住宅厨房防火型变压式排气道的研制技术路线

住宅厨房防火型变压式排气道的研制技术路线

本主题的研究符合建设部《关于建筑装置改革方案的通知》第98条的要求，本项目被称为“绿色防雨产品研究与开发”（项目代码：06-k5-37）。本课题为子课题3《厨房卫生间污染控制与改善及材料和产品研究开发》中的专项2。住宅厨卫防火型变压式排气道的研制技术路线是从改善住宅厨房卫生间室内环境要求出发研究具体的技术措施→产品研制开发→与产品相关的建筑工程设计与工程应用→相关产品标准、工程技术规范的编制,通过这一技术路线来加速课题的科研成果尽早完成并加速转化为现实生产力。住宅厨卫防火型变压式排气道的研制关键技术指标为:在部分楼层开启油烟机时,不开油烟机的其他楼层不串烟、不串味;进气口风压Pj≤0;保证每户必要的厨房排风量300~500m3/h,卫生间排风量80~100m3/h;管体耐火极限不低于1h。一、平台设计在管道系统的应用《住宅设计规范》规定:“当排油烟机的排气管排至竖向通风道时,竖向通风道的断面应根据所担负的排气量计算确定,应采取无回流、竖井无泄露的措施。”、“无外窗的卫生间,应设置有防回流构造的排气通风道,并预留安装排气机械的位置和条件。”。根据上述要求,采用同一垂直位置,各层厨房或卫生间排气都集中于一个风道。假设某一排气道进风口位置没有设置防回流装置,由于处于同一垂直位置的各层厨房相互连通,那么开启排油烟机的厨房的烟气就会串入没有设置防回流装置的厨房内,即发生了“串烟”、“串味”现象。厨房用排油烟机的排风量在300~500m3/h范围内就可以满足厨房排烟的基本要求,进风口风速须大于4.9m/s。以6层楼(外廓截面尺寸320mm×240mm,有效通风截面为300mm×220mm)为例,在最不利工况(6层排油烟机全开)下,排气道的最小排风能力为1800m3/h时,才能满足所有厨房的排烟要求,此时风道内的风速为7.6m/s,与进风口风速一致,能满足排烟要求。如果排气道截面过小,要达到各层厨房必要的排风量,风道内速度就必然要增加,管道内的压力也会增加,对排油烟机的动力特性就要求很高,对排烟不利。因此排气道必须要有必要的排风截面。综上所述,造成串烟串味的原因有两个:一是排气道内没有设置防回流的构造;二是排气道的截面过小,不能满足厨房必要的排风量要求。变压式排气道的设计是依据空气动力学伯努利方程所表述的原理,在风道内特定位置(排气道进风口处)设置改变气流流速的机构,使在该特定位置的动压增大,静压减小,使排气道进风口处压力高于风道内的静压,从而避免串烟、串味的现象。根据流体力学,全压Pq为动压头Pd和静压Pj之和:式中:Pq——流体全压头单位PaPd——流体动压头Pd=1/2mv2Pj——流体静压头Pj为流体分子内能经过实验,我们发现串烟串味现象与管道内静压头有关,而与动压头无关。引起厨房排油烟管道系统串烟串味的原因是管道系统内部静压值Pj过高,而与动压值Pd大小无关。所以,从空气动力学角度要解除串烟串味现象必得设法降低管道内部的静压值。流体运动遵循能量守恒定律,在1-1流动断面上,流体总能量Pq守恒,见公式(1)。经实验得知,引起管道系统串烟串味的原因是静压值Pj过高。由于总能量守恒,Pj和Pd可互相转换,但其和不变。提高动压头Pd,可降低静压Pj。由于Pd=1/2mv2,提高Pd只需提高流体速度v。在1-1断面上,流体流量Q守恒,为一常数。即:Q=VS。提高流速V,只需降低S,即需缩小流通面积。加一变压板即可完成缩小流通断面的要求。通过上面的分析,得出以下结论,即通过调整变压板的尺寸来改变管道系统内部某一局部管段的流通面积,从而达到改变局部静压值Pj来实现防止管道系统串烟串味的目的(见图1):1)Pj>P0串味(2)2)Pj=P0临界状态不稳定(3)3)Pj<P0不串味(4)二、本居住区走廊扎发系统的空气动力学理论分析及清洁住房的卫压性系统的空气动力状态2.1计算房屋和厨房走廊压缩式排气系统的最佳流通段的基础2.1.1经验常数选取本文采用标准k-ε湍流模型进行计算,其基本方程如下:连续性方程:动量方程:紊流能量传递方程:紊流能量耗散率传递方程:式中:uiuj——速度,m/s,其中i,j为张量下标,i,j=1,2,3;ρ——流体密度,kg/m3;μ——粘滞系数,kg/(m·s);μj——紊流引起的粘滞系数,kg/(m·s);k——紊流脉动动能,m2/s2;ε——紊流脉动动能耗散率,m2/s2。