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三馀梦衢
三非焉罪 无梦致胜
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2017-07-02 22:34:24 | 分类:原理技术| 标签:水暖基础理论,暖通空调,给水排水

众智平台时常有小伙伴询问如何计算系统的工作压力,以及工作压力的属性到底是什么,单从计算方式来讲,水暖专业规范的条文都很清楚,无需赘述。此次笔者就从稍微脱离工程的角度,以基础理论为分析工具,试图揭开工作压力背后的秘密。知识无极限,人人当怀有敬畏之心,笔者也受限于知识水平的不足,所表达之观点亦有对错偏颇,供诸君评点。


本文篇幅较长,对理论不感冒的小伙伴,可以直接翻看最后的不同水暖系统工作压力计算图示。


问题一:什么是系统的工作压力?以及确定工作压力的作用为何?  

借用《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014的如下条文:  

8.2.3 高压和临时高压消防给水系统的系统工作压力应根据系统在供水时,可能的最大运行压力确定,并应符合下列规定:…  在其他水暖专业的众多规范中,都有提及工作压力的概念,但以上条文这个描述最易懂,意思就是,不论您设计的是什么样的管网系统,在这个系统运行时,管网内部所能产生的最大运行压力。那么从这个角度出发,其他的规范上列出的关于工作压力的条文要求就也能理解了。确定系统工作压力,是确定系统的管道,设备,阀件承压能力的依据,也就是这些东东的承压能力都必须在所设计系统的工作压力之上(各规范均有原文条文表述,不一一列举)。试想一下,若设计计算不正确,要求的设备承压能力不够的情况下,系统运行起来会不会导致部件漏水乃至爆管,产生设计失责的后果,所以对水暖设计者,确定工作压力是比较重要的计算基础。  

就从大范围上来说,这个定义依然适用于所有类型的管网,不论气体管网,液体管网,还是除尘净化。气体介质其自身的分子作用力不能忽视(即温差作用明显),而可以忽视重力作用产生的压强,工作压力的确定相对简单。液体介质是当做连续介质模型来研究(本科水平,研究生以上水平请自动忽略),重力作用产生的压强不可忽略,液体管网工作压力标准的确定略微复杂,故本文以下所述内容,主要对具有代表性的液体管网做描述。建立的基本概念是:管网为单相流,液体介质为连续介质模型,液体自身分子作用力忽略(即是由温度差异代来的体积膨胀或收缩在整体管网计算时忽略,例如供暖管网低温区与高温区自身密度差带来的压力作用忽略—供暖管网自循环系统不在本次表述范围之内。)虽然做这些模型假设会与实际管网状态有所偏差,但总体差距不大,却会大大简化管网压力计算的方式。

问题二:我们再深入一步,管网运行时,从流体力学上讲,究竟内部作用压力为何?  

从研究流动模型的三大公式之一,流体压强变化的伯努利方程(推导过程各种资料均有)开始分析,总结基本概念:全压=静压+动压。在流体力学中做一元流动表述时又称之为:总水头=测压管水头+速度水头(位置水头+压强水头概念融入测压管水头内),老一辈的管网的工程师,对管网的压力分布做精确分析时都会绘制水压图,其中主要绘制总水头线,测压管水头线。

  上图是教材上的图示。

这是工程上绘制的一段室外供热管网的水压图。  

在这个基本概念上,我们再来分析,各部分的属性。  

管网系统输入口的总压(总水头):凡带有流体输送设备的管网,管网运行时总压都由设备提供;不带有流体输送设备或设备不运行时的管网,管网入口总压通常由位置水头提供。流体管网中,某点总压需根据测压管水头,流速水头反算,不能直接测量。(我们后续讨论的系统,均为总压由流体输送设备提供且设备运行时的情况。)  

动压(速度水头):以断面流速V为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度,水力学中称为速度水头(出自《流体力学》教材定义),动压(流速水头)作用方向与流线(欧拉法描述流体运动时反映流动方向的一系列人为画出的线条)平行,与流线垂直的方向流速水头为零(假设管网正常流动,水流线均平行于管网,弯头,变径及管道扰流等处的特殊情况作用力不计,毕竟管网正常流动时,绝大部分流线依然处于与管道壁平行状态,在这样的假设前提下,管道壁上,几乎没有动压作用)。动压计算公式V2/2g,可通过测量流速,间接计算获取,例如毕托管,孔板流量计,转子流量计等测流速的仪器。  

