3.3　廢氣通風(fēng)管道系統(tǒng)設(shè)計

通風(fēng)管道是廢氣收集系統(tǒng)的重要組成部分，通風(fēng)管道系統(tǒng)設(shè)計計算的目的在于保證要求風(fēng)量分配的前提下，合理確定風(fēng)管布置和尺寸，使系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用綜合最優(yōu)。通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計直接影響到通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的使用效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

本節(jié)主要包括設(shè)計計算步驟分解、估算和案例分析三部分。

3.3.1　設(shè)計計算步驟分解

本節(jié)主要根據(jù)《簡明通風(fēng)手冊》進(jìn)行通風(fēng)管道的水力計算，計算主要分為以下步驟。

3.3.1.1　系統(tǒng)圖繪制

根據(jù)通風(fēng)管道布局與走向，繪制系統(tǒng)軸測圖，對各管段進(jìn)行編號，標(biāo)注各管段的長度和風(fēng)量，以風(fēng)量和風(fēng)速不變的風(fēng)管為一管段。一般從距風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)的一段開始，由遠(yuǎn)到近順序編號，管段長度按兩個管件中心線的長度計算，不扣除管件（如彎頭、三通）本身的長度。

3.3.1.2　空氣流速選擇

風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較大影響。流速高、風(fēng)管斷面小、材料消耗少、建造費(fèi)用小，但是系統(tǒng)壓力損失增大、動力消耗增加、有時甚至可能加速管道的磨損。所以必須進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇合理的風(fēng)管空氣流速。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對于一般通風(fēng)系統(tǒng)，其風(fēng)速可按表3.1確定。

對于除塵系統(tǒng)，防止粉塵在管道內(nèi)沉積所需要的最低風(fēng)速見表3.2，而對于除塵器后的風(fēng)管，風(fēng)速可適當(dāng)減小，以達(dá)到管路經(jīng)濟(jì)性。

3.3.1.3　計算各管段管徑

根據(jù)各管段的風(fēng)量和選定的流速，計算出各管段管徑。

計算公式：

式中　D——風(fēng)管直徑，m；

qV——?dú)怏w流量，m3/h；

v——?dú)怏w流速，m/s。

3.3.1.4　計算各管段摩擦壓力損失

（1）單位長度管道的摩擦壓力損失Rm

Rm計算公式：

式中　Rm——單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

v——風(fēng)管內(nèi)氣體平均流速，m/s；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3；

λ——摩擦阻力系數(shù)；

Rs——風(fēng)管水力半徑，m。

（2）風(fēng)管水力半徑Rs

圓形風(fēng)管水力半徑，其中D為風(fēng)管直徑，m；

矩形風(fēng)管水力半徑，其中a、b為風(fēng)管邊長，m。

（3）摩擦阻力系數(shù)λ

λ計算公式：

式中　e——風(fēng)管內(nèi)壁的粗糙度，mm；

Re——雷諾數(shù)，Re=ρvd/μ（d為特征長度，μ為黏度系數(shù)）。

上述方法計算量較大，可采用湖南大學(xué)提出的摩擦阻力計算簡化公式（塑料風(fēng)道）如下：

λ=0.0188D-0.19V-0.167

（4）線算圖法計算圓管Rm

圓形風(fēng)管單位長度管道的摩擦壓力損失，由公式計算較繁瑣，常用線算圖（圖3.2）直接計算。

由圖3.2可以看出，氣體流量qV、風(fēng)管管徑D、管內(nèi)流速v和單位長度沿程摩擦壓力損失Rm四個參數(shù)中只需要已知其中任意兩個，就可以得出其他兩個參數(shù)。需要注意的是，圖3.2是在大氣壓力p0=101.3kPa、溫度t0=20℃、空氣密度ρ0=1.204kg/m3、運(yùn)動黏度ν0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度e=0.15mm的圓形風(fēng)管等條件下得出的，當(dāng)實(shí)際條件與上述條件不符時，應(yīng)進(jìn)行修正。

