《建筑防排煙工程》 課件 8防排煙系統(tǒng)管路計(jì)算

第8章防排煙系統(tǒng)

管路計(jì)算在防排煙系統(tǒng)中，空氣、煙氣的流動(dòng)都屬于管路流動(dòng)問(wèn)題，系統(tǒng)管路流動(dòng)的阻力計(jì)算對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。管路系統(tǒng)的具體布置、管徑大小的選擇、送風(fēng)機(jī)或排風(fēng)機(jī)的選擇都需要通過(guò)阻力計(jì)算才能最終確定。本章將討論管道阻力產(chǎn)生的原因、降低阻力的措施以及阻力計(jì)算方法。8.1風(fēng)管內(nèi)氣體流動(dòng)的流態(tài)和阻力8.1.1流體流動(dòng)的兩種流態(tài)同一流體在同一管道中流動(dòng)時(shí)，不同的流速，會(huì)形成不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速較低時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運(yùn)動(dòng)，稱為層流（或滯流）。當(dāng)流速較大時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動(dòng)，稱為紊流（或湍流）。雷諾曾用各種流體在不同直徑的管路中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流體的流動(dòng)狀態(tài)與平均流速、管道直徑和流體的運(yùn)動(dòng)粘度有關(guān)。可用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)來(lái)判別流體的流動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)無(wú)量綱數(shù)就叫雷諾數(shù)，用Re表示。

（8-1）式中，u——管道內(nèi)流體的平均流速，m/s；d——管道的當(dāng)量直徑，m；v——流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。注意：如果管道形狀是圓形，則r為管道半徑；如果管道形狀是其他形狀應(yīng)用當(dāng)量直徑。8.1.1流體流動(dòng)的兩種流態(tài)對(duì)于非圓形斷面煙道，Re數(shù)中的管道直徑應(yīng)以煙道當(dāng)量直徑來(lái)表示：（8-2）式中，S——煙道斷面，m2；

U——煙道斷面周長(zhǎng)，m。一般管道雷諾數(shù)Re＜2000為層流狀態(tài)，Re＞4000為紊流狀態(tài)，Re＝2000～4000為過(guò)渡狀態(tài)。實(shí)際工程中，通常用Re=2300來(lái)判斷管路流動(dòng)的流態(tài)，即：Re≤2300層流；Re＞2300紊流。煙氣在管道內(nèi)的流動(dòng)，雷諾數(shù)一般都大于4000，因此煙道內(nèi)風(fēng)流均應(yīng)呈紊流狀態(tài)。層流過(guò)渡紊流【例3-1】某流體在管內(nèi)流動(dòng)，管徑d=100mm，管中流速=1.0m/s，流體的粘性為0.0131cm2/s，試判明管中流體的流態(tài)?！窘狻浚汗苤辛黧w的雷諾數(shù)

=7660＞2300因此管中流體處于紊流狀態(tài)。8.1.2流體流動(dòng)的阻力風(fēng)管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力有兩種：沿程阻力（摩擦阻力）：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力局部阻力主要包括四種形式：變截面局部阻力、變方向局部阻力、變流股局部阻力和障礙物局部阻力。流體流動(dòng)的總阻力為摩擦阻力和局部阻力之和。8.2沿程阻力計(jì)算流體本身的粘性及其與管壁間的摩擦是產(chǎn)生摩擦阻力的原因。流體在任意橫斷面形狀不變的管道中流動(dòng)時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，其摩擦阻力可按下式計(jì)算：

式中，λ——摩擦阻力系數(shù)（無(wú)量綱），其值通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得；

