Гидравлика систем отопления и охлаждения

Гидравлическая устойчивость

Обеспечение гидравлической устойчивости является главной зада­чей проектирования и эксплуатации системы обеспечения микрокли­мата. Система должна быть управляемой во всех режимах работы тер­морегуляторов и не выходить за пределы эффективной работы. Тради­ционно устойчивости двухтрубной системы достигают повышением со­противления узлов обвязки теплообменных приборов и гидравличес­кой увязкой циркуляционных колец. С этой целью применяют терморе­гуляторы с повышенным гидравлическим сопротивлением и проводят процедуру уравновешивания гидравлического сопротивления всех цир­куляционных колец. Однако этого недостаточно.

Недостаточность состоит в том, что систему проектируют по номи­нальному режиму и не проводят прогнозирование ее поведения при гра­ничных условиях изменения гидравлических и тепловых параметров, прежде всего, при полностью закрытых и полностью открытых терморе­гуляторах. Результатом такого подхода является шум в системе, отсут­ствие теплового комфорта в помещениях, завышенное энергопотребле­ние. Устранить все негативные факторы можно автоматическими регу­ляторами гидравлических параметров системы. При этом следует обес­печить управляемость регуляторов в процессе открывания и закрыва­ния терморегуляторов, т. е. проверить их работу при максимальных и минимальных расходах теплоносителя.

Применение автоматических регуляторов во многом упрощает задачу обеспечения гидравлической устойчивости системы. Ее следует соблю­дать в пределах участка, регулируемого автоматическим регулятором. За пределами участка рассмотрение устойчивости становится излишним, поскольку она будет выполнена автоматическими регуляторами.

Увязку циркуляционных колец осуществляют поэтапно. Количест­во этапов зависит от многоступенчатости системы. Наибольшее количе­ство ступеней в системах с регулирующими клапанами ручного управ­ления (рис. 9.31). В них, как правило, первую ступень (обозначенную цифрой I) увязывания циркуляционных колец осуществляют терморе­гуляторами (например, RA-С) теплообменных приборов (например, фенкойлов) в пределах каждой приборной ветки. Гидравлическое со­противление всех циркуляционных колец ветки (обозначенных линия­ми в точку) должно быть одинаковым относительно точек присоедине­ния первого по ходу движения теплоносителя теплообменного прибора. Выравнивание сопротивления колец осуществляют сначала изменени­ем диаметров трубопроводов в пределах допустимых скоростей тепло­носителя и экономически целесообразных удельных потерь давления на трение, а затем — настройкой дросселей терморегуляторов. Следую­щую ступень (II) увязывания циркуляционных колец осуществляют между приборными ветками при помощи регулирующих клапанов MSV-C. При этом гидравлическое сопротивление циркуляционных ко­лец второй ступени (обозначенных пунктирными линиями с двойной точкой) относительно точек присоединения первой по ходу движения теплоносителя приборной ветки должны быть одинаковыми. Затем увязывают циркуляционные кольца (обозначенные пунктирной лини­ей) третьей ступени (III), выравнивая сопротивления стояков. В более сложных системах обеспечения микроклимата, по сравнению со схемой на рис. 9.31, на следующих этапах увязывают ветви, модули. Всю систе­му регулируют главным клапаном MSV-F (либо MSV-C) возле насоса. Таким образом, общее количество регулирующих клапанов и терморе­гуляторов с предварительной настройкой равно, как правило, общему количеству тройников в подающих трубопроводах плюс главный регу­лирующий клапан системы. На каждую крестовину подающих трубо­проводов приходится два регулирующих клапана. Уменьшать количест­во регулирующих клапанов по сравнению с приведенным подходом не целесообразно, т. к. значительно усложняется наладка системы.

Циркуляционные кольца параллельно присоединенных чиллеров либо котлов увязывают регулирующими клапанами MSV-F (либо MSV-C) на трубопроводах обвязки.

Регулирующие клапаны не являются украшением интерьера поме­щения. Их скрывают в подшивных потолках, специальных шкафчиках.

Доступ обслуживающего персо­нала к клапанам занимает значи­тельную часть времени и весьма трудоемок. Особенно при гидрав­лическом тестировании клапанов в подшивном потолке действую­щей системы, когда требуется пе­рестановка мебели и использова­ние стремянки. Поэтому для упро­щения обслуживания осуществля­ют модульную группировку регу­лирующих клапанов (рис. 9.32), предназначенных, например, для теплообменных приборов одной приборной ветки.

