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.
|
|
I) не происходит регу лирования потока. Пружина остается в исходном положении. Создава емый перепад давления возрастает пропорциональ но расходу теплоносителя в квадрате, т. е. изменяется по параболе. Вторая зона (II) — зона регулирования. Расход теплоносителя в ней постоянен. Начало этой зоны зависит от автоматически поддерживаемого расхода. Так, для рас хода 0,015 кг/с потери давления на клапане должны быть не менее 7 кПа, а для 2,614 кг/с — 58 кПа. Заданный расход теплоносителя под держивается при перепаде давления на клапане до 600 кПа. При даль нейшем повышении перепада давления пружина сжимается, и теряется регулирующая способность клапана — третья зона (III). Таким образом, во всех режимах эксплуатации системы должен быть обеспечен мини мальный перепад давления на клапане. Для этого необходимо, чтобы располагаемое давление регулируемого участка было не меньше суммы 170 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 1 2 3 4 6 5 7 Рис. 5.15. Разрез и общий вид картриджа: 1 ñ шайба; 2 ñ входное отвер стие; 3 ñ стопорное кольцо; 4 ñ гильза; 5 ñ пружина; 6 ñ затвор клапана; 7 ñ регулирующие отверстия Рис. 5.16. Область стабилизации расхода 6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРИБОРЫ 6.1. Общие сведения В системах обеспечения микроклимата для передачи теплоты от жидкого теплоносителя к воздуху и ограждающим конструкциям поме щения применяют отопительные приборы и панели, в системах охлаждения — фенкойлы и панели охлаждения (рис. 6.1). Конструктив ное исполнение этого оборудования весьма разнообразно. Поэтому рас смотрим лишь некоторые общие закономерности влияния их гидравли ческого сопротивления, тепловой инерции и теплопередачи на регули руемость систем. Теплообменный прибор является составным элементом регулиру емого участка. Он отбирает на себя часть располагаемого давления, уменьшая тем самым внешний и общий авторитеты терморегулятора. Следовательно, чем выше сопротивление теплообменного прибора, тем меньше возможности для увеличения его теплопередачи при от крывании терморегулятора (относительно номинального положения штока). Наименьшее гидравлическое сопротивление имеют, в основ ном, секционные радиаторы. Несколько выше сопротивление у кон векторов, конвекторов радиаторов и фенкойлов с коллекторным рас пределением параллельного движения теплоносителя в трубках. По вышенное сопротивление у панельных радиаторов и отопительных (охлаждающих) панелей. На работу теплообменного прибора с терморегулятором влияет также его тепловая инерция. От нее зависят показатели экономической эффективности системы и санитарной гигиеничности помещения. При ре гулировании расхода теплоносителя происходит задержка во времени вы хода теплообменного прибора на новый уровень теплопередачи, так как процесс теплообмена является инерционным. Чем больше масса теплооб менного прибора и масса воды в нем, а также чем меньше коэффициент 172 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА теплопроводности материала, из которого он изготовлен, тем меньше экономический и санитарно гигиенический эффекты от автоматичес кого управления тепловым потоком [28; 29; 30]. Теплообменные приборы бывают с малой тепловой инерцией: имеющие малую массу металла, малую водоемкость, высокий коэффи циент теплопроводности (конвекторы, конвекторы радиаторы, панель ные радиаторы, фенкойлы, охлаждающие панели) и большой тепловой инерцией: соответственно с большой массой металла или бетона, боль шой водоемкостью, низким коэффициентом теплопроводности (чугун ные радиаторы, отопительные панели в полу и т. п.). Сравнение инерционности теплообменных приборов показывает, что наиболее управляемыми являются фенкойлы и вентилируемые по толочные панели (балки) охлаждения. Они через несколько минут вы ходят на заданный тепловой режим. Около пяти минут необходимо конвекторам и конвекторам радиа торам с медными трубками и алюминиевым оребрением, чтобы адекват но отреагировать на действия терморегулятора. Для панельных радиа торов на это требуется примерно пятнадцать минут. Большую тепловую инерцию имеют секционные чугунные ради аторы: им необходимо несколько часов для остывания после пере крытия терморегулятором потока теплоносителя. При этом терморе гулятор создает условия для экономии энергоресурсов, но радиатор не дает возможности их реализовать. Радиатор на такой же промежу ток времени запаздывает с реагированием на открывание терморегу лятора. В это время терморегулятор создает условия для обеспече ния теплового комфорта в помещении, но радиатор для этого еще не готов. Самую большую тепловую инерцию имеют отопительные и охлаж дающие панели, выполненные в виде замоноличенных в строительные конструкции трубопроводов (в полу, стенах или потолке). Время реа гирования на действия терморегулятора для них исчисляется десятка ми часов. Они