風(fēng)管得熱與溫升
氣流在風(fēng)管內(nèi)傳輸流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)的低溫氣體，由內(nèi)外溫差作用，通過(guò)風(fēng)管管壁與外界發(fā)生熱交換。此而引起的管道內(nèi)部氣流溫度的變化稱為風(fēng)管溫。為減緩這種現(xiàn)象造成的冷量損失，通常在風(fēng)管管壁加裝保溫層來(lái)增加兩側(cè)流體之間的熱阻。
(1)風(fēng)管得熱
制冷工況時(shí)，從風(fēng)管的入口端到末端，管內(nèi)氣體過(guò)管壁獲得熱量，溫度升高。風(fēng)管內(nèi)氣流通過(guò)壁面與外界空氣熱交換的獲得的熱量為：
式中：Q 為獲得總熱量，kJ；C 為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；G 為管道內(nèi)風(fēng)量，kg/s；Δt 為管道溫升，℃。
(2)風(fēng)管溫升
從入口到末端，管內(nèi)氣體獲得的熱量，等于從管壁傳入的熱量。假定入口風(fēng)溫為 t0，出口風(fēng)溫為 ts，則可似取平均溫度 tavg 為：
式中：N 為風(fēng)管周長(zhǎng)平均值，m；L 為風(fēng)管長(zhǎng)度，m；ta 為圍空氣（環(huán)境）溫度，℃；K 為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；R保溫管道的熱阻，m·2 ℃/W
對(duì)于矩形風(fēng)管：
式中：αng 為內(nèi)壁換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；αwg 為外壁換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；δ 為保溫層厚度，m；D0 為風(fēng)管內(nèi)徑，；D1 為風(fēng)管外徑，m；λ0、λ1、λ2……為組成風(fēng)管主體的層基材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·2 ℃)。
由于外層的聚酯層貼面與內(nèi)層的防火層貼面的料厚度通常為 0.2 mm 甚至更薄，相對(duì)于中間的橡塑保溫層來(lái)說(shuō)保溫作用可忽略不計(jì)，因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算考慮可認(rèn)為此兩層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻為 0，因此式（4）、（5）可簡(jiǎn)化為式（6）、（7）：
外壁換熱系數(shù) αwg，取決于壁面粗糙度、外界工況件等，對(duì)于戶外場(chǎng)所，外壁面換熱系數(shù)一般取值 8.14W/(m2·℃) （也有學(xué)者給出的數(shù)值取值范圍為 8~10W/(m2·℃)），內(nèi)部氣流與風(fēng)管內(nèi)部接觸且高速流動(dòng)，內(nèi)壁表面換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于外壁換熱系數(shù)，因此 項(xiàng)可似趨近于 0，用于簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可按 0 值處理。
保溫厚度計(jì)算
計(jì)算保溫層厚度，通常采用防凝露法。防凝露法算保溫厚度的思路是，認(rèn)為外壁面的最低溫度，最等于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的露點(diǎn)溫度，以使風(fēng)管外表面不發(fā)生露現(xiàn)象。
因此，決定保溫層厚度的因素有：
1）風(fēng)管外表面溫度應(yīng)高于管壁外圍環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度。
2）為保證最端的送風(fēng)效果，風(fēng)管的末端的溫度不得高于可接受最高送風(fēng)溫度。
(1)板材及矩形風(fēng)管的計(jì)算
對(duì)于保溫板材及矩形風(fēng)管：
對(duì)于圓形風(fēng)管：
D1 由下式計(jì)算：
式中：δ 為保溫材料的厚度，m；tw 為風(fēng)管外表面溫度，℃。
(2)橢圓形風(fēng)管計(jì)算
對(duì)于截面為原型的風(fēng)管，其幾何直徑與水力半徑換算公式為：
式中：R 為水力半徑；A 為管道截面積；L 為管道濕周； 為管道直徑，即 d=4R。
與圓形風(fēng)管相對(duì)比，橢圓形風(fēng)管的當(dāng)量直徑 dε 用水力半徑表示為：
式中：dε 橢圓管道當(dāng)量直徑；a 為橢圓長(zhǎng)半徑；b 為橢圓半徑。
求出橢圓形管道當(dāng)量直徑后，通過(guò)式（11）將當(dāng)量直徑換算層等效的水力半徑，橢圓形管道當(dāng)量直徑代圓形管道計(jì)算式（10）即可。
計(jì)算示例
某處于室外環(huán)境的內(nèi)徑 457 mm，長(zhǎng)度 20 m 的橡塑復(fù)合風(fēng)管，入口風(fēng)速為 8 m/s，送風(fēng)溫度 11 ℃，環(huán)境度 33 ℃，環(huán)境濕度 85%，擬采用的橡塑復(fù)合風(fēng)管的熱系數(shù)為 0.031 W/(m·K)。樹(shù)上鳥(niǎo)教育暖通設(shè)計(jì)在線教學(xué)杜老師。
(1)保溫厚度計(jì)算
根據(jù)環(huán)境溫度與環(huán)境濕度，查表或計(jì)算得到環(huán)境點(diǎn)溫度 td 為 30.13 ℃。根據(jù)式（10），計(jì)算得到外徑 D1算過(guò)程如下：
求解得：D1=0.505 m。根據(jù)式（9），得到保溫厚度 δ 24 mm。即選用 24 mm 厚度規(guī)格的柔性保溫風(fēng)管即避免風(fēng)管外表面發(fā)生凝露現(xiàn)象。
(2)溫升計(jì)算
11 ℃時(shí)，空氣的定壓比熱可取為 1.025 kJ/(kg·K)，度可取為 1.24 kg/m3，根據(jù)式（7），求解得：熱阻 R=.5902 m·2 ℃/W。
根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算得：ts=11.665 ℃，則此 20 m度管段溫升為 0.665 ℃。
結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的矩形、圓形的橡塑復(fù)合風(fēng)管的溫厚度及溫升計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)，并通過(guò)具體的計(jì)算案例詳述了數(shù)值計(jì)算過(guò)程，通過(guò)當(dāng)量直徑的替代的方法把此計(jì)算過(guò)程擴(kuò)充到扁圓形管型。計(jì)算過(guò)程中根實(shí)際情況進(jìn)行了部分?jǐn)?shù)值的簡(jiǎn)化、取值，并詳述了原闡述。通過(guò)本文的綜合分析，得到了如下的結(jié)論：
1）防凝露法選型是橡塑復(fù)合風(fēng)管厚度選型的快捷用的方法。
2）由于內(nèi)外貼面層的厚度遠(yuǎn)小于中間的橡塑保溫，計(jì)算風(fēng)管溫升時(shí)對(duì)此兩層結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻進(jìn)行忽，以用于簡(jiǎn)化計(jì)算的過(guò)程是可取的。
3）由于通風(fēng)管道內(nèi)部的流速一般情況下大于m/s，絕大部分常規(guī)送風(fēng)狀態(tài)時(shí)風(fēng)管內(nèi)部流動(dòng)處于紊及湍流狀態(tài)，內(nèi)部氣流與風(fēng)管內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈熱交換，風(fēng)內(nèi)壁與內(nèi)部氣體的表面換熱熱阻遠(yuǎn)小于橡塑保溫的導(dǎo)熱熱阻，因此計(jì)算值對(duì)管道內(nèi)部與氣流交界面換熱熱阻按 0 值處理也是可取的。
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