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车间降温燃油暖风机热力计算与热力性能影响因素分析平衡技术在中
摘要 介绍了所研制开发的燃油暖风机样机的结构及工作原理，建立了本样机热力工程的传热网络图，叙述了热力工程传热计算方法，利用自行编制的传热计算软件的计算结果，对影响燃油暖风机热力性能的各因素进行了较详细的机理分析，获得了各因素对本机组热力性能的影响规律，为本机组今后的结构优化、环境适应性能提高及经济合理运行提供设计、运行参考。
关键词 燃油暖风机换热网络热力性能影响因素机理分析
本文所讨论的燃油暖风机样机，是一种自行研制开发的用于部队野营帐篷冬季供暖的取暖装置。由于部队使用的一些特点，要求该装置有较好的机动性、野外环境的适应性等，因而有必要了解样机的热力性能状况，尤其应掌握各因素对机组性能的影响规律，为改进样机，减小体积及重量，提高环境的适应能力及经济合理运行等，提供设计及运行参考。
一、燃油暖风机结构
该燃油暖风机样机本体结构见图1所示。它主要由四部分组成：供油燃烧工程；送风换热工程；控制工程；壳体及附件。供油燃烧工程用于供油、燃烧及产生热量；送风换热工程用于将冷空气变热，并将热风送入帐篷；控制工程用于控制、保护机器的正常运行；壳体及附件用于保温、防护及支撑等。
图1燃油暖风机结构示意图
二、燃油暖风机热力工程计算
1、暖风机换热工程的结果如图2所示。对于受热的空气侧，送风机出口的冷空气分三路并联进入三个换热通道（环形通道、换热管、外壳空间）被加热，加热后各通道出口的热空气先混合再由本体左上侧出风口进入送风管；对于放热的烟气侧，炉膛中的高温烟气放热后，再由本体左下侧的两根排烟短管进入换热管外的换热管空间进行排热，最后流经烟囱排入大气。
图2暖风机换热工程的结构示意图
2、工程传热网络图
空气侧与烟气侧的传热原理，可以用如图3所示的工程传热网络图加以说明。
图3 工程传热网络图
图中各符号中，T表示绝对温度，Q表示换热量，其各下脚标意义如下分析所指。
由工程换热网络图可见，炉膛内火焰（Thy）通过辐射换热（Qfl）和对流换热（Qdl）将热量传给炉膛壁面（Twl），然后膛壁面（即环形通道的内环表面）通过辐射换热（Qf2）把热量传给环形通道的外环表面（Tw2），同时又通过对流换热（Qdi）将热量传给环形通道的空气（Tkp1）：而炉膛出口的烟气放热分为三部分（Q1、Q2、Q3），一部分Q1是烟气（Ty）对环形通道外环表面（Tw2）的总换热量，另外部分Q2、Q3是烟气（Ty）对换热管和外壳内空气（Tkp2、Tkp3）的传热量；对于环形通道外环表面（Tw2）而言，所接受的环形通道内环表面（Tw1）辐射换热量（Qf2）和烟气（Ty）对环形通道外环表面（Tw2）的总换热量（Q1），恰好等于环形通道外环表面（Tw2）对环形通道内空气（Tkp1）的对流换热量（Qd0）。
3、热力工程传热计算方法
热力工程传热计算是基于工程换热网络图之上，利用传热学的基本公式和热平衡原理，用FORTRAN语言自行编制传热计算程序，并对一些复杂构件（如弯曲烟通道中排列的多根换热管等）的换热准则方程加上了修正系数，而修正系数由实验值加以确定。热力工程传热计算的实施是利用计算程序对网络图上七个节点（即Thy、Ty、Tkp1、Tkp2、Tkp3、Tw1、Tw2）进行多次迭代求解，而每个节点处，既要达到传热的能量平衡，又要使传热量和流体的吸、放热量（即热平衡热量）相等。
三、机组热力性能影响因素分析
暖风机热力性能影响因素的分析，对暖风机本体结构的优化设计和运行参数合理确定有着重要的意义。当结构确定后，影响暖风机性能的主要因素有环境压力（P）和温度（tlk）、过剩空气系数（a）、送风量（Vk）和燃油量（B），下文将结合传热计算软件的计算结果，对能以上各影响因素进行较详细的机理分析。分析中，当考虑某个因素影响时，其他因素取相同值，为简便起见，暖风机的供热工程采用直流式。
1．冷空气温度tlk对机组性能的影响
计算条件：P=0.101325MPa；Vk=2600m3/h，B=4.4kg/h，a=1.3。计算结果见表1。
