系统压力损失及流量平衡

管道系统的压力损失和流量平衡意大利卡莱菲公司北京办事处舒雪松一、平衡流量指系统的压头（扬程）改变后随之改变的新流量。它可以通过以下公式计算： G1=G×（H1/H）0.525公式（1）其中：G1=系统平衡后流量（新流量）H1=系统新的压头G=系统原流量H=系统原压头注：G1，G，H1，H的单位应该一致。比如G用m3/h为单位，则G1也应该是m3/h。以上公式根据流体动力学的理论衍变出来，它假设在水循环系统中，压力损失的总和与流量的指数为1.9的关系，即Z=ΔPXG1.9,Z就是系统流量曲线的特征系数。这个公式适合于我们在上一个章节里讲到的高、中、低粗糙度管道。新流量与原流量的关系通过倍率F表述：F=G1/G公式（2）这个倍率用于确定系统经过平衡后每个支路、末端的新流量。范例（1）一个传统双管系统的平衡流量计算方式图1回路B汇合点N图1回路B汇合点N回路A如图1所示：循环回路A有四个末端，其特征为：HA=980mm水柱（扬程）GA=550l/h(流量)G1=160l/h,G2=140l/h,G3=140l/h,G4=循环回路B有3个末端，其特征为：HB=700mm水柱（扬程）GB=360l/h(流量)G5=140l/h，G6=120l/h，G7=100l/h现在，如果A、B回路汇合到一起，其流量及压损特征都会产生变化。以下我们将用3种方式进行计算。在AB汇合后，其汇合点的压差一致。这个压差值可以选择其中一个回路的压差值或者重新设定一个压差值。按压差值大的回路A为标准计算：即Hn=HA=980mm水柱，因此只需要平衡回路B的流量。通过公式（1）计算B回路的新流量，得出：GBn=GB×(Hn/HB)0.525=360×(980/700)0.525=429.5l/h通过公式（2）得到倍率F=429.5/360=1.193因此，B回路每个末端新的流量就变为:G5=140×F=167l/h，G6=120×F=143l/h，G7=100×F=119按压差值小的回路B为标准计算：即Hn=HB=700mm水柱，因此只需要平衡回路A的流量，通过公式（1）计算A回路新流量，得出：GAn=GA×(Hn/HA)0.525=550×(700/980)0.525=460.9l/h通过公式（2）得到倍率F=460.9/550=0.838因此可以计算出A回路每个末端的新流量：G1=160×F=134l/h，G2=140×F=117l/h，G3=140×F=117l/h，G4=110×F=92l按平均压差值为标准计算：即Hn=（HB+HA）/2=840mm水柱，因此A，B回路流量却需要进行平衡，通过公式（1）计算A，B回路新流量，得出：Gan=GA×(Hn/HA)0.525=550×(840/980)0.525=507.2l/hGBn=GB×(Hn/HB)0.525=360×(840/700)0.525=396.2通过公式（2）得到倍率： FA=507.2/550=0.922，FB=396.2/360=1.101，因此可以计算出A和B回路每个末端的新流量：G1=160×FA=147l/h，G2=140×FA=129l/h，G3=140×FA=129l/h，G4=110×FA=101l/h，G5=140×FB=154l/h，G6=120×FB=132l/h，G7=100×FB=结论：按大的压差计算方法保证了最远端的热效率，但在压差更小的回路内末端流量大于设计流量，因此在这个环路内可能造成过高的流速。按小的压差计算方法不会造成太高的流速，但是却让压差值更大的回路其流量低于设计流量。按平均的压差计算方法是前两者的折衷。在流量及流速上却更为接近设计值。二、系统流量的计算及管径的选择实例见图2，这是一个典型的双管系统，由8个末端组成，其系统设计标准如下：每个末端额定流量：330l每个末端压力损失：150每个末端的支管长度（供回水）：4m每个支路之间的立管长度（供回水）：6m立管与支管连接弯头：2个90---计算末端到立管部分的局部压力损失系数ξ，见图3：2个T型汇合口：2X1.0=2.02个90弯头:2X1.5=3.0(3/8”,1/2”);2X1.0=2.0(3/4”1个供水角阀(平均值):4.01个回水角阀(平均值):1.0共计Σξ=10.0(3/8”,1/2”);Σξ=9.0(3/4”---计算支路之间的立管部分的局部压力