L——管道的長(zhǎng)度，m；d——圓形管道直徑，或非圓形管道的當(dāng)量直徑，m；

ρ——流體的密度，kg/m3；

u——管道內(nèi)空氣的平均流速，m/s。Pa8.2.1沿程阻力（8-3）在計(jì)算過(guò)程中。λ是唯一沒(méi)被確定的，所以，下一步將就其的求值進(jìn)行分析。8.2.1沿程阻力單位長(zhǎng)度的摩擦阻力，也稱比摩阻，按下式計(jì)算：（8-4）層流流動(dòng)狀態(tài)下摩擦阻力｛粘性流體在流動(dòng)過(guò)程中與管道壁面之間的摩擦力流體層向的內(nèi)摩擦力而形成切應(yīng)力湍流流動(dòng)狀態(tài)下，由于流體之間橫向脈動(dòng)速度的存在，流體間將因摻混而產(chǎn)生附加切應(yīng)力作用。8.2.1沿程阻力湍流流動(dòng)比層流流動(dòng)更加復(fù)雜。層流和湍流狀態(tài)下的摩擦阻力系數(shù)不同。流體在圓形管道中做層流流動(dòng)時(shí)，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式：因，得：。與上式比較，可得圓管層流的沿程阻力系數(shù)上式表明，層流流動(dòng)狀態(tài)下的摩擦阻力系數(shù)λ僅和雷諾數(shù)Re有關(guān)，且成反比。因?yàn)榱鲃?dòng)由層流轉(zhuǎn)化為紊流的下界雷諾數(shù)Re為2300，故層流狀態(tài)下的最小摩擦阻力系數(shù)為。8.2.2層流摩擦阻力系數(shù)（8-5）（8-6）任何壁面表面總是凹凸不平的，其凸起的峰頂和下凹的谷底的高差稱為壁面絕對(duì)粗糙度，記為Δ，絕對(duì)粗糙度Δ與管道直徑d的比值Δ/d稱為相對(duì)粗糙度。(δ為層流底層的厚度)當(dāng)δ>Δ時(shí)，層流底層掩蓋了壁面粗糙度對(duì)流體流動(dòng)的影響，流體猶如在光滑的壁面上流動(dòng)一樣，摩擦阻力系數(shù)λ與壁面絕對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)。相反，當(dāng)層流底層的厚度δ<Δ時(shí)，壁面上凸起的峰頂將突出在層流底層以外的紊流區(qū)域中，引起旋渦，增大能量損失，摩擦阻力增大，這說(shuō)明摩擦阻力系數(shù)λ與壁面絕對(duì)粗糙度有關(guān)。8.2.3湍流摩擦阻力系數(shù)8.3局部阻力計(jì)算8.3局部阻力計(jì)算8.3.1變截面處的局部阻力系數(shù)8.3.2.變方向上的局部阻力系數(shù)8.3.3變流股處的局部阻力系數(shù)8.3.4阻礙物的局部阻力系數(shù)8.3局部阻力計(jì)算由于產(chǎn)生局部阻力的原因很復(fù)雜，而且流體在局部阻力件處的流動(dòng)狀態(tài)過(guò)于復(fù)雜，所以，大多數(shù)情況下，局部阻力只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。實(shí)際工程中，對(duì)局部阻力的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式。和摩擦阻力類似，局部阻力一般也用動(dòng)壓的倍數(shù)來(lái)表示：式中，——局部阻力系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，局部阻力系數(shù)值取決于局部阻力件處管道的幾何形狀和流動(dòng)的雷諾數(shù)。由于產(chǎn)生局部阻力處的流動(dòng)往往受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，處于紊流狀態(tài)，因而，局部阻力系數(shù)往往與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，而只取決于局部阻力件處管道的幾何形狀。防排煙工程作為火災(zāi)條件下的通風(fēng)工程，可借用一般通風(fēng)工程中有關(guān)局部阻力系數(shù)的計(jì)算式或圖表來(lái)計(jì)算局部阻力系數(shù)。8.3.1變截面處的局部阻力系數(shù)1、截面突變時(shí)的局部阻力系數(shù)截面突變是指沿流道截面發(fā)生突然擴(kuò)大或收縮，在變截面處的流道具有尖銳邊緣的情況。截面突然擴(kuò)大時(shí)的局部阻力系數(shù)可按下列公式計(jì)算式中,A1——流道截面擴(kuò)大前的流通面積，m2；

