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.
|
|
V , л/с V , м 3 /ч V , л/ч G , кг/ч k G P v = 0 316 , Δ k V P v = 0 01 , Δ k V P v = 0 1 , Δ k V P v = 36 Δ k V P v = Δ Δ Δ Δ Δ Δ систем обеспечения микроклимата показывает, что зачастую регулирую щие клапаны не рассчитывают, а подбирают по диаметру трубопровода, на котором их устанавливают. Это приводит к ухудшению чувствительности регулятора, потере его регулирующей способности. Наиболее ярким при мером являются водоразборные краны горячей или холодной воды, из ко торых при незначительном открытии выходит сильная струя и дальнейшее их открытие не приводит к существенному увеличению. В результате: либо перерасход воды, либо психологическая неудовлетворенность. Причиной искажения статических и динамических характеристик системы в целом либо плохой работы регуляторов, в частности, являет ся неправильный их выбор — лишь по пропускной (расходной) харак теристике клапана. Пропускная способность является основной гидравлической харак теристикой клапана, которая учитывает сопротивление, создава емое им проходу теплоносителя. Подбор клапана по пропускной способности за номинальным перепадом давления и расходом теплоносителя пригоден лишь для определения его типоразмера и не отражает его регулировочную способность в системе. 3.3. Внешний авторитет клапана Регулирование теплоносителя через клапан зависит как от его про пускной способности, так и от участка системы, на котором клапан вызы вает изменение давления теплоносителя. Этот участок называют регули руемым. Он включает трубопроводы с установленными приборами и оборудованием. За пределами участка перепад давления остается неиз менным или колеблется не более чем на ±10 %. В системе обеспечения микроклимата таким участком является либо вся система, либо ее часть, в которой автоматически поддерживается постоянный перепад давления. Схематическое изображение регулируемого участка показано на рис. 3.1. Через регулируемый участок проходит весь теплоноситель либо его часть, на которую воздействует регулирующий клапан. При изменении расхода теплоносителя происходит перераспределение располагаемого давления между конструктивными элементами участка, в том числе и регулирующим клапаном. По мере открывания клапана на нем умень шается гидравлическое сопротивление, что приводит, в свою очередь, к увеличению перепада давления на остальных элементах участка из за 32 33 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА (3.8) где S — характеристика гидравлического сопротивления участка систе мы, Па/(кг/ч) 2 : (3.9) где A — удельное динамическое давление на участке, Па/(кг/ч) 2 : А = 6,25/10 8 d 4 . (3.10) В центральной Европе потери давления P , бар, на участке трубопрово да находят по аналогичным уравнениям. Отличие состоит в применяемых единицах измерения и в учете влияния на потери давления гидравлического режима течения в пристенной области трубопровода. Для упрощения расче тов это влияние выражают переменным показателем степени m [19]: P = CV m , (3.11) где C — характеристика сопротивления участка трубы, бар/(м 3 /ч) m Практические расчеты осуществляют по усредненному показателю степени. При использовании стальных труб принимают m = 1,9, мед ных — m = 1,8. Более точные значения указаны в стандартах, например, DIN 2440, DIN 2448. Значения показателя степени m в зависимости от материала и диаметра труб при известной скорости теплоносителя пред ставлены в табл. 3.2. Для обеспечения регулирования системы в заданных пределах необхо димы правильный подбор и расчет клапана. Опыт наладки и эксплуатации Δ Δ S A d l = + ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ∑ λ ξ , ΔP G SG = = 1 2 2 2 σ , Таблица 3.2. Показатель степени m для цилиндрических труб Материал Диаметр Скорость теплоносителя, м/с трубы трубы 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 Сталь 3/8 '' 1,804 1,861 1,910 1/2 '' 1,804 1,868 1,910 1 '' 1,829 1,870 1,918 1 1/2 '' 1,879 1,919 1,947 65 мм 1,880 1,923 1,951 1,961 100 мм 1,896 1,920 1,949 1,964 300 мм 1,933 1,953 1,966 Медь 10 1 мм 1,779 1,766 1,771 1,787 18 1 мм 1,738 1,720 1,790 1,810 28 1,2 мм 1,801 1,811 1,862 1,802 1,783 54 2 мм 1,822 1,792 1,827 1,829 увеличения расхода теплоносителя. Когда регулирующий клапан за