损失系数ξ，见图4:2个T型汇合口：2X1.0=2.01个管径扩大接头:1.01个管径缩小接头:0.5共计Σξ=2.0(管径不变时);Σξ=3.5(管径改变时)8层8层7层7层6层6层5层5层4层4层3层3层2层2层1层1层地下室地下室图2图2T型分流T型分流T型合流T型合流图3图3画3管径的改变管径的改变T型分流T型分流管径的改变管径的改变T型合流图4T型合流图4案44---计算末端8的流量、压力损失及管径选择:流量G=设计流量=330l支管管径:1/2”:流速0.44m/s,不超过最高流速0.7压力损失:连接末端的支管压力损失:长度4m,延程压力损失r=20.5mm/m(1/2”管在330l/h的流量时局部压力损失:按Σξ=10.0,流速=0.44m/sz=ξXρXv²/2X9.81,得出z=10X970X0.44²/2X9.81=96mm末端压力损失：150mm压力损失总和H8：82+96+150=328---计算末端7、8之间的立管流量、压力损失及管径选择:流量G8-7=G8=330l立管管径:3/4”:按最接近r=10mm/m的可选商用管道计算压力损失:延程压力损失:长度6m,延程压力损失r=5mm/m(13/4”管在330l/h的流量时),因此压力损失=局部压力损失:按Σξ=2.0,流速=0.25mz=ξXρXv²/2X9.81,得出z=2X970X0.25²/2X9.81=6mm压力损失总和ΔP8-7：30+6=3---计算末端7的流量、压力损失及管径选择:就如前面的‘平衡流量’章节讲到的一样，末端8和末端7在7层的立管分支处汇合，其可用扬程H7=H8+ΔP8-7=328+36=364根据流量平衡公式1，流量G7=G8×（H7/H8）0.525=330X（364/328）0.525=349l/h流速v7=0.47m/s根据不超过最高流速0.7m/s的原则,末端7的支管管径选择为1/---计算末端6、7之间的立管流量、压力损失及管径选择:流量G7-6=G8-7+G7=330+349=679l立管管径:3/4”:按接近r=10mm/m的可选商用管道计算压力损失:延程压力损失:长度6m,延程压力损失r=18.5mm/m(13/4”管在679l/h的流量时),因此压力损失=6局部压力损失:按Σξ=2.0,流速=0.51mz=ξXρXv²/2X9.81,得出z=2X970X0.51²/2X9.81=2压力损失总和ΔP7-6=111+26=137---计算末端6的流量、压力损失及管径选择:可用扬程H6=H7+ΔP7-6=364+137=501根据流量平衡公式1，流量G6=G8×（H6/H8）0.525=330X（501/328）0.525=412l/h流速v7=0.55根据不超过最高流速0.7m/s的原则,末端6的支管管径选择为1/根据以上计算方式,其余末端及立管特征数据计算如下,见表1及图5:表1：区域流量压头流速管径超出额定流量末端8支路330l3280.441/2”+0%末端7、8之间330l/h360.253/4末端7支路349l3640.471/2”+5.7%末端6、7之间679l/h130.513/4末端6支路4125010.551/2”+24.8%末端5、6之间1091l/h131mm0.52m/s1”末端5支路466l/h6320.63m/s1/2”+41.20%末端4、5之间1557l74mm0.43m/s11/4”末端4支路494l/h7060.66m/s1/2”+49.7%末端3、4之间2051l100mm0.56m11/4”末端3支路529l/h8060.701/2”+60.3%末端2、3之间2580l98mm0.52m/s11/2”末端2支路562l/h9040.423/4+70.3%末端1、2之间3142l113mm0.64m/s11/2末端1支路598l/h10170.453/4+81.2%1层到地下3740l/h780.472系统总特征3740l1095从以上数据看出，在需要满足最末端额定流量的情况下，其余末端的流量都会超出额定流量，离热源越近的末端,因为其压头更高,流量超出范围越大。因此，我们需要对每个末端支路的流量进行平衡，平衡的方式大致分为三种：同程式流量平衡，手动平衡阀平衡，动态流量平衡阀平衡。同程式的平衡由于其管道计算及铺设较为复杂，在实际的工程中使用较少。