均匀送风管道的设计计算

第一节风道内空气流动阻力空气粘性及风道内流体的相对运动空气流动惯性及风道边壁扰动内摩擦力局部阻力空气流动阻力次要地位主要地位第一页，共64页。一、摩擦阻力摩擦阻力主要发生在流动边界层内。空气在风道内流动时，由于边壁上流体质点无滑动，故而从边壁开始形成一个边界层。边界层内存在较大的流速梯度，所以在流体流动时，就产生了阻碍流体流动的内摩擦力。空气在风道中的流动阻力，通常以单位体积流体的能量损失ΔP表示。第二页，共64页。摩擦阻力Δpm的数学表达式为:式中:λ-摩擦阻力系数Rs-风道水力半径，m;l-风道长度，m;v-风道内空气平均流速，m/s;ρ-空气密度，kg/m3.第三页，共64页。(一）摩擦阻力系数λ的确定对于层流，λ只与Re数有关；对于紊流，λ与Re数及壁面粗糙度都有关。根据实验研究结果，通常按流态、分区域给出不同的计算λ公式。第四页，共64页。（二）风道的水力半径和矩形风道当量直径的计算水力半径Rs：过流断面A与湿周P之比。定义定义式第五页，共64页。1.流速当量直径设定某一圆形风道中的空气流速与矩形风道中的流速相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风道直径就称为此矩形风道的流速当量直径。用Dv表示。第六页，共64页。根据定义，有下式成立：又因为λ,v及ρ均相等根据定义：故有：第七页，共64页。2.流量当量直径设定某一圆形风道中空气流量与矩形风量中流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆风道直径就称为此矩形风道的流量当量直径，用DL表示。第八页，共64页。若按水力粗糙管推导，得到：若按水力光滑管推导，得到：第九页，共64页。在运用当量直径时，有两点需要注意。第一，当量直径概念用于紊流流动是合适的，用于层流则会产生较大误差。条缝行风道运用当量直径时也会产生较大误差。第二，在利用线算图查摩擦阻力时，一定要注意对应关系。如采用Dv时，必须用矩形风道中流速去查，如采用Dl时，必须用矩形风道中流量去查。但是，无论用哪种当量直径去查，其单位长度摩擦阻力Rm都是相等的。第十页，共64页。（三）摩擦阻力的温度修正空气密度ρ，运动粘性系数v都与温度有关，故而摩擦阻力与温度有关。计算摩擦阻力的线算图，通常是按20℃制作的，所以对于其他温度条件，需要进行温度校正。（四）单位长度摩擦阻力线算图为了避免繁琐计算，常将单位长度摩擦阻力Rm制成线算图。制作该图的条件是：圆风道，空气温度20℃，按照紊流过渡区公式计算。第十一页，共64页。P219例7-1有一薄钢板风道断面尺寸为500mm×400mm，风量L=3600m3/h,求单位长度摩擦阻力Rm.粗糙度K=0.15mm.解矩形风道内空气流速为：矩形风道的流速当量直径Dv：由v=5m/s，Dv=0.44m,以及K=0.15mm,从图7-2查得Rm=0.9Pa/m第十二页，共64页。二、局部阻力在风道系统中，总要安装一些管件用以控制或调节风道内空气的流动。比较典型的管件有：弯头，三通及变径管。当空气流经管件时，由于流量大小和流动方向的改变，引起了流速的重新分布并产生涡流。由此产生的阻力，称为局部阻力。第十三页，共64页。局部阻力按下式计算：式中，ξ—局部阻力系数。v—ξ与之对应的断面流速。影响局部阻力系数ξ的主要因素有:管件形状，壁面粗糙度及雷诺数。由于通风空调系统的空气流动大都处于非层流区，故可认为ξ仅仅和管件形状有关。第十四页，共64页。1.弯头空气流经弯头时，流向发生变化。由于气流惯性，则在边壁的尖角处发生边界层脱离而形成涡流，同时因离心力作用，外侧力大于内侧，外侧流速小于内侧，在外侧的减速增压区内也会发生边界层脱离形成旋涡。可见，要减小弯头的局部阻力，就必须设法减小形成旋涡的原因。为此，可采取加大曲率半径以减小曲率，也可在弯头内加设导流叶片。第十五页，共64页。2.变径管空气流经变径管时，由于过流断面的变化而引起流速变化，在减速增压区产生边界层脱离并形成旋涡，造成局部阻力损失。过流断面变化愈大，损失也愈大，要想减小阻力损失，就必须减小过流断面的变化，可以用渐变管来代替突然扩大和突然缩小管。第十六页，共64页。3.三通三通形状是由总流与支流的夹角α及其面积比F1/F3，F2/F3这几个几何参数确定的。但三通的特征是它的流量前后有变化，因此，三通局部阻力系数不仅与几何形状有关，而且与流量比L1/L3，L2/L3有关。三通有两个支管，所以有两个局部阻力系数，除特别注明对应各自的动压头外，一般都对应总压头。第十七页，共64页。弯头内空气的流动状态渐扩管内空气的流动状态合流三通内空气的流动第十八页，共64页。