制冷系統(tǒng)中的風(fēng)管負(fù)責(zé)輸送冷風(fēng),合理設(shè)計風(fēng)管系統(tǒng)可以降低能耗、改善溫度分布、提高制冷效果。風(fēng)管阻力是影響風(fēng)管設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù),直接決定了風(fēng)機(jī)的選型和能耗水平。本文將介紹制冷系統(tǒng)風(fēng)管阻力的種類、計算方法和應(yīng)用案例,為暖通工程師提供實(shí)用的參考。

風(fēng)管阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力兩大類。

1. 摩擦阻力:空氣在風(fēng)管內(nèi)流動時,與管壁的摩擦作用導(dǎo)致的能量損失,與管道長度、斷面尺寸、風(fēng)速、空氣密度等參數(shù)有關(guān)。

2. 局部阻力:風(fēng)管系統(tǒng)中的彎頭、三通、變徑、閥門等部件,由于改變了氣流的流動方向或速度,導(dǎo)致的額外能量損失,用局部阻力系數(shù)來表征。

除了上述兩種阻力外,風(fēng)管的粗糙度、形狀、連接方式等因素也會影響整個系統(tǒng)的阻力特性。

1. 1、達(dá)西-威斯巴黑公式法
       該方法適用于圓形截面風(fēng)管,摩擦阻力計算公式為:
       △p=λ·(l/d)·(ρv2/2)
       式中,△p為摩擦阻力(Pa);λ為沿程阻力系數(shù);l為管道長度(m);d為管道直徑(m);ρ為空氣密度(kg/m3);v為風(fēng)速(m/s)。
       其中,沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和相對粗糙度ε/d有關(guān),可查莫迪圖或柯爾布洛克公式計算。

3. 2、風(fēng)管摩擦阻力比降法
       該方法適用于任意截面形狀的風(fēng)管,摩擦阻力計算公式為:
       △p=R·l
       式中,R為單位長度管道的摩擦阻力比降(Pa/m),可查相關(guān)工程手冊或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。

5. 3、等效直徑法
       對于矩形風(fēng)管,可按等效直徑De計算摩擦阻力,公式為:
       De=1.3(ab)^0.625/(a b)^0.25
       式中,a、b為矩形風(fēng)管的長和寬(m)。

1. 1、局部阻力系數(shù)法
       局部阻力損失公式為:
       △p=ξ·(ρv2/2)
       式中,ξ為局部阻力系數(shù),可查工程手冊或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

3. 2、當(dāng)量直管長度法
       將局部阻力等效為一段直管段的阻力,按摩擦阻力計算公式求得阻力損失:
       △p=λ·(le/d)·(ρv2/2)
       式中,le為當(dāng)量直管長度(m),可查相關(guān)工程手冊。

5. 3、速壓比例法
       局部阻力按動壓的一定比例估算,公式為:
       △p=K·(ρv2/2)
       式中,K為速壓損失系數(shù),一般取0.5~1.5之間。

1. 某辦公樓采用全空氣系統(tǒng),設(shè)計風(fēng)量為25000m3/h,風(fēng)管總長度為200m,等效直徑為0.6m,風(fēng)速為8m/s,空氣密度為1.2kg/m3,沿程阻力系數(shù)為0.02,局部阻力系數(shù)之和為2.5。求風(fēng)管的總阻力。
       解:摩擦阻力按達(dá)西-威斯巴黑公式計算,△pf=0.02×(200/0.6)×(1.2×82/2)=711Pa
       局部阻力按局部阻力系數(shù)法計算,△pj=2.5×(1.2×82/2)=120Pa
       總阻力△p=711 120=831Pa

2. 某廠房車間采用風(fēng)管式熱泵空調(diào)系統(tǒng),送風(fēng)溫度16℃,回風(fēng)溫度26℃,風(fēng)管長80m,等效直徑0.8m,設(shè)計風(fēng)速6m/s,風(fēng)量18000m3/h。試估算風(fēng)管阻力。
       解:查摩擦阻力比降圖得R=0.8Pa/m
       摩擦阻力△pf=0.8×80=64Pa
       估算局部阻力△pj=64×0.3=19Pa
       風(fēng)管總阻力△p=64 19=83Pa

3. 某地下車庫通風(fēng)系統(tǒng),排風(fēng)管總長120m,斷面為1m×0.8m矩形,設(shè)計風(fēng)速5m/s。計算風(fēng)管阻力。
       解:按等效直徑法De=1.3×(1×0.8)^0.625/(1 0.8)^0.25=0.895m
       則雷諾數(shù)Re=0.895×5/15×10^(-6)=298333
       查莫迪圖得λ=0.015
       摩擦阻力△pf=0.015×(120/0.895)×(1.2×52/2)=75Pa
       局部阻力按動壓50%估算,△pj=0.5×(1.2×52/2)=7.5Pa
       風(fēng)管總阻力△p=75 7.5=82.5Pa

風(fēng)管阻力的準(zhǔn)確計算對制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化至關(guān)重要,目前涌現(xiàn)出一些新技術(shù)和工具,為風(fēng)管設(shè)計提供更智能高效的手段:

1. CFD模擬技術(shù):通過計算流體力學(xué)軟件對風(fēng)管內(nèi)的氣流進(jìn)行三維數(shù)值模擬,可精確分析阻力的分布規(guī)律,優(yōu)化局部構(gòu)件的設(shè)計。

2. BIM技術(shù):利用建筑信息模型平臺,對風(fēng)管布局進(jìn)行碰撞檢測、空間協(xié)調(diào)和參數(shù)化設(shè)計,提高風(fēng)管系統(tǒng)的施工效率和運(yùn)行可靠性。

3. 智能計算程序:開發(fā)風(fēng)管阻力計算的專業(yè)軟件,集成各種計算公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程案例,自動計算和優(yōu)化風(fēng)管系統(tǒng)的阻力平衡。

4. 節(jié)能材料與構(gòu)件:采用內(nèi)壁光滑的鋁箔風(fēng)管,可顯著降低摩擦阻力;使用定壓閥、調(diào)節(jié)閥等智能控制部件,可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活調(diào)節(jié)局部阻力。

風(fēng)管阻力計算是制冷系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),需要綜合考慮摩擦阻力和局部阻力,靈活選用不同的計算方法。準(zhǔn)確估算風(fēng)管阻力,有助于合理設(shè)置風(fēng)管尺寸、優(yōu)化系統(tǒng)布置、降低風(fēng)機(jī)能耗。未來,風(fēng)管阻力研究將進(jìn)一步融合CFD、BIM、智能算法等新技術(shù),在節(jié)能建筑、綠色制冷領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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5. 王文博,張曙光.通風(fēng)管道系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計[J].暖通空調(diào),2016,46(1):68-72.