【美国JMP学习课堂】一次泵与二次泵系统

第一部分：看清三通

您是否参与水力系统的设计或安装？你指望成为参与？

如果您对以上两个问题中的任何一个回答为“是”，那么有关初级/次级抽水的博客系列将使您感兴趣。如果您是水力发电的资深人士，请随时跳过本系列的前几篇博客-它们可能是一篇过多的评论。更好的是，将它们传递给初级同事，然后坐下来处理更复杂的主题。

目前，我们从基础开始，这对于深入参与泵系统设计或操作的任何人都是必不可少的。随着系列的进行，我们希望得到您

从这里：

到这里：

为此，我们将从不起眼的管道三通和一个称为“三通法”的概念开始。

发球法只是说，发生的事情在三通的开口（一个或多个）得出来的剩余开口（S）。换句话说，如果您有150 GPM进入发球区，那么您将有150 GPM离开发球区。这可能意味着所有流量都直接通过，或者流量在其他孔之间以等于150 GPM的某种组合分配。（图1）

图1

听起来很简单？它是！就是说，随着系统变得越来越复杂，很容易忽视这一基本法则的简单性。但是，即使是最复杂的系统（例如下面的Primary Secondary Tertiary示例）也植根于这个简单的概念。因此，请不要忽略它。

显然，管道三通遍及任何水力系统，但让我们谈谈它们在一次/二次抽水中的具体作用。图2显示了一级/二级管道系统的简化示意图。在底部，我们看到了主管道（有时也称为“生产管道”），并且看到了次级回路和冷却回路，其两端通过两个三通与主管道相连。这两个三通（以绿色显示）代表通常被称为公用管道的管道。

图2

假设主泵的抽速为100 GPM。公共管道中没有安装阀，因此主回路的第一和第二个三通之间的流动没有中断或压力下降。

那么，该辅助管道中发生了什么？

没事一级泵（100 GPM）的流量直接通过两个三通，二级回路中的水就坐在那里。所有动作都在主循环中。这是另一个常见的水力法则的基础：

当两个管道回路互连时，流入其中一个不会引起流量

如果在公共管道中没有压降，则使用另一种方法。

现在，考虑当我们在公共管道中有一个平衡阀并部分打开它以使仅35 GPM的流量通过公共管道时会发生什么。现在，我们不再有100 GPM直通三通，而是有35 GPM直通三通。郭鹏学暖通剩余的65 GPM通过三通的另一个开口分流，并通过次级回路产生65 GPM的流量。切记–三通中必须流出，在这种情况下，65 GPM将被路由到次级回路，而35将直接通过公共管道。（图3）

图3

当然，一级/二级系统通常由一级泵和二级泵组成。那么，如果将泵添加到次级回路中会发生什么呢？无论公共管道中是否存在平衡阀，二次泵都会在二次回路中建立流量。在这种情况下，我们安装了一个辅助泵，该辅助泵在辅助回路中产生150 GPM的流量。同时，我们在主循环中仍然只有100 GPM。回到Tee法，我们知道Tee不能达到100 GPM，Tee不能达到150 GPM。那么其他50 GPM是从哪里来的呢？

图4

答案在普通管道中。在这种情况下，我们在公共管道中创建了逆流条件，其中100 GPM来自主回路，而50 GPM来自次级回路，流向公共管道的左侧。（图4）直觉上，您可能知道这在许多情况下都不是理想的情况，我们将在本系列后面的部分中探讨为什么是这种情况。现在，对您来说很重要的一点是，要理解三通定律是正确的，即使这意味着造成逆流情况。

同样，在公共管道中没有压降（平衡阀）的情况下，通过主回路和副回路的流量将保持彼此独立。假设您知道两个回路中的流量，那么只有在普通管道中发生的流量会受到影响，并且这是完全可以预测的。始终会出现以下三种情况之一：

流动条件

普通管道的流向

（1）初级流量>次级流量

向右流动

（2）初级流量

向左流动（反向）

（3）初级流量=次级流量

无流量

因此，这是了解一级/二级设计的第一个也是最基本的构建块，而这一切都取决于您已经知道的知识！发球台上的东西必须出来。决定一个或两个孔口流出多少流量的是公共管道（或缺乏管道）中的压降。

