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采暖系统的压力计算原理

阅读量:3832764 2019-10-27


一、流体力学基础
1,流体的压强p:单位帕斯卡(Pa) 1Pa=1N/㎡。单位面积所受的压力。流体压强产生源于它的流动性,因此流体微元对各个方向的压强大小相等。水的压强公式:p=ρgh  只与水柱高度有关,这也是为什么 人们常用水柱高度(m)来表达 压强。
2,流体的能量(单位均为焦耳):压力能P、位能(重力势能)Z=ρgz、动能ρν2/2。
(1) 压力能与压强的区别:压力能P是能量,单位是焦耳;压强p是压力,单位是帕斯卡。要注意区别。两者关系:p=P/ρg。
(2) 水的压强公式中h和位能公式中z的区别:h是水柱本身的高度,z是水柱的重心距离0参考面的距离。如下图所示:
 

3,伯努利方程
流体在单位体积下:
Z1+P1+ρν12/2=Z2+P2+ρν22/2+ΔQ  (单位:焦耳) ΔQ ——由阻力产生的能量损耗    伯努利方程是特定情况下的能量守恒定律。
z1+p1+ν12/2g=z2+p2+ν22/2g+ΔH  (单位:mH2o)ΔH——阻力损耗  此公式是伯努利方程的变形,用压强的形式间接表达了能量守恒定律。也可表示为:
Z1/ρg+P1/ρg+ν12/2g=Z2/ρg+P2/ρg+ν22/2g+ΔH 
这个式子,是用水柱高度(即水头)表达的伯努利方程。Z1/ρg为位置水头,P1/ρg为压强水头,ν12/2g为速度水头。
经此变形,可知,伯努利方程可以用压力来表达能量,压力的变化即能量的变化。
 
二、循环流体

 
 
1,循环流体的特点:1)管径变化不大的情况下,动能的变化是很小的,因此一般是可以忽略不计的;
2)循环水泵只负责补充由于摩擦阻力和局部阻力产生的能量损耗,因此,循环水泵运行时的扬程是系统的总阻力损耗,而对压力能P、位能(重力势能)Z=ρgz、动能ρν2/2是没有影响的,水泵扬程只等于ΔH。(当采用热水自然循环系统时,热水供回水的密度差承担了循环水泵的功能)
3)由于动能的忽略不计,水柱的总能量一般只考虑压力能P、位能(重力势能)Z=ρgz两部分,(即伯努利方程中的前两项Z1/ρg+P1/ρg),称为测压管水头Hc=Z1/ρg+P1/ρg。系统每一点的测压管水头连接成线,即是水压图:

 
2,资用压差:测压管水头Hc=Z1/ρg+P1/ρg 是管道内水柱的总能量体现。因此,在循环水系统中,Hc即是某一点水系统能提供的总压力,即“资用压力”,那么供回水之间资用压力的差值(即“资用压差”)就是该供回水管段之间 所有连接的末端设备可以损耗的能量的总能量。如采暖入口的资用压差为50KPa,那整个系统的阻力损失最多只能是50KPa,否则,系统将不能正常运行。资用压差=系统阻力损失。
3,静压:流体静止时对容器壁的压强。p=ρgh
4,工作压力:流体工作时对容器壁的压强。由于工作时水泵的加压作用,测压管水头Hc大于静止时的值。而系统任意点的位置水头Z1/ρg是固定的,不因系统静止或运行而改变(因为距离基准点的距离是不变的)因此,测压管水头Hc增加的部分都转化为压强水头P1/ρg,即流体对管壁的压力增大了(不再是p=ρgh了)。
工作压力和资用压力的关系:在系统运行时,资用压力=测压管水头Hc ↑,工作压力=压强水头P1/ρg ↑,位置水头Z1/ρg不变。(Hc=Z1/ρg+P1/ρg)
由此可知,可以认为,水泵增加给系统的压力,相当于“暂时”储存在压强水头中(宏观表现就是管壁的压力增大),然后在克服沿程阻力和局部阻力时,逐渐消耗储存在压强水头中的能量,直到回到水泵吸入口,消耗完毕,储存在压强水头中的水泵充能为0,压强水头恢复到和静压相等(定压点p=ρgh)。
5,任意点工作压力的确定
既然系统运行时,工作压力是大于静压的,那么就不能用p=ρgh计算。在上面的论述中,工作压力实际上是用来克服阻力损失了。因此在以水泵为基准点时,可以用水泵扬程(Hy +静压ρgh)(即水泵出口工作压力)减去该管段阻力得到。但一般更直观的办法是绘制水压图,通过水压图读取某一点的工作压力。水压图表达的是测压管水头Hc=Z1/ρg+P1/ρg,工作压力Z1/ρg=测压管水头Hc -位置水头Z1/ρg。
三、倒空、超压与气化
计算出工作压力,就可以进行倒空、超压与气化的判断。
1,倒空:当工作压力小于管壁外大气压力时,管壁外空气会在大气压力的作用下进入管道,管道内形成空气柱或者气泡。因此,管道内的工作压力必须在每一点都大于大气压力才行。当系统定压点位置选择不当时,有可能出现倒空现象。
2,超压:工作压力大于设备或者管道额定工作压力时,即超压。最容易发生超压的位置是水泵出口或供水管的底部。当系统静水压高或者循环水泵扬程较大时,一定要注意底层设备超压的问题。
气化:水在某一温度下对应一个气化的饱和压力。当工作压力小于该温度下的饱和压力时,即发生气化。因此,确定是否气化的关键在于水的温度(对应饱和压力)和工作压力。当水温一定时,工作压力最小的位置,最容易发生气化现象。一般是回水管的最高点。因此。需在回水管的最高点设排气阀。标准图集《采暖空调循环水系统定压》05K210中提出,(1)开式水箱定压,开式水箱距离系统最高点为1m。(2)补水泵定压,水泵扬程应比系统补水点压力高30~50KPa。
3,
四、采暖系统的试压
根据规范《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002第8.6.1条之规定,热水采暖系统的试验压力,应以系统顶点的工作压力加0.1MPa作为试验压力,同时不小于0.3MPa。
关于采暖系统的试验压力的确定,北京市建筑设计院的专家张锡虎在他的一篇文章中有详细说明,现摘录如下:
采暖系统工作压力确定
北京市建筑设计院 张锡虎
在设计文件的设计及施工说明中,常可以见到“系统的水压试验压力按照施工质量验收规范的规定”的说法,把确定水压试验压力的责任,让给了施工单位,这是不妥的。
    因为,在《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB 50242-2002)和《通风与空调工程施工及验收规范》(GB 50243-2002)这两个标准中,都提出:①“试验压力应符合设计要求。当设计未注明时,应符合下列规定??”;② 试验压力按照工作压力确定。
    因此,执行《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》和《通风与空调工程施工及验收规范》这两个标准的规定,有两个问题需要明确:
    第一,应直接给出水压试验压力或工作压力的具体数值。例如:《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》规定: 蒸汽、热水采暖系统,应以系统顶点的工作压力加0.1MPa(高温热水系统应为系统顶点的工作压力加0.4MPa),同时在系统顶点的试验压力不小于0.3MPa。塑料管或复合管,系统顶点的工作压力加0.2MPa,同时在系统顶点的试验压力不小于0.4MPa。
    如果设计不给出“工作压力”或“系统顶点的工作压力”,施工单位是难以确定水压试验压力的。即使对于设计人,在实际工程应用中,“系统顶点工作压力”也不易确定。从原理上讲,系统任意点工作压力是静压力加水泵形成的动力水头之和。然而,在进行个体项目设计时,冷热源循环水泵常未选定,即使已选定,水泵的工作点也会随管网阻力特性而改变,而且计算点的水泵作用动力水头,还需减去从水泵出口至计算点的水头损失。
    因此,实际上只能执行上述规定中“顶点试验压力不得小于0.3MPa”的附加条件,即简化为:对非高温热水、非塑料管或非复合管,水压试验压力应为系统静压加0.3MPa。(可取整数)
    第二,水压试验压力必须明确所对应于何标高(一般以±0.000为基准面)。※ 例如:采暖系统的顶点相对于±0.000是50m,开式膨胀水箱最高水位高于系统顶点2m,系统静压相对于±0.000是52m。如果水压试验的压力表设在±0.000处,试验压力应为0.52 + 0.30 = 0.82MPa;如果水压试验的压力表设在相对标高30m处,试验压力应为0.82 - 0.30 = 0.52MPa;如果水压试验的压力表设在地下室相对标高 - 10m处,试验压力则应为0.82 + 0.10 = 0.92MPa。※ 例如:采暖系统的顶点相对于±0.000是50m,定压水罐的上限压力高于系统的顶点10m,系统静压相对于±0.000是60m。如果水压试验的压力表设在±0.000处,试验压力应为 0.60 + 0.30 = 0.90MPa;如果水压试验的压力表设在相对标高30m处,试验压力应为0.90 - 0.30 = 0.60MPa;如果水压试验的压力表设在地下室相对标高 - 10m处,试验压力则应为0.90 + 0.10 = 1.0MPa。
※ 例如:高层建筑高区采暖系统的顶点相对于±0.000是130m,定压水罐的上限压力高于系统的顶点10m,系统静压相对于±0.000是140m。如果水压试验的压力表设在±0.000处,试验压力应为1.40 + 0.30 = 1.70MPa;如果水压试验的压力表设在相对标高70m处,试验压力则应为1.70- 0.70 = 1.00MPa;如果水压试验的压力表设在地下室相对标高 - 10m处,试验压力则应为1.70 + 0.10 = 1.80MPa
 
 
 

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