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.
|
|
2. ТЕПЛО И ХОЛОДОНОСИТЕЛЬ Перенос теплоты и холода по трубопроводам осуществляют при помо щи жидкостей или газов, называемых в системе отопления теплоносителя ми, а охлаждения — холодоносителями. В дальнейшем при проявлении их общих закономерностей используется термин теплоноситель, а при осо бенностях, характерных для систем охлаждения, — холодоноситель. Из многообразия теплоносителей наиболее применяемой является вода. Она дешева, практически не сжимаема, способна переносить коли чество теплоты при равных объемах почти в 100 раз больше, чем водяной пар и в 6800 раз — чем воздух. В то же время имеет ряд недостатков, усложняющих проектирование и эксплуатацию систем. Ее плотность, объем и вязкость зависят от температуры; температура кипения — от давления; кислородорастворимость — от температуры и давления. Кроме того, она вступает в химические и электрохимические реакции с металлами, имеет большую плотность. Отрицательные свойства воды устраняют в процессе производства оборудования, проектирования систем и их эксплуатации. Вся продук ция Данфосс адаптирована к химическому составу воды. Контактирую щие с водой элементы, как обязательное минимальное требование, выполнены из устойчивых к коррозии металлов: специальной латуни, хромированной стали, нержавеющей стали... Уплотнители изготовлены из устойчивых к растворенным в воде химическим веществам: бутадие накрилонитрильного и этиленпропиленового каучука, фторопласта... Качество теплоносителя — характерный признак современных ав томатически регулируемых систем обеспечения микроклимата. Регу лирование и контроль параметров воды в них осуществляется через отверстия и каналы весьма малых сечений. От их состояния зависит эффективность работы системы в целом и ее элементов в частности, поэтому качество воды должно быть не нормативно декларируемым, а реализованным на практике. Особенно это относится к странам Вос точной Европы, где только начинается процесс перехода от морально и физически устаревших систем к новым системам, а также осуществ ляется попытка их совмещения. При этом предлагаемые пути реше ния — отказ от услуг теплосетей либо дополнительное фильтрование теплоносителя перед насосами, тепломерами, регуляторами — увели чивают капитальные и эксплуатационные затраты, снижая энергоэф фективность систем. Наиболее объемлющие требования к воде в инженерных системах зданий представлены в VDI 2035 [11; 12]. Дополнительные рекомендации по безопасному сочетанию оборудования водяных систем, выполненного из различных металлов, приводятся в специаль ной литературе, напри мер, [13]. Но даже при высоком исходном качес тве воды существует не обходимость ее очистки от загрязнений, попадаю щих при монтаже и экс плуатации систем. Для обеспечения ра ботоспособности и избе жания повреждений тер морегуляторов, автома тической запорно регулирующей арматуры, трубопроводов и т. п. ис пользуют сетчатые фильтры Данфосс (рис. 2.1). Особенно важно их применение в системах с чугунными радиаторами, из которых в тече ние многих лет эксплуатации вымываются частички формовочной массы. Загрязняющие частички оседают на сетку фильтра, находящу юся под углом к потоку воды, и собираются в камере. Камера может быть оснащена шаровым краном для промывки фильтра под напором воды трубопровода. При открывании крана вода промывает сетку и выносит накопленную грязь. Если конструктивно промывочный кран не предусмотрен, — устанавливают отключающие краны с обеих сто рон фильтра. Во всех фильтрах сетка выполнена съемной для регене рации без демонтажа корпуса. Она изготовлена из нержавеющей ста ли. Корпус — из латуни для резьбового соединения либо чугуна для фланцевого соединения. Условный диаметр присоединения от 8 до 300 мм. Размеры ячеек 0.3, 0.5, 0.8, 1.25, 1.6 мм. Особое внимание следует уделять системе обеспечения микрокли мата при использовании добавок к воде, снижающих температуру крис таллизации. Наибольшее распространение получили коммерческие ан тифризы на основе этилен и