湖南大學(xué) 殷 平

0 引言

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是供暖和空調(diào)水系統(tǒng)的重要控制裝置之一，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和空氣換熱器的流量特性及兩者之間的耦合關(guān)系直接影響供暖和空調(diào)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定性，影響設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)性，因此國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了定義和規(guī)定，諸多學(xué)者也進(jìn)行了專門研究。由于缺乏可靠且全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及存在認(rèn)識上的誤區(qū)，使得這方面的傳統(tǒng)理論存在諸多不足，而一些研究者對“經(jīng)典理論”的照搬照抄，以訛傳訛，又誤導(dǎo)了眾多讀者，因此有必要對這一課題開展深入探討和研究。

1 術(shù)語

為便于討論，給出國內(nèi)外涉及調(diào)節(jié)閥的相關(guān)術(shù)語和定義。

1) 調(diào)節(jié)器：根據(jù)被控參數(shù)的給定值與測量值的偏差，按預(yù)定的控制方式控制執(zhí)行器的動(dòng)作，使被控參數(shù)保持在給定值要求的范圍內(nèi)或按一定的規(guī)律變化的調(diào)節(jié)儀表，也稱控制器[1]。

2) 調(diào)節(jié)閥：接受調(diào)節(jié)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)送來的控制信號，自動(dòng)改變閥門開度達(dá)到調(diào)節(jié)流量目的的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[1]。

3) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組合成的流量調(diào)節(jié)裝置[1]。

4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)[1]。

5) 閥權(quán)度：在實(shí)際工作情況下，調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，閥門的壓力損失占包括閥門本身在內(nèi)的該調(diào)節(jié)支路總壓力損失的比例[1]。

閥權(quán)度可由下式[2]計(jì)算：

(1)

式中A為閥權(quán)度；Δpmin為調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的壓力損失，Pa；Δp為調(diào)節(jié)閥所在串聯(lián)支路的總壓力損失，Pa。

閥權(quán)度另一種計(jì)算式為[3-4]

(2)

式中 Δpmax為調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)的壓力損失，Pa。

6) 調(diào)節(jié)閥流量特性：介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥相對開度之間的函數(shù)關(guān)系[1]。

7) 調(diào)節(jié)閥流通能力：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥門兩端壓差為100 kPa，流體密度為1 g/cm3時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的流量(m3/h)。也稱閥門的流量系數(shù)[1]。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥門兩端壓差為6.9 kPa (1 psi)，介質(zhì)為16 ℃(60 ℉)清水時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量(以gpm(3.8 liters)計(jì))[5]。

8) 調(diào)節(jié)閥可調(diào)比：調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流最之比，也稱可調(diào)范圍[1]。

9) 調(diào)節(jié)閥理想流量特性：調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口兩端壓差恒定情況下的流量特性[1]。

10) 調(diào)節(jié)閥工作流量特性：調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工作情況下的流量特性[1]。

2 空氣換熱器的流量特性

國內(nèi)外諸多學(xué)者對空氣換熱器的流量特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]作者對式(3)～(6)聯(lián)立求解，得到了預(yù)熱器(即加熱器)流量特性計(jì)算式(式(7))：

Q=Gcp(t1-t2)

(3)

Q=Wcw(tw1-tw2)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(3)～(7)中Q為制熱量，kW；G為送風(fēng)量，kg/s；cp為干空氣的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；t1為進(jìn)風(fēng)溫度，℃；t2為出風(fēng)溫度，℃；W為水流量，kg/s；cw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；tw1為進(jìn)水溫度，℃；tw2為出水溫度，℃；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為傳熱面積，m2；vy為加熱器迎風(fēng)面速度，m/s；vw為加熱器水流速，m/s；p、m、n為實(shí)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)；q為設(shè)計(jì)工況下制冷量(制熱量)Qmax和某時(shí)刻制冷量(制熱量)Q之比；g為設(shè)計(jì)工況下制冷量(制熱量)對應(yīng)的水流量Wmax與某時(shí)刻制冷量(制熱量)對應(yīng)的水流量W之比；下標(biāo)max表示設(shè)計(jì)工況下的參數(shù)。

