(土木建筑)第2章气体输配管网的水力特征与水力计算课件.ppt
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1、第二章第二章 气体输配管网的水力特征与水力计算气体输配管网的水力特征与水力计算 重点:重力、压力及重力和压力综合作用的种气体管流的水力特征;流体输配管网流体输配管网水力计算水力计算的基本原理、方法的基本原理、方法及相关概念;及相关概念;环路与环路位压的概念,压损平衡压损平衡与阻力平衡,动静压的相互转换动静压的相互转换。2.1 气体管流的水力特征2.1.1 气体重力管流气体重力管流的水力特征的水力特征(1)竖向开口管道)竖向开口管道H 2H 1121-2断面的能量方程断面的能量方程静压静压位压位压动压动压21222122112)(2PvPHHgvpjajH 2H 112当1断面和2断面位于位于进
2、口和出口处,这时静压均为0。若将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力,则:2112aP)HH)(g以厨房排烟管网为例,以厨房排烟管网为例,当没有开启排风机、当没有开启排风机、且未设防倒流阀,夏且未设防倒流阀,夏季竖井中密度低,室季竖井中密度低,室外空气经竖井进入室外空气经竖井进入室内;冬季竖井温度高,内;冬季竖井温度高,室内空气进入竖井室内空气进入竖井。上式表明:流动阻力依靠位压(即重力的作用)克服。流动方向取决于管内外的密度差。1F7F13452系统图(2)U型管道内的重力流通过列写断面1-D、断面D-2的能量方程,综合后得到:D12H1H221P211221P)HH)(g注意:断面1和
3、2分别在进口和出口外;包含了进口阻力损失和出口阻力损失。(2)U型管道内的重力流进出口位于相同标高时,流动动力是竖管内的密度差与高差的乘积,与管外大气密度无关。流动方向取决于竖管内密度的相对大小。请分析1、2断面高差不等的情况。D12H1H2211221P)HH)(g(3)闭式管道内的重力流211221P)HH)(g具有与进出口断面等高的U型重力流竖管相同的水力特征。H1H22.1.2 气体压力管流水力特征2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征压力和重力综合作用下的气体管流水力特征 l若压力(若压力(Pq1Pq2)驱动的)驱动的流动方向与位流动方向与位压一致,则二者综合作用加强管内
4、气体流压一致,则二者综合作用加强管内气体流动,若驱动方向相反,则由绝对值大者决动,若驱动方向相反,则由绝对值大者决定管流方向;绝对值小者实际上成为另加定管流方向;绝对值小者实际上成为另加流动阻力。流动阻力。如空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖如空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井,冬季在位压的辅助作用下,排气能力井,冬季在位压的辅助作用下,排气能力明显加强;夏季排气风机除克服竖井的阻明显加强;夏季排气风机除克服竖井的阻力时,还要克服位压,排气能力削弱,尤力时,还要克服位压,排气能力削弱,尤其是高层建筑。其是高层建筑。2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法流体输配管网水力计算的基本原理和方
5、法 水力计算水力计算:设计计算;校核计算设计计算设计计算:根据要求的流量分配,确定管网的各段管径(或断面尺寸)和阻力。对枝状管外,求得管网特性曲线,为匹配管网动力设备准备好条件,进而确定动力设备(风机、水泵等)的型号。校核计算校核计算:根据已定的动力设备,确定保证流量输配的管道尺寸;或者根据已定的管道尺寸,确定保证流量输配的动力设备。水力计算是流体输配管网设计及其运行质量保证的基本手段。2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法流体输配管网水力计算的基本原理和方法设计计算设计计算已知:管网系统的布置;各末端设备的风已知:管网系统的布置;各末端设备的风量;量;确定:风道的断面尺寸;风道的阻力;
