6.0 概述 6.1 风管内气体流动的流态和阻力 6.2 风管内的压力分布 6.3 ...

6.0 概述

6.1 风管内气体流动的流态和阻力

6.2 风管内的压力分布

6.3 通风管道的水力计算

6.4 均匀送风管道设计计算

6.5 通风管道设计中的常见问题及其处理措施

6.6 气力输送系统的管道设计计算

第第 66 章通风管道系统的设计计算章通风管道系统的设计计算

• 通过本章的学习，要求了解和掌握通风管道的设计原理和计算方法。

• 在设计风管时必须要考虑和解决的问题：• 1.使通风除尘系统中每一个排风罩处都达到所需

要的排风量；• 2.不使粉尘在风管内沉积而造成风管堵塞；• 3.风管直径的设计要使系统的一次投资和日常运

行维护费用经济合理；• 4.便于维护管理

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。

6.0 6.0 概 述概 述

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。

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。

4 4 风机风机

1 1 排风罩排风罩 5 5 风帽风帽

1 1 排风罩排风罩

2 2 风管风管

有害气体

室外大气

3 3 净化设备净化设备

空调送风系统空调送风系统

3 3 风机风机

11 新风新风口口

室外大气室外大气

2 2 进气处理设备进气处理设备

4 4 风管风管5 5 送风送风口口

室内室内

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，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。

6.1 6.1 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

6.1.1 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。

DV

Re

在通风与空调工程中，雷诺数通常用下式表示：

粘滞力

惯性力

实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数 Re来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。

尼古拉兹实验

• 1932～ 1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为 ε 的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε 就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε 与管道半径r 的比值 ε/r  称为相对糙度。

• 以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、 1/30.6、 1/60、 1/126、 1/256、 1

/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与 Re的关系曲线

• Ⅰ 区——层流区。当 Re ＜ 2320( 即 lgRe ＜ 3.36)时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。这表明 λ与相对糙度ε/r无关，只与 Re有关，且 λ=64/Re。与相对粗糙度无关

• Ⅱ 区——过渡流区。 2320≤Re≤4000( 即 3.36≤lgRe≤3.6)，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。λ 随 Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。

• Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态 (Re ＞ 4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度 δ大于管道的绝对糙度 ε （称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明 λ 与 ε 仍然无关，而只与 Re有关。随着 Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低 Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的

管道要在 Re较大时才偏离直线Ⅲ。

• Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与 Re有关，也与 ε/r 有关。

• Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段， Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有 ε>>δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故 Re对 λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ 与 Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速

平方成正比，故称为阻力平方区 。

6.1.2 风管内空气流动的阻力

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 1 沿程阻力沿程阻力

lv

RP

sm 24

1 2

P

FRs

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：

对于圆形截面风管，其阻力由下式计算：

lv

DPm 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

DlPR mm （ 8-5 ）

（ 1 ）圆形风管的沿程阻力计算

摩擦阻力系数 λ与管内流态和风管管壁的相对粗糙度 K/D有关

)/( DKRf e ，

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：

Re

51.2

71.3lg2

1

D

K

为了避免繁琐的计算，可根据公式（ 6-5 ）和式（ 6-7 ）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。

（ 6-7 ）

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 ）密度和粘度的修正 1.0

091.0

00 )()( mm RR

2 ）空气温度和大气压力的修正 0mBtm RKKR

825.0

273

20273

t

K t

9.0)3.101(BK B

3 ）管壁粗糙度的修正 0mrm RKR

• 在通风和空调工程中使用各种材料制作风管，这些材在通风和空调工程中使用各种材料制作风管，这些材

料的粗糙度各不相同，其具体数值在表料的粗糙度各不相同，其具体数值在表 6-16-1列出。列出。

• 当风管管壁的粗糙度 K≠0.15mm 时，可先由图 1 查出 Rm0 ，再近似按下式修正

Pa/m, 0mrm RKR

25.0)(KuK r

表 6-2 风管内表面的粗糙度修正系数 Kr

粗糙程度 管壁材料速度 / （ m/s ）

5 10 15 20

特别粗糙中等粗糙特别光

金属软管混凝土管塑料管

1.71.3

0.92

1.81.350.85

1.851.350.83

1.91.370.80

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。

0mR

tK

0mtm RKR

=0.97

解：查附录 4 ，得υ ＝ 14 m/s ， ＝ 7.68 Pa/m

查图得，

=0.97×7.68 Pa/m=7.45 Pa/m

[[ 例例 1]1]

