空调水管设计要领.ppt

1,研討主題：空调水管设计要领,工務暨設計人才培訓課程,2,相关专题研讨训练流程介绍,3,大樓空調水管之設計要領一、大楼空调水管系统之基本分类 1.依通水方式分类 2.依循环方式分类 3.依回水方式之分类 4.依配管数分类二、冷热水分布控制：三、空调水管系统之种类、功能与基本应用 1种类 2水管系统之功用 3.空调水管基本应用-按机器及系统区分四、大楼空调水管系统之基本设计方法 1水管管径之决定 2冰水管系统设计五、空调水管之布置原则 1水平管设计 2排水管之设计（水量之计算）,4,3屋顶水管之设计 4空调主机房水管布置原则 5空调水管系统之平衡 6.水泵配管注意要项 7.冷却水塔配管六、大楼空调水管设计配合应注意事项七、水泵特性及應用分析 第一节 基本理论 第二节 离心泵定律 第三節 离心泵的孔蚀现象 第四节 系统曲线与性能曲线 第五节 泵之故障八、定流量(三通)與變流量(二通)系統特性及應用分析九、工程實務範例參考附錄:日系配管設備設計基準參考,5,1.依通水方式分类1）排放方式 2）再循环方式,图4-1排放方式 图4-2再循环方式,一、大楼空调水管系统之基本分类,6,2.依循环方式分类1)开放循环(Open circuit)方式 2)密闭循环(Closed circuit)方式,图4-3开放循环 图4-4密闭循环,7,3.依回水方式之分类1）直接回水方式(Direct Return)-如图4-4 所示2）逆回水方式(Reverse Return)3）直接回水与逆回水之并用方式.4.依配管数分类1）单管式(此方式甚少用于一般空调系统,多用于特殊制程)：由于一条管路贯穿整个系统，使后面终端元件入水水温低于前者（指热水系统而言，冰水系统正好相反），故单水管系统常只用于仅有一、二区之小型系统。,图4-5单管式,8,2)双管式系统（1）双管式逆回水系统（如图4-6、4-7）所示：逆回水只安排使每一终端元件之送水及回水总管路长相等，使系统压力能自行平衡。,图4-6逆回水方式(Reverse Return)图4-7直接回水与逆回水并用方式,9,（2）双管式直接回水系统（如图4-8）：直接回水主要用于小型定水量系统，虽因减少回水管路可降低初始费用，但必须加以平衡系统方可运作。,图4-8：双水管直接回水方式,10,3）三管式：,图4-9三管式,11,註:常見水管三大系統 单机200RT以下,单机200800RT,12,800RT以上,4）二次加压方式：系统由一次循环泵、冰水主机（或锅炉）及膨胀水箱构成之一次管路与二次侧系统组合而成，由于二次侧各区有独立之加压泵，故可独立操作于不同温度状况下。一次泵仅需考量一次侧循环管路及主机压力损失即可，二次泵则仅考虑该区之压力损失。,13,5）四管式,图4-10四管式,14,二、冷热水分布控制：,冷热水系统可依定流量或变流量方式设计，其控制方式又可依其使用二通或三通控制阀而改变，常见之控制方式可归纳如下：1、定流量三通阀方式：如图4-11，当部分负载时，流量可经由三通阀旁通方式，使流经盘管 之流量减少，但分支之总流量保持固定。此控制方式有以下特色：（1）盘管为变流量通过。（2）三通阀通常较二通阀贵，尤其在配管空间不足之状况下。（3）分流三通阀较混合三通阀贵，但其控制结果相同。（4）三通阀通常具线性特性。（5）为固定流量流经阀及盘管。（6）定流量使泵消耗较多能源。,图4-11：三通阀盘管旁通控制,15,2、二通阀流量调节方式：流量调节方式如图4-12，以测量送水回水主管之压差方式控制泵出口调节阀，使流量调节至所需。当压差控制器DPC测量之压差上升时，表系统之水量需求减少，可使控制阀V1调小所需流量，V2及V3为保护泵，以避免其运作于无流量之装置。此种控制方式之特点为：（1）流量减少可降低耗用功率。（2）DPT可保护盘管控制阀免于过压力场合（Over Pressure）。（3）当主机需定水量操作时，必需使用另一个分开之泵，如前面提及之二次加压系统。,图4-12：二通阀流量调节方式,16,3、二通阀流量旁通方式：如图4-13，为维持通过盘管时压差之稳定，同时使通过主机之水量固定，可使用流量旁通方式达成目的。其系统特色为：（1）以二通阀之特性达成三通阀全流量之功能。（2）各盘管间不必旁通即可达成定流量。,图4-13 二通阀流量旁通方式,17,4、变速泵控制：如图4-14，变速泵使流量及压力调整至新负载时，使泵之消耗功率降低。