局部排氣裝置導管設計程式 設計理念
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局部排氣裝置導管設計程式 設計理念. 長榮大學 陳友剛. 管段. 相同管徑的一段導管 管段中無其他導管匯入與匯出 沿管段設有不會改變管徑的管段配件 根據上遊端(管首)配件分類: 氣罩(對外開放吸氣口): 0 進 1 出 擴縮管(改變不同管段間的管徑): 1 進 1 出 合流(叉管、歧管): 2 進 1 出 排氣機(風扇):每套系統只有一個 出口:每套系統只有一個,無導管 其他接頭(空氣清淨裝置等): 1 進 1 出. 各類管段. 管首配件. 管段配件. 氣罩管段. 擴縮管段. 其他管段. 合流管段. 各類管段. 排氣機管段. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
局部排氣裝置導管設計程式設計理念長榮大學陳友剛
管段• 相同管徑的一段導管• 管段中無其他導管匯入與匯出• 沿管段設有不會改變管徑的管段配件• 根據上遊端(管首)配件分類:– 氣罩(對外開放吸氣口): 0 進 1 出– 擴縮管(改變不同管段間的管徑): 1 進 1 出– 合流(叉管、歧管): 2 進 1 出– 排氣機(風扇):每套系統只有一個– 出口:每套系統只有一個,無導管– 其他接頭(空氣清淨裝置等): 1 進 1 出
各類管段
管段配件 管首配件
其他管段
合流管段
氣罩管段 擴縮管段
各類管段
排氣機管段 其他管段不計算管首配件的壓損 管首配件壓損計算方式:
•給定壓損值•給定壓損係數
出口管段無導管,但要計算管首壓損
配件壓力損失係數的計算方式• 給定壓損值: TP or SP• 給定壓損係數 C: TP = C VP–注意:壓損係數的定義
• 根據配件的幾何形狀,使用 ACGIH 經驗公式
全壓靜壓
動壓
注意:壓損係數的定義• 以擴張管為例:–進口風速 v1 = 12.0 m/s
–進口管徑 d1 = 0.10 m
–出口管徑 d2 = 0.12 m
–進口全壓 TP1 = -100 mmAq
–出口全壓 TP2 = -120 mmAq
1 2
注意:壓損係數的定義• 出口風速: v2 = v1(d1/d2)2 = (12.0)(0.1/0.12)2 =
8.33 m/s• 進口動壓 VP1 = (v1/4.04)2 = (12.0/4.04)2 = 8.82
mmAq• 出口動壓 VP2 = (8.33/4.04)2 = 4.25 mmAq• 進口靜壓 SP1 = TP1 – VP1 = -100 – 8.82 = -
108.8 mmAq• 出口靜壓 SP2 = TP2 – VP2 = -120 – 4.25 = -
124.3 mmAq
如何定義壓損係數1 2
1 2
SP -108.8 -124.3
VP 8.82 4.25
TP -100 -120
VPpF
用 TP 還是 SP ?用 VP1 還是 VP2 ?
SP = SP1 – SP2 = 15.5 mmAq
一部份動壓轉換成靜壓,形成 static gain
TP = TP1 – TP2 = 20 mmAq反映能量損失
各種壓損係數• 用 VP1 與 TP : F = (TP1 – TP2) /VP1 = 2.27
• 用 VP2 與 TP : F = (TP1 – TP2) /VP2 = 4.71
• 用 VP1 與 SP : F = (SP1 – SP2) /VP1 = 0.51
• 用 VP2 與 SP : F = (SP1 – SP2) /VP2 = 1.06• 不同技術手冊定義不同
ASHRAE 慣用ACGIH 氣罩
ACGIH 使用 SP 的設計表
再舉一個氣罩的例子• 氣罩後方導管風速 v2 = 10.0 m/s• 該處 TP2 = -5.0 mmAq• 氣罩前方 TP1 = SP1 = VP1 = 0• VP2 = (10.0/4.04)2 = 6.13 mmAq• SP2 = TP2 – VP2 = -11.1 mmAq• 用 TP 與 VP2 = (0 + 5)/6.13 = 0.81• 用 SP 與 VP2 = 11.1/6.13 = 1.81
1 2
ACGIH 使用 SP 的設計表:acceleration factor
動壓真正的定義• VP = v2/2–公制單位: Pa or N/m2
• 技職教育的用法,在 1 atm 20 ℃( = 1.2 kg/m3) 時:– VP = (v/4.04)2
• VP (mmAq)、 v(m/s)– VP = (v/4005)2
