流体输配管网(第7章)

1第7章枝状管网水力工况分析与调节管网的水力工况－指管网的流量和压力分布状况。在管网中，P、Q之间有紧密的联系：－Q影响管段压力损失ΔP→影响管网P的分布状况。－管网P的分布反映流体的流动规律→决定管网中Q的分配。在管网运行时，除了对流量分配有定量的要求，还要求流体的压力在合适的范围内。在设计和运行时，对管网的水力工况进行分析具有重要的意义。本章讲述枝状管网水力工况分析的原理和调节方法。27.1管网系统压力分布分析管网系统压力分布的作用•反映管网中流体的流动规律；•判断管网系统的运行情况。为什么要绘制管网系统的压力分布图•直观反映管网中各点的压力状况。37.1.1管流能量方程及压头表达式液体管流能量方程及压头表达式在1、2断面之间列能量方程：212222121122HgvgPZgvgPZ位置水头压强水头流速水头总水头gPZHP＝测压管水头水头损失4当1、2断面之间没有动力装置时，两断面的水头损失等于总水头之差：)2()2(2222211121gvgPZgvgPZH5气体管流能量方程及压头表达式能量方程：忽略位压（重力）时：21222122112))((2PvPZZgvPjaj2122221122PvPvPjj静压动压全压Pq压力损失动静压转换原理：Pq一定时，Pj增加→Pd减小或者相反。67.1.2管网压力分布图液体管网压力分布图－水压图在液体管路中，将各点的测压管水头高度顺次连接起来形成的线，称为水压曲线，它可直观地表达管路中液体静压的分布状况，也称其为水压图。作用：（1）确定管道中任何一点的静压值：（Hp－Z）（2）表示出各管段的压力损失值一般动压相差不大或差值与ΔH1－2相比可以忽略不计，所以：)ZgP()ZgP(HHH2211P2P121＋＋＝－表明：任意两点测压管水头高度之差，等于流体流过该两点之间的管道压力损失值。7（3）根据水压曲线的坡度，确定管段的单位管长平均压降的大小。（4）只要已知或确定管路上任意一点的压力，则管路中其它各点的压力也就确定了。管流的水头损失和水压图8机械循环室内热水采暖管网的水压图（1）9机械循环室内热水采暖管网的水压图（2）1011图7-1-412图7-1-4的通风系统压力分布图的绘制方法和步骤：•以大气压力为基准线0－0。•计算各节点的全压值、动压值和静压值。•将各点的全压在纵轴上以同比例标在图上，0－0线以下为负值,连接各个全压点可得到全压分布曲线；•将各点的全压减去该点的动压,即为该点的静压，同样可绘出静压分布曲线。137.1.3吸入式管网的压力分布特性分析气体吸入式管网特性能量转换关系图7-1-4中，列出靠近入口点处和入口断面1的能量方程为：1Z1q0qPPP而：。＝－故，因PP0Pz1q10q2vP22121dz1212-d1q1j1P2vPPP2表明：点1的全压和静压均比大气压低。静压一部分转化为动压Pd1-2，另一部分克服入口的局部阻力。14气体吸入式管网特性(1)风机吸入段的全压和静压均为负值，在风机入口负压最大。(2)在吸入管段中静压绝对值为全压绝对值与动压值之和。(3)风机提供的全压等于风机进出口的全压差，也等于整个管网的压力损失（包括出口压力损失）。15液体吸入式管网的压力分布特性吸入管中压力的变化及计算以图7-1-5的水泵抽水为例，计算管中各点的压力。16自由液面与泵的进口安装真空表处1-1断面的能量方程：S21SS1ahg2vHPP吸水管路（自由液面－泵内压力最低点）的能量关系：g2wg2vC)hg2vH(PP202120s21SSKa泵外压力降Hv，与进口管路有关泵内部压头下降值，与泵的构造和工况相关，变化很大。上式左端表示吸入段中的能量富裕值，用于克服右端泵内、外的压力下降值。式中符号的意义见P228。17吸入管中压力的变化分析•泵运行时，入口处形成负压，液体吸入并流入叶轮的进口。