6、选确定:风道的断面尺寸;风道的阻力;选择合适的动力设备(风机型号及其匹配的择合适的动力设备(风机型号及其匹配的电机功率)。电机功率)。2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法流体输配管网水力计算的基本原理和方法校核计算校核计算已知:管网系统的布置;风道断面的尺寸;已知:管网系统的布置;风道断面的尺寸;通风系统的动力设备;通风系统的动力设备;确定:各末端设备的风量是否满足要求;确定:各末端设备的风量是否满足要求;动力匹配是否合理。动力匹配是否合理。水力计算的基本理论依据:流体力学一元流动连续性方程、能量方程及串、并联管路流动规律。管网的流动动力等于管网流动总阻力。若干管段串联后的阻力,等于各
7、管段阻力之和;各并联管段的起点(终点)相同,具有相同的压力。不包含动力源的并联管段,阻力应相等。管段阻力是构成管网阻力的基本单元。流体力学已经揭示,管段中的流体流动过程中的阻力有两种,一种是摩擦阻力,也称为沿程阻力;另一种是局部阻力。水力计算的基本原理:水力计算的基本原理:2.2.1 摩擦阻力计算摩擦阻力计算 摩擦阻力系数说明:说明:工程上常根据自身的工程特点,编制相应的计算图表帮助计算。任何计算公式或图表,都有其制图条件和使用范围,使用时要特别注意。当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时,常采用修正的方法。如密度和黏度修正、温度和热交换修正以及管壁粗糙度修正等。图2-3-1制图条件:标准大
8、气压;T=20;密度1.204kg/m3;运动黏度:15.0610-6m2/s;粗糙度k=0.15mm;圆形截面风管。修正方法:教材P54公式(2-3-3)(2-3-9)2.2.1 局部阻力计算局部阻力计算产生原因:流动边界几何形状改变,使流动产生涡旋、流动方向变化,引起能量损失。局部阻力基本计算公式:22vP局部阻力系数:局部阻力处,流动处于阻力平方区。局部阻力系数只与几何形状有关。局部阻力系数与其安装条件(受流动环境的影响)、各部分的几何尺寸有关(如突扩)。同名的局部阻力在不同的场合有不同的阻力系数值。局部阻力系数值通过一般实验获得。局部阻力系数值总是与所指的断面动压对应的,使用时必须注意
9、。各工程设计手册给出了常用的局部阻力系数。课外兴趣作业1:开发单相流管网水力计算的通用软件。基本要求:1)基本具备完成本专业工程中常见的通风空调管网(气体输配)、供热空调管网(液体输配)的设计性水力计算;2)界面友好,使用方便;3)具有完整的使用说明,包含计算实例。2.2.3 常用的水力计算方法 假定流速法压损平均法静压复得法 假定流速法的特点先按技术经济要求选定管内流速,再结合所需输送的流量,确定管道断面尺寸,进而计算管道阻力,得出需要的作用压力。假定流速法适用于作用压力未知的情况。假定流速法的基本步骤:(1)绘制管网轴测图,对各管段进行编号,标出长度和流量,确定最不利环路。(2)合理确定最
10、不利环路各管段的管内流体流速。(3)根据各管段的流量和确定的流速,确定最不利环路各管段的断面尺寸。(4)计算最不利环路各管段的阻力。(5)平衡并联管路。确定并联管路的管径,使各并联管路的计算阻力与各自的资用压力相等,可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等,在实际运行时,管网会自动调整各并联管路流量,使并联管路的实际流动阻力与各自的资用压力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。(6)计算管网的总阻力,求取管网特性曲线。(7)根据管网特性曲线、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、性质等诸因素,综合考虑为管网匹配动力设备(风机、水泵等),确
11、定动力设备所需的参数。压损平均法的特点将已定的总作用压力,按干管长度平均分配给每一管段,以此确定管段阻力,再根据每一管段的流量确定管道断面尺寸。当管道系统的动力已定时进行水力计算,此法较为方便。当然,也可按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力分配给各管段。压损平均法的基本步骤:(1)绘制管网轴测图,对各管段进行编号,标出长度和流量,确定最不利环路。(2)根据确定的最不利环路的资用动力,计算最不利环路单位管长的压力损失。(3)根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量,确定其各管段管径或断面尺寸。(4)确定其他支路的资用动力,计算单位管长的压力损失。(5)根据各支路单位管长压力损失和各管段流量
