系統(tǒng)壓力損失及流量平衡

1、管道系統(tǒng)的壓力損失和流量平衡意大利卡萊菲公司北京辦事處 舒雪松一、平衡流量指系統(tǒng)的壓頭（揚程）改變后隨之改變的新流量。它可以通過以下公式計算： G1 = G ×（H1/H）0.525 公式（1） 其中：G1=系統(tǒng)平衡后流量（新流量） H1=系統(tǒng)新的壓頭 G=系統(tǒng)原流量 H=系統(tǒng)原壓頭注：G1，G，H1，H的單位應(yīng)該一致。比如G用m3/h為單位，則G1也應(yīng)該是m3/h。以上公式根據(jù)流體動力學(xué)的理論衍變出來，它假設(shè)在水循環(huán)系統(tǒng)中，壓力損失的總和與流量的指數(shù)為1.9的關(guān)系，即Z=P X G 1.9, Z就是系統(tǒng)流量曲線的特征系數(shù)。這個公式適合于我們在上一個章節(jié)里講到的高、中、低粗糙度管道。

2、新流量與原流量的關(guān)系通過倍率F表述： F = G1 / G 公式（2）這個倍率用于確定系統(tǒng)經(jīng)過平衡后每個支路、末端的新流量。范例（1）一個傳統(tǒng)雙管系統(tǒng)的平衡流量計算方式圖1回路B匯合點N 回路A如圖1所示：循環(huán)回路A有四個末端，其特征為：HA=980mm水柱（揚程）GA=550 l/h(流量)G1=160 l/h , G2=140 l/h, G3=140 l/h, G4=110 l/h循環(huán)回路B有3個末端，其特征為：HB=700mm水柱（揚程）GB=360 l/h (流量)G5=140 l/h ，G6=120 l/h，G7=100 l/h現(xiàn)在，如果A、B回路匯合到一起，其流量及壓損特征都會產(chǎn)生

3、變化。以下我們將用3種方式進行計算。在AB匯合后，其匯合點的壓差一致。這個壓差值可以選擇其中一個回路的壓差值或者重新設(shè)定一個壓差值。A， 按壓差值大的回路A為標(biāo)準(zhǔn)計算：即Hn=HA=980mm水柱，因此只需要平衡回路B的流量。通過公式（1）計算B回路的新流量，得出： GBn=GB×(Hn/HB) 0.525=360 ×(980/700) 0.525 = 429.5 l/h通過公式（2）得到倍率F=429.5/360=1.193因此，B回路每個末端新的流量就變?yōu)?G5=140×F=167 l/h，G6=120×F =143 l/h，G7=100×

4、F=119 l/hB， 按壓差值小的回路B為標(biāo)準(zhǔn)計算：即Hn=HB=700mm水柱，因此只需要平衡回路A的流量，通過公式（1）計算A回路新流量，得出： GAn=GA×(Hn/HA) 0.525=550 ×(700/980) 0.525 = 460.9 l/h通過公式（2）得到倍率F=460.9/550=0.838因此可以計算出A回路每個末端的新流量：G1=160×F=134 l/h，G2=140 ×F =117 l/h，G3=140 ×F =117 l/h，G4=110×F=92 l/hC， 按平均壓差值為標(biāo)準(zhǔn)計算：即Hn =（HB+

5、HA）/2 = 840mm水柱，因此A，B回路流量卻需要進行平衡，通過公式（1）計算A，B回路新流量，得出：Gan = GA×(Hn/HA) 0.525 = 550 ×(840/980) 0.525 = 507.2 l/hGBn = GB×(Hn/HB) 0.525 = 360×(840/700) 0.525 = 396.2 l/h通過公式（2）得到倍率：FA=507.2/550=0.922，F(xiàn)B=396.2/360=1.101，因此可以計算出A和B回路每個末端的新流量：G1=160×FA=147 l/h，G2=140 ×FA =12

