CC BY
10УДК: 662.612 — 428.4 О.Н. Зайцев, д.т.н., проф.,
Д.М. Лукьянченко, аспирант, И. А. Перминов, аспирант, Л.А. Петрекевич, аспирант
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОЛИЧЕСТВЕННО-КАЧЕСТВЕННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
В статье приведены результаты теоретических исследований поля температуры, скорости и давления в предлагаемой конструкции терморегулятора. Показано, что в данном случае наблюдается практически линейный режим регулирования расхода теплоносителя, что позволяет работать системе водяного отопления в постоянном гидравлическом режиме с изменением количественной и качественной характеристик теплоносителя только в нагревательных приборах.
Постановка проблемы.
В Украине, как и во всем остальном мире одной из острейших проблем современности является снижение энергетических затрат на системы отопления в промышленных и гражданских зданиях и сооружениях различного назначения, при этом доля теплопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве занимает около 60% от общего количества вырабатываемой тепловой энергии. В тоже время, оснащение отопительных приборов индивидуальными автоматическими регуляторами теплового потока (термостатами) позволяет в зависимости от типа регуляторов и условий их эксплуатации уменьшить расход тепловой энергии на отопление на 10-20% в основном за счёт снижения непроизводительных затрат теплоты [1, 3, 5-7]. Это значительно превышает уровень экономии тепловой энергии с помощью ручного регулирования кранами или вентилями (обычно 4-9% при нормально работающем ручном регуляторе).
Основным препятствием, сдерживающим внедрение регулируемых систем отопления, является узкая область действия терморегуляторов (от 0,3 до 0,7 хода клапана), кроме того, в отличие от традиционных аналогов, для таких систем, характерны повышенные единовременные капитальные вложения при повышении рабочего давления в системе от 1,5 до 4 раз по сравнению с нерегулируемыми системами, что негативно сказывается на эксплуатационных издержках [8-12]. Вместе с тем их применение позволяет не только обеспечить экономию энергоресурсов, но и получить значительный экологический эффект от сокращения сжигания
традиционного органического топлива [4]. Также необходимо отметить, что, несмотря на достаточно развитую теорию гидравлического регулирования систем отопления в настоящее время отсутствуют тепловые модели работы таких систем. Особенно это проявляется при уменьшении теплового напора от нагревательных приборов к воздущной среде отапливаемых помещений - то есть при использовании низкотемпературного теплоносителя, который получают в основном от возобновляемых источников энергии.
Целью работы является совершенствование систем водяного отопления с низкотемпературным теплоносителем на основе использования гидравлически изменяемого режима в нагревательных приборах с сохранением постоянного в остальной части системы и увеличения диапазона эффективной работы терморегуляторов.
Моделирование гидравлически изменяемого режима в нагревательных приборах.
Существующие методики подбора регулирующего оборудования для водяных систем отопления не учитывают результирующий тепловой поток через нагревательный прибор, что требует дальнейших исследований для предложенного способа регулирования системы отопления с помощью эжектора-терморегулятора с изменением теплового потока нагревательного прибора Для упрощения исследования влияния локального изменения температуры и расхода в нагревательном приборе был использован пакет программ CosmosFloWork на основе программного обеспечения SolidWork. Данная программа применяется для расчета гидро, аэродинамических и тепломассообменных процессов используя уравнение неразрывности Навье-Стокса для вязкого идеального газа [2].
Решение задачи зависит от граничных условий и геометрических параметров расчетной области. Кроме того, решение задачи зависит от параметров, входящих в граничные условия на входе и выходах в эжектор.
На оси эжектора выполняются условия симметрии и решаются уравнения энергии и движения для 2-компоненты скорости. Решение задачи начинается с задания начальных условий и параметров задачи. Внутри области задаются однородные начальные условия для компонент скорости и температуры. Основываясь на этих теоретических данных, для исследования была создана компьютерная модель локального нагревательного прибора с эжектором (рис.1).
Рис.1 Общий вид модели локального регулирования теплового потока от нагревательного прибора.