冷空气温度tlk对机组性能的影响 表1
冷空气温度
tlk/℃
前言
随着经济的发展，空调工程成为现代建筑物中不可缺少的设施之一，但由于空调耗能量通常较大，故其节能设计势在必行。要确保空调工程按照设计的技术参数运行，对工程的水力平衡控制相当关键，可及时发现和排除对工程功能造成威胁的一些现象．如实施得不正确的平衡计算以及纯粹的安装错误如止回阀安装错误或过滤器堵塞等，发现问题及时找到原因并加以纠正，以确保工程尽量以最低的能源成本提供最佳的舒适环境。
1 水力平衡技术概述平衡技术是解决空调冷、热水工程平衡的有效方法，它由以下几个方面的内容组成：
(1)合理的水工程设计：平衡阀生产厂家技术专家与设计人员和用户共同探讨，力求使水工程设计达到准确合理。
(2)平衡阀的合理选型与设置：某些平衡阀生产厂家可在设计阶段运用有关软件为用户合理选型提供建议，并指导平衡阀的设置方法。
(3)先进的水力平衡方法：由于水工程的相互影响性，要求有一套有效实用的水工程平衡方法来使其平衡，如瑞典某公司开发的TA Balance法，无论工程大小，只需作一次调试即可达到平衡。
(4)功能完善的专用化智能仪表：智能仪表中固化了水力平衡法及各种规格、口径平衡阀性能曲线，可实现对工程的平衡调试，同时具有完善的双向通讯功能．使用更方便。
(5)高质量的水力平衡产品：平衡阀、压差控制器等为用户提供高品质的技术服务。
(6)水力平衡报告：工程调试后可提供详尽的水力平衡报告．有利于空调冷、热水工程的操作和维护。
2 水力平衡阀技术特点
以瑞典TA水力平衡公司生产的水力平衡阀为例，其主要特点包括：
① 阀芯、阀座、阀盖等均采用布氏硬度130以上的防脱锌腐蚀铜合金制成，耐腐蚀，寿命长；
② 阀门采用精密铸造工艺，外型美观，且精度高，流量测量及平衡精度为±5％；
③ 阀体上带有供测量压差的测压嘴，不测量时具有自密封作用；
④ 平衡阀带有可调节和预设定流量的数字式手轮；
⑤ 阀门具有锁定功能．工程平衡并将阀门开度锁定后可以关小，但只能开大至锁定开度；
⑥ 小VI径平衡阀(DN15～50)带有泄水装置，泄水时不影响工程运行；
⑦ 大口径平衡阀(DN65～300)阀芯设计独特，采用压力平衡结构．减小了关闭力矩，更易开启和关闭。
3 水工程平衡专用智能仪表
该仪表具有以下特点：
① 表内固化有目前最先进的水力平衡技术，可实现对工程准确有效的平衡；
②可测量平衡阀两端压差及流量，以及工程的水温；
③ 可贮存l千个平衡阀的测量数据，记录2．4万个测量值；
④可与计算机双向通讯，调试前可上机对工程进行分析，对工程及阀门参数如阀门型号、规格、设计流量等参数进行输入，工程调试后将测量结果通过计算机输出，这些参数包括平衡阀的编号、口径、预设定值、两端压降Ap、通过流量和设计流量等。
4 自动流量调节平衡(动态平衡阀)的特点
(1)准确调节平衡：由厂方检定和调校至控制压力范围内，自动调节工程水流量达到设定流量(精度为±5％)。
(2)节约能源：准确的流量平衡工程能保持水泵以最高的效率运作。
(3)可适应不同泵速：可自动调节降低压差，对不同泵速的工程提供设定的流量。
(4)操作简单：可在数分钟内准确量度工程的压差，温差和量差。
(5)节省空间：平衡阀设计精巧，不需铺设太多喉管，可节省空间和保温T程费用。
(6)灵活实用：能提供完美及平衡的工程，其仪器增减都不会影响工程的流量平衡。
在中央采暖／空调水工程设计中，水泵的扬程是按照工程最不利环路获得所需流量来选定的，而距水泵较近的环路必然具有超大的压头。若不采取有效措施弥补这一差异，则有利环路的流量将大大高于设计流量值，造成水泵流量偏大、扬程降低，不利环路压头仍不足，得不到所需流量。工程水量分配处于不平衡状态，能耗浪费、设备效率低。通过平衡器件解决水力平衡问题的原理都是通过调节阻力器件来增大有利环路的阻力，消除其剩余压头以达到阻力平衡。其直观表现就是降低有利环路的流量，将水压到不利环路去。应用平衡阀和定流量阀都可以调节控制流量．且有再现和锁定开度的功能，在达到调节工况(通常为设计工况)合理分配各环路水量。
