金 琦，刁永發(fā)，李紅，胡美琴

（1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 郵編201620；2. 搏力謀自控設(shè)備(上海)有限公司，上海 郵編 201108）

提高建筑節(jié)能以及提升室內(nèi)舒適度是當(dāng)下暖通行業(yè)受到眾多關(guān)注的主題。家用二聯(lián)供水系統(tǒng)的末端設(shè)備通常存在水力失調(diào)、漏水維護(hù)困難等問題。由于在設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)會(huì)存在多種因素使得空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況無法很好貼合用戶實(shí)際使用需求［1］，例如存在系統(tǒng)設(shè)備選型不當(dāng)、安裝調(diào)節(jié)問題通常會(huì)使得遠(yuǎn)支路的供水不足、近支路流量過大［2］，［3］。為了保證最不利環(huán)路所需的流量，整個(gè)系統(tǒng)所有支路的流量都會(huì)進(jìn)行較大程度的提升，大大提高了系統(tǒng)能耗［4］。

空調(diào)水系統(tǒng)的流量穩(wěn)定性也直接關(guān)系著室內(nèi)人員的舒適程度。在日常家庭使用的水龍頭與淋浴噴頭中，為了較好地控制水流量，避免出水量過猛，會(huì)使用一個(gè)重要部件——流量調(diào)節(jié)器（Flow Regulator）。流量調(diào)節(jié)器是用來控制出水流量的穩(wěn)定，防止流量過大。帶有流量調(diào)節(jié)器的噴淋器通過自動(dòng)調(diào)節(jié)流體的流通面積以保證持續(xù)輸出的流量穩(wěn)定，有利于節(jié)約水資源。流量調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)流量的部分是一種由彈性材料制成的環(huán)形結(jié)構(gòu)的裝置，如圖1。流量調(diào)節(jié)器與帶齒狀的調(diào)節(jié)星輪形成的空隙可容流體介質(zhì)通過［5］。當(dāng)彈性材料受壓而縱向往調(diào)節(jié)星輪齒廓延伸，增大截面積，流量調(diào)節(jié)器彈性材料與調(diào)節(jié)星輪的形成的空隙減少，即流通面積減小，限制流體大量通過，以達(dá)到節(jié)流的目的。

圖1 流量調(diào)節(jié)器實(shí)物圖與截面示意圖

因此，考慮將具有穩(wěn)定流量特性的流量調(diào)節(jié)器應(yīng)用到球閥的設(shè)計(jì)上，一方面球閥本身具有良好的關(guān)斷特性，可有效避免閥門漏水的問題；另一方面，流量調(diào)節(jié)器穩(wěn)定流量的特性可有效解決空調(diào)末端水力失調(diào)的問題。帶有穩(wěn)流特性的球閥應(yīng)用于末端設(shè)備供水管上可避免流量大幅度波動(dòng)引起較大的溫差，這樣可保證室內(nèi)舒適度。接下來將對(duì)限流閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并進(jìn)行穩(wěn)流特性的研究。

1 限流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

空調(diào)水系統(tǒng)通常分為定流量、變流量?jī)煞N形式，通常會(huì)采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)平衡閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。其中，靜態(tài)平衡閥需手動(dòng)進(jìn)行設(shè)定與調(diào)整，適用于定流量系統(tǒng)，而對(duì)于變流量系統(tǒng)，靜態(tài)平衡閥缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)流量變化的調(diào)節(jié)能力［6］。動(dòng)態(tài)平衡閥通常采用壓差式流量調(diào)節(jié)的原理，當(dāng)壓差變化時(shí)，鼓膜感知壓差以驅(qū)動(dòng)閥芯調(diào)節(jié)流量。當(dāng)通過閥門的流量降低時(shí)，閥門兩側(cè)壓差也相應(yīng)減少，閥芯與閥座的距離增大，此時(shí)通過閥門的流量會(huì)增多；當(dāng)通過閥門的流量過多時(shí)，閥門兩側(cè)的壓差增大，使得閥芯與閥座的距離較小，減小通過閥門的流量，如此反復(fù)，直至找到流量穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥一般需在壓差不小于40kPa才能穩(wěn)定工作，而家用空調(diào)水系統(tǒng)的口徑與流量均較小，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜、尺寸偏大，因此也局限了其在家用空調(diào)水系統(tǒng)上的應(yīng)用。因此考慮在調(diào)節(jié)閥的軸向后方整合一個(gè)構(gòu)造成筒狀帶流量調(diào)節(jié)器的限流器，這樣既避免了調(diào)節(jié)閥在安裝高度上無法滿足要求，也能夠?qū)Ψ€(wěn)定輸出末端設(shè)備所需的流量。

