第七章 水管系统(第二版)

111第七章水管系统水管系统的功能是输配冷热能量，满足末端设备或机组的负荷要求。其配置原则应该是：①具备足够的输送能力，经济合理的选定管材、管径以及水泵台数、型号、规格；②具有良好的水力工况稳定性，重视并联环路间的阻力平衡；③满足部分负荷时的调节要求；④实现空调运行期间的节能运行要求；⑤便于管理维修保养工作。7.1水管系统的形式7.1.1开式系统和闭式系统从管路和设备的布局上分，空调水系统可分开式系统和闭式系统两种形式。它们的主要区别在于，开式系统的末端水管路是与大气相通的，而闭式系统的管路并不是与大气相通。所以凡连接冷却塔、喷水室和水箱等设备的管路均构成开式系统，如图7-1、7-2所示。图7-3中的水循环管路中没有开口处，所以它是闭式系统。由于开式系统的管路与大气相通，所以循环水中氧含量高，容易腐蚀管路和设备，而且空气中的污染物如烟尘、杂物、细菌、可溶性气体等易进入水循环，使微生物大量繁殖，形成生物污泥，所以管路容易堵塞并产生水锤现象。与闭式系统相比，开式系统中的水泵压头比较高，它不但要克服管路沿程的摩擦阻力损失和局部压头损失，还必须有一个把水提升高度z所需的压头（见图7.1图7.2所示）。因此，水泵的能耗大。此外，开式系统中的水箱或水池等设备不可避免的会造成无效的能量损耗。所以，近年来在空调工程领域，特别是冷冻水环路中，已经很少采用开式系统。为了节约水泵的能耗，冷却水池最好紧接冷却塔，或者就采用如图7.1所示方式，不专门设水池，系统的管路直接与冷却塔出水口相接。与开式系统相比，闭式系统的水泵能耗小，管路和设备的腐蚀可能性小，水处理费用便宜。但由于系统的补给水需要以及给予系统内的水在温度变化时有体积膨胀的余地等原因，所以闭式系统需设膨胀水箱。7.1.2定水量系统和变水量系统从调节特征上分：空调水系统可分为定水量系统和变水量系统两种形式。前者通过改变供回水温差来适应房间的负荷变化要求，系统中的水流量是不变的；后者则通过改变水流量（供回水温度不变）112来适应房间负荷变化要求。所以，变水量系统要求空调负荷侧的供水量随负荷增减而变化，故输送能耗也将随之变化。在定水量系统中，负荷侧（末端设备或风机盘管机组）大部分采用三通阀进行调节，如图7.4所示。这种三通阀进行双位控制，当室温没有达到设计值时，室温控制器使三通阀的直通阀座打开，旁通阀座关断，这时系统供水全部流经末段空调设备或风机旁管机组；当室温达到或超出设计值时，室温控制器使直通阀座关闭，旁通阀座开启，这时系统供水系统全部经旁通流入回水管系。在变水量系统中，负荷侧通常采用二通调节阀进行调节，如图7.5所示。常用的二通阀也是双位控制的，当室温没有达到设计值时，而通阀开启，系统供水按设计值全部流经风机盘管机组；当室温达到或超出设计值时，由室温控制器作用使二通阀关闭，这时系统停止向该负荷点供水。由于变水量系统的管路内流量是随负荷变化而变化的，因此，系统中水泵的配置和流量的控制必须采取相应措施。7.1.3单式水泵供水系统和复式水泵供水系统从水泵的配置状况看，空调水系统有冷、热源侧（制冷机、热交换器）和负荷侧（空调设备）合用水泵的单式环路和分别设置水泵的复式环路之分。前者称为单式水泵供水系统方式，适用于中小型建筑物和投资少的场合；后者称为复式水泵供水系统方式，适用于大型建筑物，对于各空调分区负荷变化规律不一和供水作用半径相差悬殊的场合尤其适用，它有利于提高调节品质和减少输送能耗。单式水泵供水系统图式见图7.6所示。如果负荷侧（空调设备和风机旁管机组）设置三通阀，则通过制冷机的流量是一定的。但是如果设置两通阀，那么系统中的水流量将会减少。为要防止流过制冷机的水量过少，以致发生故障，应在供回水干管间设置旁通管路，如图7.6中点画线所示。在旁通管路上应装上差压控制阀，当流量过小，旁通阀两端压差太大时，在压差传感器作用下打开此阀以维持供回水干管间的压差在允许的波动范围以内。