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有關供暖系統定流量三通調節閥的應用
發布于：2019/11/14 9:21:23 點擊量：175
0 引言
隨著供暖熱計量的發展，供暖系統的水力運行工況將由靜態變換為動態。這種工況的變化，使得在系統上探討調節問題已無意義，因為一種固定的管路結構模式只能適應特定的水力工況，動態工況只能靠局部調節裝置加以控制[1]。
對動態水系統而言，通常設置的調節裝置種類很多，例如流量調節閥、壓差限制器等，這些設備的控制對象是流量，包括流量變化及流量穩定，而采取的技術手段則是改變局部管路的流動阻力。由于局部管路流動阻力的變化，使得相鄰并聯環路必然受到影響。為實現相鄰環路之間互不影響，筆者提出三通調節閥的定流量調節形式。
1 調節形式
如圖1所示，1，2為兩并聯環路（用戶），為散熱器或風機盤管；3是三通調節閥；AB為1所在支路，CB為一旁通支路。當用戶1要求流量變化時，調節三通調節閥3，使得AB支路流量增大或減小，與此同時，CB支路流量將減小或增大，但在任意調節條件下滿足式（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。無論GAB，GCB如何變化，G0不變。
式（1）就是該調節形式所應具備的調節特性稱其為定流量特性。由于G0保持不變，無論三通調節閥如何調節，都不會影響環路2或其他相鄰環路。
2 調節阻力特性
在并聯環路中既然改變某支路流量并不影響相鄰支路，那么調節特性就與其他支路無關。對于某一確定支路，其阻力特性是固定不變的，而對于某一已知閥門其阻力特點及其調節特性也是確定的，因此要實現閥門安裝在該支路上后調節具有定流量特性，有三種可能[2]：
a）此三通調節閥與該支路完全匹配，調節是定流量；
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）改造閥門結構，使其阻力特性或調節特性發生變化后與支路匹配。
三種可能說明調節特性并不是某一特性所能決定的，而是相互關聯的，因此分析其綜合阻力關聯式是必要的。
閥門的調節特性一般用特征曲線來描述，特征曲線是由相對開度K與相對流量GK的關系決定的，可表示為（定壓差條件下）：
（2）
式中：Gk為閥門某一開度所通過的流量，
Gmax為所通過的最大流量；
k為任意開度，kmax為最大開度。
將流動阻力特性引入，有：
Δp=SkGk2 （3）
式中 Δp為閥兩端壓差，調節時為定值；Sk為任意開度下阻力特性系數。
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）
三通調節閥有直通與旁通支路，兩路開度相反，由式（6）得到：
直通支路閥的阻力特性Sk計算式為：
（7）
旁通支路閥的阻力特性Skmax-k計算式為：
（8）
式中：Smin為直通全開阻力特性系數，
S'min為旁通全開阻力特性系數；
G'K為旁通支路閥的相對流量。
考慮支路的阻力特性以后，則調節時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阻力特性式為：
Szk-0.5+Szkmax-k-0.5=Sb-0.5 （11）
式中：Sb為并聯特性系數，下角z代表綜合阻力特性參數。當直通全開或旁通全開時，Sb=Smin+Sz或Sb=S'min+Sp，Sp為旁通特性系數。
因此定流量調節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）即為總阻力關聯式。
3 三通調節閥阻力性能測試
3.1 測試及測試原理
閥門阻力特性測試如圖2所示。水自循環水箱被水泵抽取，經測壓點1，2，被測閥門及測壓點3，4，或經測點1，2，被測閥門及測壓點5，6流回循環水箱。
壓強采用測壓管直接測得，流量采用體積法測量。
閥門阻力系數計算公式為：
（14）
式中：ζ為閥門局部阻力系數；
hw為閥門前后測點間總水頭損失，m，hw=h2- h4或hw=h2- h6；
hf為相應測點間沿程水頭損失，m，hf=l24/l12（h1- h2）或hf= l26/l12（h1- h2），其中h1~h6分別為對應點的測壓管水頭，l24為測點2，4間管長，m，l12為測點1，2間管長，m，l26為測點2，6間管長，m；
v 為測試段管內斷面平均流速，m/s，v= 4Q/πd2，其中Q為流量，m3/s，d為管徑，m。
3.2 測試結果
a）直通全開工作狀態阻力系數ζmin=4.60；
b）旁通全開工作狀態阻力系數ζ'min=8.47；
c）閥門相對開度與相對流量關系曲線見圖3。
4 應用分析
為保證供暖系統各并聯環路動態調節時互不影響，設計了如圖1所示調節形式，具體形式見圖4。
圖中1，2為散熱器，3為三通調節閥，A-1-B為直通支路，CB為旁通支路，支路還存在一些彎頭。
常用的三通調節閥有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際可取為定值，為便于應用與推廣，將其結構模塊化，統一設計為DN25。另外，為計算方便，將管路的沿程阻力轉化為局部阻力，稱之為當量局部阻力。由此，支路的總阻力為當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。
支路（全開）的局部阻力系數[4]見表1。
直通支路全開或旁通支路全開的總局部阻力系數相差不到1%，其流量也在此范圍之內。然而當閥門在其他開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：
（16）
（17）
式中 ζ1zh為直通支路總局部阻力系數，ζ2zh為旁通支路總局部阻力系數。
由式（16），（17）及圖3，插值計算得到表1所示結果。
表1 不同開度條件下的阻力系數
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
時，并聯總阻力系數為7.5，與全開或全閉的12相比，變化了38%，在定壓條件下，流量要變化27%。若不定壓，屬自然調節，流量變化會減小到20%左右，這由管網的自適應能力決定。
5 定流量特征曲線
特征曲線包括直通曲線與旁通曲線，要實現定流量，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，要符合實際，即在制造工藝上是否可行；第二，要利于將來的調節。為有利于動態調節，將直通曲線設為線性的，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，求旁通曲線GK。
以上述的應用為例，兩曲線應滿足的關系式為：
ζ1zh-0.5+ζ2zh-0.5=ζzh-0.5
將式（16），（17）代入得：
（18）
由上式經插值計算后再進行曲線擬合，G'K為一指數或對數曲線，見圖5。
在常用的閥門中，其特征曲線通常為線性（不絕對）或對數曲線，一個閥門具有這兩種特征曲線，可以看作是一個線性調節閥與一個對數調節閥的組合，因此，生產具有線性與對數混合調節特征的閥門在工藝上是可行的。
6 結論
6.1 三通調節閥的調節形式較其他調節方式有明顯優點，調節時阻力不變、流量恒定，能實現并聯環路之間動態調節互不影響。
6.2 要達到定流量目的，阻力分配必須滿足一定關系，由于結構模塊化，實際支路的阻力特性將由閥門結構決定，閥的兩特征曲線組合是該調節形式成功應用的關鍵。
6.3 實驗測試的調節閥特征曲線為兩不絕對的線性曲線，應用該閥時，最大流量偏差為27%，當管網達到一定的穩定性時，流量偏差在20%左右。
6.4 定流量調節閥的特征曲線為線性曲線與對數曲線組合，或指數曲線與對數曲線組合。不同的曲線組合時，流量誤差在10%以內，即認為具有可用性。
參考文獻
[1] 石兆玉，編著.供暖系統的運行調節與控制.北京：清華大學出版社，1994
[2] 江億.管網可調性和穩定性的定量分析.暖通空調，1997，27（3）
[3] 張維佳，潘達林，編著.工程流體力學.北京：中國建筑工業出版社，2001
[4] 賀平，孫剛，編著.供熱工程.北京：中國建筑工業出版社，1996
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