A2——流道截面擴(kuò)大后的流通面積，m2。(a)突然擴(kuò)大

(b)突然縮小

當(dāng)流體從某流道流入大容積的空間時(shí)，可視為截面突擴(kuò)大特殊情況，這時(shí)A1/A2≈0，那么局部阻力系數(shù)。這種形式的局部阻力系數(shù)通常稱為出口阻力系數(shù)。截面突然縮小時(shí)的局部阻力系數(shù)可按下列公式計(jì)算：式中,A1——流道截面縮小前的流通面積，m2；

A2

——流道截面縮小后的流通面積，m2。當(dāng)流體從大容積的空間流入某流道時(shí)，可視為截面突縮的特殊情況，這時(shí)A2/A1≈0，那么局部阻力系數(shù)。2、截面漸變時(shí)的局部阻力系數(shù)截面漸變是指沿流道的截面逐漸擴(kuò)大或收縮，工程上常見(jiàn)的截面漸變有圓錐形、扁平形、棱錐形、圓形、方圓錐形。它們的局部阻力系數(shù)主要取決于漸變前后的截面比和擴(kuò)展角，一般來(lái)說(shuō)，截面比和擴(kuò)展角

θ

越小，局部阻力系數(shù)越小。反之，局部阻力系數(shù)越大，如圖3-3所示。流道截面漸擴(kuò)時(shí)的局部阻力系數(shù)見(jiàn)表3-2.(a)線性漸擴(kuò)管

(b)線性漸縮管圖3-3逐漸擴(kuò)大和逐漸縮小

10152025301.250.020.030.050.060.071.500.030.060.100.120.131.750.050.090.140.170.192.000.060.130.200.230.262.250.080.160.260.300.333.500.090.190.300.360.39表3-2流道截面漸擴(kuò)時(shí)的局部阻力系數(shù)8.3.2變方向處得局部阻力系數(shù)流道變方向即通常所說(shuō)的轉(zhuǎn)彎，主要有直角轉(zhuǎn)彎和折角轉(zhuǎn)彎兩種。直角彎管（圖3-4（a））和折角管（圖3-4（b））中，由于管徑不變，故流速大小不變。但由于流動(dòng)方向的變化而造成能量損失。直角彎管處的局部損失為：

(a)直角彎管

(b)折角彎管折角彎管局部損失公式為：8.3.3變流股處得局部阻力系數(shù)變流股的流道在工程上也是常見(jiàn)的。根據(jù)需要，常常把一股流體分流為兩股或多股流體，或者把兩股或多股流體匯集成一股流體。在各股流體的交匯處由于渦流、碰撞、改變方向和速度等產(chǎn)生局部阻力。90

