Гидравлика систем отопления и охлаждения

ТРУБОПРОВОДЫ И НАСОСЫ

Насос является основным элементом системы обеспечения микро­климата. Его работа полностью взаимосвязана с остальным оборудова­нием, в том числе регулирующими клапанами, терморегуляторами, автоматическими регуляторами. От их совместной работы зависит эффективность функционирования всей системы. Особенно это касает­ся систем с переменным гидравлическим режимом, где регулирование расходом теплоносителя приводит к изменению гидравлических и электрических параметров насоса.

Для систем обеспечения микроклимата существует большой выбор материалов, из которых изготавливают трубы, — сталь, медь, PVC, CPVC, РВ, РЕХ, многослойные и др. Каждый тип труб имеет свойствен­ные только ему механические и гидравлические характеристики. По­этому их влияние на регулирование системы автоматическими клапа­нами и терморегуляторами будет различно.

Трубопроводы являются элементом регулируемого участка. Они отбирают часть располагаемого давления. При этом уменьшают внешний и общий авторитеты терморегуляторов и регулирующих клапанов. Гидравлические потери на трение в стальных трубопрово­дах систем отопления без терморегуляторов составляют примерно 65 % [18]. Остальная часть потерь распределяется между местными сопротивлениями, в том числе и регуляторами. Применение такого соотношения распределения потерь давления в современных систе­мах с переменным гидравлическим режимом является недопусти­мым. Для обеспечения высоких значений внешнего авторитета клапа­нов большая часть потерь располагаемого давления должна прихо­диться на них.

Достигнуть желаемого результата можно несколькими способами: размещением автоматических регуляторов перепада давления вблизи регулирующих клапанов и терморегуляторов; уменьшением потерь дав­ления на трение в трубопроводах. Лучшим проектным решением явля­ется применение обоих способов.

Шероховатость труб зависит от материала изготовления, характера механической обработки внутренней поверхности, времени эксплуата­ции и др. Ориентировочные значения коэффициента эквивалентной

шероховатости кэ, мм, для труб:

• новых цельнотянутых стальных 0,03...0,05;

• новых сварных стальных 0,03...0,10;

• старых сварных стальных 0,15...0,5;

• оцинкованных стальных 0,1...0,2;

• стальных (для гидравлических расчетов) 0,2;

• медных 0,01;

• полипропиленовых 0,007;

• полиэтиленовых 0,005;

• полихлорвиниловых 0,001.

Более точные значения следует принимать по данным производите­лей. Однако общая тенденция изменения кэ свидетельствует о преиму­ществе труб из меди и пластиков. Особое внимание следует обратить на
различие кэ между проектным значением и данными для новых и ста­рых стальных трубопроводов. В системах с автоматическим регулиро­ванием возникающие с течением времени изменения гидравлических параметров воспринимают на себя регуляторы перепада давления либо регуляторы расхода. При увеличении сопротивления труб регуляторы соответственно приоткрываются. В системах без автоматического регу­лирования эта задача возлагается на терморегуляторы, и с течением времени необходимо корректировать настройку регулирующих клапа­нов в сторону уменьшения потерь давления либо устанавливать насосы с большим напором.

Прогнозирование изменения потерь давления в зависимости от сро­ка эксплуатации стальных трубопроводов и содержания кислорода в теплоносителе системы водяного отопления осуществляют по номо­грамме, представленной в справочнике [18].

Уменьшения потерь давления в трубопроводах достигают либо при­менением труб с меньшей шероховатостью, либо увеличением диаметра трубопровода d. При последнем варианте возрастает стоимость системы. Поэтому удельные потери давления на один метр трубопровода прини­мают исходя из стоимости труб и стоимости энергии, затрачиваемой на перекачивание теплоносителя насосом. Оптимальное значение потерь давления определяют путем построения графика, подобного рис. 7.1.

Стоимостные показа­тели (Euro) капитальных и эксплуатационных расхо­дов в зависимости от стра­ны могут иметь некоторые различия. Но в общем слу­чае оптимум удельных по­терь давления R трубо­проводов (заштрихованная зона) находится примерно в диапазоне 100...250 Па/м.