Варьировались следующие параметры:
• Расход теплоносителя через подающий трубопровод;
• Диаметр сопла эжектора;
• Расход теплоносителя эжектируемого потока;
• Температура и давление на входе и выходе из модели.
Результаты моделирования тепловых и гидравлических процессов при количественно-качественном регулировании теплоносителя в нагревательных приборах представлены на рис.2-9.
Velocity (m/s)
Min=0 m/s Max=13.063 m/s Iteration = 47
Velocity (m/s)
Min-0 m/s Max-13.0194 m/s Iteration = 171
Рис.2 Распределение
теплоносителя в нагревательном приборе и эжектирующем устройстве при коэффициенте подмешивания 1.5.
Рис.3 Распределение
теплоносителя в нагревательном приборе и эжектирующем устройстве при коэффициенте подмешивания 2.2.
Velocity [m/s|
Min-Q m/s Max-13.0355 m/s Iteration -1 4
»1.26:95
We.
Ивш м- ™
. ЙВДЙ ¿Яц§Щ
аЛНКШ
■fîréssiîce JFa]
Рис.4 Распределение
теплоносителя в нагревательном приборе и эжектирующем устройстве при коэффициенте подмешивания 1.5 (вид сверху).
Рис.5 Распределение
теплоносителя в нагревательном приборе и эжектирующем устройстве при коэффициенте подмешивания 2.2.
Анализ представленных на графиках (рис.2-5) распределения теплоносителя по скорости и давлению при различных коэффициентах подмешивания показал, что изменение перепада давления между эжектирующейся жидкостью и эжектируемой путем увеличения сопротивления в перемычке между подающим и обратным трубопроводами от 0 до 1,5 кПа при постоянной скорости жидкости в в подающем и обратном трубопроводах (1.5 м/с) позволяет изменить температуру входящего в нагревательный прибор от Т1 до Т2, что соответствует при нулевом перепаде давления - эжекция отсутствует и нагревательный прибор дает максимальный тепловой поток с максимальным температурным напором. А при перепаде давления 1,5 кПа происходит запирание эжектора и теплоноситель поступает в нагревательный прибор с температурой Т2, что соответствует нулевому тепловому потоку и соответственно отсутствию нагрева помещения.
C6opKa2.SLDASM [Default (1)]
0,015 Length (m)
Рис.6 Распределение температуры в эжекторе и нагревательном приборе по ходу движения теплоносителя (коэффициент смешения 1.5)
0
0,005
0,01
0,02
0,025
Сборка2.SLDASM [Default (1)]
Рис.7 Распределение коэффициента турбулентности в эжекторе и нагревательном приборе по ходу движения теплоносителя (коэффициент смешения 1.5)
Сборка2.SLDASM [Default (1)]
Рис.8 Распределение числа Рг в эжекторе и нагревательном приборе по ходу движения теплоносителя (коэффициент смешения 1.5)
а
Я 4190
о
^ 4188
Сборка2.SLDASM [Default (1)]
Рис.9 Распределение теплового потока в эжекторе и нагревательном приборе по ходу движения теплоносителя (коэффициент смешения 1.5)
Однако при этом сохраняется постоянство гидравлического режима остальной системы отопления, что позволяет не устанавливать балансировочные клапаны на каждые 6-8 нагревательных приборов. Зависимости, приведенные на рис.6-9, показывающие изменение
1,8
1,3
0,8
0,3
0,2
8
7
6
5
4
3
2
0
0
0
0
0
4198
4196
4194
4192
4186
4184
4182
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
температуры, коэффициента турбулентности, числа Pr и теплового потока в эжекторе и нагревательном приборе по ходу движения теплоносителя показали, что основные пульсации по температуре, коэффициенту турбулентности и изменению теплового потока происходят на узком участке - в эжекторе и при входе в нагревательный прибор, что подтверждает гипотезу о применимости предложенного локального управления тепловым потоком в водяного системе отопления.
Выводы.