三、风道内空气流动阻力风道内空气流动阻力，等于摩擦阻力和局部阻力总和，即：式中的单位长度摩擦阻力可查线解图，局部阻力系数可查附录7-1。第十九页，共64页。第二节风道内的压力分布风道内的压力是指风道内空气所具有的全压。全压包括动压和静压两部分。即：式中pq,pd和pj分别为全压、动压和静压。空气在流动过程中要损失能量，所以风道内的空气总是从全压高的地方流向全压低的地方，即全压随着流动过程在变化。同时，当风道的过流断面或流量发生变化时，会引起动压和静压之间的相互转化。因此在整个风道系统中，形成了压力分布。第二十页，共64页。一、仅有摩擦阻力的风道内压力分布线的绘制：122′3vvl1-2l2′-300pq2′pj2′pdpdpq2pj2大气压力线第二十一页，共64页。断面1：断面2：第二十二页，共64页。断面3：断面2′：第二十三页，共64页。第一，当空气由静止变为流动状态时，只能靠降低静压转化为动压来实现。第二，以风机为界，吸入侧的压力都为负值，压出侧的压力都为正值。第三，两个断面的全压差即为两端面间风道的压力损失。第四，风机压头等于风机进出口的全压差，或者说等于风道总压力，等于风道阻力及出口动压损失之和。从上图可以看出：第二十四页，共64页。二、兼有摩擦阻力和局部阻力的风道内压力分布线的绘制第二十五页，共64页。断面1：断面2：第二十六页，共64页。断面3：断面4：断面5：第二十七页，共64页。断面11：断面10：断面9：断面8：断面7：断面6：第二十八页，共64页。第三节风道的水力计算风道的水力计算，可分为两种类型：设计类型和校核类型。设计类型是已知风道布置，风管长度及各管段风量，要求确定各段管径和选择风机。校核类型是已知各管段长度，管径及风机所能提供的压头，要求校核各段风量是否满足要求。两种类型的计算原理都一样，都是通过压力平衡来达到分配风量的目的。第二十九页，共64页。一、假定流速法单位长度摩擦阻力Rm是管径D,风速v及风量L的函数，即：对设计类型计算而言，风量L是作为已知条件，如再假定流速v，则D和Rm就可确定。通常就称这种方法为假定流速法。第三十页，共64页。假定流速法的设计计算步骤如下：1.绘制系统轴测图，标注各管段长度和风量。2.选定最不利环路，划分管段，选定流速。3.根据给定风量和选定流速，计算管段断面尺寸a×b(或管径D），并使其符合附录7-2中所列的通风管道统一规格。再用规格化了的断面尺寸及风量，算出风道内实际流速。4.根据风量L或实际流速v和断面当量直径D得到单位长度摩擦阻力Rm。5.计算各段的局部阻力。6.计算各段总阻力。7.检查并联管路的阻力平衡情况。第三十一页，共64页。P226例7-3有一直流空调系统（如下图所示），风道全部用镀锌钢板(K=0.15mm)制作。已知消声器阻力为50pa，空调箱阻力为290pa，试确定该系统的风道断面尺寸及所需风机压头。第三十二页，共64页。解该题属于设计类型。1.绘制系统轴测图，如上图所示，并对各管段进行编号，标注管段长度和风量。2.选定管段1-2-3-4-5-6为最不利环路，逐段计算摩擦阻力和局部阻力。管段1-2:（风量L=1500m3/h，管段长l=9m）摩擦阻力部分：初选流速为4m/s，风量为1500m3/h，算出风道断面积为：第三十三页，共64页。将F′规格化为320×320mm，F=0.102m2，这时实际流速为4.08m/s，流速当量直径为320mm。根据流速4.08m/s和流速当量直径320mm,查图7-2,得到单位长度摩擦阻力Rm=0.7Pa/m，管段1-2的摩擦阻力为:局部阻力部分：该段存在局部阻力的部件有孔板送风口、连接孔板的渐扩管、多叶调节阀、弯头、渐缩管及三通直通。孔板送风口：已知孔板面积为600×600mm，净孔面积比为0.3,则孔板面风速为：第三十四页，共64页。根据面风速1.16m/s和净孔面积比0.3查附录7-1序号35，得孔板局部阻力系数ζ=13.故孔板的局部阻力为:渐扩管:根据扩角45°，查附录7-1得ζ=0.60多叶调节阀：根据三叶片及全开度查附录7-1得ζ=0.25渐缩管：根据α=30°＜45°，查附录7-1得ζ=0.10第三十五页，共64页。三通直通：根据三通直通断面与总流断面之比为0.64,三通直通风量与总风量之比为0.5，查附录7-1，得ζ=0.10，对应总流动压，总流流速为5.2m/s，则得三通直通的局部阻力为：该段局部阻力为：该段总阻力为：第三十六页，共64页。管段2-3:风量为3000m3/h,初选风速为5m/s，管长l=5m。摩擦阻力部分：根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为320×500mm，流速当量直径为390mm,实际流速为5.2m/s，查得Rm=0.8Pa/m.