紡織車間吸風溝道均勻吸風優(yōu)化設計

王海霞 吳騰飛 周義德 王朝根

（1.河南建筑職業(yè)技術學院，河南鄭州，450064；2.鄭州工商學院，河南鄭州，451400；3.中原工學院，河南鄭州，450007；4.夏邑恒天永安新織造有限公司，河南商丘，476400）

長期以來，由于工程施工難度和設計計算過程的復雜性，紡織車間吸風溝道均采用簡單的沿氣流方向逐步下沉的梯形斷面，吸風口和溝道連接采用地溝蓋板留孔，90°直接接入溝道的方式。鑒于車間吸風溝道的清掃要求，需保證最小斷面尺寸，為滿足工人操作空間，地溝首端尺寸不能太小。工程設計均采用確定地溝首端最小尺寸，地溝尾端保證一定風速的梯形漸變截面設計方法。這樣造成的結果就是吸風口支管90°直接匯入地溝，每個吸風口支管接入時，匯流直管段局部阻力增加，多個支管匯流，溝道末端匯流直管段局部阻力疊加在一起，再加上沿溝道流動方向的摩擦阻力損失，致使溝道末端的靜壓大于首端靜壓，造成吸風口吸風不勻的現(xiàn)象。溝道尾端吸風量大于首端，影響車間氣流組織均勻，造成車間中部溫度較高、相對濕度降低、飛花較多。夏季細紗機車尾箱內排風不暢，熱風向車間內外溢，使車尾局部區(qū)域溫度升高、熱感增加、相對濕度降低，影響車間正常生產。本研究依據(jù)均勻吸風的基本理論和方法，對現(xiàn)有車間溝道設計進行詳細計算和分析，提出滿足工程設計和施工要求、改善均勻吸風條件和優(yōu)化溝道設計的方法，以有效解決溝道吸風不勻問題，改善車間溫濕度環(huán)境。

1 均勻吸風理論分析

1.1 實現(xiàn)均勻吸風的條件

紡織車間吸風溝道設計如圖1 所示，有面積為f的吸風口n個，自首端至尾端吸風口吸入風速依次為v1至vn，吸風溝道內各段的風速依次為V1至Vn。

圖1 上部開孔變截面吸風道及其壓力分布圖

實現(xiàn)均勻吸風就是要保證第1 個吸風口風量至第n個吸風口風量相等。在各吸風口截面積和結構相同的條件下，各吸風口的局部阻力系數(shù)相等，要保持各吸風口風量相等，則要求各吸風口處風速和管內外的靜壓值相等［1］。

1.2 吸風溝道內的壓力分布

紡織車間吸風溝道內的壓力分布如圖1 所示。隨著各吸風支管的風量匯入，溝道截面隨氣流方向增加值有限，溝道內的風速逐漸增大，溝道內的動壓也逐漸變大。由于三通匯流的接入，在匯流處會有局部阻力產生，再加上溝道內沿程阻力損失，使得溝道尾端的靜壓大于首端靜壓。圖1 中，ab線表示大氣壓力線（為水平線）；df線表示首端吸口的靜壓值；dc線表示溝道內的全壓損失，由于溝道內沿程和局部阻力損失是沿氣流流動方向增加的，因此全壓線dc越來越低；de線表示溝道內的靜壓，由于溝道內沿氣流方向風速增加，使動壓值也逐步增加，最終形成靜壓de線也是越來越低［2］。

假設溝道上部吸風口斷面尺寸、結構都相等。要達到每個吸風口或分支管的吸風量相等，則要求溝道內各開孔處與支管連接處的靜壓相等，即要使圖1 中各吸風口處靜壓值Pj相等或接近（即de線變緩）。這就要求一方面減小溝道內的風速，使動壓Pd沿管道氣流方向增加不多，另一方面要減小溝道內的沿程和局部阻力損失，使dc線沿氣流方向增加值減小。但由于地溝內的風量是沿氣流方向增加的，截面積尺寸增加受到土建造價和粉塵飛花沿氣流輸送的制約，面積增加有限，最終溝道內風速和動壓值是逐漸增加的。由于阻力損失的客觀存在，工程上只能將溝道首尾端靜壓差和吸風量差別控制在一定范圍內。所以，控制溝道內風速、降低沿程和局部阻力損失成為保證各吸風口均勻吸風的關鍵。