2. 2. 矩形风管的沿程阻力计算 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。

（ 1 ）流速当量直径

（ 2 ）流量当量直径

[ 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。

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。

15 /

0.5 0.4

LV m s

ab

2 2 500 400444

500 400V

abD mm

a b

[[ 例例 2] 2]

由 V=5m/s 、 Dv=444mm查图得Rm0=0.62Pa/m

0.25

0.25

0

3 5 1.96

1.96 0.62

1.22 /

t

m t m

K KV

R K R

Pa m

200200

1.01.0

0.010.010.10.1 100100

400400

4000 4000 管径管径

4040

3535

11

80 80 流

速流速

3030

444444

55

0.620.62

RRmm(Pa/m)(Pa/m)

空气

量空

气量

mm33 /

s/s 450450

粗糙度修正系数

由 L=1m3/S 、 DL=487mm查图 2-3-1 得 Rm0=0.61Pa/mRm=1.96×0.61=1.2 Pa/m

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

0.010.01

1.01.0

200200200200

1.01.0

0.010.010.10.1 100100

400400

40004000 管径管径

4040

3535

11

8080流速

流速

3030

447447

55

0.610.61

RRmmPa/mPa/m

空气

量空

气量

mm33 /

s/s

0.625

0.25

0.625

0.25

1.3

0.4 0.51.3

0.4 0.5

0.487

L

abD

a b

m

×

2 2 局部阻力局部阻力

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：

2

ρυζZ

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。

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。

减小局部阻力的措施减小局部阻力的措施

（ 1 ）渐扩管和渐缩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

θ2

θ3

1 2

3

１３

２

θ1

θ2

（ 2 ）三通

图 6-4 三通支管和干管的连接

（ 3 ）弯管

图 6-5 圆形风管弯头 图 6-6 矩形风管弯头

图 6-7 设有导流片的直角弯头

（ 4 ）管道进出口

图 6-8 风管进出口阻力

（ 5 ）管道和风机的连接

图 6-8 风机进出口管道连接

减少管路系统中局部阻力损失的途径

• ① 管路布置得尽量顺直，减少弯管和断面尺寸的突然变化。弯管的曲率半径不要取得太小。

• ② 在气流汇合部分（三通处）应尽量减少气流的撞击，二股汇合气流的通度最好相等，三通交角尽量减小。

• ③ 排风口气流速度尽量降低，以减少出口动压的损失。

管段阻力：

• 系统中各管段的阻力为该管段中的摩擦阻力和局部阻力之和，即：

zimii ppp

6.2 6.2 风管内的压力分布风管内的压力分布

6.2.1 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。

ZZ22

ZZ1111

22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）。

212

22

21

21

1 22 PgZPgZP jj

21

22

2

21

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

6.2.2 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 6-10 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。

6.3 6.3 通风管道的水力计算通风管道的水力计算6.3.1 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。

6.3.2 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等几种，目前常用的是假定流速法。

6.3.3 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。

（ 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

77l l =3.7m=3.7m

风机风机

88

l l =12

m=

12m

66

55

44 33

22

1199

1010

L=5500m3/hL=5500m3/h

L=2700m3/hL=2700m3/hL=2650m3/hL=2650m3/h

l l =4.2m=4.2m

l l =5.5m=5.5m l l =5.5m=5.5m

l l =6.

2m=

6.2m

通风除尘系统的系统图

[[ 例例 3]3]

l l =5.

