CC BY
23Жамият ва инновациялар -Общество и инновации -
Society and innovations
Journal home page: https://inscience.uz/index.php/socinov/index
Calculation of hydraulic shock inself-drainable helio-installations
Yusuf RASHIDOV11 Zafar FAYZIEV22 Karim RASHIDOV33
Tashkent Architecture and Construction Institute
2 Samarkand State Institute of Architecture and Construction
3 Physic-Technical Institute of the Academy of Sciences
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article history:
Received September 2020 Received in revised form 15 September 2020 Accepted 25 September 2020
Available online
1 October 2020_
Keywords: Hydraulic shock Solar circuit Coolant Pressure Pump
The aim of the study is to identify the features of the occurrence of hydraulic shocks in self-draining atmospheric-type solar plants when starting and stopping circulation pumps, deriving calculation formulas for calculating their value and performing practical calculations for self-draining solar plants used in practice.
The establishment of calculation formulas for determining the magnitude of the water hammer was carried out by a theoretical method based on the theory of N.E. Zhukovsky, as well as by drawing up the D. Bernoulli equation to determine the maximum flow rate of the coolant into the drain tank under atmospheric pressure.
Dependencies are obtained for calculating direct (full) and indirect (incomplete) hydraulic shocks with rupture and without rupture of flow continuity when starting and stopping circulating pumps of self-draining solar plants. Practical calculations have been carried out taking into account the characteristics of self-draining solar plants from 16 leading world manufacturers.
The magnitude of the water hammer in self-draining solar plants is greatly influenced by the electromechanical characteristics of circulation pumps. When designing self-draining solar plants, the selection of circulation pumps, in addition to their main indicators (pressure and flow rate), should also be carried out taking into account their electromechanical characteristics (power, speed, torque on the electric motor shaft and the moment of inertia of its rotor), which affect the magnitude of the hydraulic shock.
1 PhD, professor, Tashkent Architecture and Construction Institute, Tashkent, Uzbekistan email: arashidov_yus@mail.ru
2 PhD student, Samarkand State Institute of Architecture and Construction, Samarkand, Uzbekistan email: bbender.zar@gmail.com
3 Junior researcher, Physic-Technical Institute of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Tashkent email: crashidov.karim.78@mail.ru
2181-1415/© 2020 in Science LLC.
This is an open access article under the Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license (https://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/deed.ru)
Уз-узини дренаж килувчи гелиокурулмаларида гидравлик зарбани х,исоблаш
АННОТАЦИЯ
Калит сузлар:
Гидравлик зарба
Гелиоконтур
Иссиклик ташувчи
Босим
Насос.
Тадкикот максади - атмосфера турдаги уз-узини дренаж киладиган гелио курилмаларда айланиш насосларини ишга тушириш ва тухтатиш вактида гидравлик зарбаларнинг юзага келиш хусусиятларини аниклаш, уларнинг катталигини х,исоблаш учун формулаларни топиш ва амалда ишлатиладиган уз-узини дренаж киладиган куёш курилмалари учун амалий х,исоб-китобларни бажариш.
Гидравлик зарбанинг катталигини аниклаш учун х,исоблаш формулалари Н.Е.Жуковскийнинг назариясига асосланган х,олда назарий усул билан, шунингдек, атмосфера босими остида дренаж бакига иссиклик ташувчисини максимал окиб тушиш тезлигини аниклаш учун Д.Бернулли тенгламасини тузиш оркали аникланди.
Уз-узини дренаж киладиган куёш курилмаларининг айланиш насосларини ишга тушириш ва тухтатишда оким узилиши булмаган ва узилиши булган х,олатларда тугри (тулик) ва тугри булмаган (тулик эмас) гидравлик зарбаларни х,исоблаш учун богликликлар олинди. Амалий х,исоб-китоблар 16 етакчи жах,он ишлаб чикарувчиларининг уз-узини дренаж киладиган куёш курилмаларининг хусусиятларини х,исобга олган х,олда амалга оширилди.
Уз-узини дренаж киладиган куёш курилмаларида гидравлик зарбанинг катталигига айланиш насосларининг электромеханик характеристикалари катта таъсир курсатади. Уз-узини дренаж киладиган куёш тизимларини лойих,алаш жараёнида айланиш насосларини танлашда асосий параметрларидан ташкари (босим ва сарф), шунингдек, уларнинг электромеханик хусусиятларига асосланган булиши керак (кувват, айланиш сони, электр юриткичнинг валидаги айлантирувчи момент ва унинг роторидаги инерция моменти).