крывается, то в остальных элементах участка уменьшается падение дав ления, поскольку расход стремится к нулю. Все располагаемое давление при этом теряется на клапане. Таким образом, гидравлические характе ристики элементов участка оказывают влияние друг на друга в процес се регулирования. Разность давления на клапане не постоянна. Она, как правило, не равна статической разности, по которой его подбирают при проектировании системы. Потери давления на регулируемом участке обозначены через P , на терморегуляторе — P 1 , на регулирующем клапане — P v . Отношение потерь давления на максимально открытом терморегуляторе и на максимально открытом регулирующем клапане [20] к максимально воз можному перепаду давления на регулируемом участке называют соот ветственно авторитетом терморегулятора и авторитетом регулирую щего клапана: и (3.12) Иногда их называют внешними авторитетами [21] либо коэффициен тами искажения идеальных характеристик [22], либо коэффициентами управления. Во всех случаях физическая суть параметров одинакова. Данные уравнения не совсем удобны для их практического применения, поскольку требуют знания максимального расхода теплоносителя в си стеме, на клапане и терморегуляторе. В дальнейшем эти уравнения будут преобразованы и основываться на номинальном расходе теплоносителя, который является расчетным параметром при проектировании систем. Уравнение внешнего авторитета терморегулятора в двухтрубных системах имеет специфическую особенность. Она заключается в том, что авторитет определен с учетом потерь давления, создаваемых дроссе лем (подробнее см. п.п. 4.2.4.4). Гидравлический расчет систем по внешнему авторитету нагляден и прост в манипулировании потерями давления при уравновешивании vs Δ Δ Δ циркуляционных колец. Однако он не в полной мере отражает проис ходящие гидравлические процессы. Тем не менее, находит широкое применение в компьютерных расчетах систем обеспечения микрокли мата. При этом не уделяют должного внимания взаимовлиянию кла панов на регулируемом участке. Такое упрощение в некоторой мере приемлемо для систем с постоянным гидравлическим режимом. В си стемах с переменным гидравлическим режимом внешние авторитеты терморегуляторов и регулирующих клапанов изменяются. Происхо дит искажение их гидравлических характеристик, поэтому для всех клапанов необходимо определять эффективную рабочую область по терь давления, в которой отклонение параметров системы будет нахо диться в контролируемых допустимых пределах. Изменение внешних авторитетов терморегуляторов и регулирую щих клапанов визуально можно проанализировать по графикам, пока занным на рис. 3.2. График на рис. 3.2,а характеризует систему обеспе чения микроклимата в расчетных условиях, при этом отсутствуют ка кие либо дополнительные автоматические устройства обеспечения эффективной работы терморегулятора. В процессе частичного закры вания терморегулятора кривая 3 занимает положение кривой 4 на рис. 3.2,б. Возрастающие потери давления на регулируемом участке и P Т на терморегуляторе уменьшают соотношение между потерями давления P v и соответственно P v s на регулирующем клапане и по терями давления P на регулируемом участке. Следовательно, умень шается авторитет регулирующего клапана. С некоторым приближением происходит аналогичная работа систе мы при закрывании части терморегуляторов. Тогда увеличиваются внешние авторитеты у остальных терморегуляторов. Учитывая, что тер морегуляторы в процессе эксплуатации открываются относительно рас четного положения кривой 3, могут быть получены противоположные результаты: увеличение внешних авторитетов регулирующих клапанов и уменьшение внешних авторитетов терморегуляторов. Таким образом, внешние авторитеты терморегуляторов и регулирующих клапанов явля ются непостоянными, так как изменяется не только положение кривой 4, но и изменяется перепад давления на регулируемом участке. Макси мальный перепад давления при этом может достигать напора насоса P н , минимальный — будет характеризовать систему при полностью откры тых терморегуляторах и находиться между точками пересечения кри вых 3 и 2 с кривой 5. Некоторого ограничения авторитетов регулирующих клапанов и терморегуляторов в соответствии с графиком на рис. 3.2,в до стигают установкой перепускных