重力水头分析

计量供热新双管系统主立管系统形式及水力工况 时间:2006-03-10 15:54来源:互联网 作者:foxtiger 手机版在线 本文对计量供热中建议要用的新双管系统进行了深入分析，回答了困扰计量供热室内系统中的若干问，包括：1.最佳的主立管形式；2.在不额外设置水力平衡元件时，主立管可以负担的合理最多层数；3.重力水头、户内系统的总阻力及主立管比摩阻的合理取值。本... 本文对计量供热中建议要用的新双管系统进行了深入分析，回答了困扰计量供热室内系统设计中的若干问题，包括：1.最佳的主立管形式；2.在不额外设置水力平衡元件时，主立管可以负担的合理最多层数；3.重力水头、户内系统的总阻力及主立管比摩阻的合理取值。本文获得的研究成果被天津市工程建设《集中供热住宅计量供热设计规程》采用。 关键词：计量供热 新双管系统 水力平衡 引言： 随着我国社会主义市场经济改革的变化，逐步实现计量供热势在必行，而实现计量供热必须有与之相适应的室内采暖系统形式，目前我国供热界对新建住宅适合计量供热的室内采暖系统形式形成了共识，即新建住宅宜采用新双管系统，以适应计量供热的需要。然而，有关新双管系统尚缺乏较深入的分析与研究，主要内容涉及：1.最佳的主立管形式；2.在不额外设置水力平衡元件时，主立管可以负担的合理最多层数；3.重力水头、户内系统的总阻力及主立管比摩阻的合理取值。本文就上述问题进行了较深入的分析与研究，其结论和数据已成功应用于工程实践，并被地方相关设计规程采用。 一、主立管形式： 可能采用的主立管系统形式如图（一）所示，其中（a）、（b）、（c）、（c）依次为上行下给异程式、上行上给异程式、下行下给异程式及下行下给同程式。 在这种系统形式中我们判断其优劣的标准是：在不额外设置阻力平衡元件的情况下，系统易于克服重力水头的影响而实现较好的水力平衡。理论分析不在此赘述，下面仅就三种形式在同样的条件下进行水力平衡计算，对每一种形式首层并联环路与顶层并联环路进行不平衡度计算，即：计算A 　　　　　　　　　　　 (1) 图（一） 首先假定：①每层的总阻力均相等，设为ΔPuse=20kPa。 ②每层总负荷15kW. ③系统参数95/70℃，重力水头取标准值的2/3。 ④每层用户垂直高度2.8m。 ⑤进化论何种系统形式，水量相同的管段，则管径相同。 计算过程略，计算结果如下： （一）、上从下回异程系统及下行下给同程系统，图（一）（a）、（b） （二）、上供上回系统，图（一）（b） （三）、下供下回系统，图（一）（c） 计算数据取值表 表-1 管段编号 ① ①' ② ②' ③ ③' ④ ④' ⑤ ⑤' 流量kg/h 2580 2064 1548 1032 516 管径mm DN50 DN50 DN40 DN32 DN25 摩阻Pa/m 31.56 20.98 43.72 38.2 43 当量长度*m 1.9 1.9 1.1 0.8 0.6 *直流三通对应管径下的当量长度 计算结果表明，在同等条件下，下行下给的立管形式在水力平衡方面具有明显的优势，同时也减少了工程设计中水力平衡计算的工作量。 二、在不额外设置水力平衡元件时，主立管可以负担的合理最多层数： 主立管的形式确定后，另一个工程实践中关心的问题是一对立管究竟可以负担多少层水平分环系统，换句话说，一对主立管负担多少层水平分环系统是合理的？研究这一问题的基本出发点是，在满足系统水力平衡要求，不设置额外水力平衡元件（如分层平衡阀），保证底层散热器不超压以及避免户内采用塑料管材时，因压力过高而产生选型困难、寿命缩短等问题的前提下，尽量提高立管可以负担的层数，因为这样可以节省宝贵的建筑空间，简化管道系统。 以下从三方面入手对这一问题进行分析： （一）、主立管的水力平衡 这里所讨论水力平衡是在水平分环不额外加设平衡手段（如静态平衡阀）时的水力平衡，基本判断标准，在合理的管径匹配下，首层与顶层水平分环系统的资用压差不平衡率≤15%。 ①分析简图见图（二）。 图（二） ②部分数据同本节"1"中算例。　 ③根据水力计算原理有下列各式： 　　　　　　　　　（2） 　　　　　　　　　　　（3） 令 　　　　　　　　　　　　　　（4） 并整理得： 　　　　　　　　　　　 （5） 　　　　　　　　　　　　　　　　（6） 以上各式中：N-层数 R-立管平均比摩阻Pa/m B-重力水头系数 ΔPuser--分环系统额定资用压头Pa 143-85/60℃条件下的重力水头Pa/m 由式（6）可知N是一个关于ΔPuser、B、R的多变函数，将ΔPuser、B、R设定为不同数值，代入式（6），结果列入表-2。 