由泵亲和定律可知：,压力变化与转速平方成正比。图4-14中，用压差控制器（Differental pressure controllerDPC）送水及回水主管间之压差恒定，当压差变化时，以转速调整方式使其保持恒定，图中V1之阀为保护泵免于无流量之装置。由亲和定律可知：,故功率变化与转速三次方成正比，些微之转速下降可减少甚多之功率消耗。,图4-14 变速泵之控制方式,18,19,三、空调水管系统之种类、功能与基本应用,1种类1）冰水管路系统（CHILLED WATER PIPING SYSTEM）2）冷却水管路系统（CONDENSING WATER PIPING SYSTEM）3）热水管路系统（HOT WATER SYSTEM）4）蒸气管路系统（STEAM PIPING SYSTEM）5）排水管路系统（DRAIUAGED PIPING SYSTEM）6）膨胀水管路系统（EXPANSION WATER PIPING SYSTEM）7）补给水管路系统（MAKEUP WATER PIPING SYSTEM）8）特殊制程管路系统（酸卤液体）9）其他（如RO水、DI水、Soft Water System）,2水管系统之功用1）冰水管路：输送冰水以利在热交换器（即空气调节或小送风机）中热交换造成冷气。即使用冰水泵浦推动水到冰水主机（WATER CHILLER UNIT）之冰水器（CHILLER）制造冰水，再送到热交换器内完成热交换造成冷风，再利用风管或直接吹入空调空间，使室温达到理想条件而成冷气。2）冷却水管路：输送冷却水到冷凝器（CONDENSER）以便冷却冷凝器。即使用冷却水泵浦推动冷却水到冰水主机之冷凝器完成热交换，复将冷凝器产生之热水送到冷却水塔散热。,20,3)热水管路:功用如1)项所述.4)蒸气管路:输送蒸气在各空调未端设备作加热加湿之作用.5)排水管路:将冷却盘管冷凝之水,水管路之水(包括冷凝器,冰水器,冷却水塔等)予以排放.6)膨胀水管路:补给水用膨胀用(因水温不同导致水之体积不同)排放管路内 积存空气.7)补给水管路:补充进入冰水及冷却水系统内.8)特殊制程管路:输送各种制程需求药液(如H2SO4,H2O2)至各需求设备.9)其他管路:以DI水为例备用于输送高纯度洁净水之用途.3.空调水管基本应用-按机器及系统区分1）箱型冷气机水管路系统:包括冷却水、排水及补给管路。2）中央空调水管路系统（水冷式冷凝器，间接膨胀式蒸发器）包括冰水、冷却水、排水、膨胀水及补给水管路）。,21,图4-11中央空调系统之水循环及热转移图,22,23,熱交換器（冷凝器）,熱交換器（蒸發器）,壓縮機,冰水泵浦,空調密閉空間,空調設備,冰水主機,冰水循環路徑,冷卻水循環路徑,冷媒循環路徑,空調送風循環路徑,外氣混合,冷卻水塔,冷卻泵浦,空調水側系統,空調空氣側系統,散熱至大氣,冷冻空调组成组件及设备名词解释,24,37C 溫水（冰機熱回收）系統,37C溫水系統,37C溫水系統循環路徑,37溫水泵浦,90C熱水鍋爐系統支援,潔淨室外氣空調箱,HPM外氣空調箱,Office外氣空調箱,潔淨更衣室外氣空調箱,Office可變送風箱靠窗暖氣,37C溫水系統,HVAC系統,潔淨室系統,暖房負載,25,37C溫水與90C熱水系統關係,電熱水鍋爐,電熱水鍋爐,熱回收37C溫水系統,90C熱水系統,熱交換器,26,四、大楼空调水管系统之基本设计方法,1水管管径之决定1）流量之计算（1）冰水，参见附表A。（2）冷却水，参见附表B。2）配管之流速-流速提高，管径小，成本省，但磨擦损失增加，泵浦扬程提高，运转费用增加，且易生噪音及增加管内壁之侵蚀能力。流速太高是有害的。,27,3）良好的设计需在设置成本与运行成本之间取适当平衡点，一般冷温水配管单位摩擦损失 建议在60mmAq/M以下，平均40mmAq/M，管内流速在2M/S以下，同时参考配管侵蚀防止(以年间运转时间作比较)之最高流速限制。4）配管设备之设计程序：（1）配管系统方式之决定。（系统架构流程、功能性与节能考量）；（2）设备位置、管道路由与建筑结构整体计划（安全性、可靠性确保、噪音、震动抑制。工序流程与合理化工法检讨）；（3）配管路径之决定；（4）管路流量之计算；（5）选定基准之决定（配管摩擦损失、流速基准确定）；（6）管径选定，并计算分析系统各段摩擦损失及流程；（7）系统水压分布确认；（8）阀类选定及相关机器设备确认；（9）扬程计算；（10）水泵容量、扬程确认；（11）配管热膨胀检讨；（12）全管系系统检讨确认（未来扩充性、维护性、控制方式的配合总体分析确认）；（13）设计完成。