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热水供热同采暖管材里的水流运算

发布时间:2011-11-08 点击:
核心提示:1蒸汽管道在热水采暖和供热管道中同样会发生水击。严重的水击事故会导致管道破裂、人体受伤、流体介质的大量损失、能量的过度损
1蒸汽管道在热水采暖和供热管道中同样会发生水击。严重的水击事故会导致管道破裂、人体受伤、流体介质的大量损失、能量的过度损耗以及对周围环境的热污染。长期以来,水击在暖通行业中未得到足够重视,因此在工程设计中无法获得令人满意的有关数据及结论。本文将对热水采暖与供热管道中的水击进行分析和计算。
  管道中的水击,从总体上看主要分为直接水击与间接水击2大类。由于间接水击比直接水击危害要小,且计算更为复杂,所以只要按直接水击考虑设计即可满足工程需要。直接水击与间接水击的分界条件是:
  ts=2La(1)式中,ts为阀门当量线性关闭时间,s;L为水泵出口的止回阀到末端用户的管路长度或水泵出口到末端用户前的阀门处的长度,m;a为水击波的传播速度,ms.
  发出水击的时间大于此值时所发生的水击为间接水击,反之则为直接水击。
  水击的模式,在一般情况下可分为2种。一种是在水泵突然停运的条件下产生的水击,另一种是在管路上某一(分段)阀门突然关闭的条件下产生的水击。对于前者,本文称为停泵水击;后者,本文称为脉冲水击。由于这2种情况同时发生的概率几乎为零,因此在工程设计中只需考虑其中最为不利的一种即可。
  2停泵水击
  21水泵出口处装有止回阀的情况
  如所示,当水泵突然停运时,止回阀出水侧某点的水击压力变化过程为:压力先降低,在第1个增压反射波未返回该点之前,一直处于降压状态;经过1个相长的时间(2La)反射波返回至该点,接着形成增压直射波,该点压力升高并一直保持不变;再经过1个相长的时间,反射波又至该点,压力再次下降,完成第1个水击波周期。
  实际上,由于停泵后止回阀并非瞬间关闭,且由于泵的转动惯性及管道的摩擦阻力,第1个水击波的峰值将是最高的。http://www.edinuan.com/ypnew_view.asp?id=1393到第个水击波时,其压力将稳定在静水压线上,见2所示。
  在此情形下,止回阀出口侧有可能产生负压甚至瞬间的水栓中断,产生水栓中断的前提条件是:水泵的转动惯量小、止回阀关闭快、流体介质的流速高。实验表明,止回阀在水泵停运后02s内完全关闭时会产生水栓中断现象,而由此导致的断流弥合水击可能会发生在管路的回水压头线低于管路的位置高程线的部位,当负压hv足够大时,就发生水栓中断的现象,导致巨大的断流弥合水击,见3.
  22水泵出口处装有止回阀时的水击计算
  水击波传播速度a的计算如下:
  a=14251 DnE(2)
  式中,Dn为管道内直径,m;为管道壁厚,m;为流体的体积弹性模数,Mpa,对于水,=2058103MPa;E为管壁材料的纵向弹性模数,MPa,对于钢,E=2058105MPa.
  1)当水泵的工作扬程H>aV0g时V0为定常运行状态时管路中的流速,ms;g为加速度,ms2;H为水泵的工作扬程,m.
  此时,阀门处不会出现水栓中断现象,而压力的最大降低幅度为(aV0gh),h为管道中的水头损失,m.
  2)当水泵的工作扬程H   在止回阀关闭后,出水侧的压力会先降低。由于受管路中最大真空压力的限制,故当:
  H H真max   Hmax=aV0g 3H02(3)
  式中,H真max为管路中的最大真空度,m;Hmax为管路中的最大水击压力,m;H静为静水压线高度,m;H0为定常运行时的水泵扬程,m.
  23计算实例
  太原市集中供热工程由一电厂热源供150!
  70水,泵组的H0=165m,管道主管为122012,循环水量为7500th,则:V0=186ms,a=10473ms,aV0g=1986m,H=H0   3脉冲水击
  31脉冲水击
  声音的传播是一系列压力波,而在流体中的压力波也是以声速进行传播的。
  流体的流量m突然停下来时会引起压力的变化,按照动量方程:
  P=CmHA(4)
  式中,H为脉冲压力常数,H=10;C为声速(在液体中的),ms;m为瞬变前的定常状态流量,kgs;A为管道内截面积,m2.
  5所示为一无摩擦阻力的流动系统示意图,当阀门2瞬间关闭时,形成脉冲水击。
  设压力P1保持恒定,当阀门2关闭时,2处的质量流量必须为零。对阀门2处的压力变化情况进行了表述。在阀门关闭前P2处于稳定压力,1及2处的mA均为恒定值。当阀门2关闭时,动能转化为势能,P2沿着图示的斜线增加,直至mA=0为止,施加于阀板上的压力一直保持到压力信号传递至1处并以声速C返回。http://www.edinuan.com/ypnew_view.asp?id=1393压力波反馈时间为tr=2LC;当在tr2内,增压信号传递到容器1时,由于它的压力必须保持恒定,所以容器1反馈的质量流量为-mA;当负值流量传递至2时,由于流量必须为0,它就转换成负压;当负压传递到容器1时,它又被转换成原来向前的流量mA,如此循环下去。
  当tstr1时,Pmax=CmHA(5)
  式中,tr为管路内压力波反馈时间,s;Pmax为高于P1的最大压力升幅,Pa;P为阀门关闭瞬间的脉冲压力,Pa;P1为始端处的管路绝对压力,Pa.
  当tstr>1时,Pmax