簡化后得

(8)

其中

(9)

(10)

文獻(xiàn)[5]作者認(rèn)為當(dāng)n≤0.22時(shí)，式(8)等號右側(cè)中括號內(nèi)第3項(xiàng)可以忽略不計(jì)；同時(shí)設(shè)0.6a′≈e，則式(8)變換為

(11)

式中e為換熱器流量特性計(jì)算參數(shù)(為與國內(nèi)通用的符號統(tǒng)一，式中符號作相應(yīng)變更)。

式(11)即為文獻(xiàn)[5]給出的再熱器和預(yù)熱器流量特性計(jì)算式。

再熱器流量特性計(jì)算參數(shù)ez：

(12)

預(yù)熱器流量特性計(jì)算參數(shù)ey：

(13)

文獻(xiàn)[5]在推導(dǎo)上述計(jì)算式時(shí)假設(shè)：1) 加熱器風(fēng)量不變；2) 進(jìn)水溫度不變；3) 再熱器進(jìn)風(fēng)溫度不變；4) 預(yù)熱器出風(fēng)溫度不變；5) 對數(shù)平均溫差采用算術(shù)平均溫差替代。

值得商榷的是：1) 式(7)是如何轉(zhuǎn)換成式(11)～(13)的？2) 文獻(xiàn)[5]作者令0.6a′≈e，由式(8)可以看出，當(dāng)a′≈e/0.6時(shí)，a′/2≈0.83e。3) 式(8)中等號右側(cè)中括號內(nèi)第3項(xiàng)，如果以n=0.22為例，當(dāng)g=0.1時(shí)，g-0.22=1.66；g=0.9時(shí)，g-0.22=1.023，可見第3項(xiàng)不能忽略不計(jì)。式(6)中的n實(shí)際上是加熱器傳熱系數(shù)公式中水流速的指數(shù)項(xiàng)，國內(nèi)現(xiàn)行手冊中絕大多數(shù)加熱器的傳熱系數(shù)公式中缺少水流速這一項(xiàng)參數(shù)，只有極少數(shù)的加熱器公式中有水流速這一參數(shù)，文獻(xiàn)[5]定義n≤0.22的緣由不清。如果采用銅管套鋁箔這種與表冷器結(jié)構(gòu)相同的空氣加熱器時(shí)，其傳熱系數(shù)公式與表冷器相似，如下述式(17)所示，只是加熱器的析濕系數(shù)ξ=1。加熱器只有顯熱交換，而表冷器不但有顯熱交換，還有潛熱交換。實(shí)驗(yàn)表明，在這一公式中水流速的指數(shù)項(xiàng)n=0.8，顯然，這時(shí)公式(8)中等號右側(cè)中括號內(nèi)第3項(xiàng)無法忽略不計(jì)。查閱國外有關(guān)文獻(xiàn)資料，未見與式(11)相同的計(jì)算式，文獻(xiàn)[5]根據(jù)1974年的德文文獻(xiàn)，認(rèn)為e的取值范圍通常為0.05≤e≤0.6，但未查到詳細(xì)資料。4) 文獻(xiàn)[5]認(rèn)為：“對于干式冷卻用的水表面冷卻器，可直接應(yīng)用上述全部結(jié)論，對于冷卻干燥用的水表面冷卻器，近似地也可應(yīng)用上述結(jié)論”。但加熱器和表冷器的流量特性實(shí)際上是不同的。

由于文獻(xiàn)[5]被國內(nèi)暖通空調(diào)專著和文獻(xiàn)廣為引用，尤其是式(11)及后來由其他學(xué)者提出的類似表達(dá)式，已經(jīng)成為目前國內(nèi)討論換熱器流量特性的基礎(chǔ)，應(yīng)用甚廣，因此值得進(jìn)一步深入研究。