клапанов возле насоса: на байпасе меж ду подающей и обратной магистралями. Лучшие результаты получают Δ Δ Δ Δ Δ 34 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 35 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 1 2 3 vs 4 5 Рис. 3.1. Схема регулируемого участка: 1 подающая магистраль; 2 терморегулятор; 3 теплообменный прибор; 4 регулирую щий клапан; 5 обратная магистраль при установке регулятора перепада давления вместо перепускного кла пана, что показано на рис. 3.2,г, либо клапана автоматического регулиро вания расхода. Но даже в этих случаях не обеспечивается в полной мере стабилизация внешних авторитетов клапанов во всем диапазоне гидрав лических колебаний системы. Так, при открывании терморегуляторов, характеризуемом приближением кривой 4 к кривой 2, рабочая точка си стемы выходит за пределы прямых 6 и 7 и перемещается по кривой 5. Для обеспечения проектных значений внешних авторитетов клапанов во всем диапазоне гидравлического воздействия терморегуляторов, т. е. их открывании и закрывании, необходимо осуществить следующий шаг ав томатизации системы: установить автоматические клапаны (перепуск ные клапаны, автоматические регуляторы расхода, стабилизаторы рас хода, автоматические регуляторы перепада давления) на стояках либо приборных ветках системы. Подробнее о совместной работе этого регу лирующего оборудования см. в соответствующих разделах книги. Таким образом, для создания эффективной работы терморегуляторов, заключающейся в поддержании проектно заданных авторитетов клапа нов, в системах обеспечения микроклимата необходимо применять допол нительные автоматические регуляторы как возле насосов, так и на стояках либо горизонтальных приборных ветках. Определение внешних авторите тов при этом зависит от конкретной схемы. Общим подходом является расчет внешнего авторитета клапана по автоматически поддерживаемому давлению P ближайшим к регулируемому участку автоматическим регу лятором. Наиболее часто встречающиеся схемы представлены на рис. 3.3. На рис. 3.3,а…е показаны некоторые принципиальные схемы приме нения автоматических клапанов для поддержания авторитетов термо регуляторов и регулирующих клапанов на необходимом уровне. Эти схемы применяют для головного насоса, установленного возле котлов, чиллеров и т. д. Выбор конкретной схемы зависит от необходимости поддержания минимального расхода теплоносителя через теплообмен ное оборудование или насосы. Схему на рис. 3.3,а с автоматическим перепускным клапаном ис пользуют для небольших систем с терморегуляторами. Байпас с этим клапаном обеспечивает примерно постоянный расход теплоносителя через теплообменник и насос. Однако такой подход нежелателен для систем, в которых недопустимо повышение температуры теплоноси теля в обратном трубопроводе, например, при использовании конден сационных котлов. Основными недостатками схемы являются не обеспеченность проектных авторитетов клапанов при открывании терморегуляторов и примерная обеспеченность авторитетов при их закрывании (см. п.р. 5.1). Улучшение работы системы происходит при Δ 37 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 36 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА vs vs vs vs T T T T Рис. 3.2. Определение внешнего авторитета клапана в системе обеспе чения микроклимата: а при расчетных условиях; б при частичном закрывании терморегулятора; в и г то же, с уче том влияния соответственно перепускного клапана и регуля тора перепада давления; 1 характеристика сопротивления регулируемого участка без учета сопротивления терморегуля тора и регулирующего клапана; 2 характеристика регулиру емого участка без учета сопротивления терморегулятора; 3 характеристика сопротивления регулируемого участка при расчетных условиях; 4 характеристика сопротивления регу лируемого участка при частичном закрывании терморегулято ра; 5 характеристика нерегулируемого насоса; 6 характе ристика перепускного клапана; 7 характеристика автомати ческого регулятора перепада давления 39 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА настройке перепускного клапана на 10 % выше перепада давления в точках присоединения байпаса при полностью открытых терморегу ляторах, поскольку расчетный перепад давления соответствует час тично открытым терморегуляторам (см. п.