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1、1,确定水管尺寸,DES700,2,目 标,这一章是用于确定水管的尺寸。确定管路尺寸的原则和方法将帮助你准备风机盘管系统的水管尺寸设计。所以，当你完成这部分学习后，你可以做到：1-用开利当量长方法手工计算开式或闭式管路系统的尺寸2-用开利管路计算程序确定闭式或开式管路系统的水管尺寸3-当2通控制阀用时用“同时使用系数”的概念使管路和泵的尺寸最小。,3,目 标,能够利用开利的当量长度方法手工确定开式和闭式系统的水管的尺寸 能够利用开利的水管计算软件确定开式和闭式系统的水管的尺寸用两通控制阀时能够用“同时使用系数”概念确定最小的水管管径和水泵,4,管路摩擦损失和速度限制,在管路系统已经布置好并且每
2、段管路所需流量已经决定后，管段尺寸可以确定并且系统所需流量可以汇总。只要系统阻力和流量已知，系统所需水泵也可以确定。水管路尺寸主要用单位长度管路的摩擦阻力损失（比摩阻）和流速来作为限制因素的。在1997ASHRAE基本原理手册里，ASHRAE建议水系统应在1至4ft/100ft的比摩阻。在2英寸或更小尺寸的管路中，速度被建议应不大于4ft/sec来减小噪声。在大于2英寸的管中，建议以4ft/100ft的比摩阻为标准来确定水管的尺寸，虽然这与设计人员的判断有差别。附加的限定对于2英寸或更小管径要求比摩阻不大于10ft/100ft。表13-规定的水流速对象流速范围（fps）水泵出口 08 12水泵
3、进口 04 07冷凝水管 04 07集管 04 15立管 03 10常规 05 10城市供水 03 07,5,管路摩擦损失和速度限制,开利系统设计手册建议流速限制应基于管路的用途和磨损情况（见表14）。水管的磨损是由因为快速运动的水流里包含气泡、沙子或其他固体颗粒对管内侧的冲刷造成的。这将导致管壁的损坏尤其是末端和弯头处。因为磨损是时间、流速、悬浮颗粒等的函数，水系统的流速限制是一个重要调节方法。开利系统设计手册提供了下面的经验值。表14-最小磨损的最大流速运行时间（hrs/year）最大流速（fps）1500 15 2000 14 3000 13 4000 12 6000 10 8000 0
4、8管内流速也可以由总压头决定。比如，在一个城市的水系统中，总损失不能超过城市主管所提供的压力。泵的高运行费用等经济性因素也是限制流速的因素。流速必须不低于1.5fps或不能产生可能使水流阻塞的气泡（与水一起流动）。,6,水管尺寸,1 选择系统的水泵需要总的系统阻力2 ASHRAE推荐的选择标准：4 ft/100 ft:：2”水管4 ft/sec：2”水管表13：推荐水速 对象 速度范围（fps）水泵排出管 08-12水泵吸入管 04-07排水管 04-07集管 04-15立管 03-10一般场合 05-10城市供水 03-07.,3 开利基于管路和磨损提出以下建议：表13：应用限定表14：腐蚀
5、限定4 一般：小于2”的水管要求不超过 10 ft./100ft.为了排除空气水速不小于 1.5 fps表14：最小腐蚀的最大水速运行时间（h/year 最大流速（fps）1500 15 2000 14 3000 13 4000 12 6000 10 8000 08.,7,水管的摩擦阻力分析,下面的程序可用来确定管路系统尺寸并决定水管摩檫阻力损失。我们将进行这个程序。1-决定系统是开式还是闭式。开式系统中水在一个或多个地方暴露在空气中。在膨胀水箱中与空气接触不是开式系统。2-定义：在管路中，用压头表示压差，磅/每平方英寸(psi)或英尺水柱(ft wg)。1psi等于2.31英尺水柱。3-确定
