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.
|
|
а до точки б ´ ). Такой способ позволяет как снижать температуру воздуха, так и несколько повышать ее, устанавливая теп ловой комфорт в помещении по индивидуальному теплоощущению человека. Целесообразность использования комбинированного способа обусловлена также взаимокомпенсирующим воздействием на темпера туру охлажденной воды, т. е. при увеличении поверхности теплообме на температура воды на выходе теплообменного прибора снижается, а с увеличением расхода теплоносителя при открывании терморегуля тора — повышается. С этой точки зрения коэффициент 1,1 не вполне удовлетворяет. Δ 181 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 180 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 50 100 Рис. 6.7. Обеспе чение ав торит ет а т епл оты помещения данный признак рассматривают при пятидесятипроцентном уменьше нии расхода теплоносителя. График работы терморегулятора в таких ус ловиях показан на рис. 6.7. Поскольку настройка терморегулятора на температуру воздуха находится круглые сутки в одинаковом положе нии, то при централизованном снижении относительного расхода до G/G N = 50 % терморегулятор откроется. При этом в отопительном прибо ре с номинальным тепловым потоком, соответствующим компенсируе мым теплопотерям помещения, и общим авторитетом терморегулятора a * 50 = 0,5±0,2 увеличится относительный расход до G/G N = 60...90 % (см. заштрихованные зоны изменения параметров от точки в до точки г). Этого недостаточно для восстановления номинальной температуры воз духа ( t = 20 °С). Достичь номинальной температуры и даже несколько превысить ее можно увеличением номинальной площади теплообмена отопительного прибора в 1,15 раза (см. пунктирную линию от точки в до точки г ´ ). Восстановление теплового комфорта после сберегающего режима (дежурного, ночного и т. п.) требует времени вследствие тепловой инерции ограждающих конструкций и системы. Увеличение поверхно сти теплообмена отопительного прибора в 1,15 раза сокращает этот пе риод. Энергетическая эффективность применения ночного снижения расхода теплоносителя должна быть обоснована. При этом учитывают, что количество сэкономленной на охлаждении здания (помещения) теплоты должно быть восстановлено во время его нагревания. Под действием отрицательных факторов терморегуляторы полностью открываются. Они перестают управлять потокораспределением. Происхо дит самоуравновешивание гидравлических колец и перераспределение пото ков между теплообменными приборами. Немаловажную роль начинает иг рать проектная точность гидравлического расчета и увязки циркуляцион ных колец. В особенности это касается запуска системы обеспечения микро климата, выхода ее в рабочее состояние из сберегающего режима и т. п. Улуч шают управление системой при таком режиме работы с помощью автомати ческих регуляторов, устанавливаемых на стояках (приборных ветках). Пол ного контроля работы системы достигают с автоматическими регулято рами, устанавливаемыми на узлах обвязки теплообменных приборов. Влияние положительных и отрицательных факторов приводит к пе рераспределению потоков в системе. Балансировка системы в процессе работы, при отсутствии автоматических регуляторов гидравлических параметров, возлагается полностью на терморегуляторы. Для этого они должны воздействовать на потоки как при закрывании, так и при от крывании. Увеличение площади теплообменного прибора для обеспече ния авторитета теплоты способствует этому процессу. Некоторое 183 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Данные расчеты являются ориентировочными, поскольку учет по ложительного влияния общего авторитета терморегулятора зависит от кривизны характеристики насоса, показателя степени отопительного прибора, перепада температур на нем и т. д. Приближения к указанным значениям достигают при внешнем авторитете a 1 и пологой характе ристике насоса либо при использовании автоматических регуляторов перепада давления, устанавливаемых на стояках (приборных ветках) либо узлах обвязки теплообменных приборов. Наличие терморегулятора на отопительном приборе дает возмож ность потребителю повысить температуру воздуха в помещении над расчетным ее значением и, следовательно, увеличить сверхноминаль ное теплопотребление. Такая возможность должна предоставляться с обязательным учетом потребления теплоты. При обеспечении авторитета