п. 4.2.4.2). Окончатель ную настройку перепускного клапана осуществляют при наладке системы. Внешние авторитеты терморегуляторов и регулирующих клапанов при использовании данной схемы следует определять по максимальному перепаду давления P max в точках присоединения пе репускного клапана (см. рис. 3.2,в). Максимальный расход через пе репускной клапан устанавливают в зависимости от способа контроля системы: при температурном контроле — зачастую равным 60 % от максимального расхода системы; без температурного контроля — равным максимальному расходу системы. Схему на рис. 3.3,б применяют так же, как и предыдущую, в неболь ших системах с терморегуляторами. Эту схему с постоянным расходом теплоносителя через бойлер называют антиконденсационным байпа сом. Стабилизатор расхода гарантирует минимальный расход теплоно сителя через байпас при закрытых терморегуляторах. Данный расход предназначен для срабатывания топливного клапана либо предохрани тельного клапана контроля температуры высокотемпературных источ ников теплоты, чтобы предотвратить перегрев теплоносителя от тепло вой инерции теплообменника. Стабилизатор расхода по сравнению с перепускным клапаном равномернее поддерживает давление в систе ме, улучшая тем самым работу терморегуляторов. Его, как и перепуск ной клапан, настраивают на 10 % выше перепада давления в системе при полностью открытых терморегуляторах. Схему на рис. 3.3,в применяют также для небольших систем. Она обеспечивает примерно постоянный расход теплоносителя через насос и не допускает, в отличие от предыдущих схем, перетоков теплоносите ля из подающего трубопровода в обратный. Относительно обеспечения стабильности работы терморегуляторов данная схема имеет те же недо статки, что и схема на рис. 3.3,а. Схемы на рис. 3.3,г…е предназначены для систем обеспечения мик роклимата любой сложности. Их выбор так же, как и предыдущих, зави сит от типа контроля системы. Но во всех случаях применение автома тических регуляторов перепада давления является наилучшим решени ем работоспособности системы. При этом параметры эффективного регулирования определяются при проектировании, а не при наладке системы, как с перепускным клапаном. Автоматическая стабилизация гидравлических параметров тепло носителя возле насоса не всегда является достаточным условием Δ 38 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ∆P г ∆P д ∆P ∆P а ∆P б ∆P в ∆P е ∆P ж ∆P з ∆P и ∆P й ∆P к Рис. 3.3. Схемы к определению внешних авторитетов регулирующих клапанов и терморегуляторов перепада давления. Этим клапаном корректируют внешние авторитеты терморегуляторов, ограничивая максимальный расход теплоносителя на регулируемом участке. Две последние схемы наиболее целесообраз ны в системах со значительными перепадами температур теплоносите ля. Они обеспечивают стабильное поддержание давления в стояках и приборных ветках различной степени сложности. Применение автома тических регулирующих клапанов на стояках и приборных ветках в зна чительной мере улучшает работу системы обеспечения микроклимата. Однако даже в этих случаях не устраняются нежелательные перетоки теплоносителя между теплообменными приборами стояка и ветки. Са мых высоких результатов работоспособности терморегуляторов дости гают в системах при установке у каждого радиатора, конвектора, фен койла и т. п. подобных стабилизаторов расхода (в системах с постоян ным гидравлическим режимом) либо автоматических регуляторов пе репада давления (в системах с переменным гидравлическим режимом) по схемам на рис. 3.4. В таких случаях внешние авторитеты терморегу ляторов определяют по стабилизируемым давлениям этими регулято рами. Идеальным проектным решением является схема на рис. 3.4,б, в которой регулируемым участком является сам терморегулятор. 