пропиленгликоля. Они предотвращают разрушение системы периодического действия, вызванное переходом воды из жидкого агрегатного состояния в твердое при ее остывании. До бавляемые в состав антифриза ингибиторы коррозии предотвращают деструкцию внутренних поверхностей элементов этих систем, вызван ную химическими или электрохимическими процессами при взаимо действии с водой. Добавки к воде влияют на гидравлические и теплотехнические ха рактеристики оборудования системы. Менее существенное воздействие, 24 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 25 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Рис. 2.1. Фильтры сетчатые по сравнению с этиленгликолем, оказывает пропиленгликоль. Плот ность этиленгликоля (C 2 H 6 O 2 ) при температуре 20 °С превышает плот ность воды в 1,34 раза. Кинематическая вязкость воды с 50 % содержа нием этиленгликоля возрастает примерно в 4 раза. Коэффициент объ емного расширения водоэтиленгликолевой смеси увеличивается в 1,5...2 раза. Безусловно, такие свойства антифризов приводят к необхо димости корректировки показателей работоспособности системы. Ори ентировочное влияние этиленгликоля на характеристики системы представлено в табл. 2.1 [14]. Влияние антифриза на расход водогликолевой смеси V w.g , м 3 /ч, в клапанах определяют по формуле: или V w.g = k V , (2.1) где V — объемный расход воды, определяемый по графику клапана из технического описания, м 3 /ч; 100 — размерный коэффициент; C g — объемная доля антифриза в смеси, %; — плотность воды при 20 °С, принимаемая равной 1000 кг/м 3 ; g — плотность антифриза, кг/м 3 ; k — корректирующий коэффициент. При использовании этиленгликоля с g = 1338 кг/м 3 или пропилен гликоля с g = 1036 кг/м 3 значения корректирующих коэффициентов представлены в табл. 2.2. Сравнение этих коэффициентов указывает на преимущества пропиленгликолевой смеси с водой. Пример 1. При перепаде давления P = 60 кПа на регулирующем клапане MSV F DN 65 с настройкой 3 объемный расход воды составля ет V = 9,50 м 3 /ч. Применение смеси воды с 30 % содержанием этиленгли коля приведет к изменению расхода: V w.g = 0,953 9,50 = 9,055 м 3 /ч. На характеристики тепло и холодоносителя оказывает также сущес твенное влияние процесс управления мощностью системы обеспечения микроклимата, осуществляемый как централизованно, так и индивиду ально. При этом перенос теплоты (холода) Q, Вт, определяют уравнением: Q = c w V t / 3600 = c w G t / 3600 = 1,16 G t, (2.2) где 1,16 — размерный переводной коэффициент, учитывающий тепло емкость воды c w , кДж/кг К; G — массовый расход теплоносителя, кг/ч; t — перепад температур воды в системе обеспечения микроклимата, °С. По уравнению (2.2) определяют необходимый расход воды для системы в целом и потребителей в отдельности. Из него же следуют возможные способы регулирования системы: массовым расходом G (количественное регулирование); перепадом температур t (качественное регулирование); комбинированием t и G (качественно количественное регулиро вание). Любой из способов приводит к изменению проектно заданных пара метров теплоносителя. Некоторого устранения негативного влияния на перераспределение потоков в системе достигают уменьшением значе ния t . Этот перепад температур характеризуют разностью плотностей воды в подающем и обратном трубопроводах, определяемую по уравне нию [15]: = 1003,1 – 0,1511 t – 0,003 t 2 , (2.3) где 1003,1; 0,1511 и 0,003 — размерные коэффициенты; t — температура воды, °С. Температура воды в трубопроводах систем обеспечения микрокли мата зависит от многих факторов, в том числе от традиций страны. Низ кие значения перепадов температур теплоносителя применяют в систе мах отопления Великобритании и Соединенных Штатов Америки соот ветственно t = 82 – 71 = 11 °С и t = 93 – 82 = 11 °С, высокие — встре чаются в странах Восточной Европы — t = 150 – 70 = 80 °С. Широко распространены в Европе средние перепады температур — 20 и 25 °С. Эти перепады изменяются для систем обеспечения микроклимата в Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 26 