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0 引言
隨著供暖熱計(jì)量的發(fā)展，供暖系統(tǒng)的水力運(yùn)行工況將由靜態(tài)變換為動(dòng)態(tài)。這種工況的變化，使得在系統(tǒng)上探討調(diào)節(jié)問(wèn)題已無(wú)意義，因?yàn)橐环N固定的管路結(jié)構(gòu)模式只能適應(yīng)特定的水力工況，動(dòng)態(tài)工況只能靠局部調(diào)節(jié)裝置加以控制[1]。
對(duì)動(dòng)態(tài)水系統(tǒng)而言，通常設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置種類很多，例如流量調(diào)節(jié)閥、壓差限制器等，這些設(shè)備的控制對(duì)象是流量，包括流量變化及流量穩(wěn)定，而采取的技術(shù)手段則是改變局部管路的流動(dòng)阻力。由于局部管路流動(dòng)阻力的變化，使得相鄰并聯(lián)環(huán)路必然受到影響。為實(shí)現(xiàn)相鄰環(huán)路之間互不影響，筆者提出三通調(diào)節(jié)閥的定流量調(diào)節(jié)形式。
1 調(diào)節(jié)形式
如圖1所示，1，2為兩并聯(lián)環(huán)路（用戶），為散熱器或風(fēng)機(jī)盤管；3是三通調(diào)節(jié)閥；AB為1所在支路，CB為一旁通支路。當(dāng)用戶1要求流量變化時(shí)，調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥3，使得AB支路流量增大或減小，與此同時(shí)，CB支路流量將減小或增大，但在任意調(diào)節(jié)條件下滿足式（1）：
GAB+GCB=G0 （1）
式中：GAB為AB支路流量；
GCB為CB支路流量；
G0為兩支路的流量總和。無(wú)論GAB，GCB如何變化，G0不變。
式（1）就是該調(diào)節(jié)形式所應(yīng)具備的調(diào)節(jié)特性稱其為定流量特性。由于G0保持不變，無(wú)論三通調(diào)節(jié)閥如何調(diào)節(jié)，都不會(huì)影響環(huán)路2或其他相鄰環(huán)路。
2 調(diào)節(jié)阻力特性
在并聯(lián)環(huán)路中既然改變某支路流量并不影響相鄰支路，那么調(diào)節(jié)特性就與其他支路無(wú)關(guān)。對(duì)于某一確定支路，其阻力特性是固定不變的，而對(duì)于某一已知閥門其阻力特點(diǎn)及其調(diào)節(jié)特性也是確定的，因此要實(shí)現(xiàn)閥門安裝在該支路上后調(diào)節(jié)具有定流量特性，有三種可能[2]：
a）此三通調(diào)節(jié)閥與該支路完全匹配，調(diào)節(jié)是定流量；
b）在該支路上增加局部阻力，使其阻力特性變化后與閥匹配；
c）改造閥門結(jié)構(gòu)，使其阻力特性或調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化后與支路匹配。
三種可能說(shuō)明調(diào)節(jié)特性并不是某一特性所能決定的，而是相互關(guān)聯(lián)的，因此分析其綜合阻力關(guān)聯(lián)式是必要的。
閥門的調(diào)節(jié)特性一般用特征曲線來(lái)描述，特征曲線是由相對(duì)開度K與相對(duì)流量GK的關(guān)系決定的，可表示為（定壓差條件下）：
（2）
式中：Gk為閥門某一開度所通過(guò)的流量，
Gmax為所通過(guò)的最大流量；
k為任意開度，kmax為最大開度。
將流動(dòng)阻力特性引入，有：
Δp=SkGk2 （3）
式中 Δp為閥兩端壓差，調(diào)節(jié)時(shí)為定值；Sk為任意開度下阻力特性系數(shù)。
將式（2）代入式（3）中，有：
Δp=SkGk2max2 （4）
又
Δp=Skmax Gmax2 （5）
將式（4）與式（5）相比，得
（6）
三通調(diào)節(jié)閥有直通與旁通支路，兩路開度相反，由式（6）得到：
直通支路閥的阻力特性Sk計(jì)算式為：
（7）
旁通支路閥的阻力特性Skmax-k計(jì)算式為：
（8）
式中：Smin為直通全開阻力特性系數(shù)，
S'min為旁通全開阻力特性系數(shù)；
G'K為旁通支路閥的相對(duì)流量。
考慮支路的阻力特性以后，則調(diào)節(jié)時(shí)綜合阻力特性式如下：
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）得直通支路與旁通支路的并聯(lián)阻力特性式為：
Szk-0.5+Szkmax-k-0.5=Sb-0.5 （11）
式中：Sb為并聯(lián)特性系數(shù)，下角z代表綜合阻力特性參數(shù)。當(dāng)直通全開或旁通全開時(shí)，Sb=Smin+Sz或Sb=S'min+Sp，Sp為旁通特性系數(shù)。
因此定流量調(diào)節(jié)所滿足的阻力特性條件可由下面的方程組[3]描述：
（12）
Sb=Smin+Sz，Sb=Smin+Sp （13）
式（12）與（13）即為總阻力關(guān)聯(lián)式。
3 三通調(diào)節(jié)閥阻力性能測(cè)試
3.1 測(cè)試及測(cè)試原理
閥門阻力特性測(cè)試如圖2所示。水自循環(huán)水箱被水泵抽取，經(jīng)測(cè)壓點(diǎn)1，2，被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)3，4，或經(jīng)測(cè)點(diǎn)1，2，被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)5，6流回循環(huán)水箱。
壓強(qiáng)采用測(cè)壓管直接測(cè)得，流量采用體積法測(cè)量。
閥門阻力系數(shù)計(jì)算公式為：
（14）
式中：ζ為閥門局部阻力系數(shù)；
hw為閥門前后測(cè)點(diǎn)間總水頭損失，m，hw=h2- h4或hw=h2- h6；