1.3 壓力損失的計算

1.3.1 沿程阻力

流體在管道內流動時，由于黏滯性和溝道表面粗糙度引起的流體質點與管壁之間的摩擦產生的阻力損失，稱為摩擦阻力損失。流體在截面與形狀不變的管道內流動時，每單位長度的摩擦阻力稱為比摩阻，摩擦阻力損失計算公式如式（1）所示［3］。

式中：hm為溝道摩擦阻力損失（Pa）；Rm為單位長度摩擦阻力（Pa/m）；l為溝道長度（m）；ρ為流體密度（kg/m3）；λ為摩擦阻力系數(shù)；d為圓管或矩形管道當量直徑（m）；對矩形溝道d=2ab/（a+b），a、b分別為溝道的寬和高；V為溝道內平均風速（m/s）；R為管道水力半徑（m）。

摩擦阻力系數(shù)λ由雷諾數(shù)和管壁粗糙度所決定，計算公式如式（2）所示。

式中：K為溝壁絕對粗糙度（mm）；Re為雷諾數(shù)。

從沿程阻力計算公式可以看出，溝道內的沿程阻力損失和溝道斷面尺寸、溝道內平均風速、溝壁絕對粗糙度有關。紡織車間溝道多采用鋼筋混凝土溝壁，壁面不光滑，運行中容易受潮和集塵，對沿程阻力損失影響較大。

1.3.2 局部阻力

在紡織車間的吸風溝道內，由于各吸風支管的風量匯入，在溝道合流處形成匯流三通，會形成局部壓力損失。在匯流三通中，決定匯流三通壓力損失的主要因素是三通配件的結構形狀，支管與總管之間的夾角，直通管、支管和總管的面積比和流量比，如圖2 所示，其中V、L、F分別表示管道的流速、流量和面積。合流時，當兩股以不同速度運動著的流體作紊流混合時，在混合介質的分子間發(fā)生動量交換，此時具有較大速度的流體，損失一部分動能轉讓給以較小速度運動的流體。以局部阻力系數(shù)表示的話，前者始終是正值，后者因為獲得了一部分能量，局部阻力系數(shù)有可能是負值。不同的匯入角度，會造成匯流處的理論速度V′zo和實際速度Vzo有變化，形成不同的局部阻力系數(shù)［4］。

圖2 匯流三通示意圖

匯流三通當匯入角為α時，匯流三通總管理論匯流速度如式（3）所示。匯流三通處直管段和支管段的局部阻力損失如式（4）、式（5）所示［5］。

由式（3）可以看出，當吸風口支管采用90°直接接入溝道時，cos α=0，Lzo＞Lz，所以＜Vz＜Vzo。

1.4 改善溝道內靜壓差的措施

（1）降低溝道內的流速。由于溝道內沿程壓力損失、局部阻力以及動壓數(shù)值均與風速有關，并與風速呈二次方關系。降低溝道內風速就會使總的壓力損失減少，最終使得de線變緩，溝道首尾端靜壓差減小。但是這就要求增大溝道截面積，會造成開挖土方量大、土建費用增加和溝道布置困難等，還要考慮車間飛花沿氣流流動時的沉降，溝道內速度又不能太低。需要兼顧兩者關系進行優(yōu)化，一般情況下溝道內速度宜控制在5 m/s～7 m/s。

（2）改善溝道表面光滑度。近年來多數(shù)企業(yè)為減少溝道表面的粗糙度，采用了地溝周邊貼瓷磚的方法，可有效提高溝道表面光滑度，減小氣流摩擦阻力，減少溝道沿程阻力損失，效果明顯。

