Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. Пырков В.В. , 2005. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика
 Скачать 10.16 Mb.
|
|
Зона пропорциональности клапана — величина, размер которой отображает превышение над установленной на терморегуляторе тем пературой воздуха, приводящее к полному его закрытию. Это превы шение пропорционально перемещению затвора клапана, при кото ром соблюдается примерно линейная зависимость между G и t , ап проксимируемая теоретической прямой. Примерный диапазон линейной зависимости находится между 0,25 G max и 0,8 G max . За преде лами этих расходов происходит отклонение от пропорционального регулирования. На рис. 4.13 показана зона пропорциональности терморегулятора X р = 2К (°С). Она не должна превышать допустимых значений из усло вий обеспечения теплового комфорта (см. рис. 1.2). Экономически це лесообразный диапазон значений зоны пропорциональности для боль шинства помещений находится в диапазоне 1...2К. Как правило, термо регуляторы прямого действия выбирают с зоной пропорциональности 2К. В реальных условиях эта зона будет меньшей, поскольку в системах обеспечения микроклимата применяют теплообменные приборы с завышенной теплоотдающей поверхностью (см. разъяснение к h v и h ´ v на рис. 4.11, а также п.р. 6.3). 107 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Для уменьшения негативного воздействия этого перераспределения в двухтрубных системах применяют терморегуляторы с повышенным ги дравлическим сопротивлением и дросселем для увязки гидравлических колец (подробнее см. в п.п. 4.2.4.4). Каждому положению дросселя соот ветствует номинальная пропускная способность терморегулятора. Номинальная пропускная способность k v i — величина, размер кото рой отображает объем воды в м 3 плотностью 1000 кг/м 3 , проходящей через термостатический клапан за час при перепаде давления на нем 10 5 Па (1 бар) и i той настройке дросселя. Этот параметр характеризует термостатические клапаны с предварительной настройкой. Он также имеет видоизменение при максимальном открытии терморегулятора, т. к. перемещение затвора клапана аналогично пояснению к рис. 4.11. Отличием является то, что на пропускную способность дополнительно влияет настройка дросселя (рис. 4.12). Для терморегуляторов типа RTD N, RA C, RA N, FHV A она изменяется от 1 до 7 с шагом 0,5 и до N. Буквой N обозначено положение дросселя при максимально открытом дросселирующем отверстии f max . Цифрой 1 — при минимально откры том дросселе f min , другими цифрами — промежуточные положения. Рабочие гидравлические характеристики терморегулятора незна чительно зависят от направления движения штока. В одном и том же положении штока пропускная способность при закрывании терморегу лятора будет меньшей, чем при открывании. Это рассогласование вы ражают через температурную настройку терморегулятора и называют гистерезисом. Гистерезис — температурная разность между кривыми открывания и закрывания терморегулятора при одинаковом расходе теплоносителя (рис. 4.13). Гистерезис возникает вследствие внутреннего фактора — ме ханического трения подвижных частей терморегулятора и внешних факторов — параметров теплоносителя и окружающих условий. Макси мально допустимое значение гистерезиса не должно превышать 1 °С. Чем ниже это значение, тем меньше отклонение между реальной и уста новленной на терморегуляторе температурой воздуха в помещении. Кривые закрывания и открывания характеризуют изменение пото ка теплоносителя G от перемещения штока клапана, вызванного изме нением температуры термостатического датчика с зафиксированным положением температурной настройки, при постоянном перепаде дав ления теплоносителя между входом и выходом терморегулятора. Эти кривые являются рабочей расходной характеристикой терморегулятора с логарифмическим законом регулирования (см. рис. 3.11 при a + < 1). Разница лишь в том, что ходу штока h соответствует зона пропорцио нального изменения температуры воздуха t 106 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 4.13. Характеристические кривые: a и b ñ кривые соответственно открывания и закрывания терморегулятора; aí и bí ñ кривые от крывания и закрывания терморегулятора под действием изме нения внешних факторов; с ñ теоретическая прямая; d ñ гисте резис; е и еí, f и fí ñ температура соответственно закрывания и открывания; s и sí ñ температурные точки Терморегулятор, как и любой теплотехнический элемент, инерцио нен. Период, затрачиваемый на регулирование потока теплоносителя при изменении температуры воздуха в помещении, называют временем запаздывания (постоянной времени) терморегулятора. Его значение не должно превышать 40 мин. Оно представляет промежуток времени от начала изменения температуры воздуха в помещении до момента