調(diào)節(jié)閥特性對變流量空調(diào)水系統(tǒng)的影響分析.doc

調(diào)節(jié)閥特性對變流量空調(diào)水系統(tǒng)的影響分析 在空調(diào)設(shè)計中，變流量空調(diào)系統(tǒng)以其顯著的節(jié)能優(yōu)勢已深入人心。然而在實際工程中，變流量空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)監(jiān)而不控、控而不優(yōu)的情況，這與控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥有著直接的聯(lián)系1-2。在變流量空調(diào)水系統(tǒng)中，末端盤管采用電動兩通閥調(diào)節(jié)，根據(jù)室內(nèi)溫度變化調(diào)整其開度或狀態(tài)，使整個系統(tǒng)循環(huán)流量隨負(fù)荷變化而變化。調(diào)節(jié)閥作為流量控制中的執(zhí)行器，在流量調(diào)節(jié)中起著調(diào)節(jié)和控制流量的作用。調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)的一個控制環(huán)節(jié)，它選擇的正確與否直接關(guān)系到變流量系統(tǒng)是否能夠正常運行。國外在這方面的研究已相對成熟，國內(nèi)則正處于研究起步階段。變流量空調(diào)水系統(tǒng)與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合，必須將調(diào)節(jié)閥的特性與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性聯(lián)系起來綜合考慮，進而采取相應(yīng)的控制算法與策略3。 由于變流量空調(diào)系統(tǒng)末端盤管的水流量動態(tài)跟蹤負(fù)荷變化，需要研究末端盤管熱力特性。本文旨在根據(jù)末端盤管的熱力特性，找出盤管熱力特性與水流量之間的關(guān)系，并且考慮調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的影響因素，為調(diào)節(jié)閥的選擇提供理論依據(jù)。 1 末端盤管熱力特性與水流量之間的關(guān)系 水力系統(tǒng)中所有形式的末端盤管具有一個共同點，當(dāng)水側(cè)溫度恒定時，傳熱量與水量呈非線性關(guān)系46。如圖1是某型號盤管冷卻時的熱力特性曲線，表明了供冷量與水流量之間的關(guān)系?？梢钥闯觯?dāng)末端盤管的流量減少至設(shè)計值的50%時，傳熱能力(供冷量)仍可高達(dá)75%左右。 現(xiàn)行設(shè)計中，由于末端盤管及水泵揚程裕量過大，當(dāng)系統(tǒng)的實際流量超過設(shè)計流量時，系統(tǒng)將處于大流量小溫差的運行工況。即使實際流量為設(shè)計流量的1.2倍甚至更高，盤管的傳熱量也只是有稍許增加而不隨之成比例的變化。 末端盤管的傳熱量一般與水流量呈非線性關(guān)系，這種非線性特性可以用具有相反特性的調(diào)節(jié)閥來補償。所以，應(yīng)正確選擇調(diào)節(jié)閥的特性，以調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)的變化來補償末端裝置放大系數(shù)的變化，使調(diào)節(jié)閥與末端裝置組成的系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持常數(shù)78，這樣，末端裝置的輸出(傳熱量)與系統(tǒng)輸入(閥桿行程)呈線性關(guān)系，使得控制環(huán)路的穩(wěn)定性不取決于負(fù)荷，從而提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量與穩(wěn)定性。 2 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性 2.1 調(diào)節(jié)閥的流量特性 流量特性是指閥門相對流量隨調(diào)節(jié)閥相對開度變化的某種關(guān)系式。調(diào)節(jié)閥的流量特性直接影響著控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量與穩(wěn)定性。常見調(diào)節(jié)閥的特性有直線、對數(shù)、快開和拋物線等四種。在變流量空調(diào)水系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的是直線流量特性與對數(shù)流量特性。這兩種特性均指調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，理想流量特性是在調(diào)節(jié)閥前后壓差在一定的情況下得到的。在實際工況下，調(diào)節(jié)閥與管路系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)，前后壓降不可能保持恒定，因此，就必須研究工作條件下的流量特性，即調(diào)節(jié)閥在前后壓差隨負(fù)荷變化的工作條件下，調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度之間的關(guān)系。 由直線流量特性的定義9，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (1) 式中：k為常數(shù)，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)；Q、Qmax為調(diào)節(jié)閥在某一開度的流量與調(diào)節(jié)閥全開時的流量；l、lmax為調(diào)節(jié)閥某一開度時閥芯的行程與調(diào)節(jié)閥全開時閥芯的行程。 對式(1)積分，將邊界條件l=0時Q=Qmax；l=lmax時，Q=Qmax代入，得 (2) 式中：R為可調(diào)比。