12、,确定其他各管段管径。资用动力已知的情况静压复得法的特点通过调整管道断面尺寸,维持管道在不同断面处的管内静压。送风管道若要求各个风口风量均匀,常用此方法保证要求的风口风速。静压复得法的基本步骤:不论采用何种方法,水力计算前必须完成管网系统和设备的布置,确定管道材料及每个管段的流量,然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。水力计算中,各种计算公式和基础数据的选取,应遵循相关规范、标准的规定。说明:说明:2.3.1 通风空调工程气体输配管网水力计算通风空调工程气体输配管网水力计算 以通风空调工程的空气输配管网为例,学习开式枝状气体输配管网水力计算的具体方法。设计计算要确定管径和动力大小,主要采用假定
13、流速法。需先完成空气输配管网的布置,确定设备和各送排风点位置的确定;各送排风点要求的风量;管道布置、各管段的输送风量。制作风管的水力计算表格。【例2-3】图2-3-2所示的通风除尘管网。风管用钢板制作,输送含有轻矿物粉尘的空气,气体温度为常温。当地气压接近标准大气压力。除尘器清灰前阻力Pc=1200Pa。对该管网进行水力计算,获得管网特性曲线。计算表格格式见表2-3-5。同学们可利用电子表格(Excel)进行制作。2.3.1.1 确定最不利环路的管内流速和管道断面尺寸确定最不利环路的管内流速和管道断面尺寸(1)绘制风管系统轴测图,并划分管段,对各管段进行编号,标注其长度和设计风量。管段:管内流
14、量和管道断面均不变化。管段长度按中心线长度计算,不扣除管件(如三通、弯头)本身的长度。图2-3-2 通风除尘管网轴测图 例例2-3(2)确定管内流速 和管道断面尺寸管内的流速对通风、空调系统的经济性有较大的影响,对系统的技术条件也有影响。流速高,风管断面小,占用的空间小,材料耗用少,建造费用小;但是系统的阻力大,动力消耗增大,运行费用增加,且增加噪声。若气流中含有粉尘等,会增加设备和管道的磨损。反之,流速低,阻力小,动力消耗少;但是风管断面大,材料和建造费用大,风管占用的空间也增大。流速过低会使粉尘沉积而堵塞管道。因此,必须通过全面的技术经济比较选定合理的流速。根据工程经验,总结出了通风空调工
15、程中风管内较为合理的空气流速。选定最不利环路,本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为最不利环路。解释:环路;最不利环路。根据表2-3-3,输送含有轻矿物粉尘的空气时,风管内最小风速为,垂直风管12m/s、水平风管14m/s。考虑到除尘器及风管漏风(思考?),取5%的漏风系数,管段6及7的计算风量为63001.05=6615m3/h。例例2-31包含有水平风管,初定流速为14m/s。管径计算:msmhshmD195.04/14/3600/1500213没有这个标准规格标准规格,取为d=0.2m=200mm则实际风速为:smmhshm/4.134)2.0(/3600/1500v23同理确定出
16、3、5、6、7的管内流速和管径。管内流速和管径:管内流速和管径:例例2-32.3.1.2 风管摩擦阻力计算风管摩擦阻力计算 公式计算:lRlvRsPmml242Re51.2471.3lg21)(RsK 对于圆管,4RsD图表计算制成计算表或线算图。图2-3-1所示的线算图,可供计算管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个,即可利用该图求得其余的两个参数。该图是按过渡区的值,在压力B0=101.3kPa、温度t0=20、空气密度0=1.204kg/m3、运动粘度0=15.0610-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、气流与管壁间无热交换等条件下得出的。当实
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