文獻(xiàn)[6]作者在推導(dǎo)表冷器的流量特性數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)假設(shè)：1) 空氣流量不變；2) 進(jìn)水溫度不變；3) 出風(fēng)干球溫度和比焓不變；4) 對數(shù)平均溫差采用算術(shù)平均溫差替代；5) 0.8(1/g-1)=(1/g0.8-1)。

文獻(xiàn)[6]聯(lián)立求解以下?lián)Q熱器方程組得到表冷器流量特性計(jì)算式：

Q=Gcpξ(t1-t2)

(14)

Q=W(tw2-tw1)

(15)

(16)

(17)

(18)

式(14)～(18)中p1、j、m1、n1、r分別為實(shí)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)；h1為進(jìn)風(fēng)比焓，kJ/kg；h2為出風(fēng)比焓，kJ/kg。

聯(lián)立求解式(14)～(18)得到

(19)

其中

(20)

(21)

(22)

(23)

文獻(xiàn)[6]提出的表冷器流量特性計(jì)算式(23)的推導(dǎo)過程有多處值得商榷：1) 式(15)遺漏了水的比定壓熱容；2) 式(17)中的流量W應(yīng)該是水流速vw；3) 即使認(rèn)為式(19)的推導(dǎo)過程無誤，當(dāng)ξ=ξmax時(shí)，S是否可以等于1也是值得商榷的；4) 假設(shè)ξ=ξmax誤差會(huì)有多大；5)e值是常數(shù)嗎?

國內(nèi)諸多文獻(xiàn)引用式(23)[6]進(jìn)行分析時(shí)，對于其推導(dǎo)公式過程和若干假設(shè)并無質(zhì)疑，討論最多的只是e如何取值。e被普遍認(rèn)為是探尋電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量特性和空氣換熱器流量特性耦合關(guān)系的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[6]給出了新風(fēng)處理機(jī)組、循環(huán)風(fēng)處理機(jī)組、一次回風(fēng)機(jī)組、水-水換熱器、變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組換熱器e的取值范圍，即e=0.10～0.15。不過該作者在文獻(xiàn)[7]中將新風(fēng)處理機(jī)組的e值更換為0.46；文獻(xiàn)[8]給出的e值為0.4；文獻(xiàn)[9]按照供熱工況給出的e值為0.23。

關(guān)于S值，文獻(xiàn)[6]并未定義，只給出了S=1的結(jié)論，這一假設(shè)易誤導(dǎo)讀者，例如文獻(xiàn)[10]就認(rèn)為S是依賴于運(yùn)行工況析濕系數(shù)的冷量修正系數(shù)，當(dāng)表冷器在額定工況運(yùn)行時(shí)，S=1，該文所進(jìn)行的分析均是以S=1為前提。

若e值為常數(shù),根據(jù)式(23)可以繪制出空氣換熱器的流量特性曲線，圖1是文獻(xiàn)[11]給出的水-水、水-空氣換熱器流量特性圖?？諝鈸Q熱器的這一流量特性成為了空氣換熱器流量特性和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量特性耦合關(guān)系的主要依據(jù)，國內(nèi)絕大多數(shù)文獻(xiàn)均認(rèn)為加熱器和表冷器的流量特性相同。

圖1 水-水、水-空氣換熱器流量特性曲線

ASHRAE手冊給出了加熱器和表冷器的流量特性曲線[4]，如圖2、3所示。自上世紀(jì)80年代迄今，ASHRAE手冊一直保留這2張圖。國內(nèi)普遍認(rèn)為加熱器和表冷器的流量特性曲線相同，但是國際上卻認(rèn)為加熱器和表冷器的流量特性曲線不同。

筆者所在團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對表冷器、加熱器和風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組進(jìn)行過大量實(shí)驗(yàn)。為了分析空氣換熱器的流量特性，對這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理。為避免調(diào)節(jié)閥的影響，水量調(diào)節(jié)采用了水泵變水量加旁通的方式。以下給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的空氣換熱器流量特性曲線可為以上討論提供實(shí)驗(yàn)支持。

