《流体输配管网 第4版》 课件 第3章 冷、热水循环管路

流体输配管网

第4版

第3章冷、热水循环管路3.1水的自然循环3.1.1自然（重力）管流水力特征

图3-1自然循环管路系统示意图

自然（重力）循环管路系统中流体的流动动力取决于竖管段内的密度差和竖管段的垂直高度。

3.1.2自然（重力）循环热水系统的工作原理

图3-2自然循环热水供暖系统工作原理图1－散热器；2－热水锅炉；3－供水管路；4－回水管路；5－膨胀水箱

由式可以看出，自然循环作用的大小与供、回水的密度差和散热中心和锅炉中心的垂直距离有关。

如供水温度为95℃，回水温度70℃，则每米高差可产生的作用压力为，自然循环的作用压力不大，系统中若积有空气，会形成气塞，阻碍循环，因此管路排气是非常重要的

3.1.3自然循环热水系统的形式和特点

图3-3自然循环单管上供下回式系统

1－总立管；2－供水干管；3－供水立管；4－供水支管；

5－回水支管；6－回水立管；7－回水干管；8－连接管；

9－充水管；10－泄水管；11－止回阀

自然循环热水系统采用上供下回系统方式有双管和单管两种系统形式。如图3-3中（a）（b）所示，（a）为双管上供下回式系统；（b）为单管上供下回式（顺流式）系统。

3.1.4自然循环热水系统的作用压力

3.1.4.1双管上供下回式系统的作用压力

作用压力分别为

3.1.4.2单管上供下回式系统的作用压力

当循环环路中有N组串联的冷却中心（散热器）时，其自然循环作用压力可用下述通式表示其循环作用压力值为从上面作用压力的计算公式可见，单管热水供暖系统的作用压力，与水温变化，加热中心与冷却中心的高差，以及冷却中心的个数等因素有关。

每一根立管只有一个自然循环作用压力，而且即使最低层的散热器低于锅炉中心（为负值），也可使循环水流动。

为了计算单管系统自然循环的作用压力，需要求出各个冷却中心之间管路中水的密度，为此，就首先要确定各冷却中心之间管路的水温。

在单管系统运行期间，由于立管的供水温度或流量不符合设计要求，也会出现垂直失调现象。但在单管系统中，影响垂直失调的原因，不是由于各层作用压力的不同，而是由于各层散热器的传热热系数【例3-1】如图3-6所示为三层楼房自然循环热水供暖系统，明装立管不保温，总立管距散热器立管之间的距离为15m，，，散热器的热负荷分别为700w，600w，800w。供水温度95℃，回水温度70℃。

求：1.双管系统自然循环的综合作用压力。

2.单管系统各层之间立管的水温。

3.单管系统自然循环的综合作用压力。图3-6例3-1附图3.2水的机械循环3.2.1机械循环水力特征

机械循环流动的能量方程与自然循环流动的能量方程的区别在于循环作用压力增加了水泵扬程，即3.2.2机械循环水系统的工作原理

如图3-7，以机械循环热水供暖系统说明机械循环水系统工作原理。机械循环系统设置了循环水泵、膨胀水箱、集气罐和散热器等设备，与自然循环系统主要区别

一是循环动力不同；

二是膨胀水箱的连接点和作用不同；

三是排气方式不同。图3-7机械循环热水系统

1－循环水泵；2－热水锅炉；3－集气罐；

4－膨胀水箱3.2.3机械循环水系统型式

机械循环水系统按工作介质温度可分为热水循环系统和冷水循环系统；

按工作介质是否与空气接触可分为闭式系统和开式系统；

按系统中的各并联环路中水的流程可分为同程系统和异程系统。

按系统中循环水量的特性可分为定流量系统和变流量系统；

按系统中冷热水管道的布置方式是可分为双管制系统和四管制系统.

3.2.3.1室内机械循环热水供暖系统

室内机械循环热水供暖系统的形式相当多，按管道敷设方式的不同，分为垂直式系统和水平式系统。1．垂直式系统

（1）上供下回式系统图3-8机械循环上供下回式热水系统1－热水锅炉；2－循环水泵；3－集气罐；4－膨胀水箱（2）双管下供下回式系统图3-9机械循环下供下回式热水供暖系统1－热水锅炉；2－循环水泵；3－集气罐；4－膨胀水箱；5－空气管；6－放气阀（3）中供式系统（4）下供上回（倒流）式系统图3-11机械循环下供上回（倒流）式热水系统1－热水锅炉；2－循环水泵；3－膨胀水箱2.水平式系统3.2.3.2室外机械循环热水供热管网

