CC BY
11Гидравлическое регулирование мощности теплотехнического оборудования
Харламова Наталья Анатольевна
старший преподаватель кафедры ТГВ, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
Регулирование тепловой мощности теплообмен-ных аппаратов, воздухонагревателей в приточных установках и агрегатах воздушного отопления, фанкойлах и др., по сути процесса осуществляется изменением расхода греющего теплоносителя через рекуперативные теплообменники с помощью регулирующего клапана, в соответствии с заданными параметрами регулирования. Механизм регулирования основан на дросселировании потока теплоносителя путем изменения проходного сечения в клапане при возвратно-поступательном или вращательном перемещении регулирующего органа (затвора). Перемещение затвора в клапане осуществляется электромеханическим приводом, управляемым автоматикой регулирования. В данной публикации рассмотрены и проанализированы особенности выбора клапанов, обоснована необходимость производить проверку значений перепада давления на клапане по максимально допустимой величине, заявленной производителем, которое, в то же время, должно быть больше перепада давления в тепловой сети. Конструктивно регулирующие клапаны делятся на проходные (двухходовые) и трехходовые обычно с одним узлом согласованного регулирования на разделение или смешение потоков теплоносителя.
Регулирующие свойства клапана определяются четырьмя основными его показателями: условной пропускной способностью; типом пропускной характеристики (линейная, равно процентная); условиями применениями для смешения или разделения потоков; соотношением гидравлического сопротивления клапана и потерь давления на регулируемом участке (включая теплообменник).
Ключевые слова: клапан, потери давление, пьезометр, эпюра.
В общем случае схема [1] регулируемого участка от присоединительных фланцев тепловой сети (ТС) включает в себя подводящие участки трубопроводов (1), (2), (3) с арматурой (например, задвижки, фильтр Ф, теплообменник воздухонагревателя ВН и регулирующий клапан РК). При работе в режиме расчетной нагрузки с пропуском расчетного количества Gтс (м3/ч) воды из тепловой сети (полностью открыт регулирующий клапан), имеющийся в тепловой сети перепад давления ДРтс расходуется на преодоление расчетных гидравлических сопротивлений всех участков узла ДРру:
ДРтс = АРру = ДРс, + ДР"пп + &РС., + Д Рт + Д Рс.„, (1)
где: ДРк™ - минимальное гидравлическое сопротивление регулирующего клапана, при полном открытии, кПа.
Очевидно, что при недостаточном перепаде давления в тепловой сети ДРтс<ДРру невозможно осуществить пропуск расчетного расхода теплоносителя. В случае, когда перепад давления в тепловой сети превышает необходимое значение ДРтс>ДРу требуемый расход обеспечивается путем частичного закрытия регулирующего клапана с ростом его гидравлического сопротивления, а, следовательно, и всего регулируемого участка до значения:
АРК=АРГ +[&РТС~ АР1;,) (2)
Изменение гидравлическою сопротивления регулирующего клапана ДРк компенсирует колебания перепада давления в тепловой сети, сохраняя требуемыкй расход теплоносителя, и обеспечивает изменение расхода греющего теплоносителя Gтс во всех элементах установки при регулировании мощности теплообменного аппарата.
Нужно иметь ввиду, что схема обвязки теплообменника (ВН) представляет группу последовательно соединенных гидравлических участков (1,РК:2;ВН:3), поэтому обеспечить удовлетворительное качество регулирования расхода теплоносителя возможно в случае ДР >ДРр .
3 тс— у
Типоразмер клапана определяется по его пропускной способности, численно равной расходу теплоносителя Gтс выраженному в м3/ч при его плотности стс = 1000 кг/ м3, проходящему через клапан при перепаде давления на нем ДРк = 100 кПа.
Маркировка клапанов большинством производителей осуществляется с использованием значения их условной пропускной способности (Кк), численно равной пропускной способности клапана при полностью открытом затворе (ДРк™) и перепаде давления на нем ДРк = 100 кПа.
К„ =0,3164-,
(3)
где: Т - поправочный коэффициент (для воды Т = 1). В процессе регулирования (при перемещении затвора клапана) изменяется расход воды через клапан и все элементы установки, но в тоже время изменяется и перепад давления на нем возможно сохранение расхода постоянным при изменении перепада давления на клапане. Поэтому соотношение (3) для расчета условной пропускной способности клапана для жидкостей различной плотности рж при произвольном значении перепада давления на клапане принимает вид:
(4)
Подбор клапана осуществляется по величине его условной пропускной способности, рассчитанной по формуле (3) при подстановке в нее требуемого номинального расхода теплоносителя Gтс при расчетном перепаде давления (2) на клапане, учитывая, что по условиям регулирования ДРк™>ДРру.
