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.
|
|
10. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА СИСТЕМ 10.1. Общие сведения Основной целью проектирования систем обеспечения микроклима та является создание теплового комфорта в помещении при минимуме потребления энергоресурсов. Теоретически данная задача является до стижимой. Практически сегодня делается все возможное для ее реали зации. Современное оборудование приближается к идеальным характе ристикам, позволяющим добиться эффективного результата. Однако в действительности даже самые современные системы не всегда справля ются с этой задачей. У 80 % систем причиной является несоответствие распределения потоков воды [42]. Несоответствию способствуют многие факторы, содержащиеся в допущениях методик расчета, погрешностях монтажа систем, несоблю дении эксплуатационных требований. В результате происходит пере распределение потоков по реальным гидравлическим сопротивлениям циркуляционных колец, что приводит к необеспеченности теплового комфорта в помещениях из за недостатка потока в одних циркуляцион ных контурах и его избытка в других, возникновению шума, перерасхо ду энергоресурсов, поэтому перед сдачей объекта в эксплуатацию необ ходимо вывести систему в рабочий режим с помощью балансировки клапанов. Одним из допущений методик гидравлического расчета является то, что системы с переменным гидравлическим режимом рассматрива ют аналогично системам с постоянным гидравлическим режимом. При этом гидравлическое сопротивление элементов системы принимают постоянным, в то время как оно изменяется в широких пределах. В си стемах с переменным гидравлическим режимом дополнительным тре бованием, которое должно войти в практику проектирования, является создание условий для эффективной работы всех элементов системы. Для клапанов — распределение потоков, для системы обеспечения ми кроклимата в целом — линейность регулирования тепловым потоком теплообменных приборов. До осуществления наладки системы необходимо провести подго товительные работы: ознакомиться с проектной документацией, тех ническими инструкциями на клапаны, приборы и пр. Далее проверя ют исправность элементов системы, их работоспособность и функци онирование, правильность монтажа. Затем производят балансировку системы. Гораздо сложнее производить подготовительные работы в модерни зируемых системах. В этом случае, как правило, заново определяют 257 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 256 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА процесс балансировки должен быть дешевым, быстрым и отвечать техническим требованиям. В основе методов балансировки систем с терморегуляторами пря мого действия применяют два подхода. Первый осуществляют в не сколько этапов. Он заключается в последовательном устранении дисба ланса по отдельным циркуляционным кольцам, начиная с основного (наиболее удаленного и нагруженного) кольца. Пройдя первый этап, его повторяют до достижения проектного потокораспределения во всех циркуляционных кольцах. Второй осуществляют в один этап. Его реа лизуют при компенсационном методе балансировки [20]. В системах с терморегуляторами прямого действия широкое распространение полу чили методы: температурного перепада; предварительной настройки клапанов; пропорциональный; компенсационный; компьютерный. Настройку автоматических терморегуляторов непрямого действия (электронных) осуществляют: статически; динамически. Указанные способы и методы настройки клапанов достаточно по дробно рассмотрены в литературе [20; 44; 45]. Остановимся лишь на особенностях и возможностях, которые возникли в последнее время благодаря применению современного оборудования и новых подходов в подборе клапанов и теплообменных приборов. Наладка системы обеспечения микроклимата ручными балансиро вочными клапанами является длительной и дорогостоящей проце дурой. Этот процесс значительно упрощается и удешевляется при применении в системе автоматических балансировочных клапанов (регуляторов перепада давления, регуляторов расхода, стабилиза торов расхода и т. п.) вместо ручных балансировочных клапанов. 