Расчёт гидравлического удара в самодренируемых гелиоустановках
АННОТАЦИЯ
Целью исследования является выявление особенностей возникновения гидравлических ударов в самодренируемых гелиоустановках атмосферного типа при пуске и остановке циркуляционных насосов, вывод расчётных формул для вычисления их величины и выполнение практические расчётов для самодренируемых гелиоустановок, применяемых на практике.
Установление расчётных формул для определения величины гидравлического удара было осуществлено теоретическим методом на основе теории Н.Е. Жуковского, а также путём составления уравнения Д.Бернулли для определения максимальной скорости истечения теплоносителя в дренажный бак, находящийся под атмосферным давлением.
Получены зависимости для расчёта прямого (полного) и непрямого (неполного) гидравлических ударов с разрывом и без разрыва сплошности потока при пуске и остановке циркуляционных насосов самодренируемых
гелиоустановок. Выполнены практические расчёты с учётом характеристик самодренируемых гелиоустановок 16-ти ведущих мировых производителей.
На величину гидравлического удара в самодренируемых гелиоустановках большое влияние оказывают электромеханические характеристики циркуляционных насосов. При проектировании самодренируемых гелиоустановок подбор циркуляционных насосов кроме основных их показателей (напор и расход) должен осуществляться также с учётом их электромеханических характеристик (мощность, число оборотов, вращающий момент на валу электродвигателя и момент инерции его ротора), влияющих на величины гидравлического удара.
Одним из перспективных направлений совершенствования водяных систем солнечного теплоснабжения (ССТ) в климатических условиях Узбекистана является применение в них самодренируемых гелиоустановок (СДГ) с опорожнением солнечных коллекторов (СК) при остановке циркуляционных насосов [1, с.10-14; 2, с.53-57]. Данное техническое решение позволяет избежать механической поломки СК зимой из-за замерзания в них воды в ночное время при отрицательных температурах наружного воздуха, а летом - из-за её вскипания в дневное время в режиме стагнации (аварийной остановке циркуляционных насосов). В обоих случаях выход из строя СК связан с фазовыми переходами теплоносителя (замерзание и кипение), сопровождающимися значительным увеличением его объёма и механического давления в системе, которое может превышать допустимое
Ключевые слова:
Гидравлический удар
Елиоконтур
Теплоноситель
Давление
Насос
ВВЕДЕНИЕ
значение. Данное решение востребовано не только при условии возможности замерзания воды, но и для предотвращения её вскипания в режиме стагнации. Например, это может иметь место в крупных гелиоустановках сезонного действия с насосной циркуляцией, с площадью СК свыше 20 м2[2, с.53-57]. Поэтому единственной универсальной защитой СК от замерзания и вскипания в них теплоносителя является его дренаж в специальный бак при остановке циркуляционных насосов. Следует заметить, что применение антифризов в ССТ обеспечивает защиту СК от замерзания только зимой, а в летний период года они также подвержены вскипанию в режиме стагнации. Кроме того, антифризы токсичны, дороги, требуют установки промежуточных теплообменников и периодических пополнений и обновлений из-за утечки и потерь своих свойств при нагревании до высоких температур в режимах стагнации. Поэтому СДГ благодаря своей простоте и многочисленным преимуществам по сравнению с другими типами солнечных водонагревателей, работающих при атмосферном давлении, нашли широкое применение на практике [3-7, с.41-60].
Штатный режим работа СДГ связан с ежедневным пуском и остановкой циркуляционных насосов гелиоконтура, что связано с особенностью прихода солнечной радиации. При этом каждое заполнение и дренирование СК может сопровождаться гидравлическими ударами (ГУ) в трубопроводной сети гелиоконтура, вследствие резкого изменения скорости движения теплоносителя [2, с.53-57, 3]. Широко известные в технике традиционные способы защиты от ГУ, применяемые, например, в системах водоснабжения [8, с.360; 9, с. 110; 10, с.53-57; 11, с. 111-120; 12, с.30-64], основанные на гашении ГУ, предназначены на редкие случаи аварийной остановки и запуска насосов при отключении подачи электроэнергии и не являются энергетически эффективными решениями для СДГ с ежедневным штатным пуском и остановкой насосов. Для СДГ разработаны также оригинальные технические решения [2, с.53-57] исключающие гидроудары за счёт применения специальных клапанов с электроприводом. Однако работоспособность таких систем зависит от надёжности электроснабжения и не обеспечивает защиту от гидроударов при отсутствии электричества.