6、水泵的静压头。这个压头是水泵出口与进口的水位之差，静压头是指水泵的提升高度，用英尺水柱表示。在一个闭式系统中水泵的静压头是0。4-确定水泵的摩檫阻力压头，它用于克服系统部件的阻力使水流动。可用英尺水柱表示。计算沿程阻力可按以下步骤：A-由水管、阀门、配件、入口、出口等来确定摩檫阻力：1.建立水管尺寸设计标准：a）4ft/100ft 管的尺寸2英寸b）流速限制（限制最小磨损）适用于管径大于2英寸（一般是8英尺/秒）2.用以上标准和合适的开利水管尺寸图（3，4或5）确定管径，控制管路的比摩阻（一般为4.0ft/100ft）3.确定管路的当量长度：a）所有的直管段的长度+b）配件的当量长度（开利表1
7、1）+c）阀门的当量长度（开利表10）+d）进口或出口的当量长度（开利表12）4.用比摩阻乘以总当量长度。例如：300英尺当量长度x 9ft/100ft=27ft wg损失5.如果在系统中管径和流量变化，不同的管径的当量长度和比摩阻必须分开计算。各不同管径的阻力损失相加，得到总的管路压头损失。若同一环路或立管中的设备和管路是并联的，计算最不利环路。B-考虑设备如盘管、冷凝器、仪表、控制阀、喷嘴等的阻力。C-把A4和B的结果相加，得到总的管路系统阻力损失。,8,水管的摩擦阻力分析,步骤如下：,1 确定开式水路系统的水泵静压头2 确定管路的摩檫阻力（见表3，4，5）.确定水管选择参数（ft/100
8、ft或速度）.确定水管尺寸（开利表格：3，4，5）.确定水管总的当量长度确定水管的总长度加上配件的当量长度（开利表11）加上阀门的当量长度（开利表10）加上进出口的当量长度（开利表12）3 确定设备的摩檫阻力（盘管、喷嘴等）4（1+2+3）就是总的阻力损失,9,水泵的扬程,在闭式系统中，水泵只需要克服通过管路、阀门、配件等的阻力。在这个系统中，水泵吸入口的水柱高度等于水泵出口的水柱高度。开式系统与此不同。水泵进出口的压头总是不一样的。例如冷却塔中，在塔集水盘和塔的顶部喷嘴处存在高差，这段提升高度是水泵必须克服的。如果布水系统是由喷嘴构成的，必须为喷嘴提供一定的压力。这个压力也要加到不平衡的静压
9、头里。因此泵的总压头是由管路的阻力损失、配件损失、阀门损失、附件损失、设备损失（盘管和冷凝器）、塔中的喷嘴损失和塔的不平衡压头等组成的。,10,水泵的扬程,闭式系统 开式系统 吸入压头是 Hs 吸入压头=(Hs-Hu)输送压头是 Hd 输送压头=Hd Hs=Hd 不平衡压头=Hu 水泵只克服摩檫阻力损失 水泵克服了阻力损失和提升 高度Hu,11,水管摩擦阻力图,水管的比摩阻可由阻力损失图查得。后几页的阻力损失图3，4，5是来自开利系统设计手册并基于Darcy-Weisbach公式。图3和4可用于大至24英寸的40号管。图3：用于闭式循环系统。图3是针对新的、光滑的、干净的、标准重量的钢管。图4
10、：用于直流或开式循环系统，使用寿命为15到20年的钢管。图5：是对K、L、和M型的铜管，在使用寿命中能维持相对清洁的。为方便起见，40号管闭式系统的速度和比摩阻界限已给出。最小尺寸是3/4,1/2,3/8。,12,图 3 闭式系统,13,图 4 开式系统,14,图5 铜管系统,15,阀门和配件的阻力损失,在大多数系统中，阀门和配件产生的阻力损失比管路本身大。有两个方法可以估算这些阻力损失。当量长度法：阀门、配件和障碍物等都可被假设为一段直管段，依据后面的表10、11、12所示的每一个型号和尺寸可计为当量长度。这些表来自开利的系统设计手册。例如，在表10中，一个4英寸的球阀的当量长度为120英尺
