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动态流量平衡阀在暖通工程中的应用

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发表于 2015-2-10 11:44:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
王成,郝岩峰,施舜天


1 .南京大学建筑设计研究院,江苏南京 210093 ;


2 .大连建筑设计研究院,辽宁大连 116022 ;


3 .杭州华电华源环境工程有限公司。浙江杭州 310012


摘 要:介绍了动态流量平衡阀的分类及工作原理,分析了产生水力失调的原因,提出了选用动态: 流量平衡阀的优点和注意事项;对动态流量平衡阀与静态流量平衡阀作了技术比较。


关键词: 动态流量平衡阀; 水力失调; 水力平衡; 空调水系统; 流量


中图分类号: TU83 文献标识码: A 文章编号: 1006 — 8449(2003)02 — 0042 — 05


1 引言


  在热水采暖和空调水 ( 管网 ) 系统中,为使水流量按设计要求合理地分配至采暖或空调末端、以及每一个控制环路,满足每一栋建筑和每一个功能使用房间的冷、热负荷需求,保证理想的采暖及空调品质,同时最大限度地节约能源,冷热水的水系统在设计和运行调节中应该实现和维持完善的水力平衡,这也是我们设计成功与否的一个关键。 而目前,由于种种设计、施工和产品本身的因素,水力失调的现象还是大量存在着。为便于水系统的阻力平衡,设计者一般都尽可能采用同程式水管路系统,加大水管干管、主要支管口径,降低比摩阻的方法来消除阻力不平衡,但由于各控制环路之间的负荷及使用功能、 u~1~1 差异,还是存在着阻力不平衡;而且。在实际的工程中,由于条件的限制,设计者也会采用异程式水系统,故而,水力平衡更是不可轻视。


2 水力失调的原因和解决方法


 2 . 1 产生水力失调的原因


  2 . 1 . 1 水系统管网中存在着动态的变化,用户水流量的调节改变,将引起整个系统管网的水力不平衡。


  2 . 1 . 2 水力平衡的计算不精确。重视了最不利环路的阻 力,而其它环路的资用压头大于所需值,引起水流短路, 从而水系统失去平衡。


  2 . 1 . 3 水力平衡的计算虽然精确,但由于受到管径规格的限制,不可能由管径的变化来消除管路阻力的变化;同时管路中的阀门、末端装置等各部分的局部阻力可能 随产品而异,施工中也可能存在问题。


  2 . 1 . 4 采暖及空调水系统并联环路之间的压力损失差值由于可以控制在:异程水系统 15 %~ 25 %,同程水系统 10 %~ 15 %,计算范围的差异造成水系统的失调。


  2 . 1 . 5 水泵的选型不当,造成其实际运行点偏离设计运 行点。


  2 . 1 . 6 旧系统改造、逐年并网、供热供冷面积逐年扩大的管网系统,一次性的平衡计算或辅助节流孔板是行不通的,也会引起水力失调。


 2 . 2 解决水力失调的措施


  2 . 2 . 1 安装手动调节阀 ( 普通调节阀门、静态流量平衡阀 ) 。在系统使用前需要进行预调节。通过专用的流量仪或压差控制器一级一级进行,同时必须保证只有上一级调试好了才能进行下一级的调试。系统的调试非常麻烦。特别是大系统。并且。调试完成以后水系统不能发生变化,否则需要重新调试,显然这是不可能的。


  2 . 2 . 2 安装节流孔板。通过节流孔板来消除一定的压力,保持水力平衡,但此法不能完全解决水力失调现象,同时节流孔板应用也不便。孔口易堵塞,不能适应水系统的动态变化。


  2 . 2 . 3 加大水泵的流量。这种方法使水系统处于大流量,小温差的运行状态,水泵功率大于设计功率,耗能较多,只有在不得已的情况下才可使用。


  2 . 2 . 4 安装动态流量平衡阀。它不需要对系统进行初调 节,根据设计流量和选型,对照产品图表可以一次或者自动设定流量,满足使用要求,节省设计和调节时间,水力稳定性好,调节精度维持在± 5 %。此类阀门在国外有 30 年的使用实践经验,在国内刚刚处在初使用阶段。


3 动态流量平衡阀的工作原理及类型


 3 . 1 动态流量平衡阀的工作原理


  动态流量平衡阀从流体力学的角度看,相当于一个局部阻力可以改变的节流件,它的工作原理是通过改变阀芯的过流面积,适应阀前后的压差变化,而控制流量。对于不可压缩的流体,流量方程式为:


  


  对于一定的流体介质,当阀门达到某一特定的开度时, C V 可近似恒定,其流量的恒定可以通过保持 的乘积恒定,而动态流量平衡阀就是以此原理来进行的。


 3 . 2 动态流量平衡阀的类型


  动态流量平衡阀根据自身结构和调节方式的差异,可以分为预设定流量型,手动可调节流量和电动可调节 流量型三大类。


  3-2 .1 预设定流量型动态流量平衡阀。它可伸缩改变过流面积的流量筒和调节弹簧组成,根据阀前后压差的变化自动调节流量筒的过流面积,每一流量筒都能在一较大的压差范围内通过某一特定流量。如图 1 所示,压差在区域 1 内,也即在控制压差范围以下时,流量筒露出最大过流面积,流量随压差呈线形变化;压差在区域 2 内,也即在控制压差范围内时,流量筒在前后压差的作用下通过弹簧的伸缩,自动改变过流面积,保持流量恒 定;压差在区域 3 内,也即在控制压差范围以上时,流 量筒的过流面积压至最小,阀又成了一个固定开口装置,流量随压差改变,最小的过流面积避免了完全封闭时产生的盲板力,同时也保证了系统不会缺水或停车。





  3-2 .2 手动可调节流量型动态流量平衡阀。它分为内置式和外置式两种,阀芯由一个外部可调节孔板和一个水力自动调节孔板组成。外部可调节孔板的开度借助专用工具依照设计流量并按照生产厂家提供的对应参数现场设定,即先定流量;水力自动调节孔板在前者确定和对应此流量的压差范围内,自动调整过流面积来补偿系统压力的变化,从而保持流量的恒定。如图 2 , P -p 为孔板的压差, P -p 为阀的压差,通过改变孔板的开度先定流量,由弹簧和片膜来消除压差,维持流量恒定。


  3-2 .3 电动可调节流量型动态流量平衡阀。它的原理和手动型相同,区别在于:外部可调节孔板的开度根据控制器输出信号由电动执行机构来进行。其既具备电动比例积分调节阀的调节功能,又具备平衡阀恒定流量的功能,使水系统时刻保持所需流量的平衡,避免了比例积分调节阀在水力失调时流量不足,使其不能发挥其控制精度甚至失灵,同时也避免了流量随压差的波动。两种阀门的流量和压差曲线图如图 3 、图 4 所示,通过在 25 %、 50 %、 75 %、 100 %的开度比较可以显而易见地看出,动比例积分调节阀的流量随压力波动范围大,而电动可调节流量型动态流量平衡阀在其压差控制范围下流量维持不变,即它的水力稳定性好。


4 动态流量平衡阀的选择


 选用动态流量平衡阀时,首先应进行水力计算,确 定流量、压差范围和管道尺寸。


  4 . 1 流量选择


  在确定流量时,如果用于定流量系统,只要按厂家提供的“流量表”中相应的最接近的数值即可;如果用于变流量系统,只要从上述表中选出最接近环路或末端最大设计流量值即可,同时根据管路口径的大小对应选择动态流量平衡阀。


 4 . 2 压差选择


  对于某一特定的环路,应确定该阀门在运行过程中可能出现的最小和最大压降最大压降通常发生在别的环路关闭时,最小压降通常发生在所有的环路全部打开。然后选择一个比计算压差波动范围大的操作范围。在大多数的采暖和空调水系统中,压差 22 ~ 440kPa 是足够满足要求的。


 4 . 3 型号选择


  根据计算出的流量和压差范围,最终选择和技术要求相符合的系列、型号和相关配件。


5 动态流量平衡阀在暖通工程中的典型应用


 5 . 1 在采暖系统中应用


  5 . 1 . 1 小区或大型区域锅炉房采暖系统。小区或大型区域供热管网往往由一个集中的锅炉房或热动力站向若干栋建筑供热采暖,这种系统网络比较复杂,供暖半径大,因此发生水力失调的现象尤为严重。为保证各栋建筑物间的流量平衡,可在每栋建筑的热水人口处的回水管上安装一只动态流量平衡阀,解决系统中的水流动态的波动,从而实现水系统的按需分配,使循环水泵的工作点在最佳范围内经济运行。


