德國哈威HAWE平衡閥與定流量閥實(shí)際應(yīng)用對比
提要：通過對平衡閥與定流量閥兩種調(diào)節(jié)閥的工作原理、使用范圍以及工程實(shí)例的對比分析，區(qū)分了兩種調(diào)節(jié)閥門的不同作用和功能，認(rèn)為平衡閥宜用在需要保持阻力平衡(流量平衡)的系統(tǒng)中，定流量閥宜用在需要保持流量不變的系統(tǒng)中，二者有不同的作用，不能*相互取代。
1 引言
水力失調(diào)是我國空調(diào)供熱水系統(tǒng)中常出現(xiàn)的較為嚴(yán)重的問題，它直接造成系統(tǒng)運(yùn)行效果差、能源浪費(fèi)等后果。過去解決水力失調(diào)的方法主要是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行平衡計(jì)算，但是由于多種原因，多數(shù)情況下系統(tǒng)仍然會(huì)出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象。這就需要應(yīng)用平衡器件進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)，例如目前廣泛應(yīng)用的水力平衡閥。當(dāng)前，關(guān)于平衡閥和定流量閥在解決水力平衡上的應(yīng)用，有這樣一些不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，相應(yīng)于手動(dòng)調(diào)節(jié)的平衡閥，定流量閥可以叫做‘自動(dòng)平衡閥’，二者都可以解決水力失調(diào)問題，不同的是平衡閥需要手動(dòng)調(diào)試，定流量閥則無須調(diào)試，因而平衡效果就更好;繼而就有人認(rèn)為，建筑、資金充裕的地方可以應(yīng)用‘’一些的‘自動(dòng)平衡閥’，資金緊張的地方可以用手動(dòng)調(diào)節(jié)的平衡閥來取代;更有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：平衡閥以及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥難以根本解決水力失調(diào)問題，只有安裝動(dòng)態(tài)的水力平衡元件，才能*解決水力失調(diào)，確保系統(tǒng)的運(yùn)行正常。
對于以上觀點(diǎn)，筆者有不同的看法：這兩種設(shè)備具有不同的作用、針對性與適用范圍，不能混為一談，更不能夠簡單地以‘’、‘低級’來區(qū)分。下面對此進(jìn)行比較分析和探討。
2 平衡閥和定流量閥的工作機(jī)理與區(qū)別
2.1 平衡閥
平衡閥屬于手動(dòng)調(diào)節(jié)閥范疇(見圖1)，它的工作原理是通過改變閥芯與閥座的間隙(開度)，改變節(jié)流面積及閥門的阻力，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。從流體力學(xué)觀點(diǎn)看，平衡閥相當(dāng)于一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。
圖1 平衡閥
平衡閥與普通閥門構(gòu)造不同之處在于閥芯形狀不同、有開度指示、開度鎖定裝置及測壓小閥。在管網(wǎng)平衡調(diào)試時(shí)，可以通過測壓小閥連接智能儀表，測量并顯示流經(jīng)閥門的流量值。由于其設(shè)計(jì)構(gòu)造上的特點(diǎn)，平衡閥還具有較好的直線型流量特性。
關(guān)于平衡閥的調(diào)試問題，有人認(rèn)為很復(fù)雜、繁瑣，而且準(zhǔn)確度較差。其實(shí)不然，在國外，平衡閥調(diào)試十分普及，智能儀表可以在建材市場上自由購買，表中存儲(chǔ)有許多廠家平衡閥的性能參數(shù)，由施工單位自己進(jìn)行水力平衡調(diào)試。目前國內(nèi)平衡閥調(diào)試?yán)щy有服務(wù)不夠的原因，也有許多是系統(tǒng)和管理等多方面原因。
2.2 定流量閥
定流量閥(auto-flow)又稱作自力式流量控制器，也有的廠家稱作zui大流量限制器(flow-limit)。從機(jī)理上看，在一定的工作差壓范圍內(nèi)，它可以有效地控制住通過的流量。當(dāng)閥門前后的壓差增大時(shí)，通過閥門的自動(dòng)關(guān)小的動(dòng)作，它能夠保持流量不增大;反之，當(dāng)壓差減小時(shí)，閥門自動(dòng)開大，流量仍然恒定。但是當(dāng)壓差小于閥門正常工作范圍時(shí)，由于它畢竟不能提供出額外壓頭，此時(shí)閥門就全開，流量則比定流量低，不能控制。因此，有的公司稱其為zui大流量限制器。
