組合式空調箱換熱器調節閥流量系數的選型設計

張蒙生

組合式空調箱換熱器調節閥流量系數的選型設計

張蒙生

（河南中煙漯河卷煙廠 漯河 462000）

針對組合式箱空氣加熱器或者表面冷卻器安裝使用的自動調節閥流量系數選型過小，導致在極端天氣下，空調空氣換熱器供熱或供冷不足，影響溫濕度的調控，建立了熱力學計算模型，通過理論設計可使管道管徑和閥門流量系數選型科學合理，滿足異常氣候變化的冗余設計要求。

自動調節閥；流量系數；組合式空調箱；空氣加熱器；表冷器；選型設計

0 引言

空氣加熱器或表面冷卻器是組合式空氣調節箱內安裝使用的主要空氣換熱器設備，它們分別提供熱源和冷源，對空氣進行升溫和降溫除濕處理，滿足空調末端對空氣的溫濕度要求。加熱器和冷卻器換熱結構通常采用銅管散熱、散熱管外繞翅片擴大散熱面積方式[1]。媒體為熱媒，如熱水、蒸汽和冷媒，如冷水等。在換熱器換熱量和換熱面積達到設計要求的前提下，其蒸汽或冷水流量應滿足最冷和最熱氣候條件下熱濕負荷和冷濕負荷的要求，這就要求配備合適的流量調節閥和配管以適合熱能和冷量最大需求，控制熱能或冷量交換的調節閥和配管管徑最大流量選型不能過大，否則會產生不經濟投資，但也不能過小，從工程設計實際案例來看，選型過大和過小都是很常見的，因此探索自動調節閥流量系數的計算和閥門選型很有必要。

1 調節閥的Kvs值

Kvs[2]，也稱Kv，流量系數（亦稱流通能力），其定義為：溫度為5℃～40℃的水在105pa的壓差下，1h內流過全開控制閥的體積流量，m3/h。閥門的流量系數所承載的熱值或冷量必須滿足最冷和最熱氣候環境下對換熱器的換熱要求。

2 自動調節閥Kvs值的計算模型

流量系數的計算按圖1步驟進行。

圖1 Kvs值計算數學模型圖

以空調空氣加熱器為例，介紹閥門流量系數的計算，流體介質為飽和蒸汽，設定壓力0.3MPa。

空調空氣加熱器為空調主要的溫度調節部件，通過調節蒸汽流量的大小，從而調節換熱器的換熱量，改變并穩定空氣溫度。蒸汽調節閥應具備寬范圍調節能力，以適應室外環境溫差的變化要求，但流量系數過大需要增加管徑，增加管道的購置安裝成本，流量系數過小，雖然減小了采購成本，但熱能不足。因此流量系數的選擇要考慮極端天氣最不利工況進行選型設計。

3 案例分析

某卷煙廠貯葉間空調（K4空調），其空氣加熱升溫采用蒸汽電動調節閥進行蒸汽流量控制，管網布局如圖2所示。兩臺蒸汽換熱器采用并聯方式，通過控制蒸汽流量，滿足車間工藝生產要求（該空調精度為：溫度為32±2℃，濕度65±3%RH）[3]，但在實際運行過程中存在如下問題：冬季極端天氣（室外-4℃以下），當電動調節閥閥門開度98%時，空氣加熱后送風溫度30℃，送風溫度偏低，導致車間溫度低于設定值。

圖2 某空氣加熱器管網圖

將電動蒸汽調節閥6開度設置100%時，利用紅外測溫儀分別測量調節閥前后管道的溫度，發現流量調節閥其上游溫度為140℃（基本接近表壓0.3MPa對應的飽和蒸汽溫度143.6℃）[4]，下游溫度為110℃，明顯低于上游蒸汽的溫度，說明蒸汽電動調節閥及其安裝管道成為蒸汽輸送的瓶頸，蒸汽流量不足，散熱器換熱能力偏低。可能為了節約調節閥選型成本，采用流量通經低于主管公稱直徑，利用減縮管進行安裝。其局部安裝管網圖見圖3所示。我們通過熱力學計算模型進行重新選型設計，方法如下步驟。

圖3 某空調蒸汽流量調節閥管道的安裝圖

3.1 基本參數確定

空調額定送風量為=40000m3/h，送風采用變頻控制送風量，變頻范圍38～45Hz。

空調工藝環境溫濕度設定：0=32℃，0=65%，0=82.499kJ/kg，含濕量0=19.58g/kg干空氣。

室外計算溫濕度（干球溫度）t=-4℃，濕度s=60%，h=0.148kJ/kg，含濕量d=1.68g/kg干空氣[5]。

新風風門冬季最小開度為30%[6]。

蒸汽汽源壓力0.30MPa（表壓），蒸汽的密度=2.6211m3/h。

3.2 計算空調加熱和加濕所需的蒸汽總熱值

[7]