41 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА бесшумности системы. Если автоматически поддерживаемый перепад давления превышает максимально допустимое значение по условию бесшумности терморегуляторов, то обязательно устанавливают автома тические регуляторы на стояках или горизонтальных ветках по схемам на рис. 3.3,ж…к. Если не превышает, то применение таких схем является не обязательным, но полезным, так как при этом устраняются перетоки теплоносителя между стояками и ветками при характерной для термо регуляторов несинхронной работе. Для решения этих задач применяют также насосы на стояках и ветках, создавая индивидуальные централи зованные системы обогрева (CIC — Сhauffage Individual Centralise), в которых обеспечивается независимость вторичного циркуляционного контура от первичного. В любом случае внешние авторитеты клапанов определяют уже относительно перепадов давления, поддерживаемых на стояках либо горизонтальных ветках. Схемы на рис. 3.3,ж,з с перепускными клапанами являются самым простым проектным решением по обеспечению бесшумности терморе гуляторов. Выбор первой или второй схемы зависит от допустимости подмешивания теплоносителя из подающего трубопровода в обратный. Такие схемы приемлемы для систем с незначительным перепадом температур теплоносителя. Их применяют для зданий до семи этажей. Основным недостатком схем является приблизительное поддержание стабильности давления на регулируемом участке. Колебания происхо дят в диапазоне между перепадом давления стояка или приборной вет ки с полностью открытыми терморегуляторами и перепадом давления при полностью открытом перепускном клапане. При этом сверхноми нальное давление должно быть полностью редуцировано на перепуск ном клапане. Настраивают его на 10 % выше перепада давления в точках определяемого при наладке системы присоединения байпаса при пол ностью открытых терморегуляторах (см. пояснение к рис. 3.3,а). Из за колебания давления на регулируемых участках таких систем изменяют ся и авторитеты терморегуляторов. Улучшения авторитетов достигают установкой стабилизатора рас хода на стояке или приборной ветке по схеме на рис. 3.3,и. Настраивают его на 10 % выше перепада давления в точках присоединения. Самым эффективным проектным решением обеспечения работо способности терморегуляторов во всех режимах регулирования являет ся автоматический регулятор перепада давления. Схемы его установки на стояках или горизонтальных ветках показаны на рис. 3.3,й,к. Отли чие последней схемы от предыдущей заключается в применении регу лирующего клапана спутника на подающем трубопроводе с отбором импульса давления перед собой для активизации мембраны клапана 40 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ∆ P ∆ P ∆ P а б Рис. 3.4. Схемы наилучшего обеспечения работоспособности термо регуляторов полым с прорезями или отверстиями на поверхности, что показано внизу этого же рисунка. Идеальные расходные характеристики клапанов с различным про филем затвора пред ставлены на рис. 3.6. Все они пересекают ось ординат несколь ко выше нулевого расхода. Это вызвано как техническими, так и гидравлически ми причинами, ус ложняющими регу лирование в области, близкой к полному закрытию клапана: люфтом резьбы шпинделя, перепа дом давления с раз ных сторон затвора клапана, формой по верхности затвора клапана и т. д. Для каждой конструкции 43 ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Регулируемый участок определяет границы распространения коле баний давления теплоносителя, возникающих при работе клапана. Отношение перепада давления на максимально открытом клапане к располагаемому давлению регулируемого участка называют (внеш ним) авторитетом клапана. В процессе работы системы обеспечения микроклимата авторите ты регулирующих клапанов и терморегуляторов изменяются. Наи лучшей их стабилизации достигают установкой автоматических регуляторов перепада давления в системах с переменным гидравли ческим режимом и стабилизаторов расхода либо автоматических регуляторов расхода в системах с постоянным гидравлическим ре жимом непосредственно у каждого теплообменного прибора. 3.4. Расходная характеристика клапана Часть перепада давления регулируемого участка теряется на регу лирующем клапане. Она изменяется в процессе регулирования при пе ремещении затвора (за рубежом применяют термин «конус») клапана. В то же время изменяется и пропускная способность клапана. В конеч ном счете изменение пропускной способности клапана зависит от пере пада давления на клапане, расположения затвора клапана и соотноше ния потерь давления в регулирующем отверстии полностью открытого клапана к потерям давления на регулируемом участке. Эту взаимосвязь называют пропускной характеристикой клапана. |