接下来，我们将讨论一次/二次系统中温度的变化。

第二部分：混合温度和流量

当两种不同温度（也许不同流速）的水合并时，管道中会发生什么？

有一个非常简单的公式可以告诉您确切的水温。在此博客中，我们将详细讨论该计算，并仔细研究混合温度和流量如何影响主二次系统的性能。在冷冻（或热水）系统设计中不能否认物理定律，因此，对这些基本原理有扎实的了解对于做出良好的设计或故障排除决策很重要。

因此，让我们看一下水力系统中的混合温度。图1显示了一个具有混合温度和流量的管道三通的非常简单的示例。图表下方的计算精确地说明了在40°F下的100 GPM和55°F下的50 GPM混合后，我们如何确定三通右侧的水温。我们只需将要合并的两个管道的流量和温度相乘，将这些值相加，然后除以结果流量即可得到混合水的温度，在我们的示例中为45°F。

图1

现在，将其应用于实际的一级/二级水力系统。

图2显示了一个不平衡的系统（这意味着次级回路中的流量与初级回路中的流量不同。）正如我们在本系列的第1部分中所讨论的，这种情况将导致公共回路中的反向流动（绿色）管道。在我们的图2示例中，我们将有60 GPM的反向流。知道我们对混合温度和流量的了解后，这将如何影响水力系统中二次回路的供水温度？

请记住，在此示例中，我们的冷却盘管的设计电源温度为45°F，Delta T（∆T）为10度。这是非常典型的，因为这是水力冷却系统中实现空气适当除湿所需的近似温度。这是我们的目标–但是如果由于某种原因我们开始以180 GPM的速度使次级电路溢出？

图2

如果我们对普通管道中发生的情况归零，并应用上面使用的公式，我们会注意到所有突然的供应温度不是45°F，而是大约为48°F。：

（120 GPM x 45°F）+（60 GPM + 55°F）= 180 GPM x T

T = 48.333

那是个问题。48°F的供电温度不足以在盘管中实现适当的除湿。解决此问题的最佳方法是在次级回路中安装平衡阀或回路设定器，以将流量降低至120 GPM。然后，我们的流量得到平衡，目标二次电源温度为45°F，设计10ΔT保持不变。同样，我们的冷水机将得到满意的结果，因为它们达到了为其设计的55°F回水温度。

不幸的是，平衡次级回路和初级回路并不总是第一个想到的解决方案。有些人可能决定增加一次回路中的流量，因为这将消除公共管道中的逆流，并停止将温暖的回水与冷供水混合。（图3）

图3

该解决方案可以满足我们的制冷和除湿要求，但是却给我们的制冷机带来了问题。为什么？因为现在我们有52°F返回到冷却器，而本来应该有55°F。在这种情况下，冷水机将无法正常装载，您将永远不会从冷水机工厂中获得设计吨位！

使不同的流程起作用

这并不意味着主要循环和次要循环中的流必须相同。经过适当设计，您可以在次级回路中获得更大的流量，同时仍将45°F的水带回次级回路，将55°F的水带回冷却器。这一切都在数学上。

考虑下面的示例（图4）和以下公式：

BTUH

GPM = 500 x ∆T

在我们的示例中，我们的冷却盘管旨在从二次供水中去除750,000 BTUH。（请注意，我们的初级电源为40°F，次级电源为45°F，盘绕线圈的∆T为10度。）

图4

使用公式GPM = BTUH / 500 X∆T，我们可以确定在主回路和副回路中有以下流程：

750,000

500 x 10 = 150 GPM在次级回路中

750,000

主回路中500 x 15 = 100 GPM

因此，如您在图4中所看到的，一切都与我们的供应温度良好，而一切都与进入冷却器的温度良好。是的，公共管道中的逆流流量为50 GPM，但是由于我们已将一次供水温度降低到40度，因此我们仍然能够向二次回路输送45度的水。同样，这全部在数学上：