圖2 加熱器流量特性

圖3 表冷器流量特性

2.1 表冷器的流量特性

實(shí)驗(yàn)用表冷器的基本參數(shù)為：風(fēng)量V=3 000 m3/h，迎風(fēng)面風(fēng)速vy=2.5 m/s，表面管數(shù)12，管程數(shù)6，傳熱面積F=37.86 m2，通水面積Fw=0.001 8 m2。室內(nèi)空氣參數(shù)：干球溫度tN=25 ℃，相對濕度φ=50%，濕球溫度tNS=17.89 ℃，含濕量d=0.009 9 kg/kg。按3種出風(fēng)狀況分析表冷器的流量特性：1) 出風(fēng)比焓等于室內(nèi)空氣比焓；2) 出風(fēng)含濕量等于室內(nèi)空氣含濕量；3) 冷卻干燥過程。表冷器空氣處理過程各項(xiàng)參數(shù)如表1～3所示。

表1 出風(fēng)比焓等于室內(nèi)空氣比焓時(shí)表冷器處理過程參數(shù)

表2 出風(fēng)含濕量等于室內(nèi)空氣含濕量時(shí)表冷器處理過程參數(shù)

表3 表冷器冷卻干燥處理過程參數(shù)

由表1～3可以看出：1) 析濕系數(shù)不是常數(shù)，假設(shè)ξ=ξmax將產(chǎn)生明顯的誤差。2) 即使假設(shè)式(23)成立，e值也不可能為常數(shù)。 3)當(dāng)出風(fēng)比焓等于室內(nèi)空氣比焓時(shí)，表冷器的流量特性曲線呈線性特性。4) 當(dāng)出風(fēng)含濕量等于室內(nèi)空氣含濕量和冷卻干燥時(shí)，表冷器的流量特性曲線基本重合。

由圖4可以看出：表冷器的流量特性曲線對應(yīng)不同的處理過程呈現(xiàn)不同的形式，與圖1所示的曲線形式區(qū)別明顯。

圖4 不同工況下表冷器特性曲線

2.2 加熱器的流量特性

實(shí)驗(yàn)用加熱器的基本參數(shù)為：風(fēng)量V=3 000 m3/h，迎風(fēng)面風(fēng)速vy=2.5 m/s，表面管數(shù)24，管程數(shù)6，傳熱面積F=37.93 m2，通水面積Fw=0.001 2 m2。室內(nèi)空氣參數(shù)：干球溫度tN=20 ℃，最大熱負(fù)荷61.15 kW。加熱器的流量特性實(shí)驗(yàn)分成3種出風(fēng)狀況考慮：1) 熱水供水溫度tw1=60 ℃，出水溫度不控制，變流量運(yùn)行；2) 熱水供水溫度tw1=60 ℃，回水溫度tw2=50 ℃；3) 熱水供水溫度tw1=60 ℃，回水溫度tw2=30 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4～6和圖5。

由表4～6和圖5可以看出：1) 加熱器的流量特性與表冷器不同；2) 如果式(11)成立，當(dāng)加熱器出水溫度不限定時(shí)，e值并非常數(shù)，當(dāng)熱水溫差一定時(shí)，e值近似等于1；3) 由公式Q=Wcw(tw1-tw2)可以看出，當(dāng)熱水溫差一定時(shí)，水流量與熱量成正比，加熱器的流量特性應(yīng)呈線性關(guān)系，并非有不同的流量特性曲線，文獻(xiàn)[4]給出的圖2和文獻(xiàn)[12]給出的圖6所顯示的不同熱水溫差時(shí)加熱器流量特性曲線值得商榷。

