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有關(guān)供暖系統(tǒng)定流量三通調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用

發(fā)布于:2019/11/14 9:21:23 點(diǎn)擊量:168

      0 引言

      隨著供暖熱計(jì)量的發(fā)展,供暖系統(tǒng)的水力運(yùn)行工況將由靜態(tài)變換為動(dòng)態(tài)。這種工況的變化,使得在系統(tǒng)上探討調(diào)節(jié)問(wèn)題已無(wú)意義,因?yàn)橐环N固定的管路結(jié)構(gòu)模式只能適應(yīng)特定的水力工況,動(dòng)態(tài)工況只能靠局部調(diào)節(jié)裝置加以控制[1]

      對(duì)動(dòng)態(tài)水系統(tǒng)而言,通常設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置種類很多,例如流量調(diào)節(jié)閥、壓差限制器等,這些設(shè)備的控制對(duì)象是流量,包括流量變化及流量穩(wěn)定,而采取的技術(shù)手段則是改變局部管路的流動(dòng)阻力。由于局部管路流動(dòng)阻力的變化,使得相鄰并聯(lián)環(huán)路必然受到影響。為實(shí)現(xiàn)相鄰環(huán)路之間互不影響,筆者提出三通調(diào)節(jié)閥的定流量調(diào)節(jié)形式。

      1 調(diào)節(jié)形式

       如圖1所示,1,2為兩并聯(lián)環(huán)路(用戶),為散熱器或風(fēng)機(jī)盤(pán)管;3是三通調(diào)節(jié)閥;AB為1所在支路,CB為一旁通支路。當(dāng)用戶1要求流量變化時(shí),調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥3,使得AB支路流量增大或減小,與此同時(shí),CB支路流量將減小或增大,但在任意調(diào)節(jié)條件下滿足式(1):

      GAB+GCB=G0 (1)

      式中:GAB為AB支路流量;
               GCB為CB支路流量;
               G0為兩支路的流量總和。無(wú)論GAB,GCB如何變化,G0不變。

      式(1)就是該調(diào)節(jié)形式所應(yīng)具備的調(diào)節(jié)特性稱其為定流量特性。由于G0保持不變,無(wú)論三通調(diào)節(jié)閥如何調(diào)節(jié),都不會(huì)影響環(huán)路2或其他相鄰環(huán)路。

      2 調(diào)節(jié)阻力特性

      在并聯(lián)環(huán)路中既然改變某支路流量并不影響相鄰支路,那么調(diào)節(jié)特性就與其他支路無(wú)關(guān)。對(duì)于某一確定支路,其阻力特性是固定不變的,而對(duì)于某一已知閥門其阻力特點(diǎn)及其調(diào)節(jié)特性也是確定的,因此要實(shí)現(xiàn)閥門安裝在該支路上后調(diào)節(jié)具有定流量特性,有三種可能[2]

      a)此三通調(diào)節(jié)閥與該支路完全匹配,調(diào)節(jié)是定流量;
      b)在該支路上增加局部阻力,使其阻力特性變化后與閥匹配;
      c)改造閥門結(jié)構(gòu),使其阻力特性或調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化后與支路匹配。

      三種可能說(shuō)明調(diào)節(jié)特性并不是某一特性所能決定的,而是相互關(guān)聯(lián)的,因此分析其綜合阻力關(guān)聯(lián)式是必要的。

      閥門的調(diào)節(jié)特性一般用特征曲線來(lái)描述,特征曲線是由相對(duì)開(kāi)度K與相對(duì)流量GK的關(guān)系決定的,可表示為(定壓差條件下):

                     (2)

      式中:Gk為閥門某一開(kāi)度所通過(guò)的流量,
               Gmax為所通過(guò)的最大流量;
               k為任意開(kāi)度,kmax為最大開(kāi)度。

      將流動(dòng)阻力特性引入,有:

      Δp=SkGk2              (3)

      式中 Δp為閥兩端壓差,調(diào)節(jié)時(shí)為定值;Sk為任意開(kāi)度下阻力特性系數(shù)。

      將式(2)代入式(3)中,有:

      Δp=SkGk2max2               (4)