11、。换句话说，一个球阀的阻力损失相当于通过120英尺的4英寸直管的阻力损失。ASHRAE 的k系数法：1997ASHRAE基本原理手册里说明在一个管路系统中，阀门和配件产生的阻力损失大于管路的阻力损失。此外，通过阀门和配件的阻力损失可以表示为：P=k(V2)/2g 这里：P以流体水柱高度表示的压力 ft.V流速 ft/sec g=32.2ft/sec2,重力加速度 k阀门或配件的阻力系数水利工程师学会数据书有指示表提供典型的阀门、配件、变径管等的“k”值。这个方法被开利用在它的管路计算程序中，我们可以在这个部分使用它。,16,阀门和配件的阻力损失,1 阀门和配件的损失大于 管路的损失2 用以下几
12、种方法确定这些损失：开利的当量长度法 ASHRAE的“k”系数3 开利的当量长度 用表格（10，11，12）简易手算法 配件的损失表达成同样 尺寸的管路的损失4 我们将利用这两种方法,1 ASHRAE的方法基于此方程 p=k(v2)/2g 此处：p=流体的压力损失 ft v=流速 ft/sec g=重力加速度 32.2 ft/sec2 k=阀门或配件的阻力系数2 k 值可以从水力工程师学会的 数据书中得到3 开利的水管尺寸计算软件基于 此方法,17,表10和12,18,表11,19,管接头与管段,当计算管路的尺寸时，不论是手算还是计算机来算，最好把水管系统划分成管段。这会使复杂的问题简单化，并
13、且为管段和配件的关系提供框架。在此过程中有两个重要的术语：1-接头 2-管段接头：接头可以从三个方面来定义：1.接头是使水流分流或合流的位置。在下一页，接头1是水分流的部位，接头2是水合流的部位。每一个接头都有数字标明（1，2，3等）。2.管路系统开始的地方叫做起始接头，标注为（0）3.管路系统结束的地方叫做结束接头，如（4）。这个图表明有接头0，1，2和3。管段：在两个接头之间的水管部分叫做管段。它们也给予了特定数字标记。在下一页的图上有4个管段（1，2，3和4）对于管段和接头的数字的标记必须是唯一的。然而，管段可以有和接头一样的数标。最好的方法是在计算水管的尺寸之前（如后所示），将管路标识
14、列表构成成直管段。,20,管接头与管段,接头：-分流三通（1）与汇流三通（2）-进水（起始接头）-（0）-出水（结束接头）-（3）-每个都有不同的数字标签管段-在两个接头中的管路（1，2，3，4）接头与管段可以有相同的标号确定确定管路尺寸前先要有序地编号,21,确定管径举例,GPM：1200最大速度：8fps用Carrier的手工方法冷却塔的喷口 8psi蒸发器压降 13psi过滤器损失 4psi所有弯头都是大半径的 图例 阀门 过滤器 泵 止回阀,22,确定管径尺寸：图4,设备：冷凝器回路：（普通，选8ft/sec）对应1200GPM和8ft/sec，图4中选8英寸管，阻力损失为3.5ft/
15、100ft。管的总长：-用部件的中心算（从塔出口起）-（10+85+12+12+3+2+8+20+99+21+8+3）=283ft,23,配件阻力损失：表11，12，10,24,确定水管尺寸例题,从表4中流量1200gmp找到对应管径为8英寸，流速7.5ft/sec，沿程阻力损失3.5ft/100ft所有管长（从塔的集水盘算起）=（10+85+12+12+3+2+8+20+99+21+8+3）=283ft。当量长度：集水盘出口损失（8in.，光边出口-表12）24ft 弯管（大半径，8in.-表11）10 x13=130ft 闸阀（8in.-表10）2 x 9=18ft 止回阀（8in.与球阀
16、一样-表10）220ft 当量长度合计 675ft摩檫损失合计=（675f x 3.5ft/1000ft）24ft 泵的压头合计：过滤器 4psi 冷凝器 13psi 喷口 8psi 小计 25psi x 2.31ft/psi=58ft 阻力压头 24ft 非平衡塔压头 12ft 总泵压头 94ft,25,同程管路问题,这里还有一个有助搞清接头和设备的问题，以便我们学习如何布置使用它们。下页是一个有三个水盘管的系统图。当2GPM的流量通过时每个盘管时有10ft的压降。三个风机盘管连接的是送水和回水的同程管路。一个典型的风机盘管接管示意图表示在供水管上有一个闸阀和一个球阀（控制），在回水管上有一
