供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置及其调节方法与流程

本发明涉及采暖系统中的供热管网管道，具体涉及供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置及其调节方法。

背景技术：

在冬季区域采暖系统中，经常出现供热不均衡现象。一部分区域采暖温度低，室内寒冷，供暖温度达不到政府规定的最低温度，很多用户拒不缴纳采暖费。而另一部分区域的采暖温度偏高，很多用户时常开窗降温，大量热量排到室外，造成能源的巨大浪费。这种区域采暖中的“一冷、一热”现象，在很多地方出现。出现区域供暖温度不平衡，产生“一冷、一热”现象的原因主要很多，主要有以下几点：

（1）采暖管网设计不合理；

（2）采暖管网、散热器、阀组安装施工不合理；

（3）供暖管网分布的供热能力与用户数量的负荷分布不匹配；

（4）采暖管网室外部分的保温状况差，大量热量散失；

（5）管线、散热器结垢等，热传导能力变差等；

（6）一部分楼房的保温效果差（墙体保温、门窗保温、房顶保护等）；

（7）锅炉供热能力有限。

目前出现区域供暖温度不平衡，产生“一冷、一热”现象时，目前常用的解决方法有：

（1）增加锅炉台数或增加锅炉吨数。虽然解决“冷”的问题，但“热”的问题更加严重，“热”区域的热量浪费更大，同时设备投资及耗煤量显著增加，成本及排污量都急剧增大。

（2）现有的锅炉不间断持续燃烧供热，加大供热能力。结果基本上与上面一样，“冷”的问题解决了，但热的问题更加严重。耗煤量增加，成本及废气排放量都明显增加。同时不间断持续燃烧使锅炉寿命显著降低。

（3）增加“冷”区域管网管径及散热器数量。但是将导致材料费成本和施工费用大幅提升，而且，若冬季更换管网作业施工很困难，施工费也很高。

（4）在采暖“冷”区域的分叉管道上设置加压泵站，提高“冷”区域的热水循环能力。此方法比前述3种方法有明显优点，但加压泵站需要架线路接电源，设备安装电机加压水泵，还要安装保温泵站房，安排值班看守人员。投资及管理成本也较大。

以上方法在投资、煤耗、排污、管理、成本等多方面存在严重问题，所以发明出投资少、煤耗少、管理少、成本低的解决区域采暖“一冷、一热”问题的简易方法已显得十分重要且迫切。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置，这种供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置用于解决目前出现区域供暖温度不平衡时的处理方法存在投资大、煤耗高、排污量大、成本高等问题；本发明的另一个目的是提供这种供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置的调节方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置通过将叶轮、主动轴、锥形主动齿轮、锥形从动齿轮、从动轴、分水泵叶片安装在管路三通来水管内，实现主动分水，调节冷区域分水管与热区域分水管内热网水的流量；叶轮设置在三通来水管内，叶轮连接主动轴，主动轴另一端连接锥形主动齿轮，锥形从动齿轮一方面与锥形主动齿轮啮合，锥形从动齿轮另一方面连接从动轴，从动轴和分水泵叶片均设置在冷区域分水管内，从动轴连接分水泵叶片，锥形主动齿轮和锥形从动齿轮设置在分水口处；主动轴通过第一支架和第二支架支撑，主动轴和第一支架、第二支架之间通过轴承连接，从动轴通过第三支架和第四支架支撑，从动轴与第三支架和第四支架通过轴承连接；第一支架、第二支架、第三支架、第四支架均与相应的管壁固定连接，且结构相同，上述各支架的中心均带有轴承座，支架脚为与管壁相同弧度的带牙钢制部件；支架脚通过六角正反扣双头螺栓与支架臂连接，通过旋转六角正反扣双头螺栓来调节支架脚与管壁的距离和支撑力，并锁紧。

上述方案中六角正反扣双头螺栓两端分别设置正向螺纹锁紧螺母、反向螺纹锁紧螺母；利用扳手旋转六角正反扣双头螺栓来调节支架脚与管壁的距离和支撑力，并通过正向螺纹锁紧螺母、反向螺纹锁紧螺母锁紧。

上述方案中第一支架、第二支架、第三支架、第四支架均为十字形结构或“Y”形三臂结构或五臂结构或六臂结构。

上述方案中三通来水管的入口处设置有压力表、流量传感器、电动调节阀，流量传感器连接PLC控制系统，PLC控制系统通过控制器控制电动调节阀，这样可以实现热量的自动调节控制。