Несмотря на широкое применение СДГ в мировой практике [2, с.53-57], не хватает научных публикаций, посвященных технологии дренирования и разработке способов защиты от гидравлических ударов в СДГ. До сих пор не изучены закономерности возникновения ГУ в СДГ при запуске и останове циркуляционных насосов, не установлены расчётные зависимости для определения величины полного и неполного ГУ, ГУ с разрывом и без разрыва сплошности потока, а также условия их возникновения, не разработаны эффективные способы защиты от ГУ в СДГ.
Целью исследования является выявление особенностей возникновения ГУ в СДГ атмосферного типа, установление расчётных формул для вычисления их величины.
Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи:
- выявлены особенности возникновения ГУ в СДГ атмосферного типа при запуске и остановке циркуляционных насосов;
- определены формулы для расчёта величины ГУ при пуске и остановке циркуляционных насосов для СДГ атмосферного типа в зависимости от его геометрических, гидродинамических и режимных параметров.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Выявление особенностей возникновения ГУ в СДГ атмосферного типа, установление расчётных формул для определения их величины было осуществлено теоретическим методом на основе теории Н.Е. Жуковского, а также путём составления уравнения Д.Бернулли для СДГ с целью определения максимальной скорости истечения теплоносителя в дренажный бак, находящийся под атмосферным давлением.
Величина гидравлического удара ^удсвязана, согласно теории Н.Е. Жуковского, с изменением скорости движения воды Дг, в напорном трубопроводе. Поэтому для СДГ были выведены расчётные формулы для определения скорости дренирования воды в дренажный бак г2в зависимости от геометрических и гидравлических характеристик СДГ, а затем определены изменения скорости в режимах наполнения системы водой и её циркуляции через СК.
Практические расчёты выполнены с учётом характеристики СДГ 16-ти ведущих мировых производителей. При этом оценка опасности возникновения гидравлических ударов осуществлялось с учётом условий, при которых возникает полный (прямой) и неполный (непрямой) ГУ, с разрывом и без разрыва сплошности потока теплоносителя.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Вывод расчётных формул
Работа СДГ связана с тремя постоянно повторяющимися циклическими процессами: наполнением системы водой, её циркуляцией через СК в расчётном режиме и сливом воды в дренажный бак. Для каждого процесса характерна своя скорость движения теплоносителя по трубопроводам гелиоконтура: при наполнения - гн, в расчётном режиме - рр и при дренировании —гд.
Скорость теплоносителя в расчётном режиме рр определяется из условий эффективного теплоотвода от СК, она относительно постоянна во времени в течении солнечного дня и не влияет на процесс возникновения ГУ.
Скорости теплоносителя при наполнении системы водой и при её дренирования гдрезко изменяются в течение не продолжительного периода времени и оказывают решающее влияние величину ГУ.
Определим, в каких пределах может изменяться скорость движения теплоносителя в трубопроводах при дренировании СДГ во время остановки циркуляционного насоса.
Работа СДГ в расчётном режиме (рис.1, а) описывается уравнением Д.Бернулли:
Р1 + Р^1+Р^1/2 = Р2 + /2+Р^/, (1)
где: р - статическое давление в верхней части гелиоустановки в сечении 1-1 (см.рис.2,а), Па; р- статическое давление в нижней части гелиоустановки в сечении 2-2, Па; р - плотность теплоносителя, кг/м3; ускорение свободного падения, м/с2; Ь\ и Иг - высота столба теплоносителя относительно плоскости сравнения 0-0 в
верхней и в нижней части СДГ, соответственно, м; V и V, - скорости движения теплоносителя в сечениях 1-1 и 2-2, соответственно, м/с; рghl и рgh2 — гидростатические давления теплоносителя в сечениях 1-1 и 2-2, соответственно, Па; р п2/2 и р К22/2 — гидродинамические давления теплоносителя в сечениях 1-1 и 2-2, соответственно, Па; р^/ — потери гидростатического давления теплоносителя на пути от сечения 1-1 досечения 2-2, Па.
