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      0 引言

      隨著供暖熱計(jì)量的發(fā)展，供暖系統(tǒng)的水力運(yùn)行工況將由靜態(tài)變換為動(dòng)態(tài)。這種工況的變化，使得在系統(tǒng)上探討調(diào)節(jié)問(wèn)題已無(wú)意義，因?yàn)橐环N固定的管路結(jié)構(gòu)模式只能適應(yīng)特定的水力工況，動(dòng)態(tài)工況只能靠局部調(diào)節(jié)裝置加以控制^[1]。

      對(duì)動(dòng)態(tài)水系統(tǒng)而言，通常設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置種類很多，例如流量調(diào)節(jié)閥、壓差限制器等，這些設(shè)備的控制對(duì)象是流量，包括流量變化及流量穩(wěn)定，而采取的技術(shù)手段則是改變局部管路的流動(dòng)阻力。由于局部管路流動(dòng)阻力的變化，使得相鄰并聯(lián)環(huán)路必然受到影響。為實(shí)現(xiàn)相鄰環(huán)路之間互不影響，筆者提出三通調(diào)節(jié)閥的定流量調(diào)節(jié)形式。

      1 調(diào)節(jié)形式

       如圖1所示，1，2為兩并聯(lián)環(huán)路（用戶），為散熱器或風(fēng)機(jī)盤管；3是三通調(diào)節(jié)閥；AB為1所在支路，CB為一旁通支路。當(dāng)用戶1要求流量變化時(shí)，調(diào)節(jié)三通調(diào)節(jié)閥3，使得AB支路流量增大或減小，與此同時(shí)，CB支路流量將減小或增大，但在任意調(diào)節(jié)條件下滿足式（1）：

      G_AB+G_CB=G₀ （1）

      式中：G_AB為AB支路流量；
               G_CB為CB支路流量；
               G₀為兩支路的流量總和。無(wú)論G_AB，G_CB如何變化，G₀不變。

      式（1）就是該調(diào)節(jié)形式所應(yīng)具備的調(diào)節(jié)特性稱其為定流量特性。由于G₀保持不變，無(wú)論三通調(diào)節(jié)閥如何調(diào)節(jié)，都不會(huì)影響環(huán)路2或其他相鄰環(huán)路。

      2 調(diào)節(jié)阻力特性

      在并聯(lián)環(huán)路中既然改變某支路流量并不影響相鄰支路，那么調(diào)節(jié)特性就與其他支路無(wú)關(guān)。對(duì)于某一確定支路，其阻力特性是固定不變的，而對(duì)于某一已知閥門其阻力特點(diǎn)及其調(diào)節(jié)特性也是確定的，因此要實(shí)現(xiàn)閥門安裝在該支路上后調(diào)節(jié)具有定流量特性，有三種可能^[2]：

      a）此三通調(diào)節(jié)閥與該支路完全匹配，調(diào)節(jié)是定流量；
      b）在該支路上增加局部阻力，使其阻力特性變化后與閥匹配；
      c）改造閥門結(jié)構(gòu)，使其阻力特性或調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化后與支路匹配。

      三種可能說(shuō)明調(diào)節(jié)特性并不是某一特性所能決定的，而是相互關(guān)聯(lián)的，因此分析其綜合阻力關(guān)聯(lián)式是必要的。

      閥門的調(diào)節(jié)特性一般用特征曲線來(lái)描述，特征曲線是由相對(duì)開(kāi)度K與相對(duì)流量G_K的關(guān)系決定的，可表示為（定壓差條件下）：

                     （2）

      式中：G_k為閥門某一開(kāi)度所通過(guò)的流量，
               G_max為所通過(guò)的最大流量；
               k為任意開(kāi)度，k_max為最大開(kāi)度。

