CC BY
6Необходимость применения камер отбора давления
при гидравлическом испытании арматуры системы отопления
Усиков Сергей Михайлович
кандидат технических наук, доцент, доцент ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский Государственный Строительный Университет», ФГБОУ ВО «НИУ «МГСУ», usikovSM@mgsu.ru
Вопрос определения гидравлических характеристик запорной и регулирующей арматуры системы отопления является актуальным. Гидравлические характеристики регулирующей арматуры используются при проектировании систем отопления, а также при их настройке. От достоверности этих характеристик зависит качество работы всей системы. Однако на территории Российской Федерации достаточно малое количество лабораторий, занимающихся вопросами определения гидравлических характеристик арматуры. Существующие методики определения гидравлических характеристик арматуры не совершенны и не подходят для особенностей работы систем водяного отопления. Точность измерений зависит не только от точности измерительных устройств, но и способа отбора давления. В статье рассмотрены несколько вариантов отбора давления на испытательном стенде при испытании одного из видов балансировочных клапанов. Исследование проведено с помощью математического моделирования, основанного на решении уравнения Навье-Стокса, с использованием к-Е турбулентности, при стационарном потоке жидкости. Граничные условия выбраны из условия эксплуатационных режимов систем водяного отопления и требований нормативной документации в строительстве. Сделаны выводы о неравномерности эпюры давления, при прохождении потока жидкости через исследуемые образцы. Оценена погрешность различных способов отбора давления, при различной степени закрытия сечения регулирующей арматуры. Установлено, что регламентируемые длины прямых участков согласно ГОСТ 34437-2018 недостаточны для выравнивания потока после регулирующей арматуры, а отклонение давления в точках отбора составило до 73%, при значительной степени сужения потока в арматуре. Сделан вывод о необходимости применения камеры отбора давления, при испытании образцов трубопроводной арматуры.
Ключевые слова: Балансировочная арматура, исследование гидравлических характеристик, водяная система отопления.
В современных системах водяного отопления, согласно требованиям нормативных документов [1], необходима установка автоматических регуляторов у каждого отопительного прибора, для регулирования его теплоотдачи, а также при необходимости регулирующей арматуры в узлах системы для регулирования гидравлического режима работы [2-4].
Рынок отопительной техники заполнен большим перечнем трубопроводной арматуры, как правило в паспорте которой указываются гидравлические характеристики. Достоверность этих данных вызывает сомнение, так как экспериментальными исследованиями для получения характеристик занимается весьма малое количество лабораторий на территории РФ, а методики испытаний, регламентируемые в нормативных документах, не отражают специфики режима работы систем отопления.
В настоящее время в РФ испытанием гидравлических характеристик промышленной арматуры занимается несколько лабораторий, в частности АО ЦКБА, по методикам регламентированных ГОСТами внесенными Госстроем России и МТК 259 «Трубопроводная арматура и сильфоны». Кроме того, фирмы производители используют свои частные лаборатории для предоставления гидравлических характеристик инженерам. Также ряд ученых ведет теоретическую и экспериментальную деятельность в области определения гидравлических сопротивлений трубопроводной арматуры и узлов систем отопления [5-8].
Последним действующим нормативным документом, на территории Российской Федерации является ГОСТ 344372018 «Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик», регламентирующий методику определения необходимых гидравлических характеристик запорной, регулирующей и предохранительной арматуры. Данный документ распространяется на трубопроводную арматуру, используемую не только в инженерных системах здания, но и на промышленных объектах, при работе с иными жидкостями и газами.
При испытании допускается применять любую ньютоновскую несжимаемую жидкость, но рекомендуется применять воду, подготовленную согласно СанПиН 2.1.4.1074-01. Кроме того, вода должна обладать температурой 20±15 °С.
Принципиальная схема установки испытуемой арматуры на участках испытательного стенда приведена на рисунке 1.
0
Подача срелы
1 X 1 .0
¿1 ^-и ч щ-к
X X О го А С.
X
го т
о
Рисунок 1 — Принципиальная схема испытательного участка гидравлического стенда согласно ГОСТ 34437-2018
Расстояния Ц Ц /1, /2 зависят от номинального диаметра испытуемой арматуры. Допустимые относительные погрешности измерений: расход ±1 %; перепад давления ±1,5 %.
