变流量空调水系统的二通调节阀特性分析与选用    

 
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变流量空调水系统的二通调节阀特性分析与选用

标签:自力式流量控制阀|自力式温度控制阀|自力式压差控制阀
 
 1 引言

    目前,集中空调系统中多采用变流量系统,以减少输送泵的能耗,实现节能的目的。在变流量系统中主要通过调节二通阀阀门开度的大小来实现用户侧流量的调节,从而二通阀的选择是变流量系统设计的关键之一。目前,在设计过程中人们通常按二通阀的理想流量特性来选取二通阀,但实际使用过程中由于二通阀与表冷器等阻力构件串联后其流量特性将发生较大的变化。这在设计过程中经常被忽略,从而造成阀门选择不当,导致局部用户水量调节不灵的现象,甚至导致整个系统水力失调。

    本文在分析二通阀的理想流量特性的基础上,分析与表冷器串联的二通阀的实际工作流量特性以及可调比变化规律。分析结果表明:变流量系统的用户调节阀应选用等百分比调节阀,并提出了在设计过程中阀权的选取范围。

    2 二通阀的特性参数

    在变流量系统中,随着室内负荷的改变,通过恒温控制器调节二通阀的开度来调节流过风机盘管的水流量,以满足室内温度的要求,故调节阀的选择是变流量系统设计的一个关键。二通阀是依据调节阀的工作特性和可调比等参数来选取。

    二通调节阀的特性是指调节阀的流量特性和阻力特性。前者反映调节阀的调节性能,后者则表示调节阀的流通能力。调节阀的流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程之间的关系,即:

    G/Gmax=f(l/lmax)     (1)

    对于二通调节阀。改变调节阀的阀芯与阀座之间的节流面积,便可调节流量。但实际上由于各种因素的影响,在节流调节面积变化的同时,还会发生阀前后压差的变化,而压差的变化会引起流量的变化。为了分析方便,先研究阀前后的压差固定不变的理想情况,然后再研究阀前后压差变化情况。因而,流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。搞清二通调节阀的工作原理和工作特性,是系统控制所必须的。

    调节阀的可调比定义为调节阀的最大流量与最小流量的比值,用R表示,可调比R=Gmax/Gmin。二通阀的可调比说明其工作能力和工作相对范围。在设计过程中,可调比也是选择二通阀的重要参数之一。由于实际工作过程中,流量特性的变化使得可调比也与理想状况下的可调比有所差别。

    3 二通调节阀的理想流量特性

    对于二通调节阀,其理想流量特性是指在阀前后的压差固定不变的理想情况,流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。为研究方便采用无因次流量G/Gmax来表示二通调节阀的相对流量。对调节阀而言,其水力特性遵循:

    ΔP=SG2     (2)

    式中:ΔP为阀前后的压差;G为通过调节阀的流量;S为调节阀的阻力特性系数。

    按照理想流最特性的定义,就是上式中保持ΔP固定不变,只研究阀的阻力特性系数S(或阀的开度1)与流量之间的单一关系。因阻力系数S完全决定于阀的本身的结构,而与调节阀在系统中的水力特性无关。因此,理想流量特性是调节阀自身的固有特性,它直接反映了调节阀的调节特性,与使用的系统无关。

    按照理想流量特性的不同,调节阀大体可分为三类:线性流量特性,等百分比流量特性和快开流量特性,具体各阀门流量变化规律见图1。图2为不同可调比的等百分比调节阀流量特性。

    从上图分析可以知道,具有等百分比流量特性的二通调节阀最有可能弥补表冷器的非线性流量特性,使得:

       (3)

    4 二通阀实际工作流量特性模型

    4.1 概念

    二通调节阀的理想流量特性是在调节阀前后压差固定不变的情况下得到的。但在实际使用过程中,调节阀是安装在具有阻力的管道上,在实际调节过程中阀门前后的压差是变化的。因此,在实际系统中,阀门虽在同一开度下,通过调节阀的流量将与理想特性时所对应的流量不同。因而,有必要研究工作条件下的调节阀的流量特性。所谓调节阀的工作流量特性是指调节阀装在空调系统的某一用户支路上,在实际工作时阀前后压差随工况而变化条件下,无因次流量与相对开度之间的关系。