10.2. Метод температурного перепада Метод основан на уравнении (2.2), смысл которого заключается в том, что в сбалансированной системе разность температур теплоноси теля t на входе и выходе всех теплообменных приборов должна быть одинаковой. При несоответствующих потоках теплоносителя она Δ разбалансировку при выборе и обосновании проектных решений систе мы обеспечения микроклимата. Для этого уменьшают расчетный пере пад температур теплоносителя с увеличением этажности здания; рас сматривают работоспособность системы при минимальном и макси мальном перепадах температур теплоносителя; устанавливают регуля торы перепада давления в горизонтальных системах на поэтажных (по квартирных) приборных ветках; устанавливают на каждом теплообмен ном приборе стабилизаторы расхода или регуляторы перепада давления в вертикальных системах. Предэксплуатационные общие закономерности следует, прежде всего, попытаться устранить регулированием производительности на соса и температуры теплоносителя. Общие рекомендации приведены в табл. 10.1 [43]. В горизонтальных системах устраняют поэтажную разбаланси ровку также настройкой регулирующих клапанов на приборных ветках. Если во всех помещениях нет общей закономерности несоответ ствия тепловым условиям, то следует производить балансировку систе мы. Для ее реализации выбирают способ, который зависит от типа при меняемых регуляторов: прямого или непрямого действия. При этом Таблица 10.1. Устранение поэтажной разбалансировки системы 259 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 258 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА воздуха снаружи и внутри помещения, т. е. равна 20 °С, перепад темпе ратур t ´ = 0. Промежуточные значения t ´ определяют по пропорции. Например, при t ext = 0 °С, соответствующей 50 % рассматриваемого диа пазона изменения внешних температур, t ´ = 11 °С и также составляет 50 % от максимального перепада температур теплоносителя. Балансировку осуществляют до требуемого перепада температур теплоносителя настройкой дросселя терморегулятора либо регулирую щего клапана в узле обвязки теплообменного прибора. Термостатичес кий клапан в это время должен быть полностью открыт (со свободно на крученным колпачком). Следовательно, влияние завышенного тепло вого потока теплообменного прибора устраняется уменьшением расхо да теплоносителя посредством увеличения сопротивления дросселя терморегулятора либо регулирующего клапана. В том и в другом случае ухудшается потокораспределение терморегулятора и, следовательно, авторитет теплоты помещения. Процедура достижения равенства тем ператур на всех теплообменных приборах может повторяться несколь ко раз до достижения сбалансированности системы, т. к. настройка каждого прибора отражается на характеристиках всех остальных, даже отрегулированных приборов. Данный метод балансировки очень не точен, особенно в системах с низкими перепадами температур, каковыми являются системы охлажде ния с фенкойлами либо потолочными панелями, системы отопления в полу… Из за тепловой инерции системы и здания процедура балансиров ки требует значительного времени. Кроме того, необходимо обеспечить стационарные температурные условия как внутри помещения, так и сна ружи, поэтому метод температурного перепада применяют для баланси ровки небольших систем отопления при безветренной и несолнечной по годе. Чем ниже температура наружного воздуха, тем точнее результат. Несмотря на все недостатки, данный метод является единственно возможным для балансировки теплообменных приборов в пределах стояка либо приборной ветки, если в узлах обвязки этих приборов от сутствуют регулирующие клапаны со штуцерами для отбора импульсов давления теплоносителя. Задача значительно упрощается при наличии таких клапанов. Тогда применяют пропорциональный либо компенса ционный метод балансировки. С автоматическим регулятором перепа да давления на стояке либо приборной ветке настройку теплообменных приборов осуществляют также упрощенным методом предварительной настройки клапанов. В этом случае предполагают, что все автоматичес ки поддерживаемое давление теряется в терморегуляторе, т. е. прене брегают потерями давления в трубопроводах и теплообменном приборе. Положение настройки дросселя подбирают по пропускной способности Δ Δ Δ изменяется. Принято считать, что отопительные приборы достигают проектного режима лишь при номинальном потоке. Недостаточный поток теплоносителя уменьшает теплоотдачу прибора, а чрезмерный поток не приводит к ее существенному увеличению (см. рис. 6.7), при этом разницу температур теплоносителя принимают по расчетному значению (уравнение (2.2)). В то же время не учитывают, что тепловой прибор выбирают по завышенным в 1,15 (1,1) раза теплопотерям поме щения (см. п.