не способны в полной мере (не учитывая незначитель ного саморегулирования теплообмена, возникающего при изменении разницы температур воздуха и панели) отреагировать на дополнитель ные теплопоступления в помещение. Поэтому используют теплые по лы, предназначенные лишь для обеспечения теплового комфорта на уровне ног, а остаток теплопотерь помещения компенсируют дополни тельными малоинерционными теплообменными приборами с термо регуляторами. Если рассматривать поле температур, формируемое теплообменны ми приборами в помещении, то самые идеальные условия для человека 173 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА а б в г д е Рис. 6.1. Теплообменные приборы: а ñ секционный радиатор; б ñ панельный радиатор; в ñ конвектор; г ñ конвектор радиатор; д ñ фенкойл; е ñ отопительная (охлаждающая) панель кривой, характеризующей зави симость относительного теплово го потока Q/Q N от относительного расхода G/G N теплоносителя. Чем выше температурный пере пад, тем линейнее зависимость. Незначительно выравниваются эти характеристики при умень шении температуры воздуха в помещении. Аналогичные результаты получают в системах охлажде ния с фенкойлами при темпера туре холодоносителя на входе 6 °С и на выходе — 12 °С (рис. 6.3). Температура воздуха в помещении при этом поддержи вается терморегулятором на уровне 22 °С. Несколько круче будет характеристика потолоч ных панелей охлаждения. Раз ность температур холодоноси теля в них составляет 2…4 °С, а его температура на входе равна примерно 15 °С, что несколько выше температуры точки росы в помещении. Изменение теплового потока греющего пола при температуре теплоносителя на входе, равной 46 °С, показано на рис. 6.4. Таким образом, все теплооб менные приборы имеют нели нейную зависимость Q/Q N от G/G N . Это усложняет процесс регулирования теплового потока. Так, при увеличении относительного расхода холодоносителя от 0 до 20 % отно сительный тепловой поток фенкойла возрастает от 0 до 50 %. Следова тельно, теплообменные приборы весьма чувствительны при регулиро вании малыми расходами тепло или холодоносителя, а при расходах, близких к номинальному значению и выше, тепловой поток существен но не изменяется. 175 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА (тепло у ног и комфортно возле головы) создают отопительные панели в полу и охлаждающие панели в потолке (см. рис. 1.5). Разные типы теплообменных приборов имеют свойственные им преимущества и недостатки. При использовании терморегуляторов преимущество следует отдавать малоинерционным теплообмен ным приборам с незначительным гидравлическим сопротивлением. 6.2. Регулирование теплового потока Номинальный тепловой поток Q N теплообменных приборов полу чают в результате тепловых испытаний в специальных климатических камерах при определенных нормированных влияющих факторах. В реальных условиях эксплуатации расход G теплоносителя через теп лообменный прибор, средний перепад температур t между прибором и окружающим воздухом, способ подключения и много других факто ров, как правило, отличаются от тех, при которых проводились испы тания. Их учитывают поправочными коэффициентами к номинально му тепловому потоку. Причем одни из них являются постоянными (например, на цвет покраски, способ установки, способ подключения и т. д.), а другие — переменными. Закономерности влияния перемен ных факторов используют для регулирования теплового потока теп лообменных приборов Q . С учетом изложенного тепловой поток теплообменного прибора зависит от переменных факторов следую щим образом: (6.1) где n и m — показатели степени. Показатель степени m = 0…0,18. Нижняя граница характерна для ра диаторов, верхняя — для конвекторов. В целом этот показатель весьма незначительно влияет на Q Показатель степени n = 1,25…1,35 характерен для всех конструкций конвекторов, а для радиаторов n 1,3. Он существенно изменяет номи нальный тепловой поток теплообменного прибора, что для конвектора ли бо радиатора показано на рис. 6.2 при температуре воды на входе, равной 90 °С. Влияние водогликолевой смеси на характеристики теплообменных приборов необходимо учитывать по рекомендациям производителей. Уменьшение перепада температур теплоносителя между входом и выходом теплообменного прибора приводит к увеличению деформации ≈ Q Q t t G G N N n N m = ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ Δ Δ , Δ 174 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 6.2. Зависимость теплового по тока конвектора от перепа да температур и расхода теплоносителя Рис. 6.3. Зависимость теплового по тока фенкойла от перепада температур и расхода теп лоносителя количественным регулированием (изменением расхода теплоносите ля). В системах обеспечения микроклимата применяют качественно количественное регулирование, которому присущи черты совокупного воздействия на характеристику теплообменного прибора. Область раз броса характеристик