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 ）