6、9 l/h，G3=140 ×FA =129 l/h，G4=110×FA=101 l/h，G5=140×FB=154 l/h，G6=120 ×FB =132 l/h，G7=100×FB=110 l/h結(jié)論：按大的壓差計算方法保證了最遠端的熱效率，但在壓差更小的回路內(nèi)末端流量大于設(shè)計流量，因此在這個環(huán)路內(nèi)可能造成過高的流速。按小的壓差計算方法不會造成太高的流速，但是卻讓壓差值更大的回路其流量低于設(shè)計流量。按平均的壓差計算方法是前兩者的折衷。在流量及流速上卻更為接近設(shè)計值。二、系統(tǒng)流量的計算及管徑的選擇實例見圖2，這是一個典型的雙管系統(tǒng)，由8個末端組

7、成，其系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：每個末端額定流量：330 l/h每個末端壓力損失：150mm每個末端的支管長度（供回水）：4m每個支路之間的立管長度（供回水）：6m立管與支管連接彎頭：2個 90-計算末端到立管部分的局部壓力損失系數(shù)，見圖3：2個T型匯合口： 2 X 1.0 = 2.02個90彎頭: 2 X 1.5 = 3.0(3/8”, 1/2”); 2 X 1.0 = 2.0(3/4”, 1”)1個供水角閥(平均值): 4.01個回水角閥(平均值): 1.0共計 = 10.0(3/8”, 1/2”); = 9.0(3/4”, 1”)-計算支路之間的立管部分的局部壓力損失系數(shù)，見圖4:2個T型匯合口

8、： 2 X 1.0 = 2.01個管徑擴大接頭: 1.01個管徑縮小接頭: 0.5共計= 2.0(管徑不變時); = 3.5(管徑改變時)8層7層6層5層4層3層2層1層地下室圖2T型分流T型合流圖3畫3管徑的改變T型分流管徑的改變T型合流圖4案44-計算末端8的流量、壓力損失及管徑選擇: 流量G = 設(shè)計流量 = 330 l/h支管管徑: 1/2”: 流速0.44 m/s, 不超過最高流速0.7 m/s壓力損失:l 連接末端的支管壓力損失: 長度4 m, 延程壓力損失r=20.5 mm/m(1/2”管在330 l/h的流量時), 因此壓力損失=4 X 20.5 = 82mm.l 局部壓力損失

9、: 按= 10.0,流速=0.44 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=10X970X0.44²/2X9.81=96mml 末端壓力損失：150mml 壓力損失總和H8：82+96+150=328mm-計算末端7、8之間的立管流量、壓力損失及管徑選擇: 流量G 8-7 = G 8 = 330 l/h立管管徑: 3/4”:按最接近r=10mm/m的可選商用管道計算壓力損失:l 延程壓力損失: 長度6 m, 延程壓力損失r=5 mm/m(13/4”管在330 l/h的流量時), 因此壓力損失=6 X 5 = 30mm.l 局部壓力損失: 按=

10、 2.0,流速=0.25 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.25²/2X9.81=6mml 壓力損失總和P8-7：30+6=36mm-計算末端7的流量、壓力損失及管徑選擇:就如前面的平衡流量章節(jié)講到的一樣，末端8和末端7在7層的立管分支處匯合，其可用揚程H7=H8+P8-7=328+36=364mm根據(jù)流量平衡公式1， 流量G7 = G8 ×（H7/H8）0.525 = 330X（364/328）0.525=349 l/h流速 v7=0.47 m/s 根據(jù)不超過最高流速0.7 m/s的原則, 末端7的支管管徑選

11、擇為 1/2”.-計算末端6、7之間的立管流量、壓力損失及管徑選擇:流量G 7-6 = G 8-7 + G 7 = 330+ 349 = 679 l/h立管管徑: 3/4”:按接近r=10mm/m的可選商用管道計算壓力損失:l 延程壓力損失: 長度6 m, 延程壓力損失r=18.5 mm/m(13/4”管在679 l/h的流量時), 因此壓力損失=6 X 18.5 = 111mm.l 局部壓力損失: 按= 2.0,流速=0.51 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.51²/2X9.81=26mml 壓力損失總和P7-6 =