прохождения затвором клапана 63 % пути, соответствующего этому из менению температуры. Время запаздывания характеризует способность терморегулятора реагировать на избытки тепловой энергии в помеще нии. Чем меньше это время, тем на б ó льшую часть избыточной тепло вой энергии от сторонних источников теплоты будет снижена теплопе редача отопительного прибора (тем больший энергосберегающий эффект). Этот процесс в системах отопления называют утилизацией теплоизбытка. Долговечность и температурную устойчивость (стабильность) терморегулятора характеризуют количеством циклов проверки меха нической прочности, температурной долговечности, устойчивости к температурным нагрузкам. Механическую прочность определяют поворотом регулятора в разных направлениях не меньше 5000 раз. Смещение температурной настройки регулятора и изменение номинального расхода теплоноси теля не должны превышать после тестирования соответственно 2 °С и 20 %. Температурную долговечность проверяют изменением температуры вокруг регулятора с 15 °С на 25 °С не меньше 5000 раз. Смещение темпе ратурной настройки регулятора не должно превышать после тестирова ния соответственно 2 °С, а изменение номинального расхода — 20 %. Стойкость к температурным нагрузкам проверяют в условиях бы стро сменных температур с +50 °С на –20 °С, потом на +40 °С. Смеще ние температурной настройки регулятора и изменение номинального расхода теплоносителя не должны превышать соответственно 1,5 °С и 20 %. Наличие вышеприведенных тестирований подтверждает высокую стабильность работы терморегуляторов на протяжении длительного срока эксплуатации с заданной точностью, без самовольного смещения температурной настройки и ухудшения рабочих характеристик. Из вы шесказанного следует, что к терморегулятору предъявляют комплекс требований, реализация которых обеспечивает тепловой комфорт в по мещении и экономию энергоресурсов. Большинство рабочих характе ристик не используют в проектных расчетах, но именно они характери зуют конструктивное совершенство терморегуляторов, позволяют 109 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Отклонение от линейного регулирования температуры воздуха должно быть минимальным во всем диапазоне хода штока. Так, разность температур воздуха между точками s и соответствующими f и e не долж на превышать 0,8 °С. Это отклонение возникает вследствие погрешности регулирования незначительных потоков теплоносителя и особенностей логарифмического закона регулирования. Терморегулятор должен обеспечить регулирование температуры воздуха в помещениях с различными температурными условиями. Условия теплового комфорта определены для температурного диапазона 10…28 °С (см. рис. 1.2). Для терморегуляторов этот диапазон должен находиться в пределах: при максимальной температурной настройке регулятора — не более 32 °С; при минимальной — не меньше 5 °С и не больше 12 °С. В указанном температурном диапазоне влияние внешних факторов на регулирование температуры воздуха должно быть минимальным (кривые a ´ и b ´ ). К таким факторам относят: перепад давления теплоно сителя, статическое давление теплоносителя, температуру теплоносите ля и температуру воздуха. Влияние указанного производителем максимально допустимого пе репада давления теплоносителя между входом и выходом терморегуля тора не должно превышать 1 °С между температурными точками s и s ´ на двух теоретических кривых закрывания b и b ´ Влияние указанного производителем максимального рабочего дав ления не должно превышать 1 °С между двумя кривыми закрывания b и b ´ , построенными при разных статических давлениях и одинаковых по токах теплоносителя. Смещение температурной настройки терморегулятора при увеличе нии температуры теплоносителя на 30 °С не должно превышать 1,5 °С для терморегуляторов, объединенных в одном корпусе с датчиком температу ры и 0,75 °С для терморегуляторов с передаточным звеном (рис. 4.3). Пол ностью предотвратить данное влияние технически сложно, поскольку теплота от теплоносителя, труб, отопительного прибора передается к дат чику теплопроводностью, конвекцией и излучением. Вследствие этого терморегулятор воспринимает температуру помещения завышенной, а на его температурной шкале указывают не конкретные значения настройки температуры воздуха в помещении, а метки (см. рис. 1.4). Влияние температуры воздуха помещения на терморегулятор с пе редаточным звеном не должно превышать 1,5 °С между кривыми откры вания a и a ´ , полученными при одинаковом расходе теплоносителя, но в первом случае при разных температурах датчика и передаточного меха низма, а во втором — при одинаковых. 