теплоты в помещении следует рассмо треть целесообразность увеличения мощности источника теплоты. Это решается индивидуально для каждого конкретного случая. Учитывают ся следующие факторы: систему отопления проектируют по расчетной температуре внеш него воздуха, которая, как правило, наблюдается ночью, когда по санитарно гигиеническим исследованиям рекомендуется пони жать температуру воздуха в помещении на несколько градусов; запас мощности котлов с учетом горячего водоснабжения, кото рое в ночной период времени минимально, составляет 20...30 %; тепловая инерционность здания и системы отопления способна сгла живать незначительные колебания внешней температуры воздуха; котлы с баками аккумуляторами способны гасить пиковые нагрузки системы отопления. При данных подходах мощность источника теплоты может быть да же несколько меньше от расчетного значения. Необходимость повыше ния мощности котлов возникает при использовании их только для ото пления (без потребления на горячее водоснабжение, бассейн и т. п.) без баков аккумуляторов. Решение этих вопросов согласовывают с про изводителями котлов таким образом, чтобы недостаточность мощности котла не стала отрицательным признаком необеспеченности теплового комфорта помещения. К отрицательным признакам, влияющим на обеспечение авторитета теплоты, относят также несовпадение действий пользователя при инди видуальном регулировании терморегулятором c центральным количест венным регулированием в котельне или бойлерной. Эта ситуация возни кает при нежелании пользователя снижать температуру воздуха в поме щении ночью при ее централизованном регулировании. Как правило, → 182 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА прикрывание терморегулятора (см. рис. 4.11) увеличивает возможность управления потоком теплоносителя при открывании терморегулятора. Возрастает также и сопротивление регулируемого участка, что способ ствует его гидравлической устойчивости. Авторитет теплоты помещения, обеспечиваемый терморегулято ром на теплообменном приборе с увеличенной площадью теплообмена, позволяет: удовлетворить индивидуальные потребности пользователя в увеличении температуры воздуха в помещении сверх ее номи нального значения при основном режиме работы системы; достичь, при необходимости, номинального значения темпера туры воздуха в помещении во время ночного энергосберегающе го режима работы системы; улучшить гидравлическое управление системой; ускорить выход системы в рабочее состояние после сберегаю щего режима, либо при ее запуске. Авторитет теплоты помещения создают только при проектирова нии системы обеспечения микроклимата. Самостоятельное вмеша тельство пользователя в систему приводит к ее гидравлическому и тепловому разбалансированию. 184 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 7. ТРУБОПРОВОДЫ Для систем обеспечения микроклимата существует большой выбор материалов, из которых изготавливают трубы, — сталь, медь, PVC, CPVC, PB, PEX, многослойные и др. Каждый тип труб имеет свойствен ные только ему механические и гидравлические характеристики. По этому их влияние на регулирование системы автоматическими клапа нами и терморегуляторами будет различно. Трубопроводы являются элементом регулируемого участка. Они отбирают часть располагаемого давления. При этом уменьшают внешний и общий авторитеты терморегуляторов и регулирующих клапанов. Гидравлические потери на трение в стальных трубопрово дах систем отопления без терморегуляторов составляют примерно 65 % [18]. Остальная часть потерь распределяется между местными сопротивлениями, в том числе и регуляторами. Применение такого соотношения распределения потерь давления в современных систе мах с переменным гидравлическим режимом является недопусти мым. Для обеспечения высоких значений внешнего авторитета клапа нов б ó льшая часть потерь располагаемого давления должна прихо диться на них. Достигнуть желаемого результата можно несколькими способами: размещением автоматических регуляторов перепада давления вблизи регулирующих клапанов и терморегуляторов; уменьшением потерь дав ления на трение в трубопроводах. Лучшим проектным решением явля ется применение обоих способов. Шероховатость труб зависит от материала изготовления, характера механической обработки внутренней поверхности, времени эксплуата ции и др. Ориентировочные значения коэффициента эквивалентной шероховатости k э , мм, для труб: новых цельнотянутых стальных 0,03...0,05; новых сварных стальных 0,03...0,10; старых сварных стальных 0,15...0,5; оцинкованных стальных 0,1...0,2; стальных (для гидравлических расчетов) 0,2; медных 0,01; полипропиленовых 0,007; полиэтиленовых 0,005; полихлорвиниловых 0,001. Более точные значения следует принимать по данным производите лей. Однако общая тенденция изменения k э свидетельствует о преиму ществе труб из меди и пластиков. Особое внимание следует обратить на 185 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА принимают удельные потери на трение ниже указанного диапазона. Их рассчитывают по эксплуатационно целесообразным удельным показа телям R , Па/м: , (7.1) где Б — поправочный коэффициент, учитывающий изменение естест венного давления на протяжении отопительного периода при разных способах регулирования, — разница плотностей теплоносителя при расчетном перепаде температур, кг/м 3 ; g — ускорение свободного паде ния, м/с 2 ; 2 — количество труб стояка. Данную формулу применяют в системах отопления или ее частях при совпадении направлений циркуляций теплоносителя, вызванных работой насоса и действием естественного давления. Рассчитанные зна чения ориентировочно равны 50…100 Па/м. Такой подход незначитель но увеличивает диаметр стояка. Однако достигается так называемая "сбалансированность стояка", при которой приращение естественного давления равно потере давления на трение. Основным преимуществом "сбалансированности стояка" является одинаковость настроек терморе гуляторов на отопительных приборах либо настроек регулирующих кла панов горизонтальных веток, по крайней мере, от второго до предпослед него этажа при равенстве тепловых нагрузок в них. Это упрощает проек тирование и балансировку системы. Но расходные характеристики тер морегуляторов и регулирующих клапанов будут становиться круче с каждым этажом из за уменьшения их внешнего авторитета, что вызвано возрастанием располагаемого давления за счет прироста естественного давления. По оптимальному диапазону удельных потерь давления на трение определяют оптимальную скорость теплоносителя в трубопроводах. Для систем обеспечения микроклимата она примерно равна 0,5±0,2 м/с. Данная скорость теплоносителя даже с учетом ее увеличения в два раза при максимальном значении общего авторитета терморегулятора a * = 0,7 не способствует шумообразованию системы. Допустимая скорость движения воды в трубопроводе из условия бесшумности зависит от коэффициента местного сопротивления регу лирующего клапана или терморегулятора, установленного на ней. В норме [35] даны предельные значения этих скоростей для стальных тру бопроводов, представленные в табл. 7.1. В числителе указана допусти мая скорость теплоносителя в пробочных кранах и кранах двойной регулировки, в знаменателе — в вентилях. Из данных таблицы следует, что максимально возможная скорость теплоносителя в стальных трубопроводах зависит от требований Δ 187 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА различие k э между проектным значением и данными для новых и ста рых стальных трубопроводов. В системах с автоматическим регулиро ванием возникающие с течением времени изменения гидравлических параметров воспринимают на себя регуляторы перепада давления либо регуляторы расхода. При увеличении сопротивления труб регуляторы соответственно приоткрываются. В системах без автоматического регу лирования эта задача возлагается на терморегуляторы, и с течением времени необходимо корректировать настройку регулирующих клапа нов в сторону уменьшения потерь давления либо устанавливать насосы с б ó льшим напором. Прогнозирование изменения потерь давления в зависимости от сро ка эксплуатации стальных трубопроводов и содержания кислорода в теплоносителе системы водяного отопления осуществляют по номо грамме, представленной в справочнике [18]. Уменьшения потерь давления в трубопроводах достигают либо при менением труб с меньшей шероховатостью, либо увеличением диаметра трубопровода d . При последнем варианте возрастает стоимость системы. Поэтому удельные потери давления на один метр трубопровода прини мают исходя из стоимости труб и стоимости энергии, затрачиваемой на перекачивание теплоносителя насосом. Оптимальное значение потерь давления определяют путем построения графика, подобного рис. 7.1. Стоимостные показа тели (Euro) капитальных и эксплуатационных