При равенстве поперечных сечений циркуляционных трубопроводов в верхней и в нижней частях СДГв 1-1 и 2-2, т.е. когда ц= V, выражение (1) упрощается и разность статических давлений между нижней р2 и верхней р1 частями гелиоконтура будет равно:
Р2 - Pi = - ,
(2)
где: Н= 111-112- геометрическая высота дренируемых участков СДГ, м.
1пт\ 1~ат\
Рис.1. Расчётная схема самодренируемой гелиоустановки при работающем (а) и
остановленном (б) насосе
Выражая в уравнении (2) разность статических давлений р2 — р1 и потери гидростатического давления р^/ через гидродинамическое давление:
Р2 — Р1 = Р^1/2, (3)
р^ = <>ру|/2, (4)
имеем
ру|/2= р^Я — <^2/2, (5)
здесь полный коэффициент сопротивления, учитывающий все потери давления как по длине последовательно соединенных дренируемых участков трубопровода гелиоконтура, так и в его местных сопротивлениях:
С/ = 6 + I , (6)
где коэффициент сопротивления по длине дренируемых участков трубопровода гелиоконтура,
, (7)
Я - коэффициент трения трубопровода гелиоконтура; Б - диаметр трубопровода гелиоконтура, м; 1 - общая длина дренируемых участков трубопроводов гелиоконтура, м; , - суммакоэффициентов местного сопротивления на дренируемых участках гелиоконтура и на входе в дренажный бак.
Решая уравнение (5) относительно скорости истечения при дренировании теплоносителя из гелиоконтуре в дренажный бак, находящийся под атмосферным
давлением рат, находим:
= (8)
Согласно теории Н.Е. Жуковского, величина гидравлического удара ^уд связана с изменением скорости движения воды Дг, в напорном трубопроводе следующей зависимостью [8, с.360; 9, с. 110; 10, с.53-57]:
= (9)
где Дг - положительное или отрицательное приращение (во времени) скорости движения жидкости, м/с; с- скорость распространения упругой деформации жидкости, м/с.
Рассмотрим уравнение (9) применительно к СДГ в режимах пуска и остановки циркуляционного насоса.
Во время пуска циркуляционного насоса СДГ (рис.2, б) начальное движения жидкости отсутствует и увеличении скорости происходит от нуля (уровень воды 2х-2х) до скорости в расчётном режиме гр (наполнение системы до уровня 1-1), т.е. приращение скорости Дг = 0 — = Поэтому полный напор во время пуска циркуляционного насоса СДГ, возникающий в трубопроводе при гидравлическом ударе будет равен
= Ск = с^р. (10)
При остановке циркуляционного насоса установившееся движение жидкости в СДГ осуществляется со скоростьюгр, которое затем изменяется до скорости дренирования v2, т.е. приращение скорости при дренировании будет равно
ДГд = ^2—р. (11)
Поэтому получается положительное значение ^удт, обусловливающее возникновение волны повышенного давления
с
g'
а полный напор во время остановки циркуляционного насоса СДГ, возникающий в трубопроводе при гидравлическом ударе будет равен
^удт = hi + ¿v = hi + (13)
где h1- напор в СДГ при установившемся течении воды, м.
Для случая круглого трубопровода скорость с распространения упругой
деформации жидкости равна [8, с.360]:
c = ■ (14)
■sj 5ЕТ
где Еж- модуль объёмной упругости жидкости, Па; ЕТ- модуль упругости материала стенок трубопровода, Па; S- толщина стенок трубопровода, м.