如果供冷或供热用同一管路，那么管路中应接入换热器Ｈ（供热水时用），如图7.6中虚线所示。113复式水泵供水系统图如图7.7所示。冷热源侧设置一次泵，一般选用定流量水泵以维持一次环路内水流量基本不变。在负荷侧设置二次泵构成二次环路。各二次环路互相并联，并独立于一次环路。二次环路的划分取决于空调的分类要求。7.1.4同程式回水方式和异程式回水方式在大型建筑物中，空调水系统的回水管布置方式可分为两类：同程式回水式和异程式回水方式。对于同程式回水方式（如图7.8所示），在各机组的水阻力大致相等时，由于各并联环路的管路总长度基本相等，所以系统的水力稳定性好，流量分配均匀；而异程式回水方式（如图7.9）的优点是管路配置简单，管材省，但是由于各并联环路的管路总长度不相等，存在着各环路间阻力不平衡现象，从而导致了流量分配不匀。可是，如果在各并联支管上安装流量调节装置，增大并联支管的阻力，那么异程式回水方式也是可以达到令人满意的效果的。1147.2水管系统的设计计算7.2.1能量方程式根据能量守衡定律，理想流体（没有粘性）在管内流动时，各处的能量应该是不变的，可以用能量方程式表示如下：常数gzvPEj22（7.1）式中Ｅ——单位体积流量流体具有的总能量，［Ｐa］；jP——单位体积流量流体具有的压能，亦称静能，［Pa］；——流体的密度，［3/mkg］；v——流体在断面上的平均流速，［m/s］；22v——单位体积流量流体具有的动能，亦称动压，［Pa］；g——重力加速度，［2/sm］；z——在流体断面上任一点相对于选定基准面的高程，［m］；gh——单位体积流量流体具有的位能，［Pa］；也就是说，如果有图7.10所示流段，沿流向取１，２两断面，那么根据能量方程式就存在以下关系：2222121122gzvPgzvjj（7.2）但是，实际流体是具有粘性的，因此它在管内流动时就有阻力。因此克服阻力就必定有能量损失，如果用Ｈ表示单位体积流量实际流体在从断面１流向断面２时所损失的能量。那么实际流体在管内流动时的能量方程式应为：115HgzvPgzvPEjj22222211（7.3）另一方面，为了维持水管系统正常的输配作用，系统中必须配置水泵以提供克服阻力H所必要的能量P（单位常用［kPa］）。在各种使用场合下水泵应具备的压头（扬程）按下述确定：１．水泵在开式系统中工作时当水泵连接的上下水池面足够大时，可以认为021vv，这样)(0HghPP（7.4）式中0P——供水管末端所需的工作压强（力），［kPa］；z——上下两水池液面间的高差；当水泵从水池吸水向高位的空调箱喷水室供水时，它应该是水池出水口与最高供水点间的高差，［m］；)(H——整个水管系统的阻力损失，［kPa］；21)(HHH，其中1H和2H分别为水泵吸入段和压出段的阻力，［kPa］。２．水泵向压力容器供水时当水泵向压力容器如锅炉或闭式膨胀水箱补水时（见图7.11），如果补给水箱的液面压强为大气压Pa（单位为［kPa］），压力容器的液面压强为1P（单位为［kPa］），那么)()(1HghPaPP（7.5）PaP压力容器补给水箱图7.11水泵向压力容器补水３．水泵在闭式系统中工作时从图7.3可见，当水泵在闭式系统中工作时，水泵的压头（扬程）只需克服管系（包括管路、管配件、设备）的阻力就足够了，所以)(HP（7.6）7.2.2管段的阻力计算１．直管段的摩擦阻力和风道阻力计算一样，水管的摩擦阻力也是用下式计算的：22vdlhf或者Rlhf（7.7）116式中fh——长度为l[m]的直管段的摩擦阻力，［Pa］；——水与管内壁间的摩擦阻力系数，无因次量；l——直管段的长度，［m］；d——管内径，［m］；——水的密度，［kg/3m］，R——长度为１［m］的直管段的摩擦阻力，简称比摩阻，［Pa/m］。