ю 00
2 О
м
Сл>
fO
сч
0 cs
оэ
01
о ш m
X
<
m о x
X
Данный нормативный документ подробно описывает методику проведения экспериментального исследования гидравлических характеристик арматуры, однако в рядах работ были отмечены и недостатки предложенной методики [9], появившиеся еще в предыдущей редакции ГОСТа. Кроме того, данный ГОСТ не учитывает особенности использования запорной и запорно-регулирующей арматуры в инженерных системах и, в частности, в системе водяного отопления.
Помимо точности измерительного оборудования, важен и способ отбора давления. В системах отопления и теплоснабжения отбор давления, как правило, осуществляется из штуцера (трубы малого диаметра, приваренной к основной трубе) через трехходовой кран, либо с применением сильфонов, предназначенных для снижения температуры. Такой способ отбора давления приводит к некоторой погрешности, так как эпюра скорости потока в трубе может быть неравномерной, а значит для экспериментального определения гидравлической характеристики арматуры, такой способ может не подойти.
Согласно ГОСТ 34437-2018 в местах отбора давления регламентируется установка не менее четырех приемников местного статического давления в виде круглых отверстий, расположенных в стенке трубопровода равномерно по его периметру и соединенных между собой каналом связи, площадь сечения которого должна быть не менее суммы площадей отверстий. Диаметр отверстий зависит от диаметра трубы: 1 ...9 мм при внутреннем диаметре трубы до 100 мм.
Последним актуальным документом в области стандартизации определения гидравлических характеристик трубопроводной арматуры на территории Европы является ISO 4411:2019. Данный документ регламентирует правила экспериментального определения величины потери давления в трубопроводной арматуре. Особенность данного документа является тот факт, что при определении потери давления должны быть строго записаны физико-механические свойства жидкости, такие как кинематическая вязкость и температура. По сути, документ регламентирует такие испытания арматуры, при которых она будет находится в реальных эксплуатационных условиях.
В данном документе также представлена схема испытательного стенда, которая, к слову, не противоречит ни отечественным, ни зарубежным нормам в области испытания арматуры, а также предложен эскиз изделия для отбора давления, а не просто его текстовое описание, как в ГОСТ 34437-2018. Кстати, согласно данным двум документам отбор давления осуществляется через отверстия, проделанные в трубе, соединенные каналом. Так вот диаметры данных отверстий в данных документах отличаются.
Представленные способы отбора давления достаточно сложны. Поэтому в первую очередь необходимо оценить величину погрешности, при использовании данных способов отбора давления, и отбора давления через штуцер. Возможно, величина погрешности окажется незначительной, при отборе давления через штуцер.
В первую очередь необходимо определить степень неравномерности гидродинамического давления потока в зависимости от типа местного сопротивления и расхода жидкости.
Рассмотрим пример прямых участков трубы с установленной регулирующей арматурой (рисунок 2). В качестве арматуры будет установлена условная шиберная задвижка, форма шибера - цилиндр с основанием в виде шестигранника. Диапазон исследуемого расхода выберем для каждого калибра трубы исходя из условий эксплуатации арматуры систем отопления (см. таблицу 1), согласно [10].
Рисунок 2 — Эскиз прямых участков с установленным условным балансировочным клапаном:
1 — отбор давления до балансировочного клапана; 2 — отбор давления после балансировочного клапана; 3 - условный балансировочный клапан.
Таблица 1
Диапазон объемного расхода в подводящих трубах узлов с установ-
Условный диаметр Ду, мм 10 15 20 25 32 40 50 65 80
Qmax, м3/ч 0,72 1,13 2,01 3,30 5,71 6,45 12,63 20,24 28,16
Qmin, м3/ч 0,03 0,06 0,11 0,18 0,29 0,45 0,71 1,19 1,81
Для арматуры, минимальный расход в первом приближении можно выбрать из условия минимальной рекомендованной скорости в теплопроводах 0,1 м/с (согласно СП 60.13330.2020). Объемный расход определен согласно аналитической форме уравнения неразрывности:
м
Q . = 3600——v, _
■^■min л '
(1)
4 ч
где йен - внутренний диаметр трубы, мм; V - рекомендованная скорость, м/с.