Для теплоносителя воды формула (14) имеет вид [8, с.360; 9, с. 110; 10, с.53-
_ со _ 1425 s* г\
С = Т^ж = r^ü' ( )
S Et \ £ Ят
^удт = сЛГд. (12)
где со- скорость распространения звука в покоящейся жидкости, причём для
воды
со = /ж=1425 м/с. (16)
Зависимость между скоростью ударной волны с, её длинойЬи временем распространения £фвыражается следующей формулой [8, с.360; 9, с. 110; 10, с.53-57]: с = 21Дф. (17)
В зависимости от времени распространения ударной волны £ф и временем Тз продолжительности разгона (или торможения) циркуляционного насоса СДГ при его пуске (или остановке), в результате которого возник ГУ, можно выделить два вида ударов:
• полный (прямой) ГУ, еслиТз < £ф, (18)
т.е. когда отражённая отрицательная волна не успевает подойти к насосу до момента его полного запуска (остановки);
• неполный (непрямой) ГУ, если Тз > £ф, (19)
т.е. когда отражённая отрицательная волна успевает подойти к насосу до момента его полного запуска (остановки);
здесь Г3 - время закрытия запорного органа (задвижки, вентиля, затвора и т.п.) или пуска и остановки насоса, с;
£ф - время, в течение которого волна возмущения возвращается к источнику возмущения в виде обратной волны, называемое фазой удара, с.
Из (18) и (19) с учётом формул (17) и (15), можно записать следующие условия для возникновения гидравлического удара при пуске (остановке) циркуляционного насоса в СДГ:
для полного гидравлического удара
Т <^ = Л. /х + . (20)
з с 1425 л/ 5ЕТ ' 4 '
для неполного гидравлического удара
2L 2L L . О^ж
Тз >- = — /1+^ж (21)
з с 1425 ^ 5ЕТ 4 '
Решая совместно уравнения (10), (17) с учётом условий (18) и (19), а также аналогичным образом уравнения (12), (17) с учётом условий (18) и (19), получаем формулы для определения величины неполного гидравлического удара при пуске и остановке насоса в СДГ в зависимости от его геометрических и режимных параметров и характеристик циркуляционного насоса:
при пуске насоса ^^д™ = ^р, (22)
при остановке насоса ^уд1 = . (23)
Из формулы (22) следует, при одном и том же диаметре трубопровода СДГ ГУ при пуске (остановке) насоса будет тем сильнее, чем больше длина трубопровода Ь, чем значительнее приращение скорости движения воды при наполнении и дренировании системы и чем быстрее разгоняется (торможится)
циркуляционный насос, времяТз.
Очевидно, что полный ГУ сильнее неполного. Чем больше времяТз, тем вероятнее возникнет более слабый неполный ГУ.
Та==^ , (24)
В нашем случае происходит не закрытие запорного органа, а включение (или остановка) насоса, поэтому правомерно считать величину Т равной времени разгона (торможения) насосного агрегата Т определяемой по формуле [10, с.53-57]:
л:СО2п0 120^Мо '
здесь СО2 — маховый момент насосного агрегата, принимаемый обычно равным маховому моменту электрического двигателя [Н»м2], который определяется по формуле:
СО2 = 4ё], (25)
где ]— момент инерции ротора электродвигателя, кг»м2; п0 — число оборотов электродвигателя в секунду, с-1; Мо — вращающий момент на валу электродвигателя, Н»м.
Особым и наиболее сложным случаем гидравлического удара является удар с разрывом сплошности потока в трубопроводе. Разрыв потока возникает, когда при гидравлическом ударе дополнительное снижение напора ЛЬуд= оказывается
больше первоначального напора в данной точке трубопровода. При этом давление в трубопроводах падает ниже атмосферного уровня, поток разрывается -образуются пустоты, заполненные парами воды. При заполнении образовавшихся водовоздушных полостей происходит соударение противоположных слоёв жидкости, что значительно усиливает ГУ по сравнению с гидравлическим ударом без разрыва сплошности потока.
Для СДГ данный режим является наиболее характерным при остановке циркуляционного насоса. В работе [2, с.53-57] приведены результаты натурных экспериментальных исследований СДГ площадью гелиополя солнечных коллекторов 178 м2. Отмечено, что через 7-10 с после остановки циркуляционных насосов имеют место отрицательное значение давления до 0,2 бар с ГУ.
Критерием возможности нарушения сплошности потока, согласно [10, с.53-57], является соотношение, которое применительно к расчётной схеме СДГ (см.рис.2, а), имеет вид
с
-^2 > ^о + ^вак шах , (26)
где ^о — гидродинамический напор в трубопроводе, м; пактах величина вакуума, образующегося в наивысшей точке системы под действием атмосферного давления (обычно принимают величину 7-8 м [9, с.110]).
