管道压力损失计算

冷热水管道系统的压力损失无论在供暖、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。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其中：r=延程压力损失Pa/mFa=摩擦阻力系数ρ=水的密度kg/m3v=水平均流速m/sD=管道内径m公式（1）延程压力损失局部压力损失管径、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°C102030405060708090密度kg/m3999.6998995.4992987.7982.8977.2971.1964.61．1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（ReynoldsNumber）予以确定：其中：Re=雷诺数v=流速m/sD=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/scSt°E10°C1.30×10-61.301.02220°C1.02×10-61.021.00030°C0.80×10-60.800.98540°C0.65×10-60.650.97450°C0.54×10-60.540.96660°C0.47×10-60.470.96170°C0.43×10-60.430.95880°C0.39×10-60.390.95690°C0.35×10-60.350.953通过公式2计算出雷诺数就可判断水流方式：Re2,000：分层式流动Re：2,000-2,500：过渡式流动公式2Re2,500：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/s1/2″16.4mm1″27.4mm2″53.2mm10°C1.30×10-60.160.090.0550°C0.54×10-60.070.040.0280°C0.39×10-60.050.030.011．2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，公式为针对中粗糙程度管道，公式为公式3公式4公式5公式61．3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=1,153,983xטxρxG/D4公式7其中：r=延程阻力：mm/mט=动力粘度：m2/sρ=水密度：kg/m3G=流量：l/hD=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8r=3.3×ν0.13×ρ×G1.87/D5.01公式9其中：r=延程阻力：mm/mט=动力粘度：m2/sρ=水密度：kg/m3G=流量：l/hD=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：Z=局部压力损失Paξ=局部阻力系数ρ=水密度kg/m3v=水流速m/s如果Z用mm表示，则转换公式为：公式10公式11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12ΔP=局部压力损失barG=流量：m3/hKV=额定流量（压差=1bar）m3/hKV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=102x（G/KV0.01）²公式13ΔP=局部压力损失mmG=流量l/hKV0.01=额定流量（压差=0.01bar）l/hKV0.01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600l/h时的压力损失值,KV0.01值:399l/h:计算:ΔP=102x(G/KV0.01)²=102x(600/399)²=271mm2．3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.。参考文献：CaleffiManual2:DesignPrinciplesofHydronicHeatingSystems