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書名：大氣污染控制工程
作者名：邵振華
本章字數： 3463字
更新時間： 2019-03-04 13:17:42

3.3　廢氣通風管道系統設計

通風管道是廢氣收集系統的重要組成部分，通風管道系統設計計算的目的在于保證要求風量分配的前提下，合理確定風管布置和尺寸，使系統的投資和運行費用綜合最優。通風管道系統的設計直接影響到通風空調系統的使用效果和技術經濟性。

本節主要包括設計計算步驟分解、估算和案例分析三部分。

3.3.1　設計計算步驟分解

本節主要根據《簡明通風手冊》進行通風管道的水力計算，計算主要分為以下步驟。

3.3.1.1　系統圖繪制

根據通風管道布局與走向，繪制系統軸測圖，對各管段進行編號，標注各管段的長度和風量，以風量和風速不變的風管為一管段。一般從距風機最遠的一段開始，由遠到近順序編號，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

風管內的風速對系統的經濟性有較大影響。流速高、風管斷面小、材料消耗少、建造費用小，但是系統壓力損失增大、動力消耗增加、有時甚至可能加速管道的磨損。所以必須進行全面的技術經濟分析，選擇合理的風管空氣流速。根據工程經驗，對于一般通風系統，其風速可按表3.1確定。

表3.1　一般通風系統風管內風速

對于除塵系統，防止粉塵在管道內沉積所需要的最低風速見表3.2，而對于除塵器后的風管，風速可適當減小，以達到管路經濟性。

表3.2　除塵系統風管內最低空氣流速

3.3.1.3　計算各管段管徑

根據各管段的風量和選定的流速，計算出各管段管徑。

計算公式：

式中　D——風管直徑，m；

qV——氣體流量，m3/h；

v——氣體流速，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——風管內氣體平均流速，m/s；

ρ——氣體密度，kg/m3；

λ——摩擦阻力系數；

Rs——風管水力半徑，m。

（2）風管水力半徑Rs

圓形風管水力半徑，其中D為風管直徑，m；

矩形風管水力半徑，其中a、b為風管邊長，m。

（3）摩擦阻力系數λ

λ計算公式：

式中　e——風管內壁的粗糙度，mm；

Re——雷諾數，Re=ρvd/μ（d為特征長度，μ為黏度系數）。

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

λ=0.0188D-0.19V-0.167

（4）線算圖法計算圓管Rm

圓形風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。

圖3.2　圓形風管沿程摩擦壓力損失線算圖

由圖3.2可以看出，氣體流量qV、風管管徑D、管內流速v和單位長度沿程摩擦壓力損失Rm四個參數中只需要已知其中任意兩個，就可以得出其他兩個參數。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、運動黏度ν0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度e=0.15mm的圓形風管等條件下得出的，當實際條件與上述條件不符時，應進行修正。

（5）線算圖法修正

①密度和黏度的修正。

式中　Rma——實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——實際氣體密度，kg/m3；

νa——實際氣體運動黏度，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；

KB——大氣壓力修正系數；

ta——實際氣體溫度，℃；

pa——實際氣體壓力，kPa。

此外，Kt和KB可由圖3.3直接得出。

圖3.3　溫度和大氣壓力的修正曲線圖

③管壁粗糙度的修正。

當實際風管粗糙度λ不等于0.15mm時，按下式進行修正。

Rma=KrRm0

式中　Kr——修正系數，見表3.3。

表3.3　粗糙度修正系數Kr

（6）線算圖法計算矩形管Rm

矩形風管在計算時Rm可根據當量直徑折算成圓管計算。

①流速當量直徑Dv

按Dv和流速v在圖3.2中查出Rm。

②流量當量直徑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；

ρ——氣體密度，kg/m3。

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

3.3.1.6　并聯管路壓力平衡計算

一般的通風系統要求兩支管的壓損差不超過15％，除塵系統要求兩支管的壓損差不超過10％，以保證各支管的風量達到設計要求。

當并聯支管的壓損差超過上述規定時，可用下述方法進行壓力平衡。

（1）調整支管管徑

通過改變管徑的方式，改變支管的壓力損失，達到壓力平衡。調整后的管徑按下式計算：

式中　D'——調整后的管徑，m；

D——原設計的管徑，m；

Δp'——為了壓力平衡，要求達到的支管壓力損失，Pa；

Δp——原設計的支管壓力損失，Pa。

注：本方法不適用改變三通支管的管徑。

（2）增大排風量

當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增大，以達到壓力平衡。增大的排風量按下式計算：

式中　q'V——調整后的排風量，m3/h；

qV——原設計的排風量，m3/h；

Δp'——為了壓力平衡，要求達到的支管壓力損失，Pa；

Δp——原設計的支管壓力損失，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節。它是通過改變閥門的開度，來調節管道壓力損失。這種方法簡單易行，不需要嚴格計算，但是在改變某一支管上的閥門位置時，會影響整個系統的壓力分布，所以需要反復調試后才能使各支管的風量分配達到設計要求。對于除塵系統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，最后根據總壓力損失和總風量選擇風機。

3.3.2　壓力損失估算

在繪制通風管道系統的施工圖前，必須按3.3.1節中所述方法進行計算，確定各管段的管徑和壓力損失。在進行系統的方案比較或申報通風系統技術改造計劃時，只需要對系統的總壓力損失作粗略估算即可。根據工程經驗，常用通風系統風管壓力損失見表3.4，供設計參考所用，表中所列的風管壓力損失只包括排風罩的壓損，不包括處理設備的壓力損失。

表3.4　常用通風系統風管壓力損失估算表

3.3.3　案例分析

某有色金屬冶煉企業車間除塵系統通風管道布置如圖3.4所示。系統內的氣體平均溫度為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的局部壓損系數分別為ξ1=0.12，ξ2=0.19，集氣罩排風量分別為qV1=4950m3/h，qV2=3120m3/h，要求確定該系統的管道直徑和壓力損失，并選擇風機。