12、 111+26=137mm-計算末端6的流量、壓力損失及管徑選擇:可用揚程H6=H7+P7-6=364+137=501mm根據(jù)流量平衡公式1， 流量G6 = G8 ×（H6/H8）0.525 = 330X（501/328）0.525=412 l/h流速 v7=0.55 m/s 根據(jù)不超過最高流速0.7 m/s的原則, 末端6的支管管徑選擇為 1/2”.根據(jù)以上計算方式, 其余末端及立管特征數(shù)據(jù)計算如下, 見表1及圖5:表1：區(qū)域流量壓頭流速管徑超出額定流量末端8支路330 l/h328 mm0.44 m/s1/2”+0%末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末

13、端7支路349 l/h364 mm0.47 m/s1/2”+5.7%末端6、7之間679 l/h137 mm0.51 m/s3/4”末端6支路412 l/h501 mm0.55 m/s1/2”+24.8%末端5、6之間1091 l/h131 mm0.52 m/s1”末端5支路466 l/h632 mm0.63 m/s1/2”+41.20%末端4、5之間1557 l/h74 mm0.43 m/s1 1/4”末端4支路494 l/h706 mm0.66 m/s1/2”+49.7%末端3、4之間2051 l/h100 mm0.56 m/s1 1/4”末端3支路529 l/h806 mm0.70 m/

14、s1/2”+60.3%末端2、3之間2580 l/h98 mm0.52 m/s1 1/2”末端2支路562 l/h904 mm0.42 m/s3/4”+70.3%末端1、2之間3142 l/h113 mm0.64 m/s1 1/2”末端1支路598 l/h1017 mm0.45 m/s3/4”+81.2%1層到地下3740 l/h78 mm0.47 m/s2”系統(tǒng)總特征3740 l/h1095 mm從以上數(shù)據(jù)看出，在需要滿足最末端額定流量的情況下，其余末端的流量都會超出額定流量，離熱源越近的末端,因為其壓頭更高,流量超出范圍越大。因此，我們需要對每個末端支路的流量進行平衡，平衡的方式大致分為三

15、種：同程式流量平衡，手動平衡閥平衡，動態(tài)流量平衡閥平衡。同程式的平衡由于其管道計算及鋪設(shè)較為復(fù)雜，在實際的工程中使用較少。我們在本章節(jié)內(nèi)只對使用手動和自動平衡閥平衡流量的方式進行實例的計算演示。-手動平衡閥平衡方式：在每個末端前安裝手動平衡閥，通過平衡閥的調(diào)節(jié)使每個末端的流量符合設(shè)計流量。因此系統(tǒng)全負荷時總流量就改變?yōu)椋? X 330 = 2640 l/h。系統(tǒng)的壓差計算為：1，最末端8的平衡閥全開，在全開狀態(tài)時，假定平衡閥的壓力損失為150 mm，通過上面的計算方式進行同樣計算，得出系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征如下，見表2及圖6圖5圖6表2：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路330 l/h478

16、mm0.44 m/s1/2”+150mm末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h514 mm0.44 m/s1/2”+186mm末端6、7之間660 l/h133 mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h647 mm0.44 m/s1/2”+319mm末端5、6之間990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h757 mm0.44 m/s1/2”+429mm末端4、5之間1320 l/h52 mm0.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h809 mm0.44 m/s1/2”+481mm末端3、4之間16