• VP(inAq)、 v(fpm or ft/min)
空氣密度導管內平均風速
管段壓力損失的計算方法• TP = SP = (L/d)fVP
對平直導管而言,兩端 VP 相同,故無差別
管段全長管徑
Darcy Factor :用根據 Moody diagram 曲線建立經驗公式
Moody Diagram
103 104 105 106 107
0.01
0.02
0.03
0.04
平滑0.000005
0.00015
0.00050.0030.01
相對粗糙度/d
過渡區
層流區
紊流區
雷諾數(Re)
摩擦係數(
f)
Churchill 近似公式12/1
2/312
)(88
BA
Ref
169.0
7.37ln457.2
dReA
1637530
ReB
vdRe
= 1.2 kg/m3( 20°C ) = 1.78178 × 10-5 Pa-s
0.001
0.01
0.1
3 4 5 6 7 8
f
Re
粗糙度
材料 (m)玻璃、塑膠 0 (光滑)銅、鉛 1.5×10-6
鋼、熟鐵 4.6×10-5
軟鐵(光面塗層) 1.2×10-4
軟鐵(未光面塗層) 2.4×10-4
混凝土 1.2×10-4
鉚鐵 1.8×10-3
27.02
TP22
/ρv
K 10.02
TP22
/ρv
K
如何決定壓損係數• 自行測試(壓力計,建議採用)• 廠商提供資訊• 經驗公式或圖表(最後手段)
風速
壓力損失
風量
壓力損失
動壓
壓力損失P = C VP
v = Q/A
P = K v 2
VP= v2/2
如何決定氣罩風量• 法令要求:控制風速與抑制濃度要求• 作業人員個人採樣• 煙霧測試或追蹤氣體• 方法:–測試(建議採用)–圖表或經驗公式
控制風速
氣罩風量
ln(抑制濃度)或ln(個人採樣濃度)
ln(氣罩風量)
局部排氣導管設計基本要求• 每一氣罩風量須高於需求值• 每一導管風速須高於搬運風速(由此決定最大管徑)• 其他考慮因素:–導管內物質濃度–風速上限:靜電、管壁摩耗、物料損失
程式中無法列入考量
如何決定搬運風速污 染 物 例 搬 運 風 速( m/s )蒸氣、氣體、煙塵 所有蒸氣氣體與煙塵。 任何風速均可(以 5-6
m/s 較為經濟)燻煙 鋅與氧化鋁燻煙。 7-10非常微細的輕灰塵 棉紗、木粉、石粉。 10-12.5乾粉塵與細粉 細橡皮塵、電木粉塵、棉塵、輕刮
屑、肥皂粉塵、皮革刮下屑。12.5-17.5
一般工業粉塵 重且濕的鋸木屑、研磨塵、乾磨光絨、毛黃麻塵(振盪器廢渣)、咖啡豆、製鞋灰塵、花崗岩塵、矽粉、一般物料處理、初磚、黏土塵、石灰石塵、紡織工業中棉的打包與稱重時放出的粉塵。
17.5-20
重粉塵 金屬塵、噴砂灰塵、木塊、豬廢料等處理粉塵。
20-22.5
重或潮濕粉塵 鉛塵夾有小鑄塊、潮濕黏合粉塵、切管機切管時之石棉或塑膠塵、具黏性磨光絨、生石灰塵。
22.5以上污染物愈濕黏 搬運風速愈大程式中可設定容許餘裕
導管中的平衡原則• 相當於電路學中的 Kirchhof’s Law• 風量平衡(質量守恆)
• Q3 = Q1 + Q2
1
2
3
分流問題
Q3 = Q1 + Q2
Q1 = ?
Q2 = ? Q3 已知
導管中的平衡原則• 壓力平衡:沿不同路徑所計算得相匯點處的 TP 或 SP 應相同(能量守恆)
1
2
3A
B
管徑決定方式• 給定管徑• 根據各管段搬運風速決定最大管徑– 搬運風速是導管風速下限值,由所需搬運的物質決定– 檔板平衡法( blast gate balance ):
• 管徑 = 由搬運風速所定的最大值• 決定檔板所需要的壓損,使相匯兩管段累積(含上遊)壓損一致
– 導管平衡法• 調整管徑使相匯兩管段累積壓損一致或在一定範圍內
ACGIH 設計法—導管平衡給定 Q1
給定 Q2
計算 v1、 SP1 與最大管徑
計算 v2、 SP2 與最大管徑SP 較低側增
加 Q 直到兩側 SP 相同 => 增加壓損
增加 Q1
也可以降低 Q2 使兩側 SP 相同=> 會使 Q2 低於需求值
ACGIH 設計法—導管平衡給定 Q1
給定 Q2
計算 v1、 SP1 與最大管徑
計算 v2、 SP2 與最大管徑
必必必必必 SP 較低側管徑 => 減少 Q 的增加量,但會增加 v
也可以增加另側管徑=> 會使另側 v 低於搬運風速
ACGIH 設計法—檔板平衡給定 Q1
給定 Q2
計算 v1、 SP1 與最大管徑
計算 v1、 SP2 與最大管徑
必必必必必 SP 較低側壓損 => 無需調整 Q 與 v
ACGIH 設計平衡法低高靜壓側靜壓絕對值比
方 法