（100 GPM x 40°F）+（50 GPM x 55°F）= 6750 x T

从而，

T = 45°华氏度

第三部分：避免低Delta T综合征

低Delta T综合征。 仅此一项术语就使参与冷水机组设计或运行的任何人都感到恐惧。我们知道低三角洲T综合征很严重。我们知道它浪费能源。这个话题引起了无数的技术文章和白皮书，而我们大多数人都没有时间或耐心阅读。但是请放心，因为不管您相信与否，如果您已经阅读并理解了本系列的第1部分和第2部分，那么您已经具备了了解低三角洲T综合征的基础。您只是还不知道。

在深入探讨之前，让我们记住，冷冻水系统设计的目标之一是从单个冷水机中获得尽可能多的吨位。没有人愿意运行两台500吨冷水机组来满足低于500吨的需求负荷。这不仅浪费了冷水机能源，还浪费了一级泵能源，二级泵能源，冷却塔能源和冷却塔泵能源。这就是我们要避免的事情。

避免这些昂贵的问题的关键是确保您的系统Delta T符合设计要求。换句话说，您要确保系统从空气中吸收足够的热量，然后将热量传递给冷冻水，然后将水以足够高的温度返回冷却器，以保持其正常负载。

信不信由你，所有这些都可以归结为您在第2部分中已经知道的公式：GPM = BTUH / 500 X ∆T，或者换句话说，BTUH = 500 X GPM X ∆T

低Delta T是系统问题！

假设我们有一个主/辅助系统，其工作条件如图1所示。

图1

在此示例中，我们向系统供应44度的水，并提取12度的设计DeltaT。公用管道中没有水，因为我们的主要流量和次要流量平衡。它们都以1000 gpm的速度运行。我们正在满足当前的需求，保持12度的增量T，并最大程度地发挥我们500吨冷水机之一的潜力。下面的公式证实了这一事实：

但是，如果我们没有达到12度Delta T，会发生什么？如果我们的线圈脏了，或者我们没有充分改变流量（在系统中移动冷冻水）以冷却实际需要冷却的空间怎么办？这就是低三角洲T综合征！我们没有按设计提取热量，因此我们的回水温度低于设计。如下式所示，Delta T的几度差异会对冷水机的装载方式产生重大影响：

仅使用10度的增量T，我们就只能从我们的500吨冷水机中抽出417吨冷水-无论我们的系统需求是什么。该冷水机的重量为417吨，仅装载了83％的容量。这是一个问题，因为如果我们的需求超过417吨，那么唯一的立即补救措施就是安装第二台冷水机，从而在多个层面上增加我们的运营成本。

此外，即使我们在技术上有足够的冷水机组容量，但只要达到设计负荷条件，我们总是会无法满足需求。这是一种太常见的情况，提示许多设施购买额外的冷却器。这是解决问题症状而不是问题本身的昂贵创可贴。

请记住-低Delta T综合征是系统问题，而不是一次/二次泵送的结果。这可能是由各种系统问题引起的，例如线圈变脏，线圈尺寸不合适，控制阀尺寸不合适，控制阀质量/量程和系统压力波动。解决低Delta T的最佳方法是修复系统中发生的问题，无论是性能不佳还是线圈尺寸过小，或者对各个区域的流量控制不足。

第四部分：改变流量和温度时，会发生什么？

既然我们知道在一级辅助泵系统中改变流量和混合温度时会发生什么，下面让我们在一些更实际的场景中探索这些理论。

正如先前博客中所讨论的那样，当涉及主辅助系统时，总是会出现以下三种流模式之一：

主要流量等于次要流量

主要流量大于次要流量

主要流量小于次要流量

图1显示了一个典型的系统，该系统工作时的主要流量等于次要流量。两台500吨冷水机组中的一台正在完全向次级回路供应1000加仑/分钟的流量。恰好有1000加仑/分钟的流量返回主泵，并且公共管道中没有流量或温度混合。我们的设计Delta T为12度，供应温度为44°F，返回温度为56°F。

