風(fēng)道系統(tǒng)壓力分布與風(fēng)機(jī)關(guān)系的探討

杜雅蘭

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

節(jié)能技術(shù)在風(fēng)道系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了以往通風(fēng)系統(tǒng)的低效、高耗能狀態(tài)，大大節(jié)省了能源，特別是電力消耗。在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要建筑專(zhuān)業(yè)在方案設(shè)計(jì)階段就予以充分的考慮。設(shè)計(jì)時(shí)，首先合理化分通風(fēng)系統(tǒng)，選擇合理的氣流組織形式，確定有效的風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，減少風(fēng)道系統(tǒng)的阻力;其次，進(jìn)行準(zhǔn)確的風(fēng)量平衡計(jì)算，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)備，以能設(shè)計(jì)出高效節(jié)能的風(fēng)道系統(tǒng)。

1 風(fēng)道系統(tǒng)

風(fēng)道系統(tǒng)用于輸送空氣，是通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。在用于排風(fēng)(或送風(fēng))、排毒、排塵等不同用途時(shí)，有著不同的設(shè)計(jì)要求，但其共同點(diǎn)都需要把一定量的空氣按設(shè)計(jì)要求的速度通過(guò)風(fēng)道輸送到指定地點(diǎn)。一般風(fēng)道的形狀有圓形、矩形及配合建筑空間要求而確定的其它異型管件。

由于流動(dòng)的空氣本身有粘滯性并與通風(fēng)管壁有摩擦，因而產(chǎn)生摩擦阻力，克服摩擦阻力引起的能量損失稱(chēng)為摩擦阻力損失或摩擦壓力損失;當(dāng)空氣流經(jīng)風(fēng)道中的管件及設(shè)備時(shí)，由于在邊界急劇改變的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)渦流區(qū)和速度的分布，從而使流動(dòng)阻力大大增加，這種阻力稱(chēng)為局部阻力;克服局部阻力而引起的能量損失，簡(jiǎn)稱(chēng)為局部壓力損失。

空氣在風(fēng)道中流動(dòng)時(shí)，沿途會(huì)遇到各種阻力，必須加以克服，這就是通常所說(shuō)的風(fēng)道系統(tǒng)的阻力，也就是空氣在風(fēng)道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失，它等于摩擦阻力和局部阻力之和。風(fēng)道的阻力，是供風(fēng)機(jī)選擇的主要技術(shù)參數(shù)，也是影響初投資和運(yùn)行成本的主要因素之一。因此，在設(shè)計(jì)不同形式的通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，不僅要重點(diǎn)考慮空氣作用于管道壁面方向的壓力(靜壓)，還要充分考慮由于空氣產(chǎn)生流動(dòng)速度而產(chǎn)生的壓力(動(dòng)壓)，盡量達(dá)到上述目的。

空氣垂直作用于管道壁面的壓力，以絕對(duì)真空為零點(diǎn)計(jì)算的靜壓，通常稱(chēng)為絕對(duì)靜壓，以大氣壓力為零點(diǎn)計(jì)算的靜壓為相對(duì)靜壓。在通風(fēng)管道中所說(shuō)的空氣靜壓均指相對(duì)靜壓(pj)，靜壓高于大氣壓力的(在風(fēng)機(jī)的壓出管段中)為正值;低于大氣壓力的(在風(fēng)機(jī)的吸入管段中)為負(fù)值。氣體在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)中，同氣流運(yùn)動(dòng)方向成任何角度的平面，均受到靜壓的作用;空氣產(chǎn)生流動(dòng)速度的壓力，稱(chēng)為動(dòng)壓(pd)，是空氣流動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能，其值永遠(yuǎn)是正值;靜壓和動(dòng)壓的代數(shù)和稱(chēng)為全壓(1)(pq)，其代表氣體流動(dòng)時(shí)所具有的總能量。通風(fēng)中全壓值也以大氣壓為零點(diǎn)，因此全壓可以為正值也可以為負(fù)值。

2 幾種不同形式的風(fēng)道系統(tǒng)壓力分布情況

2.1 單風(fēng)機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)

圖1表示一個(gè)單風(fēng)機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)，包括一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)、送風(fēng)道和回風(fēng)道，以及該系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)的壓力變化，畫(huà)出了動(dòng)壓值pd和靜壓值pj相對(duì)于室外大氣壓的變化斜率。

圖1 風(fēng)道內(nèi)的壓力變化

從圖1分析可以得出:對(duì)于斷面積不變的風(fēng)道和彎頭，全壓和靜壓的損失是相等的。在斷面不變的風(fēng)道中，壓力的損失完全是由于摩擦阻力所致。對(duì)于斷面不變的管件和彎頭，其壓力損失則為摩擦阻力和局部阻力之和。從擴(kuò)張段③和⑦看，動(dòng)壓值pd減小了，而靜壓可能增大，在這些管段上所表示的靜壓值增加就是一般所說(shuō)的靜壓復(fù)得。在收縮段②和⑥，沿著空氣的流動(dòng)方向，動(dòng)壓值加大，而全壓值和靜壓值都減少了，但減少值是不等的。

