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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(lèi)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(hù)),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(hù)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(mǎn)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(chēng)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)的調(diào)節(jié)特性一般用特征曲線(xiàn)來(lái)描述,特征曲線(xiàn)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(mén)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(mǎn)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(mén)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(mén)及測(cè)壓點(diǎn)3,4,或經(jīng)測(cè)點(diǎn)1,2,被測(cè)閥門(mén)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(mén)阻力系數(shù)計(jì)算公式為:
(14)
式中:ζ為閥門(mén)局部阻力系數(shù);
hw為閥門(mén)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(mén)相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量關(guān)系曲線(xiàn)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(chēng)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(mén)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(xiàn)
特征曲線(xiàn)包括直通曲線(xiàn)與旁通曲線(xiàn),要實(shí)現(xiàn)定流量,兩條曲線(xiàn)可能有多種組合,但這兩條曲線(xiàn)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(xiàn)設(shè)為線(xiàn)性的,旁通曲線(xiàn)由直通的線(xiàn)性決定。即直通曲線(xiàn)為 是一條已知曲線(xiàn),C是一待定常數(shù),求旁通曲線(xiàn)GK。
以上述的應(yīng)用為例,兩曲線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系式為:
ζ1zh-0.5+ζ2zh-0.5=ζzh-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(xiàn)擬合,G'K為一指數(shù)或?qū)?shù)曲線(xiàn),見(jiàn)圖5。
在常用的閥門(mén)中,其特征曲線(xiàn)通常為線(xiàn)性(不絕對(duì))或?qū)?shù)曲線(xiàn),一個(gè)閥門(mén)具有這兩種特征曲線(xiàn),可以看作是一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)性與對(duì)數(shù)混合調(diào)節(jié)特征的閥門(mén)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(mǎn)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(mén)結(jié)構(gòu)決定,閥的兩特征曲線(xiàn)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(xiàn)為兩不絕對(duì)的線(xiàn)性曲線(xiàn),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(xiàn)為線(xiàn)性曲線(xiàn)與對(duì)數(shù)曲線(xiàn)組合,或指數(shù)曲線(xiàn)與對(duì)數(shù)曲線(xiàn)組合。不同的曲線(xiàn)組合時(shí),流量誤差在10%以?xún)?nèi),即認(rèn)為具有可用性。
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