第8章防排煙系統

管路計算在防排煙系統中，空氣、煙氣的流動都屬于管路流動問題，系統管路流動的阻力計算對系統設計非常重要。管路系統的具體布置、管徑大小的選擇、送風機或排風機的選擇都需要通過阻力計算才能最終確定。本章將討論管道阻力產生的原因、降低阻力的措施以及阻力計算方法。8.1風管內氣體流動的流態和阻力8.1.1流體流動的兩種流態同一流體在同一管道中流動時，不同的流速，會形成不同的流動狀態。當流速較低時，流體質點互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流（或滯流）。當流速較大時，流體質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，成為互相混雜的紊亂流動，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行了大量實驗，發現流體的流動狀態與平均流速、管道直徑和流體的運動粘度有關。可用一個無量綱數來判別流體的流動狀態，這個無量綱數就叫雷諾數，用Re表示。

（8-1）式中，u——管道內流體的平均流速，m/s；d——管道的當量直徑，m；v——流體的運動粘度，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用當量直徑。8.1.1流體流動的兩種流態對于非圓形斷面煙道，Re數中的管道直徑應以煙道當量直徑來表示：（8-2）式中，S——煙道斷面，m2；

U——煙道斷面周長，m。一般管道雷諾數Re＜2000為層流狀態，Re＞4000為紊流狀態，Re＝2000～4000為過渡狀態。實際工程中，通常用Re=2300來判斷管路流動的流態，即：Re≤2300層流；Re＞2300紊流。煙氣在管道內的流動，雷諾數一般都大于4000，因此煙道內風流均應呈紊流狀態。層流過渡紊流【例3-1】某流體在管內流動，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。【解】：管中流體的雷諾數

=7660＞2300因此管中流體處于紊流狀態。8.1.2流體流動的阻力風管內流體流動的阻力有兩種：沿程阻力（摩擦阻力）：流體流經一定直徑的直管時由于內摩擦而產生的阻力；局部阻力：流體流經管件、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。流體流動的總阻力為摩擦阻力和局部阻力之和。8.2沿程阻力計算流體本身的粘性及其與管壁間的摩擦是產生摩擦阻力的原因。流體在任意橫斷面形狀不變的管道中流動時，根據流體力學原理，其摩擦阻力可按下式計算：

式中，λ——摩擦阻力系數（無量綱），其值通過實驗求得；

L——管道的長度，m；d——圓形管道直徑，或非圓形管道的當量直徑，m；

ρ——流體的密度，kg/m3；

u——管道內空氣的平均流速，m/s。Pa8.2.1沿程阻力（8-3）在計算過程中。λ是唯一沒被確定的，所以，下一步將就其的求值進行分析。8.2.1沿程阻力單位長度的摩擦阻力，也稱比摩阻，按下式計算：（8-4）層流流動狀態下摩擦阻力｛粘性流體在流動過程中與管道壁面之間的摩擦力流體層向的內摩擦力而形成切應力湍流流動狀態下，由于流體之間橫向脈動速度的存在，流體間將因摻混而產生附加切應力作用。8.2.1沿程阻力湍流流動比層流流動更加復雜。層流和湍流狀態下的摩擦阻力系數不同。流體在圓形管道中做層流流動時，從理論上可以導出摩擦阻力計算式：因，得：。與上式比較，可得圓管層流的沿程阻力系數上式表明，層流流動狀態下的摩擦阻力系數λ僅和雷諾數Re有關，且成反比。因為流動由層流轉化為紊流的下界雷諾數Re為2300，故層流狀態下的最小摩擦阻力系數為。8.2.2層流摩擦阻力系數（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粗糙度，記為Δ，絕對粗糙度Δ與管道直徑d的比值Δ/d稱為相對粗糙度。(δ為層流底層的厚度)當δ>Δ時，層流底層掩蓋了壁面粗糙度對流體流動的影響，流體猶如在光滑的壁面上流動一樣，摩擦阻力系數λ與壁面絕對粗糙度無關。相反，當層流底層的厚度δ<Δ時，壁面上凸起的峰頂將突出在層流底層以外的紊流區域中，引起旋渦，增大能量損失，摩擦阻力增大，這說明摩擦阻力系數λ與壁面絕對粗糙度有關。8.2.3湍流摩擦阻力系數8.3局部阻力計算8.3局部阻力計算8.3.1變截面處的局部阻力系數8.3.2.變方向上的局部阻力系數8.3.3變流股處的局部阻力系數8.3.4阻礙物的局部阻力系數8.3局部阻力計算由于產生局部阻力的原因很復雜，而且流體在局部阻力件處的流動狀態過于復雜，所以，大多數情況下，局部阻力只能通過實驗來確定。實際工程中，對局部阻力的計算一般采用經驗公式。和摩擦阻力類似，局部阻力一般也用動壓的倍數來表示：式中，——局部阻力系數。一般來說，局部阻力系數值取決于局部阻力件處管道的幾何形狀和流動的雷諾數。由于產生局部阻力處的流動往往受到強烈的擾動，處于紊流狀態，因而，局部阻力系數往往與雷諾數無關，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條件下的通風工程，可借用一般通風工程中有關局部阻力系數的計算式或圖表來計算局部阻力系數。8.3.1變截面處的局部阻力系數1、截面突變時的局部阻力系數截面突變是指沿流道截面發生突然擴大或收縮，在變截面處的流道具有尖銳邊緣的情況。截面突然擴大時的局部阻力系數可按下列公式計算式中,A1——流道截面擴大前的流通面積，m2；