  5 . 1 . 2 用于室内散热器供暖及热计量。用户使用散热器采暖会根据室内温度的变化来动态调节,而目前热计量正在推广,因此为使用户系统稳定可靠、减小调节滞后、节能和用户主动调节的需要,可使用动态流量平衡阀来解决。分户热计量的水系统为公共的立管结合水平式的户内双管系统,在回水管线上安装采暖专用动态流量平衡阀,根据用户使用时间、温度来调节,兼而调节流量的不同,消除水系统由此产生的较大压力波动,保持户内系统的压差恒定,使未调节的用户散热器流量不变,符合运行调节的要求,最佳地节约能量。如果用于普通的采暖系统,可在每根立管的每个散热器末端安装一个三通温控阀,立管出口安装动态流量平衡阀,保证每根立管的流量恒定,真正实现水力平衡。


 5 . 2 在空调系统中应用


  5. 2 . 1 冷却塔,冷凝器系统平衡。在制冷机组的冷却水出口管上安装预设定型动态流量平衡阀,可使每一冷凝器的流量按额定流量均匀分配,从而有效去除冷冻机组冷,凝器的热量。特别对于型号和流量大小不一致的情况,非常适用。


  5. 2 .2 冷水机组的一次,二次环路系统。冷水机组及水泵之间通常是并联布置,由于各机组之间的阻力不同,引起通过的流量不一致,有些机组不能发挥其额定出方。在每台机组的冷水出口管上装一只预设定型动态流量平衡阀,可以轻易地使机组达到它的额定出力,避免了机组 的流量过大或过小而使其经常性地开和关,起到了保护作用,对于型号和流量大小不一致的情况,非常适用。二次回路中,在二次泵的出口安装动态流量平衡阀,可以消除由于温度控制阀的开关而造成的压力波动,使水泵的工作点处于最佳状态,确保泵的性能,节约能量。


  5. 2 . 3 分支路管上安装动态流量平衡阀。如果为投资规模所限制,可在分支路总管上安装动态流量平衡阀,确保该分支路上的流量恒定,避免垂直失调,特别适用于建筑分批安装、运行,免却初次及二次调节。


  5 . 2 . 4 空调末端的水力平衡。由于空调水系统的动态变化性,决定了通过空调末端的水量随使用者调节而动态改变,也即末端实际为变流量系统。对于小型末端,如风机盘管,可以采用自动平衡电动两通阀 ( 动态流量平衡阀 ) ,简便地保持该末端的水流量恒定,通过温控器控制阀门的开关来满足舒适度要求。对于空调箱之类的末端,可以采用比例积分动态流量平衡阀。平时的运行和控制由控制面板或中央监控器来进行,根据所测点的温度,合理调节阀门的开启度,同时确保该对应的流量在允许的压差范围内恒定,也不受其他环路或末端水流量改变引起系统压力改变的影响。在温度、湿度要求严格的使用场所,该调节手段起到了不可替代的作用。采取这些末端调节手段,配合适当的冷媒水泵方案,可以满足不同末端间不等比的调节要求,实现真正的变流量调节。


  5 . 2 . 5 生活热水系统中的应用。在每一个环路或每一个分支上安装动态流量平衡阀,可以完美地平衡水系统,使用户在最短时间内获得热水。


6 动态流量平衡阀的节能


  动态流量平衡阀能使水系统形成真正的动态水力平 衡,而水力平衡的优点最直接的体现就在节能方面。


 6 . 1 降低采暖时建筑物中的平均室温,提高制冷时的 平均室温


  图 5 中的曲线 A 和 B 分别表示系统装有动态流量平衡阀前、后的变化情况,横坐标表示室温分布,纵坐标表示建筑物中达到该室温的房间所占的百分比。从图中可以看出,平衡前只有一小部分房间的室温为要求设计的 18 ℃ ,大部分房间的温度超过 18 %,占最大比例的为 20 ℃左右;平衡后 , 大部分房间的室温为要求的 18 % ,因此平衡后,室温分布范围缩小,平均室温降低,从而,不仅减少了供热量,也大大提高了供热品质;对于空调系统来讲,结果是类似的,减少制冷量,提高制冷品质。一般来讲,对采暖系统,每增加 1 oC 平均室温,能耗增多 5 %~ 10 %;对于空调系统,每降低 1 ℃平均室温,能耗增多 10 %~ 20 %。采暖系统实现平衡后,常常可以降低平均室温 1 ℃~ 3 ℃ ,而空调系统则可以提高平均室温 l ℃一 3 ℃ ,所以平衡后能直接降低能耗 5 %~ 30 %。