在出風(fēng)口處⑧，全壓的損失取決于出風(fēng)口的形狀和流動(dòng)特性，從圖1中所給出的的局部阻力系數(shù)可知，其值可大于1、小于1或等于1。對(duì)于局部阻力系數(shù)的這幾種可能性，其全壓和靜壓值的變化均在圖1中表示出了。當(dāng)局部阻力系數(shù)小于1時(shí)，要在離開(kāi)出風(fēng)口前，其靜壓值小于大氣壓(即為負(fù)值)。該處的靜壓值可按其總壓值減去動(dòng)壓值而計(jì)算得出。

在出風(fēng)口①處，壓力損失取決于進(jìn)風(fēng)口的形狀。剛離開(kāi)進(jìn)風(fēng)口處，其全壓值為氣流上方即進(jìn)口處的大氣壓力(此處設(shè)定為零)和局部阻力之差。在進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)口處，靜壓值為零，剛離開(kāi)進(jìn)口處其靜壓為負(fù)值，其代數(shù)和等于全壓值(此處為負(fù)值)和動(dòng)壓值之差。

從圖1中可以看出，不論在風(fēng)道的哪個(gè)斷面上，全壓值總是等于靜壓和動(dòng)壓之和(動(dòng)壓總是正值)。

從圖1可知，系統(tǒng)的全壓損失 Δpq=pq5－pq4，系統(tǒng)的靜壓損失 pj=pj5－pj4。但對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其全壓值應(yīng)為pq=pq5－pq4，其靜壓值應(yīng)為 pj=pq－pd= pq5－pq4－pd4。當(dāng)風(fēng)機(jī)的進(jìn)口和出口的風(fēng)速相等或相近時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)的全壓損失和靜壓損失基本相等。

2.2 雙風(fēng)機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)

圖2表示一個(gè)雙風(fēng)機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)。一個(gè)熱風(fēng)采暖系統(tǒng)，冬天需要加熱送熱風(fēng)，為了節(jié)約能源，除滿(mǎn)足必要的新風(fēng)量外，盡量使用回風(fēng)。在過(guò)渡季節(jié)，為了加大新風(fēng)量而減少直至不用回風(fēng)時(shí)，回風(fēng)就通過(guò)排風(fēng)閥排出。

圖2 雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)的壓力變化

從圖2可以看出，在風(fēng)道②－③處，由于回風(fēng)機(jī)的加壓，該處風(fēng)道處于正壓區(qū)，回風(fēng)可以通過(guò)排風(fēng)閥排出。③為零位閥，通過(guò)該閥后的風(fēng)壓應(yīng)為零。而在風(fēng)道③－④處，由于送風(fēng)機(jī)的抽吸作用，處于負(fù)壓區(qū)，新風(fēng)和回風(fēng)均可進(jìn)來(lái)。

2.3 吸風(fēng)風(fēng)道的壓力分布

圖3為一個(gè)簡(jiǎn)單的吸風(fēng)風(fēng)道壓力分布圖。繪制該圖時(shí)，可采用兩種不同的基準(zhǔn)。

若以大氣壓作為基準(zhǔn)時(shí)，其靜壓稱(chēng)為相對(duì)靜壓，大于大氣壓力者為正，小于大氣壓力者為負(fù)。顯然，對(duì)于吸風(fēng)道來(lái)說(shuō)，其全壓和靜壓均為負(fù)值。

若以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)時(shí)，其靜壓稱(chēng)為絕對(duì)靜壓。從壓力分布圖上可以看出，不論吸風(fēng)風(fēng)道或壓送風(fēng)道，都是從絕對(duì)真空線(xiàn)向上截取絕對(duì)靜壓的數(shù)值，畫(huà)出絕對(duì)靜壓線(xiàn)沿風(fēng)道長(zhǎng)度的變化;然后從絕對(duì)靜壓線(xiàn)再向上截取動(dòng)壓的數(shù)值，就可畫(huà)出絕對(duì)全壓線(xiàn)沿風(fēng)道長(zhǎng)度的變化。可見(jiàn)，以絕對(duì)真空線(xiàn)作為畫(huà)壓力分布圖的起點(diǎn)，無(wú)論對(duì)吸風(fēng)風(fēng)道還是壓風(fēng)風(fēng)道，絕對(duì)靜壓和絕對(duì)全壓只有大小之分，而沒(méi)有正負(fù)之別。絕對(duì)全壓和絕對(duì)靜壓之差等于動(dòng)壓。