（5）線算圖法修正

①密度和黏度的修正。

式中　Rma——實(shí)際的單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

Rm0——由圖3.3的單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

ρa——實(shí)際氣體密度，kg/m3；

νa——實(shí)際氣體運(yùn)動黏度，m2/s；

②空氣溫度和大氣壓力的修正。

Rma=KtKBRm0

式中　Kt——溫度修正系數(shù)；

KB——大氣壓力修正系數(shù)；

ta——實(shí)際氣體溫度，℃；

pa——實(shí)際氣體壓力，kPa。

此外，Kt和KB可由圖3.3直接得出。

③管壁粗糙度的修正。

當(dāng)實(shí)際風(fēng)管粗糙度λ不等于0.15mm時，按下式進(jìn)行修正。

Rma=KrRm0

式中　Kr——修正系數(shù)，見表3.3。

（6）線算圖法計算矩形管Rm

矩形風(fēng)管在計算時Rm可根據(jù)當(dāng)量直徑折算成圓管計算。

①流速當(dāng)量直徑Dv

按Dv和流速v在圖3.2中查出Rm。

②流量當(dāng)量直徑DQ

按DQ和流量qV在圖3.2中查出Rm。

DQ=1.3

3.3.1.5　局部壓力損失

管件的局部壓力損失Z計算公式。

Z計算公式：

式中　Z——局部壓力損失，Pa；

ζ——局部阻力系數(shù)；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3。

該計算式中，局部阻力系數(shù)ζ為重要指標(biāo)，該值通常由試驗(yàn)確定，詳見《簡明通風(fēng)手冊》第241頁。選用時需注意試驗(yàn)用的管件形狀和試驗(yàn)條件，特別注意ζ值對應(yīng)的是何處的動壓值。

3.3.1.6　并聯(lián)管路壓力平衡計算

一般的通風(fēng)系統(tǒng)要求兩支管的壓損差不超過15％，除塵系統(tǒng)要求兩支管的壓損差不超過10％，以保證各支管的風(fēng)量達(dá)到設(shè)計要求。

當(dāng)并聯(lián)支管的壓損差超過上述規(guī)定時，可用下述方法進(jìn)行壓力平衡。

（1）調(diào)整支管管徑

通過改變管徑的方式，改變支管的壓力損失，達(dá)到壓力平衡。調(diào)整后的管徑按下式計算：

式中　D'——調(diào)整后的管徑，m；

D——原設(shè)計的管徑，m；

Δp'——為了壓力平衡，要求達(dá)到的支管壓力損失，Pa；

Δp——原設(shè)計的支管壓力損失，Pa。

注：本方法不適用改變?nèi)ㄖЧ艿墓軓健?/p>

（2）增大排風(fēng)量

當(dāng)兩支管壓力損失相差不大時，可不改變管徑，將壓力損失小的那段支管的流量適當(dāng)增大，以達(dá)到壓力平衡。增大的排風(fēng)量按下式計算：

式中　q'V——調(diào)整后的排風(fēng)量，m3/h；

qV——原設(shè)計的排風(fēng)量，m3/h；

Δp'——為了壓力平衡，要求達(dá)到的支管壓力損失，Pa；

Δp——原設(shè)計的支管壓力損失，Pa。

（3）增大支管壓力損失

最常用的增加局部壓力損失的方法是閥門調(diào)節(jié)。它是通過改變閥門的開度，來調(diào)節(jié)管道壓力損失。這種方法簡單易行，不需要嚴(yán)格計算，但是在改變某一支管上的閥門位置時，會影響整個系統(tǒng)的壓力分布，所以需要反復(fù)調(diào)試后才能使各支管的風(fēng)量分配達(dá)到設(shè)計要求。對于除塵系統(tǒng)還要考慮在閥門附近積灰，引起管道堵塞。

3.3.1.7　計算系統(tǒng)總壓力

總壓力損失p為最長管線（即沿程阻力最大的管線）所有干、支管壓力損失總和，最后根據(jù)總壓力損失和總風(fēng)量選擇風(fēng)機(jī)。

3.3.2　壓力損失估算

在繪制通風(fēng)管道系統(tǒng)的施工圖前，必須按3.3.1節(jié)中所述方法進(jìn)行計算，確定各管段的管徑和壓力損失。在進(jìn)行系統(tǒng)的方案比較或申報通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造計劃時，只需要對系統(tǒng)的總壓力損失作粗略估算即可。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，常用通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管壓力損失見表3.4，供設(shè)計參考所用，表中所列的風(fēng)管壓力損失只包括排風(fēng)罩的壓損，不包括處理設(shè)備的壓力損失。

3.3.3　案例分析

某有色金屬冶煉企業(yè)車間除塵系統(tǒng)通風(fēng)管道布置如圖3.4所示。系統(tǒng)內(nèi)的氣體平均溫度為20℃，鋼板管道的粗糙度e=0.15mm，氣體含塵濃度為10g/m3，所選除塵器的壓力損失為981Pa。集氣罩1和2的局部壓損系數(shù)分別為ξ1=0.12，ξ2=0.19，集氣罩排風(fēng)量分別為qV1=4950m3/h，qV2=3120m3/h，要求確定該系統(tǒng)的管道直徑和壓力損失，并選擇風(fēng)機(jī)。

解：（1）根據(jù)現(xiàn)場情況，制作系統(tǒng)圖，并對各管進(jìn)行編號，見圖3.4。

（2）選擇計算環(huán)路，一般從最遠(yuǎn)的管段開始計算。本題從管段①開始。

（3）本項目是有色冶煉車間，粉塵為重礦物粉塵，按表3.2中要求，水平管最低氣速取16m/s，垂直管最低氣速取14m/s。

（4）計算管徑和壓力損失。

①管段①。

根據(jù)qV1=4950m3/h，v=16m/s，查“計算表”得：D1=320mm，λ/D=0.0562，實(shí)際流速v1=17.4m/s，動壓為182Pa。