上述供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置进行流量分配调节的方法：

在三通来水管内安装叶轮、锥形主动齿轮、锥形从动齿轮，热网水冲击叶轮旋转，由热网水流动能量驱动叶轮旋转，完成流体能变机械能；叶轮带动锥形主动齿轮旋转，锥形主动齿轮带动锥形从动齿轮旋转，在垂向分水管中安装分水泵叶片，利用“锥形齿轮传动转向”原理，把水平管中锥形主动齿轮的垂向旋转变换为垂直管中锥形从动齿轮水平旋转；再由从动轴带动分水泵叶片旋转，利用锥形从动齿轮上的机械能带动冷区域分水管中分水泵叶片驱动热网水提压提速，完成由机械能转化为流体流动能量，使热网水更多地流入到冷区域分水管中，提高了冷区域的供热量，减少热网水流入到热区域分水出口，热区域分水出口热网水压力、流量都减小，从而降低了热区域的供热量。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明依靠管道热水流动的自身能量；减少“热”区域支管热水的流动能量，增加“冷”区域支管热水的流动能量，从而减少“热”区域支管热水流量，增加“冷”区域支管热水流量，由流体流动能量再分配达到热水流量、热量再分配。

2、本发明不用增加锅炉、燃料及不用更换管线，实现了治理采暖区域中的“一冷，一热”现象。

3、本发明不用增加电力泵站，也实现了调节采暖区域中的“一冷，一热”现象。

4、本发明不用外接动力，利用管线内流体的自身能量，解决了采暖区域中的“一冷，一热”现象。

5、本发明实现分叉管道热水量重新分配，高温区域的热水量减少，室内高温降到合理温度；冷区域热水量增加，提高低温室内温度，达到政府规定的供暖温度标准。不仅解决了“一冷、一热”问题，而且在投资，节煤节能减排、降成本等方面也有很大进步。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中第一支架的结构示意图。

图1中：1第一支架；2入口端法兰盘；3叶轮；4三通来水管；5主动轴；6第二支架；7冷区域分水管出口；8第三支架；9冷区域分水管端法兰盘；10分水泵叶片；11从动轴；12冷区域分水管；13第四支架；14锥形从动齿轮；15锥形主动齿轮；16热区域分水管；17热区域分水出口端法兰盘；18热网水入口；19热区域分水管出口；20支架脚；21反向螺纹锁紧螺母；22六角正反扣双头螺栓；23正向螺纹锁紧螺母；24支架臂；25轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置安装在分水管三通来水管4内。安装时，需将原来普通三通从管路中拆卸下来，利用四个支架，将本装置固定在三通来水管4内，然后将三通来水管4再通过入口端法兰盘2、冷区域分水管端法兰盘9、热区域分水出口端法兰盘17连接入管路中即可。

这种供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置包括叶轮3、主动轴5、锥形主动齿轮15、锥形从动齿轮14、从动轴11、分水泵叶片10；三通来水管4的入口为热网水入口18，三通的出口分别为热区域分水管出口19和冷区域分水管出口7；叶轮3设置在三通来水管4内，叶轮3连接主动轴5，主动轴5另一端连接锥形主动齿轮15，锥形从动齿轮14一方面连接锥形主动齿轮15，锥形从动齿轮14另一方面连接从动轴11，从动轴11和分水泵叶片10均设置在冷区域分水管12内，从动轴11连接分水泵叶片10，锥形主动齿轮15锥形从动齿轮14设置在分水口处，锥形主动齿轮15锥形从动齿轮14直接接触，用齿啮合传递动力，两者的旋转速度之比与两者齿数之比成反比；主动轴5通过第一支架1和第二支架6支撑，主动轴5和第一支架1、第二支架6之间通过轴承连接，从动轴11通过第三支架8和第四支架13支撑，从动轴11与第三支架8和第四支架13通过轴承连接；第一支架1、第二支架6、第三支架8、第四支架13均与相应的管壁固定连接。

本实施方式中第一支架1、第二支架6、第三支架8、第四支架13均为十字形结构，上述各支架的中心带有轴承座25，支架脚20为与管壁相同弧度的带牙钢制部件，便于附着于管壁；支架脚20通过六角正反扣双头螺栓22与支架臂24连接，通过旋转六角正反扣双头螺栓22来调节支架脚20与管壁的距离和支撑力，并通过锁紧螺母锁紧，即六角正反扣双头螺栓22一端通过反向螺纹锁紧螺母21与支架脚20锁紧，六角正反扣双头螺栓22另一端通过正向螺纹锁紧螺母23与支架臂24锁紧。