表4 熱水供水溫度60 ℃、出水溫度不控制的變流量加熱器流量特性

表5 熱水溫差10 ℃的加熱器流量特性

表6 熱水溫差30 ℃的加熱器流量特性

圖5 加熱器特性曲線

圖6 不同熱水溫差的加熱器流量特性

2.3 風(fēng)機(jī)盤管的流量特性

實(shí)驗(yàn)用風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組額定送風(fēng)量為1 058 m3/h，冷水初溫為7 ℃，冷水溫差為5 ℃，額定制冷量為5 450 W，額定水流量為829 kg/h，最大水流量為額定水流量的為140%。風(fēng)機(jī)盤管特性曲線如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)盤管特性曲線

由于風(fēng)機(jī)盤管與空調(diào)機(jī)組所用的表冷器結(jié)構(gòu)不同，因此換熱器的特性曲線也不同。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，風(fēng)機(jī)盤管宜設(shè)置常閉式電動(dòng)通斷閥，由于性價(jià)比的原因，國內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)極少采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因此風(fēng)機(jī)盤管的盤管流量特性與電動(dòng)通斷閥的選型并無直接的關(guān)聯(lián)。

2.4 水流速對空氣換熱器流量特性的影響

水流速對空氣換熱器的性能影響顯著，國內(nèi)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、手冊和專著均給出了表冷器的水流速范圍，為0.6～1.5 m/s[2]，表冷器的水流速實(shí)驗(yàn)取值范圍為0.3～2.4 m/s[13]。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，當(dāng)空氣換熱器管內(nèi)的水流速低于某一值時(shí)，水流態(tài)從湍流轉(zhuǎn)為層流，故國內(nèi)水流速下限設(shè)為0.6 m/s。文獻(xiàn)[3]給出了水流速對加熱器和表冷器的影響范圍，如圖8所示，不過該作者認(rèn)為這種影響難以預(yù)測。

根據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)管內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re<2 300時(shí)為層流區(qū)，當(dāng)2 30010 000時(shí)流體進(jìn)入湍流區(qū)[14]。國內(nèi)曾有學(xué)者進(jìn)行過雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分印證了上述理論：當(dāng)Re<1 900時(shí)，管內(nèi)流體處于層流區(qū)；當(dāng)Re>7 780時(shí)，管內(nèi)已呈現(xiàn)湍流；當(dāng)Re>10 120時(shí)，管內(nèi)為湍流[15]。查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，有關(guān)空氣換熱器不同水流速對應(yīng)雷諾數(shù)的報(bào)道極少，文獻(xiàn)[12]認(rèn)為對于較大管徑(如19 mm)的表冷器，供冷的水流速下限為0.32 m/s，供熱時(shí)水流速下限為0.08 m/s，低于下限時(shí)，換熱器管內(nèi)水流不再呈現(xiàn)湍流狀，傳熱系數(shù)下降，出風(fēng)溫度難以控制。

圖8 水流量對換熱器熱量的影響

表7給出了3種換熱器在不同水流速下的雷諾數(shù)，即采用銅管套鋁箔結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑為15.4 mm(5/8 in)的空氣換熱器用作表冷器、平均水溫為9.5 ℃時(shí)的雷諾數(shù)和用作加熱器、平均水溫為55 ℃時(shí)的雷諾數(shù)；采用銅管套鋁箔結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑為9.02 mm(3/8 in)的風(fēng)機(jī)盤管，供冷時(shí)平均水溫為9.5 ℃和供熱時(shí)水溫為55 ℃時(shí)的雷諾數(shù)。

表7 空氣換熱器不同水流速下的雷諾數(shù)

由表7可知：對于表冷器來說，水流速小于0.2 m/s為層流區(qū)，0.2～0.9 m/s為過渡區(qū)，高于0.9 m/s為湍流區(qū)；對于加熱器，高于0.35 m/s為湍流區(qū)；對于風(fēng)機(jī)盤管，供冷工況高于1.5 m/s為湍流區(qū)，供熱工況高于0.6 m/s為湍流區(qū)。