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 27 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Параметр Массовая доля этиленгликоля, % 10 20 30 40 Температура кристаллизации, °С 4,4 9,4 15,6 24,4 Нижняя граница рабочей температуры, °С 1 4 10 19 Относительная тепло или холодопроизводительность 0,998 0,970 0,950 0,935 Относительные потери давления в системе отопления 1,050 1,120 1,180 1,240 Относительные потери давления в системе охлаждения 1,029 1,152 1,130 1,481 Таблица 2.1. Влияние водоэтиленгликолевой смеси на характеристики систем обеспечения микроклимата [14] Таблица 2.2. Корректирующий коэффициент водогликолевой смеси Корректирующий Объемная доля гликоля C g , % коэффициент k 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Для этиленгликоля 1,000 0,983 0.968 0,953 0,939 0,925 0,912 0,899 0,887 0,876 0,864 Для пропиленгликоля 1,000 0,998 0,996 0,995 0,993 0,991 0,989 0,988 0,986 0,984 0,982 зданиях различного назначения. Уменьшают их также с 25 до 15 °С при увеличении этажности здания. Для систем отопления в полу t прини мают равным 5 °С, а для систем холодоснабжения фенкойлов — 6 °С. Из всего многообразия проектных подходов однозначно можно отметить: чем ниже значение t , тем гидравлически стабильнее будет работать си стема при качественном регулировании из за снижения влияния грави тационного давления. Качество теплоносителя является исходным фактором эффектив ной работоспособности автоматического оборудования систем обеспечения микроклимата. Применение водогликолевых смесей требует корректировки гидрав лических и тепловых показателей системы обеспечения микрокли мата, рассчитанной для теплоносителя воды. Водопропиленглико левая смесь оказывает значительно меньшее влияние на изменение гидравлических характеристик клапанов, чем водоэтиленгликолевая смесь. Выбор температуры воды зависит от назначения системы, тради ций страны, назначения и этажности здания, способа регулирования. Δ Δ 28 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ 3.1. Общие сведения Движение воды в системах обеспечения микроклимата осуществля ется за счет перепада давления, создаваемого насосом P н , Па, и перепа да гравитационного давления P e , Па, возникающего вследствие разно сти температур воды в подающем и обратном трубопроводах. Эти перепа ды являются составляющими расчетного циркуляционного давления P , Па, необходимого для преодоления сопротивления движения воды: P = P l + P м . (3.1) Потери давления на трение P l , Па, в трубопроводах определяют по формуле Дарси Beйсбаха: (3.2) где — коэффициент гидравлического трения; l и d — соответственно длина и внутренний диаметр трубопровода, м; — плотность воды, кг/м 3 ; — скорость движения воды, м/с. На гидравлическое трение оказывают влияние шероховатость труб и режим течения воды. Исследование гидравлического трения при раз личных условиях показывает, что пластиковые и медные трубы являют ся гидравлически гладкими. Стальные трубопроводы для систем отоп ления и кондиционирования работают в переходной области сопротив ления, а для систем водоснабжения — в шероховатой. Каждая область сопротивления имеет отличительные особенности. Однако в практике проектирования гидравлических инженерных систем здания применя ют универсальные формулы для всех трех областей турбулентного ре жима (гладкой, переходной и шероховатой). Широко используют при этом формулу Колбрука Уайта: (3.3) и ее модифицированный вариант (3.4) где Re — число Рейнольдса; k э — эквивалентная шероховатость. Применяют также формулу Альтшуля: (3.5) в которой для практических расчетов усредняют по скорости 0,5 м/с и Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 29 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА средней температуре воды за период использования системы. При скоро сти 1 м/с и более в эту формулу добавляют понижающий коэффициент. Данные о потерях давления на трение в трубах предоставляют фир мы производители, как правило, в виде графиков либо таблиц для наибо лее часто применяемых расчетных температур теплоносителя. При иных температурах используют корректирующие коэффициенты. Потери давления в местных сопротивлениях P м , Па, рассчитывают по формуле Вейсбаха: (3.6) где — коэффициент местного (гидравлического) сопротивления. Гидравлическое сопротивление, создаваемое запорно регулирующей арматурой (клапанами, терморегуляторами…), относится к местным по терям давления. Для их определения преобразуют формулу (3.6) через объемный расход воды и пропускную способность клапана. 