我们在本章节内只对使用手动和自动平衡阀平衡流量的方式进行实例的计算演示。---手动平衡阀平衡方式：在每个末端前安装手动平衡阀，通过平衡阀的调节使每个末端的流量符合设计流量。因此系统全负荷时总流量就改变为：8X330=2640l1，最末端8的平衡阀全开，在全开状态时，假定平衡阀的压力损失为150mm，通过上面的计算方式进行同样计算，得出系统数据特征如下，见图5图6图5图6表2：区域流量压头流速管径平衡阀增加压阻末端8支路330l470.441/2”+150mm末端7、8之间330l/h360.253/4末端7支路330l510.41/2”+1末端6、7之间660l/h130.503/4末端6支路330l6470.441/2”+319末端5、6之间990l/h10.41”末端5支路330l7570.441/2”+429末端4、5之间1320l520.3611/4”末端4支路330l8090.441/2”+481末端3、4之间1650l/h650.411/4”末端3支路330l80.441/2”+546末端2、3之间1980950.5411/4末端2支路330l90.441/2+641末端1、2之间2310l/h10.6311/4末端1支路330l100.441/2+7671层到地下2640l/h1170.511/2系统总特征2640l1如果通过流量曲线图表表示未平衡流量系统和安装了手动流量平衡阀的系统，从图7对比可以得出，使用了流量平衡阀的系统曲线更陡，稳定性高于未平衡的系统。以上所谈到的都是系统全负荷运行状态，也就是说，所有的末端都开启。但在实际运行中，尤其是在通过电动两通阀自动控制末端的系统中，某些末端会因为其所控区域温度达到设定值而自动关闭。这时，系统的流量曲线又会发生很大的变化。比如说,当末端3,5,7,8关闭时,系统的流量曲线会向上移动,但是剩余的末端1,2,4,6的流量总和并不是理论上的2640/2=1320l/h,而是改变为1630l/h,压头改变为1377图7未平衡流量系统手动流量平衡曲线图从图7可以看出，当系统半负荷运行时，实际的流量与压头与理论值有偏离，偏离的结果是剩余的4个末端流量会增大。图8则详细计算出了半负荷时各个末端的实际流量及过流比率。图7未平衡流量系统手动流量平衡曲线图--动态流量平衡阀平衡方式：在每个末端前安装动态流量平衡阀，因为每个平衡阀设定的流量都是330l/h，因此系统全负荷时流量总和为：8X330=动态流量平衡阀的特征在于其能够在很大一段的压差范围内保持稳定的流量，也就是说，它能自动在系统变化时增加或减少压力损失以达到平衡的目的。在设计和计算上工作也比手动平衡阀的方式更为简单。安装了动态流量平衡阀系统的压力损失总和为：最末端8的压力损失150mm+动态流量平衡阀最小工作压差1250mm手动平衡阀系统在半负荷状态下的过流示意图手动平衡阀系统在半负荷状态下的过流示意图过流指数图8过流指数图8表3：区域流量压头流速管径平衡阀增加压阻末端8支路330l17550.441/2”+1末端7、8之间330l/h360.253/4末端7支路330l17910.441/2”+1末端6、7之间660l/h130.503/4末端6支路330l19240.441/2”+1608末端5、6之间990l/h10.41”末端5支路330l20340.441/2”+1706末端4、5之间1320l520.3611/4”末端4支路330l20860.441/2”+1758末端3、4之间1650l/h650.411/4”末端3支路330l21510.441/2”+1823末端2、3之间1980950.54m/s11/4末端2支路330l22460.441/2+1918末端1、2之间2310l/h10.63m/s11/4末端1支路330l23720.441/2+20441层到地下2640l/h1170.511/2系统总特征2640l2489当系统半负荷运行时,就如上面所讲到的,当末端3,5,7,8关闭时,动态流量平衡阀芯自动吸收增加的压差,从而使流量曲线图与设计相符,见表4。表4：区域流量压头流速管径平衡阀增加压阻末端8支路0l1/2”末端7、8之间0l/h3/4末端7支路0l1/2”末端6、7之间0l/h3/4末端6支路330l27460.441/2”+2418末端5、6之间330l/h10.14m1”末端5支路0