從定流量閥的外形結(jié)構(gòu)來分，目前我們了解的主要有以下3種結(jié)構(gòu)形式：
① 如圖2a，2b所示，閥體內(nèi)有定流量元件，其感應(yīng)壓力部分與節(jié)流部分為一體。其流通截面面積隨前后壓差變化而變化，面積變化值是經(jīng)過計(jì)算設(shè)定的。當(dāng)閥門前后壓差在有效工作范圍之內(nèi)(如圖3所示某公司auto-flow的曲線，有效工作段壓力為14～220 kPa，高于220 kPa閥門全關(guān)，低于14 kPa閥門全開)，能夠保持流量變化在設(shè)定值的5%范圍內(nèi)。每一只定流量元件都有出廠時(shí)確定的控制流量，按照用戶所需流量匹配供貨，不能自行更改設(shè)定。
a單閥芯定流量閥 b多閥芯定流量閥
圖2 兩種不同閥芯的定流量閥
圖3 定流量閥工作曲線
②圖4a，4b，4c分別為3家國外公司的不同構(gòu)造的定流量閥，這種形式的定流量閥的感應(yīng)壓力部分為膜盒膜片，節(jié)流部分則為閥芯。導(dǎo)流管將閥芯前后的壓差連通到膜片上下，克服彈簧的壓力帶動(dòng)閥桿位移，從而改變閥芯開度，調(diào)節(jié)流量。這種定流量閥可以通過改變彈簧預(yù)緊力來改變設(shè)定流量值，在一定流量范圍內(nèi)均有效。
a b c
圖4 3種不同構(gòu)造的定流量閥
③與以上兩種形式不同的還有一種國產(chǎn)雙座閥形式的定流量閥，結(jié)構(gòu)上可以分作兩部分，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)段來設(shè)定流量，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)段來控制流量，這種閥門有較寬的流量設(shè)定范圍，具有很好的穩(wěn)定流量的效果。
3 平衡閥和定流量閥在系統(tǒng)中的不同作用
平衡閥和定流量閥主要的不同點(diǎn)為，平衡閥是一次性手動(dòng)調(diào)節(jié)的，不能自動(dòng)地隨系統(tǒng)工況變化而改變阻力系數(shù);定流量閥則可以不借助外界能源自力地動(dòng)作，根據(jù)系統(tǒng)工況(差壓)變化而改變阻力系數(shù)。
平衡閥的作用對象是阻力，能夠起到手動(dòng)可調(diào)孔板的作用，來平衡管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力，達(dá)到各個(gè)環(huán)路的阻力平衡;定流量閥作用是流量，能夠鎖定流經(jīng)閥門的水量。
兩種閥門都可以達(dá)到在調(diào)試工況下(通常是設(shè)計(jì)工況)合理分配各個(gè)環(huán)路水量。但是，在不同于調(diào)試工況的運(yùn)行工況時(shí)應(yīng)用兩種閥門是否能平衡水量?這就需要從不同的變工況種類來分析。
3.1 供水量變化的系統(tǒng)
在這種系統(tǒng)中如果按照設(shè)計(jì)工況(嚴(yán)寒、盛夏)調(diào)節(jié)使水量平衡，當(dāng)運(yùn)行工況不同于設(shè)計(jì)工況，循環(huán)水量少于設(shè)計(jì)工況時(shí)，如果使用平衡閥，則能夠?qū)⑿碌乃堪凑赵O(shè)計(jì)計(jì)算比例平衡地分配，各個(gè)支路的流量同時(shí)按比例增減，仍然能滿足當(dāng)前氣候條件下的部分負(fù)荷的流量需要。如果使用定流量閥，盡管系統(tǒng)循環(huán)水量變化和末端負(fù)荷的變化，仍保持該環(huán)路流量不變。于是，有利環(huán)路的流量得到了設(shè)計(jì)的流量(超過此時(shí)的部分負(fù)荷需求)，不利環(huán)路的定流量閥全開，但流量仍達(dá)不到需求，不平衡現(xiàn)象就出現(xiàn)了。因此，在這種較常見的系統(tǒng)中，定流量閥不能取代平衡閥的作用。
3.2 末端需水量變化的系統(tǒng)
有的系統(tǒng)末端的調(diào)節(jié)是通過改變水量調(diào)節(jié)出力的。比如有些風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)就是靠變水量來調(diào)節(jié)出力的;某些建筑，用戶使用空調(diào)的時(shí)間段不同，系統(tǒng)末端水量是主動(dòng)變化的。這樣的系統(tǒng)國內(nèi)并不多，在較建筑的空調(diào)系統(tǒng)中可以見到。另外在散熱器上加散熱器恒溫閥，也屬于這種靠末端調(diào)節(jié)水量控制出力的系統(tǒng)。
為了保持單臺(tái)制冷機(jī)、鍋爐、冷卻塔、換熱器的率運(yùn)行，就需要控制這些設(shè)備的流量，使之保持額定值;從系統(tǒng)末端來看，為了避免動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的相互影響，也需要在末端裝置或分支處限制流量。