经验常数取值:C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3。2.1.2住宅厨房卫生间变压式排气实验测试系统住宅厨房卫生间变压式排气实验测试系统如图2。该系统可通过改变主管道的流通截面尺寸,对住宅厨房卫生间变压式系统进行性能测试;可变换局部部件的结构或类型,从而对在不同局部部件的结构或类型条件下的集中排气系统进行其空气动力性能测试。采用经济流速法经济流速v取(6m/s)每台厨房排油烟机排风量按300~500(m3/h)的范围进行测试;每台卫生间排气扇排风量按100~200(m3/h)的范围进行测试;同时使用系数(排气设备同时开启)C取0.5,即开机率为50%。注:每台排油烟机排风量按300~500(m3/h)按国家标准《住宅设计规范》(GB50096)取定。2.2筑有效的东北部集中排气系统是住宅厨房卫生间排气的主要方式。与分户直排相比,具有防止低层用户排向室外的烟气对上层用户形成的交叉污染,并能避免污损建筑外立面、维持外立面的美观,还能防止迎风时导致的倒灌。但其与常见的暖通空调的送排风系统不同,住宅厨房卫生间集中排气系统是一种多动力源汇流系统,即管路系统中气体的流动动力来自于各层厨房卫生间开启的排油烟机或排气扇的动力,并且各层由分支管进入共用主管道的入口方式以及分支管风量与共用主管道风量的比例都影响到整个管道系统内的压力分布,即其空气动力性能特性是十分复杂的,这可以从测试数据的结果中看出。2.3管道系统的特性曲线2.3.1流量为6.2%自由流质系统对于集中排气系统,按照管段之间的串并联关系,可将管道系统简化为一个管路。管道系统中流体的流动阻力与流量之间的关系可用下式表示:式中,S是管道系统的总阻抗,与管道系统几何尺寸、摩擦阻力系数、局部阻力系数、流体密度有关。当这些因素不变时,S为常数。2.3.2动压差值的影响根据能量方程,流体从管路进口断面1流至出口断面2所需的能量可用下式表示:当两断面的动压差值与其他项相比较小,忽略此项,则有:绘制成曲线图如图3,被称为管道系统特性曲线。管道系统特性曲线表明这类管道系统的全部阻力与流量的平方成正比,当风机(本文风机指厨房排油烟机或卫生间排气扇)的工况沿管道系统特性曲线变化时遵守相似风机的相似律。2.3.3管道系统特性的确定影响管道系统特性曲线的形状的决定因素是阻抗S。S值越大,曲线越陡。当流量采用体积流量单位时,管段阻抗S的计算式为:当流量采用质量流量单位时,管段阻抗的计算式为:根据S的计算式可知,影响S值的参数有:摩擦阻力系数l、管段长度l、直径(或当量直径)d、局部阻力系数Σζ、流体密度r。其中l取决于流态。由流体力学知,当流动处于阻力平方区时,l仅与k/d(管段的相对粗糙度)有关。在给定管路条件下,若l值可视为常数,则有:由式(14)知,当管道系统安装完毕,管长、管径、局部阻力系数在不改变阀门开度的情况下,都已为定数,即S为定值,对某一具体的管道系统,其管道系统特性就被确定。反之,一旦改变式(14)中的任一参数值,将改变管道系统特性。由于S正比于l、Σζ、k、r,反比于d。所以当管道系统系统较长、管径较小、局部阻力部件较多、管内壁粗糙度较大、流体密度较大都会使S值增加,即管道系统特性曲线变陡;反之则使S值减小,而管道系统特性曲线变缓。在管道系统设计和运行中,都常常通过调整管路布置、改变管径大小等手段来达到改变管道系统特性,使之适应用户对流量或压力分布的需要。2.4风机出入口与管道系统的连接风机一般是装设在管路系统中,与管路共同工作的。此时,风机的性能曲线不仅取决于风机本身,也与它们与管道系统的连接情况有关。由于风机是在特定管道系统中工作,其出入口与管道系统的连接状况一般与性能试验时不一致,将导致风机的性能发生改变(一般会下降)。例如,入口的连接方式不同于标准试验状态时,则进入风机的流体流向和速度分布与标准实验则有很大的不同,因而导致其内部能量损失发生变化(一般情况为能量损失增加),风机的性能下降,这是在进行住宅厨卫防火型变压式排气道系统设计时必需考虑的问题。