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1、实验分析空调系统柔性风管压力损失特性 E x p e r i m e n t a lA n a l y s i sP r e s s u r eD r o pC h a r a c t e r i s t i c s i nF l e x i b l eD u c t i n gi nA i rC o n d i t i o n i n gS y s t e m s 天津商学院刘泽勤 摘要；本文描述了空调通风系统中柔挂风管的压力损失特性的实验和分析研究。该研究目的是通 过实验来确定柔性风管的压力损失，即摩擦阻力研究对象为柔性风管在全伸展状态时的工况用 束计算阻力系数的数学模型为J a i n
2、提供的A 、C o l e b r o o k - W h i t e 模型中开发出来的计算公式本文所展 示的风管阻力计算图可用于空调工程设计中柔性风管的阻力计算获得的实验数据显示，在全伸展 的工作情况下，聚酯柔性风管的绝对粗糙度k + 小于铝制柔性风管将实验值与美国暖通空调制冷协 会( A S H R A E ) 手册所提供的资料相比较，聚酯柔性风管的绝对粗糙度k s 比A S H R A E 手册提供的柔性风 管资料要小，而铝制柔性风管绝对粗糙度k 。大于A S H R A E 手册的提供值 美键词：柔性风菅，压力损失，柔性风管阻力计算图 1 引言 随着中国现代化的迅速发展，人民生活水平的
3、提高，对生活和工作中的环境空气品质和温湿度 的要求也越来越高，空调已广泛地应用在人类生产生活中的各个领域。纵观国际空调工程设计潮流， 随着科学技术的进步，高静压低噪声的新型风机的普遍使用，柔性风管阻力较大的缺点得到进一步 的解决而它所具备的灵巧、便于施工、投资省、方便改装等的优点得到进一步的发挥。柔性风管 从当初在小型空调系统如公寓单元的家庭式集中空调的应用，发展到如图1 所示的大型集中空调系统 中的广泛使用。 虽然许多空调系统都使用柔性风管，但学术界有关柔性风管阻力的研究和相应的计算资料、信 息等非常有限。A S H R A E 手册“1 ，机械工程服务设计援助等”1 ，仅为空调系统的设计提
4、供了一些柔 性风管的建议取用值。本文描述了柔性风管在全伸展的工作情况下空调通风系统中压力损失特性 的实验和分析研究。实验结果所产生的一系列实验曲线( 柔性风管阻力计算图) 可用来显示柔性风 管的压力损失与通过风管的风量、风管管径以及管内风速的变化关系。这些资料可直接用来计算空 调系统设计中所需的聚酯柔性风管和铝制柔性风管的阻力。 2 理论模型 管内流体的压力变化常常用实验的方法来表示出“压头“或“摩擦损失”，对于在管径恒定不 变条件下的管内流体，则采用取决于雷诺数的摩擦系数和管壁的粗糙度来表示。风管的摩擦力主要 由粘性力和因紊流和漩涡而产生的散逸能组成，从本质上讲，粘性是产生流动阻力的根本原因
5、。摩 擦阻力损失沿着风管的长度而出现，某一管段风管的摩擦阻力p ，可用公式( 1 ) 来计算： 卸，= ，去譬， ( 1 ) 式中，为管道的摩擦系数，三为风管的长度，D 为风管的管径，p 为管内空气密度，矿管内平 1 6 4 均流速。 图l 柔性风管在中央集中空调系统中的应用 对于层流，摩擦系数仅是雷诺数的函数。而对于紊流，公式( 1 ) 中的摩擦系数，不仅取决于雷诺 数而且还与管壁的粗糙度以及管内的突出物有关如风管的连接点等。由于空调管道系统中空气 流动的实际情况绝大多数出现在大于雷诺数3 0 0 0 的工况，故本研究仅考虑风管内紊流状态时的摩擦 阻力。 对于风管管内的空气流，常用的由C o
6、 I e b m o k 和w h i l e 推导的半经验公式可以用来计算风管的摩擦 系数： 专q 魄岛+ 莘 ， 式中，为柔性风管的绝对粗糙度，I k 为雷诺数。 然而，公式( 2 ) 显示，摩擦系数，与相对粗糙度七。D 以及雷诺数R e 包含着叠代计算过程， 为解决这个问题，J a i n 在1 9 7 6 年。1 建立了另一个计算摩擦系数的数学模型为： 芦1 = 1 1 4 - 2 1 0 9 - 亳- + 话2 1 2 5I 。 。) 由公式( 3 ) 中显示，摩擦系数，由雷诺数R e 和相对粗糙度七。D 确定。将该公式与 C o l e b r o o k - W h i t e
7、的公式( 2 ) 进行精确度核对 3 】，发现对于相对粗糙度七，D ，当其在范围 - 1 6 5 1 0 6 兰。D 1 0 - 2 并且雷诺数R e 在其范围5 1 0 3 R e 1 0 8 时，误差在1 O 以内。而对于 更接近实际状况的相对粗糙度k 。D 和雷诺数R e 的应用范围1 0 。k 。D 1 0 。以及 1 0 。4 R e 1 0 7 ，误差则降到0 。5 以内。由此看出，J a i n 所推出的公式在应用上已足够精确， 并且具有容易处理的特点可应用于风管内流体的紊流计算。 由于无数变量可能存在的影响如管道的尺寸、形状、以及风管内表面粗糙度的分布，通过直 接测量来给出风管
8、的平均粗糙度是相当困难的。应此，本研究为通过测量管道的压力损失来获取整 段风管长度的摩擦损失，摩擦系数可由公式( 1 ) 中求出： ，：2 z 与o l 。( 4 ) ，一 D L p V 用公式( 3 ) 求出管道壁的绝对粗糙度t ； 弘。p “专 一斟 具体实验中，将通过密闭测量仓上用来控制空气流的喷嘴装置来测量风管的空气流量Q ，空气 流量O 可用A S H R A E 标准4 1 2 - 1 9 8 7 “1 所提供的模型来计算： o o o G “。妒( 等) 。5 ， 式中，C 为喷嘴流量系数，4 为喷嘴出口的横截面积，Y 为膨胀系数，昂为喷嘴两侧的压力降a 3 实验测量 用来测量