表-2 ΔPuser =15KPa R 30 35 40 50 60 70 N 22 14 14 11 11 8 7 6 5 5 5 4 ΔPuser =20KPa R 30 35 40 50 60 70 N 29 18 19 14 14 11 9 8 7 6 6 5 ΔPuser =25KPa N 36 23 24 8 17 21 11 14 9 11 8 10 ΔPuser =30KPa N 44 27 29 21 21 17 14 12 11 9 9 8 *上（下）行数据为B=2/3（1/2）时的计算结果 并由表-2数据绘制出图（三）、图（四） 图（三） 图（四） 表-2的计算结果及图（三）、图（四）的直观图示说明影响N值的主要因素包括：①采暖热水参数，对系统的水力平衡有影响，因为它决定了立管各层重力水头的大小，重力水头的大小对N值有较明显的影响，而且重力水头的大小，重力水头的大小对N值有较明显的影响，而且重力水头系数B值宜选取下限值，因为在实际上过程中，重力水头是变量，且多数情况下，低于理论计算值（即：低于设计工况下的重力水头值），如果B值选取过高，将会使在大部分运行时间内，重力水头对系统水力平衡实际影响严重偏离设计工况，从而恶化非设计工况时的水力平衡，结果是可能导致多数运行时间内出现"下热上冷"现象，所以我们在《规程》中规定B的取值范围为1/2～2/3。②立管平均比摩阻R的取值对N值影响较大，且当R≤50Pa/m时，其影响更明显，理论的推导的结果表明一般室内系统管道比摩阻取值60～80Pa/m的作法，不适合下行下给的新双管系统，对新双管系统R值的合理取值范围应为30～40Pa/m，且当采用上限值时，ΔPuser的取值也应是上限值，这一点非常关键。③各层分环系统的水力损失ΔPuser，在其他条件确定时，对N值的影响非常明显，如表-3所示，当R=35Pa/m时，对应于ΔPuser =15KPa和ΔPuser =30KPa的N值分别为14和29，相差达50%。可见欲使一对立管负担的层数较多时，ΔPuser应取的较大一些，工程计算的实践证明一般宜取ΔPuser =25～30kPa，这一结论不难理解，因为较大的分环阻力不仅对改善水力平衡、加强水力稳定性有利，也对消费重力水头的影响有得。传统的双管系统显然很难满足分环系统高阻力的要求，而共用立管的水平分环系统较易实现较高的ΔPuser值，不过有一点值得注意：ΔPuser值的确定与户内系统的管径选择有直接关系，以住户内系统管径确定是以平均比摩阻60～80Pa/m为依据的，但以此为依据确定的系统管径规格，无法保证理想ΔPuser值，除非附加阻力装置，否则ΔPuser过小，而且过小的比摩阻取值也给室内管道系统的安装带来困难，建议户内系统平均比摩阻取值为100～150Pa/m。 本节分析证明，单纯从立管系统水力平衡角度，一对立面管所负担的水平分环系统层数宜≤16层。此时对应的各参数值范围为B=1/2～1/3，ΔPuser =20～30kPa，R=30～60Pa/m，且各参数的确切取值应通过计算确定。 （二）、关于散热器承压： 　　 由于材料科学的发展、制造的进步，我国生产的铸铁散热器承压能力从以往的不超过0.4MPa，提高到≥0.6 MPa，而其它类型的散热器，如钢制散热器、铝制散热器、铜铝复合散热器的平均承压能力均可实现≥0.8 MPa。 由采暖系统的水压分布规律可知，系统底层散热器承受的水压通常最高，其数值接近系统的定压值，而系统的定压值由系统最大压差加2～3m水柱安全量确定（对于从水温度≤95℃的系统。）如果我们假定某个采暖系统底层散热器承受的水压小于0.6 MPa，则根据前述的系统定压值确定原则，该系统的最高点距底层散热器的垂直高度h≤0.6x100-(2～3)=58～57m。一般住宅建筑的层高为2.8～3.0m，则h/2.8～3.0=19～21层，即：即便散热器承压只有0.6 MPa，理论上它所在采暖系统的总层数亦可达19～21层，考虑25%的承压值安全余量，对于承压能力分别为0.6 MPa和0.8MPa的散热器，其所在采暖系统的层数分别为N≤15和N≤24。 （三）关于塑料管材与采暖系统层数的关系： 　　 由常规金属管材与金属管件组成的户内管道系统的承压能力高于散热器的承压能力，因此当户内采暖系统采用常规金属管材时，一般不会对采暖系统的定压值提出限制性要求，即，不会因采暖系统层数的增加而对管材壁厚提出特殊要求，导致投资加大，然而在计量供热系统中，由于多种原因，户内系统采用塑料管材的情况日渐增多，塑料管材的特性与金属管材有较大区别，其管材规格的确定与采暖热水温度、管材承受的工作压力有密切关系，有关塑料管材具体特性的分析将有专门论述，这里仅做一简单说明。对于塑料管材当热水温度确定后，在保证管材使用寿命的前提下，管材承受的工作压力越高，所要求的管材壁厚就愈厚，如对于PP-R管材，当工作压力为0.6 MPa和0.8MPa时，所选管材的最小壁厚分另为1.9m和2.8mm，而且当工作压力超过0.8MPa时将很难选择到适合计量供热系统使用的塑料管村。因此当户内系统采用塑料管材时，不希望其管内热水工作压力超过0.6MPa。对应于住宅建筑的采暖系统，这一数值代表着一个立管所负担的水平分环层数N≤19～20。 三个方面的分析表明：在计量供热系统中，一对立管所负担水平分环层数不宜大于15层。 结论： 以上分析表明：1.最佳的主立形式为下行下给式，如图（一）（c）所示：2.在不额外设置水力平衡元件的前提下，主立管可以负担的合理最多层数为≤16层；3.为了更加有利于新双管系统的水力平衡，主立管比摩阻的取值应为R=30～60Pa/m，且宜取下限值，而不是传统室内采暖系统形式所建议的R=60～80Pa/m。重力水头系数应为1/2～1/3，户内系统水力损失宜取为20kPa～30kPa，且不宜低于20kPa。