В случае разрыва сплошности потока при гидравлическом ударе, возникшем вследствие внезапного отключения насоса, скачок напора составит
^удтразрыв=сг2.+3^1, (27)
где — статический напор, определяемый как разница между отметкой максимального уровня воды в системе и отметкой установки насоса (см. рис.2).
Гидродинамический напор в трубопроводе определяется с учётом скорости течения воды. При остановке потока можно принять равным статическому напору .
Если соотношение (23) не выполняется, и разрыва сплошности потока не произойдёт, то напор при ГУ следует определять по формуле (13).
Таким образом, расчёт ГУ в СДГ является довольно сложной задачей, так как зависит от многих факторов, влияющих на величину и условия протекания ГУ,
которые следует различать и правильно учитывать при практических расчетах. Например, величина ГУ в одной и той же СДГ будет различной при пуске и остановке насоса, в режимах с разрывом сплошности потока и без разрыва, при полном и не полном ГУ.
Полученные зависимости позволяют производить расчет величины ГУ в СДГ в следующих случаях:
• при пуске циркуляционного насоса для полного ГУ по формуле (10);
• при остановке циркуляционного насоса для полного ГУ по формуле (12);
• при пуске циркуляционного насоса для неполного ГУ по формуле (22);
• при остановке циркуляционного насоса для неполного ГУ по формуле (23);
• при остановке циркуляционного насоса для полного ГУ с разрывом сплошности потока по формуле (27), когда выполняется условие(26).
Зная геометрическую высоту Ндренируемых участках СДГ и полный коэффициент сопротивления который зависит от диаметра О, протяженности 1 материала ^.трубопровода иместных сопротивлениях^ <";по формуле (8) можно рассчитать величину скорости истечения теплоносителя при дренировании системы. По известной величине скорости не трудно рассчитать приращение скорости теплоносителя при дренировании Дгд относительно скорости в расчетном режиме гр, а по полученным зависимостям определить величину ГУ при пуске и остановке циркуляционного насоса СДГ, а также для случая с разрывом и без разрыва сплошности потока.
Результаты расчётов величины гидравлического удара для самодренирумых гелиоустановок
На основе полученных формул были выполнены расчеты величины гидравлического удара с учетом геометрических, гидравлических и других характеристик СДГ. Величина ГУ для СДГ определялась при пуске и остановке циркуляционных насосов типа Grundfos UPS 25-125 (трехскоростной насос: п=1900, П2=2400, пз=2900 об/мин). Расчетные геометрические параметры СДГ приняты в интервале соответствующему 16-ти ведущих мировых производителей СДГ [13, с.48-53]: разность отметок Н=5^25 м, протяженность гелиоконтура ¿=20^40 м, трубыстальные (ЕТ=210»109 Па), теплоноситель - вода (Еж=2,03*109 Па). Другие расчетные параметры приняты согласно рекомендациям «Руководства по проектированию систем солнечного теплоснабжения» [14, с.69-70, с.72, с.73]: удельный расход теплоносителя через СК =25 л/(ч »и2), общая площадь СК /к=20^40 м2, диаметр трубопроводов Б=20+25 мм, расход теплоносителя в гелиоконтуре ((, л/ч, из условия, что скорость теплоносителя в расчетном режиме работы СДГ гр должна соответствовать рекомендуемому диапазону - от 0,4 до 0,7 м/с, средняя температура нагреваемого теплоносителя Ьср=50оС (коэффициент кирематической вязкости К0=0,556^10-6 м2/с).Значениякоэффициентов местного сопротивления приняты [15, с.259]: для тройников на проход - (тр.пр. = 1, для тройников на поворот - <"тр.пов. = 3, для СК - <"ск = 2, для вентилей - <"вент. = 16. Число местных сопротивлений определено по количеству СК из условия, что один СК имеет поверхность 2 м2. Результаты расчетов приведеныв табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчётов величины гидравлического _удара для самодренирумых гелиоустановок
Обозначение величины Способ определения Числовое значение
Fk, м2 принято по [14, с.69] 20 25 30 35 40
Н м принято по [13, с.48-531 5 10 15 20 25
L, м принято по [13, 48-53] 20 25 30 35 40
D, м принято по [14, с.73] 0,02 0,02 0,025 0,025 0,025
