1、第三节 管道阻力 空气在风管内的流动阻力有两种形式：一是由于空气本身的黏滞性以及空气与管壁间 的摩擦所产生的阻力称为摩擦阻力；另一是空气流经管道中的管件时(如三通、弯头等) ， 流速的大小和方向发生变化，由此产生的局部涡流所引起的阻力，称为局部阻力。 一、摩擦阻力 根据流体力学原理，空气在管道内流动时，单位长度管道的摩擦阻力按下式计算： 24vRsm (53) 式中 Rm单位长度摩擦阻力， Pam ； 风管内空气的平均流速，m s； 空气的密度，kgm 3； 摩擦阻力系数； Rs风管的水力半径，m 。 对圆形风管： 4DRs (54) 式中 D风管直径，m。 对矩形风管 )(2bas (55)
2、 式中 a，b矩形风管的边长，m。 因此，圆形风管的单位长度摩擦阻力 2vDRm (56) 摩擦阻力系数 与空气在风管内的流动状态和风管内壁的粗糙度有关。计算摩擦阻力 系数的公式很多，美国、日本、德国的一些暖通手册和我国通用通风管道计算表中所采用 的公式如下： )Re51.7.3lg(21K (57) 式中 K风管内壁粗糙度， mm； Re雷诺数。 vde (58) 式中 风管内空气流速，m s； d风管内径，m； 运动黏度，m 2 s。 在实际应用中，为了避免烦琐的计算，可制成各种形式的计算表或线解图。图 52 是 计算圆形钢板风管的线解图。它是在气体压力 B1013kPa、温度 t=20、
3、管壁粗糙度 K015mm 等条件下得出的。经核算，按此图查得的 Rm 值与全国通用通风管道计算 表查得的 d 值算出的 Rm 值基本一致，其误差已可满足工程设计的需要。只要已知 风量、管径、流速、单位摩擦阻力 4 个参数中的任意两个，即可利用该图求得其余两个参 数，计算很方便。 图 52 圆形钢板风管计算线解图 例 有一个 10m 长薄钢板风管，已知风量 L2400m 3h，流速 16ms，管壁 粗糙度 K015mm，求该风管直径 d 及风管摩擦阻力 R。 解 利用线解图 52，在纵坐标上找到风量 L2400m 3h，从这点向右做垂线，与 流速 16ms 的斜线相交于一点，在通过该点表示风管直
4、径的斜线上读得 d230mm 。 再过该点做垂直于横坐标的垂线，在与表示单位摩擦阻力的横坐标交点上直接读得 Rm13 5Pa m。 该段风管摩擦阻力为： RR ml13510Pa135Pa 无论是按照全国通用通风管道计算表 ，还是按图 52 计算风管时，如被输送空气 的温度不等于 20，而且相差较大时，则应对 R。值进行修正，修正公式如下：tK (5 9) 式中 mR 在不同温度下，实际的单位长度摩擦阻力，Pa； Rm按 20的计算表或线解图查得的单位摩擦阻力，Pa； Kt摩擦阻力温度修正系数，如图 53 所示。 图 53 摩擦阻力温度修正系数 钢板制的风管内壁粗糙度 K 值一般为 015mm
5、 。当实际使用的钢板制风管，其内壁粗 糙度 K 值与制图表数值有较大出入时，由计算图表查得的单位摩擦阻力 Rm 值乘以表 5 3 中相应的粗糙度修正系数。表中 为风管内空气流速。 表 53 管壁粗糙度修正系数 对于一般的通风除尘管道，粉尘对摩擦阻力的影响很小，例如含尘浓度为 50gm 3 时， 所增大的摩擦阻力不超过 2，因此一般情况下可忽略不计。 二、局部阻力 各种通风管道要安装一些弯头、三通等配件。流体经过这类配件时，由于边壁或流量 的改变，引起了流速的大小、方向或分布的变化，由此产生的能量损失，称为局部损失， 也称局部阻力。局部阻力主要可分为两类：流量不改变时产生的局部阻力，如空气通过
6、弯头、渐扩管、渐缩管等；流量改变时所产生的局部阻力，如空气通过三通等。 局部阻力可按下式计算： 2Z (5 10) 式中 Z局部阻力，Pa； 局部阻力系数，见表 54； 空气流速，m s； 空气密度，kgm 3。 上式表明，局部阻力与其中流速的平方成正比。局部阻力系数通常都是通过实验确定 的。可以从有关采暖通风手册中查得。表 54 列出了部分管道部件的局部阻力系数值。在 计算通风管道时，局部阻力的计算是非常重要的一部分。因为在大多数情况下，克服局部 阻力而损失的能量要比克服摩擦阻力而损失的能量大得多。所以，在制作管件时，如何采 取措施减少局部阻力是必须重视的问题。 表 54 常见管件局部阻力系