（3）提高吸風口真空度。采用減小吸風口面積，增加吸風口風速的方法增加吸風口真空度，這也是近年來新型紡織車間常用的一種方法。吸風口由原來的格柵吸風口改為條縫吸風口，吸風口速度由原來的6 m/s～8 m/s 提高到12 m/s～15 m/s，大幅提高了吸風口的真空度，減小了溝道首尾端的靜壓差，風口吸風不勻的現(xiàn)象得到改善。但這是以犧牲風機壓力和能耗換來的，因為阻力損失和風速的二次方呈正比，與風機的實際能耗也呈二次方關系增加。

（4）減少局部阻力損失。車間地排吸風口均采用地溝蓋板留洞，吸風口90°接入地溝，由于吸風口支風管的氣流垂直進入地溝風道，造成匯流三通處產生嚴重渦流和氣流干涉，支風管速度越高，主風管風速越低，干涉現(xiàn)象越嚴重。形成匯流處三通直管段局部阻力系數(shù)和阻力均為正值，無法借助支風管的能量，造成整個溝道沿氣流方向匯流三通直管段局部阻力疊加，呈逐漸增加的趨勢。減小吸風口接入角α，使V′zo＞Vzo，可以使得直管段局部阻力系數(shù)減小或成為負值，用于抵消溝道沿程壓力損失，使溝道首尾端的靜壓差值減小，從而有效改善吸風口吸風不勻的現(xiàn)象。

2 均勻吸風優(yōu)化實例

2.1 地排風系統(tǒng)設計

以某新型細紗車間吸風溝道設計為例，計算溝道內壓力分布情況。每套空調承擔18 臺1 008錠細紗機，車間設車尾工藝排風道和4 條地排支風道，工藝排風和地排風機流量均為25.2 m3/s，全壓500 Pa，裝機功率18.5 kW，采用條縫吸風口25 mm×1 000 mm，共76 個。每條地排支風道設置19 個條縫吸風口，間距為2.38 m。支風道地溝凈寬1 000 mm，首端凈深550 mm，尾端凈深1 300 mm，溝道沿氣流方向寬度不變，均勻加深。溝道縱向剖面如圖1 所示。

2.2 地排吸風溝道阻力計算

針對圖1 地排風溝道，支風口接入溝道的方式如圖3 所示。

圖3 地排風口改造

在沒有加裝導向彎頭的情況下，對吸風口分別按90°、60°、45°接入角接入，計算地溝內各段壓力損失。匯流三通部分摩擦阻力損失計入直通管，支管阻力損失取吸風口和變徑管局部阻力合計，加上匯流處支管段阻力損失。考慮到地溝受潮、集花和蓋板下不光滑等問題，溝道粗糙度按最大值K=6 計算，由于雷諾數(shù)對摩擦阻力系數(shù)影響較小，溝道內雷諾數(shù)按平均溝道斷面考慮，支管段局部阻力系數(shù)合計為1.21，每條吸風溝道末端B斷面計算結果匯總如表1 所示。

由表1 可以看出，吸風口采用不同的角度接入吸風溝道，匯流三通處產生的局部阻力不同。以斷面B為例，當接入角為90°時，匯流三通局部阻力系數(shù)均為正值，匯流三通局部阻力損失合計值最大，首尾端靜壓差別率25.7%，無法滿足均勻吸風的要求。當接入角為60°時，匯流三通局部阻力系數(shù)部分為負值，匯流三通局部阻力損失合計值減小，首尾端靜壓差別率20.6%，能滿足首尾吸風口風量最大不勻率在10%以內的要求。當接入角為45°時，匯流三通局部阻力系數(shù)多數(shù)為負值，匯流三通局部阻力損失合計值最小，首尾端靜壓差別率15.9%，可保證吸風量最大不勻率在8%以內。