расхо дов в зависимости от стра ны могут иметь некоторые различия. Но в общем слу чае оптимум удельных по терь давления R трубо проводов (заштрихованная зона) находится примерно в диапазоне 100…250 Па/м. При учете влияния естественного давления в двухтрубных стояках с не посредственным присоеди нением к ним теплообмен ных приборов, либо при борных веток без автома тических регуляторов пе репада давления иногда 186 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 7.1. Определение оптимума потерь давления в трубопроводах: А ñ капитальные затраты и стоимость тепловой энергии; В ñ стоимость перекачивания теплоносителя Удаление воздуха осуществляют автоматическими воздухоотвод чиками Данфосс (рис. 7.2), устанавливаемыми в местах скопления воздуха. Воздухоотводчик состоит из корпуса и поплавка, который пе ремещается по мере накопления воздуха и открывает через передаточный меха низм выпускное отверстие. Кроме того, воздухоотводчик снабжен обратным клапаном, позволяющим демонтировать корпус без отключения системы. Для улучшения перемещения воздушных пу зырьков горизонтальные трубопроводы прокладывают под уклоном 2…3 ‰ от автоматического воздухоотводчика. Воз духоотводчик может поставляться в комплекте оборудования, например, рас пределителе потока CFD (см. рис. 4.7), либо отдельно для установки в верхних торцах стояков… Удаляют воздух из системы также вручную через вентильки и кра ники на клапанах. Такая функция предусмотрена и на терморегулято рах напольного отопления FHV A и FHV R (см. рис. 4.7). Соединение трубопроводов с воздухоотводчиками, терморегулято рами, клапанами и т. д. осуществляют фитингами. Каждому типу трубо проводов соответствуют определенные фитинги. Для медных, сталь ных, РЕХ, VPE, РЕХ Al PEX труб они показаны на рис. 7.3. Фитинги создают гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя. Им, как правило, пренебрегают при проектировании. Однако некоторые конструкции фитингов значительно сужают поток. Если производите лем не указан коэффициент местного сопротивления, то соединение 189 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА к конкретному помещению по условиям бесшумности. В общем случае эта скорость должна быть не выше 1,5 м/с. Для пластиковых труб, спо собных гасить как звук, так и гидравлические удары, это значение не сколько выше, а именно: в стояках — до 2,5 м/с, в распределительных и сборных трубопроводах — до 2,0 м/с. Скорость воды в медных трубопро водах имеет дополнительное ограничение. Она не должна способство вать разрушению защитной оксидной пленки на внутренней поверхнос ти трубы. Ее максимальное значение в системах обеспечения микрокли мата не должно превышать 1 м/с. Проектирование по допустимым максимальным скоростям тепло носителя может быть применено в системах лишь при постоянном гид равлическом режиме. В системах с переменным гидравлическим режи мом необходимо прогнозировать увеличение скорости при открывании терморегуляторов либо ограничивать это увеличение путем уменьше ния потокораспределения. Минимальную скорость теплоносителя принимают из условия удаления воздуха системы. Она должна предотвращать образование воздушных пробок и обеспечивать транспортирование воздушных пу зырей к месту их сбора и удаления. Минимальная скорость зависит от совпадения направлений движения теплоносителя и всплытия воздуш ных пузырьков. Для вертикальных трубопроводов ее принимают не меньше 0,2...0,25 м/с; наклонных и горизонтальных трубопроводов — не меньше 0,1...0,15 м/с; горизонтальных трубопроводов в полу и в плин тусе — не меньше 0,2...0,3 м/с. Однако допускается уменьшение этих значений при небольших потоках воды и отсутствии труб меньшего ти поразмера в номенклатурном ряду. Удаление воздуха из системы является важным фактором ее работо способности. Этот процесс должен быть постоянным, особенно в систе мах с пластиковыми трубопроводами при наличии кислородной диффузии. 