 6 . 2 降低水泵能耗


  以往,对于水力失调现象,往往采用加大水泵型号,以大流量小温差来解决,同时,设计者的水泵选用型号较为保守,也往往选得较大,所有这些,导致了系统的超量运转,水泵能耗加大。采用动态流量平衡阀能较好地实现水泵在最佳工作点运行,既降低能耗,又保证了设备的经济、安全运行。特别对于并联系统的水泵来讲,通过开关水泵的台数,并不能使水系统的水量按水泵数量呈比例性改变,这可以通过水泵曲线图看到,在采用了动态流量平衡阀后,强制性改变水管路运行曲线,通过动态流量平衡阀来调整系统阻力,使水系统流量符合设计流量,当然也最大地节约了水泵的能量。参见图 6 。


 6 . 3 保障机组的额定出力


  水量的偏大,导致锅炉和冷热水机组的超负荷运 行;水量的偏少,又使得锅炉和冷热水机组部分负荷运行,达不到所要求的设计值,同时,机组不停的启停,对设备本身也是一种损伤。采用动态流量平衡阀可以保证机组的额定出力,使锅炉不必压火,冷热水机组不会频繁启停,另外,也不必担心机组达不到设计出力而盲目过多、过大设置机组,从而节约能耗和投资。


7 动态流量平衡阀和静态流量平衡阀的比较


  静态流量平衡阀是一个带有刻度的截止阀,在压差恒定的情况下,刻度和流量相对应,当压差变化,流量亦变,相当于一个局部阻力固定的节流元件。它的调节是借助于专用的流量测定仪表和阀体上的开度值,通过改变阀门的流动阻力,在阀前后压差满足设计的工况下,调节到设计流量。当水系统的水力工况改变使阀前后压差改变时,需重新调整。由于静态流量平衡阀只能 在某一工况下平衡,不能满足空调系统的多种运行工 况,所以它是一次调节成功就不能改变的平衡阀它适用 于定流量的供热采暖系统。而一栋建筑物内的多楼层、多房间,使用情况干变万化,水系统的动态变化使静态流量平衡阀难以满足用户的使用和调节。更何况调试费用为设备投资的 0 . 3 ~ 0 、 7 %. 动态流量平衡阀可以克服上述缺点,根据水系统不时的压差变化而作出改变,吸收过量的压差,保证设计流量,使水系统自动达到平衡。


8 结语


  采用动态流量平衡阀有以下几个优点:


  a) 可以真正实现水系统的水力平衡,避免了暖通工程中的水力失调现象,使用户得到理想的冷、热需求状况,特别是在装备有自动控制的环路中,如果水力不平衡,由于水量不符合设计流量,而使自控装置失灵,不能充分发挥其控制功能。


  b) 减少了设计者繁复的管路阻力计算,可使用异程式系统,节约材料和时间,加快设计速度。


  c) 水系统的平衡可使水泵、冷热水机组以最佳工作状况,降低耗电量。


  d) 可以一次性调试结束,无须初次系统反复调试,可以分批使用,更可以由于后期的原因改变水路设计,而不会影响其它环路的水力平衡。


  e) 动态流量平衡阀不管安装在末端的哪一侧,水力特性受影响较小,阀门的前后不需留若干倍管径的长度,水平或垂直安装对它们的功能及精度都没有影响。由于其价格因素,装有动态流量平衡阀的水系统投资较普通空调水系统高 15 %~ 20 %左右,应充分考虑一次投资的承受能力。若考虑使用效果和运行节能,采用动态流量平衡阀是理想的选择,同时根据其投资规模的大小,合理使用动态流量平衡阀,正常在 1-3 年内可以收回投资成本。

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  发表于 2015-3-5 12:30
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发表于 2017-6-9 17:08:05 | 显示全部楼层
老大,我好崇拜你哟
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发表于 2017-12-27 19:27:37 | 显示全部楼层
上帝欲使人灭亡,必先使其疯狂;上帝欲使人疯狂,必先使其买房。 结论是:现在不能买房!
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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
呵呵 放心 如我算错 你以后来砸我的帖子 呵呵
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