流体输配管网第3章 冷、热水循环管路

1、第第3章章 冷、热水循环管路冷、热水循环管路 3.1水的自然循环 3.1.1自然（重力）管流水力特征 图3-1自然循环管路系统示意图 1 1 2 2 h 22 1 11 2 1112211 2 22 l vv pZgpZgp 22 222 1 2221122 1 22 l vv pZgpZgp 左管段路的能量方程 右管段路的能量方程 12121 22 1lll ZZgppp 12l phg 结论：自然（重力）循环管路 系统中流体的流动动力取决于 竖管段内的密度差和竖管段的 垂直高度。 两式相加得： 重力循环热水系统的工作原理重力循环热水系统的工作原理 图3-2 自然循环热水供暖系统 工作原理图

2、 1散热器；2热水锅炉；3供水管路； 4回水管路；5膨胀水箱 12hhg pg hhh 右 12hgg pg hhh 左 A-A断面左右两侧的水柱压力分 别为 因此系统的循环作用压力为 hg pppgh 右左 自然循环作用的大小与供、回水的密度差和散 热中心和锅炉中心的垂直距离有关 例如：供水温度为95，回水温度70，则每米高 差可产生的作用压力为 9.81 1977.81 961.92Pa156Pa hg gh 注意：自然循环的作用压力不大，系统 中若积有空气，会形成气塞，阻碍循环， 因此管路排气是非常重要。 膨胀水箱 散热器 自然循环热水系统的形式和特点自然循环热水系统的形式和特点 图3-

3、3 自然循环单管上供下回式系统 1总立管；2供水干管；3供水立管；4供水支管； 5回水支管；6回水立管；7回水干管；8连接管； 9充水管；10泄水管；11止回阀 供水干管必须设顺水 流方向下降坡度，坡度 值为0.0050.01 散热器支管也应沿水 流方向设下降坡度，坡 度值为0.01 回水干管有向锅炉方 向的向下坡度，坡度值 为0.0050.01 坡度设置 双管上供下回式系统的作用压力双管上供下回式系统的作用压力 图3-4 双管上供下回式系统 gh ghp 11 212 12 hg hg pg hh pgh 上层散热器 下两层散热器 系统垂直失调（各层作用压力的不同 ） 单管上供下回式系统的作

4、用压力单管上供下回式系统的作用压力 图3-5 单管系统作用压力计算 ggh ghghp 221 当循环环路中有N组串联的 冷却中心（散热器）时，其自然 循环作用压力可用下述通式表示 1 N iig i pgh 垂直失调现象（各层散热器的传热热系数 ） 各层水温确定 N i i iggh tttt 第i层的负荷 附加作用压力 由于自然循环系统的作用压力不大，因此 水在管路冷却产生的附加压力不应忽略， 计算自然循环系统的综合作用压力时，应 首先在假设条件下确定只考虑水在散热器 内冷却产生的作用压力，再增加一项考虑 水沿途冷却产生的附加压力，即 fzh ppp 附加作用压力的大小可根据管路布置状况、

5、楼层高度、所计算的散热器 与锅炉之间的水平距离查表3-1确定。 f p 1 3.2mh 23 3.0mhh 1 700W 2 600W 3 800W 95 g t 70 h t 【例3-1】如图3-6所示为三层楼房自然循环热水供暖系统，明装立管不保温， 总立管距散热器立管之间的距离为15m， 散热器的热负荷分别为 供水温度，回水温度 。 图3-6 例3-1附图 1.双管系统自然循环的综合作用压力 zhf ppp 【解】 2、求单管系统各层之间立管的水温 3.求单管系统的自然循环综合作用压力 zhf ppp （1）水在散热器内冷却产生的作用压力 11 9.81 3.2977.81 961.92P

6、a498.8Pa hg pgh 212 9.813.2 3.0977.81 961.92Pa 966.5Pa hg pg hh 3123 9.813.2 3.0 3.0977.81 961.92 Pa 1434.1Pa hg pg hhh 第1层： 第2层： 第3层： （2）水在管路中冷却产生的附加压力 根据已知条件：三层楼房明装立管不保温，总 立管距计算立管间的距离在10m20m范围，三层 散热器中心距锅炉中心垂直高度皆小于15m，查 表3-1，水在三层散热器环路中冷却产生的附加 压力皆为 250Pa f p 表3-1注： 1.在下供下回式系统中，不计算水在管路中冷却而产生的附加作用压力值。