限流閥由球閥和帶有流量調(diào)節(jié)器的限流器構(gòu)成，如圖2。開關(guān)型球閥具備快速開關(guān)的特性，并且全關(guān)后，球閥的泄露率可滿足EN12266-1 Rate A要求。限流器可穩(wěn)定閥門出口流量，一個(gè)限流器包含3個(gè)〇型圈，這三個(gè)限流通道同時(shí)用來調(diào)節(jié)流通面積，從而起到調(diào)節(jié)流量的作用。

圖2 限流閥的流量調(diào)節(jié)器示意圖

接下來對(duì)限流器的流量調(diào)節(jié)器的運(yùn)行原理進(jìn)行介紹。圖3（a）、（b）、（c）分別顯示了無流量、流量較少、流量過多三種情況下流量調(diào)節(jié)器的變化情況。當(dāng)管路中無介質(zhì)流動(dòng)（即限流器兩端無壓差）時(shí)，○型圈未被壓縮而保持自然形態(tài)，見圖3（a）。當(dāng)水流量增加，○型圈兩側(cè)壓差開始增大，故○型圈受到水的擠壓力發(fā)生形變，截面積發(fā)生擴(kuò)張后而逐漸趨近至閥座位置，使得閥體內(nèi)的流通面積減小，見圖3（b）。隨著流量進(jìn)一步增大至過流時(shí)，○型圈進(jìn)一步被壓縮擴(kuò)張使得流通面積減少，從而阻擋一定的介質(zhì)通過。即使管道內(nèi)的流量繼續(xù)加大，由于○型圈的彈性材料受到的擠壓力也越大，流體的流通面積會(huì)進(jìn)一步縮小，這樣就起到限流效果，防止過流來確保流量的相對(duì)穩(wěn)定，見圖3（c）。

圖3 限流器的運(yùn)行原理

綜合上述，若閥門既可穩(wěn)定流量、又具有較好的關(guān)斷特性來替換手動(dòng)截止閥，即可有效地解決二聯(lián)供水系統(tǒng)中的這些實(shí)際問題。

2 限流閥的關(guān)斷特性驗(yàn)證與設(shè)計(jì)流量

參考家用空調(diào)技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)［7］，［8］，末端設(shè)備供回水管的接管尺寸的口徑通常為DN15與DN20兩種口徑，風(fēng)機(jī)盤管管道水流速范圍在0.25 m/s至0.5 m/s之間，在地暖的分集水器內(nèi)的水流速一般不超過0.8 m/s。DN15口徑對(duì)應(yīng)的管道流量通常在0.08至0.36 L/s之間，而DN20口徑對(duì)應(yīng)的管道流量在0.33 至0.85 L/s之間。因此，DN15與DN20兩種口徑的限流閥分別設(shè)計(jì)了4組不同的額定流量，具體參數(shù)如表1所示。

表1 限流閥的額定流量參數(shù)

不同額定流量的限流器在壓差0.2bar至2.8bar的范圍內(nèi)變化時(shí)，即流量出現(xiàn)較大波動(dòng)，限流器在壓差擠壓作用下減少流通面積，保持閥門出口的實(shí)際流量值維持在設(shè)計(jì)流量值，流量平均誤差≤7%。限流閥關(guān)斷能力的測(cè)試要求參照EN12266-1:2012與GB/T 13927-2008等國(guó)內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)斷特性的測(cè)試示意圖如圖4所示。氣密性測(cè)試時(shí)，先將限流閥旋轉(zhuǎn)至全關(guān)后與管道連接，整體放入測(cè)試用水池中。從閥門一側(cè)的管道中注入一定的壓縮空氣。如果限流閥的另一端未出現(xiàn)氣泡，則證明密封性好，限流閥關(guān)斷能力良好；反之，限流閥密封性差。液體密封性測(cè)試時(shí)，將全關(guān)后的限流閥的一端與水管連接，從管道的一端往水管中注入一段水，再通過注入壓縮空氣對(duì)管道中的水進(jìn)行加壓，觀察限流閥的另一側(cè)是否出現(xiàn)滴水的泄漏現(xiàn)象。

圖4是在測(cè)試平臺(tái)對(duì)限流進(jìn)行測(cè)試的實(shí)物圖。通過測(cè)試結(jié)果可得出，氣密性測(cè)試時(shí)，水池中無明顯氣泡冒出；同時(shí)注入液體測(cè)試時(shí)，無水滴流出。由此可判斷限流閥的關(guān)斷能力良好。

