王海霞 吳騰飛 周義德 王朝根

（1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450064；2.鄭州工商學(xué)院，河南鄭州，451400；3.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007；4.夏邑恒天永安新織造有限公司，河南商丘，476400）

長(zhǎng)期以來，由于工程施工難度和設(shè)計(jì)計(jì)算過程的復(fù)雜性，紡織車間吸風(fēng)溝道均采用簡(jiǎn)單的沿氣流方向逐步下沉的梯形斷面，吸風(fēng)口和溝道連接采用地溝蓋板留孔，90°直接接入溝道的方式。鑒于車間吸風(fēng)溝道的清掃要求，需保證最小斷面尺寸，為滿足工人操作空間，地溝首端尺寸不能太小。工程設(shè)計(jì)均采用確定地溝首端最小尺寸，地溝尾端保證一定風(fēng)速的梯形漸變截面設(shè)計(jì)方法。這樣造成的結(jié)果就是吸風(fēng)口支管90°直接匯入地溝，每個(gè)吸風(fēng)口支管接入時(shí)，匯流直管段局部阻力增加，多個(gè)支管匯流，溝道末端匯流直管段局部阻力疊加在一起，再加上沿溝道流動(dòng)方向的摩擦阻力損失，致使溝道末端的靜壓大于首端靜壓，造成吸風(fēng)口吸風(fēng)不勻的現(xiàn)象。溝道尾端吸風(fēng)量大于首端，影響車間氣流組織均勻，造成車間中部溫度較高、相對(duì)濕度降低、飛花較多。夏季細(xì)紗機(jī)車尾箱內(nèi)排風(fēng)不暢，熱風(fēng)向車間內(nèi)外溢，使車尾局部區(qū)域溫度升高、熱感增加、相對(duì)濕度降低，影響車間正常生產(chǎn)。本研究依據(jù)均勻吸風(fēng)的基本理論和方法，對(duì)現(xiàn)有車間溝道設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和分析，提出滿足工程設(shè)計(jì)和施工要求、改善均勻吸風(fēng)條件和優(yōu)化溝道設(shè)計(jì)的方法，以有效解決溝道吸風(fēng)不勻問題，改善車間溫濕度環(huán)境。

1 均勻吸風(fēng)理論分析

1.1 實(shí)現(xiàn)均勻吸風(fēng)的條件

紡織車間吸風(fēng)溝道設(shè)計(jì)如圖1 所示，有面積為f的吸風(fēng)口n個(gè)，自首端至尾端吸風(fēng)口吸入風(fēng)速依次為v1至vn，吸風(fēng)溝道內(nèi)各段的風(fēng)速依次為V1至Vn。

圖1 上部開孔變截面吸風(fēng)道及其壓力分布圖

實(shí)現(xiàn)均勻吸風(fēng)就是要保證第1 個(gè)吸風(fēng)口風(fēng)量至第n個(gè)吸風(fēng)口風(fēng)量相等。在各吸風(fēng)口截面積和結(jié)構(gòu)相同的條件下，各吸風(fēng)口的局部阻力系數(shù)相等，要保持各吸風(fēng)口風(fēng)量相等，則要求各吸風(fēng)口處風(fēng)速和管內(nèi)外的靜壓值相等［1］。

1.2 吸風(fēng)溝道內(nèi)的壓力分布

紡織車間吸風(fēng)溝道內(nèi)的壓力分布如圖1 所示。隨著各吸風(fēng)支管的風(fēng)量匯入，溝道截面隨氣流方向增加值有限，溝道內(nèi)的風(fēng)速逐漸增大，溝道內(nèi)的動(dòng)壓也逐漸變大。由于三通匯流的接入，在匯流處會(huì)有局部阻力產(chǎn)生，再加上溝道內(nèi)沿程阻力損失，使得溝道尾端的靜壓大于首端靜壓。圖1 中，ab線表示大氣壓力線（為水平線）；df線表示首端吸口的靜壓值；dc線表示溝道內(nèi)的全壓損失，由于溝道內(nèi)沿程和局部阻力損失是沿氣流流動(dòng)方向增加的，因此全壓線dc越來越低；de線表示溝道內(nèi)的靜壓，由于溝道內(nèi)沿氣流方向風(fēng)速增加，使動(dòng)壓值也逐步增加，最終形成靜壓de線也是越來越低［2］。

