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        供暖水力計(jì)算模型開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)踐

        2021-01-21 12:02:18張健董昕玥李炎孫三祥
        建筑熱能通風(fēng)空調(diào) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:模型

        張健 董昕玥 李炎 孫三祥

        蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

        建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生無(wú)論在專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí),還是在課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的執(zhí)行過(guò)程中都離不開(kāi)水力計(jì)算這一重要內(nèi)容[1-4]。所謂的水力計(jì)算就是流量分配計(jì)算,確定系統(tǒng)管路各管段管徑及各管段的阻力損失,同時(shí)需要對(duì)并聯(lián)環(huán)路進(jìn)行阻力平衡計(jì)算,使系統(tǒng)中各分支環(huán)路分配的水流量符合用戶(hù)所需的流量要求。水力計(jì)算在該專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。水力計(jì)算在整個(gè)課程設(shè)計(jì)或是畢業(yè)設(shè)計(jì)中所占用的工作量約占整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的1/4 到1/3。大型的管網(wǎng)系統(tǒng),甚至占用更多的時(shí)間。水力計(jì)算耗時(shí)費(fèi)力。而且按照目前傳統(tǒng)的水力計(jì)算方法進(jìn)行水力計(jì)算,在管網(wǎng)水力平衡中也不盡如人意。往往由于管道規(guī)格不是連續(xù)變化的,導(dǎo)致無(wú)法選取理想的管徑規(guī)格,使管網(wǎng)水力計(jì)算不平衡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求值,則系統(tǒng)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象,水力失調(diào)的實(shí)質(zhì)是管路實(shí)際流量不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量要求。對(duì)于一個(gè)供暖系統(tǒng)而言,最直接的影響是造成熱用戶(hù)冷熱不均,嚴(yán)重影響供暖質(zhì)量,同時(shí)造成能源的極大浪費(fèi)[5]。因此,供暖系統(tǒng)中水力計(jì)算顯得格外重要,是供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[6]。面對(duì)傳統(tǒng)水力計(jì)算繁雜的計(jì)算步驟和超大的計(jì)算量,往往使學(xué)生望而卻步,不能認(rèn)真完整的進(jìn)行整個(gè)管網(wǎng)的水力計(jì)算任務(wù)。找到一種省時(shí)省力,方法簡(jiǎn)單可靠,突破傳統(tǒng)的新的水力計(jì)算方法是一個(gè)焏待解決的重要問(wèn)題。本文針對(duì)傳統(tǒng)水力計(jì)算方法的不足,另辟蹊徑,通過(guò)比例縮放,使各種規(guī)格管道,管件,設(shè)備及附件模型化。并且在模型上記錄其各種水力參數(shù)。然后根據(jù)管路阻抗與流量之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)系,按設(shè)計(jì)管網(wǎng)采用實(shí)物模型,使之滿(mǎn)足計(jì)算水力要求[7]。

        1 水力計(jì)算理論分析

        1.1 并聯(lián)管路流量分配原理

        如圖1 所示的并聯(lián)管路,管路的總流量等于各并聯(lián)管路流量之和。各分支管段的流量分配與其通導(dǎo)數(shù)成正比。各分支管段阻力數(shù)S 值不變時(shí),管段的總流量在各分支管段上的流量分配比例不變。管路的總流量增加或減少多少倍,并聯(lián)環(huán)路各分支管段的流量也相應(yīng)增加或減少多少倍[8]。

        圖1 并聯(lián)管路

        式中:G 為管路總流量,kg/h;ΔP 為計(jì)算管段的阻力損失,Pa;G1、G2、G3為各并聯(lián)分支管路的流量,kg/h;S1、S2、S3為各并聯(lián)分支管路的阻力數(shù),Pa/(kg/h)2;a1、a2、a3為各并聯(lián)分支管路的通導(dǎo)數(shù),(kg/h)/Pa1/2。

        1.2 計(jì)算管段的阻力損失ΔP

        計(jì)算管段的阻力損失ΔP 等于該管段沿程阻力損失和局部阻力損失之和。即滿(mǎn)足下式。

        1.3 針對(duì)S 中的兩部分Sy、Sj 分別研究

        1)計(jì)算管段沿程阻力損失所占阻抗Sy

        定義Sy:

        式(7)中l(wèi) 為計(jì)算管段管長(zhǎng),現(xiàn)管長(zhǎng)l 取1 m,則式(7)可寫(xiě)為:

        式(8)中d 為管子內(nèi)徑,單位為m,如果單位取mm,則式(8)變?yōu)槿缦滤荆?/p>

        對(duì)于室內(nèi)供暖系統(tǒng)常用焊接鋼管規(guī)格見(jiàn)表1:

        表1 焊接鋼管規(guī)格參數(shù)

        式(9)中ρ 為熱水供暖系統(tǒng)中熱水的密度。在水力計(jì)算中一般取冬季供暖熱水平均溫度為60 ℃來(lái)計(jì)算,其相應(yīng)水的密度ρ=983.248 kg/m3。

        式(9)中λ 為管段的摩擦阻力系數(shù)。摩擦阻力系數(shù)λ 值一般是用實(shí)驗(yàn)方法確定的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的曲線,按照流體流動(dòng)時(shí)所處的不同流動(dòng)型態(tài),通過(guò)數(shù)學(xué)方法整理的一些經(jīng)驗(yàn)公式用于摩擦阻力系數(shù)λ 值的計(jì)算。對(duì)于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng),熱水在管路內(nèi)的流動(dòng)型態(tài),幾乎都是處于紊流過(guò)渡區(qū)內(nèi)。由此可以確定λ值。對(duì)于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng),各種不同管道規(guī)格的摩擦阻力系數(shù)λ 值見(jiàn)表1。