2.5风机的工作流量将风机在管道系统中的实际性能曲线中的流量—压头曲线与其接入管道系统系统的特性曲线,用相同的比例尺、相同的单位绘在同一直角坐标图上,那么,两条曲线的交点,即为该风机在该管道系统中的工作状态点,或称运行工况点,如图4中的A点。在这一点上,风机的工作流量即为管道系统中通过的流量,提供的压头与管道系统在该流量下的阻力相一致(该管道系统的Pst=0)。可见,风机在管道系统中的工作状态点是由其自身的性能和管道系统特性共同确定的。风机的性能曲线表明,风机可以在多种不同的流量和压头的工况下工作,然而,在某一时刻,在实际管网系统中运行时,它只能工作在性能曲线上的某一点,在这一点上,风机的工作流量即为管道系统中通过的流量,所提供的能量与管道系统中流体流动所需的能量相平衡。三、确定应急变压式排气道流通截面根据上述分析,通过实验研究,并且综合考虑排气效果的要求以及建筑节能的要求,确定合理的住宅厨房卫生间防火型变压式排气道流通截面。式中:S——排气道流通截面,m2a——管道截面长边,mb——管道截面短边,m3.1烹饪用气管道计算3.1.1暖通专业管道截面尺寸计算得流通断面为0.320×0.240=0.077(m2)此外,a、b的取值还要考虑到实际工程上的因素:1)管道内要安装变压板和导向管,给管道操作工人留有较方便的操作空间;2)实际取定的管道截面0.320×0.240=0.077(m2),比理论计算所得出的结果0.042(m2)来的大,是这样做更安全,同时也便于日后为排气系统增加排风量留有一定的余地,这也是在暖通专业管道计算中常用的做法。故该管道截面尺寸定为a×b=0.320×0.240(m),余类推。3.1.2依上法,12层楼房所用厨房排气管道PCB12截面尺寸取定a×b=0.340×0.300(m)18层楼房所用厨房排气管道PCD18截面尺寸24层楼房及以上所用厨房排气管道PCG24截面尺寸3.2层楼所用卫生间排气道pwb12截面尺寸6层楼房所用卫生间排气管道PWA6截面尺寸12层楼房所用卫生间排气管道PWB12截面尺寸24层楼房所用卫生间排气管道PWG24截面尺寸40层楼房所用卫生间排气管道PWK40截面尺寸3.3层楼用双卫生间排气道pwwg2截面尺寸12层楼房所用卫生间排气管道PWWB12截面尺寸24层楼房所用双卫生间排气管道PWWG24截面尺寸40层楼房所用双卫生间排气管道PWWK40截面尺寸四、住宅实验室检测报告住宅厨卫防火型变压式排气道系统空气动力性能已通过中国建筑设计研究院住宅实验室的检测,其综合技术性能符合国家相关标准规范要求,详见中国建筑设计研究院住宅实验室提供的检测报告:住(性)检字第F08X1号《住宅变压式排气道系统性能检测报告》五、监狱内确立的防火性能检测报告住宅厨卫防火型变压式排气道管体防火性能已通过国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的检测,其防火性能符合国家相关标准规范要求,详见国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心提供的检测报告:No.2009-2365《通风管道的耐火极限检验报告》六、多种排油烟机产品的集成2010年3月5日,住宅厨卫防火型变压式排气道通过了住房和城乡建设部组织的验收,验收结论为:“该项目在已开发的变压式排气道的基础上,根据空气动力学机理,对系统构造及相关部件进行研究,综合形成了全系统的系列化产品。可满足不同类型的住宅建设工程需求,将排油烟机(或卫生间通风器)与风帽、导流式排油烟气防火止回阀等统一设计,实现了厨房、卫生间排气部品体系的集成,有利于住宅产业化、标准化、系列化,符合住宅装修一次到位的产业政策。”“该项目研发的导流式排油烟气防火止回阀系列产品设计构思巧妙,有创新性,科学合理,并通过国家防火检验部门的检验,可以在各类排气道上应用。己取得了变压式排气道(专利号:ZL01136512.9)、导流式止回排气阀(专利号:ZL02123894.4)发明专利,变压式风帽(专利号:ZL03280235.