на рисунке является функцией разности темпера турного напора между теплообменивающимися средами. Терморегуляторы отслеживают темпера туру воздуха в помеще нии и при необходимо сти изменяют расход теплоносителя, т. е. осуществляют количес твенное регулирование теплообменными при борами. При этом зона пропорциональности терморегулятора не должна превышать до пустимого отклонения температуры воздуха по санитарно гигиени ческим требованиям (см. рис. 1.2), равного 1,5…3,0 °С для помеще ний с расчетной внут ренней температурой 26...18 °С. В то же время теплообменные приборы компенсируют теп лопотери (теплоизбытки) помещения, определяемые разницей тем пературы воздуха в помещении и наружного воздуха. Эта разница температур может достигать в зависимости от периода года и клима тических условий примерно 50…20 °С, что значительно больше зоны пропорциональности терморегулятора. Поэтому управление тепло обменным прибором по рис. 6.5 является идеализированным и прак тически трудно достижимым, но к которому следует стремиться. Не которого приближения к нему достигают при использовании идеаль ной равнопроцентной либо подобной ей расходной характеристики терморегулятора. Однако реальное регулирование является неста бильным и, как правило, нелинейным. Основным качеством регули рования при этом становится быстрота реакции терморегулятора на изменение температуры воздуха в помещении и соответствующее 177 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Стабильное управление теп лообменными приборами полу чают при линейной характерис тике. С этой целью рассматрива ют идеальную совместную рабо ту теплообменного прибора и терморегулятора. Ее суть заклю чается в том, чтобы расходная характеристика клапана была зеркальным отображением ха рактеристики теплообменного прибора. Для этого необходимо обеспечить 10 % увеличения от носительного расхода G/G N на клапане при подъеме штока h/h 100 на 50 %. Тогда получают возрастание теплового потока Q/Q N на 50 % при открывании клапана h/h 100 на 50 % (рис. 6.5), т. е. про исходит линейное регулирование. Такая схема управления сложна в реализации, т. к. в системах обеспечения микроклимата невозможно обеспечить работу автомати ческих клапанов в одинаковых гидравлических условиях. Причиной тому являются колебания давления теплоносителя и, следовательно, внешних авторитетов клапанов. Кроме того, характеристика теплооб менного прибора зависит от способа регулирования (рис. 6.6) [31]. Ка чественное регулирование (изменением температуры подаваемого теплоносителя) выравнивает эту характеристику по сравнению с 176 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 6.4. Зависимость теплового потока греющего пола от перепада температур и расхода теплоносителя Рис. 6.5. Регулирование теплообменного прибора: а ñ характеристика теплообменного прибора; б ñ расходная характеристика тер морегулятора; в ñ идеальная характеристика регулирования теплообменного прибора [20] Рис. 6.6. Характеристика теплообменника при различных видах регулирова ния: 1 ñ качественном по темпера туре наружного воздуха; 2 ñ качест венном по температуре помещения; 3 ñ количественном по температуре помещения [31] терморегулятор открывается и происходит дополнительное холодопо требление. К отрицательному фактору в системе отопления относят резкое снижение внешней температуры воздуха, сопровождающееся возрастанием энергопотребления. В системах охлаждения этот фактор является положительным, т. к. происходит уменьшение холодопотреб ления. Независимо от системы непредусмотренное снижение расхода теплоносителя относят к отрицательным факторам. Для создания теплового комфорта помещения необходимо умень шать влияние отрицательных факторов. Этого достигают обеспечением авторитета теплоты [32] в помещении. Авторитет теплоты — это отношение максимального теплового потока теплообменного прибора, достигаемого в процессе индивиду ального регулирования, к расчетным теплопотерям (в системах охлаждения — теплопоступлениям) помещения. Другими словами, он характеризует увеличение температуры воздуха в помещении сверх ее номинального (расчетного) значения, которое может полу чить пользователь. Авторитет теплоты обеспечивают следующими способами: увеличением расхода теплоносителя G сверх номинального G N ; превышением температуры горячей воды t Г в системе отопления над расчетной (в системах охлаждения — уменьшением темпера туры холодоносителя); увеличением поверхности теплообмена теплообменного прибора; комбинированным. Результат реализации этих способов рассмотрен на примере систе мы отопления (рис. 6.7) по зависимости относительного теплового потока Q/Q N отопительного прибора с показателем степени п = 1,3 от от носительного расхода теплоносителя G/G N . Индексом "N" обозначены параметры, соответствующие номинальным значениям. На этом же ри сунке по оси ординат показано изменение температуры