冷热水管道的压力损失.doc

冷热水管道系统的压力损失

意大利卡莱菲公司北京办事处 舒雪松

无论在供暖、制冷或生活冷热水系统，管道是传送流量和热量必不可少的部分。计算管道系统的压力损失有助于：
（1） 设选择正确的管径。
（2） 设选择相应的循环泵和末端设备。也就是让系统水循环起来并且达到热能传送目的的设备。
如果不进行准确的管道选型，会导致系统出现噪音、腐蚀（比如管道阀门口径偏小）、严重的能耗及设备的浪费（比如管道阀门水泵等偏大）等。

管道系统的水在流动时遇到阻力而造成其压力下降，通常将之简称为压降或压损。
压力损失分为延程压力损失和局部压力损失：

— 延程压力损失指在管道中连续的、一致的压力损失。
— 局部压力损失指管道系统内特殊的部件，由于其改变了水流的方向，或者使局部水流通道变窄（比如缩径、三通、接头、阀门、过滤器等）所造成的非连续性的压力损失。
延程压力损失
局部压力损失

以下我们将探讨如何计算这两种压力损失值。在本章节内我们只讨论流动介质为水的管道系统。

一、 延程压力损失的计算方式

对于每一米管道，其水流的压力损失可按以下公式计算

公式（1）

其中：r=延程压力损失 Pa/m
Fa=摩擦阻力系数
ρ=水的密度 kg/m3
v=水平均流速 m/s
D=管道内径 m

管径、流速及密度容易确定，而摩擦阻力系数的则取决于以下两个方面：
（1）水流方式，（2）管道内壁粗糙程度

表1：水密度与温度对应值
水温 °C
10
20
30
40
50
60
70
80
90
密度 kg/m3
999.6
998
995.4
992
987.7
982.8
977.2
971.1
964.6

1．1 水流方式

水在管道内的流动方式分为3种：

—分层式，指水粒子流动轨迹平行有序（流动方式平缓有规律）
—湍流式，指水粒子无序运动及随时变化（流动方式紊乱、不稳定）
—过渡式，指介于分层式和湍流式之间的流动方式。
流动方式通过雷诺数（Reynolds Number）予以确定：

公式 2

其中：
Re=雷诺数
v=流速 m/s
D=管道内径 m。
ט=水温及水流动力粘度，m2/s

表 2：水温及相关水流动力粘度
水温
m2/s
cSt
°E
10°C
1.30×10-6
1.30
1.022
20°C
1.02×10-6
1.02
1.000
30°C
0.80×10-6
0.80
0.985
40°C
0.65×10-6
0.65
0.974
50°C
0.54×10-6
0.54
0.966
60°C
0.47×10-6
0.47
0.961
70°C
0.43×10-6
0.43
0.958
80°C
0.39×10-6
0.39
0.956
90°C
0.35×10-6
0.35
0.953

通过公式2计算出雷诺数就可判断水流方式：
Re<2,000： 分层式流动
Re：2,000-2,500： 过渡式流动
Re>2,500： 湍流式流动
由于过渡式流动方式的雷诺数范围较窄，且其流动方式多变，因此大多将大于2,000的归为湍流式流动。将雷诺数2,000带入以下公式计算出的流速就是分层式流动和湍流式流动的界线

公式3

公式（3）

由公式（3）可以看出，管径与流速是成反比的，也就是说，管径越小，其流速也更高。
表1简单地示范了几个口径在Re=2,000时的流速。

表3 界定水流方式的速度
温度
粘度
m2/s
1/2″
16.4mm
1″
27.4 mm
2″
53.2 mm
10°C
1.30×10-6
0.16
0.09
0.05
50°C
0.54×10-6
0.07
0.04
0.02
80°C
0.39×10-6
0.05
0.03
0.01

1．2 管道内壁粗糙程度

管道内壁的粗糙程度分为：
（1） 低粗糙程度：多指铜管、不锈钢管和塑料管道。
（2） 中粗糙程度：多指黑钢管、镀锌钢管

1. 3 摩擦阻力系数Fa的计算方式

在分层式流动方式下，Fa的计算公式为

公式 4

公式（4）

对于湍流式流动方式，以前常使用Colebrook公式。然而，这个公式计算较为复杂。现在则普遍使用Blasius公式：
针对低粗糙程度管道，公式为

公式 5

针对中粗糙程度管道，公式为

公式 6

1．3 湍流式流动延程压力损失的计算方法

将以上计算出的Fa值(公式4)代入公式（1）中，则可以根据其它已知的数据计算出延程阻力。
在实际计算时，往往更多地将流速转换为流量，因此公式也相应地改变为以下公式：

r=1,153,983 x ט x ρ x G / D4 公式 7
其中：
r=延程阻力： mm/m
ט=动力粘度： m2/s
ρ=水密度： kg/ m3
G=流量： l/h
D=管内径： mm
分层流动方式的流速较低，往往只存在于以下两种情况：
1，没有循环泵的自然循环系统，因为没有强制循环所以流速较低；
2，输送燃油的管道，由于其粘度较高因此流速较低。