三通0.11.31.3345

三通0.150.050.53習(xí)慣上把幾股流體交匯稱為幾通，最常見(jiàn)的是三通。分流三通是一股流體分流成兩股，而匯流三通是兩股流體匯合成一股。三通的局部阻力系數(shù)主要通過(guò)查表得到，如表3-3所示。8.3.4阻礙物的局部阻力系數(shù)阻礙物的局部阻力主要是指流道中的各種閥門的影響，其局部阻力系數(shù)不僅與流道內(nèi)的流動(dòng)速度頭有關(guān)，而且還與閥門的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度、口徑、閥門開(kāi)度等相關(guān)，目前尚無(wú)完善統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。通風(fēng)防排煙常見(jiàn)的有門閥有閘板門、防火閥和排煙防火閥等，圖3-5為閘板門的示意圖。一般來(lái)說(shuō)，閥門全開(kāi)時(shí)，其局部阻力系數(shù)很小，當(dāng)隨著開(kāi)度增大時(shí)，局部阻力系數(shù)也隨著增大，在不同開(kāi)度下閘板門的局部阻力系數(shù)如表3-4所示。圖3-5閘板門示意圖表3-4閘板門的局部阻力系數(shù)開(kāi)度（%）102030405060708090全開(kāi)圓形97.835104.62.060.980.440.170.060矩形19344.517.88.124.02.10.950.390.0908.4管路計(jì)算基礎(chǔ)管路的計(jì)算：確定管路的流體及其參數(shù)、管路的結(jié)構(gòu)特性和流動(dòng)阻力三者之間的關(guān)系。在工程實(shí)際中，管路設(shè)計(jì)計(jì)算通常可以分為三種：（1）已知管路中的流體流量及參數(shù)和管路的結(jié)構(gòu)特性，確定管路的壓力降。（2）已知管路的結(jié)構(gòu)特性和允許的壓力降，確定通過(guò)管路的流體流量及參數(shù)。（3）已知管路中的流體流量及參數(shù)和允許的壓力降，確定管路的結(jié)構(gòu)特性。管路分類：簡(jiǎn)單管路串聯(lián)管路并聯(lián)管路復(fù)雜管路簡(jiǎn)單管路：指沒(méi)有分支或匯合的單一管路實(shí)際問(wèn)題管徑不變的單一管路不同管徑的管道串聯(lián)組成的單一管路循環(huán)管路ms0ms1ms2特點(diǎn)：1.流經(jīng)各管段的質(zhì)量流量相同，若流體不可壓縮，則各管段的體積流量也相同。若ρ一定，則：2.整個(gè)管路的阻力損失為各管段損失之和。在簡(jiǎn)單管路計(jì)算中，實(shí)際是連續(xù)性方程，伯努利方程和總阻力損失計(jì)算式的具體運(yùn)用。即聯(lián)立求解這些方程：連續(xù)性方程：

伯努利方程:總阻力損失計(jì)算式：

式中摩擦系數(shù)：

計(jì)算核心理念：在簡(jiǎn)單管路中的壓力降等于流體的總阻力，為摩擦力和局部阻力之和。由摩擦阻力和局部阻力都對(duì)應(yīng)于管路內(nèi)的壓力差，則：

12ABAOBC并聯(lián)管路分支管路8.4.4復(fù)雜管路的計(jì)算特點(diǎn)：并聯(lián)管路和分支管路中各支管的流率彼此影響，相互制約；其流動(dòng)規(guī)律仍然滿足連續(xù)性方程和能量守恒原理。特點(diǎn)：1.總管流量等于各支管流量之和。2.對(duì)于任一支管，分支前及匯合后的總壓頭皆相等。據(jù)此可建立支管間的機(jī)械能衡算式，從而定出各支管的流量分配。（一）

并聯(lián)管路12AB對(duì)于支管1，有：對(duì)于支管2，有：對(duì)于A、B兩截面，有：比較以上三式，有：若ρ一定，則：12AB對(duì)于支管1，有：對(duì)于支管2，有：對(duì)于A、B兩截面，有：（二）

分支管路AOBC特點(diǎn)：1.總管流量等于各支管流量之和。2.對(duì)于任一支管，可分別建立總管截面和支管截面間的機(jī)械能衡算式，從而定出各支管的流量分配。對(duì)于支管AOB，有：對(duì)于支管AOC，有：對(duì)于B、C截面，有：復(fù)雜管路的計(jì)算數(shù)據(jù)相互牽制、相互制約，變化一點(diǎn)，影響全局。但是，這種牽制關(guān)系服從兩條基本法則，即：（1）并聯(lián)管路阻力相等，流體的質(zhì)量流量迭加。（2）串聯(lián)管路中的流體的質(zhì)量流量相等，阻力疊加。復(fù)雜管路的具體計(jì)算應(yīng)根據(jù)實(shí)際的管路系統(tǒng)加以分解，然后按照上述兩條法則列出阻力和流量方程式、并聯(lián)立求解。8.5