5 平衡阀和定流量阀工作机理与区别
5．1 平衡阀属手动式调节阀，其工作原理是改变阀芯与阀座的间隙来改变流经阀门的流动阻力，达到调节流量的目的。从流体力学观点看，平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。
5．2 定流量阀又称作自力式流量控制器，其机理是在一定工作差压范围内控制通过的流量。如阀门前后的压差增大时，通过阀芯的自动关小动作，保持流量不增大；反之当压差减小时阀芯开大，流量恒定；但当压差小于阀门正常工作范围时，因定流量阀毕竟不能提供额外压头，此时阀门全开．流量较设定流量低，因此通常称之为自力式平衡阀或动态平衡阀。平衡阀的作用对象是阻力，发挥手动可调孔板的作用，平衡管网工程的阻力达到各环路阻力平衡的作用，定流量阀作用对象是流量，锁定流经阀门的水量而并非针对阻力平衡。在重庆江北机场中央空调水工程设计中，由于空调水管路较多，且远近相差较大，水路工程必须采取平衡措施。空调水泵启用的台数随气候的变化而不同，工程提供的总循环水量是主动变化的，如按冬夏季设计工况调节水量平衡，则运行非设计工况时的循环水量将较少。
平衡阀的作用是针对工程阻力，能将新的水量按设计比例平衡地分配，各支路的流量一同增减，仍然满足当前气候条件下的流量需要。在局部用户关闭的情况下，工程可自动对多余流量均匀分配，达到平衡的目的，在一次调节完成后，除非管网发生变化，使用中不需再次进行调节。定流量阀作用对象的流量，不管工程循环水量和末端负荷的变化，仍坚持流量不变。而如工程循环总水量被主动下调，则按原先流量分配的流量就不足了，而定流量阀又不能提供动力和增加流量，于是有利环路的流量得到设计流量．而不利环路的定流量阀全开，流量达不到要求，则出现不平衡现象。由此可见，定流量阀在主管道处使用，可有效防止工程过流，并避免因此而造成的能源耗费，具有较好的适用性；而在支管、立管和末端处，平衡阀则更为实用，不但可应付各种可能出现的使用状况，而且对于现场施工和用户微调要求，可具有较强的适应性，同时也更经济，笔者认为平衡阀和定流量阀联用可确保工程尽量以最低能源成本提供最佳的舒适空调环境。
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关键词 燃油暖风机换热网络热力性能影响因素机理分析
本文所讨论的燃油暖风机样机，是一种自行研制开发的用于部队野营帐篷冬季供暖的取暖装置。由于部队使用的一些特点，要求该装置有较好的机动性、野外环境的适应性等，因而有必要了解样机的热力性能状况，尤其应掌握各因素对机组性能的影响规律，为改进样机，减小体积及重量，提高环境的适应能力及经济合理运行等，提供设计及运行参考。
一、燃油暖风机结构
该燃油暖风机样机本体结构见图1所示。它主要由四部分组成：供油燃烧工程；送风换热工程；控制工程；壳体及附件。供油燃烧工程用于供油、燃烧及产生热量；送风换热工程用于将冷空气变热，并将热风送入帐篷；控制工程用于控制、保护机器的正常运行；壳体及附件用于保温、防护及支撑等。
图1燃油暖风机结构示意图
二、燃油暖风机热力工程计算
1、暖风机换热工程的结果如图2所示。对于受热的空气侧，送风机出口的冷空气分三路并联进入三个换热通道（环形通道、换热管、外壳空间）被加热，加热后各通道出口的热空气先混合再由本体左上侧出风口进入送风管；对于放热的烟气侧，炉膛中的高温烟气放热后，再由本体左下侧的两根排烟短管进入换热管外的换热管空间进行排热，最后流经烟囱排入大气。
图2暖风机换热工程的结构示意图
2、工程传热网络图
空气侧与烟气侧的传热原理，可以用如图3所示的工程传热网络图加以说明。
图3 工程传热网络图
图中各符号中，T表示绝对温度，Q表示换热量，其各下脚标意义如下分析所指。