没有比这更好的了。满足部分负载条件的单个冷却器就位。我们正在将56°F的温暖水带回冷却器，使冷却器平衡流动，盘管正在做应有的工作，这对世界来说都是正确的。

图1

但是，如果我们需要向系统供应1500 gpm的44°F水，迫使第二台制冷机投入运行，会发生什么情况？

如您在图2中看到的，我们现在有两个冷却器，它们在44度时的功率为2000 gpm。但需求如此之高，以至于次级回路仅消耗1500 gpm。剩余的500加仑/分钟会去哪里？正如我们之前所了解的（记住Tee定律！），额外的500 gpm将通过公用管道绕过次级回路，并与从次级回路返回的1500 gpm合并。

这是一个非常典型的部分负载情况，两个冷水机组的负载量恰好达到75％。请记住，当流量合并时，温度也会合并。即使我们从系统中取回56°F的热水，回水也将在公共管道中以44加仑的500加仑/分钟的速度混合，因此冷却器的最终回水温度为53°F。。与12度的设计Delta T相比，这使我们的冷水机的Delta T为9度。因此，我们的冷水机负荷为75％。（9°F / 12°F）。

图2

现在，让我们看看当主流量小于次流量时会发生什么。

图3中的示例显示了一个满载的冷水机，其在44°F下的流量为1000 gpm。但是，我们的系统实际上消耗了1200 gpm的流量，因此，现在普通管道中的反向流量为200 gpm。我们将取200 gpm的56°F的温暖回水，并将其与1000 gpm的44°F的给水混合，使我们剩下的46°F的水进入了盘管。这些水可能不够冷，无法满足盘管的除湿要求。因此，仅使用一个冷却器就可能无法满足需求。

图3

解决此问题的一种明显方法是启动第二个冷却器，将流量在44°F时提高至2000 gpm。（请参见图4）在44°F时取出1200 gpm的水，尽管我们将通过公用管道额外发送800 gpm的44度水，郭鹏学暖通但我们的盘管将完全满足要求。这些水将与我们的回水混合，从而为冷却器提供51°F的水。每个冷水机组的负荷将刚好超过50％。这不是最高效率的工作点，但是至少我们的盘管很满意，我们带回了56°F的水。

图4

尽管就运行效率而言，进入冷却器的水温远低于理想水平，但这不应与低三角洲T综合症相混淆，这是系统问题的征兆。较低的ΔT是在普通管道右侧发生的结果，并且可能是由各种系统问题（例如线圈变脏或尺寸过小或流量平衡不足）引起的。低Delta T将阻止您的冷水机正确装载，无论需求如何。

第五部分：管道最佳做法

总体上，一次二次泵系统中的管道系统可能非常复杂，但是当涉及系统的“一次”部分时，实际上只有两种方法：专用或非专用。

图1显示了一个主二次系统中的冷却器，每个冷却器通过管道输送一个泵。如果冷却器要以待机模式运行，则可以在两个冷却器之间的共享管道中安装蝶阀。无论哪种方式，泵都是专用的。

图1

图2显示了一个非专用的管道布置，其中主泵被歧管在一起。为了保护冷却器，该方法需要在冷却器的回程侧配备两通隔离阀，在供应侧要求限流器。

图2

在以上两种管道布置中，您都可以看到，第一回路和第二回路通过公共管道相互分离。这使我们想到了一个关于这些主要/辅助系统的常见问题：公共管道可以持续多长时间（或短时间）？ 换句话说，在常见的管道出现流动问题之前，我们可以承受多少压力降？

Bell＆Gossett实际上对此主题进行了广泛的研究，并确定最大压降不应超过1.5 ft。他们还确定最小长度应不小于3个管道直径。公共管道的直径通常与冷却器供应管道的直径相同。

工程师经常问的另一个问题是空气分离器在一次/二次冷却水系统上的位置。空气分离器可以在任何位置工作，但是当它们位于二次回路的回油管道中且靠近公共管道时，它们将最有效。（见图3）这是水最热，压力最小的地方。这是去除空气的最佳机会，因为水越热，可以容纳的空气就越少。

