有关供暖系统定流量三通调节阀的应用

       0 引言

      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^[1]。

      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。

      1 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）：

      G_AB+G_CB=G₀ （1）

      式中：G_AB为AB支路流量；
               G_CB为CB支路流量；
               G₀为两支路的流量总和。无论G_AB，G_CB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。

      2 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，而对于某一已知阀门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G_K的关系决定的，可表示为（定压差条件下）：

                     （2）

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

      将流动阻力特性引入，有：

      Δp=S_kG_k²              （3）

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

      将式（2）代入式（3）中，有：

      Δp=S_kG_k²_max2               （4）

      又

       Δp=S_kmax G_max²               （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S_k计算式为：

                             （7）

      旁通支路阀的阻力特性S_kmax-k计算式为： 

                     （8）

      式中：S_min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：

      S_zk^-0.5+S_zkmax-k^-0.5=S_b^-0.5       （11）

      式中：S_b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，S_b=S_min+S_z或S_b=S’_min+S_p，S_p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）

      S_b=S_min+S_z，S_b=S_min+S_p                                     （13）

      式（12）与（13）即为总阻力关联式。

      3 三通调节阀阻力性能测试

      3.1 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；
               h_w为阀门前后测点间总水头损失，m，h_w=h₂- h₄或h_w=h₂- h₆；
               h_f为相应测点间沿程水头损失，m，h_f=l₂₄/l₁₂（h₁- h₂）或h_f= 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。

      3.2 测试结果

      a）直通全开工作状态阻力系数ζ_min=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。

 4 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]：

               （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 ζ_1zh为直通支路总局部阻力系数，ζ_2zh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	0.8	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

 

 

      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。

      5 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G_K。

      以上述的应用为例，两曲线应满足的关系式为：

      ζ_1zh^-0.5+ζ_2zh^-0.5=ζ_zh^-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。

      6 结论

      6.1 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。

      6.2 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。

      6.3 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。

      6.4 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。

 

 

      参考文献

 

      [1] 石兆玉，编著.供暖系统的运行调节与控制.北京：清华大学出版社，1994
      [2] 江亿.管网可调性和稳定性的定量分析.暖通空调，1997，27（3）
      [3] 张维佳，潘达林，编著.工程流体力学.北京：中国建筑工业出版社，2001
      [4] 贺平，孙刚，编著.供热工程.北京：中国建筑工业出版社，1996