由工程换热网络图可见，炉膛内火焰（Thy）通过辐射换热（Qfl）和对流换热（Qdl）将热量传给炉膛壁面（Twl），然后膛壁面（即环形通道的内环表面）通过辐射换热（Qf2）把热量传给环形通道的外环表面（Tw2），同时又通过对流换热（Qdi）将热量传给环形通道的空气（Tkp1）：而炉膛出口的烟气放热分为三部分（Q1、Q2、Q3），一部分Q1是烟气（Ty）对环形通道外环表面（Tw2）的总换热量，另外部分Q2、Q3是烟气（Ty）对换热管和外壳内空气（Tkp2、Tkp3）的传热量；对于环形通道外环表面（Tw2）而言，所接受的环形通道内环表面（Tw1）辐射换热量（Qf2）和烟气（Ty）对环形通道外环表面（Tw2）的总换热量（Q1），恰好等于环形通道外环表面（Tw2）对环形通道内空气（Tkp1）的对流换热量（Qd0）。
3、热力工程传热计算方法
热力工程传热计算是基于工程换热网络图之上，利用传热学的基本公式和热平衡原理，用FORTRAN语言自行编制传热计算程序，并对一些复杂构件（如弯曲烟通道中排列的多根换热管等）的换热准则方程加上了修正系数，而修正系数由实验值加以确定。热力工程传热计算的实施是利用计算程序对网络图上七个节点（即Thy、Ty、Tkp1、Tkp2、Tkp3、Tw1、Tw2）进行多次迭代求解，而每个节点处，既要达到传热的能量平衡，又要使传热量和流体的吸、放热量（即热平衡热量）相等。
三、机组热力性能影响因素分析
暖风机热力性能影响因素的分析，对暖风机本体结构的优化设计和运行参数合理确定有着重要的意义。当结构确定后，影响暖风机性能的主要因素有环境压力（P）和温度（tlk）、过剩空气系数（a）、送风量（Vk）和燃油量（B），下文将结合传热计算软件的计算结果，对能以上各影响因素进行较详细的机理分析。分析中，当考虑某个因素影响时，其他因素取相同值，为简便起见，暖风机的供热工程采用直流式。
1．冷空气温度tlk对机组性能的影响
计算条件：P=0.101325MPa；Vk=2600m3/h，B=4.4kg/h，a=1.3。计算结果见表1。
冷空气温度tlk对机组性能的影响 表1
冷空气温度
tlk/℃
前言
随着经济的发展，空调工程成为现代建筑物中不可缺少的设施之一，但由于空调耗能量通常较大，故其节能设计势在必行。要确保空调工程按照设计的技术参数运行，对工程的水力平衡控制相当关键，可及时发现和排除对工程功能造成威胁的一些现象．如实施得不正确的平衡计算以及纯粹的安装错误如止回阀安装错误或过滤器堵塞等，发现问题及时找到原因并加以纠正，以确保工程尽量以最低的能源成本提供最佳的舒适环境。
1 水力平衡技术概述平衡技术是解决空调冷、热水工程平衡的有效方法，它由以下几个方面的内容组成：
(1)合理的水工程设计：平衡阀生产厂家技术专家与设计人员和用户共同探讨，力求使水工程设计达到准确合理。
(2)平衡阀的合理选型与设置：某些平衡阀生产厂家可在设计阶段运用有关软件为用户合理选型提供建议，并指导平衡阀的设置方法。
(3)先进的水力平衡方法：由于水工程的相互影响性，要求有一套有效实用的水工程平衡方法来使其平衡，如瑞典某公司开发的TA Balance法，无论工程大小，只需作一次调试即可达到平衡。
(4)功能完善的专用化智能仪表：智能仪表中固化了水力平衡法及各种规格、口径平衡阀性能曲线，可实现对工程的平衡调试，同时具有完善的双向通讯功能．使用更方便。
(5)高质量的水力平衡产品：平衡阀、压差控制器等为用户提供高品质的技术服务。
(6)水力平衡报告：工程调试后可提供详尽的水力平衡报告．有利于空调冷、热水工程的操作和维护。
2 水力平衡阀技术特点
以瑞典TA水力平衡公司生产的水力平衡阀为例，其主要特点包括：
① 阀芯、阀座、阀盖等均采用布氏硬度130以上的防脱锌腐蚀铜合金制成，耐腐蚀，寿命长；
② 阀门采用精密铸造工艺，外型美观，且精度高，流量测量及平衡精度为±5％；
③ 阀体上带有供测量压差的测压嘴，不测量时具有自密封作用；
④ 平衡阀带有可调节和预设定流量的数字式手轮；
⑤ 阀门具有锁定功能．工程平衡并将阀门开度锁定后可以关小，但只能开大至锁定开度；
⑥ 小VI径平衡阀(DN15～50)带有泄水装置，泄水时不影响工程运行；
⑦ 大口径平衡阀(DN65～300)阀芯设计独特，采用压力平衡结构．减小了关闭力矩，更易开启和关闭。
3 水工程平衡专用智能仪表
