工業(yè)有害物防治與通風(fēng)基礎(chǔ)理論

1、通風(fēng)風(fēng)流基礎(chǔ)理論及空氣參數(shù)計(jì)算,通風(fēng)風(fēng)流基礎(chǔ)理論及空氣參數(shù)計(jì)算,主要內(nèi)容,風(fēng)流理論與參數(shù)計(jì)算,本部分主要討論以下問題：1、干、濕空氣密度的計(jì)算；2、風(fēng)壓(靜壓、動(dòng)壓和全壓)的計(jì)算及測(cè)定；3、通風(fēng)連續(xù)方程及其應(yīng)用；4、通風(fēng)風(fēng)流型式、風(fēng)流結(jié)構(gòu)及風(fēng)速分布與風(fēng)速測(cè)定； 5、通風(fēng)能量方程及其應(yīng)用； 6、（通風(fēng)阻力及其計(jì)算）。,通風(fēng)風(fēng)流基礎(chǔ)理論及空氣參數(shù)計(jì)算,§2.1 通風(fēng)空氣參數(shù),§2.2 風(fēng)流流動(dòng)特性,&#

2、167;2.3 空氣流動(dòng)過程的基本方程,§2.4 風(fēng)流參數(shù)的測(cè)定,,一、干、濕空氣密度的計(jì)算,密度定義式：?jiǎn)挝惑w積空氣所具有的質(zhì)量。kg/m3 ， 用符號(hào)ρ表示：式中 M—空氣的質(zhì)量，kg； V—空氣的體積，m3?？諝饷芏入S空氣壓力、溫度及濕度而變化。實(shí)際空氣密度計(jì)算式由氣態(tài)方程求得。,§2.1 通風(fēng)空氣參數(shù),,一、干、濕空氣密度的計(jì)算,氣態(tài)方程：式中ρ—干空氣實(shí)際密度，kg

3、/m3； ρ0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干空氣的密度，kg/m3； P、P0—分別為實(shí)際狀態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣壓力，千帕（kpa）； T、T0—分別為實(shí)際狀態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的熱力學(xué)溫度，K。,,一、干、濕空氣密度的計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：T0=273K，P0=101.3kPa,干空氣密度ρ0=1.293 kg/m3。干空氣密度計(jì)算式：注意！式中P為空氣的絕對(duì)壓力，單位為kPa；T為空氣的熱力學(xué)溫度（K），T=273+t, t為空

4、氣的攝氏溫度（℃）。,,干、濕空氣密度的計(jì)算,濕空氣：濕空氣壓力等于干空氣分壓與水蒸汽分壓之和。,道爾頓分壓定律: P=Pd+Ps , Ps=ψPb,,,,一、干、濕空氣密度的計(jì)算,根據(jù)道爾頓分壓定律即可推導(dǎo)出濕空氣密度計(jì)算式：式中 ρw —濕空氣密度, kg/m3； ψ—空氣相對(duì)濕度，%； Pb—飽和水蒸汽壓力，kPa,,,二、空氣壓力—靜壓,風(fēng)壓：通風(fēng)中空氣壓力也叫風(fēng)流壓力（簡(jiǎn)稱為風(fēng)壓），

5、它是表示運(yùn)動(dòng)空氣所具有的能量, 它包括靜壓、動(dòng)壓和全壓。 靜壓：氣體分子對(duì)容器壁所施加的壓力?；拘再|(zhì)：靜壓總是垂直并指向作用面；靜壓各向同值。表示形式：絕對(duì)靜壓—以絕對(duì)零壓作為基準(zhǔn)的靜壓, 用Pk表示；相對(duì)靜壓—以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)的靜壓, 用Pr表示。,,,二、空氣壓力—靜壓,絕對(duì)靜壓和相對(duì)靜壓的關(guān)系：關(guān)系式: Ｐr = Ｐk -Ｐ0,,,二、空氣壓力—靜壓,不同標(biāo)高靜壓計(jì)算：流體力學(xué)歐拉方程:

6、 dp =ρg dz 積分即得靜壓計(jì)算式： P =P0 -ρg z 式中z—相對(duì)于基準(zhǔn)的高度, m； p0—z = 0基準(zhǔn)處的空氣靜壓,Pa( N/m2)； p —高度為z處的空氣靜壓，Pa(N/m2)； ρ—空氣密度，kg/m3 ； g—重力加速度，m/s2。,,,,,二、空氣壓力—靜壓,可壓縮空氣密度：近似按

7、等溫過程處理，即多變指數(shù)n=1，由氣態(tài)方程（P=ρRT）和歐拉方程得：式中 T——空氣的熱力學(xué)溫度，K； R——空氣的氣體常數(shù)，R=287J/kg·K。 簡(jiǎn)化計(jì)算式：展開成級(jí)數(shù)，略去高項(xiàng)。,,,二、空氣壓力—?jiǎng)訅海珘?動(dòng)壓：動(dòng)壓—單位體積風(fēng)流運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能。它恒為正，具有方向性，它的方向就是風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的方向。單位體積空氣的質(zhì)量為ρ（kg/m3），風(fēng)流速度為υ(m/s)，由動(dòng)能公式即得風(fēng)流動(dòng)壓Hu(Pa