3.2. Пропускная способность клапана Коэффициент местного сопротивления является основной гидрав лической характеристикой запорно регулирующей арматуры. Опреде ляют при протекании воды через клапан в режиме квадратичного со противления. Находят экспериментально как отношение потерянного полного давления на клапане к динамическому давлению в его условном входном сечении. Кроме того, в коэффициент местного сопротивления клапана включено сопротивление участков присоединительных трубо проводов, на которых происходит перестройка поля скорости воды. Эта особенность требует наличия в системе прямых участков трубопроводов перед клапаном и после него (см. рис. 7.4), что не всегда достижимо. К гидравлическим характеристикам клапанов относят также про пускную способность. Ее определяют как объемный расход воды в м 3 /ч с плотностью 1000 кг/м 3 , проходящей через клапан при перепаде давления 10 5 Па (1 бар). Поэтому часто в каталогах и справочниках пренебрегают знаменателем единиц измерения и указывают только м 3 /ч. При этом теряется гидравлический смысл параметра. Для определения потери давления в клапанах P , бар, применяют уравнение (3.6), выражая скорость воды через объемный расход V , м 3 /ч, деленный на площадь условного проходного сечения: (3.7) ΔP k V v = 1 2 2 Δ Δ Сравнивая уравнения (3.6) и (3.7), определяем, что пропускная спо собность k v , (м 3 /ч)/бар 0,5 , состоит из коэффициента местного сопротивле ния и площади входного сечения клапана, которую рассчитывают по ус ловному диаметру входного сечения. Поэтому размерность k v представ ляют иногда в м 2 , что не в полной мере отражает гидравлическую суть данного параметра. Параметр k v , оцениваемый размерностью м 3 /ч, удобен в пользовании тем, что дает возможность ощутимого восприятия его гидравлической способности при сравнении с другими клапанами. Для всех клапанов пе репад давления при их испытании постоянен [16; 17]. Но он, как правило, не совпадает с перепадом давления в реальной системе, поэтому при зака зе и спецификации клапанов необходимо рассчитывать k v по номиналь ным параметрам системы с учетом традиционно применяемой в стране системы размерностей. Наиболее часто встречающиеся переводные фор мулы приведены в табл. 3.1. Следует обратить внимание на то, что параметр k v может иметь до полнительную индексацию, которая характеризует конструктивные осо бенности клапана, например, для максимально открытого термостати ческого клапана с надетым термостатическим регулятором, номинально открытого терморегулятора, терморегулятора с установленной настрой кой дросселя… Рассчитывают систему, как правило, по одному из этих параметров. Однако такой подход не учитывает изменения гидравличе ских характеристик системы с автоматическим регулированием. Совре менные системы с переменным гидравлическим режимом требуют рас смотрения работоспособности в любых условиях эксплуатации и, следо вательно, соответствующего корректирования пропускной способности клапана. Параметр k v является аналогом проводимости [18], (кг/ч)/Па 0,5 Под проводимостью подразумевают физическую величину, количест венно характеризующую способность элемента гидравлической систе мы пропускать воду при наличии на нем перепада давления. По прово димости находят гидравлические потери не только клапана, а и системы в целом: 30 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 31 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Таблица 3.1. Определение пропускной способности клапана k v , (м 3 /ч)/бар 0,5 P , бар, P , кПа, P , мм вод. ст., P , кПа, P , Па, V , м 3 /ч |