静压(测压管水头):它的本质就是流体静压强,流体为连续介质,所以无论流动还是静止状态,自身由于位置水头(管网前后段高差)或输入压强(输入设备作用)的作用都会存在静压,水柱压强的概念在初中物理就有学过,流体中的静压存在于介质的各向空间,形象举例就是一个盒子装满了水,盒子的各个外壁都会受到静压的作用。所以,关键来了,作用在管网管壁,设备内壁,阀门内部的主要作用压力就是这个静压。也就是计算工作压力的本质,就是确定管网在运行时所能达到的最大静压(测压管水头)。静压可测量,通过压力测量仪器,压力表可获得管网某一点的静压(所有的能直接安装在管壁测量压力的仪器,所测均为静压即测压管水头)。

问题三:有了以上基础,这些毁三观的观点 难道都是正确的?

1、输入设备恒定,在一段管网中,流速越高,管网压力越小,流速越低,管网压力越大。  小伙伴门一直有个误区,认为管网流速越高,管网压力就越高,一个大的值对应一个大的结果,小伙伴们都乐于理解。然而事实为什么是管网流速越高,管网的压力反而越小呢?借用图集15S509来做这个解释:

  GB50974-2014定义的动水压力,实际就是流体力学一元流动模型的静压(测压管水头),除了名称变化以外,其他均正确,按2.1.12表述:动水压力=总压力-速度压力(即是静压=总压-动压)。那么不难看出,管道输入设备恒定的情况下,流量与扬程恒定,降低管径会导致流速增大,进而速度水头增大,总压不变的情况下,该段管道的静压势必减小;同理,放大管径会导致流速降低,进而速度水头降低,总压不变的情况下,该管道的静压势必增大。形象点来讲,输入设备恒定,这段管径从小到大变化,压力表读数也会从小到大依次变化。如果小伙伴您已经看到这里,想必也会有一些想法了,实际这就是个能量守恒的概念,输入设备的压力用来创造静压强与水流动,流动占比大了,静压强部分占比一定会变小。这还是伯努利方程的概念,有兴趣的小伙伴可以自行复习。  

2、关于消火栓栓口压力的要求,原来真相不是直接加入泵的扬程那么简单?  

GB50974-2014.条文7.4.12 室内消火栓栓口压力和消防水枪充实水柱,应符合下列规定:    

1 消火栓栓口动压力不应大于0.50MPa;当大于0.70MPa时必须设置减压装置;    

2 高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m的民用建筑等场所,消火栓栓口动压不应小于0.35MPa,且消防水枪充实水柱应按13m计算;其他场所,消火栓栓口动压不应小于0.25MPa,且消防水枪充实水柱应按10m计算。  

小伙伴们千万不要被这措辞中的动压误导,GB50974-2014有自己的套路,在术语解释中已经说明:动水压力简称动压,而前面已经列举15S909的解释,这本规范所定义的动水压力,就是流体力学的静压(测压管水头),看到这里,小伙伴们是不是觉得发现了什么。是的,这个栓口压力要求,按照该规范的解释,实际上是栓口静压要求,那么问题就来了,栓口静压要求达到这个数值,究竟应该如何计算,我们平常直接加在计算泵的扬程里的计算方式有什么不妥?我们再来看该规范的另一个条文:

  笔者只想说,看见这个条文,有点意识到这本规范对于管道压力的要求都是满满的套路。GB50974-2014规范从术语,定义,条文,到给出公式,定义管网的压力,都是在完完全全等同于如何算流体力学的静压(测压管水头)。如果按照规范的定义,计算栓口压力要求时,就必须还要附加栓口的动压(速度水头)才是该点的总压力(即是泵至该处的富裕水头),这个附加值平时看着很小,但是假设这种情况,消火栓系统用水量为40L/s,系统使用时,开启一个栓头,DN65栓头流速约:11.34m/s,动压为:6.43m(这个量纲就是m,不是pa小伙伴们请注意),而这6m左右的单个栓头动压损失,我相信大部分设计人员是没有考虑过的,或者并没有意识到这个存在,因为大部分设计人员已经习惯了在选泵时附加1.1-1.2的系数,细部数据统统在这系数里面。而同样的道理,就是减压要求压力的计算,实际我们也仅仅是把水泵扬程至某点处的全压,当做静压来做减压计算。

  3、管网中存在不同向作用压强时,管网只能表征作用压强大的那一侧的压强。即位置水头(重力作用)需要选择性附加?  

我们回到《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014 8.2.3 全条文:高压和临时高压消防给水系统的系统工作压力应根据系统在供水时,可能的最大运行压力确定,并应符合下列规定:    

1 高位消防水池、水塔供水的高压消防给水系统的系统工作压力,应为高位消防水池、水塔最大静压;    

2 市政给水管网直接供水的高压消防给水系统的系统工作压力,应根据市政给水管网的工作压力确定;    

3 采用高位消防水箱稳压的临时高压消防给水系统的系统工作压力,应为消防水泵零流量时的压力与水泵吸水口最大静水压力之和;    

4 采用稳压泵稳压的临时高压消防给水系统的系统工作压力,应取消防水泵零流量时的压力、消防水泵吸水口最大静压二者之和与稳压泵维持系统压力时两者其中的较大值。  

相信,第1/2条,小伙伴们不会有什么疑问。关于第3/4条有两点疑问,第一,为什么要求是水泵零流量时的压力?第二,为什么要水泵吸水口最大静压附加或者比较稳压压力附加?  

我们先看如下解释:

  上图出自《实用供热空调设计手册第二册》下,26.2.1水系统的承压。小伙伴们暂时可以只看(2)条的解释,笔者暂时未找到更好的资料截图。  

第一个疑问:前面已经表述,计算系统的工作压力,归根到底就是计算系统的最大静压(测压管水头),如上图描述,在水泵启动瞬间,水流尚未形成,也就是动压(速度水头)尚未形成,而水泵的全压已经输出(对于泵与风机这类流体输送设备,全压是如何实现,以及如何调教出流量/扬程参数各异的流体输送设备感兴趣的小伙伴,可自行脑补大学教材《泵与风机》),此时全压全部以静压的形式作用于管道中,故此时泵向管网中输入的静压(测压管水头)最大,水泵零流量时的压力,一般为额定扬程的1.2-1.4倍(后续表述均假设为1.2倍)。  

第二个疑问:就是位置水头需要选择附加的问题,如下图所示

  B处压力表,在系统未运行时,读数仅为水箱位置水头作用H2,当系统正常运行时,由于泵的作用压强克服了位置水头(重力)作用,即由下至上的静压强作用,大于来自水箱的由上至下的静压强作用,故压力表,只能表征作用压强大的那一侧的压强,所以此时的读数与H2没有关系;同样的道理,来自水池至泵吸水口的位置水头h的作用,与泵的流向相同,及与泵的输出压力相同,故而对系统来说是静压叠加,要附加到系统工作压力的计算中(这个作用在教材中,又称之为位置水头的促进与阻碍作用)。所以上图这种系统,工作压力为1.2P+h,系统所能达到的最大压力读数位于水泵出水口的压力表A,最大读数发生在水泵启动瞬间。如果这个例子还不过瘾,那么请看下图:

  这是做暖通的小伙伴常会遇到的循环系统(简化表示),膨胀水箱定压,此时由于泵的吸入口静压为H1,出口静压也为H1,按照常理,泵的吸入口静压作用就可以抵消泵的出口静压作用,故水泵的扬程,只需要考虑克服管道水头损失,而无需考虑克服位置水头的作用。但这样的系统,在计算工作压力时,位置水头的作用依然是选择附加,泵吸入口的H1静压作用与泵的输出方向一致,对A点的作用是与泵的全压叠加,故这类系统的工作压力为1.2P+H1。   我们再回到GB50974-2014,8.2.3条4小条的系统:

  条文说的是,比较稳压压力C与泵作用方式压力的大值,若稳压压力为Pc,那么由稳压装置作用到A点左侧的静压为Pc+H1,泵启动瞬间的作用于A点右侧的静压为1.2P+h,需要比较这两个压力的大小然后取较大值,来确定A点所能达到的最达静压。(笔者知道15S909-81页的图示,标注与此图有所不同,但笔者个人认为15S909-81页的图示有失偏颇,图集H标注未考虑泵房管网的承压)。我们再描述一种暖通系统带稳压泵时,系统的工作压力:

  《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》条文8.5.16. 1条规定:  补水泵的扬程,应保证补水压力比补水点的工作压力高30kPa~50kPa;补水泵的补水点为主循环泵的吸入口,该点的工作压力为H,高于本点3-5m,按字面意思,很多小伙伴会认为稳压泵的扬程就是H+(3-5)m,实际不是的,要想达到比该点工作压力还要高3-5m,实际上是要求稳压泵的扬程计算至D点的富裕水头还剩余3-5m,故计算稳压泵的扬程时,还要附加这段管路的水头损失。这类系统的工作压力(如果小伙伴计算准确的话稳压压力确实只高于D点3-5m)为:1.2P1+H+(3-5)。

  流体力学的动压与静压的关系,在各种管网中的作用还涉及非常多的方面。例如做暖通风管的小伙伴知道,同一段风管上安装好几个风口,如果不依赖风口调节阀,单看做是开一个风口,各风口的出风量会在气流方向上依次减小,越往末端减弱幅度越大,开在风管壁的风口的出流能力,实际上是由风管内部的静压所决定的,如果主管风速越大势必内部静压就会越小,压向管道壁风口的作用压强(旁流能力)就会越弱,相反主管风速越低,内部静压反而越大,作用在管道壁风口上的作用压强就越强(旁流能力)就会越强。所以老工程师他们画风管时,会有比较标准的变径来控制各风口的出流能力,笔者所举例仅是入门见解,这种方法在计算风管管网水力时叫静压复得法,感兴趣的小伙伴也可以自行复习。水管的旁流能力也会受此影响,只是水管的管径相对流束来说较小,支管旁流能力或多或少也会略微受动压影响。表达管网压力更为准确的就是连续性方程,伯努利方程,及动量方程。

       本文的所有内容,其实就是一个伯努利方程而已。静压、动压的相对关系涉及流体力学技术的方方面面,再列举些有趣的生活中的例子。众所周知,高速流体的附近会有产生负压,正是由于一束空气流速太快,该束空气自身内部的静压会降得非常低,乃至于降低到低于周围正常状态的气流,进而周围正常状态的气流会由于自身内部静压强大于该束空气而被吸附过去,例如家里的窗户开着,如果外面有风,窗帘就会被吸附到窗框上去。还有固定翼飞机的机翼最原始的理论,机翼上端是凸起状态,下部平直,机翼通过同一个空气束空间时,上部的路程会比下部路程远,进而上部空气流速势必大于下部空气流速,进而上部空气静压强会低于下部空气静压强,随着流速差异的进一步增大,机翼下部的空气静压强与上部静压强之差能达到托举起整个飞机的重量。  

       作为一名水暖工程师,工作本不具有太多创造性,了解过多的理论也许不如熟读规范,遍识图集来的可靠。在大多数情况下,实际工程管网里速度水头的作用相对于总压来说都非常小(大部分管网流速控制在0.8-2.0m/s之间),我们已经习惯了自动忽略它,再加之多年的工程师口口相传的经验系数,从工程计算得出的结果来讲也几乎没有差异,所以对管网压力本质的分析,已经渐渐被我们淡忘。但作为一个热爱技术,热爱工作的人,应对技术保持兴趣,知其然的同时,也应有探索其所以然的态度。带着求知的精神,在枯燥的行业中创造生机,给无趣的工程输入更多的灵感,这是我们的使命和责任。笔者诚惶诚恐写完本期微文,入门见解,静待前辈高人指点一二。

                                                                                                                                                    by  三馀

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