В этом случае полученное значение Куз по формуле (4) округляется до ближайшего большего значения в стандартном ряду клапанов. В первом приближении, при неизвестном сопротивлении установки ДР можно принять ДР = ДР - ДР (обычно
г 3 ру к кс т *
ДР - незначительная величина).
О £
ю
5
со
2 е
8
сч
СП £
Б
а
2 о
Простейшая схема регулирования тепловой мощности теплообменника с количественным ограничением расхода греющего теплоносителя с помощью двухходовою клапана (рис. 1а) весьма привлекательна, однако снижение расхода теплоносителя через воздухонагреватель особенно в переходные периоды работы систем с частичной тепловой нагрузкой ставит ряд серьезных проблем:
теплообменник воздухонагревателя - это гидравлическая система из большего числа параллельно включенных (между коллекторами) многоходовых каналов (труб), поэтому при уменьшении расхода теплоносителя в них возрастает перепад температуры от первых по ходу греющей воды каналов к последним (2-6 ходовые теплообменники).
Это приводит к тому, что при проти-воточной схеме включения теплообменника (по его толщине) температура горячих витков (труб) остается достаточно высокой, а в последних по ходу воды может существенно снижаться, что представляет угрозу ее переохлаждения.
конструктивная особенность теплообменника (см. п. I) обуславливает малое гидравлическое сопротивление ДРт и объективно приводит к некоторой гидравлической развертке в параллельных участках (трубах), что часто усугубляется возможными внутренними дефектами изготовления (пайки), (особенно воздухонагревателей) деформации (замятием), отдельных труб или соединительных колен, неравномерным внутренним загрязнением, вследствие чего угроза замораживания теплоносителя в отдельных трубках при снижении расхода теплоносителя еще более возрастает.
динамика процесса регулирования путем изменения расхода греющего теплоносителя зависит от инерционности узла обратной связи: датчик температуры - регулирующий клапан, которая характеризуется запаздыванием воздействия привода перемещения запорного устройства. Из-за этого может быть нарушена устойчивость регулирования (запорное устройство постоянно перемещается, приводя к гидравлическим ударам) или снижается точность регулирования с увеличением амплитуды колебания температуры нагреваемого теплоносителя, возрастает период релаксации процесса управления.
Поэтому количественное регулирование, несмотря на возможность контроля температуры воды на выходе из воздухонагревателя может быть рекомендовано только для установок, в которых
Атс Ф 1 ОРК 2
т О-НхНр—--£
I-ДРс— ДЕ—Д^с"
<
9Н
{хЬ
Ь)
Рис. 1. Схема регулирования двухходовым клапаном (а), соотношение потерь давления в клапане и на регулируемом участке (б)
с?с>
тг Я ф Ф
-кн
л
СИ-Р4
к
<3>
) щ
<э
Г
{
¿а
Вм _____. —
р^...........<
О)
дг«
Ь)
Рис. 2. а) Схема качественного регулирования мощности воздухонагревателя с циркуляционным контуром; б) пьезометрический график
отсутствует угроза замораживания теплообменника или, например, в воздухоохладителях.
Исключить или значительно уменьшить негативные эффекты позволяют схемы с качественным регулированием
мощности воздухонагревателя за счет изменения температуры воды при примерно постоянном ее расходе (рис. 2) в контуре водонагревателя.
Устройство перемычки с обратным клапаном при использовании двухходо-
вого регулирующего клапана [2] или трехходового клапана (например, рис. 2а на разделении потоков) с установкой циркуляционного насоса НЦ позволяет во всех режимах работы узла иметь близкий к постоянному расход воды через теплообменник Gp ~ const, не зависящий от работы регулирующего клапана РК, так как гидравлическое сопротивление теплообменника (ВН) обычно невелико и составляет 10-40 кПа, а избыточный перепад давления между подающим и обратным трубопроводом дросселируется регулирующим клапаном. Регулирование температуры теплоносителя, поступающего в воздухонагреватель (а, следовательно, и его тепловой мощности), осуществляется изменением соотношения расходов греющей воды из тепловой сети G'TC и рециркуляционной по перемычке G. Выбор места установки регулирующего клапана (на подающей или обратной линии) и циркуляционного насоса в основном определяется ограничением по максимальной температуре теплоносителя, при которой они могут эксплуатироваться [3].
При выборе клапана необходимо производить проверку величины перепада давления на клапане по максимально допустимому значению, заявленному производителем, которое, в то же время, должно быть больше перепада давления в тепловой сети ДР .
тс
Циркуляционный насос подбирается по расчетному расходу теплоносителя через воздухонагреватель Gp и по величине суммы гидравлических потерь давления в рабочем контуре на участках трубопроводов, в теплообменнике Дрт (обычно весьма незначительных) регулирующем клапане ДРк в арматуре циркуляционного контура [4].