•被吸液体与大气接触的液面为大气压力，该液面与叶轮进口的绝对压力之差，转换成位置水头和流速水头，并克服各项压力损失。187.1.4水压图在液体管网设计中的重要作用水压图的作用管网的自动调节装置设计：•要根据网路的压力分布或其波动情况来选定；•需要通过水压图的分析,作为决策的依据。管网的运行阶段：由管网的实际水压图，可全面了解系统在调节过程中或出现故障时的压力状况，了解影响因素及应采取的技术措施。学习的目的：掌握绘制水压图的基本要求、步骤、方法，会利用水压图分析系统压力状况。以室外供热管网为例19热水网路压力状况的基本技术要求（1）不超压与热水网路直接连接的用户系统内，压力不应超过用户系统用热设备及其管道构件的承压能力。20（2）不汽化在高温水网路和用户系统内，水温超过100℃的地点，热媒的压力应不低于该水温下的汽化压力。还应有3～5m的富裕压力。（3）不倒空与热水网路直接连接的用户系统，在网路循环水泵运转或停止工作时，用户系统回水管出口处的压力，必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒空吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。（4）不吸气网路回水管内任何一点的压力，都应比大气压力至少高出50kPa（5mH2O），以免吸入空气。此外：考虑采暖用户的连接要求。21绘制热水网路水压图的步骤和方法（P230）•以网路循环水泵的中心线的高度为基准面，在纵坐标上作出标高的刻度，在横坐标上作出距离的刻度。•选定静水压线的位置。静水压线的高度必须满足的技术要求：停止运行时，不汽化，底层散热器能承受其压力•选定回水管动水压线的位置。要求网路任意点P50kPa(表压)；回水管出口处的压力系统的充水高度。•选定供水管动水压线的位置。限制供水管动水压线的最低位置，满足：任何一点都不应出现汽化；资用压力满足所要求的循环压力。22例题分析•用户系统1:楼高17m•用户系统2:楼高30m•用户系统3:楼高17m•用户系统4:楼高17m水泵扬程是多少?用户的连接方式？23•水泵扬程是多少?•用户系统与热网的连接方式?－用户1：采用如图7-1-7（a）的水喷射器连接方式；－用户2：采用如图7-1-7（c）的间接连接方式；－用户3：采用如图7-1-7（d）的回水泵加压连接方式；－用户4：采用如图7-1-7（f）供水节流的直接连接方式。详细阅读P229～235，了解水压图作用及其对用户连接方式的影响。57＋15－23＝49mH2O假定的热源内部压力损失247.1.5管网系统的定压定压的作用•闭式循环液体管网中，定压点位置及其压力，决定了整个管网系统的静压高度和动压线的相对位置及高度。•定压方式决定了管网系统的静水压线，对系统的压力工况有决定性的影响。•要使管网按水压图给定的压力状况运行，就要合理确定定压方式、定压点的位置和控制好定压点所要求的压力。25常用的几种定压方式•高位水箱定压方式：常用于给水管网系统、消防管网系统和热水管网系统中。在热水管网系统中，也称为膨胀水箱。26•补给水泵定压方式：－补给水泵连续补水定压方式－补给水泵间歇补水定压方式27•气体定压方式：利用密闭压力缸内气体的可压缩性进行定压；定压点的压力是靠气压缸中的气体压力维持；气压缸的位置不受高度限制。•蒸汽定压方式：与气体定压类似。287.2调节阀的节流原理与流量特性调节阀的作用•管网系统中各支路的压力和流量调节•自动控制系统，依靠调节阀的动作来实现。调节阀是管网系统的重要装置297.2.1调节阀的节流原理调节阀是局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀前后的压差为：式中C称为调节阀的流通能力。