1. 4 分层式流动延程压力损失的计算方法

将以上计算出的Fa值(公式5, 6)代入公式（1）中，则可以根据其它已知的数据计算出延程阻力。
在实际计算时，往往更多地将流速转换为流量，因此公式也相应地改变为以下公式：

r =14.68×ν0.25×ρ×G1.75/D4.75 公式 8

r =3.3×ν0.13×ρ×G1.87/D5.01 公式 9

其中：
r=延程阻力： mm/m
ט=动力粘度： m2/s
ρ=水密度： kg/ m3
G=流量： l/h
D=管内径： mm

公式8针对低粗糙度管道，公式9针对中粗糙度管道。
湍流式流动方式的低粗糙度管道主要指铜管和各类塑料管；而中粗糙度管道则指各类钢管。

1． 5 管道延程压力损失的图表图示

以上所讲到的计算管道阻力的公式在实际运用时往往不是很方便。因此我们提供了各种管道不同管径的压力图表和曲线图，以便能迅速、直观地得到数据。

延程压力损失（r）表

这种表根据管道管径和流量提供相应的压力损失（r）值。同时，在流量值下也注明了流速，以便能了解此流速是否过高而会带来噪音和管道腐蚀。
同时，表格还根据10°C，50°C，80°C这三个不同水温制定，因为在不同水温下的压力损失也不一样。 比如说，内径20mm的PEX管，在10°C时，其延程压力损失为r=39.4mm/m, 而在80°C时，其压力损失为28.3mm/m.
由于篇幅关系，我们在这儿只提供了一个水温在80°C时钢管的延程压力损失表仅供参考。更为详细的表格可向我公司技术部咨询。见表4

延程压力损失（r）曲线图

同样的压力损失、流量、管径、流速的数据也可以用曲线图示的方法表达。见图1

二、 局部压力损失计算方法

局部压力损失指管道系统内一些元件， 如阀门、弯头、三通、缩径、接头、过滤器等，它们造成水流方向或流通面积改变，因此在其元件内部所产生的压力损失。计算局部压力损失分为以下3种方法：

2．1 直接计算法

根据局部元件的形状，大小而确定阻力系数，然后再使用相关的公式：

公式 10

Z=局部压力损失 Pa
ξ =局部阻力系数
ρ=水密度 kg/ m3
v=水流速 m/s
公式 11

如果Z用mm表示，则转换公式为：

其中，局部阻力系数ξ可根据相关资料查阅（可参考CALEFFI技术手册1）

2．2 额定流量计算法

这种方法通常运用于阀门的阻力计算。它根据制造厂家在实验室得出的, 并由第三方检测机构认证的, 在水流通过阀门时，阀前与阀后压力差1bar或0.01bar时的流量值为额定流量进行计算。

KV：阀前后压差为1bar的额定流量计算公式：

ΔP=（G / KV）² 公式 12

ΔP =局部压力损失 bar
G=流量： m3/h
KV=额定流量（压差=1bar） m3/h

KV值的计算方法一般运用于口径和流量较大的阀门。

KV0.01: 阀前后压差为0.01bar的额定流量计算公式:

ΔP= 102 x（G / KV0.01）² 公式 13

ΔP =局部压力损失 mm
G=流量 l/h
KV0.01=额定流量（压差=0.01bar） l/h

KV0.01值的计算方法一般运用于口径及流量相对较小的阀门.

范例: 计算一个口径为1/2”的手动温控阀在流量600 l/h时的压力损失值, KV0.01值:399 l/h:
计算: ΔP=102 x (G/KV0.01)²= 102 x (600/399)²=271mm

2．3 对应管径计算法

这种方法是：将每个部件局部的压力损失转换为相对应的一段管道作为计算，即一段管道的压力损失等于这一部分的压力损失。
这种方法较为简便，但是它不能准确地反应压力损失，只能根据近似值估计。因此并未广泛地得到使用。

在下一期的章节里,我们将更为详细地讨论管道系统内流量与压力损失的变化关系,及其平衡方式.。