水暖技术篇:什么是系统的工作压力(上)

2016-12-26 作者:三馀

  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?
  我们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)。