4m=

5.4m除尘器除尘器

图 6-11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，风管用钢板制作（粗糙度 K ＝ 0.15mm），输送含有铁矿粉尘的含尘气体，气体温度为 20℃。该系统采用 CLSΦ800型水膜除尘器，除尘器含尘气流进口尺寸为 318mm×552mm，除尘器阻力 900Pa 。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。

6.4 6.4 均匀送风管道设计计算均匀送风管道设计计算 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：（ 1 ）条缝宽度或孔口面积变化，风道断面不变，如图 6-14 所示。

0f图 6-14 风道断面 F 及孔口流量系数 不变，孔口面积 变化的均匀吸送风

吹出 吸入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 6-15 所示。

0f图 6-15风道断面 F 变化，孔口流量系数 及孔口面积 不变的均匀送风

（ 3 ）风道断面、条缝宽度或孔口面积都不变，如图 6-16 所示。

0f

风道断面 F 及孔口面积 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 。

6.4.1 6.4.1 均匀送风管道的设计原理 均匀送风管道的设计原理

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 角的方向流出，如图 6-17 所示。

ff

ff00

vvjj

vvdd

vv

ff00

孔口出流状态图

1. 出流的实际流速和流向

j

j

pv

2

d

d

pv

2

22dj

d

j

d

j

p

p

v

vtg

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 的方向与风道轴线方向 的夹角（出流角）为

空气在风管内的轴向流速为：

2. 孔口出流的风量

vfQ 0

jfff 00 sin

j

j

PfvfQ

2000

jvf

Qv

0

00

对于孔口出流，流量可表示成：

孔口处平均流速：

3. 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：1 ）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。

0fjp

从式（ 6-34 ）可以看出，对侧孔面积 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 和流量系数 相等；要使出口气流尽量保持垂直，要求出流角 接近90° 。下面具体分析各项措施。

1qP 2qP

2121 )( ZlRPP mqq

212211 )( ZlRPPPP mdjdj

如图 6-18所示有两个侧孔，根据流体力学原理可知，断面 1 处 的全压 应等于断面 2 处的全压 加上断面 1-2间的阻力，即

（ 1 ）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

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，两侧孔处的静压就保持相等。

侧孔出流状态图

（ 2 ）保持各侧孔流量系数相等

=70=7000

=60=6000

=50=50

00

=40

=40

00

=90=9000

0.40.4

0.50.50.60.60.70.70.80.8

0.10.1 1.01.00.50.5

0L 锐边孔口的 值

（ 3 ）增大出流角度

风管中静压与动压的比值愈大，气流在侧孔的出流角度 也愈大，即出流方向与管壁侧面愈接近垂直（如图 6-20 （ a ）所示）。比值愈小，出流就会向风管末端偏斜，难于达到均匀送风的目的（如图 6-20 （ b ）所示）。

a ） b ） 图 6-20 侧孔气流出流方向与送风均匀性

6.4.2 6.4.2 均匀送风管道的计算均匀送风管道的计算

均匀送风管道计算的目的是确定侧孔的个数、间距、面积及出风量，风管断面尺寸和均匀送风管段的阻力。

均匀送风管道计算和一般送风管道计算相似，只是在计算侧孔送风时的局部阻力系数时需要注意。侧孔送风管道可以认为是支管长度为零的三通。当空气从侧孔出流时产生两种局部阻力，即直通部分的局部阻力和侧孔局部阻力。

L35.0

直通部分的局部阻力系数 可以按布达柯夫提出的公式确定也可以由表查出。表 6-8

20

2

00 33.01

f）－＋（）（ L

L

0 侧孔的局部阻力系数 可以由塔利耶夫的试验数据（查表）确定，也可以按下式计算

6.5 6.5 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

6.5.1 6.5.1 系统划分系统划分

6.5.2 6.5.2 风管的布置、选型及保温与防腐风管的布置、选型及保温与防腐

1. 风管布置

2. 风管选型

风管选型包括断面形状的选取，材料的选择和管道规格。

3. 风管保温

4. 风道的防腐

肮脏的室内送风口散流器提示通风系统内过多的污垢

5. 管道及其设备的清洁

过滤器可以截留颗粒物和水溶性气体，但也容易滋生细菌

空调送风内部孢子扩散引起过滤器霉菌污染

6.5.3 6.5.3 进排风口布置进排风口布置

6.5.4 6.5.4 防爆及防火防爆及防火

6.6 6.6 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