局部排气系统的设计.doc

第四章 局部排氣系統設計４.１ 基本觀念局部排氣裝置的導管系統基本上屬於流體力學所探討的管流（duct flow）系統，基本上遵循以下兩個重要的力學關係：質量守恆與能量守恆。以流體力學觀點而言，上述關係可分別以連續性（continuity）與白努利方程式（Bernoulli’s equation）描述，前者描述風量與風速之間的關係﹔後者描述風速與壓力之間的關係。由於包括局部排氣裝置在內的通風裝置均屬於低風速系統，在一般狀況下空氣的壓縮性可予以忽略，也就是說空氣的密度約略維持一固定值。在 1 大氣壓，20?C時，空氣密度 ?a 約為 1.2 kg/m3４.１.１ 連續性流體連續性即為流體在流動時成連續不中斷的狀態。如 REF _Ref486274105 \h 圖 4.1 所示，基於前述空氣密度不變的假設以及質量守恆的前提，在極短時間 ?t 內，自點 2 （風速 u2）流入一段導管的空氣體積 u2?tA2（u2?t 為長度，A2 為該處導管斷面積）應與自點 1 （風速 u1）流出的空氣體積 u1?tA1（A1 為點 1導管斷面積） 相同，於是u1A1 = u2A2。此外，由於 u1?tA1 與 u2?tA2 分別為時間 ?t 內流出與流入導管的空氣體積，u1A1 與 u2A2 則分別為單位時間內流出與流入的空氣體積，也就是流量或風量（flow rate）。於是無論導管斷面積變化為何，流經導管的風量成守恆關係，也就是Q = Q1 = u1A1 = u2A2 = Q2 ( seq eq \* MERGEFORMAT 1)式中，Q 即為流量或風量。根據式 ( REF eq_continuity \h 1)，當導管斷面積縮小時，風速提高﹔反之，當導管斷面積增加時，風速降低。此外，沿導管任一點，只要風量 Q、風速 u 與斷面積 A 中任兩者為已知，即可依據 Q = uA 的關係求得第三個數據。圖 4. SEQ 圖 \* ARABIC 1 流體連續性 REF _Ref486852308 \r \h \* MERGEFORMAT 1。４.１.２ 白努利方程式根據白努利方程式，若空氣黏性與壓縮性可忽略，並以無紊流（turbulence）存在的層流（laminar flow）型態流動，且無其他能量施予流體，沿流線上任兩點 1 與 2 的壓力與風速關係成以下關係： ( seq eq \* MERGEFORMAT 2)式中 P1 與 P2 分別為點 1 與點 2 的壓力，g 為重力加速度，h1 與 h2 分別為點 1 與點 2 相對於任一基準水平線的垂直高度。式 ( REF eq_Bernoulli \h 2) 其實即為一能量守恆關係，其中壓力 P 代表外力對單位體積流體的作功（PA?x/??V = P??V /?V = P，其中 ?x 為沿流動方向位移，?V 為極小的空氣體積），?au2/2 為單位體積流體的動能，而 gh 為單位體積流體的位能。然而，在實際的局部排氣系統導管中，必須考慮空氣黏性、紊流等所造成的能量損失以及排氣機等設備所施予的能量。在此種狀況下，雖然式 ( REF eq_Bernoulli \h 2) 已不再能正確描述氣流的特性，但仍可經如下式的修改後擴大其適用範圍： ( seq eq \* MERGEFORMAT 3)式中，E 為由排氣機等對空氣所施予的能量，而 L 則代表能量損失。在一般局部排氣裝置導管中，高度效應大多可忽略，且 ?au2/2與壓力 P 使用相同的單位，因此一般均將 ?au2/2 定義為動壓或速度壓（velocity pressure），而原來的壓力 P 則定義為靜壓（static pressure），此二者之和則定義為全壓（total pressure），於是式 ( REF eq_modified_Bernoulli \h 3) 可簡化為TP1 + E = TP2 + L ( seq eq \* MERGEFORMAT 4)或者是SP1 + VP1 + E = SP2 + VP2 + L ( seq eq \* MERGEFORMAT 5)式中 SP、VP 與 TP 分別代表靜壓、動壓與全壓。如式 ( REF eq_TP \h 4) 所示，流體的能量損失雨獲得可反映於全壓的變動。雖然靜壓與動壓具有相同的單位，但二者的作用方向不同。根據壓力的特性，靜壓係朝四面八方作用﹔動壓僅朝風速方向作用４.２ 壓力量測如式 ( REF eq_gain_and_loss \h 5) 所示，氣流在一特定管段所獲得的能量E 與所損失的能量 L 可根據靜壓、動壓與全壓的變化求得，因此壓力的量測有助於瞭解氣流的能量獲得與損失狀況。在局部排氣裝置中所的壓力都可用開管 U 形水柱壓力計（manometer）量測，且一般均以毫米（公厘）水柱（