      將流動(dòng)阻力特性引入，有：

      Δp=S_kG_k²              （3）

      式中 Δp為閥兩端壓差，調(diào)節(jié)時(shí)為定值；S_k為任意開(kāi)度下阻力特性系數(shù)。

      將式（2）代入式（3）中，有：

      Δp=S_kG_k²_max2               （4）

      又

       Δp=S_kmax G_max²               （5）

      將式（4）與式（5）相比，得

                         （6）

      三通調(diào)節(jié)閥有直通與旁通支路，兩路開(kāi)度相反，由式（6）得到：

      直通支路閥的阻力特性S_k計(jì)算式為：

                             （7）

      旁通支路閥的阻力特性S_kmax-k計(jì)算式為： 

                     （8）

      式中：S_min為直通全開(kāi)阻力特性系數(shù)，
               S'_min為旁通全開(kāi)阻力特性系數(shù)；
               G'_K為旁通支路閥的相對(duì)流量。

      考慮支路的阻力特性以后，則調(diào)節(jié)時(shí)綜合阻力特性式如下：

      直通支路的阻力特性式：

                     （9）

      旁通支路的阻力特性式：

             （10）

      由式（1）得直通支路與旁通支路的并聯(lián)阻力特性式為：

      S_zk^-0.5+S_zkmax-k^-0.5=S_b^-0.5       （11）

      式中：S_b為并聯(lián)特性系數(shù)，下角z代表綜合阻力特性參數(shù)。當(dāng)直通全開(kāi)或旁通全開(kāi)時(shí)，S_b=S_min+S_z或S_b=S'_min+S_p，S_p為旁通特性系數(shù)。

      因此定流量調(diào)節(jié)所滿足的阻力特性條件可由下面的方程組^[3]描述：

                    （12）

      S_b=S_min+S_z，S_b=S_min+S_p                                     （13）

      式（12）與（13）即為總阻力關(guān)聯(lián)式。

      3 三通調(diào)節(jié)閥阻力性能測(cè)試

      3.1 測(cè)試及測(cè)試原理

      閥門阻力特性測(cè)試如圖2所示。水自循環(huán)水箱被水泵抽取，經(jīng)測(cè)壓點(diǎn)1，2，被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)3，4，或經(jīng)測(cè)點(diǎn)1，2，被測(cè)閥門及測(cè)壓點(diǎn)5，6流回循環(huán)水箱。

      壓強(qiáng)采用測(cè)壓管直接測(cè)得，流量采用體積法測(cè)量。

      閥門阻力系數(shù)計(jì)算公式為：

                    （14）

      式中：ζ為閥門局部阻力系數(shù)；
               h_w為閥門前后測(cè)點(diǎn)間總水頭損失，m，h_w=h₂- h₄或h_w=h₂- h₆；
               h_f為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)間沿程水頭損失，m，h_f=l₂₄/l₁₂（h₁- h₂）或h_f= l₂₆/l₁₂（h₁- h₂），其中h₁~h₆分別為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭，l₂₄為測(cè)點(diǎn)2，4間管長(zhǎng)，m，l₁₂為測(cè)點(diǎn)1，2間管長(zhǎng)，m，l₂₆為測(cè)點(diǎn)2，6間管長(zhǎng)，m；
               v 為測(cè)試段管內(nèi)斷面平均流速，m/s，v= 4Q/πd²，其中Q為流量，m³/s，d為管徑，m。

      3.2 測(cè)試結(jié)果

      a）直通全開(kāi)工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζ_min=4.60；
      b）旁通全開(kāi)工作狀態(tài)阻力系數(shù)ζ'_min=8.47；
      c）閥門相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

 4 應(yīng)用分析

      為保證供暖系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)互不影響，設(shè)計(jì)了如圖1所示調(diào)節(jié)形式，具體形式見(jiàn)圖4。

      圖中1，2為散熱器，3為三通調(diào)節(jié)閥，A-1-B為直通支路，CB為旁通支路，支路還存在一些彎頭。

      常用的三通調(diào)節(jié)閥有3種，按直通配管管徑可分為：DN15，DN20，DN25。由于散熱器的局部阻力實(shí)際可取為定值，為便于應(yīng)用與推廣，將其結(jié)構(gòu)模塊化，統(tǒng)一設(shè)計(jì)為DN25。另外，為計(jì)算方便，將管路的沿程阻力轉(zhuǎn)化為局部阻力，稱之為當(dāng)量局部阻力。由此，支路的總阻力為當(dāng)量局部阻力與局部阻力之和^[3~4]：