假設(shè)溝道上部吸風(fēng)口斷面尺寸、結(jié)構(gòu)都相等。要達(dá)到每個(gè)吸風(fēng)口或分支管的吸風(fēng)量相等，則要求溝道內(nèi)各開孔處與支管連接處的靜壓相等，即要使圖1 中各吸風(fēng)口處靜壓值Pj相等或接近（即de線變緩）。這就要求一方面減小溝道內(nèi)的風(fēng)速，使動(dòng)壓Pd沿管道氣流方向增加不多，另一方面要減小溝道內(nèi)的沿程和局部阻力損失，使dc線沿氣流方向增加值減小。但由于地溝內(nèi)的風(fēng)量是沿氣流方向增加的，截面積尺寸增加受到土建造價(jià)和粉塵飛花沿氣流輸送的制約，面積增加有限，最終溝道內(nèi)風(fēng)速和動(dòng)壓值是逐漸增加的。由于阻力損失的客觀存在，工程上只能將溝道首尾端靜壓差和吸風(fēng)量差別控制在一定范圍內(nèi)。所以，控制溝道內(nèi)風(fēng)速、降低沿程和局部阻力損失成為保證各吸風(fēng)口均勻吸風(fēng)的關(guān)鍵。

1.3 壓力損失的計(jì)算

1.3.1 沿程阻力

流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于黏滯性和溝道表面粗糙度引起的流體質(zhì)點(diǎn)與管壁之間的摩擦產(chǎn)生的阻力損失，稱為摩擦阻力損失。流體在截面與形狀不變的管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，每單位長(zhǎng)度的摩擦阻力稱為比摩阻，摩擦阻力損失計(jì)算公式如式（1）所示［3］。

式中：hm為溝道摩擦阻力損失（Pa）；Rm為單位長(zhǎng)度摩擦阻力（Pa/m）；l為溝道長(zhǎng)度（m）；ρ為流體密度（kg/m3）；λ為摩擦阻力系數(shù)；d為圓管或矩形管道當(dāng)量直徑（m）；對(duì)矩形溝道d=2ab/（a+b），a、b分別為溝道的寬和高；V為溝道內(nèi)平均風(fēng)速（m/s）；R為管道水力半徑（m）。

摩擦阻力系數(shù)λ由雷諾數(shù)和管壁粗糙度所決定，計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：K為溝壁絕對(duì)粗糙度（mm）；Re為雷諾數(shù)。

從沿程阻力計(jì)算公式可以看出，溝道內(nèi)的沿程阻力損失和溝道斷面尺寸、溝道內(nèi)平均風(fēng)速、溝壁絕對(duì)粗糙度有關(guān)。紡織車間溝道多采用鋼筋混凝土溝壁，壁面不光滑，運(yùn)行中容易受潮和集塵，對(duì)沿程阻力損失影響較大。

1.3.2 局部阻力

在紡織車間的吸風(fēng)溝道內(nèi)，由于各吸風(fēng)支管的風(fēng)量匯入，在溝道合流處形成匯流三通，會(huì)形成局部壓力損失。在匯流三通中，決定匯流三通壓力損失的主要因素是三通配件的結(jié)構(gòu)形狀，支管與總管之間的夾角，直通管、支管和總管的面積比和流量比，如圖2 所示，其中V、L、F分別表示管道的流速、流量和面積。合流時(shí)，當(dāng)兩股以不同速度運(yùn)動(dòng)著的流體作紊流混合時(shí)，在混合介質(zhì)的分子間發(fā)生動(dòng)量交換，此時(shí)具有較大速度的流體，損失一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)讓給以較小速度運(yùn)動(dòng)的流體。以局部阻力系數(shù)表示的話，前者始終是正值，后者因?yàn)楂@得了一部分能量，局部阻力系數(shù)有可能是負(fù)值。不同的匯入角度，會(huì)造成匯流處的理論速度V′zo和實(shí)際速度Vzo有變化，形成不同的局部阻力系數(shù)［4］。