q, л/(ч »м2) принято по [14, с.70] 25 25 25 25 25
Q, л/ч Q = ^ X q 500 625 750 875 1000
Vp, м/с Рр = 4Q.10-6/ (3,6я02 ) 0,442 0,553 0,425 0,495 0,566
ßeD = rD/v 15899 19892 19110 2225 7 2545 0
Ä X = O,3164/ße0,2S [9,160] 0,028 0,027 0,027 0,026 0,025
Z формула (7) 28 33,75 32,4 36,4 40
X* принято по [15, с.259] 70 88 106 124 140
Zf формула (6) 98 121,75 138,4 160,4 180
, м/с формула (8) 0,995 1,264 1,453 1,559 1,646
Дгд , м/с формула (11) 0,553 0,711 1,028 1,064 1,080
с, м/с формула (15) 1381,2 1381,2 1370,9 1370, 9 1370, 9
с £ф = 2LA 0,029 0,036 0,043 0,051 0,058
Мо, Н»м М0 30Р ЯП Р=135Вт, n=1900 0,68 - - - -
Р=210 Вт, n2=2400 - 0,84 - 2x0,8 4* -
Р=270 Вт, пз=2900 - - 0,89 - 2x0,8 9*
/,кг»м2 Принято по [16, с.46 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
Тз,с формула (24) 0,195 0,199 0,227 0,237 0,255
Сравнение значений fy иТз tф <Тз tф <Тз tф <Тз ч <Тя Ц <Тз
< Тз, значит ГУ неполь
м формула (22) 9,24 14,16 11,45 14,90 18,10
^удт, м формула (23) 11,56 18,21 27,69 32,03 34,54
*Для создания требуемого напора два насоса Grundfos UPS 25-125 соединены последовательно.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ результатов практических расчетов величины ГУ для СДГ (см.табл.1) при пуске и остановке циркуляционных насосов типа Grundfos иР5 25-125, которые нашли широкое применение на практике в СДГ [4, с.16-22], показывает:
1. Для СДГ со стальными трубами при пуске и остановке циркуляционных насосов характерен неполный (непрямой) ГУ, для которого время пуска и остановки насоса превышает время, в течение которого волна возмущения возвращается к источнику возмущения в виде обратной волны, т.е. когда £ф < Тз. Это можно объяснить тем, что насос, в отличие от другого запорного органа (задвижки, вентиля, затвора, обратного клапана и т.п.), не резко останавливает поток при отключении электроэнергии, а некоторое время продолжает сбавлять свои обороты, а затем начинает пропускать поток через себя в обратном направлении без его резкой остановки.
2. Величина ГУ при пуске циркуляционных насосов ^^д™, как правило, значительно меньше величины ГУ ^удт при их остановке, что соответствует экспериментальным и натурным исследованиям [2, с.53-57, 11, с.111-120]. Следует отметить, что для СДГ при пуске циркуляционных насосов происходит выдавливание воздуха из СК и наполнение их водой. В этом случае воздух играет роль пневматического амортизатора, который снижает величину ГУ.
3. На величину ГУ в СДГ большое влияние оказывают электромеханические характеристики циркуляционных насосов. Поэтому при проектировании СДГ подбор циркуляционных насосов кроме основных их показателей (напор и расход) должен осуществляться также с учетом электромеханических характеристик (мощность, число оборотов, вращающий момент на валу электродвигателя и момент инерции его ротора), влияющих на величины ГУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Штатный режим работы самодренируемых гелиоустановок связан с ежедневным пуском и остановкой циркуляционных насосов гелиоконтура, что может сопровождаться гидравлическими ударами из-за резкого изменения скорости движения потока теплоносителя в режимах разгона и остановке циркуляционных насосов.
2. Получены зависимости для расчета величины гидравлических ударов в самодренируемых гелиоустановках атмосферного типа при пуске и остановке циркуляционных насосов в зависимости от геометрических и гидродинамических характеристик гелиоустановок, а также электромеханических показателей циркуляционных насосов.
3. На величину гидравлического удара в самодренируемых гелиоустановках большое влияние оказывают электромеханические характеристики циркуляционных насосов. При проектировании самодренируемых гелиоустановок подбор циркуляционных насосов кроме основных их показателей (напор и расход) должен осуществляться также с учетом их электромеханических характеристик (мощность, число оборотов, вращающий момент на валу электродвигателя и момент инерции его ротора), влияющих на величины гидравлического удара.