5）其他管路系统（蒸汽、冷媒、油配管）可参见所附日系设计资料。,28,29,30,2冰水管系统设计1）管路之安装应尽量减少水在管路中之磨擦损失（FRICTIONLOSS）为原则，磨擦损失小，则泵浦扬程减少致马力数相对减少。（A）须正确选择管路之管径。（B）管路之长度应短，并应尽量避免阻碍物之弯头及注意三通之流向。注:1.在管路系统中弯头（Elbow）有较大的压力降百分率，在等速下压力降之大小依转弯之形状而定，如长半径较短半径为佳。2.45配置之弯头较90配置之弯头为佳。3.安装T型接头要防止对抵作用（Bullheading），对抵作用引起乱流，增加压力降与冲击管路，两个以上的T型接头安装在同一管路上时，两个T型接头之间的距离须在10倍以上之管径，如此可减少不必要之乱流。4.为了便于安装与修理管路，由任与法兰常用于管路系统。（C）空调箱或小送风机之管路连接须考虑以同程回水管（REVERSE RETURN）连接。（D）管路内之空气应全部排出，排出空气除在管路之必要点，局部管路之最高点及热交换 器装上放气阀外，冰水管路最高点，必须连接膨胀水管再连接膨胀水箱以便排除 空气，其膨胀水管与冰水回水管之安装须特别注意，以致空气之排出。2)冰水管路之安装必须确宝在安装完成后未保温前，施以试压查漏的工作，否则万一施工不良，冰水管路发生漏水现象，将增加冰水主机的运转时间，泵浦的扬程减小影响空调空间,31,之冷度，并且影响保温的效果，以致应重浪费能源。一般试水压之方法用水压，至少试压至10kg/cm2以上，维持二小时以上水压不降低，并且不漏水为原则，淌若发现有渗漏之处，则附近管路应即拆下，重新安装。,图4-13避免阻碍物之弯头 图4-14三通,32,图4-15平衡管连接的方式,多用途综合型建筑物空调系统冰水管路宜采分区供应冰水。多用途建筑物为目前常见的建筑，配合业主及顾客之需要采用多角化的经营，不但建筑本体较大，而且建筑物的利用极为复杂，因此空调系统之设计必须按建筑物之用途及使用时间，利用冰水管路配合冰水泵浦加以区分为数个空调区域，再按冷气负荷的大小及空调区域的多寡来选择空调主机、冷却水塔及其他附属设备；如此可依空调区域的需要采取局部开机或全部开机。不但可收到减少冷气损失、节省可观的能源效果外，还可在空调设局部开机时，部份停用的设备获得休息及做好保养维护，而增加空调设备的寿命。（多用途建筑物冰水管路系统如图4-16所示）,33,图4-16平衡管连接的方式,34,4)冰水系统采用VWV系统 VWV系统为可变水量系统（Variable Water Volume System），一般空调水管系统使用的方式分为两种：应用多台二次冰水泵浦之改变水量方式（此傳統方式目前較少採用,如图417所示）。按空调空间冷气负载的需要调节空调箱或冷风机的冰水量，以冰水送水管之压力来控制二次泵浦之运转台数，故空调空间冷气负载减少时，需要较少的冰水量，则二次泵浦运转台数可减少以节省电费。冰水区域泵浦之改变水量方式按空调空间冷气负载的需要调节空调箱或冷风机的冰水量，以冰水管之压力由变频省电控制器（Energy Saving Controller）控制冰水区域泵浦的转速供应适量的冰水量，若空调空间冷气负载减少时，需要较少的冰水量，则降低冰水区域泵浦转速以节约能源。,35,图4-17冰水系统使用多台冰水泵浦之节约能源配置图,36,五、空调水管之布置原则,1水平管设计1）注意冰水回水流程2）水平管之上升，下降最高位置设置排气。3）注意水平管之斜度。4）注意水流方向。2排水管之设计（水量之计算）1）由高至低保持斜度。2）避免高低起伏。3）慎选排水立管之位置（设于管道间或柱子中）。4）排水排至位置。（1）地下室楼层排至地下室阀基，如无阀基，则地下室板下设置集排水坑；（2）一楼以上楼层，排至一楼室外排水沟。3屋顶水管之设计1）冰水管部份 开放式膨胀水箱系统，膨胀水箱装置在系统压力最低处，一般在泵之吸入侧，且在管系之最高点，建议距离管系最高点有2M以上之高度。2）冷却水管部份 冷却水管不宜超过冷却水塔集水盘水位高度，若超过水盘水位高度，则冷却水管需设置电,37,磁阀或逆止阀。3）膨胀水管部份 应保持斜度，以利冰水管排气。可参见标准施工图说。4）冷却水塔及膨胀水箱排水管部份 应排至屋顶漏水头附近，以避免潮湿及污染。5）补给水管部份 设计前应与水电工程整体配合规划。