第八章通风管道系统的设计计算

[例8-1]
有一通风系统，采用薄钢板圆形风管（ K = 0.15 mm），已 知风量L＝3600 m2/h（1 m3/s）。管径D＝300 mm，空气温 度t＝30℃。求风管管内空气流速和单位长度摩擦阻力。 解：查附录4，得υ＝14 m/s， Rm0＝7.68 Pa/m 查图8-2得， K t =0.97
（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。
流量当量直径可近似按下式计算。
DL=1.37(ab)0.625/（a+b）0.25
以流量当量直径DL和矩形风管的流量L，查附录6所得的
单位长度摩擦阻力Rm ，即为矩形风管的单位长度摩擦阻 力
（5） 管道和风机的连接
图8-9 风机进出口管道连接
8.2 风管内的压力分布
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 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。 8.2.1 动压、静压和全压 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）。
1）密度和粘度的修正
2）空气温度和大气压力的修正
273 20 Kt 273 t
0.825
Rm Rm0 ( 0 ) 0.91 ( 0 )
Rm K t K BRm0
0.1
K B ( B 101.3)
0.9
3）管壁粗糙度的修正
Rm K r Rm0
通风管道的水力计算
通风管道的水力计算是在系统和设备布置、风管材
料、各送排风点的位置和风量均已确定的基础上进行 的。
目的是，确定各管段的管径(或断面尺寸)和阻力，
保证系统内达到要求的风量分配。最后确定风机的型 号和动力消耗。
在有的情况下，
风机的风量、风压已经确定，要 由此去确定风管的管径。
风管水力计算方法有假定流速法、压损平均法和静
由V=5m/s、Dv=444mm查图得Rm0=0.62Pa/m
粗糙度修正系数
200
K t KV 3 5
0.25
0.25
Rm K t Rm 0 1.96 0.62 1.22 Pa / m
空气量m3/s
1.96
1.0
0.01 0.1 0.62 100
Rm(Pa/m)



圆形风管Rs´和矩形风管的水力半径Rs“必须相等。 圆形风管的水力半径 Rs´=D/4 矩形风管的水力半径 Rs"=ab/2（a+b） Rs´= Rs=D/4= ab/2（a+b） D= ab/2（a+b）=Dv Dv称为边长为a×b 的矩形风管的流速当量直径。如 果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 查得的Rm 。即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。
Pj1
2
Z2
1 2
2
Z1 g Pj 2
2 2
2
2
Z 2 g P12
P12
1
Z1
Pj1
1 2
2
Pj 2
2 2
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
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 力分布图。 设有图8-10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。
8.1.2 风管内空气流动的阻力
Re

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 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 动作用。 阻力的分类：摩擦阻力或沿程阻力；局部阻力
1 沿程阻力
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 理，它的沿程阻力可以按下式确定：
υ 2ρ Zζ 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 附录5中列出了部分常见管件的局部阻力系数。
减小局部阻力的措施
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 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。
（8-5）
摩擦阻力系数λ与管内流态和风管管壁的粗糙度K/D有关
f ( Re ，K / D)
图8-1 摩擦阻力系数λ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：
室外大气 4 风管 1新风口
5 送风口 室内
3 风机
2 进气处理设备
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
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 风道摩擦阻力系数的基本参数。 在通风与空调工程中，雷诺数通常用右式表示： V D
附录4 通风管道 单位长度摩擦阻 力线算图
需要说明的是，附录4的线算图是是按过渡区的值，在压力 B0=101.3kPa、温度t0=200C、空气密度0=1.24kg/m3、运动粘
度=15.06×10-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、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 时，应进行修正。
1
K 2.51 2 lg 3.71D Re
（8-7）
为了避免繁琐的计算，可根据公式（8-5）和式（8-7）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。
第8章通风管道系统的设计计算
8.0 概述 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 8.3 通风管道的水力计算 8.4 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 8.6 气力输送系统的管道设计计算
8.0 概 述
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 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。
（1） 渐扩管和渐扩管 几种常见的局部阻力产生的类型： １、突变
２、渐变
３、转弯处
４、分岔与会合
１
1
θ2 θ3 3
2
θ1 θ2 ２
３
（2） 三通
图8-4 三通支管和干管的连接
（3）弯管
图8-5 圆形风管弯头
（4） 管道进出口
图8-6 矩形风管弯头
图8-7 设有 导流片的直 角弯头
图8-8 风管进出口阻力
2）用流量当量直径求矩形风管单位长度摩擦阻力。 矩形风道的流量当量直径 D 1.3 a b 0.25 L 1.3 0.4 0.5 0.25 空气量m3/s 0.4 ×0.50.625 ab 0.625
200
200
0.447 m
1.0
1.0
由L=1m3/S、DL=487mm 查图2-3-1得Rm0=0.61Pa/m Rm=1.96×0.61=1.2 Pa/m
1 v2 Pm l 4 Rs 2
F Rs X
（1）圆形风管的沿程阻力计算 对于圆形截面风管，其阻力由下式计算：
1 v2 Pm l D 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：
Rm Pm / l
v2
D 2
压复得法等几种，
目前常用的是假定流速法。
8.3.3 风道设计的步骤 假定流速法风管水力计算的步骤。
（1）绘制通风或空调系统轴测图
（2）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
（5）计算系统的总阻力
（6）选择风机
8.3 通风管道的水力计算
8.3.1 风道设计的内容及原则 风道的水利计算分设计计算和校核计算两类。 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。 （2）断面尺寸要标准化。 （3）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
风管水力计算方法 1.假定流速法 2.压损平均法 3.静压复得法 目前常用的是假定流速法。
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。 室外大气
1 排风罩
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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。
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，则该圆风管的直径就称为 此矩形风管的流速当量直径。
（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，则该圆 风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径。
[例8-2]
有一表面光滑的砖砌风道（K=3mm），横断面尺寸为 500mm× 400mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求单位 长度摩阻力。 [解] 矩道风道内空气流速 1）根据矩形风管的流速当量直径Dv和实际流速V，求矩形 风管的单位长度摩擦阻力。
L 1 V 5m / s ab 0.5 0.4 2ab 2 500 400 DV 444mm ab 500 400
Rm K t Rm0 =0.97×7.68 Pa/m=7.45 Pa/m
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。
假定流速法的特点是，先按技术经济要求选定风管的流 速，再根据风管的风量确定风管的断面尺寸和阻力。
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。
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)本身的长度。
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。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。
0.01 0.1 0.61 100 0.01
RmPa/m
2 局部阻力
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(如各种变径管、变形管、风管进出口、 阀门)、流向变化的管件（弯头）和流量变化的管件(如三通、四通、 风管的侧面送、排风口)，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 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。 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 得来的经验公式或系数。局部阻力一般按下面公式确定：