Основными математическими уравнениями, позволяющие определить эпюру давления в сечении потока являются уравнения Навье-Стокса. Примем процесс изотермическим, то есть обмена тепловой энергии между объемом воды и стенками трубы не происходит. Тогда система уравнений Навье-Стокса принимает вид из уравнения неразрывности для несжимаемой жидкости и уравнения движения: У-и = 0
(2)
1 4 '
—+(и -У)и = У — УР+мДй ' дг У ' р
где и - векторное поле скорости; т - время; У - векторное поле массовых сил; р - плотность; Р - давление; V - кинематическая вязкость.
Задача решена численно, методом конечных элементов с построением тетраидальной сетки (размер элементов до 4 мм). Задача принята стационарной, что не накладывает особых требований на сетку, однако, с учетом резкого изменения динамического давления в пристенной области, сетка возле стенок более мелкая (до 0,5 мм).
Тогда, с учетом решения стационарности задачи:
v-u = 0 1
(3)
(й -У)й = 3--УР+\Ш '
р
Согласно выбранному диапазону расхода (табл. 1), геометрической характеристики трубы и физическим свойствам жидкости определены числа Рейнольдса (см. таблицу 2). Кинематическая вязкость воды принята равной 0,475-10-6 м2/с, характерной для средней температуры эксплуатации систем отопления [11].
Таблица 2
Диапазон числа Рейнольдса в подводящих трубах узлов с установ-
Условный диаметр Ду, мм 10 15 20 25 32 40 50 65 80
Remax 25263 37895 50526 63158 80842 101053 126316 164211 202105
Remin 2105 3158 4211 5263 6737 8421 10526 13684 16842
Также были рассмотрены еще две модели: в одной для оценки неравномерности давления в сечении трубы предусматривались 4 отверстия для отбора давления, в другой предусматривалась установка камеры отбора давления, согласно требованиям ГОСТ 34437-2018. Внешний вид мест отбора давления представлен на рисунке 3.
Все три варианта участков были рассчитаны при положении закрытия протока шибером на 2/3, 1/3 и 1/4, при максимальном и минимальном расходе воды.
Результаты
В результате численного решения поставленной задачи были получены эпюры распределения давления потока. Во всех вариантах расчета, после шибера наблюдается зона вихрей и разряжения в верхней части, и зона повышенного давления в нижней части (см. рис. 4).
В данном диапазоне расхода наиболее подходящей моделью турбулентности, достоверно описывающей движение жидкости в трубе и турбулентные колебания будет k-z модель, когда при решении системы уравнений вводятся два параметра: кинетическая энергия турбулентности k, и диссипация турбулентной энергии z При низких значениях Рейнольдса, что характерно для скорости жидкости в трубе 0,1 м/с, лучше подошла бы модель k-ш Саффмена-Вилкокса [12], однако, в случае балансировочных клапанов, проходное сечение в них значительно меньше сечения трубы, даже при полном открытии, а значит и число Рейнольдса потока в сечении будет выше.
Для решения задачи, при указанной ранее (Рис.1) геометрии потока выбраны следующие начальные условия:
- массовый расход жидкости на входе (Si) и выходе^): min: j>pu ■ dS = §pu ■ dS = 0,079 кг/с;
Sj S2
max: фри ■ dS = Срм ■ dS = 1,559 кг/с.
Sj S2
- плотность жидкости p = 983 кг/м3;
- эквивалентная шероховатость поверхностей: кэ = 0,2 мм (согласно требованиям СП 60.13330).
Рисунок 4 — Эпюра давления при открытии сечения на 1/3 при минимальном и максимальной расходе, соответственно
Видно, что поток какое-то расстояние, после шибера восстанавливается и приходит к эпюре давления характерной для турбулентного потока. Длинна восстановления потока значительно выше длины расстояния от шибера до места отбора давления, а значит, отбор давления из одной точки может принести к ошибке.
Во втором случае, когда отбор давления производился из 4-х отверстий, были определены отклонения А, %, от замера в верхней части потока. По результатам можно сказать, что наибольшее отклонение давления наблюдается в нижней части сечения отбора давления после испытуемого образца, особенно когда сечение значительно закрыто. Очевидно, это связано, с длинной восстановления потока, а значит в таких случаях может наблюдаться большая погрешность определения разницы давления между точками отбора.