 

  则管路内的最高水击压力为:
  P=P1 Pmax(6)
  式中,P为管路内的最高水击压力,Pa.
  值得指出的是,上述推导是在下列条件下进行的:
  均匀速度下阀门当量关闭时间阀门启闭操作时间=1,为线性节流;非均匀速度下阀门当量关闭时间均速下阀门当量关闭时间=1,为阀杆运行速度恒定。
  32计算实例
  北京垂杨柳小区联片采暖管网,总循环流量为653th,供回水温度为95!70!,热源至最远用户间的管网长度L=650m,总供回水管径为!3776,设最远用户前的供水管道上的阀门故障掉板,在1s内关闭。则水击的计算为:
  C=1234ms,A=104610-4m2,m=653th=1814kgs,tr=2LC=106s,因之大于管路关闭时间,则有P=CmHA=12341814(10104610-4)=214105Pa=210m这个值远远高于循环水泵的扬程25m及供水管最高水头43m.故会使管路附件及补偿元件受到巨大损害。
  4水击的预防措施
  1)在水泵组的总供水管与总回水管间设置止回阀,介质流向为回水管到供水管;2)水泵出口本身不设置普通止回阀,或设置液压缓闭式止回阀;3)在管路的重要关键阀门处,设置旁通阀、安全阀等;4)管路的纵断面应设计成上陡下缓式,避免上缓下陡,如所示;5)尽可能减小管路中的流速;6)重要工程应增大泵组转动惯量;7)在管路中适当设置空气自吸阀;8)泵组设置快速开启式旁通阀;9)在管路的关断阀门或分段阀门处,避免使用闸阀,尽可能使用蝶阀或截止阀;10)增加管路关闭或开启时间,可在供水管路上使用缓冲罐或压力空气槽。
  应注意到,各种水击预防措施尽管有其特点,但也有难以克服的缺点,因此在工程设计中应当结合具体情况采取具体措施。http://www.edinuan.com/ypnew_view.asp?id=1393而对所有的工程都进行水击预防,一般是不经济的。本文认为,只要是下列3种情况之外,就可以不必进行水击的预防:1)水泵组出口扬程大于20m;2)管路的长度大于500m;3)泵出口的止回阀或管路中的分段、关断阀门的任意闭合时间少于30s.
  必须指出的是,水击现象在流体流动中几乎是无所不在的。因此,设计人员的工作重点并不是要防止水击,而是要防止那些严重的水击。本文所提出的分析和计算方法就是针对这些可能发生的严重水击中的最极端状态。在确定了具体工程的管道参数(材质、内径、壁厚、长度、纵断面图)及泵组和阀门的边界条件之后,就可以按照上述方法进行计算、分析和预防了。
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