р. 6.3). Разница температур t ´ теплоносителя при этом будет выше t , т. к. расход теплоносителя уменьшится, поэтому разни цу температур следует определять с учетом завышенного типоразмера теплообменного прибора. Находят разницу температур геометрическим построением, показанным на рис. 10.1. Сплош ная линия характеризует изме нение температуры подаваемого в отопительный прибор теплоно сителя. Пунктирная — расчет ную температуру теплоносителя на выходе прибора. Штрих пунктирная — требуемую темпе ратуру теплоносителя на выходе прибора с завышенной поверх ностью теплообмена. На оси аб сцисс дан диапазон изменения температуры наружного воздуха t ext . Он начинается с расчетной наружной температуры воздуха для системы отопления (например, минус 20 °С) и заканчивается тем пературой, совпадающей с нормативной температурой воздуха в поме щении (например, 20 °С). На оси ординат дан диапазон изменения тем пературы теплоносителя на входе в отопительный прибор и выходе из него. Температуру теплоносителя на входе в отопительный прибор при нимают, как правило, равной температуре на выходе из источника теп лоты, например, 90 °С (из котла). Для более точного расчета следует учитывать остывание теплоносителя в трубопроводах. Температуру в обратном трубопроводе, например, 68 °С, определяют из среднего пере пада температур между прибором (с учетом завышенного типоразмера) и воздухом в уравнении (6.1). При расчетной температуре наружного воздуха перепад температур теплоносителя примерно равен t ´ = 22 °С. Когда совпадает температура Δ Δ Δ ∆ 01 = ∆ ΄ 11 = ∆ 02 =C 20 20 90 70 68 ∆ ΄ 2 2 = - 20 0 C C C Рис. 10.1. Определение требуемого перепада температур теп лоносителя в отопитель ном приборе 261 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 260 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 10.4. Пропорциональный метод Метод основан на закономерностях отклонения потоков в парал лельных участках системы, возникающего при регулировании одного из них. Предполагается, что в разветвленных системах регулирование одного из клапанов внутри модуля не влечет пропорционального изме нения параметров в остальных клапанах модуля. В то же время пропор циональная зависимость между ними происходит при возмущениях, со здаваемых общим регулирующим клапаном модуля. Модулем системы может быть совокупность стояков либо приборных веток, регулируе мых общим клапаном, причем на каждом стояке либо ветке также дол жен быть регулирующий клапан. Тогда по данному методу балансиров ки можно вначале достичь одинаковой разбалансировки (равенства со отношений фактического расхода V теплоносителя к номинальному V N ) стояков либо веток внутри модуля, затем установить номинальный поток в них регулировкой общего клапана. Для осуществления этого метода необходимо разделить систему на иерархические модули с общими регулирующими клапанами. Совокуп ность модулей низших уровней составляет модуль высшего уровня. Балансировку начинают внутри модулей низшего уровня. Затем, посте пенно поднимаясь по иерархии модулей, увязывают их между собой, приближаясь к главному регулирующему клапану всей системы. Такой подход имеет множество комбинаций практического реше ния данной задачи. Выбирают наиболее экономичную. При этом выпол няют оптимизацию по следующим критериям: достижение наиболее низкого располагаемого давления в системе; достижение наиболее высоких внешних авторитетов клапанов. В обоих случаях наилучшим вариантом являются минимальные потери давления в основном циркуляционном кольце системы. Для этого потери давления в регулирующем клапане также должны быть минимальными. Их принимают, исходя из точности приборов изме рения перепада давления, как правило, не ниже 3 кПа. В регулирую щих клапанах с расходомерной шайбой (MSV C) — не ниже 1 кПа [38]. Основные составляющие данного метода представлены в табл. 10.2 на примере одного модуля, состоящего из трех стояков с регулирую щими клапанами MSV C. Общий клапан модуля также MSV C либо MSV F. Стрелками изображено действие, которое следует произвести на клапанах: против часовой стрелки — частично открыть клапан; по часовой — частично прикрыть. Стрелка с обозначением max означает полное открытие клапана. терморегулятора, определяемой уравнением в табл. 3.1, где перепад давления принимают равным автоматически поддерживаемому регуля тором перепаду. В методе температурного перепада следует учитывать влияние завышенного типоразмера теплообменного прибора на изменение температуры в обратном трубопроводе. 