机械循环室外热水供热管网由热源、热网和热用户三部分组成。

供热管网的供热管道常用双管制系统。

1.热水管网与热用户的连接方式图3-14双管热水供热管网与热用户连接示意图（a）无混合装置的直接连接；（b）装水喷射器的直接连接；（c）装混合水泵的直接连接；（d）热用户与热网间接连接1－热源的加热装置；2－循环水泵；3－补给水泵；4－补给水压力调节器；5－散热器；6－水喷射器；7－混合水泵；8－换热器；9－热用户系统的循环水泵；10－膨胀水箱2.室外热水供热管网的型式

图3-15热水支状管网

1－热源；2－主干线；3－支干线；4－用户直线；

5－热用户的用户引入口3.2.3.3机械循环空调冷冻水系统

一个完整的中央空调系统有三大部分组成，即冷热源、供热与供冷管网、空调用户系统。

冷冻水系统是把冷热源产生的冷或热量通过管网输送到空调用户的系统，循环管路由总管、干管和支管组成，各支管与各空调末端装置相连，构成一个个并联回路。

1.双管制与四管制系统

图3-16两管制与四管制

（a）两管制系统；（b）四管制系统

2.开式和闭式系统

图3-17开式与闭式系统

（a）开式系统；（b）闭式系统

3.定流量和变流量系统

图3-18单级泵定流量双管闭式系统

1—冷水机组；2—循环泵；3—空调机组或盘管；4—三通阀；5—分水器；6—集水器

图3-19变流量系统之一

1—冷水机组；2—循环泵；3—空调机组或盘管；

4—二通阀；5—分水器；6—集水器；7—旁通调节阀

4.一次泵和二次泵系统

图3-20二次泵水系统之一

1一次泵；2—冷水机组；3—二次泵；

4—风及盘管；5—旁通管；6—二通阀

图3-21二次泵水系统之二

1—冷水机组一次泵；2—一次泵；

3—二次泵；4—压差调节器

3.2.3.4机械循环同程式和异程式系统

1.异程式系统

图3-22异程式热水系统1-锅炉；2循环水泵；3集气罐4膨胀水箱图3-23异程式冷冻水系统

2.同程式系统

图3-24热水同程式系统1-热水锅炉；2-循环水泵；3-集气罐；4-膨胀水箱图3-25同程系统的几种形式（a）水平管路同程；（b）垂直管路同程；（c）水平与垂直管路均同程3.2.3.5机械循环冷却水系统

图3-26共用供回水干管的冷却水循环系统（a）下水箱式冷却水系统；（b）上水箱式冷却水系统3.2.4.1高层建筑水系统承压分析

图3-27高层建筑空调水系统示意图1－冷水机组；2－空气处理设备；3－循环水泵；4－膨胀水箱；5－调节阀

图3-27的系统运行时，B、C和D点的压力为：设计中，确定各种设备承压能力时，要考虑系统停止运行、启动瞬间和正常运行三种情况下的承压能力，以最大者来选择设备和管路附件。3.2.4.2高层建筑水系统形式

（1）分层式系统

图3-28分层式热水供暖系统图3-29双水箱分层式热水供暖系统

1－加压水泵；2－回水箱；3－进水箱；

4－进水箱溢流管；5－信号管；6－回水箱溢流

（2）双水箱分层式系统

3.3水循环系统管路水力计算

3.3.1循环管路水力计算的原理

3.3.1.1水流动压力损失

1.沿程压力损失

流体在管道内流动时，由于流体与管壁间的摩擦，产生能量损失，称为沿程损失，可用沿程水头损失和沿程压力损失表示。

系统的最不利环路平均比摩阻对整个管网经济性起决定作用。这就需要确定一个经济的比摩阻，使得在规定的计算年限内总费用为最小，因此推荐经济平均比摩阻。

沿程阻力系数与流体的流态和管壁的粗糙度有关，即图3-32水管路比摩阻计算图（1mmH2O＝9.807Pa）2.局部压力损失

当流体通过管道的一些附件如阀门、弯头、三通、散热器、盘管等时，由于流体速度的大小或方向改变，发生局部旋涡和撞击，产生能量损失，称为局部损失。

3.总压力损失

任何一个冷热水循环系统都是由很多串联、并联的管段组成，通常将流量和管径不变的一段管路称为一个计算管段。

各个计算管段的总压力损失应等于该管段沿程压力损失与该管段局部压力损失之和，即

3.3.1.2当量局部阻力法

当量局部阻力法是实际工程中为了简化计算，将管段的沿程损失折算成相当的局部损失的一种方法。

3.3.1.3当量长度法

当量长度法是将局部压力损失折算成沿程压力损失的一种简化计算方法。

3.3.2室内热水循环管路水力计算的任务和方法

室内热水供暖循环系统管路水力计算的主要任务

①已知各管段的流量和系统的循环作用压力，确定各管段的管径。这是实际工程设计的主要内容。

②已知各管段的流量和各管段的管径，确定系统所必需的循环作用压力。常用于校核计算，校核循环水泵扬程是否满足要求。

③已知各管段的管径和该管段的允许压降，确定通过该管段的水流量。用于校核已有的热水供暖系统各管段的流量是否满足需要。

供暖系统水力计算的方法有等温降法和不等温降法两种。

3.3.2.1等温降法

等温降法是采用相同的设计温降进行水力计算的一种方法。

例如双管热水供暖系统每组散热器的温度降相同，都是95℃－70℃＝25℃；单管热水供暖系统每根立管的供回水温降相同，都是95℃－70℃＝25℃。在这个前提下计算各管段流量，进而确定各管段管径。