        通過(guò)上述對(duì)四個(gè)參數(shù)的分析計(jì)算,可以得到室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)中各種不同管道規(guī)格1 米管長(zhǎng)時(shí),沿程阻力損失所占阻抗Sy1值,見(jiàn)表1 所示。

        為了便于水力計(jì)算模型實(shí)物化,對(duì)表1 得到的Sy1擴(kuò)大(106/4)倍,并取整,則得到Sy1k見(jiàn)表1。

        2)計(jì)算管段局部阻力損失所占阻抗Sj

        式(10)中d 為管內(nèi)徑,單位為m,如果單位取mm,則式(10)變?yōu)槭剑?1)所示。

        各種不同管徑規(guī)格的管件、閥門(mén)的Sj值具體見(jiàn)表2 所示。

        表2 管件、閥門(mén)規(guī)格參數(shù)

        同樣,為了便于水力計(jì)算模型實(shí)物化,對(duì)表2 中得到的Sj擴(kuò)大(106/4)倍,并取整得到Sjk,其值見(jiàn)表2。

        2 建立模型

        根據(jù)上述各種規(guī)格管段、管件計(jì)算參數(shù)Sy1、Sj,建立實(shí)物模型。模型管徑寬度和厚度均取25 mm,長(zhǎng)度尺寸比例按1:25 取值。同時(shí)將管徑規(guī)格和Sy1k、Sjk值標(biāo)注于模型。

        室內(nèi)供暖系統(tǒng)最不利環(huán)路,是指從供暖入口起點(diǎn)至最遠(yuǎn)散熱設(shè)備所在的環(huán)路,通常管路最長(zhǎng),比摩阻R值最小,按水力計(jì)算要求,水力計(jì)算一般從最不利環(huán)路開(kāi)始計(jì)算。最不利環(huán)路管徑的選擇,一般采用參考經(jīng)濟(jì)比摩阻通常取60~120 Pa/m。由此得出用于最不利環(huán)路的各種規(guī)格管徑所能承擔(dān)的流量、熱負(fù)荷的范圍,見(jiàn)表3。表中數(shù)據(jù)由熱水供暖系統(tǒng)供、回水平均溫度取60 ℃,K=0.2 mm 計(jì)算。

        表3 最不利環(huán)路管徑選取

        根據(jù)表3,對(duì)最不利環(huán)路各管段管徑的確定,可依據(jù)每個(gè)計(jì)算管段承擔(dān)的熱負(fù)荷或流量值,選定所需模型管徑規(guī)格。使最不利環(huán)路水力計(jì)算直觀、快捷。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        確定圖2 所示某公共建筑機(jī)械循環(huán)垂直單管順流異程式熱水供暖系統(tǒng)管路的管徑。熱媒參數(shù):供水溫度tg=75 ℃,回水溫度th=50 ℃。系統(tǒng)與室外管網(wǎng)連接。散熱器內(nèi)的數(shù)字表示熱負(fù)荷(W)。層高為3 m。圖中小圓圈內(nèi)的數(shù)字表示管道編號(hào)。羅馬字符表示立管編號(hào)。

        圖2 供暖系統(tǒng)圖

        通過(guò)傳統(tǒng)水力計(jì)算可以看出,供暖系統(tǒng)兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路,其中通過(guò)立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路,經(jīng)計(jì)算其不平衡率達(dá)到35.9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定不大于15%的要求。其中通過(guò)立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路,經(jīng)計(jì)算其不平衡率為-3.4%,滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

        2)應(yīng)用模型

        根據(jù)最不利環(huán)路參數(shù)圖表確定的最不利環(huán)路各管段管徑與傳統(tǒng)水力計(jì)算得到的最不利環(huán)路各管段管徑進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)各對(duì)應(yīng)管段管徑規(guī)格完全相同。

        通過(guò)新模型水力計(jì)算可以看出,供暖系統(tǒng)兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路,其中通過(guò)立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路,經(jīng)計(jì)算其不平衡率達(dá)到-7.7%。其中通過(guò)立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路,經(jīng)計(jì)算其不平衡率為-3.4%,兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路不平衡率均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

        3)兩種水力計(jì)算所用時(shí)間對(duì)比

        隨機(jī)選取8 位同學(xué),讓他們分別用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法和新模型對(duì)上述管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。采用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法平均所用時(shí)間為11.75 h,而采用新模型進(jìn)行水力計(jì)算僅耗時(shí)半小時(shí)左右。提高工作效率近20 倍。

        4 結(jié)論

        使用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法部分并聯(lián)環(huán)路水力計(jì)算不平衡率不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。而使用模型方法,不平衡率全部達(dá)到了規(guī)范要求。與傳統(tǒng)水力計(jì)算相比,新模型將原計(jì)算管段(由若干米同一管徑構(gòu)成)可拆分1米為單元的兩種管徑,可隨時(shí)變更兩種管徑所占長(zhǎng)度,更易水力平衡。利用最不利環(huán)路計(jì)算簡(jiǎn)表及各規(guī)格管道模型參數(shù),可快速完成水力計(jì)算。省時(shí)省力,效果顯著。

        新的水力計(jì)算方式徹底改變了傳統(tǒng)水力計(jì)算所存在的耗時(shí)耗力,且水力不平衡率偏高的不足,極大的減少學(xué)生水力計(jì)算的工作量,提高了工作效率,同時(shí)新方法降低了水力不平衡率,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)越。新模型既可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),也可用于工程實(shí)踐,具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[9]。

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