4空调主机房水管布置原则1）机器设备（主机、水泵浦）与配电盘之布置。2）机器设备防震问题。3）水管系统之防震（水管与机器设备、主机房内水管吊支架之防震）。4）水管配置之层数。5）水管配置宜整齐。6）水管配件之配置。7）水管表阀之配置。8）主机房之排水。9）主机房内配管与保养维护之关系。,38,5空调水管系统之平衡1）逆回水管之设计2）平衡考克(現多採平衡閥)之安装3）送水集水头与回水集水头之平衡管4）自动流量平衡阀之设置5）排气阀之安装6.水泵配管注意要项图4-18为一泵的连接管路，当设计泵管路时必须记住下列原则。1）吸入管要短要直；2）吸入管的管径要比泵的吸入口管径至少大一号；3）吸入管不可产生空气囊（air pockets）4）在泵吸入口处使用偏心减径接头以消除在吸入管内产生空气囊5）不要在泵吸入口处使用水平弯头，任何在吸入管上的水平弯头都应在泵吸入口平面以 下，如有可能，应在泵吸入口处有一垂直的弯头引导进入一减径管，再接到泵入口。如果多泵被连接到同一集流管时，管路之连接如图4-19所示，此式能让每一泵送同量的水。即在部分负荷状况或减少水流量或当一泵被隔离后，其他泵仍能泵送同量的水。,39,图4-18 泵与吸入管连接 图4-19 多泵管路,40,7.冷却水塔配管由于冷却水塔为开放式设备，故冷却水管系为一开放式管系，如果冷却水塔与凝结器在同一平面，泵只有小的吸入头，过滤器应在排出端以使泵的吸入端能尽量接近大气。常欲使入凝结器的冷却水保持等温，此可在冷却水塔旁加装一旁路管。当凝结器与冷却水塔同一平面或在冷却水塔之上时,则在旁路管上加一三路分流阀.见图4-20.不可使用三路混合阀，因其位于泵之吸入端，能造成真空状况而不再能维持大气压力。图4-21为当凝结器位于冷却水塔下方时的旁路配管。此特殊的配管方式为在旁路管上安装二路自动控制阀。通过旁路管的压力降，要能使在具有最大水流通过旁路时能平衡冷却水塔的不平衡静压头。如果多个冷却水塔并联，则每一冷却水塔通到泵的吸入侧的摩擦损失要相等。图4-22为冷却水塔配管的典型事例。均压(連通)管可用为使每座冷却水塔内的水位等高。,41,注：1.如凝结器与冷却水塔同一平面或在 注：1.当凝结器在了冷却水塔下方可采用二路自动控制阀，其上方时，使用一三路分流阀。如 如凝结器与冷却水塔同一平面或在冷却水塔上方见 凝结器在冷却水塔之下见图43的配管。图42的配管。2.在三路分流阀处不得改用三路混合 2.从“A“到”B“的摩擦损失包括此管路加上二路阀 阀，因其能使泵吸入端产生额外的 的摩擦损失。此摩擦损失处能配合冷却水塔的不平 水头。蘅水头。3.自动控制阀应接近冷却水塔以防止当阀全开时泵马 达过载及水塔情况异常。图4-20 离冷却水塔维持等温水之管路 图4-21 离冷却水塔维持等温水之管路（凝结器与冷却水塔同一平面）（凝结器在冷却水塔下方）,42,图4-22 多冷却水塔管路,43,3.1 通用事项 3.1.1 关于冷却塔的使用规范 离地11层以上设置冷却塔时，主要部件要用耐火材料制造,无须做支撑防火。3.1.2 冷却塔、泵浦、冷凝的配置注意事项。（1）冷却塔与泵浦在同一水平线上的场合。,44,（a）保持泵浦吸入侧的正压。（防止气穴现象）泵浦的高度在冷却塔水面以下。泵浦应设在冷却塔附近。估算等的压力损失。（特别要注意混合三通阀的设置场合）（b）泵浦的吸入侧负压时，使用自己注水型（内部注水及外部配管）（c）冷却水配管（泵浦的出口处）高于水槽水面时，应安装止回阀和排气阀。（d）冷却（送）水管比水槽水面高时，应设旁通管。,45,冷凝器的耐压静水头（H）+泵浦的扬程式管路阻力（冷却水送水管）。,（2）冷却塔在冷凝器上方的场合 检查管路的压力分布，不能超过冷凝器的耐压上线。冷却水泵浦在冷凝器的进水侧场合。,46,冷凝器的耐压 静水头（H）管路阻力（冷却水送水管）。*保证冷却水泵浦吸入侧的正压。静水头（H）管路阻力（泵浦的吸入侧）+机器阻力,2 冷却水泵浦在冷凝器的出水侧场合。,47,（3）冷却塔比冷凝器低的场合,48,（a）泵浦停止时，防止冷凝器内的水流失。在泵浦的出水侧安装止回阀。冷凝器出水侧的配管应设于高于冷凝器的位置。设置止回阀，止回阀的配管口径主管下降4尺寸（最小20A）。（b）泵浦停止时，立管件的回流水量不得超过冷却塔的容纳水量。冷却塔的水槽容纳水量 立管（图中H）部分的存有水量（参照下表）*泵浦停止时，主管H部分的水，因为是overflow，所以立管内的存水量很 大，泵浦再次运转时，造成吸空气现象。