3.3.2.2不等温降法

不等温降法就是在垂直单管系统中，各立管采用不同的温降进行水力计算。

不等温降法先选定立管温降和管径，根据压力损失平衡的要求，计算各立管流量，再根据流量计算立管的实际温降，确定所需散热器的数量，最后再用当量阻力法确定立管的总压力损失。

3.3.3自然循环热水供暖系统的水力计算

以自然循环双管热水管路系统为例，说明自然循环热水管路的水力计算具体步骤。

【例题3-2】图3-33为自然循环双管热水供暖系统两大并联环路的右侧环路，热媒参数：供水温度90℃，回水温度70℃；锅炉中心距底层散热器中心距离为3m，层高为3m；每组散热器的供水支管上有一截止阀；确定此环路的管径。

图3-33重力循环双管热水供暖系统管路计算图3.3.4机械循环热水供暖系统的水力计算

（1）如果室内系统入口处循环作用压力已经确定，可根据入口处的作用压力求出各循环环路的平均比摩阻，进而确定各管段管径。

（2）如果室内系统入口处循环作用压力较高，必然要求环路的总压力损失也较高，这会使系统的比摩阻、管道流速相应提高。对于异程式系统，如果最不利环路各管段比摩阻的过大，其他并联环路的压力损失难以平衡，而且设计中还需考虑管路和散热器的承压能力问题。

对于入口处作用压力过大的系统可先采用经济比摩阻60～120Pa/m选取管径，然后再确定系统所需的循环作用压力，过剩的入口压力可用调压装置节流消除。

（3）在机械循环热水供暖系统中，循环压力主要是由水泵提供，同时也存在着自然循环作用压力。进行机械循环系统水力计算时，只需考虑水在散热器内冷却产生的作用压力，水在管路中冷却产生的附加压力较小，可以忽略不计。

3.3.4.1机械循环异程式热水供暖系统的水力计算

【例3-3】：图3-34是机械循环单管顺流异程式热水供暖系统两大并联环路中右测环路。热媒参数：供水温度95℃，回水温度70℃；系统与外网连接，在引入口处外网的供回水压差为30kPa；楼层高为3m；确定管路的管径。图中已标出立管号，各组散热器的热负荷（W）和各管段的热负荷（W）、长度（m）。

图3-34机械循环单管顺流热水供暖系统水力计算图3.3.4.2机械循环同程式热水供暖系统的水力计算

【例3-4】将例题3-3的异程式系统改为同程式系统。已知条件与例3-3相同。管路系统图见图3-35。

3.3.5不等温降法水力计算

所谓不等温降的水力计算，就是在单管系统中各立管的温降各不相等的前提下进行水力计算。它以并联环路节点压力平衡的基本原理进行水力计算。

在热水供暖系统的并联环路上，当其中一个并联支路节点压力损失确定后，对另一个并联支路，预先给定其管径，从而确定通过该立管的流量以及该立管的实际温度降。

这种计算方法对各立管间的流量分配，完全遵守并联环路节点压力平衡的流体力学规律，能使设计工况与实际工况基本一致。

【例3-5】将例题3-3（见图3-34）的异程式系统采用不等温降法进行系统管路的水力计算。

设计供回水温度为95℃／70℃。用户入口处外网的资用压力为10kPa

3.3.6室外热水供热管网的水力计算

室外热水供热管网水力计算的主要任务是：

①按已知的热媒流量，确定管道的直径，计算压力损失。

②按已知热媒流量和管道直径，计算管道的压力损失。

③按已知管道直径和允许压力损失，计算和校核管道中的流量。

【例3-6】某工厂厂区热水供热系统，其网络平面布置图见图3-36，各管段的长度、阀门位置、方形补偿器的位置及个数及热负荷已标注图中。网路的计算供水温度℃，计算回水温度℃，各用户内部已确定压力损失均为50kPa，对管网进行水力计算。图3-36室外热水管网3.3.7.2空调冷冻水循环系统水泵的选择

空调冷冻水循环系统一般采用闭式系统，泵的流量按空调系统夏季最大计算冷负荷确定,即泵的扬程应能克服冷冻水系统最不利环路的用冷设备、产冷设备、管道、阀门附件等总阻力要求。即若采空调冷冻水循环系统采用二次泵循环管路，则

1.一次泵的选择

（1）泵的流量应等于冷水机组蒸发器的额定流量。

（2）泵的扬