A2——流道截面擴大后的流通面積，m2。(a)突然擴大

(b)突然縮小

當流體從某流道流入大容積的空間時，可視為截面突擴大特殊情況，這時A1/A2≈0，那么局部阻力系數。這種形式的局部阻力系數通常稱為出口阻力系數。截面突然縮小時的局部阻力系數可按下列公式計算：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。當流體從大容積的空間流入某流道時，可視為截面突縮的特殊情況，這時A2/A1≈0，那么局部阻力系數。2、截面漸變時的局部阻力系數截面漸變是指沿流道的截面逐漸擴大或收縮，工程上常見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主要取決于漸變前后的截面比和擴展角，一般來說，截面比和擴展角

θ

越小，局部阻力系數越小。反之，局部阻力系數越大，如圖3-3所示。流道截面漸擴時的局部阻力系數見表3-2.(a)線性漸擴管

(b)線性漸縮管圖3-3逐漸擴大和逐漸縮小

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流道截面漸擴時的局部阻力系數8.3.2變方向處得局部阻力系數流道變方向即通常所說的轉彎，主要有直角轉彎和折角轉彎兩種。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變流股的流道在工程上也是常見的。根據需要，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生局部阻力。90

三通0.11.31.3345

三通0.150.050.53習慣上把幾股流體交匯稱為幾通，最常見的是三通。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主要通過查表得到，如表3-3所示。8.3.4阻礙物的局部阻力系數阻礙物的局部阻力主要是指流道中的各種閥門的影響，其局部阻力系數不僅與流道內的流動速度頭有關，而且還與閥門的結構、材質、加工精度、口徑、閥門開度等相關，目前尚無完善統一的數據。通風防排煙常見的有門閥有閘板門、防火閥和排煙防火閥等，圖3-5為閘板門的示意圖。一般來說，閥門全開時，其局部阻力系數很小，當隨著開度增大時，局部阻力系數也隨著增大，在不同開度下閘板門的局部阻力系數如表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開度（%）102030405060708090全開圓形97.835104.62.060.980.440.170.060矩形19344.517.88.124.02.10.950.390.0908.4管路計算基礎管路的計算：確定管路的流體及其參數、管路的結構特性和流動阻力三者之間的關系。在工程實際中，管路設計計算通常可以分為三種：（1）已知管路中的流體流量及參數和管路的結構特性，確定管路的壓力降。（2）已知管路的結構特性和允許的壓力降，確定通過管路的流體流量及參數。（3）已知管路中的流體流量及參數和允許的壓力降，確定管路的結構特性。管路分類：簡單管路串聯管路并聯管路復雜管路簡單管路：指沒有分支或匯合的單一管路實際問題管徑不變的單一管路不同管徑的管道串聯組成的單一管路循環管路ms0ms1ms2特點：1.流經各管段的質量流量相同，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.整個管路的阻力損失為各管段損失之和。在簡單管路計算中，實際是連續性方程，伯努利方程和總阻力損失計算式的具體運用。即聯立求解這些方程：連續性方程：