,立管高度标准,*H超过上表的值时要防止空吸现象,（c）防止overflow时产生的空吸现象(泵浦启动时),下面是利用的考虑方法：安装电动阀或保持壓力的阀门（图中A部分）。扩大水槽。,49,3.1.3 冷却水配管施工注意事项,B 部 软接安装场合,软接,支架,排水阀,泵浦,冷凝器,排气阀,横管不能长,过滤器,50,（1）冷却水管配管应向冷却塔倾斜，但是在鸟居配管场合，应设自动或手动排 气阀。（2）冷却水管最下部应安装排水阀（兼作泵浦或冷凝器最下部分排水用）。（3）从冷却塔到第一号主机（泵浦或冷凝器）的配管应设置过滤器（施工时，应进行清理干净）。（4）在冷却水管与冷却塔接口处应设支撑，安装软接时，在软接附近设支撑。（5）安装方型冷却塔时，冷却水（回）水管的横管应缩短（图中C）。（防止 横向部分中的存水引起泵浦空吸）（6）冷却塔的蒸发量，下水道料金控除场合下水道局 确认。,51,52,（7）安装多个冷却塔时，配管如下图：,53,（a）管路与共用管连接处（尺寸与主管管径相同，但流速不能超过2m/s）防止*共通管路的热膨胀，应设软接。（b）为使各冷却塔的水槽水位平行，应设旁通管。*旁通管尺寸应比冷却塔出口配管的管径大。（c）在下图中的系统中，在控制多台冷却塔的场合，应在冷却水回水管上安装 与泵浦连動的电动蝶阀。（冷却水出水管不设电动蝶阀）*泵浦停止时，管路被关闭，冷却水温度上升时，引起压力的异常。*为防止泵浦出口处的管路内部压力异常上升，应稍微开启电动蝶阀。,54,（d）在安装多台冷却塔时，冷却水回水横管长的话,泵浦停止时，就会落水，再次启动时，泵浦会产生空吸。,55,56,57,8.配管腐蚀在开放系统内，因会溶解空气中之腐蚀性气体及不纯物而容易引起配管腐蚀，尤其溶解在温水中时，水中之氧气最容易引起腐蚀。腐蚀之原因如下：（1）因溶解在水中之氧气引起腐蚀（参照图-1）（2）因大气中之腐蚀性气体SQ3引起之溶解。（3）于水中，异种金属间形成电池，因电位差引起腐蚀。可用绝缘接头插入于异金属 配管间，阻止电流流通来防止。（4）因埋设于地下之管与建筑物配管间之电位差引起之腐蚀。此可于管外面施予以防止。,58,六、大楼空调水管设计配合应注意事项,1水管管道间1）位置2）数量2水管穿梁原则1）RC梁 2）钢骨梁3冷凝排水管路径4空调主机房排水5空调水源1）冷却水2）冰水6储冰系统（若采用筏基为储冰槽）1）位置2）大小3）保温及防水由空调施工4）与建筑之责任分界点,59,七、水泵特性及應用分析,水泵之基本说明已在配管实务基础中（基本流体力学单元）介绍过了，此处仅针对实务设计及应用上做进一步检讨分析。第一节 基本理论在分别讨论水泵各种特性之前，先说明流量（flow capacity）、扬程（lift）、功率(power)及效率（efficiency）等泵的基本要领。（一）流量在单位时间内泵所输送的液体体积称为流量Q，通常以m3/s、L/S（SI制）或GPM表示。另单位时间内泵所输送的液体重量称为重量流量G，以kgf/s或lb/s表示。一般在水泵应用中，较少使用重量流量。,1LPM=60LPS1GPM=3.785LPM,（二）扬程水泵的总扬程（total lift）一般简称为扬程，系指单位重量之液体在水泵的出口处及入口处所具有的能量差，亦即为水泵所供给液体之能量，其值为水泵所供给之压力能、动能及位能的总和。若以H表示泵的总扬程，Gd及Gs各为泵出水口及入水口处测量点的压力，为液体的比重量，Zd及Zs分别为出水口及入水口两量测点高度，其差为Z=Zd-Zs,Vd及Vs各为出水口及入水口处量测点的平均速度。吸入侧之扬程为Hs,吸入侧之损失水头为hs,吐出侧之扬程为Hd,吐出侧之损失水头为hd,吐出之速度水头为vd2/2g,60,则总扬程H可表示为：,或重新移项化成,61,(三)功率及效率 若水泵的流量Q，液体的比重量,总扬程H均已知，则实际上水泵加于液体之动力称为水功率Lw(water horsepower)为：,62,63,注：轴功率（马力）（bhp）是原动机或马达传给联轴器的力量。水功率（马力）（whp）是水泵对水发出之有用功。,一离心水泵出口表压力为7kgf/cm2,入口表压力为0.35kgf/cm2，感测位置在同一高度上，排水管内径为5.1cm，吸水管内径为7.6cm，输送比重为983.2kgf/m3，60的水，每分钟输送0.378m3，设水泵效率为78%，假设管路损失可忽略不计，试求所需功率为多少kw？