供暖系统中定流量三通调节阀的应用与研究浅析

发布时间:2011-08-13  点击数:1721

      随着供暖热计量的发展,供暖系统的水力运行工况将由静态变换为动态。这种工况的变化,使得在系统上探讨调节问题已无意义,因为一种固定的管路结构模式只能适应特定的水力工况,动态工况只能靠局部调节装置加以控制。

      对动态水系统而言,通常设置的调节装置种类很多,例如流量调节阀、压差限制器等,这些设备的控制对象是流量,包括流量变化及流量稳定,而采取的技术手段则是改变局部管路的流动阻力。由于局部管路流动阻力的变化,使得相邻并联环路必然受到影响。为实现相邻环路之间互不影响,笔者提出三通调节阀的定流量调节形式。

一、调节形式

       如图1所示,1,2为两并联环路(用户),为散热器或风机盘管;3是三通调节阀;AB为1所在支路,CB为一旁通支路。当用户1要求流量变化时,调节三通调节阀3,使得AB支路流量增大或减小,与此同时,CB支路流量将减小或增大,但在任意调节条件下满足式(1):

      GAB+GCB=G0 (1)

      式中:GAB为AB支路流量;
               GCB为CB支路流量;
               G0为两支路的流量总和。无论GAB,GCB如何变化,G0不变。

      式(1)就是该调节形式所应具备的调节特性称其为定流量特性。由于G0保持不变,无论三通调节阀如何调节,都不会影响环路2或其他相邻环路。

二、调节阻力特性

      在并联环路中既然改变某支路流量并不影响相邻支路,那么调节特性就与其他支路无关。对于某一确定支路,其阻力特性是固定不变的,而对于某一已知调节阀其阻力特点及其调节特性也是确定的,因此要实现阀门安装在该支路上后调节具有定流量特性,有三种可能[2]

      a)此三通调节阀与该支路完全匹配,调节是定流量;
      b)在该支路上增加局部阻力,使其阻力特性变化后与阀匹配;
      c)改造阀门结构,使其阻力特性或调节特性发生变化后与支路匹配。

      三种可能说明调节特性并不是某一特性所能决定的,而是相互关联的,因此分析其综合阻力关联式是必要的。

      阀门的调节特性一般用特征曲线来描述,特征曲线是由相对开度K与相对流量GK的关系决定的,可表示为(定压差条件下):

                     (2)

      式中:Gk为阀门某一开度所通过的流量,
               Gmax为所通过的最大流量;
               k为任意开度,kmax为最大开度。

      将流动阻力特性引入,有:

      Δp=SkGk2              (3)

      式中 Δp为阀两端压差,调节时为定值;Sk为任意开度下阻力特性系数。

      将式(2)代入式(3)中,有:

      Δp=SkGk2max2               (4)

      又

       Δp=Skmax Gmax2               (5)

      将式(4)与式(5)相比,得

                         (6)

      三通调节阀有直通与旁通支路,两路开度相反,由式(6)得到:

      直通支路阀的阻力特性Sk计算式为:

                             (7)

      旁通支路阀的阻力特性Skmax-k计算式为: 

                     (8)

      式中:Smin为直通全开阻力特性系数,
               S''min为旁通全开阻力特性系数;
               G''K为旁通支路阀的相对流量。

      考虑支路的阻力特性以后,则调节时综合阻力特性式如下:

      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)得直通支路与旁通支路的并联阻力特性式为:

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

      式中:Sb为并联特性系数,下角z代表综合阻力特性参数。当直通全开或旁通全开时,Sb=Smin+Sz或Sb=S''min+Sp,Sp为旁通特性系数。

      因此定流量调节所满足的阻力特性条件可由下面的方程组[3]描述:

                    (12)

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

      式(12)与(13)即为总阻力关联式。

三、三通调节阀阻力性能测试

      1、测试及测试原理

      阀门阻力特性测试如图2所示。水自循环水箱被水泵抽取,经测压点1,2,被测阀门及测压点3,4,或经测点1,2,被测阀门及测压点5,6流回循环水箱。

      压强采用测压管直接测得,流量采用体积法测量。

      阀门阻力系数计算公式为:

                    (14)