В таблице 3 представлены результаты сравнения разницы давления при отборе давления через штуцер в верхней части (1 вариант) и через камеру отбора статического давления (2 вариант).
Таблица 3
Сравнение результатов отбора давления при использовании шту-
Рисунок 3 — Эскиз прямых участков с установленным условным балансировочным клапаном и местами отбора давления: 1 — отбор давления через 4 отверстия; 2 — отбор давления через камеру отбора давления
Открытие образца Расход жидкости Потеря давления для варианта 1, Па Потеря давления для варианта 3, Па Отклонение, %
2/3 min 5 5 0
max 1705 1635 4,2
1/3 min 71 60 15,5
max 25338 23324 7,9
1/4 min 1288 1130 12,3
max 501242 455111 9,2
Выводы
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
X X
о го А с.
X
го m
о
ю 00
2 О
м
CJ
fO CS
о
CS cd
О Ш
m
X
<
m о x
X
1. Регламентируемые длины прямых участков согласно ГОСТ 34437-2018 недостаточны для выравнивания потока после регулирующей арматуры
2. Длина восстановления потока зависит от степени зажатия потока на регулирующем элементе
3. Отбор давления из верхней части трубы через штуцер вызывает значительное отклонение. Отклонение зависит от степени сжатия потока в регулирующей арматуре и в рамках примеров составляет до 10 %, что значительно для инженерных систем.
4. Для определения гидравлической характеристики арматуры необходимо применять камеры отбора давления
Литература
1. Стронгин А.С., Желдаков Д.Ю. Актуализация нормативной базы: СП 60.13330-2020 "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2020. № 6. С. 4-13
2. Ситнов В.В., Ахмеров А.В. Устройства, методы и особенности гидравлической балансировки отопительных систем // Поволжский научный вестник. 2017. № 1. С. 110-118.
3. Усиков С.М., Дютин В.В. Оценка необходимости установки автоматических регуляторов перепада давления на двухтрубных стояках системы водяного отопления с точки зрения возникновения шума // Известия КГАСУ. 2019. № 2 (48). С. 197—203.
4. Dinu R.C., Popescu D. Solutions with differential pressure in heating with radiators // ASHRAE Journal. 2016. № 4. Pp. 137— 142.
5. Сбродов Н.Б., О.Д. Павлов. Автоматизация испытания и определения гидравлических характеристик трубопроводной арматуры // Материалы конференции «Наука XXI века: Технологии, управление, безопасность». — К.: КГУ, 2017. С. 255— 262.
6. Усманов Р.А., Давыдов А.П., Валиуллин М.А. Гидравлические характеристики приборных отопительных узлов с термостатическими клапанами // Вестник технологического университета. — Казань: КНИТУ, 2015. Том. 18. № 22. С. 63—65
7. Тимофеев М., Шаповалов Ф. Экспериментальные исследования радиаторных узлов однотрубной системы отопления // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2021. № 3. С. 34-37.
8. Усадский Д.Г., Цибизова К.А., Бекларян Д.М. Исследование гидравлических сопротивлений в современных системах отопления // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2 (49). С. 150.
9. Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Пошивалов Е.А., Ильиных Е.А. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клапана клеточного // Территория НЕФТЕГАЗ. М., 2016. № 7-8 С. 96-100.
10. Усиков С.М. Допустимый диапазон гидравлических характеристик арматуры, применяемой в системах водяного отопления // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования. Сборник докладов Второй Национальной научной конференции. М.: МГСУ, 2022. С. 49—54.
11. Желдаков Д.Ю., Усиков С.М. Исследование гидравлических характеристик арматуры системы отопления. постановка задачи // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2022. № 1. С. 1001-1007.
12. Varapaev V.N., Doroshenko A.V., Lantsova I.Y. Numerical simulation of propagation of plane turbulent straitened jet in counter flow using les turbulence model // Procedia Engineering. 2016. T. 153. C. 816-823.