7、数 下面通过分析几种常见管件产生局部阻力的原因，提出减 少局部阻力的办法。 1三通 图 54 为一合流三通中气流的流动情况。流速不同的 1、2 两股气流在汇合时发生碰撞，以及气流速度 改变时形成涡流是产生局部阻力的原因。三通局部阻力的大小与分支管中心夹角、三通断面形状、支管与总 管的面积比和流量比(即流速比 )有关。 图 54 合流三通中气流流动状态 为了减少三通局部阻力，分支管中心夹角。应该取得小一些，一般不超过 30。只有在安装条件限制或 为了平衡阻力的情况下，才用较大的夹角，但在任何情况下，都不宜做成垂直的“T”形三通。为了避免出现 引射现象，应尽可能使总管和分支管的气流速度相等，即按
8、3 1= 2 来确定总管和分支管的断面积。这 样，风管断面积的关系为：F 3F 1+F2。 2弯头 当气流流过弯头时(见图 55)，由于气流与管壁的冲击，产生了涡流区 ；又由于气流的惯性，使边界层 脱离内壁，产生了涡流区。两个涡流区的存在，使管道中心处的气流速度要比管壁附近大，因而产生了旋 转气流。涡流区的产生和气流的旋转都是造成局部阻力的原因。 图 55 弯头中气流流动状况 实验证明，增大曲率半径可以使弯头内的涡流区和旋转运动减弱。但是弯头的曲率半径也不宜太大，以 免占用的空间过大，一般取曲率半径 R 等于弯头直径的 12 倍。在任何情况下，都不宜采用 90的“”形 直角弯头。 3渐缩或渐扩
9、管 渐缩或渐扩管的局部阻力是由于气流流经管件时，断面和流速发生变化，使气流脱离管壁，形成涡流区 而造成的。图 56 是渐扩管中气流的流动状况， 图 56 渐扩管中气流流动状况 实验证明，渐缩或渐扩管中心角。越大，涡流区越大，能量损失也越大。为了减少渐缩、渐扩管的局部 阻力，必须减小中心角 ，缓和流速分布的变化，使涡流区范围缩小。通常中心角。不宜超过 45。 三、系统阻力 整个通风除尘系统的阻力称为系统阻力，它包括吸尘罩阻力、风管阻力、除尘器阻力和出口动压损失 4 部分。 四、通风管道的压力分布 图 57 所示为一简单通风系统，其中没有管件、吸尘罩和除尘器，假定空气在进口 A 和出口 C 处局部
10、阻 力很小，可以忽略不计，系统仅有摩擦阻力。 图 57 仅有摩擦阻力的风管压力分布 按下列步骤可以说明该风管压力分布。 (1)定出风管中各点的压力。风机开动后，空气由静止状态变为运动状态。因为风管断面不变，所以各点 (断面)的空气流速相等，即动压相等。各点的动压分布分别为： 点 A 点 B 全压 空气从点 A 流至点 B 时要克服风管的摩擦阻力，所以点 B 的全压(即风机吸入口的全压)为： 式中 Rm风管单位长度摩擦阻力， Pam ； l1从点 A 至点 B 的风管长度， m。 由式(511)可以看出，当风管内空气流速不变时，风管的阻力是由降低空气的静压来克服的。 点 C 当空气排入大气时，这
11、一能量便全部消失在大气中，称为风管出口动压损失。 点 B 空气由点 B流至点 C 需要克服摩擦阻力 Rml2，所以： (2)把以上各点的数值在图上标出，并连成直线，即可绘出压力分布图。如图 57 所示。 风机产生的风压 Hf 等于风机进、出口的全压差，即 从风管压力分布图和计算结果可以给人们以下启示。 风机产生的风压等于风管的阻力及出口动压损失之和，亦即等于系统阻力。换句话说，系统的阻力是 由风机产生的风压来克服的。对于包括有管件、吸尘罩和除尘器的复杂系统，系统阻力中还包括这些部件和 设备的阻力。 风机吸入段的全压和静压都是负值，风机压出段的全压和静压一般情况下均是正值。因此，风管连接 处不严密时，会有空气漏人和逸出。前者影响吸尘效果，后者影响送风效果或造成粉尘外逸。 化学工业出版社，2004 年 5 月