воздуха в поме щении t от ее номинального значения 20 °С. Расчет приведен для наруж ного воздуха минус 22 °С. Получают температуру воздуха в помещении, например, на уровне 24 °С по первому способу обеспечения авторитета теплоты повышением подачи насоса в 1,6 раза, что увеличивает потери давления в 1,6 2 = 2,6 раза. Такой способ энергоемок. При наличии терморегулятора на отопитель ном приборе этим способом может в некоторой степени воспользовать ся потребитель, открыв полностью терморегулятор. Увеличение номи нального расхода ( G N = 100 %) в 1,2...1,8 раза за счет открытия терморе гулятора с общим авторитетом (заштрихованная зона от точки а до точ ки б) повышает температуру воздуха до 21...25 °С. При этом повышается 179 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА воздействие на расход теплоносителя, чтобы обеспечить тепловой комфорт в помещении и экономию энергоресурсов. Линейное управление тепловым потоком теплообменного прибора с термостатическим клапаном — идеальный закон регулирования, к которому следует стремиться при проектировании систем обеспе чения микроклимата и создании нового оборудования. Выбор расходной характеристики клапана для регулирования те плообменного прибора необходимо осуществлять с учетом перепада температур теплоносителя: клапаны с логарифмической (равнопроцентной), параболиче ской и линейно линейной расходными характеристиками применя ют для регулирования теплообменных приборов с любыми перепада ми температур теплоносителя; при высоких перепадах темпера тур теплоносителя (линейная характеристика теплообменного прибора) необходимо обеспечивать работу этих клапанов в линей ной зоне их расходных характеристик; при низких перепадах темпе ратур теплоносителя (выпуклая характеристика теплообменного прибора) необходимо обеспечивать работу этих клапанов в вогну той зоне их расходных характеристик; клапаны с линейной и логарифмическо линейной расходными характеристиками наилучшим образом подходят для регулирова ния теплообменных приборов с высокими перепадами температур (линейная характеристика теплообменного прибора). 6.3. Авторитет теплоты помещения Тепловой комфорт в помещении должен быть обеспечен на за данном уровне независимо от воздействия различных факторов, объ единяемых по двум признакам: положительному и отрицательному. К положительным факторам относят те, при которых терморегулятор создает тепловой комфорт в помещении и экономит энергоресурсы. В системах отопления ими являются дополнительные (неучтенные в теп ловом балансе помещения) бытовые теплопоступления, теплопоступле ния от солнечного излучения или резкого повышения температуры на ружного воздуха и т. п. Терморегулятор перекрывает поступление теп лоносителя в отопительный прибор, поддерживая заданную температу ру воздуха в помещении. В системах охлаждения перечисленные факто ры относят к отрицательным признакам, так как при их воздействии 178 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА температура на выходе отопительного прибора с 70 °С до 73...81 °С, что нежелательно для эффективной работы котлов. Кроме того, следует от метить, что реализация данного способа во многом зависит от выпук лости тепловой характеристики отопительного прибора (см. рис. 6.2). Чем она больше, тем меньше ожидаемый эффект. Так, для рассматрива емых условий увеличение относительного расхода G/G N в 4 раза приво дит к росту относительного теплового потока Q/Q N лишь в 1,2 раза. Повышение температуры горячей воды в системе отопления не яв ляется рекомендованным подходом, т. к. ухудшаются санитарно гигие нические показатели системы, увеличиваются непроизводительные теплопотери в трубопроводах неотапливаемых помещений, нарушается гидравлическая стабильность системы из за возрастания влияния гра витационного давления. На такой подход накладываются эксплуатаци онные возможности источника теплоты. Для данного примера необхо димо увеличить t Г с 90 до 93 °С. Третий способ реализуют путем увеличения поверхности теплообме на теплообменного прибора, что сопровождается увеличением разности температур t горячей и охлажденной воды. При этом учитывают, что площадь теплоотдающей поверхности отопительного прибора взаимо связана нелинейно с его тепловым потоком. Так, увеличение поверхно сти прибора на 10 % повышает его теплопередачу приблизительно на 6 %, что соответствует возрастанию температуры воздуха до 22,5 °С от номинального значения 20 °С. Наиболее распространенным является комбинированный способ обеспечения авторитета теплоты. Он объединяет первый и третий способы. Реализуют его установкой терморегулятора на отопитель ном приборе с повышенной площадью теплообмена. Для этого при подборе отопительного прибора увеличивают расчетные теплопотери помещения в 1,15 [25; 33] либо 1,1 [34] раза, что дает возможность до стижения температуры воздуха на уровне 25…26 °С (см. пунктирную стрелку от точки |