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空调系统阻力的构成与计算

来源:青岛清永净化设备有限公司   2020年09月15日 15:28  

空调系统中空气流动的动力来自风机。风机不仅要提供必要的通风量,还要提供足够的全压以克服系统的空气流动阻力。所以在选择风机的时候必须先计算出系统在一定空气流量下的空气流动阻力。
1、系统阻力的构成、分类与计算
风机必须克服的空气流动阻力项包括:风机出口及软接头、主送风管、送风口、回风口、回风管、空调箱入口、空调箱内的构件(空气过滤器、冷却盘管、加热盘管、空气加湿器、挡水板等)及空调箱出口与风机入口等。
上述阻力项可以分成管段摩擦阻力及局部阻力两类:
(1)管段摩擦阻力
摩擦阻力是由于空气本身的黏滞性及空气与管壁间的的摩擦而造成的能量损失,也可称为沿程阻力。通常只发生于管道断面形状与尺寸不变的直管段内,如送、回风管道(不包括管道上的弯头及阀门等构件)
管段摩擦阻力与管道的长度成正比。工程计算方法如下:

式中,为管段摩擦阻力,Pa
    为比摩阻(即单位长度管段的摩擦阻力),Pa/m
    为管段长度,m
当管段尺寸与长度确定后,只要获得对应的比摩阻,就可计算得出管段摩擦阻力。比摩阻通常可以查图或表获得。下图是工程计算中常用的线算图:

上图中纵坐标为空气流量,横坐标为比摩阻。由左上向右下倾斜的一组平行线为空气流速,由左下向右上倾斜的一组平行线为圆形管道直径。在上述四个参数中只要已知两个,就可以查到其它两个。制表条件为:大气压pB=101 325Pa、温度t=20℃、管壁粗糙度K=0.15mm。如果使用条件不同,对查得的结果需要进行修正。
(2)局部阻力
局部阻力是空气流过断面形状、尺寸、流向、流量发生变化的管道和构件时的能量损失,例如三通、弯头、变径管、阀门、风口等。
工程设计计算中通常采用局部阻力系数法计算构件的局部阻力:

式中,为局部阻力,Pa
    为局部阻力系数,通常由实验测定
    对应计算断面的空气平均流速,m/s
式中的为对应断面的空气动压,当从相关表格中查到构件的局部阻力系数后,乘以对应空气动压,即求得局部阻力。在空调风管系统中,与摩擦阻力相比,局部阻力占主要比例。
不同局部构件的局部阻力系数可以从有关设计手册与资料中查到。下表为渐扩管的局部阻力系数:

2、不利环路及系统总阻力
空气从通风机的出口开始,流经管道,局部构件等后由送风口送入空调室内,然后经回风口、管道、局部构件等回到通风机的进口,称为一个空气流动环路。空调风管系统通常会有许多并联环路,其中空气流动阻力大的环路称为不利环路。
风管系统设计时应以不利环路为基准,计算其空气流动阻力,并作为系统总阻力。通风机必须同时满足系统总风量与总阻力的要求,通风机提供的全压应等于系统总阻力。在实际工程设计中通常再考虑一定安全系数后选择通风机。只要不利环路所需的风机全压得到满足,其它并联环路所需的全压也一定得到满足。
如果各并联环路上的局部构件基本相同,则通常管路长度(包括送、回风管)大的就是不利环路。如果某些环路虽然长度不大,但管路中有局部阻力较大的构件或设备,那它也可能作为不利环路。
在系统进行管路设计时,通常以不利环路为基准。
一般情况下,空调箱生产厂商可以根据风管系统所需风量、全压等参数配置通风机。空调箱本身的空气流动阻力(风口、过滤器、盘管等)也已经考虑在内了。如果需要设计人员自己选择风机,那么除了不利环路中风管系统的阻力外,空调箱本身的阻力不能忽略。
3、并联环路的阻力平衡
在风管系统中凡有共同起讫点的环路称为并联环路。如下图所示。空调箱服务于A,B,C三个房间,故1-A-6与1-2-B-5-6以及1-2-3-C-4-5-6是并联环路。由于在共同起讫点上的空气压力状态相同,因此所有并联环路得到的有效作用全压必须是相等的,这就要求在系统管路设计的同时考虑在设计流量下各并联环路的空气流动阻力相等,即考虑并联环路的阻力平衡。

如果设计计算结果使得并联环路的阻力不平衡,那么系统实际运行时由于并联环路获得的全压是一致的,所以设计流动阻力小的环路流量会偏大,而设计阻力大的环路流量会偏小,工程上称为水力失调,空调房间的温湿度等参数就达不到设计要求。
实际设计过程中要求并联环路的阻力*相等也是不可能的,所以用允许不平衡率来加以控制,对一般空调系统,两并联环路的阻力差值不应超过15%,对于除尘系统不应超过10%。
上图中,设0-1-2-3-C-4-5-6-7为不利环路,则要求其中并联环路的阻力有:

如果设计结果达不到上述要求,就应修改设计,通常采用以下方法来实现:
(1)调整风管管径。缩小阻力偏小环路的风管管径,使管内空气流速上升,进而流动阻力也上升。调整后的管径可用下式计算:

式中,D为原设计管径,mm
   D′为调整后管径,mm
   Δp为原计算的环路阻力,Pa
   Δp′为阻力平衡要求达到的环路阻力,Pa
上式是工程计算用的近似公式,按此式的计算结果调整后的环路阻力仍可能不平衡。
(2)增加风量。调整风管管径有时仍无法满足阻力平衡的要求,或者受到其它条件的限制,管径无法缩小,此时也可以采用增加阻力偏小环路的空气流量来实现阻力平衡,调整流量的计算方法如下:

式中,L为原设计流量,m3/h
   L′为调整后流量,m3/h
采用这种方法可以使阻力偏小的环路实现阻力平衡,但却使系统的总流量增加,这是为了保证不利环路的设计流量,不得已采取的办法。
(3)调节阀门。在并联环路上安装调节阀门,通过关小阻力偏小环路上阀门的开度来增加空气流动阻力,实现阻力平衡。从调节角度来看,这种方法较方便,但如果并联环路的设计阻力不平衡率很大,*依靠阀门调节并不能实现阻力平衡,同时可能带来过大的空气流动噪声。所以在设计计算过程中应当采用合理布置风管走向及上述调整风管管径、增加风量等措施。

 

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