               （15）

      式中：λ為摩擦阻力系數(shù)。

      支路（全開(kāi)）的局部阻力系數(shù)^[4]見(jiàn)表1。

      直通支路全開(kāi)或旁通支路全開(kāi)的總局部阻力系數(shù)相差不到1%，其流量也在此范圍之內(nèi)。然而當(dāng)閥門在其他開(kāi)啟度條件下并不一定也是如此。由式（9），（10），（15），可得到直通或旁通支路總局部阻力系數(shù)：

                       （16）
                     （17）

      式中 ζ_1zh為直通支路總局部阻力系數(shù)，ζ_2zh為旁通支路總局部阻力系數(shù)。

      由式（16），（17）及圖3，插值計(jì)算得到表1所示結(jié)果。

表1 不同開(kāi)度條件下的阻力系數(shù)

      當(dāng)時(shí)，并聯(lián)總阻力系數(shù)為7.5，與全開(kāi)或全閉的12相比，變化了38%，在定壓條件下，流量要變化27%。若不定壓，屬自然調(diào)節(jié)，流量變化會(huì)減小到20%左右，這由管網(wǎng)的自適應(yīng)能力決定。

      5 定流量特征曲線

      特征曲線包括直通曲線與旁通曲線，要實(shí)現(xiàn)定流量，兩條曲線可能有多種組合，但這兩條曲線組合并非是任意的，第一，要符合實(shí)際，即在制造工藝上是否可行；第二，要利于將來(lái)的調(diào)節(jié)。為有利于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將直通曲線設(shè)為線性的，旁通曲線由直通的線性決定。即直通曲線為 是一條已知曲線，C是一待定常數(shù)，求旁通曲線G_K。

      以上述的應(yīng)用為例，兩曲線應(yīng)滿足的關(guān)系式為：

      ζ_1zh^-0.5+ζ_2zh^-0.5=ζ_zh^-0.5

      將式（16），（17）代入得：

                     （18）

      由上式經(jīng)插值計(jì)算后再進(jìn)行曲線擬合，G'_K為一指數(shù)或?qū)?shù)曲線，見(jiàn)圖5。

      在常用的閥門中，其特征曲線通常為線性（不絕對(duì)）或?qū)?shù)曲線，一個(gè)閥門具有這兩種特征曲線，可以看作是一個(gè)線性調(diào)節(jié)閥與一個(gè)對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥的組合，因此，生產(chǎn)具有線性與對(duì)數(shù)混合調(diào)節(jié)特征的閥門在工藝上是可行的。

      6 結(jié)論

      6.1 三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)形式較其他調(diào)節(jié)方式有明顯優(yōu)點(diǎn)，調(diào)節(jié)時(shí)阻力不變、流量恒定，能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)環(huán)路之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)互不影響。

      6.2 要達(dá)到定流量目的，阻力分配必須滿足一定關(guān)系，由于結(jié)構(gòu)模塊化，實(shí)際支路的阻力特性將由閥門結(jié)構(gòu)決定，閥的兩特征曲線組合是該調(diào)節(jié)形式成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

      6.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的調(diào)節(jié)閥特征曲線為兩不絕對(duì)的線性曲線，應(yīng)用該閥時(shí)，最大流量偏差為27%，當(dāng)管網(wǎng)達(dá)到一定的穩(wěn)定性時(shí)，流量偏差在20%左右。

      6.4 定流量調(diào)節(jié)閥的特征曲線為線性曲線與對(duì)數(shù)曲線組合，或指數(shù)曲線與對(duì)數(shù)曲線組合。不同的曲線組合時(shí)，流量誤差在10%以內(nèi)，即認(rèn)為具有可用性。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 石兆玉，編著.供暖系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制.北京：清華大學(xué)出版社，1994
      [2] 江億.管網(wǎng)可調(diào)性和穩(wěn)定性的定量分析.暖通空調(diào)，1997，27（3）
      [3] 張維佳，潘達(dá)林，編著.工程流體力學(xué).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001
      [4] 賀平，孫剛，編著.供熱工程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996

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