系统压力损失及流量平衡.docx

1、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=P X G 1.9, 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

2、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。例（1）一个传统双管系统的平衡流量计算方式如图1所示：循环回路A有四个末端，其特征为：HA=980mm水柱（扬程）GA=550 l/h(流量)G1=160 l/h , G2=140 l/h, G3=140 l/h, G4=110 l/h循环回路B有3个末端，其特征为：HB=700mm水柱（扬程）GB=360 l/h (流量)G5=140 l/h ，G6=120 l/h，G7=100 l/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

3、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。A， 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 = 429.5 l/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=140F=167 l/h，G6=120F =143 l/h，G7=100F=119 l/hB， 按压差值小的回路B为标准计算：即Hn=HB=700mm水柱

4、，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 = 460.9 l/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=160F=134 l/h，G2=140 F =117 l/h，G3=140 F =117 l/h，G4=110F=92 l/hC， 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 =

5、 550 (840/980) 0.525 = 507.2 l/hGBn = GB(Hn/HB) 0.525 = 360(840/700) 0.525 = 396.2 l/h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=160FA=147 l/h，G2=140 FA =129 l/h，G3=140 FA =129 l/h，G4=110FA=101 l/h，G5=140FB=154 l/h，G6=120 FB =132 l/h，G7=100FB=110 l/h结论：按大的压差计算方法保证了最远端

6、的热效率，但在压差更小的回路末端流量大于设计流量，因此在这个环路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：330 l/h每个末端压力损失：150mm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，见图3：2个T型汇合口： 2 X 1.0 = 2.02个90弯

7、头: 2 X 1.5 = 3.0(3/8”, 1/2”); 2 X 1.0 = 2.0(3/4”, 1”)1个供水角阀(平均值): 4.01个回水角阀(平均值): 1.0共计 = 10.0(3/8”, 1/2”); = 9.0(3/4”, 1”)-计算支路之间的立管部分的局部压力损失系数，见图4:2个T型汇合口： 2 X 1.0 = 2.01个管径扩大接头: 1.01个管径缩小接头: 0.5共计= 2.0(管径不变时); = 3.5(管径改变时)图28层7层6层5层4层3层2层1层地下室-计算末端8的流量、压力损失及管径选择: 流量G = 设计流量 = 330 l/h支管管径: 1/2”: 流

8、速0.44 m/s, 不超过最高流速0.7 m/s压力损失: 连接末端的支管压力损失: 长度4 m, 延程压力损失r=20.5 mm/m(1/2”管在330 l/h的流量时), 因此压力损失=4 X 20.5 = 82mm. 局部压力损失: 按= 10.0,流速=0.44 m/s, 根据公式 z=X X v / 2 X 9.81, 得出 z=10X970X0.44/2X9.81=96mm 末端压力损失：150mm 压力损失总和H8：82+96+150=328mm-计算末端7、8之间的立管流量、压力损失及管径选择: 流量G 8-7 = G 8 = 330 l/h立管管径: 3/4”:按最接近r=

9、10mm/m的可选商用管道计算压力损失: 延程压力损失: 长度6 m, 延程压力损失r=5 mm/m(13/4”管在330 l/h的流量时), 因此压力损失=6 X 5 = 30mm. 局部压力损失: 按= 2.0,流速=0.25 m/s, 根据公式 z=X X v / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.25/2X9.81=6mm 压力损失总和P8-7：30+6=36mm-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+P8-7=328+36=364mm根据流量平衡公式1， 流量G7 = G8 （H

10、7/H8）0.525 = 330X（364/328）0.525=349 l/h流速 v7=0.47 m/s 根据不超过最高流速0.7 m/s的原则, 末端7的支管管径选择为 1/2”.-计算末端6、7之间的立管流量、压力损失及管径选择:流量G 7-6 = G 8-7 + G 7 = 330+ 349 = 679 l/h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6 m, 延程压力损失r=18.5 mm/m(13/4”管在679 l/h的流量时), 因此压力损失=6 X 18.5 = 111mm. 局部压力损失: 按= 2.0,流速=0.51 m

11、/s, 根据公式 z=X X v / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.51/2X9.81=26mm 压力损失总和P7-6 = 111+26=137mm-计算末端6的流量、压力损失及管径选择:可用扬程H6=H7+P7-6=364+137=501mm根据流量平衡公式1， 流量G6 = G8 （H6/H8）0.525 = 330X（501/328）0.525=412 l/h流速 v7=0.55 m/s 根据不超过最高流速0.7 m/s的原则, 末端6的支管管径选择为 1/2”.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

12、8支路330 l/h328 mm0.44 m/s1/2”+0%末端7、8之间330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路349 l/h364 mm0.47 m/s1/2”+5.7%末端6、7之间679 l/h137 mm0.51 m/s3/4”末端6支路412 l/h501 mm0.55 m/s1/2”+24.8%末端5、6之间1091 l/h131 mm0.52 m/s1”末端5支路466 l/h632 mm0.63 m/s1/2”+41.20%末端4、5之间1557 l/h74 mm0.43 m/s1 1/4”末端4支路494 l/h706 mm0.66 m/s1/2”+49