108 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА сравнить их при выборе проектных решений, оценить экономическую эффективность. При технико экономическом сравнении термостатических ре гуляторов для систем обеспечения микроклимата проводят сопо ставление их характеристик требованиям EN 215 ч.1, приведенным в табл. 4.2. Для примера в таблице указаны характеристики термо регулятора RTD N, которые во многом превосходят приведенные требования, что обеспечивает его надежную работу в течение десятилетий. Большинство рабочих характеристик, приведенных в табл. 4.2, указаны в [°С], что позволяет оценить экономичность выбранного терморегулятора как по каждой характеристике, так и в целом. При этом ориентировочно принимают энергозатраты на один градус пе регрева помещения системой отопления равными 5...6 % от расходу емой теплоты за отопительный период. Для систем кондиционирова ния один градус переохлаждения помещения увеличивает энерго потребление ориентировочно на 16 %. Стоимостные показатели яв ляются приблизительными и требуют уточнения для конкретного здания. Терморегулятор по отношению к расчетному положению может не только закрываться, уменьшая поток теплоносителя, но и от крываться, увеличивая поток теплоносителя через теплообмен ный прибор. 111 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 110 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Таблица 4.2. Рабочие характеристики терморегуляторов Окончание таблицы 4.2 поднятом положении затвора клапана — max). Ее определяют из мерением максимального расхода теплоносителя (для терморе гуляторов без предварительной настройки соответственно пара метра k vs ; для терморегуляторов с предварительной настройкой — путем ограничения хода штока или ограничения при помощи дрос селя соответственно параметра k vs i , где i — значение настройки); применение защитного колпачка; значение внутреннего авторитета a в регулирующего сечения при номинальном или характеристическом расходе для терморегуля торов с предварительной настройкой. 4.2.4. Авторитеты терморегулятора В нормативах и технической литературе по терморегуляторам используют три понятия авторитета [16; 21; 25]: a — авторитет (внешний авторитет); a в — внутренний авторитет; a * — общий авторитет. Гидравлический смысл внешнего авторитета терморегулятора рас смотрен в предыдущем разделе данной книги. Он заключается в дефор мации идеальной расходной характеристики клапана, как правило, ло гарифмической. Однако результат этой деформации не учитывают в ги дравлических расчетах систем. Такой метод проектирования получил сегодня наибольшее распространение. По мнению автора, это является одной из причин необходимости дальнейшей предпусковой баланси ровки систем, заключающейся в перенастройке терморегуляторов и ре гулирующих клапанов для достижения номинальных расходов тепло носителя и температуры воздуха в помещении. Методики расчета, предлагаемые в данной книге, позволяют при близить проектные и реальные параметры системы. Для этого внешний авторитет регулирующего клапана и терморегулятора рассматривается совместно с базовым авторитетом; их произведение равно полному внешнему авторитету (см. уравнение (3.14)). Базовые авторитеты в тех нической информации не приводят. Однако их можно косвенно опреде лить на основании законов гидравлики из имеющихся гидравлических параметров, характеризующих клапан. Хотя это несколько и усложняет проектирование систем, тем не менее, дает возможность рассматривать систему как единое целое, а не как совокупность гидравлических сопро тивлений; позволяет учитывать влияние конструктивных отличий клапанов на гидравлические процессы. 113 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 4.2.3. Технические параметры Производитель терморегуляторов при необходимости предоставля ет такие характеристики: минимальное значение температурной настройки; максимальное допустимое статическое давление; максимальный допустимый перепад давлений; номинальный расход G N (номинальная пропускная способность k v ); для терморегуляторов с предварительной настройкой: а) значения предварительной настройки и соответствующие им характеристические расходы (характеристические пропуск ные способности k v i ); б) допустимые значения расходов для каждой предварительной настройки; максимально допустимую температуру теплоносителя, если она ниже 120 °С; диаграмму потерь давления P в зависимости от расхода G (рис. 4.14): , по меньшей мере для двух зон пропорциональности 1К и 2К при промежуточном положении температурной настройки регулято ра. Для терморегуляторов с предварительной настройкой — для каждой настройки. Кроме того, предоставляется зависимость по терь давления на терморегуляторе от расхода теплоносителя без учета потерь давления в регулирующем сечении (при максимально Δ 112 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 2 Рис. 4.14. Зависимость потерь давления от расхода