則摩擦壓力損失為RmL1=LRm==10×0.0562×182=102.5Pa。

查手冊，各管件局部壓力損失系數(shù)為：

集氣罩1：ζ=0.12；90°彎頭（R/D=1.5）：ζ=0.25；30°直流三通：ζ=0.12，所以總和∑ζ=0.12+0.25+0.12=0.49。

則局部壓損Z1==0.49×182=89.2Pa。

②管路③。

根據(jù)qV3=8070m3/h，v=16m/s，查“計算表”得：D1=420mm，λ/D=0.0403，實(shí)際流速v1=16.4m/s，動壓為161.5Pa。

則摩擦壓力損失為RmL3=LRm==10×0.0403×161.5=65.1Pa。

管件局部壓力損失為合流三通對應(yīng)縱觀動壓的壓力損失，其局部壓損系數(shù)ζ3=0.11，除塵器壓力損失為981Pa，進(jìn)出口壓損忽略不計。

則局部壓損Z3=0.11×161.5+981=998.77Pa。

③管路④

根據(jù)qV4=8070m3/h，v=16m/s，查“計算表”得：D1=420mm，λ/D=0.0403，實(shí)際流速v1=16.4m/s，動壓為161.5Pa。

則摩擦壓力損失為RmL4=LRm==5×0.0403×161.5=32.6Pa。

查手冊，各管件局部壓力損失系數(shù)為：

90°彎頭（R/D=1.5）：ζ=0.25；所以總和∑ζ=0.25+0.25=0.5。

則局部壓損Z4==0.5×161.5=80.8Pa。

④管路⑤

根據(jù)qV4=8070m3/h，v=16m/s，查“計算表”得：D1=420mm，λ/D=0.0403，實(shí)際流速v1=16.4m/s，動壓為161.5Pa。

則摩擦壓力損失為RmL5=LRm==15×0.0403×161.5=97.7Pa。

該管段局部壓力損失主要包括風(fēng)機(jī)進(jìn)出口及排風(fēng)口傘形風(fēng)帽的壓力損失，若風(fēng)機(jī)入口處變徑管壓力損失忽略不計，風(fēng)機(jī)出口ζ=0.1，傘形風(fēng)帽（h/D=0.5）ζ=1.3，所以總和∑ζ=0.1+1.3=1.4。

則局部壓損Z5==1.4×161.5=226.1Pa。

⑤管路②

根據(jù)qV2=3120m3/h，v=16m/s，查“計算表”得：D1=260mm，λ/D=0.0728，實(shí)際流速v1=16.7m/s，動壓為167Pa。

則摩擦壓力損失為RmL2=LRm==5×0.0728×167=60.8Pa。

該管段局部壓力損失主要包括一個集氣罩、一個90°彎頭及合流三通旁支管的壓力損失，集氣罩2：ζ=0.19；90°彎頭（R/D=1.5）：ζ=0.25；合流三通旁支管：ζ=0.20，所以總和∑ζ=0.19+0.25+0.20=0.64。

則局部壓損Z2==0.64×167=106.9Pa。

（5）并連管路壓力平衡

Δp1=RmL1+Z1=102.5+89.2=191.7Pa；

Δp2=RmL2+Z2=60.8+106.9=167.68Pa；

對于交匯節(jié)點(diǎn)平衡計算：（Δp1-Δp2）/Δp1=12.5％>10％;

該節(jié)點(diǎn)壓力不平衡，采用調(diào)整管徑的方法進(jìn)行壓力平衡調(diào)節(jié)。

根據(jù)

調(diào)整后的管徑為D'2==260×（167.68/191.7）0.225=252mm，圓整后取D2=250mm。具體見表3.5。

注：編號見圖3.3。

（6）除塵系統(tǒng)總壓力損失

Δp=Δp1+Δp3+Δp4+Δp5=191.7+998.8+113.4+323.8=1627.7Pa。

（7）選擇風(fēng)機(jī)

①選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)量核算：qV0=qV（1+K1），一般K1取10％，

所以qV0=8070×1.1=8877m3/h。

②選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓核算：Δp0=Δp（1+K2），一般K2取20％，

所以Δp0=1692.8×1.2=2031.4m3/h。

根據(jù)上述風(fēng)量和風(fēng)壓，在通風(fēng)機(jī)選型樣本上選擇C6-48，No.8C風(fēng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1250r/min時，qV=8906m3/h，p=2060Pa，配套電機(jī)為Y160L-4，1.5kW，基本滿足要求。

c.復(fù)核風(fēng)機(jī)電機(jī)功率：

N=qV0Δp0K/（3600×1000η1η2）=8877×2031.4×1.3/（3600×1000×0.5×0.95）=13.7kW，故配套電機(jī)滿足需求。