式中，1為室外新風風量，m3/h。

1=40000×0.7×0.3=8400m3/h（送風機負荷率取0.7，新風占混風比0.3）

此數值可作為換熱器設計和選型的依據；查相關散熱器型號，選擇熱功率與之相匹配的換熱器，該散熱器進出汽管口直徑為DN40。

3.3 折合需要蒸汽總流量

同樣依據上述公式，計算質量流量如下：

式中，為蒸汽被空氣吸收的熱值，kW；Δ為蒸汽由0.4MP（絕對壓力）凝結為0.1MP（絕對壓力）的狀態變化焓差，查表取2243.2kJ/kg。

3.4 計算濕負荷所需要的蒸汽流量

3.5 換熱器需要的蒸汽流量

在該狀態下（表壓力0.3MPa下）體積流量：

折算為表壓力0.1MPa下的體積流量為：

查廠家選型表，表1所示，選取Kvs值為40m3/h，西門子電動閥VVF31.50.40為佳。

表1 西門子電動調節閥Kvs選型表

3.6 電動調節閥配管的選型

參考文獻[8]，蒸汽流速一般為30～50m/s，閥門孔徑為：

根據電動調節閥的選型，選擇DN50管道較好，管道選用國標φ57×3.5無縫鋼管。由于配管通徑和調節閥內徑均為DN50，因此調節閥與配管連接無需配備變徑連接頭，采用直管連接。

3.7 驗證閥門選型的有效性

表壓為0.3MPa最大質量流量：

40m3/h×2.621/1.113×2.621kg/m3=246kg/h>177kg/h（換熱器需要的蒸汽流量），閥門流量系數選擇有效。

3.8 管路改進

通過上述分析，確定按如下改進方案進行：將閾值（流量系數）為10m3/h，DN25西門子電動執行器改為流量系數為40m3/h，DN50調節閥，提高蒸汽的過流面積，改進后其在壓力在0.3MPa時，蒸汽最大流量為80m3/h，提高蒸汽換熱器的熱值。另外，將原減縮管DN50-DN25改為DN50直管段，同時更換法蘭為DN50，增大蒸汽流量，消除漸縮管瓶頸。

改進后管網如下圖4所示。

圖4 改進后空調加熱器蒸汽流量調節閥管道的安裝圖

4 結語

空氣加熱器熱能應在總熱能的基礎上去除熱負荷所需要的熱能，表冷器通常是濕盤管冷卻方式，承擔降溫除濕功能，其換熱的冷量包含濕負荷的冷量。

只要準確調查清楚當地冬季和夏季冷工況、最熱工況的氣候特征，即夏季計算空調送風溫濕度和冬季計算空調送風溫濕度，依據上述計算模型，就可準確計算所需調節閥的流量系數和管道管徑選型，提供最佳冗余設計。

[1] 張蒙生,馬書和.卷煙廠制冷機冷卻水余熱回收與利用[J].暖通空調,2018,48(9):37-39,18.

[2] 陸培文.工業過程控制閥設計選型與應用技術[M].北京:中國標準出版社,2016.

[3] 國家煙草專賣局.卷煙工藝規范[M].北京:中國輕工業出版社,2016:64

[4] 余曉福.水和水蒸氣熱力性質圖表[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5] 李岱森.空氣調節[M].北京:中國建筑出版社.2000.

[6] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

[7] 中國電子工程設計研究院.空氣調節設計手冊（3版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2017.

[8] 胡憶溈.實用管工手冊（4版）[M].北京:化學工業出版社,2017.

Lectotype Design of Flow Coefficient of Regulating Valve for the Heat Exchanger of Combined Air Conditioning Box

Zhang Mengsheng

( LuoHe Cigarette Factory, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd, Luohe, 462000 )

Be aimed at the question the selected auto- regulating valve flow coefficient is too small in used of air heater or surface air cooler for the Combined air Conditioning box, the supply heat or cool energy of the air Condition air heat exchanger is in short in extreme weather conditions, affect the temperature and humidity control,establish Engineering thermodynamics mathematical model, though the theoretical design of pipe diameter and regulating valve flow coefficient, selection is scientifically rational, meets the redundancy designrequirements in extreme weather conditions.

auto-regulating valve; flow coefficient; combined air conditioning box; air heat exchanger; surface air cooler; lectotype design

1671-6612（2019）06-649-05

TK172.4

A

張蒙生（1969.08-），男，本科，工程師，E-mail：zhangmsh_c@163.com

2019-02-25