圖2 匯流三通示意圖

匯流三通當(dāng)匯入角為α?xí)r，匯流三通總管理論匯流速度如式（3）所示。匯流三通處直管段和支管段的局部阻力損失如式（4）、式（5）所示［5］。

由式（3）可以看出，當(dāng)吸風(fēng)口支管采用90°直接接入溝道時(shí)，cos α=0，Lzo＞Lz，所以＜Vz＜Vzo。

1.4 改善溝道內(nèi)靜壓差的措施

（1）降低溝道內(nèi)的流速。由于溝道內(nèi)沿程壓力損失、局部阻力以及動(dòng)壓數(shù)值均與風(fēng)速有關(guān)，并與風(fēng)速呈二次方關(guān)系。降低溝道內(nèi)風(fēng)速就會(huì)使總的壓力損失減少，最終使得de線變緩，溝道首尾端靜壓差減小。但是這就要求增大溝道截面積，會(huì)造成開挖土方量大、土建費(fèi)用增加和溝道布置困難等，還要考慮車間飛花沿氣流流動(dòng)時(shí)的沉降，溝道內(nèi)速度又不能太低。需要兼顧兩者關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，一般情況下溝道內(nèi)速度宜控制在5 m/s～7 m/s。

（2）改善溝道表面光滑度。近年來多數(shù)企業(yè)為減少溝道表面的粗糙度，采用了地溝周邊貼瓷磚的方法，可有效提高溝道表面光滑度，減小氣流摩擦阻力，減少溝道沿程阻力損失，效果明顯。

（3）提高吸風(fēng)口真空度。采用減小吸風(fēng)口面積，增加吸風(fēng)口風(fēng)速的方法增加吸風(fēng)口真空度，這也是近年來新型紡織車間常用的一種方法。吸風(fēng)口由原來的格柵吸風(fēng)口改為條縫吸風(fēng)口，吸風(fēng)口速度由原來的6 m/s～8 m/s 提高到12 m/s～15 m/s，大幅提高了吸風(fēng)口的真空度，減小了溝道首尾端的靜壓差，風(fēng)口吸風(fēng)不勻的現(xiàn)象得到改善。但這是以犧牲風(fēng)機(jī)壓力和能耗換來的，因?yàn)樽枇p失和風(fēng)速的二次方呈正比，與風(fēng)機(jī)的實(shí)際能耗也呈二次方關(guān)系增加。

（4）減少局部阻力損失。車間地排吸風(fēng)口均采用地溝蓋板留洞，吸風(fēng)口90°接入地溝，由于吸風(fēng)口支風(fēng)管的氣流垂直進(jìn)入地溝風(fēng)道，造成匯流三通處產(chǎn)生嚴(yán)重渦流和氣流干涉，支風(fēng)管速度越高，主風(fēng)管風(fēng)速越低，干涉現(xiàn)象越嚴(yán)重。形成匯流處三通直管段局部阻力系數(shù)和阻力均為正值，無法借助支風(fēng)管的能量，造成整個(gè)溝道沿氣流方向匯流三通直管段局部阻力疊加，呈逐漸增加的趨勢(shì)。減小吸風(fēng)口接入角α，使V′zo＞Vzo，可以使得直管段局部阻力系數(shù)減小或成為負(fù)值，用于抵消溝道沿程壓力損失，使溝道首尾端的靜壓差值減小，從而有效改善吸風(fēng)口吸風(fēng)不勻的現(xiàn)象。