7、 2.在单管式系统中，附加值采用本表所示的相应值的50%。 3）双管系统自然循环的综合作用压力 第1层：（498.8250）Pa748.8Pa 第2层：（966.5250）Pa1216.5Pa 第3层：（1434.1250）Pa1684.1Pa 第3层与底层循环环路的作用压力差值为 由此可见，楼层数越多，底层与最顶层循环环路 的作用压力差越大。 31 1684.1 748.8 Pa935.3Pappp 2、求单管系统各层之间立管的水温 N i i iggh tttt 3 3 800 9595 70C 85.5C 2100 ggh tttt 32 2 800600 959570C78.3 C 2

8、100 ggh tttt 3 3 968.32kg/m 3 2 972.88kg/m 3.求单管系统的自然循环综合作用压力 zhf ppp N i iii N i gii gHghp 1 1 1 gggh N i gii hhhgghp 33221 1 9.813.2977.81 961.923972.88 961.923968.32 961.92Pa 1009.7Pa f p 0.5 250Pa=125Pa f p （2）水在管路中冷却产生的附加压力 单管系统中，附加压力为双管系统附加压力的50，即 。 （3）单管系统自然循环的综合作用压力 zhf ppp （1009.7125）Pa1134

9、.7Pa 3.2 水的机械循环 机械循环流动的能量方程与自然循环流动的能量 方程的区别在于循环作用压力增加了水泵扬程， 即 lf pppp 图3-7 机械循环热水系统 1循环水泵；2热水锅炉；3集气罐； 4膨胀水箱 总水头线 测压管水头 线 机械循环与自然 循环系统主要区 别 n一是循环动力 不同； n二是膨胀水箱 的连接点和作用 不同； n三是排气方式 不同。 机械循环水系统型式机械循环水系统型式 图3-8 机械循环上供下回式热水系统 1热水锅炉；2循环水泵； 3集气罐；4膨胀水箱 分类一 图3-17 开式与闭式系统(AHU: Air Handle Unit) （a）开式系统； （b）闭式系

10、统 开式与闭式系统 (工作介质是否与空气接触 ) 分类二 同程系统和异程系统同程系统和异程系统 (按系统中的各并联环路中水的流程) 热水同程式系统 1-热水锅炉；2-循环水泵；3- 集气罐； 4-膨胀水箱 异程式热水系统 1-锅炉；2循环水泵；3集气罐4 膨胀水箱 异程式冷冻水系统 分类三定流量系统和变流量系统 分类四 双管制系统、三管制和四管制系统双管制系统、三管制和四管制系统 (按系统中冷热水管道的布置方式) 图3-16 两管制与四管制 （a）两管制系统； （b）四管制系统 图3-9 机械循环下供下回式热水供暖系统 1热水锅炉；2循环水泵；3集气罐； 4膨胀水箱；5空气管；6放气阀 图3-

11、10 机械循环中供式热水系统 图3-11 机械循环下供上回（倒流）式热水系统 1热水锅炉；2循环水泵；3膨胀水箱 图3-12 水平单管顺流式系统 1放气阀；2空气管 图3-13 水平单管跨越式系统 1放气阀；2空气管 A B 图3-14 双管热水供热管网与热用户连接示意图 （a）无混合装置的直接连接；（b）装水喷射器的直接连接； （c）装混合水泵的直接连接；（d）热用户与热网间接连接 1热源的加热装置；2循环水泵；3补给水泵； 4补给水压力调节器；5散热器；6水喷射器；7混合水泵； 8换热器；9热用户系统的循环水泵；10膨胀水箱 单管系统 双管系统 图3-18 单级泵定流量双管闭式系统 1冷水

