热网水力工况实验旨在研究热水供热系统中流体（热水）的流动特性、压力分布及流量分配规律，为系统设计、优化和运行提供科学依据。其核心原理基于流体力学、热力学及水力计算理论，以下从基础理论、实验方法、关键参数及分析目标四个方面展开说明。
一、基础理论
1. 连续性方程（质量守恒）
公式：Q=A⋅v（流量 = 管道截面积 × 流速）
意义：在稳定流动中，热网各分支的流量满足守恒关系，即流入节点的流量等于流出流量。
类比：如同水流通过不同管径的管道，管径越小，流速越快，但总流量不变。
2. 伯努利方程（能量守恒）
公式：P+21ρv2+ρgh=常数（压力能 + 动能 + 位能 = 常数）
意义：描述热网中压力、流速和高度之间的关系，用于计算管道压降。
应用：分析水泵扬程是否满足系统阻力需求。
3. 达西-魏斯巴赫公式（沿程阻力）
公式：ΔPf=f⋅DL⋅2ρv2（沿程压降 = 摩擦系数 × 管道长度/直径 × 动压）
意义：计算热水在管道中因摩擦产生的压力损失。
关键参数：摩擦系数 f 与管材粗糙度、流速、流体黏度相关。
4. 局部阻力公式
公式：ΔPl=ξ⋅2ρv2（局部压降 = 局部阻力系数 × 动压）
意义：计算阀门、弯头、三通等局部构件的压降。
示例：标准90°弯头的局部阻力系数 ξ≈0.75。
二、实验方法
1. 实验系统搭建
组成：热源（锅炉或电加热器）、循环水泵、管网（不同管径管道）、调节阀、用户模拟装置（散热器或换热器）、测量仪表（流量计、压力传感器、温度传感器）。
2. 工况模拟
定流量工况：固定水泵转速，调节阀门开度，观察压力分布。
变流量工况：改变水泵频率或启停部分用户，分析流量分配变化。
故障工况：模拟管道堵塞、阀门失效等，测试系统鲁棒性。
3. 数据采集
关键参数：流量、压力、温度、水泵功率。
测量频率：稳态工况下每10秒采集一次，动态工况下每1秒采集一次。
同步性：确保流量、压力、温度数据的时间戳一致，便于分析动态响应。
三、关键参数分析
1. 流量分配
影响因素：管道阻力、用户需求、水泵特性。
分析方法：绘制水压图（压力随管长变化曲线），观察各分支流量是否满足设计要求。
问题诊断：若某分支流量过小，可能是管道堵塞或阀门开度不足。
2. 压力分布
静压与动压：静压反映管道承压能力，动压与流速相关。
临界点：蕞低静压点需高于水的汽化压力，避免气蚀。
示例：若某点静压低于0.5bar（5m水柱），需检查水泵扬程或管道阻力。
3. 水力失调
定义：实际流量与设计流量不一致，导致部分用户过热或过冷。
量化指标：水力失调度 δ=Q设计Q实际−Q设计。
解决方案：通过调节阀平衡流量，或采用动态水力平衡阀。
四、实验目标与应用
1. 验证设计合理性
检查管径选择是否满足流量需求，水泵扬程是否足够。
示例：若主干管压降超过设计值的20%，需增大管径或减少弯头数量。
2. 优化运行策略
确定最佳水泵频率、阀门开度，降低能耗。
案例：通过实验发现，水泵频率降低10%可节能15%，且用户流量满足要求。
3. 故障诊断与预防
建立水力工况数据库，对比正常与故障工况数据，实现快速定位问题。
应用：若某分支压力突然升高，可能是下游阀门关闭或管道堵塞。
4. 指导系统改造
为老旧热网升级提供依据，如增加调节阀、改造管网布局。
效益：改造后水力失调度从±15%降低至±5%，用户投诉率下降30%。
五、总结
热网水力工况实验通过测量流体流动参数，结合流体力学理论，揭示系统运行规律，为供热系统的安全、高效运行提供支持。其核心在于：
1. 理论支撑：基于连续性、伯努利和达西公式，建立水力计算模型。
2. 实验验证：通过实际工况模拟，检验设计假设，发现潜在问题。
3. 优化决策：基于实验数据，调整运行参数或改造系统，提升能效和用户满意度。
通过系统性实验与分析，可显著降低热网运行成本，提高供热质量，助力“双碳”目标实现。
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