      又

       Δp=Skmax Gmax2               (5)

      將式(4)與式(5)相比,得

                         (6)

      三通調(diào)節(jié)閥有直通與旁通支路,兩路開(kāi)度相反,由式(6)得到:

      直通支路閥的阻力特性Sk計(jì)算式為:

                             (7)

      旁通支路閥的阻力特性Skmax-k計(jì)算式為: 

                     (8)

      式中:Smin為直通全開(kāi)阻力特性系數(shù),
               S'min為旁通全開(kāi)阻力特性系數(shù);
               G'K為旁通支路閥的相對(duì)流量。

      考慮支路的阻力特性以后,則調(diào)節(jié)時(shí)綜合阻力特性式如下:

      直通支路的阻力特性式:

                     (9)

      旁通支路的阻力特性式:

             (10)

      由式(1)得直通支路與旁通支路的并聯(lián)阻力特性式為:

      Szk-0.5+Szkmax-k-0.5=Sb-0.5       (11)

      式中:Sb為并聯(lián)特性系數(shù),下角z代表綜合阻力特性參數(shù)。當(dāng)直通全開(kāi)或旁通全開(kāi)時(shí),Sb=Smin+Sz或Sb=S'min+Sp,Sp為旁通特性系數(shù)。

      因此定流量調(diào)節(jié)所滿足的阻力特性條件可由下面的方程組[3]描述:

                    (12)

      Sb=Smin+Sz,Sb=Smin+Sp                                     (13)

      式(12)與(13)即為總阻力關(guān)聯(lián)式。

      3 三通調(diào)節(jié)閥阻力性能測(cè)試

      3.1 測(cè)試及測(cè)試原理

      閥門阻力特性測(cè)試如圖2所示。水自循環(huán)水箱被水泵抽取,經(jīng)測(cè)壓點(diǎn)1,2,被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)3,4,或經(jīng)測(cè)點(diǎn)1,2,被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)5,6流回循環(huán)水箱。

      壓強(qiáng)采用測(cè)壓管直接測(cè)得,流量采用體積法測(cè)量。

      閥門阻力系數(shù)計(jì)算公式為:

                    (14)

      式中:ζ為閥門局部阻力系數(shù);
               hw為閥門前后測(cè)點(diǎn)間總水頭損失,m,hw=h2- h4或hw=h2- h6;
               hf為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)間沿程水頭損失,m,hf=l24/l12(h1- h2)或hf= l26/l12(h1- h2),其中h1~h6分別為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭,l24為測(cè)點(diǎn)2,4間管長(zhǎng),m,l12為測(cè)點(diǎn)1,2間管長(zhǎng),m,l26為測(cè)點(diǎn)2,6間管長(zhǎng),m;
               v 為測(cè)試段管內(nèi)斷面平均流速,m/s,v= 4Q/πd2,其中Q為流量,m3/s,d為管徑,m。

      3.2 測(cè)試結(jié)果

      a)直通全開(kāi)工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζmin=4.60;
      b)旁通全開(kāi)工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζ'min=8.47;
      c)閥門相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

 4 應(yīng)用分析

      為保證供暖系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)互不影響,設(shè)計(jì)了如圖1所示調(diào)節(jié)形式,具體形式見(jiàn)圖4。

      圖中1,2為散熱器,3為三通調(diào)節(jié)閥,A-1-B為直通支路,CB為旁通支路,支路還存在一些彎頭。

      常用的三通調(diào)節(jié)閥有3種,按直通配管管徑可分為:DN15,DN20,DN25。由于散熱器的局部阻力實(shí)際可取為定值,為便于應(yīng)用與推廣,將其結(jié)構(gòu)模塊化,統(tǒng)一設(shè)計(jì)為DN25。另外,為計(jì)算方便,將管路的沿程阻力轉(zhuǎn)化為局部阻力,稱之為當(dāng)量局部阻力。由此,支路的總阻力為當(dāng)量局部阻力與局部阻力之和[3~4]

               (15)