解：水泵之总扬程为：,64,由题意知：Pd=7kgf/cm2=70000 kgf/m2 ps=0.35 kgf/cm2=3500 kgf/m2 V=983.2 kgf/m3 Zd=Zs,而速度：,代入上式得：,65,第二节 离心泵定律离心泵（centrifugal pump）系指离心力之切线力，将流体压力升高或移动的流体机械。考虑离心泵之定律时，总分下列两种状况来探讨：一为两个几何相似泵，另一为同一泵之轮径尺寸变化或转速变化。（一）两个几何相似泵考虑两个几何相似泵，其叶轮外径分别为D1及D2，叶轮出口宽度分别为b1及b2，如图2-22所示，因为几何相似，两个泵之各部分尺寸形成一定之比例，因此,图2-22 叶轮剖面图 图2-23 叶轮速度图,66,67,动能转换位能方程式,68,即得轴动力相似定律,某泵的转速为1450pm时，其流量为4m3/min,总扬程为25m,轴动力为20kw，试求转速在750pm时，该泵之流量、总扬程及轴动力各为若干？解：由泵相似定律得知：当对同一泵时且同一流体下，则D1=D2，V1=V2，故得：,流量,总扬程,69,轴动力,（二）同一泵之轮径尺寸变化或转速变化，由于同一泵，其叶轮外径若变化时，其叶轮出口宽度仍然维持不变，因此：（其推导方式同相似定律）转速改变：,轮径改变：,流体比重量改变：,，,，,70,在水泵的运转中，由于吸水高度过大或转速过高，而使水泵的最低压力小于当时温度的饱和蒸汽压时，该处的水即发生蒸发而产生气泡;当气泡随流体流入压力较高处时，因外界压力升高，气泡迅速破裂而产生噪音及振动现象，此称之为漩涡真空（cavitation）或孔蚀现象，通常气泡发生于水泵叶轮的入口低压处（如图2-19），沿叶片移动至叶片末端高压处而破裂，气泡破裂时，会产生很大的压力，撞击叶片而造成孔蚀现象（如图2-20），大规模的孔蚀会使水泵的扬程，动力及效率都急剧下降，严重时，泵的功能全失。,图2-19 离心泵叶轮上的漩涡 图2-20 在意离心泵中，漩涡处发生孔蚀点,第三節 离心泵的孔蚀现象,71,（一）净正吸入水头NPSH如图2-21所示系统 Ha=Pa/：大气压力水头 Hv=Pv/：饱和蒸汽水头 Hsa：实际吸入扬程（若吸水面在水泵中心轴上方为正，下方则为负）hls：吸管内的总损失扬程,则在水泵入口处压力为Ha+Has-hls,此压力大于当时蒸汽压之量称为正吸入水头，简称NPSH。NPSH=Ha+Hsahls-Hv 0可用净正吸入水头亦即：NPSHa=Ha+Hsa hls-Hv-RNPSHPUMP 0,泵之RNPSH值表維持液體能流入泵内及克服泵内部壓力損失所需之吸入壓力值。,72,（二）需要净正吸入水头RNPSH 造成水泵入口处压力降低的原因，包括液体流入叶轮入口的冲击损失和壁面的摩擦损失，以及部分压力水头转换成速度水头，此等压力降的总和，称为需要净正吸入水头（required net positive suction head）,简称RNPSH，此值通常正比于流量或流速之平方。若欲使水泵内不发生孔蚀现象，需使进入水泵内的水，经过上述压力降后，仍具有正值的压力水头，亦即：NPSHRNPSH0(RNPSH值可由厂商型录查知性能曲线）也就是说，净正吸入水头要大于需要净正吸入水头，而这两项的差值即：NPSHRNPSH，称为可用净正吸入水头(available net positive sution head),简称ANPSH或余裕水头。其意义为在不发生孔蚀的情况，吸入压力尚可降低之量。,73,使用一单吸式离心泵输送120之淡水，流量为1.25m3/min，水泵转速为1940rpm，若吸水管路线损失扬程为1.2m,若要避免发生孔蚀，最小实际吸入扬程应为多少？（令RNPSH=78.810-6rpm4/3Q2/3）解：120之水，其比重=943kgf/m3,蒸汽压PO=2.02kgf/cm2 abs 因此饱和蒸汽水头Hv为：Hv=Pv/r=（2.02*104）/943=21.4m,由题意已知：hls=1.2m N=2940rpm Q=1.25m3/min RNPSH=8.810-629404/31.252/3=3.85m NPSH=Ha+Hsamin hls Hv=RNPSH Hsamin3.85+1.2+21.4(10330/943)=15.5m,74,(三)离心泵的水鎚现象 水泵在运转中，突然停电而致动力中断或排水阀突然断闭开放时，由于水的流体速度变化产生压力急剧变化，而形成一连串压力波在管路中振荡，造成对水泵及管路损坏的现象，此现象称为水鎚现象（Water harmmer）,防止水鎚现象产生的方法，有以下几种：1：于水泵转轴上装置飞轮，增加转动惯性矩，减缓动力停止时速度的下降。