第七章 空调水管路系统.doc

第七章空调水管路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：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；具有良好的水力工况稳定性，重视并联环路间的阻力平衡；满足部分负荷时的调节要求；实现空调运行期间的节能运行要求；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）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（供热水时用），如图7.6中虚线所示。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。7.2 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： （7.1）式中单位体积流量流体具有的总能量，a；单位体积流量流体具有的压能，亦称静能，Pa；流体的密度，；流体在断面上的平均流速，m/s；单位体积流量流体具有的动能，亦称动压，Pa；g 重力加速度，；在流体断面上任一点相对于选定基准面的高程，m；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，两断面，那么根据能量方程式就存在以下关系： （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，如果用表示单位体积流量实际流体在从断面流向断面时所损失的能量。那么实际流体在管内流动时的能量方程式应为： （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： 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，这样 （7.4）式中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；整个水管系统的阻力损失，kPa；，其中和分别为水泵吸入段和压出段的阻力，kPa。 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（单位为kPa），那么 （7.5） 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 （7.6）7.2.2 管段的阻力计算 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：或者 （7.7）式中长度为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/，R长度为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公称直径mm=250吸入管1.01.21.21.6压出管1.52.02.02.5摩擦阻力系数与流体的性质、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： （7.8）式中管内表面的当量绝对粗糙度，m；推荐水管的值如下：对于开式系统，取0.0005m；对于闭式系统，取0.0002m；Re 雷诺数，Re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，表中和是管内表面当量绝对粗糙度值分别是0.0002m和0.0005m条件下计算得到的每m管长的摩擦阻力。对于闭式系统用值，对于开式系统用值。标准大气压时水的运动粘滞系数 表7.2温度05101520304060801.7921.5201.3071.1391.0040.8010.6580.4750.365例7.1求水在流过长度为20m、管径为150mm的直管段时的摩擦阻力，如果管内水流速取1.8m/s，管内表面的当量绝对粗糙度0.0005m。解本题应用公式7.7和表7.3进行计算。由题意，由于0.0005m，所以比摩阻应该查表7.3中一项，根据管径150mm和水流速度1.8m/s的已知条件，即可查得=295Pa这样，直管段的摩擦阻力Pa（即602mm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。 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： （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kW（2500kcal/h）左右的风机盘管机组，其水阻力大致在23.526.5kPa（2.42.7m）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49kPa计算。例7.2求水流过弯头的局部阻力，已知管径为50mm，管内水流速为1.5m/s。解本题应用公式7.10进行计算。首先，从表7.4查得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1.5m/s是的动压=1123Pa这样，弯头的局部阻力1.01123=1123Pa（即115mm）138 水管摩擦阻力计算表 表7.3动压Pa水流速m/s 公称管径 D0mmL流量, l/s每米长水管的摩擦阻力Pa1520253240506580100125150200250300350400200.2L0.040.070.110.200.260.440.731.081.572.453.536.7210.515.021.226.1R168453323191410865422111R285564027231611975432211450.3L0.060.110.170.300.400.661.091.542.353.685.2910.115.822.531.939.2R1143956948402921171310854332R21831208659493525201511964433800.4L0.080.140.230.400.530.881.452.063.144.907.0613.421.029.942.552.2R1244163111826849362822161397544R2319209150102856043342620151086541250.5L0.100.180.290.500.661.101.812.573.926.138.8216.826.337.453.165.3R13712481801251047554433325201310876R2492323231158131936753403024161210871800.6L0.120.210.340.600.791.322.183.094.707.3510.620.231.644.963.778.3R1525351255176147106 776147352819141198R2702460330225187132957657433422171411102450.7L0.140.250.400.700.921.542.543.605.498.5812.423.536.852.474.391.4R1705471343237198142103826348382519151211R294862244630425317912910278584630231815133190.8L0.160.280.450.801.051.762.904.126.279.8014.126.942.159.984.9104.4R19116094433062561831331068161493325201614R21232808580395328233167166101756040302419174040.9L0.180.320.510.901.191.983.264.637.0611.015.930.247.367.495.6117R1114276455538432123016713410277614131252018R21553101973149841429321016712795755037302421动压PdPa水流速m/s 