局部阻力部分：分叉三通：根据支管与总管断面之比为0.8,查附录7-1，得ζ=0.28，对应总管动压，总管流速为6.25m/s第三十七页，共64页。该段局部阻力：该段总阻力：管段3-4:风量为4500m3/h，初选风速为5m/s,管长l=9m。摩擦阻力部分：根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为400×500mm，流速当量直径为444mm，实际流速为6.25m/s,查得Rm=1.0Pa/m。第三十八页，共64页。局部阻力部分：消声器的局部阻力给定为50Pa弯头：根据α=90°，R/b=1，a/b=0.8，查附录7-1，得ζ=0.23调节阀：根据三叶片及全开度，查附录7-1,得ζ=0.25软接头：因管径不变且很短，局部阻力忽略不计。第三十九页，共64页。渐扩管：初选风机4-72-11No4.5A，出口断面尺寸为315×360mm，故渐扩管为315×360mm→400×500mm，长度取为360mm,渐扩管中心角为22°，大小头断面之比为1.76，查附录7-1，得ζ=0.15，对应大小流速：渐扩管的局部阻力：第四十页，共64页。该段的局部阻力为：该段总阻力为:管段4-5：空调箱及其出口渐扩管合为一个局部阻力，则：管段5-6:风量为4500m3/h，初选风速为5m/s，管长l=6m/s.第四十一页，共64页。摩擦阻力部分：根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为400×500mm，流速当量直径为444mm，实际流速为6.25m/s.据此，查得Rm=1.0Pa/m局部阻力部分：固定百叶格栅：新风入口流速选用5m/s，取有效通风面积为0.8，则固定百叶格栅面积为：第四十二页，共64页。取其外形尺寸为630×500mm，其面风速为查附录7-1，得ζ=0.9，对应面风速。则得固定百叶格栅的局部阻力为：渐缩管：断面从630×500mm单面收缩至400×500mm，取α≤45°，查附录7-1，得ζ=0.10，对应小头流速。弯头（两个）:由α=90°，R/b=1,a/b=0.8,查附录7-1，得ζ=0.20，由α=90°，R/b=1,a/b=1.25，查得ζ=0.20。第四十三页，共64页。突然扩大：新风管入口与空调箱面积之比取为0.2，查附录7-1，得ζ=0.64，对应小头流速。该段局部阻力为：该段总阻力：管段7-3:风量为1500m3/h，初选风速为4m/s,管长l=13m.条件与管段1-2相同，故有断面尺寸320×320mm，当量直径320mm，实际流速4.08m/s,查得Rm=0.7Pa/m第四十四页，共64页。局部阻力部分：孔板送风口：条件与管段1-2的相同，ζ=13，其局部阻力为10.5Pa。渐扩管：取扩角为45°，ζ=0.60调节阀：ζ=0.25弯头：ζ=0.23渐缩管：ζ=0.10分流三通：条件同管段2-3，ζ=0.28，对应总管流速为6.25m/s，则其局部阻力为：第四十五页，共64页。该段局部阻力为：该段总阻力：管段8-2：风量为1500m3/h,初选风速为4m/s,管长为3m.摩擦阻力部分：条件同管段1-2,故得断面尺寸320×320mm，当量直径320mm，流速4.08m/s,Rm=0.7Pa/m第四十六页，共64页。局部阻力部分：孔板送风口：局部阻力为10.5Pa渐扩管：ζ=0.60调节阀:ζ=0.25三通分支管：根据分支管与总管断面积之比为0.64，分支流量与总流流量之比为0.5，查附录7-2,得ζ=0.42，对应总管流速5.2m/s,则得三通分支局部阻力为：第四十七页，共64页。该段局部阻力：该段总阻力：3.检查并联管路的阻力平衡管路1-2的总阻力Δp1-2=30.2Pa管路8-2的总阻力Δp8-2=27.2Pa第四十八页，共64页。管路1-2-3的总阻力Δp1-2-3=40.8Pa管路7-3的总阻力Δp7-3=38Pa检查结果表明，两个并联管路的阻力平衡都满足设计要求。如果不满足要求的话，可以通过调整管径的方法使之达到平衡要求。由于管径与总阻力之间有以下的近似关系：第四十九页，共64页。若以D，D′表示调整前后的管径Δp,Δp′表示调整前后的总阻力则有：按照上式调整管径，直到阻力平衡达到设计要求为止。4.计算最不利环路阻力本系统所需风机压头应能克服453.3Pa阻力。第五十页，共64页。将阻力公式表示成如下形式：式中：l当-由局部阻力折合成的当量长度-当ζ=1时的当量长度二、假定流速—当量长度法第五十一页，共64页。三、静压复得法AB12第五十二页，共64页。（一）静压复得系数在三通前后，分别取断面1和2，列能量方程式：式中：则：令：则：一般情况下，0.5计算方法

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