17、个闸阀。选择生产商提供的标准阀门配置，阀门的尺寸与管路是相配的。选用了两通双位控制阀。我们的任务是确定管径和得到这个三个循环（每一盘管）的阻力损失。我们用ASHRAE提供的2英寸的管子的最大比摩阻4ft/100ft或稍小，因为压降的原因将流速控制在4ft/s以内。最后，为了防止管内积气，我们选择1.5ft/s作为流速的下限。首先要做的是确定管段接头。接头（0）被布置在供水管入口，供水管提供6GPM水量给三个回路。接头2、3和4用做分流和汇流以达到每个支管提供2GPM给风机盘管。接头5布置在6GPM回水汇合后的回水管的末端。管段1到7指两个接头间的不变径连接管路。供、回水支管用同样的GPM连接同
18、一个盘管，所以认为它们是同一管段。为了演示确定管径的过程和证实同程管路的相同压降特征，我们看这个循环中的两个环路：a）管段 1-4-6-7 b）管段 1-2-3-7为了解决问题，用表格整理数据。我们大致看一看怎样用这个表。空表在“设计练习”中。,26,同程管路管径尺寸问题,2”管，目标管径沿程损失4ft/100ft；2”管，速度不超过2.5fps这里用开利（Carrier）的表计算摩檫损失,27,所有同程环路的尺寸确定,接下去的是完成所有环路和管段的表格，将其按管段编号数字排列好。最后，所有的管段必须都用这个方法设计和确定。这个表格不仅可以用作手工的管径和管路压降计算，也可以将其作为计算管段尺
19、寸的计算机程序的输入数据。在这里，它可以是两用的。注意到每一风机盘管环路的数据的最前面是整个环路的汇总，紧接着是供水管、盘管和回水管的具体数据。将每个环路都这样计算一次。泵的总的压降不是简单的将这些数据加起来。这些风机盘管的环路是并联的。其中的最不利环路的阻力才是选泵所要的。,28,水管设计明细表,29,手工计算结果,这是一个同程系统，压力损失对于两个回路是一样的,30,示范：管径计算程序,31,示范：管径计算程序,按下面的形式输入计算机,所有管段与接头已在程序中定义,32,典型的计算机输入屏幕,33,典型的计算机输出,下面一页是这个程序的输出。注意每个管段的压力损失都列出来了。我们把管段1、
20、4、6、和7的加在一起，得到（0.7+15.7+0.6+0.7）=17.4英尺。我们手工计算的是13.41英尺。这是因为程序中选择的是3/8”管而不是1/2”管。这是因为对于管径2”的水管，我们设置的限定流速是4fps，而没有同时对压降（此管径应为10ft/200ft）限制。从输出中还看到三个环路和最大的系统阻力损失，在它的下面打印为“Total System Friction Head(ft wg.)”(全部阻力损失)。计算机显示其值为17.7ft。看“平衡需要”一列，我们看到有一个环路的不平衡值为0.9ft wg。一个环路总共为16.8英尺，其他两个环路是17.7英尺。输出中也表达了这些管
21、中的水容量为1.2加仑。考虑整个系统的水容量是一个很有用的信息，可以用来计算系统的重量，确定膨胀水箱的大小。最下面的两条信息对工程预算是有用的。它们表达了所需的管长和管径，以及配件和接头的数量和形式。现在，在教师的指导下使用Carrier的管路设计程序，填入输入数据，运行程序得到结果。用这个程序可以帮你完成你的“设计练习”。,34,典型的计算机输出,35,演示：管径设计程序,打开计算机跟着你的教师一起用开利（Carrier）的设计程序我们将把前面的问题输入计算机将手算的与计算机算的结果做比较,36,设计练习：确定水管尺寸,我们现在可以用计算机程序来确定“设计练习”中房间内的风机盘管系统的水管尺