C与阻抗S的关系：221Zv21PPP因为Q=F·v得到：2121PPQC2FC)PP(2FQ，即令2CSv307.2.2调节阀的理想流量特性流量特性的定义•指流体介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的特定关系：•可调比－调节阀所能控制的最大流量与最小流量比。maxmaxllfQQminmaxQQR＝•注意：Qmin是可调流量的下限值，并非全关时的泄漏量。一般1/R＝2％～4％，而泄漏量小于最大流量的0.1％。31•流量特性的2个概念：因此：（1）假定阀前、后的压差为一定值→理想流量特性（2）真实情况下→工作流量特性调节阀阀芯行程改变节流面积F改变调节流量Q同时，F改变ΔPZ变化Q变化32理想流量特性－指ΔPz=const时得到的流量特性，又叫固有流量特性。•典型的理想流量特性有4类：（1）直线流量特性（2）等百分比流量特性（3）快开流量特性（4）抛物线流量特性•调节阀的理想流量特性取决于阀芯的形状，4种理想流量特性数学表达式和计算公式见P240的表7-2-1。表7-2-2给出R＝30时的例子。33•三通调节阀的理想流量特性三通调节阀用于调节三通流量分配比例。其每一分支的流量特性和数学表达式均符合上述直通阀理想流量特性的规律。总流量的变化不一样：直线－流量不变抛物线、等百分比－总流量变化，在50％开度时最小。347.2.3调节阀的工作流量特性实际工作时调节阀的ΔPz是随流量Q变化的，因此工作流量特性与理想情况不同。调节阀与管道的连接有串联和并联两种方式，下面分别分析这两种情况下调节阀的工作流量特性。35有串联管道时的工作流量特性•由于ΔP2∝Q2，当ΔP一定时，Q↑，ΔP2↑→ΔP1↓。因此，工作流量特性是由串联管道的阻力特性和调节阀固有特性共同决定的。36•有串联管道时的工作流量特性数学表达式如Sqk为阀全开的阻抗，Sgu为串联管道的阻抗，定义阀权度Sv（阀门能力）为：PPSSSSm1guqkqkv＝ΔP1m是调节阀全开时阀前后压差，ΔP是系统总压差。v2maxvmax1m1max1002maxvmax1maxmaxSllfS11llfPPllfQQ1llf1S11llfPPllfQQ＋－＝＋－＝Qmax表示管道阻力为0时调节阀全开流量，Q100是存在管道阻力时调节阀全开流量。373839阀权度对调节阀工作特性的影响分析（1）如果管道阻力为0，则Sv＝1，调节阀的工作流量特性转化为理想流量特性；（2）随着Sv↓，ΔP2↑→ΔP1↓，使调节阀全开时的流量减少；（3）随着Sv↓，流量特性发生很大的畸变：理想直线→快开理想等百分比→直线因而，Sv太小将严重影响自动调节系统的调节质量。实际使用中，Sv≥0.3（即Sqk≥0.43Sgu）。40直通调节阀有并联管道时的工作流量特性详见P244~245流量特性不变，可调比R随x大大下降41调节阀的实际可调比调节阀有串联管道时的实际可调比为（P245）：由于全关时阀上压差近似于总压差，ΔP1max＝ΔP，故有：1maxmin1minmaxsPPRQQR＝调节阀全开的压差调节阀全关的压差vsv1m1maxmin1SRRSPPPP＝即＝因此，Sv越小，实际可调比Rs就越小。实际使用中应保持一定的阀权度（阀具有相当的阻抗），才能保证调节阀有一定的可调比。P246图7-2-10和图7-2-11分别给出串联和并联管道时的实际可调比。427.3调节阀的选择本节内容：调节阀流量特性的选择调节阀口径选择计算调节阀开度和可调比验算437.3.1调节阀流量特性的选择选择调节阀的流量特性时，不能只考虑调节阀本身，还要考虑调节阀所在的管路系统条件，通常有以下因素：调节系统的特性调节阀用于调节流量。很多情况下最终目的是控制热交换器的换热量。选择调节阀的流量特性时，必须结合热交换器的q～L变化特性（热交换器的静特性）一起考虑。•热交换器的静特性44•特性曲线的综合a－直通调节阀的工作流量特性；b－热交换器的静特性；c－曲线a和b的