3 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指調(diào)節(jié)閥的開度(相對行程)與相對流量之間的關(guān)系，國際上將調(diào)節(jié)閥的流量特性分為固有流量特性與安裝流量特性(亦稱工作流量特性)，對應(yīng)國內(nèi)調(diào)節(jié)閥的理想流量特性和調(diào)節(jié)閥工作流量特性稱謂。

圖9給出了常用的幾種調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線。

圖9 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線

調(diào)節(jié)閥有多種形式，其理想流量特性也不相同，除了圖9之外，還有拋物線特性、修正的拋物線特性、修正的等百分比特性等。

文獻(xiàn)[3-4]給出了各種調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用場所：1) 快開閥適用于開-關(guān)控制；2) 線性閥適合于蒸汽盤管、三通閥旁通部分及旁通管路；3) 等百分比特性閥門適合于加熱器和表冷器控制；4) 球閥適合于小型水系統(tǒng)，用作截止閥和平衡閥，也可用于自控制的再熱器上；5) 蝶閥具有截止、平衡、兩通和三通功能。不同的應(yīng)用具有不同的流量特性。

國內(nèi)外普遍認(rèn)為在供暖和空調(diào)換熱器控制中，宜采用具有等百分比特性的兩通閥，因此在討論調(diào)節(jié)閥的流量特性時(shí)通常指如何合理選擇等百分比流量特性，選擇合理的調(diào)節(jié)閥流量特性和選擇正確的調(diào)節(jié)閥尺寸一樣重要。

等百分比調(diào)節(jié)閥的理想流量特性可用下式表示：

(24)

式中R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比；L為調(diào)節(jié)閥開度；Lmax為調(diào)節(jié)閥最大開度。

由圖9可以看出，等百分比調(diào)節(jié)閥的理想流量特性呈指數(shù)曲線，當(dāng)理想可調(diào)比R=100時(shí)，式(24)可以改寫為

(25)

由式(25)可知，調(diào)節(jié)閥開度每增大10%時(shí)，流量的增幅都是調(diào)節(jié)前的58.6%。文獻(xiàn)[16]令理想可調(diào)比R=50，調(diào)節(jié)閥開度每增大10%時(shí)，流量的增幅都是調(diào)節(jié)前的47.9%。對于等百分比調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥小開度時(shí)，流量變化?。淮箝_度時(shí)，流量變化大。

理想流量特性是基于控制閥前后的壓差為一定值時(shí)的流量特性，在實(shí)際工程中，表面式換熱器的壓降和控制閥前后的壓差都會(huì)隨時(shí)間而變化，為此引進(jìn)了閥權(quán)度A的概念對理想流量特性進(jìn)行修正。串聯(lián)等百分比調(diào)節(jié)閥的工作流量特性可以用下式表示[17]：

(26)

圖10顯示了可調(diào)比R=100時(shí)，不同閥權(quán)度A的等百分比調(diào)節(jié)閥的工作流量特性曲線。

圖10 百分比調(diào)節(jié)閥的工作流量特性曲線

在實(shí)際使用中，由于調(diào)節(jié)閥上的壓差隨著串聯(lián)管道阻力改變，使調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比R發(fā)生變化，這時(shí)調(diào)節(jié)閥實(shí)際所能控制的最大流量與最小流量的比值稱為實(shí)際可調(diào)比RS。RS可用下式表示[17]：

(27)

設(shè)計(jì)時(shí)，為保證調(diào)節(jié)閥有一定的可調(diào)比，應(yīng)考慮調(diào)節(jié)閥上一定的壓差，即調(diào)節(jié)閥具有相當(dāng)?shù)淖杩怪?，使之在管路中保待一定的閥權(quán)度[17]。

文獻(xiàn)[18]指出：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性不僅與閥門本身特性、閥權(quán)度有關(guān)，還與空調(diào)水系統(tǒng)形式和閥門在系統(tǒng)中所處的位置及該系統(tǒng)中其他末端支路閥門所處的狀態(tài)有關(guān)。