9、柔性风管压力损失的实验装置如图2 所示，由无级调频电动机带动的离心风机控制着测 量仓上用来控制空气流的喷嘴的前后压力降，四个喷嘴安装在密闭测量仓内的喷嘴板上。渐进收缩 风管安装在密闭测量仓的出口处，用来连接所测量的柔性风管，圆形附加管段连接在柔性风管的出 口，风筛安装在密闭测量仓靠近渐进收缩风管出口处，用来产生均衡的空气流型并减少气流充分发 展所需要的管道长度”。 图2 柔性风管压力损失实验示意图 在实验中，选用最常用的聚酯柔性风管和铝制柔性风管作为测量风管，风管的管径从1 5 0m m 到5 5 0m m ，平均每根所测的管段长为6m 。 一1 6 6 4 实验结果 用上述数学模型对实验测量
10、结果进行分析计算，得出两种柔性风管的绝对粗糙度k 。值，其中聚 酯柔性风管的绝对粗糙度t 为o 0 0 2 3 7 ，而铝制柔性风管绝对粗糙度，为o 0 0 3 4 9 。根据实验获得的 绝对粗糙度t ，利用本文介绍的数学模型，参考美国暖通空调制冷协会( A S H R A E ) 手册所提供的 风管阻力计算图的模式绘制出铝制柔性风管和聚酯柔性风管完全展开时的阻力计算图，如图3 和图 4 所示。 5 讨论和结论 实验结果的数据显示，聚酯柔性风管的绝对粗糙度后。在全伸展的情况下要小于铝制柔性风管绝 对粗糙度。这就意味着在相同雷诺数的条件下，铝制柔性风管的压力损失要大于聚酯柔性风管。将 实验结果与
11、9 3 年版的A S H R A E 手册基础篇中介绍的推荐值相比较，发现在风管全伸展的条件下，聚 酯柔性风管的绝对粗糙度t 要小于A S H R A E 手册中介绍的非金属柔性风管的绝对粗糙度七。，而铝制 柔性风管绝对粗糙度七，要略大于A S H R A E 手册中的金属柔性风管的绝对粗糙度。 虽然缺乏有关聚酯柔性风管和铝制柔性风管材料的详细资料，但在实验中通过亩观的实验观察 发现，聚酯柔性风管的管内表面要比铝制柔性风管的内表面光滑，这个明显的客观材料特性从另一 方面趋向于支持获得的实验结果。 参考美国暖通空调制冷协会( A S H R A E ) 手册所提供的风管阻力计算图的模式，图3 和
12、图4 显示 了铝制柔性风管和聚酯柔性风管在完全展开条件下的阻力计算图。这些风管阻力计算图可直接用于 空调工程设计中柔性风管的阻力计算，这些实验研究成果值得在我国的空调工程设计中推广应用。 图3 铝制柔性风管完全展开阻力计算图 图4 聚酯柔性风管完全展开阻力计算图 一1 6 7 参考文献 1A S H R A EH A N D B O O K ，F u n d a m e n t a l s ，S IE d i t i o n ，A m e r i c a nS o c i e t yo fH e a t i n g , R e f r i g e r a t i o na n d A i rC
13、 o n d i t i o n i n gE n g i n e e r s ，I n e A t l a n t a ，1 9 9 3 2M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS e r v i c e sD e s i g nA i d s ，N o D A 3 ，A i rC o n d i t i o n i n gD u e tD e s i g nM a n u a l ， A u s t m i l a nG o v e r n m e n tP u b l i s h i n gS e r v i c e C a n b e 帆1 9
14、 8 7 3A k a l a n kK J a i n ，A c c u r a t eE x p l i c i tE q u a t i o nf o rF r i c t i o nF a c t o r , A S C E ，V o l u m e1 0 2 ，N o H y 5 M a v 1 9 7 6 N e wY o r k 4 A S H R A E S t a n d a r dM e t h o d sf o rL a b o r a t o r yA i t - F l o wM e a s u r e m e n t , S t a n d a r d41 2 1
15、9 8 7 A t l a n t a 6 A S H R A E ，S t a n d a r dM e t h o d so fT e s t i n gF o r c e dC i r c u l a t i o nA i rC o o l i n ga n dA i rH e a t i n gC o i l s ， S t a n d a r d3 3 1 9 78 ，A t l a n t a , 1 9 7 8 7 A S H R A E 。s t a n d a r dM e t h o df o rP r e s s u r eM e a s u r e m e n t ,
16、s t a n d a r d4 1 3 - 1 9 8 9 ，A t l a n t a , 8 A S H R A E ，S t a n d a r dM e t h o df o rM e a s u r e m e mo fF l o wo fG a s , S t a n d a r d4 1 7 1 9 8 4 ( R A 9 1 ) ， A t l a n t a ，1 9 9 1 9 B e n e d i c t ，R P ，F u n d a m e n t a l so fT e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dF l o wM e a s u r e m e n t s ，1 9 8 9 ( P , a 9 1 ) 。 A t l a n t a , 3 r de d i t i o n