定流量閥的作用對象為流量，應(yīng)用它就可以達(dá)到以上的目的。而在此時(shí)，平衡閥因?yàn)椴荒茉谧児r情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)，也就不能取代定流量閥的作用。
3.3 工程實(shí)例分析
北京的一棟飯店中央空調(diào)系統(tǒng)的末端為風(fēng)機(jī)盤管，局部系統(tǒng)如圖5所示。其負(fù)荷的調(diào)節(jié)是通過房間溫控器控制電動(dòng)三通閥實(shí)現(xiàn)的：當(dāng)房間溫度高于設(shè)定溫度而需要制冷時(shí)，冷凍水全部流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管，旁通管內(nèi)沒有流量;當(dāng)房間溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，冷凍水全部經(jīng)旁通管旁通，不經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管。
圖5 系統(tǒng)現(xiàn)狀
系統(tǒng)投入使用后，發(fā)現(xiàn)一些房間溫度總是達(dá)不到設(shè)定值，經(jīng)檢測分析得出：當(dāng)一些房間溫度達(dá)到設(shè)定值，三通閥作用使冷凍水走旁通回路時(shí)，由于旁通回路阻力較小，致使水量較冷凍水經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管回路時(shí)大得多，使得其它環(huán)路缺水。
筆者提出3種改造方案，方案1如圖6a所示，在圖5的旁通回路上加裝平衡閥，通過調(diào)節(jié)使得旁通回路的總阻力系數(shù)等于風(fēng)機(jī)盤管回路的總阻力系數(shù)。這樣，無論冷凍水通過風(fēng)機(jī)盤管回路還是旁通回路，水量都不會(huì)變化。在這里應(yīng)用定流量閥也同樣能夠解決流量波動(dòng)問題(圖略)，只是成本要高得多。應(yīng)用這兩種方法系統(tǒng)阻力都不增加。
a b c
圖6 改造方案
方案2如圖6b，在立管分支處安裝定流量閥，當(dāng)冷凍水流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管回路時(shí)，定流量閥開大，流量為設(shè)定值(設(shè)計(jì)值);當(dāng)冷凍水流經(jīng)旁通回路時(shí)，定流量閥自動(dòng)關(guān)小，流量保持為設(shè)定值。應(yīng)用這種方法會(huì)造成系統(tǒng)阻力增加，至少為定流量閥的zui小工作壓頭。
方案3如圖6c，在立管分支處安裝平衡閥。冷凍水流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管回路的阻力比流經(jīng)旁通回路的阻力仍然大，流量仍會(huì)有流動(dòng)。平衡閥阻力系數(shù)越大，在所處環(huán)路中所分擔(dān)的壓頭份額(即閥權(quán)度)越高，系統(tǒng)波動(dòng)就越小，但是其系統(tǒng)阻力增加也就越多，水泵揚(yáng)程也勢必要增大，不如方案1和方案2*。
3.4 其它
至于平衡閥的調(diào)試，的確是一個(gè)復(fù)雜的過程，是在設(shè)計(jì)計(jì)算、系統(tǒng)安裝運(yùn)行之后，對系統(tǒng)阻力平衡的一個(gè)綜合調(diào)節(jié)過程，是平衡閥應(yīng)用的一個(gè)zui重要的環(huán)節(jié)。如果系統(tǒng)供水流量變化，在流量分配比例沒有變化的情況下，平衡閥無需重新調(diào)試，此時(shí)除非重新設(shè)定，否則定流量閥不能起到平衡作用;如果因?yàn)槎募竟?jié)轉(zhuǎn)換，末端負(fù)荷之間的比例變化時(shí)(例如在南北朝向的房間，冬夏負(fù)荷比例的變化)，無論平衡閥還是定流量閥都需要重新調(diào)試或設(shè)定才能解決。
4 小結(jié)
平衡閥與定流量閥為原理和作用都不相同的兩種調(diào)節(jié)閥門，具有不同的功能和適用范圍，在不同的場合，要根據(jù)具體的問題來具體分析，根據(jù)不同的使用要求、控制對象，選用不同功能的調(diào)節(jié)閥。本文不能對多種多樣的系統(tǒng)都作出分析，只希望能起到拋磚引玉的作用，區(qū)分二者的差別，希望能夠?qū)Τ吻寤煜捅苊忮e(cuò)誤應(yīng)用有所幫助。
德國哈威HAWE平衡閥與定流量閥實(shí)際應(yīng)用對比