4 空氣換熱器流量特性和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量特性的耦合關(guān)系

由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量特性和空氣換熱器流量特性兩者之間的耦合關(guān)系直接影響供暖和空調(diào)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定性、設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)性，所以諸多學(xué)者對這一耦合關(guān)系進(jìn)行了研究。其中國內(nèi)引用最多、被稱之為經(jīng)典的理論源于文獻(xiàn)[4],如圖11所示，文獻(xiàn)[12]亦采用了此圖。由于文獻(xiàn)[12]已有中譯本，因此國內(nèi)多篇論文所采用的該圖均來源于此文獻(xiàn)，該書在國內(nèi)暖通空調(diào)界影響甚深。

由式(24)可以看出，對于理想流量特性，無論可調(diào)比為何值，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)仍有一定的流量，因此文獻(xiàn)[12]認(rèn)為在實(shí)際工程中這是難以接受的，所以很多廠家對理想流量特性進(jìn)行了改進(jìn)，以防止當(dāng)流量小于調(diào)節(jié)閥的最小理論流量時(shí)調(diào)節(jié)閥無法控制。隨著加工水平的提高，目前空調(diào)用調(diào)節(jié)閥理想流量特性的可調(diào)比不再是傳統(tǒng)的R=30，可調(diào)比可以達(dá)到R=100或者更高。如圖12所示，對傳統(tǒng)的等百分比特性的改進(jìn)，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)可以實(shí)現(xiàn)泄漏量為零[12]。實(shí)際上空氣換熱器的流量特性并非如圖11a所示；另一方面，如式(26)所示，對于不同的閥權(quán)度和可調(diào)比，等百分比曲線也不同，因此圖11c的線性化即使是在調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口兩端壓差恒定情況下也無法實(shí)現(xiàn)。而對于調(diào)節(jié)閥處于工作流量特性條件下，如圖11所示的“用一個(gè)反向非線性特性的控制閥補(bǔ)償末端設(shè)備的非線性特性”的設(shè)想就更難實(shí)現(xiàn)，因此圖11這種被諸多文獻(xiàn)引用的“經(jīng)典”并無實(shí)際意義。

圖11 用一個(gè)反向非線性特性的控制閥補(bǔ)償末端設(shè)備的非線性特性

圖12 等百分比特性的修正

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為控制閥特性研究十分復(fù)雜，涉及HVAC系統(tǒng)及換熱器的特性，涉及閥門的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，只有處理好這些特性，才能提供合適的控制閥組合，圖11僅僅是一個(gè)非常簡單的例子。

對于舒適性供暖空調(diào)系統(tǒng)，并不要求換熱器的流量特性和調(diào)節(jié)閥流量特性完全協(xié)調(diào)，這與恒溫恒濕工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)有所不同，對于2種不同系統(tǒng)的換熱器的流量特性和調(diào)節(jié)閥流量特性的耦合關(guān)系值得深入研究。

5 結(jié)論

1) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是供暖和空調(diào)水系統(tǒng)的重要控制裝置之一，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性和空氣換熱器的流量特性及兩者之間的耦合關(guān)系，直接影響供暖和空調(diào)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定性、設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)性。

2) 聯(lián)立求解傳熱學(xué)公式無法得到廣泛應(yīng)用的換熱器流量特性計(jì)算公式(式(11)、(23))。

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，換熱器流量特性計(jì)算參數(shù)不是常數(shù)；加熱器和表冷器的流量特性曲線不同；不同工況下的表冷器流量特性曲線不同，其形狀與各種文獻(xiàn)廣泛采用的不盡相同；加熱器的流量特性與加熱器熱水溫差無關(guān)。

4) 由于加熱器和表冷器的流量特性曲線不同，且不同工況下的表冷器呈現(xiàn)不同形狀，而調(diào)節(jié)閥的等百分比流量特性會(huì)隨閥權(quán)度和可調(diào)比的變化而變化，所以傳統(tǒng)的“用一個(gè)反向非線性特性的控制閥補(bǔ)償末端設(shè)備的非線性特性”的理論并不成立。