圖4 關(guān)斷特性測(cè)試示意圖

3 限流閥穩(wěn)流特性測(cè)試研究

接下來對(duì)限流閥穩(wěn)定流量的特性進(jìn)行研究。當(dāng)無流體通過或流量較少時(shí)，限流器幾乎不阻擋管道內(nèi)的流體流通。一旦流量過多，流通的流體受到限流器的阻擋而流量保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，當(dāng)管道內(nèi)的壓差從0 bar逐漸增長(zhǎng)，測(cè)試通過限流閥的流量。

3.1 流量測(cè)試系統(tǒng)與要求

圖5所示是閥門測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)圖進(jìn)行流量測(cè)試。此平臺(tái)為一個(gè)小型的循環(huán)水系統(tǒng)，兩個(gè)分、集水器之間有三條水管支路。每條支路上可供安裝一個(gè)測(cè)試閥門，另外在每條支路上均安裝了流量計(jì)、壓差計(jì)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的流量與壓差，并通過數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)匯總。

圖5 流量測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)圖

將DN15、DN20口徑的不同額定流量的限流閥依次安裝在測(cè)試位置并使閥門處于全開狀態(tài)。將DN15與DN20口徑對(duì)應(yīng)的額定流量作為測(cè)試設(shè)計(jì)流量，一共八組測(cè)試，要求平均流量偏差≤7%，并且對(duì)流速進(jìn)行校核。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)通過閥體的流量逐漸變化上升時(shí)，分別測(cè)試壓差在0.1bar，0.16bar，0.2bar，0.35bar，0.5bar，1bar，1.5bar，2bar，2.5bar，3bar十個(gè)工況下的通過限流閥的流量，并做好數(shù)據(jù)記錄。圖6為限流閥測(cè)試過程中的實(shí)物圖。

圖6 限流閥測(cè)試圖

3.2 結(jié)果分析

從圖7可看出，對(duì)于DN15口徑下不同額定流量的限流閥，當(dāng)閥門兩端的壓差很小時(shí)，即流量很小，限流器受到的擠壓力很小而發(fā)生形變很小，因此對(duì)流通介質(zhì)的阻擋作用小。隨著流量加大，閥門兩端壓差增大，限流器受到擠壓后截面積增大，從而流通面積減少，導(dǎo)致通過限流器的流量減少。圖8顯示了對(duì)于不同額定流量下通過閥門的流體流速與閥門兩端的壓差，四條曲線分別對(duì)應(yīng)不同額定流量0.08 L/s、0.16 L/s、0.20 L/s、0.36 L/s。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓差值到達(dá)某一定值后，通過限流器的流速開始趨于平穩(wěn)，即使壓差進(jìn)一步增大，流量也能維持相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)很小。

圖9與圖10顯示了不同額定流量下通過閥門的流量與閥門兩端的壓差的對(duì)應(yīng)圖，分別對(duì)應(yīng)額定流量0.33 L/s、0.42 L/s、0.5 L/s、0.72 L/s。從兩圖可看出，當(dāng)流量很小時(shí)，此時(shí)限流器對(duì)流通介質(zhì)的阻礙作用很小，通過閥門的流量隨著壓差的增大而增大。隨著流量的增長(zhǎng)，限流器受到的作用力增大，使得流通面積逐漸減少，導(dǎo)致通過限流器的流量減少。當(dāng)流速達(dá)到某一值時(shí)，流速開始保持相對(duì)穩(wěn)定，以此保證過流狀態(tài)下，通過限流閥的流量仍然能保持穩(wěn)定。

圖7 DN15口徑C型、D型、E型、F型限流閥的流量特性測(cè)試曲線

圖8 DN15口徑C型、D型、E型、F型限流閥的流速曲線

圖9 DN25口徑F6型、G0型、G型、H0型限流閥流量特性測(cè)試曲線

圖10 DN25口徑F6型、G0型、G型、H0型限流閥流速曲線

4 結(jié)論

綜合限流器穩(wěn)定流量的特性與球閥良好關(guān)斷能力的限流閥具有良好的關(guān)斷特性，可有效避免民用空調(diào)末端設(shè)備接管漏水問題，減少了維護(hù)成本。限流閥穩(wěn)定流量的特性，有助于維持末端設(shè)備與室內(nèi)環(huán)境熱交換的穩(wěn)定性，保證了室內(nèi)的舒適性。測(cè)試結(jié)果表明限流閥在過流狀態(tài)下保持通過流量的穩(wěn)定，計(jì)算平均誤差在≤7%以內(nèi)；且流速也在合理區(qū)間（不大于0.8 m/s）。這證明限流閥可以達(dá)到穩(wěn)定流量的特性要求，對(duì)解決末端系統(tǒng)水力失調(diào)具有一定的效果，并且密封較好不會(huì)出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象，在家用小型水系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。