теплоносителя в терморегуляторе начальной (базовой) расходной характеристики терморегулятора. Ее на чальное искривление вызвано конструктивной особенностью внутрен него канала терморегулятора, по которому протекает теплоноситель. Начальную деформацию расходной характеристики определяют ба зовым авторитетом. В технической информации в явном виде его не указывают. Однако в неявном виде он соответствует пропускной спо собности терморегулятора. Определение базового авторитета при изве стном положении штока аналогично рассмотренным ранее методикам для регулирующих клапанов с соответствующей расходной характери стикой, но, как правило, такая информация не всегда присутствует в техническом описании. Тогда можно воспользоваться другим подходом, гидравлическая суть которого аналогична. Данный способ основан на технической информации, предоставляемой производителем согласно нормативу [16] — расходных характеристиках терморегулятора для двух зон пропорциональности: X p = 2К и X p = 1К. Зона пропорциональности терморегулятора характеризуется при мерно линейной зависимостью пропускной способности k v от переме щения штока h . Она является, в сравнении с регулирующим клапаном, своеобразной настройкой, т. к. определяет положение штока. Тогда ба зовый авторитет терморегулятора можно определить на основании дан ного параметра. Для этого необходимо разделить уравнение (3.23) на стройки в виде расходных характеристик для зоны пропорциональнос ти 2К на уравнение настройки в виде расходных характеристик для зо ны пропорциональности 1К и приравнять к отношению 2К/1К. Для терморегулятора с логарифмической расходной характеристикой это уравнение выглядит следующим образом: где индексы 1 и 2 приняты для параметров, характеризующих терморе гулятор соответственно для зоны пропорциональности 1К и 2К. В уравнении вместо полного внешнего авторитета a + принят базовый ав торитет a б , т. к. при стендовых испытаниях терморегулятора внешний авторитет a 1. → 115 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Отличие терморегулятора от регулирующего клапана состоит в из начальной производственной установке затвора в промежуточное поло жение, характеризуемое внутренним авторитетом, что обеспечивает возможность регулирования температуры воздуха в помещении отно сительно расчетного значения как в большую, так и в меньшую сторону. Регулирование теплопередачи теплообменного прибора осуществляет ся количественно перекрытием и увеличением входящего потока тепло носителя. Внутренний авторитет также не используется в методиках гидрав лического расчета систем. Такое упрощение допустимо лишь при кон структивно одинаковых терморегуляторах. В действительности термо регуляторы различных диаметров, типов и производителей имеют свойственные только им внутренние авторитеты, поэтому не может быть усредненного подхода, удовлетворяющего всё многообразие систем и обеспечивающего их эффективную работоспособность. Соответствие расчетных и реальных гидравлических параметров, прогнозируемость поведения системы в эксплуатационных услови ях — одни из основных задач при проектировании систем обеспечения микроклимата с переменным гидравлическим режимом. Для этого необходимо знать отклонение расхода теплоносителя относительно номинального значения не только в меньшую, но и в б ó льшую сторо ну. Решение поставленной задачи получают обеспечением общего ав торитета терморегулятора. Он указывает, насколько можно увели чить поток теплоносителя в теплообменном приборе при полностью открытом терморегуляторе и какой при этом достигается тепловой комфорт. Кроме того, дает возможность определить происходящее при открывании терморегулятора увеличение скорости теплоносите ля в элементах регулируемого участка и проанализировать ее влия ние на бесшумность. Авторитеты терморегулятора позволяют прогнозировать пове дение системы во всех режимах эксплуатации и на качественно новом уровне проектировать системы обеспечения микроклима та с максимальным использованием их потенциала. 4.2.4.1. Внешний авторитет терморегулятора Внешний авторитет терморегулятора имеет такое же влияние на ги дравлические характеристики, как и у регулирующего клапана. Под воз действием внешнего авторитета происходит дальнейшая деформация 114 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА (4.1) или после упрощения Корни квадратного уравнения и В области допустимых значений 0 < а б 1 находится единственное решение а б = 0,32. Значение базового авторитета определяет начальную деформацию идеальной расходной характеристики. Дальнейшая деформация проис ходит под влиянием внешнего авторитета. Чем меньше единицы внеш ний авторитет, тем значительнее искривляется расходная характерис тика терморегулятора. Это утверждение рассмотрено в примере 11. |