本发明中第一支架1、第二支架6、第三支架8、第四支架13用于在管道中心安装管件、杆件或轴，支架形状还可以“Y”形三臂结构、五臂结构、六臂结构或其他多臂结构，支架中心位于结构重心处，支架中心可以安装轴承座25，用于安装轴承；支架臂24均与相应的管内壁固定连接，支架脚20为与管壁相同弧度的带牙钢制部件，便于附着于管壁；支架臂24端和支架脚20内端分别套正、反扣母螺纹；支架脚20通过六角正反扣双头螺栓22与支架臂24连接，六角正反扣双头螺栓22两端分别配备正、反扣锁紧螺母；利用扳手旋转双头螺栓来调节支架脚20与管壁的距离和支撑力，并通过锁紧螺母锁紧。

本发明还可以设计为：三通来水管4入口处设置有压力表、流量传感器、电动调节阀，流量传感器连接PLC控制系统，PLC控制系统通过控制器控制电动调节阀，这样可以实现热量的自动调节控制。

上述供热管网分叉管道自动力流量分配调节装置进行流量分配调节的方法：

在三通来水管4内安装叶轮3、锥形主动齿轮15、锥形从动齿轮14，来水管中热网水冲击叶轮，由热网水流动能量驱动叶轮3旋转，完成流体能变机械能；叶轮3带动锥形主动齿轮15旋转，锥形主动齿轮15带动锥形从动齿轮14旋转，在冷区域分水管12中安装分水泵叶片10，利用“锥形齿轮传动转向”原理，把锥形主动齿轮15上的机械能传给锥形从动齿轮15上的旋转机械能；再由锥形从动齿轮14带动分水泵叶片10旋转，利用锥形从动齿轮14上的机械能带动冷区域分水管12中分水泵叶片10驱动热网水提压提速，完成由机械能转化为流体流动能量，使热网水更多地流入到冷区域分水管12中，提高冷区域的供热量，减少流入到热区域分水管16中的热网水量，热区域分水管16中热网水压力、流量都减小，从而降低热区域的供热量。

本发明依靠管道热水流动的自身能量，相当于利用水轮机和锥形齿轮组带动分水泵旋转完成流体流动能量再分配，从而实现热水流量、热量再分配，减少“热”区域分水管热水的流动能量，增加“冷”区域分水管热水的流动能量，从而减少“热”区域分水管热水流量，增加“冷”区域分水管热水流量。

本发明遵守流体流动能量守恒原理，流体质量守恒原理及流体热量守恒原理，即“三定律”原则。在分叉管道系统内部完成1）流体能量再分配；2）流体（质量）流量再分配；3）热量再分配。

（1）流体流动能量守恒原理

①流体能转化为机械能

通过水轮机原理，可以把流体能转化为机械能

在水轮机前后流体能量的变化，即水功率的减少量

设水轮机把流体能量转化为机械能能量的转化效率为，则所得到的输出机械功率为：

②水轮机机械能转化为锥形从动齿轮水泵机械能

利用“锥形主动齿轮-锥形从动齿轮”机构，把某一方向的旋转机械能转变为另一个方向的旋转机械能。设转化效率，则锥形从动齿轮分水泵得到的机械能为

③锥形从动齿轮分水泵机械能转化为流体能量的增量

设分水泵机械能转化为水能量的转化效率为，则冷区域分水管12多得到的水功率为：

由流体动力学可知，冷区域分水管12所增加的水功率为：

因上面两公式相等：

令

则

即冷区域分水管12流量的增量为：

冷区域分水管12流量的增加比率

（2）流体质量守恒定律

分叉管道质量总和不变，因热水在常压下，可视为不可压缩，所以水的体积总流量保持不变

安装水轮机前

安装水轮机后

由质量守恒定律

即冷区域分水管12质量流量的增加量等于热区域管道质量流量的减少量，总流量之和保持不变。

（3）流体载热量守恒定律

因热水在一定温度范围内比热容不变，热量载于流体内，质量流量守恒也是流体载热量守恒。

H_前总=H_冷+H_热 H_后总=H_新冷+H_新热

H_前总=H_后总=H_总

ΔH_冷=H_新冷-H_冷=H_热-H_新热=-（H_新热-H_热）=-ΔH_热

即冷区域分水管12新增加的热量等于热区域管道减少的供热量。