2：于管路中加装缓冲储水池，缓和管路内的压力变动。3：装设空气室，利用空气之可压缩性，缓和管路内压力之上升及下降。4：控制阀门关闭之速度，第一段阀门急速关闭，使逆流量及逆转减少，第二段缓闭，以减轻阀在阻挡逆流时压力之上升。,75,76,77,第四节 系统曲线与性能曲线 在一設計或现有的泵送管系中，各种状况下的点绘曲线甚有助于该系统的特性分析。系统曲线（system curve）为一泵送系统中，摩擦头损失与液体流率及液体特性之函数曲线。在一指定系统中，摩擦头损失大的随系统中流体流量的平方而变。如图2-2所示。,HQ2V2,图2-2典型的挠流系统摩擦曲线,78,图2-3系统水头曲线叠加于泵水头容量曲线,79,图2-3之曲线与联合系统曲线，既点绘系统中静压头及任何压力差之曲线，重叠于水泵性能曲线（HQ曲线）于系统水头曲线之上，得一点。在此点一特定泵将在该点下工作。是故，在图2-3中，点A表示泵之水头容量工作状态。如果该系统中，将阀部分关闭，或以其他方式使系统水头之曲线斜度变更，亦即改变系统中之阻力时，即得如虚线之人系统水头曲线，水泵之新工作点即会转到容量较小而水头较高之处，但仍在水泵之性能特性曲线之上。（一）系统曲线（system curve）在升力系统曲线（No lifit system curve）当泵送管系之中无升力存在（图2-4），系统水头曲线自零流量及零水头開始。如本管系中要有900gpm之流率，其摩擦可计算如下：,图2-4无升力，全为摩擦头,80,入口损失，自水槽进入10”吸入管=0.5 V2/2g0.1ft2ft长10”吸入管之摩擦损失.0.02ft入泵处10”，90度弯头的摩擦损失（相当于10”径25ft长直管的摩擦）0.2ft3000ft长8”排出管之摩擦损失.74.5ft8”闸门阀全开时之摩擦损失（相当于8”径8ft长直管的摩擦）.0.12ft出口损失，自8”排出管进入水槽=V2/2g.0.52ft总摩擦损失.75.46ft,绝大部分為静压头系统曲线如图2-5所示，其管系只有15ft的静压头，当流量为零时其静压头为15ft。由于排出管只有20ft，无吸入管，因此可假定摩擦损失小于总静压头。曲型系统曲线由于泵送系统各不相同，图2-6为一常见的管系配置图，其静压头及摩擦二者均占相当分量。其系统曲线类似图2-4再加上静压头。,81,图2-5大部分为静压头，甚小摩擦头,图2-6相当大的摩擦损失及升力,82,二排出水头系统曲线图2-7表示系统曲线仅由独立之排出二管路且排出水头不同时点绘而成。其组合系统曲线则由二排出管在同一水头下之流率而成。,图2-7二不同排出水头之系统,83,泵之磨蚀与系统曲线当水泵被磨蚀后，在容量及效率上必会有所损失。在一特定磨蚀量下之损失量，泰半决定于系统曲线之形状，如图2-8所示离心泵，当有一定量磨蚀后，具有平的系统曲线之容量损失，较大于具有斜的系统曲线者。,图2-8泵磨蚀对容量之效率,84,（二）性能曲线（performacce curve）水泵在一定的转速N及细入扬程Hs下，流量Q与总扬程H、动力L、效率间有一定关系，通常以流量为横坐标，其余各项为纵坐标，用曲线表示其间之变化关系，此种曲线采用泵之特性曲线（characteristic curve），若仅表示流量与总扬程之间关系则称之为性能曲线。,图2-9离心泵之性能曲线,85,并联与串联工作不论由何种型式或何种等级之水泵所构成之泵送管系均可能有发生问题之时候。通常如管系有要求范围甚大时，可用二或更多的水泵予以串联或并联使用，以达成较高的要求。,图2-10并联与串联工作,86,将水泵并联使用时，性能曲线可用相同水头时的容量相加而点绘出。将水泵串联时，其性能曲线可用相同容量的水头相加而点绘出。（如图2-10）并联系统当二或更多的水泵并联使用时，如图2-11之配置。,图2-11二离心泵并联使用之间管路图,87,当二台具有稳定之上升性能曲线之相似水泵并联使用时，系统负荷将平均分配于二者。图2-12所示为一任意相似水泵之性能曲线。如欲绘出二泵并联之组合性能曲线，只须在各相同水头下将二水泵容量之和点绘在右方即得。例如，单一泵点A为244ft水头时，容量1000gpm，若二泵并联仍工作于244ft水头，则容量水平向右2000gpm处得点B。