      式中:λ為摩擦阻力系數(shù)。

      支路(全開(kāi))的局部阻力系數(shù)[4]見(jiàn)表1。

      直通支路全開(kāi)或旁通支路全開(kāi)的總局部阻力系數(shù)相差不到1%,其流量也在此范圍之內(nèi)。然而當(dāng)閥門在其他開(kāi)啟度條件下并不一定也是如此。由式(9),(10),(15),可得到直通或旁通支路總局部阻力系數(shù):

                       (16)
       
              (17)

      式中 ζ1zh為直通支路總局部阻力系數(shù),ζ2zh為旁通支路總局部阻力系數(shù)。

      由式(16),(17)及圖3,插值計(jì)算得到表1所示結(jié)果。

表1 不同開(kāi)度條件下的阻力系數(shù)


K

1

0.8

0.6

0.5

0.4

0.2

0

ζ1zh

11.9

16.7

21

30

32.2

122.3

ζ2zh

139.1

52.9

45.3

28

16.8

12

ζzh

11.9

9.2

8

9.1

7.5

8.9

12


      當(dāng)時(shí),并聯(lián)總阻力系數(shù)為7.5,與全開(kāi)或全閉的12相比,變化了38%,在定壓條件下,流量要變化27%。若不定壓,屬自然調(diào)節(jié),流量變化會(huì)減小到20%左右,這由管網(wǎng)的自適應(yīng)能力決定。

      5 定流量特征曲線

      特征曲線包括直通曲線與旁通曲線,要實(shí)現(xiàn)定流量,兩條曲線可能有多種組合,但這兩條曲線組合并非是任意的,第一,要符合實(shí)際,即在制造工藝上是否可行;第二,要利于將來(lái)的調(diào)節(jié)。為有利于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),將直通曲線設(shè)為線性的,旁通曲線由直通的線性決定。即直通曲線為 是一條已知曲線,C是一待定常數(shù),求旁通曲線GK。

      以上述的應(yīng)用為例,兩曲線應(yīng)滿足的關(guān)系式為:

      ζ1zh-0.52zh-0.5zh-0.5

      將式(16),(17)代入得:

                     (18)

      由上式經(jīng)插值計(jì)算后再進(jìn)行曲線擬合,G'K為一指數(shù)或?qū)?shù)曲線,見(jiàn)圖5。

      在常用的閥門中,其特征曲線通常為線性(不絕對(duì))或?qū)?shù)曲線,一個(gè)閥門具有這兩種特征曲線,可以看作是一個(gè)線性調(diào)節(jié)閥與一個(gè)對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥的組合,因此,生產(chǎn)具有線性與對(duì)數(shù)混合調(diào)節(jié)特征的閥門在工藝上是可行的。

      6 結(jié)論

      6.1 三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)形式較其他調(diào)節(jié)方式有明顯優(yōu)點(diǎn),調(diào)節(jié)時(shí)阻力不變、流量恒定,能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)環(huán)路之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)互不影響。

      6.2 要達(dá)到定流量目的,阻力分配必須滿足一定關(guān)系,由于結(jié)構(gòu)模塊化,實(shí)際支路的阻力特性將由閥門結(jié)構(gòu)決定,閥的兩特征曲線組合是該調(diào)節(jié)形式成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

      6.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的調(diào)節(jié)閥特征曲線為兩不絕對(duì)的線性曲線,應(yīng)用該閥時(shí),最大流量偏差為27%,當(dāng)管網(wǎng)達(dá)到一定的穩(wěn)定性時(shí),流量偏差在20%左右。

      6.4 定流量調(diào)節(jié)閥的特征曲線為線性曲線與對(duì)數(shù)曲線組合,或指數(shù)曲線與對(duì)數(shù)曲線組合。不同的曲線組合時(shí),流量誤差在10%以內(nèi),即認(rèn)為具有可用性。



      參考文獻(xiàn)

      [1] 石兆玉,編著.供暖系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制.北京:清華大學(xué)出版社,1994
      [2] 江億.管網(wǎng)可調(diào)性和穩(wěn)定性的定量分析.暖通空調(diào),1997,27(3)
      [3] 張維佳,潘達(dá)林,編著.工程流體力學(xué).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001
      [4] 賀平,孫剛,編著.供熱工程.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996



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