10.3. Метод предварительной настройки клапанов Метод основан на балансировке по гидравлическому расчету при проектировании системы до ее монтажа. Увязку циркуляционных колец осуществляют настройкой каждого регулирующего клапана и терморегу лятора. Настройку определяют по пропускной способности k v . В сущест вующей практике применения этого метода не учитывают изменение ра бочих расходных характеристик клапанов под воздействием внешнего авторитета, что не в полной мере соответствует реальным характеристи кам системы. Влияние внешнего авторитета на расходные характеристики регу лирующих клапанов и терморегуляторов рассмотрено в данной книге. Результаты приведены в примерах 3; 6; 9; 13; 14 и 15. У данного метода есть недостаток: он не учитывает отклонения, воз никающие при монтаже системы обеспечения микроклимата. Кроме то го, определение потерь давления в элементах систем является сложной процедурой и не всегда соответствует реальности. Одна из причин тому — допущение о постоянстве коэффициентов местных сопротивле ний во всем диапазоне регулирования потока теплоносителя и отсут ствие учета их взаимовлияния, поэтому данный метод, хотя и является основополагающим при проектировании, в то же время не исключает не обходимости корректировки настроек клапанов после монтажа системы. Положение настройки регулирующего клапана в процессе балансировки системы определяют, исходя из примера 4 и уравнений (3.25; 3.31; 3.36; 3.37) в зависимости от типа рабочей расходной характеристики. При корректировке настройки регулирующих клапанов уточняют располагаемое давление регулируемого участка. Для этого измеряют перепад давления на закрытых регулирующих клапанах. В методе предварительной настройки необходимо учитывать влия ние внешнего авторитета (при а < 0,5) на расходную характери стику клапанов и возможность ими осуществлять регулирование. 263 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 262 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Задача второго этапа состоит в обеспечении на клапанах 2 и 1 путем их частичного прикрывания примерно такого же отношения V/V N , как у клапана 3. Равенства этих отношений достигают методом последова тельных приближений. При этом следует учитывать, что приемлемая невязка по перепаду давления — 10…15 %, по расходу соответственно — 3…4 %. Третий этап является окончательным в балансировке модуля систе мы. Регулировкой общего клапана модуля выставляют на нем по PFM 3000 номинальный поток, т. е. V/V N = 1. По закону пропорциональ ности на всех клапанах модуля установится также V/V N = 1. На этом ре гулировка модуля закончена. Аналогично поступают с остальными модулями системы. Затем из этих модулей составляют общий модуль и также регулируют его. Фор мируя и регулируя модули высших уровней, доходят до общего (глав ного) регулирующего клапана всей системы, установленного у насоса зачастую на обратной магистрали. По степени его необходимого пере крытия определяют целесообразность замены клапана либо насоса на другой типоразмер. Сбалансировав систему таким методом, в конечном итоге устраняют несоответствие реальных и номинальных расходов теплоносителя в ее циркуляционных кольцах. Следует отметить, что реализовать это гораздо проще клапанами со встроенной расходомерной шайбой, каковыми явля ются MSV C. Измерение расхода в них осуществляют не по потерям да вления в регулирующем отверстии, имеющем разную пропускную способ ность при каждой настройке, а по потерям давления на расходомерной шайбе с постоянной пропускной способностью (см. пример 7). Для клапа на без расходомерной шайбы необходимо каждое изменение его настрой ки указывать в PFM 3000. Для MSV C с расходомерной шайбой — указать пропускную способность шайбы лишь один раз для всех измерений. Клапаны MSV C и MSV F создают незначительное гидравлическое сопротивление в открытом положении. Имеют соответственно лога рифмическую и логарифмическо линейную расходную характеристику. Это наилучшим образом соответствует работоспособности системы. В то же время необходимость наличия большого количества регулирую щих клапанов (на каждом иерархическом уровне) приводит к уменьше нию внешних авторитетов терморегуляторов и, следовательно, отдаля ет проектировщика от создания системы с идеальным регулированием (см. рис. 6.5). Кроме того, из за такого количества клапанов следует вы бирать насос с б ó льшим напором, что увеличивает потери энергии на перекачивание теплоносителя. Все эти недостатки отсутствуют при ис пользовании автоматических регуляторов перепада давления вместо На первом этапе балансировки системы для уменьшения потерь давления на перекачивание теплоносителя полностью открывают регу лирующий клапан основного циркуляционного кольца модуля. Чаще всего — это наиболее удаленный клапан. Допускается при этом несколь ко прикрыть остальные клапаны модуля. Если нет однозначной уверен ности в установлении основного циркуляционного кольца, то полностью открывают все клапаны модуля. Затем прибором PFM 3000 определяют расход V на каждом клапане. Сопоставляют полученные значения с но минальными расходами V N по отношению V/V N . У клапана 3 основного циркуляционного кольца модуля это соотношение будет наименьшим. Таблица 10.2. Пропорциональная балансировка модуля системы C- VS M C- VS M C- VS M F- VS M/ C- VS M |