2 均勻吸風(fēng)優(yōu)化實(shí)例

2.1 地排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某新型細(xì)紗車間吸風(fēng)溝道設(shè)計(jì)為例，計(jì)算溝道內(nèi)壓力分布情況。每套空調(diào)承擔(dān)18 臺(tái)1 008錠細(xì)紗機(jī)，車間設(shè)車尾工藝排風(fēng)道和4 條地排支風(fēng)道，工藝排風(fēng)和地排風(fēng)機(jī)流量均為25.2 m3/s，全壓500 Pa，裝機(jī)功率18.5 kW，采用條縫吸風(fēng)口25 mm×1 000 mm，共76 個(gè)。每條地排支風(fēng)道設(shè)置19 個(gè)條縫吸風(fēng)口，間距為2.38 m。支風(fēng)道地溝凈寬1 000 mm，首端凈深550 mm，尾端凈深1 300 mm，溝道沿氣流方向?qū)挾炔蛔?，均勻加深。溝道縱向剖面如圖1 所示。

2.2 地排吸風(fēng)溝道阻力計(jì)算

針對(duì)圖1 地排風(fēng)溝道，支風(fēng)口接入溝道的方式如圖3 所示。

圖3 地排風(fēng)口改造

在沒有加裝導(dǎo)向彎頭的情況下，對(duì)吸風(fēng)口分別按90°、60°、45°接入角接入，計(jì)算地溝內(nèi)各段壓力損失。匯流三通部分摩擦阻力損失計(jì)入直通管，支管阻力損失取吸風(fēng)口和變徑管局部阻力合計(jì)，加上匯流處支管段阻力損失?？紤]到地溝受潮、集花和蓋板下不光滑等問題，溝道粗糙度按最大值K=6 計(jì)算，由于雷諾數(shù)對(duì)摩擦阻力系數(shù)影響較小，溝道內(nèi)雷諾數(shù)按平均溝道斷面考慮，支管段局部阻力系數(shù)合計(jì)為1.21，每條吸風(fēng)溝道末端B斷面計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

由表1 可以看出，吸風(fēng)口采用不同的角度接入吸風(fēng)溝道，匯流三通處產(chǎn)生的局部阻力不同。以斷面B為例，當(dāng)接入角為90°時(shí)，匯流三通局部阻力系數(shù)均為正值，匯流三通局部阻力損失合計(jì)值最大，首尾端靜壓差別率25.7%，無法滿足均勻吸風(fēng)的要求。當(dāng)接入角為60°時(shí)，匯流三通局部阻力系數(shù)部分為負(fù)值，匯流三通局部阻力損失合計(jì)值減小，首尾端靜壓差別率20.6%，能滿足首尾吸風(fēng)口風(fēng)量最大不勻率在10%以內(nèi)的要求。當(dāng)接入角為45°時(shí)，匯流三通局部阻力系數(shù)多數(shù)為負(fù)值，匯流三通局部阻力損失合計(jì)值最小，首尾端靜壓差別率15.9%，可保證吸風(fēng)量最大不勻率在8%以內(nèi)。

表1 地溝最末端B 斷面處壓力計(jì)算值

利用同樣方法對(duì)細(xì)紗機(jī)車尾工藝排風(fēng)溝道進(jìn)行計(jì)算，按現(xiàn)有的90°吸風(fēng)口接入方式，溝道首端計(jì)算靜壓-106.87 Pa，尾端靜壓達(dá)到-255.17 Pa，靜壓差別率達(dá)58%，溝道首尾端吸風(fēng)量差別率達(dá)到27%。這是車間中部細(xì)紗機(jī)車尾工藝排風(fēng)不暢、車尾箱向車間溢風(fēng)的主要原因。

通過上述分析計(jì)算可知，現(xiàn)在紡織車間常用的地溝吸風(fēng)口設(shè)計(jì)方法存在缺陷，在采用條縫吸風(fēng)口增加吸風(fēng)口真空度的情況下，造成各吸風(fēng)口吸風(fēng)不勻主要問題是：溝道內(nèi)風(fēng)速沿氣流方向須逐步增大，吸風(fēng)口支管90°直接接入溝道，匯流三通局部阻力損失和溝道沿程摩擦阻力損失的疊加，增大了溝道首尾端靜壓的差值，造成首端靜壓低、吸風(fēng)量小，尾端靜壓高、吸風(fēng)量大。減小支管三通接入角會(huì)使三通局部阻力損失變小或部分成為負(fù)值，用以抵消沿程摩擦阻力損失，使圖1 中的dc線向下傾斜量減小，合計(jì)溝道內(nèi)動(dòng)壓后，使尾部吸風(fēng)口靜壓值變小，各吸風(fēng)口靜壓的差異減小，增加吸風(fēng)口的均勻性。但是采用45°或更小的接入角，雖然吸風(fēng)均勻度更好，但會(huì)使地溝蓋板留洞長(zhǎng)度增大，增加土建施工難度，也有可能產(chǎn)生風(fēng)口掛花現(xiàn)象。所以，吸風(fēng)口支管接入角以采用60°為宜。