防排煙系統(tǒng)

管路總阻力計(jì)算

防排煙管網(wǎng)系統(tǒng)中，在排（送）風(fēng)量已確定的情況下，管網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：1）風(fēng)道設(shè)計(jì)；2）計(jì)算各風(fēng)管的阻力損失以及總阻力。管道內(nèi)流體流速按照防排煙系統(tǒng)中管道、送風(fēng)口、排煙口和補(bǔ)風(fēng)口風(fēng)速要求選擇合適的值。管道的截面尺寸則根據(jù)各個(gè)管段風(fēng)量除以選定的風(fēng)速值來(lái)確定。風(fēng)管斷面形狀有圓形和矩形兩種。圓形斷面的風(fēng)管強(qiáng)度大、阻力小、消耗材料少，但加工工藝比較復(fù)雜，占用空間多，布置時(shí)難以與建筑、結(jié)構(gòu)配合，常用于高速送風(fēng)的系統(tǒng)。矩形斷面的風(fēng)管—易加工、好布置，能充分利用建筑空間，彎頭、三通等部件的尺寸較圓形風(fēng)管的部件小。為了節(jié)省建筑空間，布置美觀，建筑防排煙系統(tǒng)管道的斷面一般為矩形。常用矩形風(fēng)管的規(guī)格見(jiàn)表8-8。為了減少系統(tǒng)阻力，進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，矩形風(fēng)管的高寬比宜小于6，最大不應(yīng)超過(guò)10。8.5.1管路總阻力計(jì)算流程8.5.1管路總阻力計(jì)算流程風(fēng)管的阻力損失=沿程阻力損失+局部阻力損失

沿程和局部阻力損失可采用第8.3節(jié)的公式計(jì)算。工程上為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，做成了表格，其中圓形斷面薄鋼板風(fēng)管單位管長(zhǎng)沿程阻力損失見(jiàn)附錄1，矩形斷面薄鋼板風(fēng)管單位管長(zhǎng)沿程阻力見(jiàn)附錄2，各種管件的局部阻力系數(shù)見(jiàn)附錄3。計(jì)算管網(wǎng)總阻力可采用最不利環(huán)路法。8.5.1管路總阻力計(jì)算流程8.6管路設(shè)計(jì)中的

常見(jiàn)問(wèn)題及其處理措施

8.6管路設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題及其處理措施管道設(shè)計(jì)的基本要求8.6.1管道設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題及其處理措施8.6.28.6.1管道設(shè)計(jì)的基本要求

對(duì)于工程上的各種管路系統(tǒng)，無(wú)論是供熱工程中的供熱系統(tǒng)，還是通風(fēng)工程中的通風(fēng)系統(tǒng)，正確的管道設(shè)計(jì)一般應(yīng)達(dá)到如下幾個(gè)基本要求：（1）提高經(jīng)濟(jì)性使系統(tǒng)的總阻力盡可能的降低，這樣可以選用壓頭較低的泵與風(fēng)機(jī)，不但使系統(tǒng)的投資費(fèi)用降低，而且使設(shè)備的運(yùn)行耗電量低，從而達(dá)到節(jié)約投資、節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。（2）滿足技術(shù)性

使系統(tǒng)中各部分的介質(zhì)流量和參數(shù)滿足生產(chǎn)工藝安全技術(shù)及生活等哥方面的要求，因此必須有調(diào)節(jié)、控制和測(cè)量裝置。（3）布置合理性系統(tǒng)布置力求合理，既服從工藝路線和建筑物的總體布置，又要便于安裝、檢修和維護(hù)。儀表閥門要裝設(shè)在便于操作和觀測(cè)的位置，以方便操作和計(jì)量管理。此外，還應(yīng)盡量減少占地面積和侵占空間，不要影響美觀。（4）保證安全性為提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，增長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度以及腐蝕性、爆炸性等因素，正確的選用管道的材質(zhì)。同時(shí)還應(yīng)注意管道通過(guò)場(chǎng)所的安全問(wèn)題，采取必要的防火防爆措施。（5）力求通用性管道和管件的規(guī)格尺寸應(yīng)力求標(biāo)準(zhǔn)化，以提高通用性。8.6.2管道設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題及其處理措施管道設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題是減小管道的流動(dòng)阻力和保證管路的流量分配。（1）減小管道流動(dòng)阻力