一般水管系统的管内水流速可以参考表7.1的推荐值取用：管内水流速推荐值［m/s］表7.1摩擦阻力系数λ与流体的性质、流速、管内径大小和管内表面的粗糙度有关，可以用下式计算：)Re51.271.3lg(0.21d（7.8）式中ε——管内表面的当量绝对粗糙度，［m］；推荐水管的ε值如下：对于开式系统，取0.0005[m]；对于闭式系统，取0.0002［m］；Re——雷诺数，Re＝vvd其中v是水的运动粘滞系数，与水温有关，在标准大气压时，水的运动粘滞系数可以从表7.2查得。表7.3就是根据公式（7.7）和（7.8）计算得到的。制表所取定的水温是20［℃］，表中1R和2R是管内表面当量绝对粗糙度ε值分别是0.0002［m］和0.0005［m］条件下计算得到的每１［m］管长的摩擦阻力。对于闭式系统用1R值，对于开式系统用2R值。标准大气压时水的运动粘滞系数表7.2温度[℃]0510152030406080ν[sm/2]1.792×6101.520×6101.307×6101.139×6101.004×6100.801×6100.658×6100.475×6100.365×610［例7.1］求水在流过长度为20［m］、管径为150［mm］的直管段时的摩擦阻力，如果管内水流速取1.8［m/s］，管内表面的当量绝对粗糙度ε＝0.0005［m］。［解］本题应用公式7.7和表7.3进行计算。由题意，由于ε＝0.0005［m］，所以比摩阻应该查表7.3中2R一项，根据管径150［mm］和水流速度1.8［m/s］的已知条件，即可查得2R=295［Pa］这样，直管段的摩擦阻力5900202952lRhf［Pa］（即602［mmOH2］公称直径gD[mm]250=250吸入管1.0～1.21.2～1.6压出管1.5～2.02.0～2.5117水温对阻力是有影响的。一般情况下可以忽略水温对阻力的影响。２．配件的局部阻力当流体经局部配件如弯头，阀类和其他连接件时，会发生流向改变和速度场重新分布等现象，因而造成能量损失。这种能量损失就是局部阻力，可以用下式表示：22vhd（7.10）式中——配件的局部阻力系数。配件的局部阻力系数均由实验方法获取。与λ值一样，系数值也与流体的性质、流速和配件的有效通径等因素有关。常用水管配件的局部阻力系数见表7.4。流经设备的水阻力可以直接从生产厂的厂品样本中查取。目前市售的供冷量在３［kW］（2500kcal/h）左右的风机盘管机组，其水阻力大致在23.5～26.5［kPa］（2.4～2.7［m］）范围。由于值由实验数据整理所得，因此在进行配件的局部阻力计算时，必须辩明值所对应的动压值。水管系统上喷嘴的工作压力既是其局部阻力，其中包括喷嘴出口的动压损失。冷却塔的喷雾压力可以从生产厂的厂品样本中查到一般情况下可以按49［kPa］计算。［例7.2］求水流过90弯头的局部阻力，已知管径为50［mm］，管内水流速为1.5［m/s］。［解］本题应用公式7.10进行计算。首先，从表7.4查得90弯头的局部阻力系数＝1.0；再从表7.3最左边一栏查得水流速为1.5［m/s］是的动压dP=1123［Pa］这样，90弯头的局部阻力dfPh＝1.0×1123=1123［Pa］（即115［mmOH2］）118水管摩擦阻力计算表表7.3动压dP[Pa]水流速v[m/s]公称管径D0[mm]L－流量,[l/s]21,RR－每米长水管的摩擦阻力[Pa]1520253240506580100125150200250300350400200.2L0.040.070.110.200.260.440.731.081.572.453.536.7210.515.021.226.1R168453323191410865422111R285564027231611975432211450.3L0.060.110.170.300.400.661.091.542.353.685.2910.115.822.531.939.2R1143956948402921171310854332