The need to use pressure sampling chambers during hydraulic testing of
heating system fittings Usikov S.M.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) JEL classification: L61, L74, R53
The issue of determining the hydraulic characteristics of the shut-off and control valves of the heating system is relevant. The hydraulic characteristics of the control valves are used in the design of heating systems, as well as in their configuration. The reliability of these characteristics determines the quality of the entire system. However, there are quite a small number of laboratories on the territory of the Russian Federation dealing with the determination of hydraulic characteristics of valves. The existing methods for determining the hydraulic characteristics of valves are not perfect and are not suitable for the operation of water heating systems. The accuracy of measurements depends not only on the accuracy of measuring devices, but also on the method of pressure sampling. The article considers several variants of pressure selection on the test bench when testing one of the types of balancing valves. The study was carried out using mathematical modeling based on the solution of the Navier-Stokes equation, using k-£ turbulence, with a stationary fluid flow. Boundary conditions are selected from the conditions of operating modes of water heating systems and compliance with regulatory documentation in construction. Conclusions are drawn about the non-uniformity of the pressure epipure during the passage of the fluid flow through the intake. Evaluation of the error of various pressure measurements, with limited closure of the section of control valves. It has been established that, in accordance with GOST 34437-2018, to equalize blood flow after regulating blood pressure, pressure deviations at blood sampling points up to 73%, when a moderate narrowing of blood flow in the vessels is detected, it was found that special departments are used to equalize blood flow. It is concluded that it is necessary to use a pressure sampling chamber when testing samples of pipeline fittings. Keywords: Balancing fittings, hydraulic characteristics study, water heating system. References
1. Strongin A.S., Zheldakov D.Yu. Actualization of the regulatory framework: SP
60.13330-2020 "Heating, ventilation and air conditioning" // ABOK: Ventilation, heating, air conditioning, heat supply and building thermal physics. 2020. No. 6. P. 4-13
2. Sitnov V.V., Akhmerov A.V. Devices, methods and features of hydraulic balancing
of heating systems // Volga Scientific Bulletin. 2017. No. 1. P. 110-118.
3. Usikov S.M., Dyutin V.V. Evaluation of the need to install automatic pressure drop
regulators on two-pipe risers of a water heating system from the point of view of noise occurrence. Izvestiya KGASU. 2019. No. 2 (48). pp. 197-203.
4. Dinu R.C., Popescu D. Solutions with differential pressure in heating with radiators
// ASHRAE Journal. 2016. No. 4. Pp. 137-142.
5. Sbrodov N.B., O.D. Pavlov. Automation of testing and determining the hydraulic
characteristics of pipeline valves // Proceedings of the conference "Science of the XXI century: Technology, management, safety". - K .: KGU, 2017. S. 255262.
6. Usmanov R.A., Davydov A.P., Valiullin M.A. Hydraulic characteristics of
instrumental heating units with thermostatic valves. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. - Kazan: KNRTU, 2015. Vol. 18. No. 22. S. 63-65
7. Timofeev M., Shapovalov F. Experimental studies of radiator units of a single-pipe
heating system // ABOK: Ventilation, heating, air conditioning, heat supply and construction thermal physics. 2021. No. 3. S. 34-37.
8. Usadsky D.G., Tsibizova K.A., Beklaryan D.M. Investigation of hydraulic resistance
in modern heating systems // Engineering Bulletin of the Don. 2018. No. 2 (49). S. 150.
9. Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Poshivalov E.A., Ilinykh E.A. Experience in using
GOST R 55508-2013 in determining the hydraulic and cavitation characteristics of a cell shut-off and control valve // Territoriya NEFTEGAZ. M., 2016. No. 7-8 S. 96-100.
10. Usikov S.M. Permissible range of hydraulic characteristics of fittings used in water
heating systems // Actual problems of the construction industry and education. Collection of reports of the Second National Scientific Conference. M.: MGSU, 2022. S. 49-54.
11. Zheldakov D.Yu., Usikov S.M. Investigation of the hydraulic characteristics of the
fittings of the heating system. problem statement // ABOK: Ventilation, heating, air conditioning, heat supply and building thermal physics. 2022. No. 1. S. 10011007.
12. Varapaev V.N., Doroshenko A.V., Lantsova I.Y. Numerical simulation of propagation of plane turbulent straitened jet in counter flow using les turbulence model // Procedia Engineering. 2016. V. 153. S. 816-823.