公称管径 D0mmL流量, l/s每米长水管的摩擦阻力Pa15202532405065801001251502002503003504004991.0L0.190.350.571.001.322.203.365.147.8412.317.633.652.674.9106131R1140093668147139428220516412595755038312522R2191212549006135093612592061561179261463730266041.1L0.210.390.631.101.452.423.995.668.6213.519.437.057.982.3117144R116801126819566473339246197151114906146373026R223071513108673961443531324818814111274564436317191.2L0.230.420.691.201.582.644.356.179.4114.721.240.363.189.8127157R1199513349706715614022922331791351077254443531R227391797128987872951737129522416813288665342378441.3L0.250.460.741.301.712.864.716.6910.215.922.943.768.497.3138170R12331155911347846554703412732091571258463514136R23208210515101029854605435345262196155103776250449781.4L0.270.500.801.401.853.085.087.2011.017.224.747.073.6105149183R12693180113109067575433943152411821459773594842R237142437174811919897015034003042271801199072585111231.5L0.290.530.861.501.983.305.447.7211.818.426.550.478.9112159196R1308220611499103686762145136127620816611184675448R24258279320041365113480357745834826020613610382665812781.6L0.310.570.911.602.113.525.808.3212.519.628.253.884.2120170200R1349623361701117698370551240931323618812695776254R24838317422771551128991365652139529623415511793756614421.7L0.330.600.971.702.243.746.168.7413.320.830.057.189.4127180222R139372633191513241107794576461353266212142107867061R2545635792568174914531029739587446334264175132105857416171.8L0.350.641.030.802.373.966.539.2614.122.131.860.594.7135191235R144042945214214811238888644515394298237158120967869611040092876195916271153828658499374295196147118958318021.9L0.370.671.091.902.504.186.899.7714.923.333.563.899.9142201248R1489632742382164713779877175734393312631761331078776R26802446232022181181212649227325564163292181641311059319962.0L0.390.711.142.002.644.407.2510.315.724.535.367.2105150212261R15415362126341821152310927936344853662911951481199684R2753149403545251520061421102181161546136424118214511710322012.1L0.410.741.202.102.774.627.6110.816.525.737.070.6110157223274R159603985289920041676120287269853440332021416213110593R2829754433905266022101566112489367850840126620016012911324162.2L0.430.811.312.303.035.078.3411.818.028.240.677.3121172234287R1653143673177219618371317956765585441351235178143115102R2969959694283291824231717123397974455744029221017614112426402.3L0.450.811.312.303.035.078.3411.818.028.240.677.3121172244300R17128476634682397200513471043835639482383256194156126111R29939652045783187264718751347107081260848131824019215413528752.4L0.470.851.372.403.165.298.70 12.418.829.442.380.6126180255313R17751518337712607218015631135907694524417279211170137121R210816709650913468288120411466116488466252334726120916814731192.5L0.490.891.432.513.295.51 9.0612.919.630.644.184.0131187265326R18400561740872825236316941230984753568452302229184149131R2126818319596940663377239317191365103677661340630624519617333742.6L0.510.921.492.613.435.739.4313.420.431.945.987.3137195276339动压PdPa水流速m/s 公称管径 