Использование схем с качественным регулированием мощности воздухонагревателя в составе теплообменных установок, обеспечивает наилучшие условия циркуляции теплоносителя, требуемые параметры регулирования и при необходимости защиту оборудования от размораживания. Гидравлическая устойчивость работы схемы (Рис. 2а) иллюстрируется пьезометрическим графиком (Рис.2б), который легко интерпретиро-
вать для различных режимов работы. Однако, очень часто на этапе проектирования, подбор условной пропускной способности клапана Куз и, следовательно, его типоразмер производится по величине гидравлическою сопротивления теплообменника воздухонагревателя ДРт в расчетном режиме без учета перепада давлений в тепловой сети ДРтс и местных участков соединительных трубопроводов ДРе„ ДРс, и т.д. Такой подход приводит к сбоям в работе узла регулирования в условиях, когда перепад давления в тепловой сети значительно превосходит гидравлическое сопротивление теплообменника (что в практике проектирования бывает довольно часто), т.е ДРтс>>ДРт. При этом принятое значение условной пропускной способности клапана Куз, которое определено по условиям (1) для ДР™ будет существенно завышенным. Рабочий режим клапана оказывается с 57% открытием затвора и большим перепадом давления на клапане ДРк, что приводит к работе клапана на начальном участке регулировочной характеристики с нестабильными режимами, сопровождающимися кавитацией и гидравлическими ударами в клапане и, как следствие, к быстрому разрушению клапана и механизмов привода [6].
Поэтому выбор типоразмера клапана необходимо производить по основной величине перепада давления в тепловой сети ДРтс - (значение перепада обязательно предоставляет заказчик) с учетом потерь давления в подводящих трубопроводах, арматуре и теплообмен-ном оборудовании для расчетного режима.
Литература
1. Беликов С. Е., Зубов С. А., Турба-нов Н. Н. Некоторые вопросы применения незамерзающих теплоносителей. Аква-Терм, 2001.
2. Панферов В.И., Панферов С.В. К решению задачи оценки сопротивлений элементов систем теплоснабжения // Энергосбережение и водоподготовка. 2016. № 3 (101). С. 38-42.
3. Водопьянов И.С., Никитин Н.В., Чернышенко С.И. Снижение турбулентного сопротивления боковыми колеба-
ниями оребренной поверхности // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2013. № 4. С. 46-56.
4. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 2. Москва. Стройиздат. С.151-155.
5. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. Стройиздат. С. 637-653.
Hydraulic power control of heat
engineering equipment Kharlamova N.A.
National Research Moscow State University of Civil Engineering
Regulation of heat capacity of heat exchangers, air heaters in air handling units and air heating units, fan coils, etc., is essentially a process of changing the flow rate of the heating coolant through recuperative heat exchangers using a control valve, in accordance with the specified control parameters. The control mechanism is based on throttling the coolant flow by changing the flow cross section in the valve during reciprocating or rotational movement of the regulator (shutter). The movement of the valve in the valve is carried out by an electromechanical drive, controlled by automatic control of regulation. This publication reviewed and analyzed the features of valve selection, justified the need to verify the values ??of pressure drop across the valve at the maximum allowable value declared by the manufacturer, which, at the same time, should be greater than the pressure drop in the heat network. Structurally, control valves are divided into flow (two-way) and three-way valves, usually with one coordinated control unit, into separation or mixing of heat carrier flows. The regulatory properties of the valve are determined by its four main indicators: conditional throughput; type of bandwidth characteristic (linear, equal to percentage); conditions of use for mixing or separating streams; the ratio of the hydraulic resistance of the valve and the pressure loss in the regulated area (including the heat exchanger). Key words: valve, pressure loss, piezometer,
epure. References.
1. Belikov S.E., Zubov S.A., Turbanov N.N. Some
issues of the use of non-freezing coolants. Aqua-Therm, 2001.
2. Panferov V.I., Panferov S.V. To the solution of
the problem of estimating the resistances of elements of heat supply systems // Energy Saving and Water Treatment. 2016. № 3 (101). Pp. 38-42.
3. Vodopyanov I.S., Nikitin N.V., Chernyshenko
S.I. Reduction of turbulent resistance by lateral oscillations of the finned surface // News of the Russian Academy of Sciences. Fluid and gas mechanics. 2013. No. 4. P. 46-56.
4. Reference Designer. Internal sanitary facilities.
Part 3. Ventilation and air conditioning. Book 2. Moscow. Stroiizdat. P.151-155.
5. Theological V.N., Skanavi A.N. Heating. Stroiizdat.
Pp. 637-653.
О
Ю
5
*
cs
2 e
8