hf為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)間沿程水頭損失，m，hf=l24/l12（h1- h2）或hf= l26/l12（h1- h2），其中h1~h6分別為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭，l24為測(cè)點(diǎn)2，4間管長(zhǎng)，m，l12為測(cè)點(diǎn)1，2間管長(zhǎng)，m，l26為測(cè)點(diǎn)2，6間管長(zhǎng)，m；
v 為測(cè)試段管內(nèi)斷面平均流速，m/s，v= 4Q/πd2，其中Q為流量，m3/s，d為管徑，m。
3.2 測(cè)試結(jié)果
a）直通全開工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζmin=4.60；
b）旁通全開工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζ'min=8.47；
c）閥門相對(duì)開度與相對(duì)流量關(guān)系曲線見圖3。
4 應(yīng)用分析
為保證供暖系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)互不影響，設(shè)計(jì)了如圖1所示調(diào)節(jié)形式，具體形式見圖4。
圖中1，2為散熱器，3為三通調(diào)節(jié)閥，A-1-B為直通支路，CB為旁通支路，支路還存在一些彎頭。
常用的三通調(diào)節(jié)閥有3種，按直通配管管徑可分為：DN15，DN20，DN25。由于散熱器的局部阻力實(shí)際可取為定值，為便于應(yīng)用與推廣，將其結(jié)構(gòu)模塊化，統(tǒng)一設(shè)計(jì)為DN25。另外，為計(jì)算方便，將管路的沿程阻力轉(zhuǎn)化為局部阻力，稱之為當(dāng)量局部阻力。由此，支路的總阻力為當(dāng)量局部阻力與局部阻力之和[3~4]：
（15）
式中：λ為摩擦阻力系數(shù)。
支路（全開）的局部阻力系數(shù)[4]見表1。
直通支路全開或旁通支路全開的總局部阻力系數(shù)相差不到1%，其流量也在此范圍之內(nèi)。然而當(dāng)閥門在其他開啟度條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總局部阻力系數(shù)：
（16）
（17）
式中 ζ1zh為直通支路總局部阻力系數(shù)，ζ2zh為旁通支路總局部阻力系數(shù)。
由式（16），（17）及圖3，插值計(jì)算得到表1所示結(jié)果。
表1 不同開度條件下的阻力系數(shù)
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 |
當(dāng)
時(shí)，并聯(lián)總阻力系數(shù)為7.5，與全開或全閉的12相比，變化了38%，在定壓條件下，流量要變化27%。若不定壓，屬自然調(diào)節(jié)，流量變化會(huì)減小到20%左右，這由管網(wǎng)的自適應(yīng)能力決定。
5 定流量特征曲線
特征曲線包括直通曲線與旁通曲線，要實(shí)現(xiàn)定流量，兩條曲線可能有多種組合，但這兩條曲線組合并非是任意的，第一，要符合實(shí)際，即在制造工藝上是否可行；第二，要利于將來(lái)的調(diào)節(jié)。為有利于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將直通曲線設(shè)為線性的，旁通曲線由直通的線性決定。即直通曲線為
是一條已知曲線，C是一待定常數(shù)，求旁通曲線GK。
以上述的應(yīng)用為例，兩曲線應(yīng)滿足的關(guān)系式為：
ζ1zh-0.5+ζ2zh-0.5=ζzh-0.5
將式（16），（17）代入得：
（18）
由上式經(jīng)插值計(jì)算后再進(jìn)行曲線擬合，G'K為一指數(shù)或?qū)?shù)曲線，見圖5。
在常用的閥門中，其特征曲線通常為線性（不絕對(duì)）或?qū)?shù)曲線，一個(gè)閥門具有這兩種特征曲線，可以看作是一個(gè)線性調(diào)節(jié)閥與一個(gè)對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥的組合，因此，生產(chǎn)具有線性與對(duì)數(shù)混合調(diào)節(jié)特征的閥門在工藝上是可行的。
6 結(jié)論
6.1 三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)形式較其他調(diào)節(jié)方式有明顯優(yōu)點(diǎn)，調(diào)節(jié)時(shí)阻力不變、流量恒定，能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)環(huán)路之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)互不影響。
6.2 要達(dá)到定流量目的，阻力分配必須滿足一定關(guān)系，由于結(jié)構(gòu)模塊化，實(shí)際支路的阻力特性將由閥門結(jié)構(gòu)決定，閥的兩特征曲線組合是該調(diào)節(jié)形式成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
6.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的調(diào)節(jié)閥特征曲線為兩不絕對(duì)的線性曲線，應(yīng)用該閥時(shí)，最大流量偏差為27%，當(dāng)管網(wǎng)達(dá)到一定的穩(wěn)定性時(shí)，流量偏差在20%左右。
6.4 定流量調(diào)節(jié)閥的特征曲線為線性曲線與對(duì)數(shù)曲線組合，或指數(shù)曲線與對(duì)數(shù)曲線組合。不同的曲線組合時(shí)，流量誤差在10%以內(nèi)，即認(rèn)為具有可用性。
參考文獻(xiàn)
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[3] 張維佳，潘達(dá)林，編著.工程流體力學(xué).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001
[4] 賀平，孫剛，編著.供熱工程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996
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