      式中:ζ为阀门局部阻力系数;
               hw为阀门前后测点间总水头损失,m,hw=h2- h4或hw=h2- h6
               hf为相应测点间沿程水头损失,m,hf=l24/l12(h1- h2)或hf= l26/l12(h1- h2),其中h1~h6分别为对应点的测压管水头,l24为测点2,4间管长,m,l12为测点1,2间管长,m,l26为测点2,6间管长,m;
               v 为测试段管内断面平均流速,m/s,v= 4Q/πd2,其中Q为流量,m3/s,d为管径,m。

      2、测试结果

      a)直通全开工作状态阻力系数ζmin=4.60;
      b)旁通全开工作状态阻力系数ζ''min=8.47;
      c)阀门相对开度与相对流量关系曲线见图3。

四、应用分析

      为保证供暖系统各并联环路动态调节时互不影响,设计了如图1所示调节形式,具体形式见图4。

      图中1,2为散热器,3为三通调节阀,A-1-B为直通支路,CB为旁通支路,支路还存在一些弯头。

      常用的三通调节阀有3种,按直通配管管径可分为:DN15,DN20,DN25。由于散热器的局部阻力实际可取为定值,为便于应用与推广,将其结构模块化,统一设计为DN25。另外,为计算方便,将管路的沿程阻力转化为局部阻力,称之为当量局部阻力。由此,支路的总阻力为当量局部阻力与局部阻力之和[3~4]

     

     

      则                            (15)

      式中:λ为摩擦阻力系数。

      支路(全开)的局部阻力系数[4]见表1。

      直通支路全开或旁通支路全开的总局部阻力系数相差不到1%,其流量也在此范围之内。然而当阀门在其他开启度条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总局部阻力系数:

                       (16)
                     (17)

      式中 ζ1zh为直通支路总局部阻力系数,ζ2zh为旁通支路总局部阻力系数。

      由式(16),(17)及图3,插值计算得到表1所示结果。

表1 不同开度条件下的阻力系数

  K
1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2 0
ζ1zh 11.9 16.7 21.0 30.0 32.2 122.3
ζ2zh 139.1 52.9 45.3 28 16.8 12
ζzh 11.9 9.2 8.0 9.1 7.5 8.9 12

      当时,并联总阻力系数为7.5,与全开或全闭的12相比,变化了38%,在定压条件下,流量要变化27%。若不定压,属自然调节,流量变化会减小到20%左右,这由管网的自适应能力决定。

五、定流量特征曲线

      特征曲线包括直通曲线与旁通曲线,要实现定流量,两条曲线可能有多种组合,但这两条曲线组合并非是任意的,第一,要符合实际,即在制造工艺上是否可行;第二,要利于将来的调节。为有利于动态调节,将直通曲线设为线性的,旁通曲线由直通的线性决定。即直通曲线为 是一条已知曲线,C是一待定常数,求旁通曲线GK

      以上述的应用为例,两曲线应满足的关系式为:

      ζ1zh-0.52zh-0.5zh-0.5

      将式(16),(17)代入得:

                     (18)

      由上式经插值计算后再进行曲线拟合,G''K为一指数或对数曲线,见图5。

      在常用的阀门中,其特征曲线通常为线性(不绝对)或对数曲线,一个阀门具有这两种特征曲线,可以看作是一个线性调节阀与一个对数调节阀的组合,因此,生产具有线性与对数混合调节特征的阀门在工艺上是可行的。

六、结论

      1、三通调节阀的调节形式较其他调节方式有明显优点,调节时阻力不变、流量恒定,能实现并联环路之间动态调节互不影响。

      2、要达到定流量目的,阻力分配必须满足一定关系,由于结构模块化,实际支路的阻力特性将由阀门结构决定,阀的两特征曲线组合是该调节形式成功应用的关键。

      3、实验测试的调节阀特征曲线为两不绝对的线性曲线,应用该阀时,最大流量偏差为27%,当管网达到一定的稳定性时,流量偏差在20%左右。

      4、定流量调节阀的特征曲线为线性曲线与对数曲线组合,或指数曲线与对数曲线组合。不同的曲线组合时,流量误差在10%以内,即认为具有可用性。