При учете влияния естественного давления в двухтрубных стояках с не­посредственным присоеди­нением к ним теплообмен­ных приборов, либо при­борных веток без автома­тических регуляторов пе­репада давления иногда
принимают удельные потери на трение ниже указанного диапазона. Их рассчитывают по эксплуатационно-целесообразным удельным показа­телям R, Па/м:

R=EApg

2

где Б — поправочный коэффициент, учитывающий изменение естест­венного давления на протяжении отопительного периода при разных способах регулирования, А р разница плотностей теплоносителя при

расчетном перепаде температур, кг/м3; g — ускорение свободного паде­ния, м/с2; 2 — количество труб стояка.

Данную формулу применяют в системах отопления или ее частях при совпадении направлений циркуляций теплоносителя, вызванных работой насоса и действием естественного давления. Рассчитанные зна­чения ориентировочно равны 50...100 Па/м. Такой подход незначитель­но увеличивает диаметр стояка. Однако достигается так называемая "сбалансированность стояка", при которой приращение естественного давления равно потере давления на трение. Основным преимуществом "сбалансированности стояка" является одинаковость настроек терморе­гуляторов на отопительных приборах либо настроек регулирующих кла­панов горизонтальных веток, по крайней мере, от второго до предпослед­него этажа при равенстве тепловых нагрузок в них. Это упрощает проек­тирование и балансировку системы. Но расходные характеристики тер­морегуляторов и регулирующих клапанов будут становиться круче с каждым этажом из-за уменьшения их внешнего авторитета, что вызвано возрастанием располагаемого давления за счет прироста естественного давления.

По оптимальному диапазону удельных потерь давления на трение определяют оптимальную скорость теплоносителя в трубопроводах. Для систем обеспечения микроклимата она примерно равна 0,5±0,2 м/с. Данная скорость теплоносителя даже с учетом ее увеличения в два раза при максимальном значении общего авторитета терморегулятора а* = 0,7 не способствует шумообразованию системы.

Допустимая скорость движения воды в трубопроводе из условия бесшумности зависит от коэффициента местного сопротивления регу­лирующего клапана или терморегулятора, установленного на ней. В норме [35] даны предельные значения этих скоростей для стальных тру­бопроводов, представленные в табл. 7.1. В числителе указана допусти­мая скорость теплоносителя в пробочных кранах и кранах двойной регулировки, в знаменателе — в вентилях.

Из данных таблицы следует, что максимально возможная скорость теплоносителя в стальных трубопроводах зависит от требований

к конкретному помещению по условиям бесшумности. В общем случае эта скорость должна быть не выше 1,5 м/с. Для пластиковых труб, спо­собных гасить как звук, так и гидравлические удары, это значение не­сколько выше, а именно: в стояках — до 2,5 м/с, в распределительных и сборных трубопроводах — до 2,0 м/с. Скорость воды в медных трубопро­водах имеет дополнительное ограничение. Она не должна способство­вать разрушению защитной оксидной пленки на внутренней поверхнос­ти трубы. Ее максимальное значение в системах обеспечения микрокли­мата не должно превышать 1 м/с.

Проектирование по допустимым максимальным скоростям тепло­носителя может быть применено в системах лишь при постоянном гид­равлическом режиме. В системах с переменным гидравлическим режи­мом необходимо прогнозировать увеличение скорости при открывании терморегуляторов либо ограничивать это увеличение путем уменьше­ния потокораспределения.

Минимальную скорость теплоносителя принимают из условия удаления воздуха системы. Она должна предотвращать образование воздушных пробок и обеспечивать транспортирование воздушных пу­зырей к месту их сбора и удаления. Минимальная скорость зависит от совпадения направлений движения теплоносителя и всплытия воздуш­ных пузырьков. Для вертикальных трубопроводов ее принимают не меньше 0,2...0,25 м/с; наклонных и горизонтальных трубопроводов — не меньше 0,1...0,15 м/с; горизонтальных трубопроводов в полу и в плин­тусе — не меньше 0,2...0,3 м/с. Однако допускается уменьшение этих значений при небольших потоках воды и отсутствии труб меньшего ти­поразмера в номенклатурном ряду.