伯努利方程:總阻力損失計算式：

式中摩擦系數：

計算核心理念：在簡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應于管路內的壓力差，則：

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

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

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

防排煙系統

管路總阻力計算

防排煙管網系統中，在排（送）風量已確定的情況下，管網設計的主要任務是：1）風道設計；2）計算各風管的阻力損失以及總阻力。管道內流體流速按照防排煙系統中管道、送風口、排煙口和補風口風速要求選擇合適的值。管道的截面尺寸則根據各個管段風量除以選定的風速值來確定。風管斷面形狀有圓形和矩形兩種。圓形斷面的風管強度大、阻力小、消耗材料少，但加工工藝比較復雜，占用空間多，布置時難以與建筑、結構配合，常用于高速送風的系統。矩形斷面的風管—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管的部件小。為了節省建筑空間，布置美觀，建筑防排煙系統管道的斷面一般為矩形。常用矩形風管的規格見表8-8。為了減少系統阻力，進行風道設計時，矩形風管的高寬比宜小于6，最大不應超過10。8.5.1管路總阻力計算流程8.5.1管路總阻力計算流程風管的阻力損失=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節的公式計算。工程上為了簡化起見，做成了表格，其中圓形斷面薄鋼板風管單位管長沿程阻力損失見附錄1，矩形斷面薄鋼板風管單位管長沿程阻力見附錄2，各種管件的局部阻力系數見附錄3。計算管網總阻力可采用最不利環路法。8.5.1管路總阻力計算流程8.6管路設計中的

常見問題及其處理措施

8.6管路設計中的常見問題及其處理措施管道設計的基本要求8.6.1管道設計中的主要問題及其處理措施8.6.28.6.1管道設計的基本要求

對于工程上的各種管路系統，無論是供熱工程中的供熱系統，還是通風工程中的通風系統，正確的管道設計一般應達到如下幾個基本要求：（1）提高經濟性使系統的總阻力盡可能的降低，這樣可以選用壓頭較低的泵與風機，不但使系統的投資費用降低，而且使設備的運行耗電量低，從而達到節約投資、節約能源和提高經濟效益的目的。（2）滿足技術性

使系統中各部分的介質流量和參數滿足生產工藝安全技術及生活等哥方面的要求，因此必須有調節、控制和測量裝置。（3）布置合理性系統布置力求合理，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。儀表閥門要裝設在便于操作和觀測的位置，以方便操作和計量管理。此外，還應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運行的安全可靠性，增長系統的使用壽命，應根據介質的壓力、溫度以及腐蝕性、爆炸性等因素，正確的選用管道的材質。同時還應注意管道通過場所的安全問題，采取必要的防火防爆措施。（5）力求通用性管道和管件的規格尺寸應力求標準化，以提高通用性。8.6.2管道設計中的主要問題及其處理措施管道設計中的主要問題是減小管道的流動阻力和保證管路的流量分配。（1）減小管道流動阻力

對于防排煙工程，減少管道阻力不是為了減少運行電耗，而是為了減少設備（排風機）的投資費用。管道阻力低即可選用壓頭較低的風機，因而設備投資較低。但是管道阻力較低，管徑較大，管道本身投資較大，所以要進行綜合比較。

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

根據摩擦阻力公式，可以得出減小摩擦阻力的措施為：a)減小管道長度Lb)降低摩擦阻力系數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，適當的增大口徑有利于摩擦阻力的減小。但是隨著口徑增大，消耗材料增多，管道的初投資增加，所以應進行技術經濟比較，確定最佳管徑。圖3-10突然擴大和突然縮小在工程中一般是以限制管道內介質的流動速度來確定管道的口徑。潔凈的空氣的流速可見下表。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管道內潔凈空氣的流速管道材質總管中流速/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，應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）常年運行系統管道中的速度大于非常年運行或事故運行系統管道中的速度管道材質通風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通風和防排煙工程中煙風氣流速度的限值2）減小局部阻力的措施由局部阻力公式、（突擴、縮）（漸擴、縮）可知ξ

由管道變截面、管道變方向、變流股等因素有關。所以對應措施有：a)采用漸擴漸縮結構b)采用緩轉彎頭，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展段結構2.減小支管與直管的夾角a，一般a≯30°3.以平穩的轉彎代替支管4.在總管中根據支管的流量分配裝設合流板或分流板d)限制管道進出口的流速實驗表明，擴展角為8度時，局部阻力系數最小，但在變截面大小既定的情況下，角度越小擴展段越長，在結構上可能造成不合理，而且給擴展段的制造帶來困難，綜合考慮，20度左右最佳。在管道進出口處，可采用喇叭形或錐形結構，可使局部阻力大大減小。為減緩轉彎彎頭的局部阻力系數，一