即調(diào)節(jié)閥全開時最大流量Qmax與最小可控流量Qmin的比值，由對數(shù)流量特性的定義9，用數(shù)學(xué)式可表示為 (3) 積分式(3)，同理可得： (4) 調(diào)節(jié)閥的對數(shù)特性曲線見圖2 2.2 由調(diào)節(jié)閥作用時盤管熱力特性隨水流量的實際運行特性 對數(shù)特性閥門有著良好的流量特性，在負(fù)荷變化較大的情況下，在末端盤管的熱力特性上凸與調(diào)節(jié)閥對數(shù)特性的下凸共同作用下。盤管的傳熱量隨閥桿行程的實際運行組合特性近似呈線性特性，如圖3。 需要注意的是用于變流量空調(diào)系統(tǒng)中的壓差旁通閥，由于它僅控制水量而不控制冷、熱量，即控制系統(tǒng)要求為線性，且兩側(cè)無較大的水流阻力或壓差控制器接點在閥門兩端，應(yīng)選用直線型閥門，配以比例控制器。 2.3 閥權(quán)度對調(diào)節(jié)特性的影響 閥權(quán)度SV定義是指調(diào)節(jié)閥全開時閥門前后壓差與系統(tǒng)總壓差的比值，也成為閥門能力。即： (5) 由于閥權(quán)度SV值的不同，工作流量特性也不同，所以在選擇調(diào)節(jié)閥特性時必須結(jié)合調(diào)節(jié)閥與管網(wǎng)的連接情況來考慮。這里討論調(diào)節(jié)閥與管網(wǎng)串聯(lián)的情況(見圖4)。 由此，可推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥的實際工作流量特性9。 (6) 由式(6)可以得出，閥門在同一開度時，其實際相對流量將不小于理想相對流量，即閥門特性將出現(xiàn)偏移由生產(chǎn)廠家確定的閥門特性，會由于該調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的閥權(quán)度值而有不同程度的偏離。閥權(quán)度越小，閥門特性偏離越大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制質(zhì)量就越差，反之亦然。(如圖5所示)?？梢缘贸?，隨著閥權(quán)度的減小，閥門對數(shù)特性發(fā)生嚴(yán)重偏離，閥門特性曲線與盤管熱力特性曲線疊加不再是線性關(guān)系，造成閥門在工作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)困難，使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 由于調(diào)節(jié)閥與盤管串聯(lián)連接，則實際可調(diào)比 (7) 圖6為可調(diào)比R與閥權(quán)度SV的關(guān)系曲線。對于一般的調(diào)節(jié)閥，由于其最小可控流量是3.3%，故其最大可調(diào)比為30。 在實際工程中，為保證調(diào)節(jié)閥有一定的可調(diào)比，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有相當(dāng)?shù)淖杩怪?，使之在管路中保持一定的閥權(quán)度。它的大小對調(diào)節(jié)質(zhì)量有著重要的影響，應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。 在大多數(shù)變流量系統(tǒng)設(shè)計中，是以溫差不變?yōu)榍疤醽磉M行設(shè)計與分析的，由于末端盤管及水泵揚程裕量過大，系統(tǒng)經(jīng)常處于大流量小溫差的運行工況10-11。工程實例表明，很多空調(diào)系統(tǒng)供回水溫差為23，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的5溫差相差很大。由盤管熱力特性，可以看出大流量小溫差運行將使系統(tǒng)可調(diào)性變得極差。供回水溫差越小，可調(diào)性則越差。這違背了變流量系統(tǒng)設(shè)計的初衷，在設(shè)計中是應(yīng)當(dāng)避免的。 3 調(diào)節(jié)閥的阻力特性 調(diào)節(jié)閥的阻力特性是閥門選擇的依據(jù)。從流體力學(xué)的觀點看，調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件9。得： (8) 式中：Cmax為調(diào)節(jié)閥的流通能力；P為調(diào)節(jié)閥前后壓差，102kPa；Q1為流體流量，m3/s；為流體的密度，kg/m3。 閥門的SV值應(yīng)保持在合理的范圍內(nèi)，使閥門在系統(tǒng)中有足夠的權(quán)度12，特別是在系統(tǒng)兩端壓差不大的情況下，兩通調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)按閥門所在管路供回水壓差的0.50.7倍確定調(diào)節(jié)閥的壓差P，然后由管路最大流量和閥門兩端壓差計算調(diào)節(jié)閥的最大流通能力。在工程中，調(diào)節(jié)閥一定按照其流通能力來選擇口徑，選擇流通能力最接近且大于Cmax的調(diào)節(jié)閥。在系統(tǒng)壓力波動較大的情況下，應(yīng)采用壓差控制器來穩(wěn)定系統(tǒng)壓差，作用于調(diào)節(jié)閥上的壓差，應(yīng)符合生產(chǎn)廠家的有關(guān)規(guī)定。以保證電動調(diào)節(jié)閥能在有效的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作13-14。 如果調(diào)節(jié)閥實際的Cmax值比需要的Cmax值偏離較大，調(diào)節(jié)閥實際工作在特性曲線比較平坦的區(qū)域，控制靈敏度就會降低甚至失去控制作用，過小的閥門可能提供不了需要的流量，相反閥門選擇過大，則會使閥門的調(diào)節(jié)質(zhì)量變差，并且造成了不必要的投資。閥上阻力占系統(tǒng)總阻力的比例越大，則此閥越接近其理想特性，調(diào)節(jié)品質(zhì)就好，反之則調(diào)節(jié)品質(zhì)變差，從這一點來看，加大閥權(quán)度對改善調(diào)節(jié)品質(zhì)是有利的；但是，從整個水系統(tǒng)來看，SV的提高意味著整個系統(tǒng)壓差的提高，系統(tǒng)水阻力增加，將使水泵能耗增加。因此，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)應(yīng)與系統(tǒng)能耗情況進行綜合平衡考慮。 4