13、.7%末端3、4之间2051 l/h100 mm0.56 m/s1 1/4”末端3支路529 l/h806 mm0.70 m/s1/2”+60.3%末端2、3之间2580 l/h98 mm0.52 m/s1 1/2”末端2支路562 l/h904 mm0.42 m/s3/4”+70.3%末端1、2之间3142 l/h113 mm0.64 m/s1 1/2”末端1支路598 l/h1017 mm0.45 m/s3/4”+81.2%1层到地下3740 l/h78 mm0.47 m/s2”系统总特征3740 l/h1095 mm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

14、额定流量，离热源越近的末端,因为其压头更高,流量超出围越大。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：8 X 330 = 2640 l/h。系统的压差计算为：1，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150 mm，通过上面的计算方式进行同

15、样计算，得出系统数据特征如下，见表2及图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330 l/h478 mm0.44 m/s1/2”+150mm末端7、8之间330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h514 mm0.44 m/s1/2”+186mm末端6、7之间660 l/h mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h647 mm0.44 m/s1/2”+319mm末端5、6之间990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h757 mm0.44 m/s1/2”+429mm末端4、5之间1320 l/h52 mm0

16、.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h809 mm0.44 m/s1/2”+481mm末端3、4之间1650 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h874 mm0.44 m/s1/2”+546mm末端2、3之间1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h969 mm0.44 m/s1/2”+641mm末端1、2之间2310 l/h mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h1095 mm0.44 m/s1/2”+767mm1层到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系统总特征2640

17、 l/h1212 mm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=1320 l/h, 而是改变为1630 l/h, 压头改变为1377 mm.（这

18、里由于篇幅的关系,有关此流量,压头,曲线指数的计算将不做详细介绍,具体的计算步骤可以参考卡莱菲公司的技术手册。）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。-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330 l/h，因此系统全负荷时流量总和为：8 X 330 = 2640 l/h。动态流量平衡阀的特征在于其能够在很大一段的压差围保持稳定的流量，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

19、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150 mm + 动态流量平衡阀最小工作压差1250 mm + 由末端8至地下室的管道延程及局部损失1089 mm = 2489 mm（具体计算详见技术手册）。表3：区域流量压头流速管径平衡阀增加压阻末端8支路330 l/h1755mm0.44 m/s1/2”+1427mm末端7、8之间330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h1791 mm0.44 m/s1/2”+1463mm末端6、7之间660 l/h mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h1924 mm0.44 m

20、/s1/2”+1608mm末端5、6之间990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h2034 mm0.44 m/s1/2”+1706mm末端4、5之间1320 l/h52 mm0.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h2086 mm0.44 m/s1/2”+1758mm末端3、4之间1650 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h2151 mm0.44 m/s1/2”+1823mm末端2、3之间1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h2246 mm0.44 m/s1/2”+1918mm末端1

21、、2之间2310 l/h mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h2372 mm0.44 m/s1/2”+2044mm1层到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系统总特征2640 l/h2489 mm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0 l/h1/2”末端7、8之间0 l/h3/4”末端7支路0 l/h1/2”末端6、7之间0 l/h3/4”末端6支路330 l/h2746 mm0.44 m

22、/s1/2”+2418mm末端5、6之间330 l/h13.6 mm0.14m/s1”末端5支路0 l/h1/2”末端4、5之间330 l/h3.8 mm0.09m/s1 1/4”末端4支路330 l/h2763 mm0.44 m/s1/2”+2435mm末端3、4之间660 l/h11.4 mm0.17m/s1 1/4”末端3支路0 l/h1/2”末端2、3之间660 l/h11.8 mm0.17m/s1 1/4”末端2支路330 l/h2786 mm0.44 m/s1/2”+2458mm末端1、2之间990 l/h25.2 mm0.28m/s1 1/4”末端1支路330 l/h2811 m

23、m0.44 m/s1/2”+2483mm1层到地下1320 l/h31.4 mm0.25m/s1 1/2”系统总特征1320 l/h2843 mm动态流量平衡阀全负荷及半负荷流量曲线图从图9可以看出，在使用动态流量平衡阀的系统中，当部分末端关闭时，其余末端的流量不会改变，这是因为动态平衡阀其阀芯能够自身调节压差，也就是能自身调节流量曲线特征指数Z，从而使流量始终保持不变。有关动态流量平衡阀与变频泵及电动调节阀的结合使用方式及系统特征等，在前几期的刊物中也分别由其它厂家作出了详细的讲解，我们这儿就不再予以重复。在下一期的专题中，我们将进一步探讨动态流量平衡阀和一次/二次系统各自的特征和优缺点。参考文献：Caleffi Manual 2: Design Principles of Hydronic Heating Systems Claudio Ardizzoia: Il Bilanciamento dinamico dei circuiti idronici