12、机组；2循环泵；3空调机组或盘管； 4三通阀；5分水器；6集水器 图3-19 变流量系统之一 1冷水机组；2循环泵；3空调机组或盘管； 4二通阀；5分水器；6集水器；7旁通调节阀 图3-21 二次泵水系统之二 1冷水机组一次泵；2一次泵；3二次泵； 4压差调节器； 5-总调节阀 图3-20 二次泵水系统之一 1一次泵；2冷水机组；3二次泵； 4风及盘管；5旁通管；6二通阀 图3-22异程式热水系统 1-锅炉；2循环水泵；3集气罐4膨胀水箱 图3-23 异程式冷冻水系统 循环管路水力计算的原理循环管路水力计算的原理 2 2 y l pRl d 1、沿程压力损失 R为比摩阻（Pa/m） l是直管段

13、长度（m） 是沿程阻力系数 v是水速度（m/s） d是管道直径（m） 是水密度（kg/m3） 2 2 v R d 图3-32 水管路比摩阻计算图 （1mmH2O9.807Pa） 当流体通过管道的一些附件如阀门、弯 头、三通、散热器、盘管等时，由于流体 速度的大小或方向改变，发生局部旋涡和 撞击，产生能量损失，称为局部损失。常 用局部水头损失和局部压力损失表示。计 算管段的局部压力损失表示为 2.局部压力损失 2 2 j v p 3.总压力损失 u任何一个冷热水循环系统都是 由很多串联、并联的管段组成， 通常将流量和管径不变的一段 管路称为一个计算管段。 u各个计算管段的总压力损失应 等于该管段

14、沿程压力损失与该 管段局部压力损失之和，即 2 2 lyj pppRL 当量局部阻力法当量局部阻力法 22 22 d lv d l d d 222 222 lfjdd vvv ppp zhd l d 2 2 lzh v p 22 224 1 9002 lzhmzhm pqAq d 2900 1 422 d A 22 lzhmm pAqSq 当量长度法当量长度法 22 22 dd vv Rll d d l d lyjddzh pppRlRlR llRl 当量长度法一般多用在室外热力网路的水力计算上 供暖系统水力计算的方法 等温降法 不等温降法 水力计算的主要任务 已知各管段的流量和系统的循环作用

15、压力，确定 各管段的管径。这是实际工程设计的主要内容。 已知各管段的流量和各管段的管径，确定系统所 必需的循环作用压力。常用于校核计算，校核循 环水泵扬程是否满足要求。 已知各管段的管径和该管段的允许压降，确定通 过该管段的水流量。用于校核已有的热水供暖系 统各管段的流量是否满足需要。 等温降法计算方法与步骤 n 根据已知温降，计算各管段流量 n 根据系统的循环作用压力，确定最不利环路的平 均比摩阻(如果系统的循环作用压力暂时无法确定， 可选用经济比摩阻60Pa/m120Pa/m)。 n 确定该管径下管段的实际比摩阻和实际流速。 n 确定各管段的压力损失，进而确定系统的压力损 失 36000.

16、86 () m ghgh q c tttt 采用等温降法进行水力计算时注意问题 （1）如果系统未知循环作用压力，可在总压力损失之上附 加10确定。 （2）各并联循环环路应尽量做到阻力平衡，以保证各环路 分配的流量符合设计要求。采暖通风与空气调节设计规 范（GB500192003）规定：热水采暖系统各并联环 路之间（不包括共同管段）的计算压力损失相对差额，不 应大于15%。 （3）根据比摩阻确定管径时，管中的流速不能超过最大允 许流速，流速过大会使管道产生噪音。采暖通风与空气 调节设计规范（GB500192003）规定热水采暖系统 最大允许流速：民用建筑：1.2 m/s；辅助建筑物：2 m/s；

17、 工业建筑：3 m/s。 不等温降法不等温降法 不等温降法先选定立管温降和管径， 根据压力损失平衡的要求，计算各立 管流量，再根据流量计算立管的实际 温降，确定所需散热器的数量，最后 再用当量阻力法确定立管的总压力损 失。 图3-33 重力循环双管热水供暖系统管路计算图 图3-34 机械循环单管顺流热水供暖系统水力计算图 1 2 3456 6” 7 7 6 8 9 10 11 12 一、最不利环路 3管段流量计算 36000.86 () 0.86 29500 1015 9570 m ghgh q c tttt 二、各管段流量计算（包括中间温度） 6”管段流量计算 36000.86 () 0.8