圖3 簡(jiǎn)單吸風(fēng)風(fēng)道的壓力分布圖

從圖3可以看出，絕對(duì)全壓值(即總阻力)向著通風(fēng)機(jī)方向沿途下降，在風(fēng)機(jī)吸入口處達(dá)到最大值。由工程熱力學(xué)可知，大氣壓力與風(fēng)機(jī)入口絕對(duì)靜壓力之差稱(chēng)為真空度，并用 pzk表示。顯然，風(fēng)機(jī)吸入口的真空度應(yīng)等于吸入口的總阻力加上吸入口的動(dòng)壓，即

式中:pzk——真空度;

v——風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速;

ρ——空氣的密度。

同理，吸風(fēng)風(fēng)道任意截面上的真空度應(yīng)等于該截面上的總阻力加上該截面上的動(dòng)壓。利用真空度(或稱(chēng)為負(fù)靜壓)的概念進(jìn)行吸風(fēng)風(fēng)道的計(jì)算是比較方便的。若將真空度值還原為總阻力，只需要減去相應(yīng)截面上的動(dòng)壓即可。

3 風(fēng)機(jī)和風(fēng)道系統(tǒng)壓力的關(guān)系

風(fēng)機(jī)葉片將動(dòng)或靜的能量給予空氣，這個(gè)能量表示為總壓力的增加，它可轉(zhuǎn)換為靜壓和動(dòng)壓。這兩個(gè)值是相互影響可互換的，即可由動(dòng)壓變?yōu)殪o壓。但不管任何時(shí)候，全壓總是等于動(dòng)壓和靜壓之和。此處就顯得靜壓的定義非常重要，如下式所表示:

風(fēng)機(jī)的全壓值 pq是風(fēng)機(jī)加到空氣流的能量的真實(shí)表示。風(fēng)道系統(tǒng)的壓力損失為所有部件的全壓損失之和，即從風(fēng)機(jī)入口側(cè)至出口側(cè)所有風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)道和部件的全壓損失之和，則風(fēng)道系統(tǒng)的能量損失就是風(fēng)道系統(tǒng)全壓損失，也就是所需要的風(fēng)機(jī)全壓值。僅僅在特殊的情況下，風(fēng)道的速度在風(fēng)道的入口側(cè)和出口側(cè)各個(gè)部位處均相等時(shí)，風(fēng)道的靜壓損失才等于全壓損失。因而在進(jìn)行風(fēng)機(jī)選擇和風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，利用風(fēng)道的全壓損失則更為合適。

設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意，一個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)段前后的全壓差值等于風(fēng)機(jī)的全壓值，但其靜壓差值不一定等于風(fēng)機(jī)的靜壓值。下面通過(guò)3個(gè)例子來(lái)分析說(shuō)明。

(1)圖4為僅有出風(fēng)道的風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖。

圖4 風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖(僅有出風(fēng)風(fēng)道)

從圖4可以看出:

風(fēng)機(jī)的全壓:pqf=pq2－pq1=pq2，

風(fēng)機(jī)的靜壓:pjf=pqf－pqf=pj2

這時(shí)，對(duì)于風(fēng)道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)風(fēng)機(jī)段的全壓差值:

其靜壓差值:

(2)圖5為僅有進(jìn)風(fēng)道的風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖。

從圖5可以看出:

風(fēng)機(jī)的全壓:pqf=pq2－pq1

風(fēng)機(jī)的靜壓:pjf=pqf－pdf=pj2－pqf

圖5 風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖(僅有進(jìn)風(fēng)道)

其靜壓差值:Δpj=pj2－pj1=pjf+pd1≠pjf

(3)圖6為帶進(jìn)風(fēng)道和出風(fēng)道的風(fēng)道系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖。

從圖6可以看出:

風(fēng)機(jī)全壓:pqf=pq2－pq1

風(fēng)機(jī)靜壓 pjf=pqf－pdf=pj2－pq1

對(duì)于風(fēng)道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)風(fēng)機(jī)段的全壓差值ΔP=pq2－pq1=pqf

其靜壓差值 Δpj=pj2－pj1=pjf+pd1≠pjf

4 結(jié)論

圖6 風(fēng)機(jī)壓力關(guān)系圖(帶進(jìn)出風(fēng)道)

在風(fēng)道系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)，即使在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，它所輸送的風(fēng)量也可能各不相同，隨系統(tǒng)壓力變化而變化;即系統(tǒng)中的壓力損失小時(shí)，要求風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓就小，輸送的流量就大;反之，系統(tǒng)的壓力損失大時(shí)，要求風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓就大，輸送的流量就小。因此，在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同的通風(fēng)系統(tǒng)布局和管道內(nèi)的壓力分布情況，合理地選擇風(fēng)機(jī)，使風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在保證使用效果的前提下，其初投資和運(yùn)行費(fèi)用降為最低。

［1］ 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.762－763.