17、50 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h874 mm0.44 m/s1/2”+546mm末端2、3之間1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h969 mm0.44 m/s1/2”+641mm末端1、2之間2310 l/h126 mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h1095 mm0.44 m/s1/2”+767mm1層到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系統(tǒng)總特征2640 l/h1212 mm如果通過流量曲線圖表表示未平衡流量系統(tǒng)和安裝了手動流量平衡閥的系統(tǒng)，從圖7對比可以得出，

18、使用了流量平衡閥的系統(tǒng)曲線更陡，穩(wěn)定性高于未平衡的系統(tǒng)。以上所談到的都是系統(tǒng)全負荷運行狀態(tài)，也就是說，所有的末端都開啟。但在實際運行中，尤其是在通過電動兩通閥自動控制末端的系統(tǒng)中，某些末端會因為其所控區(qū)域溫度達到設(shè)定值而自動關(guān)閉。這時，系統(tǒng)的流量曲線又會發(fā)生很大的變化。比如說,當(dāng)末端3, 5, 7, 8關(guān)閉時, 系統(tǒng)的流量曲線會向上移動, 但是剩余的末端1,2,4, 6的流量總和并不是理論上的2640/2=1320 l/h, 而是改變?yōu)?630 l/h, 壓頭改變?yōu)?377 mm.（這里由于篇幅的關(guān)系,有關(guān)此流量,壓頭,曲線指數(shù)的計算將不做詳細介紹,具體的計算步驟可以參考卡萊菲公司的技術(shù)手冊。

19、）圖7未平衡流量系統(tǒng)手動流量平衡曲線圖從圖7可以看出，當(dāng)系統(tǒng)半負荷運行時，實際的流量與壓頭與理論值有偏離，偏離的結(jié)果是剩余的4個末端流量會增大。圖8則詳細計算出了半負荷時各個末端的實際流量及過流比率。-動態(tài)流量平衡閥平衡方式：在每個末端前安裝動態(tài)流量平衡閥，因為每個平衡閥設(shè)定的流量都是330 l/h，因此系統(tǒng)全負荷時流量總和為：8 X 330 = 2640 l/h。動態(tài)流量平衡閥的特征在于其能夠在很大一段的壓差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的流量，也就是說，它能自動在系統(tǒng)變化時增加或減少壓力損失以達到平衡的目的。在設(shè)計和計算上工作也比手動平衡閥的方式更為簡單。安裝了動態(tài)流量平衡閥系統(tǒng)的壓力損失總和為：最末端8

20、的壓力損失150 mm + 動態(tài)流量平衡閥最小工作壓差1250 mm + 由末端8至地下室的管道延程及局部損失1089 mm = 2489 mm（具體計算詳見技術(shù)手冊）。手動平衡閥系統(tǒng)在半負荷狀態(tài)下的過流示意圖過流指數(shù)圖8表3：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路330 l/h1755mm0.44 m/s1/2”+1427mm末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h1791 mm0.44 m/s1/2”+1463mm末端6、7之間660 l/h133 mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h1924 mm0.44 m/s1/2”

21、+1608mm末端5、6之間990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h2034 mm0.44 m/s1/2”+1706mm末端4、5之間1320 l/h52 mm0.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h2086 mm0.44 m/s1/2”+1758mm末端3、4之間1650 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h2151 mm0.44 m/s1/2”+1823mm末端2、3之間1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h2246 mm0.44 m/s1/2”+1918mm末端1、2之間23

22、10 l/h126 mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h2372 mm0.44 m/s1/2”+2044mm1層到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系統(tǒng)總特征2640 l/h2489 mm當(dāng)系統(tǒng)半負荷運行時, 就如上面所講到的, 當(dāng)末端3, 5, 7, 8關(guān)閉時, 動態(tài)流量平衡閥芯自動吸收增加的壓差,從而使流量曲線圖與設(shè)計相符,見表4。表4：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路0 l/h1/2”末端7、8之間0 l/h3/4”末端7支路0 l/h1/2”末端6、7之間0 l/h3/4”末端6支路330 l/h2746 mm0.44 m/s1/2”+2418m