22、寸。整个问题分为3个独立部分：1-风机盘管：根据设计中选择的风机盘管的控制形式运行此程序。假定平衡阀等于闸阀，球阀等于闸阀，控制阀（2通阀或3通阀）等于球阀。为了简化，进一步假定所有盘管末端的阻力损失一样从你前面的流量汇总表中选定一个值。在管路两端加上“T”的损失以表示与供、回水管连接的损失。运行此程序后，你会得到建筑中每个风机盘管的压头损失。2-柱式风机盘管机组立管系统：对一个柱式机组的立管系统运行此程序可选用异程或同程式立管。每个管段都有接入风机盘管的分支接头，输入第一步中得到的风机盘管损失。运行后，你将得到整根垂直立管的压头损失。并且可以得到新风空调箱的立管管径。3-供、回水总管：对将冷
23、冻水输送到风机盘管末端的供、回水总管（选择异程或同程式管路）运行此程序。对于与每根立管相接的系统管段，将第二步中的所得到的数据作为已知量输入。运行后，你将得到整个风机盘管系统与冷水机组总的压力损失。可以得到与两个底层的空调箱连接的水管的尺寸。运算前应先绘制系统图。,37,设计练习：确定水管尺寸,分成三个部骤：1）计算风机盘管的损失 假设所有末端设备都一样,（2）计算立管的损失 假设风机盘管损失都 一样 确定新风机组的立管尺寸，假设它用单独的立管（3）技术供回水总管 的损失 假设所有风机盘管损失一样 记住一层的空气处理器有两个支路 对空气处理器回路做粗略的损失计算,38,同时使用系数,39,同时
24、使用系数,每个方向在不同的时间达到峰值水流量在任何时刻都小于各个方向峰值的总和可应用同时使用系数-使用自动两通阀-供水管供水不止一个方向举例-北：不用-东，南，西：采用,40,同时使用系数图,在满足两个先决条件时，“同时使用系数”用于计算水流量及确定管径。为应用此图，设水流过多个朝后在水管末端汇总并回到水泵。然后计算各朝向的汇总水量。对于某朝向，该朝向的汇总水量除以水泵总流量就是查图所用的“比值”数。例如：有一管路系统服务于西、南两个朝向。每一朝向需60GPM水量，则水泵的总流量为120GPM。设水泵将120GPM的水先送到西区，西区的总管供应两个朝向，因此它可因“同时使用系数”而获益，南区则
25、不能。西区的“比值”是60/120=0.50；60是西区的总管在该时段内供出（或汇入）的水量。应此，60就是西向的汇总水量。每一管段内的水量可以用0.76的“同时使用系数”来修正。,41,同时使用系数图,我们来看“同时使用系数”是如何使用的,西向：(60/120)=0.50,同时使用系数=0.76,42,同时使用系数例题,设：建筑的一个层面有两台水泵，A泵服务西、南朝向；B泵服务东、北朝向。所有末端都由两通阀控制。南北向不能考虑“同时使用系数”，因为在某一时刻必须向所有机组提供最大GPM。而东西向则不然，因为他们服务的朝向多于一个。我们来看A泵，西向的汇总水量是60。A泵总水量是120，从上图
26、可以查到“同时使用系数”为0.76。下表表示“同时使用系数”如何用于每一管段。B泵相同。,43,同时使用系数例题,A泵：管段 最大 同时 设计 GPM 系数 GPMA-R1 120 0.76 91R1-R2 100 0.76 76R2-R3 80 0.76 61R3-R4 60 1.00 60R4-R5 40 1.00 40R5-R6 20 1.00 20B泵：管段 最大 同时 设计 GPM 系数 GPMB-R7 120 0.76 91R7-R8 100 0.76 76R8-R9 80 0.76 61R9-R10 60 1.00 60R10-R11 40 1.00 40R11-R12 20 1.00 20,西向汇总流量=60水泵总流量=120比值=60/120=0.5查表，同时使用系数=0.76,44,结 束,