    4.2 物理数学模型

    在变流量系统中,作为调节流量的执行构件,二通阀通常和风机盘管串联工作,见图3。由于二通阀串联的用户侧风机盘管和管道存在一定的阻力,阻力损失与通过风机盘管和管道的流量成平方关系。当系统两端的总压差ΔP一定时,随着流量的改变,风机盘管和管道的压降ΔP2也改变,致使二通阀的压降ΔP1也随之改变,从而引起二通阀流量特性的变化。

    对于二通阀,其自身流量特性:

       (4)

    式中:ΔP1为调节阀的前后压差;C为二通阀的流通能力;ρ为流通介质的密度。

    从上述关系可见,二通阀的流量特性仅与其自身结构、调节介质、阀门开度、前后压差有关。一旦阀门和调节介质确定,二通阀的流量特性就仅与前后压差有关。当调节阀的前后压差ΔP1恒定时,

    G/Gmax=C/Cqk     (5)

    式中:Gmax为流过调节阀的最大流量;Cqk为调节阀全开时的流通能力。

    对于等百分比流量特性的二通阀,理想流量特性时,由式(3)推导出:

       (6)

    由式(3)、(4)、(5)联合可得:

       (7)

    将风机盘管和管道视为一个构件,定义:

       (8)

    式中,C为风机盘管和管道的总流量系数;ΔP2为风机盘管和管道上的总压降。

    串联支路上流过各个构件的流量相等,从而得出:

       (9)

    又

    ΔP=ΔP1+ΔP2     (10)

    联合式(8)和式(9)得出:

       (11)

    式中:

   

    表示调节阀全开时阀上的压差与系统总压差的比值,即定义为调节阀在某一支路的阀权度。

    当调节阀全开时,即l/lmax=1,可知:

    ΔP1min=PvΔP     (12)

    又

       (13)

    由式(10)、(11)和(12)联合可得:

       (14)

    4.3 二通阀实际可调比的计算

    在上述推导中,总是认为可调比R恒定;而在实际工作时,由于调节阀的压差随风机盘管和管道阻力改变而改变,调节阀的可调比R也将发生变化。

    理想流量特性时,

    R=Gmax/Gmin=Cmax/Cmin

    实际工作时,

   

    式中:ΔP1min--调节阀全开时的压差,显然ΔP1min=ΔP1m;ΔP1max--调节阀全关时的压差,近似等于ΔP;Rs--实际可调比。

       (15)

    5 二通阀工作流量特性分析

    5.1 实际工作流量表达式

    在二通阀实际工作过程中,由于压差的不断变化,也将引起阀门可调比的下降。从而,实际工作时调节阀的流量特性要考虑可调比变化影响因素。实际工作时调节阀的流量特性:

       (16)

    从上式可知,在某一特定支路,也就是说在已知调节阀的可调比R和阀门在该支路的阀权度的情况下,阀门无因次流量是相对开度的单值函数。

    5.2 二通阀在不同阀权度支路的工作特性

    对于同一二通阀其理想可调比是阀门本身固有的特性,不随系统或支路特性而变化。在实际使用中大多采用理想可调比R=30的阀门。由于阀权度的差别其在不同支路流量特性也将有很大差别。不同阀权度情况下的相对流量与阀门相对开度的曲线关系如图4。

    由图4可见,随着阀权度的增大,实际工作流量特性越接近与二通阀的理想流量特性。当阀权度大于0.3时,实际工作流量特性曲线的走向趋势和理想流量特性基本相同。在系统设计选用二通阀时要使每个支路的二通阀的阀权度至少大于0.3以上,才能达到理想流量特性调节效果。

    5.3 理想可调比对二通阀流量特性影响

    二通阀的理想可调比是其本身的特性,表明二通阀的调节流量的能力,与系统特性无关。不同的可调比说明是不同型号的二通阀。对于某一支路,当二通阀阀权度Pv=0.6时,使用不同可调比的二通阀,其支路流量特性如图5。由图5可知,可调比对流量特性的影响不大,建议一般系统采用可调比为30的二通阀,就有较好的调节特性。

    6 结论

    (1)二通阀的理想流量特性与实际的二通阀工作流量特性有很大的差别,引起较大差别的主要因素是二通阀在支路中的阀权度。
    (2)当阀权度大于0.3时,实际工作流量特性曲线的走向趋势和理想流量特性基本相同。在系统设计时选用的二通阀时要使每个支路的二通阀的阀权度至少大于0.3以上,建议阀权度取0.5左右。
    (3)二通阀的理想可调比对其流量特性的影响不大,建议一般系统采用可调比为30的二通阀。

 
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