4. Особым и наиболее сложным случаем гидравлического удара в самодренируемых гелиоустановках является удар с разрывом сплошности потока. Гидравлический удар при остановке насоса существенно усиливается при разрыве сплошности потока теплоносителя.
Библиографические ссылки
1. В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов и И.С. Гнатюк, "Самодренируемые гелиоустановки", Альтернативная энергетика и экология, №2, стр.10-14, 2010.
2. В.А. Бутузов, В.В. Бутузов, Е.В. Брянцева и И.С. Гнатюк, "Самодренируемые гелиоустановки: мировой и российский опыт разработки и сооружения", СОК, №2, стр.53-57, 2017.
3. R. Botpaev and K.Vajen, "Drainback systems: market overview", 11. InternationaleKonferenz fursolaresHeizen undKuhlen. - Gleisdorf, Austria. - 2014.
4. Y.K. Rashidov, S.Y. Sultanova and K.T. Sur'atov, "Increase in dependability and efficiency of self-draining water systems of solar heat supply", Applied Solar Energy, vol. 53, no.1, pp.16-22, 2017.
5. Y.K. Rashidov, K.Y. Rashidov, I.I. Mukhin, K.T. Sur'atov, J.T. Orzimatov and S.S. Karshiev, "Main Reserves for Increasing the Efficiency of Solar Thermal Energy in Heat Supply Systems (Review)", Applied Solar Energy, vol. 55, no.2, pp.91-100, 2019.
6. Y.K. Rashidov and K.Y. Rashidov, "The Main Changes Made to the Building Codes and Regulations of the "Solar Hot Water Installations" to Increase Energy Efficiency of Projected Solar Power Plants", Applied Solar Energy, vol. 55, no.3, pp.219-222, 2019.
7. R. Botpaev, Y. Louvet, B.Perers, S.Furbo and K.Vajen, "Drainback solar thermal systems: A review", Solar Energy, 128, 41-60, 2016.
8. А.М. Курганов и Н.Ф. Федоров, Гидравлические расчёты систем водоснабжения и водоотведения: Справочник. Ленинград: Стройиздат, 440 стр., 1986.
9. Р.Р. Чугаев, Гидравлика: Учебник для вузов. Ленинград: Энергоиздат, 672 стр.,
1982.
10. А.Ю. Рушников, "Гашение гидравлических ударов с помощью бака-гидроаккумулятора при заборе воды из скважины", СОК, №3, стр.53-57, 2015.
11. Д.Н. Смирнов и Л.Б. Зубов, Гидравлический удар в напорных водоводах. Москва: Стройиздат, 125 стр., 1975.
12. В.С. Дикаревский, Водоводы: Монография, Труды РААСН. Строительные науки. Том 3. Москва.: РААСН, 200 стр, 1997.
13. J. Berner, "Drainback systems: empty and safe", Sun, Wind Energy, no.5, pр.48-53,
2008.
14. "Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения", Издание 06/2010. Internet: www.viessmann.ua/content/.../pr kniga-pro-solnce 06-2010^Янв. 4, 2019..
15. В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави и др., Внутренние санитарно-техническиеустройства. Ч.1. Отопление. М.: Стройиздат, 344 стр., 1990.
16. В.Л. Лихачев, Электротехника: Справочник. Москва: СОЛОН-Пресс, Том.2, 448 стр., 2003.
17. Ю.К. Рашидов, Инновационный метод повышения эффективности и надёжности систем солнечного теплоснабжения на основе применения
саморегулируемых активных элементов: Монография. Toshkent: Iqtisod-Moliya, 224 стр., 2019.
18. Y.K. Rashidov, K.Y. Rashidov, I.I. Mukhin, K.T Sur'atov and Z.Z. Rakhimov, "Features of the Design of a Self-Draining Solar Power Plant with an Active Element", Applied Solar En erg, vol.54, no.3, pp.182-186, 2018.
19. Y.K. Rashidov, "Calculating the Hydrodynamic Characteristics of the Active Section of the Self-Draining Solar Loop of a Heating System", Applied Solar Energy, vol. 54, no.2, pp.9598, 2018.
20. Е.Я. Соколов, Теплофикация и тепловые сети. Москва: Энергоиздат, 360 стр.,
1982.