第六部分：输送HVAC系统的5种方法

泵送冷却器或锅炉系统有多种方法。实际上，有五种常见的方法，除了一种方法外，其他所有方法都包含了我们后来的主题的一些变体-初级次级泵送。

可变一次抽油

不利用一次二次泵的现代系统通常称为可变一次系统。在这种简单的设计中，只有一组泵（冷却泵或锅炉泵）为整个系统创造流量。从图1中可以看到，在冷却泵和系统分配之间仍然有一条公共管道，但是没有辅助泵。控制阀安装在公共管道中。通过对该阀进行节流，我们通过公共管道产生了压力降，这迫使更多的水进入分配管道。在这种类型的系统中，控制阀是唯一的控制手段。

优点/缺点： 一般而言，可变主系统的第一成本较低，但由于节流控制阀会浪费马力，因此泵的运行成本可能会增加。如果您可以过量泵送冷水机，那么冷水系统上的可变一次水可以补偿T值。控制顺序可能很难掌握，并且这种系统不像带有辅助泵的系统那样容易扩展以满足不断增长的或不断变化的需求。

图1

一次二次抽水

下一步是建立一个简单的主要辅助系统-在过去的几周中，我们一直在广泛讨论这一问题。在图2中，您可以看到几乎任何类型的主要辅助配置的所有基本构建块。恒速泵驱动流量通过主回路（冷却器或锅炉）。单独的辅助泵将可变流量传递到辅助回路，并使用双向阀控制通过每个区域的流量。

优点/缺点： 这种简单的设计通常具有较低的首次使用成本和良好的灵活性。通过消除开/关阀和最小/最大流量要求，它还降低了冷却器或锅炉分级和控制的复杂性。但是，效率是有限的，因为最靠近主回路的区域容易过压。

图2

一次-二次-三次抽水

在主要-高等教育系统（图3）中，事情开始变得有些复杂，但是原理都是相同的。公用管道（无论是在主回路和副回路之间，还是在副回路和三级回路之间）都充当解耦器，因此流彼此独立地起作用，并且存在额外程度的热隔离。

优点/缺点： 初级-次级-第三级系统长期以来一直用于具有较长管道的大型校园型安装。它们使设计人员可以灵活地分隔较远的区域，从而使次级泵不必承受如此高的压头损失负担。它们提供了出色的设计灵活性，因为到每个区域的流量都是独立的，因此对于具有不同负载模式的系统，一次-二次-三次泵送是一个不错的选择。考虑到额外的泵和二通阀，第一成本会更高，但如果设计合理，一次-二次-三次泵抽运可大大降低运行成本。这样的系统也很容易扩展，因为添加不会影响现有泵的流量或平衡。

图3

主次三系混合

初级-次级-第三级设计也可以混合使用，这意味着您不必在每个区域上都设置第三级环路。相反，您可以使用三级泵隔离高水头损失区域，同时继续通过二级泵有效地服务附近区域。图4显示了一次-二次-三次混合设计。

优点/缺点： 这种方法提供了标准的初等-高等教育的所有效率和灵活性，但确实消除了一些额外的设备成本。

图4

小学中学-区

最后，还有主要-次要区域方法。在主要-次要区域设计中，单独的泵为每个单独的区域提供服务；没有专用的二次回路泵。如图5所示，各个区域之间没有公共管道，因此更改一个区域将影响流经其他区域的流量。因此，对于可能要面对未来扩展或翻新的系统而言，这不是最佳选择，因为现有负载的变化可能需要调整所有泵的尺寸。

这种类型的设计具有节省大量能源的潜力，但有一些警告，包括对系统需求变化的反应时间较慢。由于泵是并联的，因此必须特别注意选择，并且性能曲线必须兼容。同样，在某些负载条件下，返回压力可能高于供应压力，这可能会给初级回路设备带来问题。

优点/缺点： 这种管道布置的主要优点是显着降低了系统压力并降低了马力。但是，可控性是一个挑战，因为区域之间没有解耦。扩展系统也可能非常昂贵。

图5