對(duì)于防排煙工程，減少管道阻力不是為了減少運(yùn)行電耗，而是為了減少設(shè)備（排風(fēng)機(jī)）的投資費(fèi)用。管道阻力低即可選用壓頭較低的風(fēng)機(jī)，因而設(shè)備投資較低。但是管道阻力較低，管徑較大，管道本身投資較大，所以要進(jìn)行綜合比較。

減小管道流動(dòng)阻力包括摩擦阻力和局部阻力兩個(gè)方面，應(yīng)分別采取不同的措施。1）減小摩擦阻力措施

根據(jù)摩擦阻力公式，可以得出減小摩擦阻力的措施為：a)減小管道長(zhǎng)度Lb)降低摩擦阻力系數(shù)λc)增大管道口徑d圓形管道的摩擦阻力與管道的直徑成反比，適當(dāng)?shù)脑龃罂趶接欣谀Σ磷枇Φ臏p小。但是隨著口徑增大，消耗材料增多，管道的初投資增加，所以應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定最佳管徑。圖3-10突然擴(kuò)大和突然縮小在工程中一般是以限制管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)速度來(lái)確定管道的口徑。潔凈的空氣的流速可見(jiàn)下表。非潔凈的空氣，氣流中所攜帶的塵粒易造成管路堵塞，所以流速比潔凈空氣的流速取得高。表3-9管道內(nèi)潔凈空氣的流速管道材質(zhì)總管中流速/m/s支管中流速/m/s鋼制管道6～142～8磚或混凝土管道4～122～6在選取管道中的氣體流速時(shí)，應(yīng)遵循如下幾條基本條件。a）總管速度高于支管速度b）非潔凈氣流速度高于潔凈氣流速度c）壁面光滑流道的速度高于壁面粗糙流道的速度d）常年運(yùn)行系統(tǒng)管道中的速度大于非常年運(yùn)行或事故運(yùn)行系統(tǒng)管道中的速度管道材質(zhì)通風(fēng)工程防排煙工程鋼制管道≯14m/s≯20m/s磚或混凝土管道≯12m/s≯15m/s表3-10通風(fēng)和防排煙工程中煙風(fēng)氣流速度的限值2）減小局部阻力的措施由局部阻力公式、（突擴(kuò)、縮）（漸擴(kuò)、縮）可知ξ

由管道變截面、管道變方向、變流股等因素有關(guān)。所以對(duì)應(yīng)措施有：a)采用漸擴(kuò)漸縮結(jié)構(gòu)b)采用緩轉(zhuǎn)彎頭，且選用較大的彎曲半徑c)減小管道變流股的局部阻力。1.采用圓角邊或一定角度的擴(kuò)展段結(jié)構(gòu)2.減小支管與直管的夾角a，一般a≯30°3.以平穩(wěn)的轉(zhuǎn)彎代替支管4.在總管中根據(jù)支管的流量分配裝設(shè)合流板或分流板d)限制管道進(jìn)出口的流速實(shí)驗(yàn)表明，擴(kuò)展角為8度時(shí)，局部阻力系數(shù)最小，但在變截面大小既定的情況下，角度越小擴(kuò)展段越長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)上可能造成不合理，而且給擴(kuò)展段的制造帶來(lái)困難，綜合考慮，20度左右最佳。在管道進(jìn)出口處，可采用喇叭形或錐形結(jié)構(gòu)，可使局部阻力大大減小。為減緩轉(zhuǎn)彎彎頭的局部阻力系數(shù)，一