再如C点为单一2000gpm时，若二泵并联得4000gpm，可得出D点，依次类推，可得K、F点，将其连线则得并联相似泵之组合性能曲线。,图2-12两相似泵之HQ及轴马力曲线,88,当二台之分别特性曲线不相同时，其组合性能曲线如图2-13所示。,图2-13个别的及组合的特性曲线,89,当三台之分别特性曲线不相同时，其组合性能曲线如图2-14所示。,图2-14改进的三泵HQ曲线，在运用上以三泵组合作为单一泵及二或三泵时之特性曲线,90,下垂性能曲线泵并联使用之问题：,图2-15二相同离心泵具有下垂之HQ曲线者，在一节流系统中并联使用时，可能有困难。注：一台泵起动后其操作点为C,若再须加入一台泵时将无法开启,固其建立点A之扬程小于操作点C,91,假定系统需求为1750gpm于226ft 水头处，如点C。再设当2号泵启动时1号泵正在单独运转，1号泵之226ft水头，将施压于2号泵的止逆阀上，使阀关闭。因226ft水头大于2号泵的223ft关闭水头（shut off head），如点A。因此当2号泵转速渐增至关断水头时，也只有223ft，并不能打开对方施压的226ft，因之泵不能泵送水量至系统中。有另种方法可以克服此种困难。考虑在图2-11之两泵，1号正泵送1750gpm处，靠节流此泵之排出阀，系统管路中B点以及予以2号泵止逆阀之压力能减低到2号泵关断水头以下。2号泵一开动，它能冲开止逆阀并承担了部分负荷。此法以及其他各法能使第二泵加入系统工作，通常需要作谨慎计时及开关阀的手续。,92,流量分担-二泵具有下垂HQ曲线（图2-15），可能不会平均承担流量，虽然它们在水利学上效应相同，并有同样的速度亦复如此。例如，要泵送2250gpm，如F点。但也可使一泵工作于C点，1750gpm，其他一泵工作于500gpm，如G点。此二种情况之水头均相同。因之，我们不能确定二泵能有稳定的工作状态。两泵均具有下垂之HQ曲线（图2-15），而容量又低于使系统水头超过了泵的关断水头时，不宜并联使用。在图2-15中，一泵之2100gpm，223ft水头处，如H，或二泵之4200gpm，于同一水头，J点。当二泵工作于此点或更高的容量的时，它们在HQ曲线中的稳定部分，并能作相等的流量分担。同时，一泵不能分担全部负荷而关断另一泵。工作上的要求：当二泵在一节流中并联工作，它们应：（1）应有稳定升高HQ曲线直到关断点，（2）在它们在可能的工作水头范围下具有相同的效率减低百分数，或至少在此整个范围中能 泵送一些液体。通常二或多个泵具有稳定的HQ曲线以及相等的关断水头者，在它们较低的容量下，能分担大约相同的符合。,93,串联系统两水泵串联运转时，其串联后之扬程为同一流量下两泵单独运转扬程之和，如图2-16（a）所示为两台之特性相同的水泵串联，曲线I为单独水泵之性能曲线，曲线II为串联后之组合性能曲线。II定在同一流量下的I之扬程加后而得，若系统曲线为R时，得到运转点为A，每台水泵之扬程均为HI，串联后之扬程HII为HI之两倍，即,HII=HI+HI=2HI,图2-16 串联运转,94,图2-16（b）所示为特性不同的两泵串联，曲线Ia、Ib为各水泵单独运转之性能曲线，串联后之性能曲线II为同一流量下Ia、Ib两水泵扬程相加而得。当系统曲线为R时，运转点为A，两水泵之运转点分别为B及C，扬程为HIa、HIb，则串联后之扬程HII为,HII=HIa+HIb,若系统曲线变平时，运转点可能落在II（Ib）范围，此时仅有泵Ib动作。,例题2.3 一水泵以每分钟1170rpn运转一管路系统中，其扬程特性曲线为H=4900.26Q2，而系统之阻力曲线HR=100+1.5 Q2，式中Q单位为kgal/min，试求出下列各运转情形之流量：a）一个水泵单独运转，b）两个水泵并联运转，c）两个水泵串联运转。解：已知H=490-0.26Q2水泵性能曲线HR=100+1.5Q2管系性能曲线,95,a）一个水泵单独运转时，运转点为H及HF二线之相交之点，即 H=HF 或 490-0.26Q2=100+1.5 Q2 得出 Q=14.9kgal/minb）两个水泵并联时，若全部流量为Q，则每台单独之流量为Q/2，因此490-0.26（Q/2）2=100+1.5 Q2得出 Q=15.8kgal/minc）两个水泵串联运转时，其扬程为各台泵单独运转时扬程之和，因此 2H=HR即 2（490-0.26 Q2）=100