D0mmL流量, l/s每米长水管的摩擦阻力Pa152025324050658010012515020025030035040033742.6R190756069441530522553183013291063813614488327247199161173R2126818319596940663377239317191366103677661340630624519617336392.7L0.530.961.542.713.565.959.7913.921.233.147.690.7142202287352R197766538475632882750197214311145876661526352266214173152R2136698968643443833641258018531471111783666143833026421218639132.8L0.540.991.602.813.696.1710.214.422.034.349.494.1147210297365R11.504702451103533295521181538123094.1710565378286230186164R2146959640691747123914277619921583120189971147135428422820041982.9L0.561.030.662.913.816.3910.514.922.735.551.297.4153217308378R11125775285477378631672270164813181009761605405307247199175R21575710331741750524197297321361696128896476250538030424421544923.0L0.581.061.713.013.956.6110.915.423.536.852.9101158225319392R11203780495856404933862428176214091079814647433323264213188R2168561105879345405448931812285181513781031815540403325261230 水管系统配件的局部阻力系数值 表7.4配件名称配件名称说 明渐缩变径管(对应小断面v)0.1合流三通一旁支,231.51. 局部阻力系数均对应图中总管的动压值;2. 三通配件的局部阻力系数与流体流经三通配件时流量、面积变化有关，需要仔细计算水管系统阻力时应查阅有关专业手册。渐扩变径管(对应小断面v)0.3合流三通一直通,130.5从水箱侧壁接出0.5分流三通一旁支,121.50.75分流三通一直通,130.10.1合流三通, 23.01.0分流三通, 21.5有网底阀7.0合流三通,230.5无网滤水阀3.0分流三通,321.0 配件名称公称直径 mm15202532405045弯头1.01.00.80.80.50.590弯头2.02.01.51.51.01.090煨弯及乙字管1.51.51.01.00.50.5截止阀16.010.09.09.08.07.0闸阀1.50.50.50.50.50.5斜杆式截止阀3.03.03.02.52.52.0旋塞4.02.02.020升降式止回阀16.010.09.09.08.07.0旋启式止回阀5.14.54.14.13.93.47.2.3 水泵选择及其应用1空调系统中常用的水泵型式水泵型式的选择与水管系统的特点、安装条件、运行调节要求和经济性等有关。就空调系统而言，使用比转数* 关于比转数，见本节第5点在30150的离心水泵最为合适，因为它在流量和压头的变化特性上容易满足空调系统的使用需要。在常用的离心水泵中，根据对流量和压头的不同要求，可以分别选用单级泵和多级泵。除此，离心水泵还有单吸还有双吸之分，在相同流量和压头的运行条件下，从吸水性能、消除轴向不平衡力和运行效率方面比较，双吸泵均优于单吸泵，在流量较大时更明显；然而，双吸泵结构复杂，且一次投资较大。空调工程中常用的高效节能型离心水泵见表7.5所列。2水泵的性能曲线性能曲线时液体在泵内运动规律的外部表现形式，它反映着一定转速下水泵的流量L、压头P、功率N及效率之间的关系。空调工程中常用的高效节能型水泵系列 表7.5结构系列流量范围扬程范围取代的系列l/skPam单级、单吸、悬臂式IS1.751116.34004912265125BA单级、双吸、中开式S38.95611402020989311095SH单吸、多级、分段式TSWA4.1753.115191165286516.8292TSW每一种型号的水泵，制造厂都通过性能试验给出如图7.18所示的三条基本性能曲线：L-P曲线、L-N曲线和L-曲线。各种型号水泵的L-P曲线随水泵压头（扬程）和比转数而不同，一般有三种类型：（1）平坦型；（2）陡降型；（3）驼峰型（如图7.19所示）。具有平坦型L-P曲线的水泵，当流量变化很大时压头变化较小；具有陡降型L-P曲线的水泵，当流量稍有变化时压头就有较大变化。具有以上两种性能的水泵可以分别应用于不同调节的水系统中。至于具有驼峰型L-P曲线的水泵，当流量从零逐渐增大时压头相应上升；当流量达到某一数值时压头会出现最大值；当流量再增加时压头反而逐渐减少，因此L-P曲线形成驼峰状。当水泵的工作参数介于驼峰曲线范围时，系统的流量就可能出现忽大忽小的不稳定情况，使用时应注意避免。 3水泵选择选择水泵所依据的流量L和压头(或扬程)P如下确定： 或 （7.14）式中 设计的最大流量，或 1. 1或1.2附加系数，当水泵单台工作时取1.1；两台并联工作时取1.2。 ，kPa (7.15)式中 管网最不利环路总阻力计算值，kPa；1. 11.2附加系数。已知L、P值后，就可以按水泵特性曲线选择水泵型号，并从样本查知其效率、功率和配套电机型号等。当需要自行选配电机时，其功率的确定方法可参见下节。【例7.3】 选择水泵型号。已知水系统的最大设计流量为6l/s(21.6)，最不利环路总阻力为147kPa(15m。【解】 用公式7.14和公式7.15计算水泵必须具有的流量和压头（扬程）。流量附加系数取1.1；压头（扬程）附加系数取1.15。这样，（即23.76，（即16.5m）从图7.20表示的IS系列离心水泵性能曲线，根据上述L和P的计算值，可以知道有两种型号是可以可以满足要求的，即IS6550125型和IS8050250型。前者转数2900r/min，后者转速1450r/min。根据这样初步选择，再查IS系列水泵样本，即可知道各自的效率和配用电机型号、功率等。 水泵的轴功率和配用电机选择水泵所需的轴功率Ns，用下式计算： Ns=LP /kW （7.16）式中 L-水泵流量，m/s；-水泵在工作点的总效率。一般情况下，电机的额定功率Nd可以根据水泵轴功率Ns再增加下列富裕量来确定。 Nd=KaNskW （7.17）式中 Ka-电机容量安全系数，根据水泵轴功率从表7.6选用。电机容量安全系数Ka 表7.6水泵轴功率kW1 1225 5101025256060100100Ka1.701.701.501.501.301.301.251.251.151.151.101.101.081.081.05应该注意的事，在选择并联水泵的电机容量时，应考虑到单台运行时超流量的影响，而水泵的功率是随水量增加而增加的，因此电机容量应按单台运行时所须的功率配置。由于在实际运行的空调工程中，水泵的功率较大（在一般情况下，水泵与电动式制冷机的功耗比大致为1：3），所以必须重视运行期，即在非峰值空调负荷时水泵的运行工作点的分析研究，并应使其尽量处于最高效率区工作。5水泵的变速计算关系水泵的性能参数是针对某一定转速n。而言的。当实际运行转速n与n。不同时。可用相似律求出其新的性能参数。在工程应用中，相似律被简化为：L/L0=n/n0P/P0=（n/n0）N/N0=（n/n0）式中 L，P，N-分别为当水泵转速为n时它的流量为m/s压头kPa和功率kW；L0，P0，N0-分别为当水泵转速为n。时它的流量m/s 压头kPa和功率kW。以上三个公式可以写成以下更为实用的形式：=这个综合式的重要性在于，这些关系式必须同时成立。这就指出，当用增加转速来提高流量的同时，不要忘记，电机的功率要同时增加，而且它增加的倍数要比流量增加的倍数大得多。6水泵的工作点当水泵转速选定时，对于一定类型的水泵，其流量和压头存在一定的关系。在图7.21上表示为L-P性能曲线。当该水泵被装置在管路系统中时。由于水泵工作时所产生的流量和压头必须同时满足管路系统特性的要求。因此在L-P图上，只有水泵L-P性能曲线与管路特性曲线的交点的参数才能满足上述要求，该交点被称为水泵的工作点，如图7.21中A，A点所示。A为该水泵在阻力特性系数为K的管路中运行时的工作点；A为该水泵在阻力特性系数为K（而KK）的管路中运行时的工作点。这说明当水泵在系统中运行时，如果管