計(jì)算中還發(fā)現(xiàn)，主溝道的風(fēng)速對(duì)首尾風(fēng)口處的靜壓差影響也很大。風(fēng)速越低，風(fēng)口之間的靜壓差值越小，越利于均勻吸風(fēng)，但會(huì)形成集塵；風(fēng)速過高又不利于均勻吸風(fēng)。溝道內(nèi)風(fēng)速的控制，在現(xiàn)有條縫吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)，吸風(fēng)口支管接入地溝的夾角60°條件下，地溝末端的斷面設(shè)計(jì)以保證實(shí)際風(fēng)速5 m/s～7 m/s 為宜，吸風(fēng)口風(fēng)速宜采用12 m/s～14 m/s。

2.3 實(shí)際效果比較

仍采用圖1 地排風(fēng)溝道，進(jìn)行吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)改造，由于車間正在生產(chǎn)，不能改變吸風(fēng)口土建結(jié)構(gòu)，在溝道內(nèi)吸風(fēng)口處加裝60°導(dǎo)向彎頭，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，并對(duì)溝壁面進(jìn)行徹底光滑清理。改造前后各吸風(fēng)口的吸風(fēng)速度、溝道內(nèi)靜壓值、風(fēng)機(jī)風(fēng)量和能耗情況比較如下。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，改造前由于吸風(fēng)管接入角為90 °，造成吸風(fēng)溝道首尾端靜壓差別率36%，吸風(fēng)口風(fēng)量最大不勻率19.5%，不能滿足吸風(fēng)量不勻率≤15%的要求［7］。采用溝道內(nèi)加裝60°導(dǎo)向彎頭，由于吸風(fēng)管接入角的改變，支管匯流三通直管段的阻力系數(shù)部分為負(fù)值，抵消了一部分沿程摩擦阻力損失，使溝道首尾端靜壓差別率減小至17%，穩(wěn)定了各吸風(fēng)口處的靜壓值，各吸風(fēng)口風(fēng)量最大不勻率可保持在7%以內(nèi)，并可在實(shí)耗功率基本不變的情況下，系統(tǒng)的吸風(fēng)量增大9.5%。在新廠設(shè)計(jì)時(shí)，可采用在溝道蓋板下直接預(yù)埋60°導(dǎo)向彎頭，效果更好。

3 結(jié)語

現(xiàn)有紡織車間地排風(fēng)溝道吸風(fēng)不均勻的情況較多，其主要原因是吸風(fēng)支管接入溝道的角度為90°，兩股不同方向和速度氣流交匯處渦流現(xiàn)象嚴(yán)重，匯流處局部阻力增大，造成溝道首尾端靜壓差增大。造成溝道內(nèi)積花的主要原因是車間地排風(fēng)支溝道尾端風(fēng)速太低影響飛花沿氣流方向輸送，溝道壁面不光滑或受潮等因素。設(shè)計(jì)時(shí)要核對(duì)支溝道尾端風(fēng)速不能低于5 m/s，并采取加強(qiáng)防水，外貼瓷磚等措施，并應(yīng)在運(yùn)行中定期清掃溝道內(nèi)的積花。利用現(xiàn)有條縫吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)，采用溝道均勻吸風(fēng)的優(yōu)化方法，改進(jìn)支管接入溝道角度為60°，并控制溝道末端斷面風(fēng)速5 m/s～7 m/s，可使溝道首尾端靜壓差別率控制在17%，各吸風(fēng)口風(fēng)量不勻率保持在7%以內(nèi)。