8、)計(jì)算式： Hu =ρυ2/ 2 全壓： 全壓Pt等于靜壓Ps與動(dòng)壓Hu之和，即 Pt = Ps + Hu,,,空氣壓力—?jiǎng)訅骸㈧o壓、全壓關(guān)系,,,空氣壓力—?jiǎng)訅?、靜壓、全壓關(guān)系,,,空氣壓力—單位,,,空氣壓力的國(guó)際單位為帕（Pa）、牛頓/米2（N/m2）。1Pa=1 N/m2。我國(guó)法定計(jì)量單位制規(guī)定，空氣壓力（壓強(qiáng)）的

9、單位為帕。帕（Pa）單位比較小，還可用百帕（hPa）、千帕（kPa）表示 1hPa=100Pa；1kPa=1000Pa。,空氣壓力—測(cè)定,分為：空氣絕對(duì)壓力測(cè)定空氣相對(duì)壓力測(cè)定,,,三、粘 度,粘度：表示空氣粘性大小的指標(biāo)，分為動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度。動(dòng)力粘度：一般用μ表示, 其單位為N·S/m2 (Pa·s), 受氣溫影響, 與壓力無關(guān)。運(yùn)動(dòng)粘度：一般用υ表示，其單位為m2 /s，受溫度和壓力

10、影響。μ與υ之間的關(guān)系：υ=μ/ρ，其中ρ為空氣的密度（kg/m3）。計(jì)算中, υ和μ可直接通過查表獲得。,,,流態(tài)判據(jù)：雷諾數(shù)Re，當(dāng)Re>2300時(shí)為紊流，反之為層流。Re值計(jì)算式：Ｕm—流道流體平均速度，m/s; ν—空氣運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s; D—流道直徑，m。非圓流道：用等效直徑 De=4S/Px 取代直徑D 。其中S為流道的斷面積（m2），Px為流道斷面周長(zhǎng)（m）。,,一、 風(fēng)流流態(tài),§2

11、.2 風(fēng)流流動(dòng)特性,二、風(fēng)流型式及風(fēng)速,管道的體積風(fēng)量： Q=∫s ui ds ui—管道橫斷面上任一點(diǎn)的風(fēng)速，m/s; S—管道橫斷面積，m2;Q—管道橫斷面上通過的體積風(fēng)量，m3/s。,風(fēng)流型式及風(fēng)速—射流,分為自由射流和有限射流,,,風(fēng)流型式及風(fēng)速—射流,自由射流風(fēng)流結(jié)構(gòu)主要參數(shù): 擴(kuò)張角θ和射流邊界層寬度R, 它們的計(jì)算式為: tg(θ/2)

12、=3.4a R = X tg(θ/2) = 3.4 a X a—射流風(fēng)流結(jié)構(gòu)系數(shù), 圓管a = 0.06～0.08 ;X—離射流極點(diǎn)的距離。射流體風(fēng)速分布：un—射流體軸線的風(fēng)速，m/s;ur—射流體內(nèi)距軸線r距離處的風(fēng)速,m/s。,,,,,風(fēng)流型式及風(fēng)速—匯流,分自由匯流(如空間點(diǎn)匯)和有限匯流(如實(shí)際風(fēng)筒入口的匯流)?？臻g點(diǎn)匯風(fēng)速計(jì)算：Q——匯流體積風(fēng)量，m3/s； r

13、——距點(diǎn)匯的距離，m；ｕr——r點(diǎn)處的風(fēng)速，m/s。風(fēng)速與距離r的平方成反比, 即距離增大, 風(fēng)速激劇降低。,,,,,,r,,,一、連續(xù)方程計(jì)算,流體力學(xué)連續(xù)方程: 一維流道： ∫s ρu ds = 常數(shù) 穩(wěn)定一維流動(dòng)，流經(jīng)流道各斷面的空氣質(zhì)量相等。平均速度Um：,,,§2.3 空氣流動(dòng)過程的基本方程,一、連續(xù)方程計(jì)算,一維流道風(fēng)流質(zhì)量連續(xù)方程： Um1S1ρ1=Um2S

14、2ρ2 式中 Um1、Um2——流道1、2斷面的平均風(fēng)速，m/s； S1、S2——流道1、2斷面的斷面積，m2；ρ1、ρ2——流道1、2斷面的空氣密度，kg/m3。等密度：即ρ1=ρ2時(shí)： Um1S1 = Um2S2,,,,一、連續(xù)方程計(jì)算,多支管(巷)道連續(xù)方程：節(jié)點(diǎn)分析法原理：流入、流出節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量的代數(shù)和為零。 式中下標(biāo)i表示節(jié)點(diǎn)處的第i分支；n表示節(jié)點(diǎn)處總的分支數(shù)；“±”