18、6 7900 272 9570 m ghgh q c tttt 85.5 78.5 7管段流量计算 36000.86 () 0.86 3000 272 9585.5 m ghgh q c tttt 确定各管段管径 n根据推荐的经济比摩阻 Rpj60Pa/m120Pa/m n各管段流量qm 表3-10 热水供暖系统管道水力计算表 （tg=95，th=70，K0.2mm） m qR R R R R R R 公称直径 （mm） 25324050 内径 （mm） 27.0035.7541.0053.00 qmRvRvRv R v 76095.790.3822.690.2111.330.163.130.

19、10 780100.710.3823.830.2211.890.173.280.10 以管段4为例qm=767kg/h, Rpj=60120Pa/m 用内插法计算出实际 :R=97.5Pa/m,v=0.22m/s 管段4的沿程摩擦阻力损失为 Py=Rl=97.58=780Pa 局部阻力计算（以6 管段为例） 直流三通 直流三通 闸阀 闸阀 乙 字 弯 乙字弯 弯头 集气罐 9.0 6 直流三通 212 闸 阀 20.52 弯 头 12.0 乙 字 弯 21.52 集 气 罐 11.0 数量阻力系数 图3-35 同程式系统管路系统图 不等温降法水力计算方法与步骤 进行室内热水供暖系统不等温降的水

20、力计算时，一般从循环环路的最 远立管开始。 （1）首先任意给定最远立管的温降。一般按设计温降增加25。 由此求出最远立管的计算流量。根据该立管的流量，选用（或）值， 确定最远立管管径和环路末端供、回水干管的管径及相应的压力损失 值。 （2）确定环路最末端的第二根立管的管径。该立管与上述计算管段 为并联管路。根据已知节点的压力损失，给定该立管管径，从而确定 通过环路最末端的第二根立管的计算流量及其计算温度降。 （3）按照上述方法，由远至近，依次确定出该环路上供、回水干管 各管段的管径及其相应的压力损失以及各立管的管径、计算流量和计 算温度降。 （4）系统中有多个分支循环环路时，按上述方法计算各个

21、分支循环 环路。计算得出的各循环环路在节点压力平衡状况下的流量总和，一 般都不会等于设计要求的总流量，最后需要根据并联环路流量分配和 压降变化的规律，对初步计算出的各循环环路的流量、温降和压降进 行调整。 最不利环路水力计算 1. 求平均比摩阻 0.5 10000Pa 43.6Pa m 114.7m pj p R l 2. 确定各立管各管段的流量和管径 假设立管的温降假设立管的温降Ct30（比设计温降大5）。立管的流量 0.860.86 7900 kg h226kg/h 30 mV q t 根据平均比摩阻和流量，查表3-10，确定管径为DN20mmDN15mm。 表3-10 热水供暖系统管道水

22、力计算表 公称直径 （mm） 152025 内径（mm）15.7521.2527.00 qm RvRvRv 200120.480.2926.010.167.800.10 220144.520.3231.080.189.290.11 240170.730.3536.580.1910.900.12 (3)压力损失计算 （当量阻力法计算压力损失 ） zh 层 数 单向连接立管管径/mm 双向连接立管管径/mm 15 20 2532 散热器支管值径/mm 1520253215 15 201520252032 整根立管的折算阻力系数 值（立管两端安装闸阀） 37763.748.743.148.472.7

23、38.2141.752.030.4115.148.8 497.480.661.454.159.392.646.6185.465.837.0150.161.7 5117.997.574.165.070.3112.555.0229.179.643.6185.074.5 6138.3114.586.976.081.2132.563.5272.993.550.3220.087.4 7158.8131.499.686.992.2152.471.9316.6107.356.9254.9100.2 8179.2148.3112.397.9103.1172.380.3360.3121.163.5290.011