1. Теоретические и экспериментальные исследования поля температуры, скорости и давления в предложенной конструкции терморегулятора выявили практически линейный режим регулирования расхода теплоносителя, отличающееся тем, что при в центральной области отсутствует локальная завихренность и доказали возможность работы системы водяного отопления в постоянном гидравлическом режиме с изменением количественной и качественной характеристик теплоносителя только в нагревательных приборах.
2. Предложена конструкция терморегулятора, позволяющая выполнять линейное регулирование расхода теплоносителя практически во всем диапазоне работы системы отопления;
3. Уточнена методика гидравлического расчета для систем водяного отопления с низкотемпературным теплоносителем на основе использования гидравлически изменяемого режима в нагревательных приборах с сохранением постоянного в остальной части системы.
Литература
1. Нудлер Г.И., Тульчин И.К. Автоматизация инженерного оборудования жилых и общественных зданий. - М.: Стройиздат,1988.-223 с.
2. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен: Пер. с англ./ Герхарт Б., Джалурия И., Махаджан Р.Л., Саммакия Б. - М.: Мир, В 2-х книгах. Кн. 2., 1983. - 528 с.
3. Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование / В.В. Пырков. - К.: II ДП «Таю справи», 2007. - 251 с.
4. Грановский В.Л. Основный принципы конструирования и испытаний отопительных приборов со встроенными терморегуляторами / В.Л. Грановский // АВОК. - 2005. - №4. - С. 48-52.
5. Дзелтис Э.Э. Управление системами кондиционирования микроклимата: Справочное пособие / Э.Э. Дзелтис. - М.: Стойиздат, 1990. - 176 с.
6. Petitjean R. Total hydronic balancing: A handbook for design and troubleshooting of hydronic HVAC systems / R. Petitjean. - Gothenburg: TA AB, 1994. - 530 p.
7. Покотилов В.В. Регулирующие клапаны автоматизированных систем тепло- и холодоснабжения / В.В. Покотилов. - Вена.: фирма «HERZ Armaturen», 2010. - 176 с.
8. EN 215-1: 1987 Thermostatic radiator valves. Part 1. Requirements and test methods.
9. ГОСТ 30815-2002 МГС. Терморегуляторы автоматические отопительных приборов систем водяного отопления зданий. Общие технические условия. - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2002
10. ГОСТ 14770-69 Устройства исполнительные. ГСП. Технические требования. Методы испытаний. - М.: Изд. Стандартов, 1988. - 10 с.
11. ГОСТ 28923-91 МГС. Регуляторы температуры, работающие без постороннего источника энергии. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2005.
12. Wytczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania. -Warszawa.: COBRTI «INSTAL», «UNIA CIEPLOWNICTWA». - Suplement do wydania II. 1993. -, 1994. - 43 p.
ТЕОРЕТИЧН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ I Г1ДРАВЛ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В ПРИ К1ЛЬК1СНО-ЯК1СНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТЕПЛОНОС1Я У НАГР1ВАЛЬНИХ ПРИЛАД1В О. Зайцев, Д. Лук'янченко, I. Пермшов, Л. neTpeKeBi4
У статт наведено результати теоретичних дослщжень поля температури, швидкост i тиску в запропонованш конструкци терморегулятора. Показано, що в даному випадку спостер^аеться практично лiнiйний режим регулювання витрати теплоноЫя, що дае можливiсть працювати системi водяного опалення в постшному гiдравлiчному режимi з змiною кшьюсно! та яюсно! характеристик теплоносiя тшьки в нагрiвальних приладах.
THEORETICAL ANALYSIS OF TEMPERATURE AND HYDRAULIC PROCESSES IN THE QUANTITATIVE-QUALITATIVE REGULATION OF THE COOLANT IN THE HEATING APPLIANCE O.N. Zaitsev, D.M. Luk'yanchtnko, I.A. Perminov, L.A. Petrekevich
The results of theoretical research fields of temperature, pressure and velocity in the proposed design thermostat. It is shown that in this case there is almost a linear regime coolant flow, which gives the opportunity to work in a hot water heating system with a constant hydraulic regime change in the quantitative and qualitative characteristics of the coolant only heating devices.