15、表示風(fēng)流的流動(dòng)方向。,二、能量方程,能量方程是風(fēng)流運(yùn)動(dòng)中能量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式。流體運(yùn)動(dòng)所具有的能量包括內(nèi)能U和機(jī)械能E，而機(jī)械能包括流體的靜壓能P，動(dòng)壓能ρυ2/2和位勢(shì)能Zρg，即E = P + Zρg +ρυ2/2 如圖所示的流體微束，流體從斷面1運(yùn)動(dòng)到斷面2的過程，由于與外界發(fā)生熱交換及對(duì)外界做功，其能量就要發(fā)生變化。,,,二、能量方程,,,,二、能量方程,根據(jù)熱力學(xué)第一定律有（U1 + E1）-（U2 + E2）= q

16、 + h U1、U2——分別為斷面1、2流體的內(nèi)能； E1、E2——分別為斷面l、2流體的機(jī)械能； q——流體與外界交換的熱量；h——流體對(duì)外界所做的功。對(duì)于絕熱過程q = 0；對(duì)于等溫過程U1=U2。則不可壓縮流體絕熱、等溫的穩(wěn)定流動(dòng)過程的能量方程為：,,,,二、能量方程應(yīng)用,有風(fēng)機(jī)能量方程： 水平管道，進(jìn)口與出口均為大氣壓時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H與風(fēng)流阻力h12之間的計(jì)算式：

17、 H = ρυ2 2/2 + h12,,,一、空氣壓力—測(cè)定,絕對(duì)壓力：水銀氣壓計(jì)空盒氣壓計(jì),水銀氣壓計(jì),,,§2.4 風(fēng)流參數(shù)的測(cè)定,空氣壓力—測(cè)定,水銀氣壓計(jì),,,,空盒氣壓計(jì),空氣壓力—測(cè)定,空盒氣壓計(jì),,,空氣壓力—測(cè)定,相對(duì)壓力測(cè)定方法：U型壓力計(jì)傾斜壓力計(jì)補(bǔ)償微壓計(jì)壓力傳感器型直讀壓力計(jì),,,空氣壓力—測(cè)定,,,U型壓力計(jì),空氣壓力—測(cè)定,原 理P=ρg（h1+ h2） =

18、ρg（1+ F2/F1）h2 =ρg（1+ F2/F1）Lsinα =KρgL K—儀器校正系數(shù)；,,,L—傾斜管的始末讀數(shù)差，mm；ρ—液體的密度，kg/m3,空氣壓力—測(cè)定,,,補(bǔ)償式微壓計(jì),空氣壓力—測(cè)定,補(bǔ)償式微壓計(jì),,,空氣壓力—測(cè)定,,,補(bǔ)償式微壓計(jì),二、風(fēng)速測(cè)定方法,,,,風(fēng)速測(cè)定方法—機(jī)械風(fēng)表,類型：杯式和翼式兩種。,,,,風(fēng)速測(cè)定方法—機(jī)械風(fēng)表,輕便型磁感風(fēng)向風(fēng)速表,,,,,,,,數(shù)字風(fēng)速表,風(fēng)速測(cè)定—機(jī)械

19、風(fēng)表,杯式：用于>10m/s的高風(fēng)速測(cè)定；翼式：用于0.1～10m/s的中等風(fēng)速測(cè)定，高敏度翼式風(fēng)表可測(cè)定0.1～0.5m/s的低風(fēng)速。測(cè)定計(jì)算：風(fēng)表指示表速N（轉(zhuǎn)/s或m/s） N=(Nt-N0) / t 實(shí)際風(fēng)速u換算： u = aN+b N0、 Nt—風(fēng)表的初始和最終讀數(shù)，轉(zhuǎn)； t——測(cè)定時(shí)間，s； a、b——常數(shù)； u——

20、測(cè)定的實(shí)際風(fēng)速，m/s。,,,風(fēng)速測(cè)定—機(jī)械風(fēng)表,,,風(fēng)速測(cè)定—熱球風(fēng)速儀,,,,風(fēng)速測(cè)定—熱球風(fēng)速儀,,,,熱式風(fēng)速計(jì),,,風(fēng)速測(cè)定—?jiǎng)訅悍?測(cè)出風(fēng)流動(dòng)壓Hu，后按下式計(jì)算出風(fēng)速：Hu為斷面風(fēng)流平均動(dòng)壓(Pa)，ρ為空氣密度(kg/m3)平均動(dòng)壓Hu確定：圓管等環(huán)面積法：測(cè)點(diǎn)圓環(huán)半徑計(jì)算,,,,風(fēng)速測(cè)定—?jiǎng)訅悍?Ri——第I個(gè)測(cè)點(diǎn)圓環(huán)半徑，m；R——管道半徑，m；i——從管道中心算起圓環(huán)序號(hào)；n——測(cè)點(diǎn)圓環(huán)數(shù)。一般直