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分户计量热量表的性能优化

时间:2014/2/26 15:58:22 点击:2280

  核心提示:0 引言“节能减排”是国家“十一五”规划中的一项重要工作,2008年10月8日发布的《供热计量技术导则》明确要求新建建筑和既有建筑节能改造必须按照有关规定安装供热计量设备、室内温度调控设备和供热系统调控设备。既有建筑进行围护结构改造时必须同步进行供热系统热计量改造,根据建筑物建设时期的不同,推出凡使...
    0 引言

    “节能减排”是国家“十一五”规划中的一项重要工作,2008年10月8日发布的《供热计量技术导则》明确要求新建建筑和既有建筑节能改造必须按照有关规定安装供热计量设备、室内温度调控设备和供热系统调控设备。既有建筑进行围护结构改造时必须同步进行供热系统热计量改造,根据建筑物建设时期的不同,推出凡使用集中供热设施的城镇新建公共建筑和民用住宅,必须设计、安装具有分户计量及室温调控功能的采暖系统,并执行按用热量分户收费的新办法,计量及温控设施费用计入房屋建造成本。而分户计量采用的热量表,国外产品无论在测量精度还是可靠性上,都有明显的优势,目前国内设计生产的热量表以实验和仿制为主,自主开发能力比较薄弱,没有对热量表性能从基础理论方面进行系统深入的应用研究,热量表的设计与生产缺乏理论根据和指导。为尽快实现能量计费制度改革,亟须研发适合中国国情的热量表。

    1 热量表的性能优化

    1.1 建立数学模型

    在湍流计算中,双方程模型在工程实践中广泛应用,我们采用k-ε模型,即湍流动能k和湍流脉动动能耗散率ε。    

    根据方程:

    

    (1)

    可以确定:

    

    (2)

    根据方程:

    

    (3)

    可以确定:

    

    (4)

    1.2 控制方程    

    1.2.1 热量表基表中的流体流动满足质量守恒定律

    在流场中取基表为一封闭的空间,此空间称为控制体,其表面为控制面。流体通过控制面A1流入控制体,同时,在另一个控制面A2流出控制体,在这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定律,流入的质量与流出的质量之差应该等于控制体内部流体质量的增加,由此可导出流体流动连续方程。得积分形式为:

    

    (5)

    式中:Vol表示控制体,A表示控制面,等式左边第一项表示控制体Vol内部质量的增量;第二部分表示通过控制面流入控制体的净通量。

    根据数学中的奥—高公式,在直角坐标系下可将其化为微分形式如下:

    

    (6)

    热量表基表内部流动属于不可压缩均值流体,密度为常数,则有:

    

    (7)

    1.2.2 动量方程    

    根据动量守恒定律热量表基表内部的动量守恒方程可表示为:    

    

    (8)

    1.2.3 湍流黏度

    

    (9)    

    式中的k和ε可由公式(2)(4)求出。

    根据上面的公式(7)、(8)、(9)组成了一个封闭的方程组,即可以求出热量表基表内部流动过程中的各个参数的数值解。

    1.3 热量表基表的能量损失

    按流体在流动中产生能量损失的不同的外在原因,可将流动阻力分为两种类型。

    1.3.1 沿程阻力

    它是沿流动路程上由于各流体层之间的内摩擦而产生的。在紊流状态下,沿程阻力一部分由附面层内的黏性摩擦造成,但主要是由流体微团的迁移和脉动造成。沿程阻力最终是用来克服固体表面与流体之间的摩擦力,当流体在等截面直管道中流动时,能量损失就是由沿程阻力造成的。热量表的沿程阻力主要是光滑管道中的阻力,根据相似原理,管内流动的准则方程形式为:

    

    (10)

    实验证明,流动的其他条件不变,水平管中的压差(沿程阻力)

与管长l成正比。因此,公式可变成:

    

    (11)    

    式中

为管内流动的沿程阻力;

    λ为摩擦系数(

);

    l为所要计算的管段长;

    d为管内径;

    

为管截面上的平均速度。

    1.3.2 局部阻力

    流体在流动中遇到的局部障碍而产生的阻力,所谓局部障碍,包括流道发生弯曲,流通截面扩大或缩小,流体通道中设置各种各样的物件如阀门、叶轮等等。分析热量表的局部损失有4种类型:涡流损失、加速损失、转向损失及碰撞损失。当水流通过管道进入热量表基表时,管道截面突然扩大形成涡流水流速度变化,并冲击叶轮逆向旋转,这是产生热量表局部阻力的整个过程,根据柏努力方程,得:

    

    (12)

    截面的动能修正系数均取为1,压差

就是局部的压力损失。根据连续性方程和动量方程:

    

    (13)

    

    (14)

    式中的A1和A2分别是入口截面和热量表的中截面面积,经实验证明P0≈P1,得动量方程为:

    

    (15)

    解(13)、(14)、(15)这3个方程得:

    

    (16)

    令

,则上式可表示为:

    

    (17)

    其中

称作局部阻力系数。    

    热量表内部主要经历的局部能量损失,通过数值计算结果得到非稳流状态下的压损为:

    ΔP=23.52kPa

    国家热量表检定规程中规定:公称流量下热量表流量传感器的最大压降不应超过25kPa,可见该值完全符合行业标准。

    2 计量热量表技术指标

    通过吉林省计量科学研究院检测:

    在温度90℃、静态工作电流6μA、公称流量0.6m3/h、公称直径15mm、额定压力1.6MPa工况下检测指标:

    最大允许压力损失:20.5kPa;流量误差:1.1%;平均温度误差:0.1%。

    最大允许压力损失符合行业标准,流量误差和温度误差达到了国家1级表指标。

    3 结论

    为了克服国内设计生产的热量表的不足,本着改进热量表结构性能的目的,本文建立了热量表基表的数学模型,内部流体流动的控制方程和能量损失方程,对集中供热热量表的性能进行了优化,通过吉林省计量科学研究院检测,性能指标达到了国家1级表指标。该热量表的投入使用,将会尽快实现热量计费制度改革,实行用热商品货币化,达到节省能耗和保护环境的目的。其经济效益、社会效益和生态效益十分显著,具有良好的应用前景。

作者:佚名 来源:不详
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