188 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Таблица 7.1. Допустимая скорость движения воды в стальных трубо проводах Рис. 7.2. Автоматический воздухоотводчик МАТІС Рис. 7.3. Фитинги Данфосс для труб: а ñ стальных и медных, б ñ PEX AL PEX, в ñ VPE/PEX а б в со сферой хвостовика соединение типа "конус сфера". Такое соединение не требует дополнительного использова ния уплотнителей. Хвостовики, кроме основной комплектации, поставляют по заказу удлиненными или укороченны ми. Их применяют при модернизации систем с заменой старых клапанов на клапаны Данфосс. Тип труб и способ их подводки к теплообменному прибору влияют на управление тепловым комфортом в помещении при помощи термо регулятора. Чем больше теплоты от трубопроводов поступает в поме щение, тем менее управляемый тепловой комфорт. Наилучшим проект ным решением является скрытая в ограждающих конструкциях поме щения прокладка теплоизолированных трубопроводов с присоединени ем их к коллектору. В этом случае при закрывании терморегулятора прекращается циркуляция как в теплообменном приборе, так и в трубо проводах. При наличии трубопроводов в помещении необходимо уменьшать тепловой поток теплообменного прибора на количество теплоты Q тр , Вт, [36]: , (7.2) где q — удельный тепловой поток открыто проложенных вертикальных либо горизонтальных трубопроводов, Вт/м; l — длина вертикальных и горизонтальных трубопроводов в помещении, м; b — доля неучитывае мого теплового потока, которая ориентировочно составляет: для открыто проложенных вертикальных и горизонтальных трубопроводов 0,10; для трубопроводов, проложенных под плинтусом 0,50; для теплоизолированных стояков 0,90; для трубопроводов, проложенных в толще пола и изолированных полиуретановой пенкой или вспененным полиэтиленом толщиной более 13 мм 0,95; для трубопроводов, проложенных и забетонированных толщей пола в защитной гофрированной трубе 0,60. Уточнение параметра b осуществляют для конкретного типа труб и технологии их укладки, которую предлагают производители и монтажники. Удельный тепловой поток q принимают по данным производителей труб либо рассчитывают по температурному напору и коэффициенту 191 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА с отношением диаметра прохода к внутреннему диаметру трубы меньше 0,8 необходимо учесть как дополнительное местное сопротивление — мгновенное расширение и мгновенное сужение ( =1,5). При отноше нии диаметров прохода соединения и трубы в пределах 0,8...1,0 реко мендуется принимать = 1. В гидравлическое сопротивление запорно регулирующей армату ры (клапанов, терморегуляторов, кранов и т. д.) включено сопротивле ние участков трубопроводов, установленных до и после неё [16]. На этих участках происходит переформирование профиля скорости теп лоносителя, сопровождаемое потерей давления. При прямолинейных участках труб длиной меньше указанных соотношений на рис. 7.4 гид равлические характеристики ар матуры будут отличаться от пара метров, предоставляемых произ водителем в техническом описа нии. Рекомендуется, чтобы пря молинейные участки трубопро водов были не меньше указанных соотношений и не влияли на них другие местные сопротивления, т. е., чтобы расстояние между ними было не меньше 10 d . При меньших соотношениях либо взаимовлия нии местных сопротивлений необходимо экспериментально опреде лить общее сопротивление трубопроводных узлов, состоящих из не скольких близко расположенных элементов системы. Арифметичес кое суммирование местных сопротивлений этих элементов, как часто делается на практике, не отвечает реальному гидравлическому сопро тивлению узла. Отличительной особенностью терморегулято ра Данфосс является установка на его выходе ста билизатора потока (рис. 7.5). Он позволяет исклю чить необходимость применения прямолинейного участка трубы после терморегулятора и присоеди нять терморегулятор непосредственно к теплооб менному прибору через короткие патрубки (хвос товики) (см. рис. 4.2). Хвостовики (рис. 7.6) имеют коническую трубную резьбу для непо средственного соединения с теплообменным прибором. Коническая резь ба позволяет осуществлять соединение без использования уплотнителей. Второй торец хвостовика выполнен в форме сферы и имеет накидную гайку. Это позволяет располагать терморегулятор в нужном положении относительно горизонта. Кроме того, на корпусе терморегулятора вы полнена внутренняя коническая выточка (зеньковка), образующая 190 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 7.4. Присоединение клапанов Рис. 7.5. Стабилизатор Рис. 7.6. Хвостовики 192 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА теплопроводности материала труб, ориентировочные значения которо го приведены в табл. 7.2. Уменьшение гидравлического сопротивления и теплопотерь трубо проводов улучшает управление тепловым комфортом в помещении. Таблица 7.2. Характеристики труб |