该仪表具有以下特点：
① 表内固化有目前最先进的水力平衡技术，可实现对工程准确有效的平衡；
②可测量平衡阀两端压差及流量，以及工程的水温；
③ 可贮存l千个平衡阀的测量数据，记录2．4万个测量值；
④可与计算机双向通讯，调试前可上机对工程进行分析，对工程及阀门参数如阀门型号、规格、设计流量等参数进行输入，工程调试后将测量结果通过计算机输出，这些参数包括平衡阀的编号、口径、预设定值、两端压降Ap、通过流量和设计流量等。
4 自动流量调节平衡(动态平衡阀)的特点
(1)准确调节平衡：由厂方检定和调校至控制压力范围内，自动调节工程水流量达到设定流量(精度为±5％)。
(2)节约能源：准确的流量平衡工程能保持水泵以最高的效率运作。
(3)可适应不同泵速：可自动调节降低压差，对不同泵速的工程提供设定的流量。
(4)操作简单：可在数分钟内准确量度工程的压差，温差和量差。
(5)节省空间：平衡阀设计精巧，不需铺设太多喉管，可节省空间和保温T程费用。
(6)灵活实用：能提供完美及平衡的工程，其仪器增减都不会影响工程的流量平衡。
在中央采暖／空调水工程设计中，水泵的扬程是按照工程最不利环路获得所需流量来选定的，而距水泵较近的环路必然具有超大的压头。若不采取有效措施弥补这一差异，则有利环路的流量将大大高于设计流量值，造成水泵流量偏大、扬程降低，不利环路压头仍不足，得不到所需流量。工程水量分配处于不平衡状态，能耗浪费、设备效率低。通过平衡器件解决水力平衡问题的原理都是通过调节阻力器件来增大有利环路的阻力，消除其剩余压头以达到阻力平衡。其直观表现就是降低有利环路的流量，将水压到不利环路去。应用平衡阀和定流量阀都可以调节控制流量．且有再现和锁定开度的功能，在达到调节工况(通常为设计工况)合理分配各环路水量。
5 平衡阀和定流量阀工作机理与区别
5．1 平衡阀属手动式调节阀，其工作原理是改变阀芯与阀座的间隙来改变流经阀门的流动阻力，达到调节流量的目的。从流体力学观点看，平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。
5．2 定流量阀又称作自力式流量控制器，其机理是在一定工作差压范围内控制通过的流量。如阀门前后的压差增大时，通过阀芯的自动关小动作，保持流量不增大；反之当压差减小时阀芯开大，流量恒定；但当压差小于阀门正常工作范围时，因定流量阀毕竟不能提供额外压头，此时阀门全开．流量较设定流量低，因此通常称之为自力式平衡阀或动态平衡阀。平衡阀的作用对象是阻力，发挥手动可调孔板的作用，平衡管网工程的阻力达到各环路阻力平衡的作用，定流量阀作用对象是流量，锁定流经阀门的水量而并非针对阻力平衡。在重庆江北机场中央空调水工程设计中，由于空调水管路较多，且远近相差较大，水路工程必须采取平衡措施。空调水泵启用的台数随气候的变化而不同，工程提供的总循环水量是主动变化的，如按冬夏季设计工况调节水量平衡，则运行非设计工况时的循环水量将较少。
平衡阀的作用是针对工程阻力，能将新的水量按设计比例平衡地分配，各支路的流量一同增减，仍然满足当前气候条件下的流量需要。在局部用户关闭的情况下，工程可自动对多余流量均匀分配，达到平衡的目的，在一次调节完成后，除非管网发生变化，使用中不需再次进行调节。定流量阀作用对象的流量，不管工程循环水量和末端负荷的变化，仍坚持流量不变。而如工程循环总水量被主动下调，则按原先流量分配的流量就不足了，而定流量阀又不能提供动力和增加流量，于是有利环路的流量得到设计流量．而不利环路的定流量阀全开，流量达不到要求，则出现不平衡现象。由此可见，定流量阀在主管道处使用，可有效防止工程过流，并避免因此而造成的能源耗费，具有较好的适用性；而在支管、立管和末端处，平衡阀则更为实用，不但可应付各种可能出现的使用状况，而且对于现场施工和用户微调要求，可具有较强的适应性，同时也更经济，笔者认为平衡阀和定流量阀联用可确保工程尽量以最低能源成本提供最佳的舒适空调环境。
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