Удаление воздуха из системы является важным фактором ее работо­способности. Этот процесс должен быть постоянным, особенно в систе­мах с пластиковыми трубопроводами при наличии кислородной диффузии.

Удаление воздуха осуществляют автоматическими воздухоотвод - чиками Данфосс (рис. 7.2), устанавливаемыми в местах скопления воздуха. Воздухоотводчик состоит из корпуса и поплавка, который пе­ремещается по мере накопления воздуха и открывает через передаточный меха­низм выпускное отверстие. Кроме того, воздухоотводчик снабжен обратным клапаном, позволяющим демонтировать корпус без отключения системы. Для улучшения перемещения воздушных пу­зырьков горизонтальные трубопроводы прокладывают под уклоном 2...3 %о от автоматического воздухоотводчика. Воз­духоотводчик может поставляться в комплекте оборудования, например, рас­пределителе потока CFD (см. рис. 4.7), либо отдельно для установки в верхних торцах стояков...

Удаляют воздух из системы также вручную через вентильки и кра­ники на клапанах. Такая функция предусмотрена и на терморегулято­рах напольного отопления FHV-A и FFIV-R (см. рис. 4.7).

Соединение трубопроводов с воздухоотводчиками, терморегулято­рами, клапанами и т. д. осуществляют фитингами. Каждому типу трубо­проводов соответствуют определенные фитинги. Для медных, сталь­ных, РЕХ, VPE, РЕХ-А1-РЕХ труб они показаны на рис. 7.3. Фитинги создают гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя. Им, как правило, пренебрегают при проектировании. Однако некоторые конструкции фитингов значительно сужают поток. Если производите­лем не указан коэффициент местного сопротивления, то соединение

. %

Рис. 7.3. Фитинги Данфосс для труб: а - стальных и мелных, б - PEX-AL-PEX, в - VPE/PEX

со сферой хвостовика соединение типа "конус-сфера". Такое соединение не требует дополнительного использова­ния уплотнителей. Хвостовики, кроме основной комплектации, поставляют по заказу удлиненными или укороченны­ми. Их применяют при модернизации систем с заменой старых клапанов на клапаны Данфосс.

Тип труб и способ их подводки к теплообменному прибору влияют на управление тепловым комфортом в помещении при помощи термо­регулятора. Чем больше теплоты от трубопроводов поступает в поме­щение, тем менее управляемый тепловой комфорт. Наилучшим проект­ным решением является скрытая в ограждающих конструкциях поме­щения прокладка теплоизолированных трубопроводов с присоединени­ем их к коллектору. В этом случае при закрывании терморегулятора прекращается циркуляция как в теплообменном приборе, так и в трубо­проводах.

При наличии трубопроводов в помещении необходимо уменьшать тепловой поток теплообменного прибора на количество теплоты 0тр, Вт,

[36]:

Qmp = qi£-b)^

где q — удельный тепловой поток открыто проложенных вертикальных либо горизонтальных трубопроводов, Вт/м; I — длина вертикальных и горизонтальных трубопроводов в помещении, м; b — доля неучитывае­мого теплового потока, которая ориентировочно составляет:

• для открыто проложенных вертикальных

TOC o "1-5" h z и горизонтальных трубопроводов 0,10;

• для трубопроводов, проложенных под плинтусом 0,50;

• для теплоизолированных стояков 0,90;

• для трубопроводов, проложенных в толще пола и изолированных полиуретановой пенкой

или вспененным полиэтиленом толщиной более 13 мм 0,95;

• для трубопроводов, проложенных и забетонированных толщей пола в защитной гофрированной трубе 0,60.

Уточнение параметра b осуществляют для конкретного типа труб и технологии их укладки, которую предлагают производители и монтажники.

Удельный тепловой поток q принимают по данным производителей труб либо рассчитывают по температурному напору и коэффициенту

теплопроводности материала труб, ориентировочные значения которо­го приведены в табл. 7.2.

Уменьшение гидравлического сопротивления и тепло потерь трубо­проводов улучшает управление тепловым комфортом в помещении.