表1 地溝最末端B 斷面處壓力計算值

利用同樣方法對細紗機車尾工藝排風溝道進行計算，按現(xiàn)有的90°吸風口接入方式，溝道首端計算靜壓-106.87 Pa，尾端靜壓達到-255.17 Pa，靜壓差別率達58%，溝道首尾端吸風量差別率達到27%。這是車間中部細紗機車尾工藝排風不暢、車尾箱向車間溢風的主要原因。

通過上述分析計算可知，現(xiàn)在紡織車間常用的地溝吸風口設計方法存在缺陷，在采用條縫吸風口增加吸風口真空度的情況下，造成各吸風口吸風不勻主要問題是：溝道內風速沿氣流方向須逐步增大，吸風口支管90°直接接入溝道，匯流三通局部阻力損失和溝道沿程摩擦阻力損失的疊加，增大了溝道首尾端靜壓的差值，造成首端靜壓低、吸風量小，尾端靜壓高、吸風量大。減小支管三通接入角會使三通局部阻力損失變小或部分成為負值，用以抵消沿程摩擦阻力損失，使圖1 中的dc線向下傾斜量減小，合計溝道內動壓后，使尾部吸風口靜壓值變小，各吸風口靜壓的差異減小，增加吸風口的均勻性。但是采用45°或更小的接入角，雖然吸風均勻度更好，但會使地溝蓋板留洞長度增大，增加土建施工難度，也有可能產生風口掛花現(xiàn)象。所以，吸風口支管接入角以采用60°為宜。

計算中還發(fā)現(xiàn)，主溝道的風速對首尾風口處的靜壓差影響也很大。風速越低，風口之間的靜壓差值越小，越利于均勻吸風，但會形成集塵；風速過高又不利于均勻吸風。溝道內風速的控制，在現(xiàn)有條縫吸風口結構，吸風口支管接入地溝的夾角60°條件下，地溝末端的斷面設計以保證實際風速5 m/s～7 m/s 為宜，吸風口風速宜采用12 m/s～14 m/s。

2.3 實際效果比較

仍采用圖1 地排風溝道，進行吸風口結構改造，由于車間正在生產，不能改變吸風口土建結構，在溝道內吸風口處加裝60°導向彎頭，結構如圖3 所示，并對溝壁面進行徹底光滑清理。改造前后各吸風口的吸風速度、溝道內靜壓值、風機風量和能耗情況比較如下。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，改造前由于吸風管接入角為90 °，造成吸風溝道首尾端靜壓差別率36%，吸風口風量最大不勻率19.5%，不能滿足吸風量不勻率≤15%的要求［7］。采用溝道內加裝60°導向彎頭，由于吸風管接入角的改變，支管匯流三通直管段的阻力系數(shù)部分為負值，抵消了一部分沿程摩擦阻力損失，使溝道首尾端靜壓差別率減小至17%，穩(wěn)定了各吸風口處的靜壓值，各吸風口風量最大不勻率可保持在7%以內，并可在實耗功率基本不變的情況下，系統(tǒng)的吸風量增大9.5%。在新廠設計時，可采用在溝道蓋板下直接預埋60°導向彎頭，效果更好。

3 結語

現(xiàn)有紡織車間地排風溝道吸風不均勻的情況較多，其主要原因是吸風支管接入溝道的角度為90°，兩股不同方向和速度氣流交匯處渦流現(xiàn)象嚴重，匯流處局部阻力增大，造成溝道首尾端靜壓差增大。造成溝道內積花的主要原因是車間地排風支溝道尾端風速太低影響飛花沿氣流方向輸送，溝道壁面不光滑或受潮等因素。設計時要核對支溝道尾端風速不能低于5 m/s，并采取加強防水，外貼瓷磚等措施，并應在運行中定期清掃溝道內的積花。利用現(xiàn)有條縫吸風口結構，采用溝道均勻吸風的優(yōu)化方法，改進支管接入溝道角度為60°，并控制溝道末端斷面風速5 m/s～7 m/s，可使溝道首尾端靜壓差別率控制在17%，各吸風口風量不勻率保持在7%以內。