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局部排氣裝置導管設計程式 設計理念

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.

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局部排氣裝置導管設計程式 設計理念

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  1. 局部排氣裝置導管設計程式設計理念 長榮大學 陳友剛

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 配件壓力損失係數的計算方式 全壓 • 給定壓損值：DTP or DSP • 給定壓損係數C：DTP = 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 靜壓 動壓

  6. 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

  7. 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

  8. 如何定義壓損係數 1 2 一部份動壓轉換成靜壓，形成static gain DSP = SP1 – SP2 = 15.5 mmAq DTP = TP1 – TP2 = 20 mmAq 用TP還是SP？ 反映能量損失 用VP1還是VP2？

  9. 各種壓損係數 ASHRAE慣用 ACGIH 氣罩 • 用 VP1與DTP ：F = (TP1 – TP2) /VP1 = 2.27 • 用 VP2與DTP ：F = (TP1 – TP2) /VP2 = 4.71 • 用 VP1與DSP ：F = (SP1 – SP2) /VP1 = 0.51 • 用 VP2與DSP ：F = (SP1 – SP2) /VP2 = 1.06 • 不同技術手冊定義不同 ACGIH使用SP的設計表

  10. 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DTP 與 VP2 = (0 + 5)/6.13 = 0.81 • 用DSP 與 VP2 = 11.1/6.13 = 1.81 ACGIH使用SP的設計表： acceleration factor 1 2

  11. 動壓真正的定義 空氣密度 • VP = rv2/2 • 公制單位：Pa or N/m2 • 技職教育的用法，在 1 atm 20 ℃（r = 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) 導管內平均風速

  12. 管段壓力損失的計算方法 • DTP = DSP = r(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

  13. Moody Diagram

  14. Churchill 近似公式 r = 1.2 kg/m3（20°C） m = 1.78178 × 10-5 Pa-s

  15. 粗糙度e

  16. 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）

  17. 壓 壓 力 力 損 損 失 失 D P K v = 2 v Q A = / 風量 風速 壓 = rv / VP 2 2 力 損 失 D P C = VP 動壓

  18. 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

  19. 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

  20. 如何決定搬運風速 污染物 愈濕黏 搬運風速 愈大 程式中可設定容許餘裕

  21. 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 3 1 2

  22. 分流問題

  23. 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） A 3 1 2 B

  24. 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

  25. ACGIH 設計法—導管平衡 計算v1、DSP1 與最大管徑 給定Q1 計算v2、DSP2與最大管徑 增加Q1 DSP 較低側增加Q直到兩側DSP 相同 => 增加壓損 也可以降低Q2使兩側DSP 相同 => 會使Q2低於需求值 給定Q2

  26. ACGIH 設計法—導管平衡 計算v1、DSP1 與最大管徑 給定Q1 必要時降低 DSP 較低側管徑 => 減少Q的增加量，但會增加v 計算v2、DSP2與最大管徑 也可以增加另側管徑 => 會使另側v低於搬運風速 給定Q2

  27. ACGIH 設計法—檔板平衡 計算v1、DSP1 與最大管徑 給定Q1 以檔板增加 DSP 較低側壓損 => 無需調整Q與v 計算v1、DSP2與最大管徑 給定Q2

  28. ACGIH 設計平衡法

  29. 設計範例 空氣密度 r= 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

  30. A-E4︰ 最大導管斷面積 A：Q/v = 8.5/60/23 = 0.006159 m2 最大管徑：(4A/p)1/2 = 0.089 m 選取 d = 0.08 m 導管面積 A：pd2/4 = 0.005027 m2 風速 v：Q/A = 8.5/60/0.005027 = 28.18 m/s 動壓 VP = rv2/2 = (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 SF ： 4.81（3.52 + 2Fe + Fh = 3.52 + (2)(0.22) + 0.85 = 4.81） 本導管全壓損失：SF×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)） VP SF acceleration factor

  31. B-E4︰ 如前述… 選取 d：0.08 m 本導管靜壓損失係數：SF = (0.0243)() + 0.85 + 0.22 本導管靜壓損失：SF×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

  32. 減小 B-E4 管徑： 如前述… 選取 d：0.07 m 本導管靜壓損失：SF×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

  33. 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：SF×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

  34. 進入程式或全新設計 只有出口與排氣機兩種管段

  35. 完成的設計 合流管段 管段名稱 計算所得兩側靜壓值 氣罩管段 顯示管段連接關係，線段長度不代表管長

  36. 管首配件設定

  37. 氣罩參數

  38. 管段參數

  39. 管段參數

  40. 管段配件管理

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