积 保持不变的均匀送风保持不变的均匀送风 管道，要使各侧孔的送风量保持相等，必需保证各侧孔的静压管道，要使各侧孔的送风量保持相等，必需保证各侧孔的静压 和和 流量系数流量系数 相

28、等；要使出口气流尽量保持垂直，要求出流角相等；要使出口气流尽量保持垂直，要求出流角 接接 近近90。 下面具体分析各项措施。下面具体分析各项措施。 1q P 2q P 2121 )( ZlRPP mqq 212211 )( ZlRPPPP mdjdj 如图如图8-18所示有两个侧孔，根据流体力学原理可知，断面所示有两个侧孔，根据流体力学原理可知，断面1处的处的 全压全压 应等于断面应等于断面2处的全压处的全压 加上断面加上断面1-2间的阻力，即间的阻力，即 （1）保持各侧孔静压相等）保持各侧孔静压相等 由此说明，欲使两个侧孔静压相等，就必须有由此说明，欲使两个侧孔静压相等，就必须有 2121 )( ZlRPP mdd 也就是说，若能使两个侧孔的动压降等于两侧孔间的风管阻力，也就是说，若能使两个侧孔的动压降等于两侧孔间的风管阻力， 两侧孔处的静压就保持相等。两侧孔处的静压就保持相等。 图图8-18 侧孔出流状态图侧孔出流状态图 （2）保持各侧孔流量系数相等）保持各侧孔流量系数相等 0 L 图图8-19 锐边孔口的锐边孔口的 值值 （3）增大出流角度）增大出流角度 风管中静压与动压的比值愈大，气流