24、3.1 注：1、编制本表条件：建筑物层高为3.0m，回水干管敷设在地沟内。 表3-11 按 确定热水管系统管段阻力损失的 管径计算表 1 zh P m q 项目 公称直径DN（mm） 流速 ( ms-1) （Pa）15 20 253240507080100 9517428049264710811779258738480.149.5 10218630152769311581906277241220.1510.9 10919932156273912352033295743970.1612.5 11621134159778513122160314146720.1714 123223361632832

25、1390228733264947 0.1815.8 1302363816678781467241535115222 0.1917.6 13624840170294715832605378856340.2019.4 供、回水干管6和6水力计算 1.8 16 230.8 zh dl A d 公称直径()15202532405070 893. 5 108 4 外径(mm)21.25 26.7 5 33.542.25486075.589108 内径(mm)15.75 21.2 5 2735.7541536882100 (m-1)2.6 1.8 1.30.90.760.540.40.310.24 (Pa

26、(kgh-1)- 2) 1.05 10-3 3.16 10-4 1.22 10-4 3.92 10-5 2.28 10-5 8.15 10-6 3.01 10-6 1.42 10-6 6.43 10-7 左右侧环路的压力平衡 计算 流量 实际 流量 系统设计 流量 计算压 力损失 左侧 环路 1180 1238 2573 4100 右侧 环路 1196 1196 4513 =2434 计算压力损失按与右侧环路的压力损失相同考虑 2 m pSq 调整计算 通导数 2 m pSq 1 m q a Sp 111 1196451317.8 m jj aqp 222 1180410018.43 m jj

27、 aqp 右侧环路 左侧环路 流量分配 在并联环路中，各并联环路流量分配比等于其通导数比，亦即 1212 12 11 : mm qqaa SS 当总流量 12mmm qqq 为已知时，并联环路的流量分配比例可用下式表示 1 1 12 mm a qq aa 2 2 12 mm a qq aa 进行温降、流量、压力损失调整 流量调整系数为 mt q mj q q 温降与流量成反比，则温降调整系数为 1 mj t qmt q q 压力损失调整系数为 2 tmt p jmj pq pq 3.3.6 室外热水供热管网的水力计算室外热水供热管网的水力计算 室外热水供热管网水力计算的主要任务是： 按已知的热

28、媒流量，确定管道的直径，计算 压力损失。 按已知热媒流量和管道直径，计算管道的压 力损失。 按已知管道直径和允许压力损失，计算和校 核管道中的流量。 计算方法 室外热水管网的水流量通常用吨/时（t/h）表示。 比摩阻、管径和水流量的关系式，根据式（3-23） 可改写为 2 5 6.25 10 m q R d 2 30.25 5.25 6.88 10 m q RK d 0.04760.381 0.19 0.387 m Kq d R 流动处于阻力平方区 【例3-6】某工厂厂区热水供热系统，其网 络平面布置图见图3-36，各管段的长度、 阀门位置、方形补偿器的位置及个数及热 负荷已标注图中。网路的计

29、算供水温度 tg=130，计算回水温度th=70，各用户 内部已确定压力损失均为50kPa，对管网进 行水力计算。 E1500kW D2000kW F1000kW 图3-36 室外热水管网 热水管网主干线的设计平均经济比摩阻可取 40 80/ pj RPa m 表3-16 管段AB、BC、CD局部阻力 当量长度 d l d l 管段AB管段BC管段CD 管径d(mm) 200150125 当量长度 (m) 闸阀3.361 分流三通5.61分流三通4.41 方形 补偿 器 23.45 异径接头0.561 异径接头0.441 方形补偿 器 15.44 方形补偿 器 12.54 折算长度 (m) 120.3667.7654.84 表3-18 管内水流速推荐值（单位：m/s） 管径/mm1520253240506580 闭式 系统 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7 0.7 0.9 0.8 1.0 0.9 1.2 1.1 1.4 1.2 1.6 开式 系统 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 0.8 0.7 0.9 0.8 1.0 0.9 1.2 1.1 1.4 管径 /mm 100125150200250300350400 闭式 系统 1.3 1.8 1.5 2.0 1.6 2.2 1.8 2.5 1.8 2.6 1.9 2.9 1.6 2