大於 0.95 不必調整流量或管徑,計算靜壓時採用高靜壓絕對值為基準,繼續運算。
在 0.8 至 0.95 之間 以下列方式修正低靜壓絕對值側導管風量:
Q Q修正 原設計值靜壓絕對值較高一側
靜壓絕對值較低一側
|SP ||SP |
/1 2
小於 0.80 調整低靜壓絕對值側導管管靜管徑,增加該側壓力損失。
初算直徑初算風速
|SP | > |SP | ?1 2
|SP |/|SP | > 0.95 ?1 2 |SP |/|SP | > 0.95 ?2 1 平 衡
|SP |/|SP | > 0.8 ?1 2 |SP |/|SP | > 0.8 ?2 1
合流點上游主導管側及其上游所有導管通風量與風速均乘上(|SP |/|SP |) 1/2
2 1
合流點上游支管側及其上游所有導管通風量與風速均乘上(|SP |/|SP |) 1/2
1 2
合流點上游主導管管徑按標準規格降低一級
合流點上游支管管徑按標準規格降低一級
是否
是
否
是
否
是 是
否否
設計範例
A B
E1
E2
E3
E4
F
O
3m
3m3m
0.6m 0.6m
2.4m
8m
各氣罩風量需求:8.5 m3/min各導管最低搬運風速:23 m/s
空氣密度 = 1.2 kg/m3
導管摩擦損失因數 f = 0.0243肘管壓力損失係數 Fe = 0.22氣罩壓力損失係數 Fh = 0.85
A-E4︰最大導管斷面積 A: Q/v = 8.5/60/23 = 0.006159 m2
最大管徑: (4A/)1/2 = 0.089 m選取 d = 0.08 m導管面積 A: d2/4 = 0.005027 m2
風速 v: Q/A = 8.5/60/0.005027 = 28.18 m/s動壓 VP = v2/2 = (1.2)(28.182)/2 = 476 Pa導管壓損係數: f ×L/d = (0.024)(11.6/0.08) = 3.52加上其他壓損係數得 F : 4.81( 3.52 + 2Fe + Fh = 3.52 + (2)(0.22) + 0.85 = 4.81 )本導管全壓損失: F×VP = (4.81)(476 Pa) = 2290 Pa導管末端全壓: 0 – 2290 Pa = -2290 Pa導管末端靜壓: SP = TP – VP = -2290 – 476 = -2766 Pa( or -(4.81 + 1)(476) )
F VP
acceleration factor
B-E4︰如前述…選取 d: 0.08 m本導管靜壓損失係數: F = (0.0243)() + 0.85 + 0.22 本導管靜壓損失: F×VP = (4.01)(48.67) = 195 mmAq導管末端靜壓: -195 mmAq 比較 A-E4 與 B-E4︰
導管末端靜壓值相對差: 1-195/278 = 30 % > 20%風量可能過大,可藉下列方法解決: 減少 A-E4 壓損,增加該管管徑: A-E4 風速會降低至最小搬運風速以下,故不採行增加 B-E4 壓損,以檔板提供 287-195 = 92 mmAQ 的壓損,此為檔板平衡法增加 B-E4 壓損,減少該管管徑,此為設計平衡法
減小 B-E4 管徑:如前述…選取 d: 0.07 m本導管靜壓損失: F×VP = (4.18)(83.02) = 347 mmAq導管末端靜壓: -347 mmAq
比較 A-E4 與 B-E4︰
導管末端靜壓值相對差: 1-278/327 = 20 % > 5% 未達壓力平衡,解決方案:降低 B-E4 風量︰會使氣罩 B 風量低於需求值,故不採行提高 A-E4 風量
提高 A-E4 風量︰力求 A-E4 與 B-E4 末端( E4 )達到靜壓平衡將 A-E4 風量調整至 8.5(327/278)1/2 = 9.5 m3/min如前述…本導管靜壓損失: F×VP = (5.68)(60.75) = 347 mmAq導管末端靜壓: -347 mmAq
繼續下游導管計算 …︰風量為 A-E4 與 B-E4 的總合導管末端靜壓值由 A-E4 與 B-E4 絕對值較高者開始累加
進入程式或全新設計
只有出口與排氣機兩種管段
完成的設計
計算所得兩側靜壓值
管段名稱
氣罩管段
合流管段
顯示管段連接關係,線段長度不代表管長
管首配件設定
氣罩參數
管段參數
管段參數
管段配件管理
管段配件管理
合流配件設定
安裝管段
標準規格管徑
更新版本• 容納 ACGIH 對合流壓損計算的修正• 相容新的作業系統(程式與 setup 程式):– VISTA– 64 位元操作系統( XP 與 VISTA )