Увязывание циркуляционных колец регулирующими клапанами является сложной процедурой при проектировании системы обеспече­ния микроклимата, изначально допускающей отклонение от номиналь­ных параметров. Достигнуть этих параметров в процессе балансировки еще сложнее, т. к. манипулирование любым регулирующим клапаном либо дросселем терморегулятора перераспределяет потоки абсолютно во всех циркуляционных кольцах. Из-за такой взаимозависимости цир­куляционных колец происходят постоянные перетоки теплоносителя при перемещении штока любого терморегулятора в процессе работы си­стемы. Эти перетоки с запаздыванием (вследствие инерционности сис­темы и здания) заставляют соответственно реагировать все терморегу­ляторы. Таким образом, гидравлическая устойчивость системы в пол­ной мере возлагается на терморегуляторы и зависит от их потокорас - пределения, т. е. от общих авторитетов.

Многоступенчатые системы с регулирующими клапанами ухудша­ют общие авторитеты. Чем больше ступеней увязывания циркуляцион­ных колец, тем ниже значение общих авторитетов терморегуляторов и самих регулирующих клапанов. Это означает, что у них будут крутые расходные характеристики, аналогичные кривой 1 на рис. 4.22. Регули­рование потоков в этом случае осуществляют лишь в узкой области на­чального диапазона хода штока, что усложняет балансировку системы
регулирующими клапанами. Кроме того, ухудшается пропорциональ­ное управление тепловым потоком теплообменных приборов, т. к. зна­чительно деформируется (искривляется вверх) результирующая харак­теристика регулирования (см. рис. 6.5,в). Работа терморегулятора ста­новится далекой от П-регулирования и близка к двухпозиционному ре­гулированию (полностью закрыто либо полностью открыто по рис. 4.4) с присущим ему временем запаздывания (см. табл. 4.2, позиция 12). Увеличивается частота перемещения штока. Долговечность терморегу­лятора при такой работе зависит от начальной механической прочности (см. количество циклов в табл. 4.2, позиция 13).

Таким образом, обеспечить гидравлическую устойчивость и управ­ляемость только регулирующими клапанами можно лишь в небольших системах обеспечения микроклимата с одной-двумя ступенями увязы­вания циркуляционных колец. В более сложных системах необходимо использовать автоматические регуляторы, что значительно упрощает обеспечение гидравлической устойчивости (рис. 9.33).

Автоматические регуляторы перепада давления (п. р. 5.2) разделяют систему на подсистемы. Количество подсистем равно количеству регуля­торов. Подсистемами могут быть приборные ветки (рис. 9.33), стояки (рис. 3.3,й; рис. 3.3,к), узлы обвязки теплообменных приборов (рис. 3.4). В подсистеме образуется свойственный только ей гидравлический режим, в пределах которого следует обеспечивать гидравлическую устойчивость. Количество ступеней увязывания циркуляционных колец зависит от мес­та установки автоматического регулятора перепада давления и разветвлен - ности регулируемого им участка системы. Чем ближе автоматический ре­гулятор к теплообменным приборам, тем меньше количество регулирую­щих клапанов из-за их ненадобности (сравните рис. 9.31 и 9.33). Это в це­лом снижает гидравлическое сопротивление системы и экономит стои­мость энергии на перекачивание теплоносителя, улучшает потокораспре­деление терморегуляторами и улучшает тепловой комфорт в помещении.

При наличии автоматических регуляторов перепада давления на неразветвленных приборных ветках (рис. 9.33) увязывание циркуляци­онных колец сводится только к одноступенчатой процедуре (I). Коли­чество циркуляционных колец в подсистеме равно количеству тепло­обменных приборов. Гидравлическое сопротивление всех колец относи­тельно точек присоединения первого по ходу теплоносителя тепло­обменного прибора (см. линии из точек на рис. 9.33) должно быть оди­наковым. Выравнивают сопротивление диаметрами трубопроводов и настройкой дросселей терморегуляторов. За пределами подсистем все ответвления будут автоматически сбалансированы при помощи работы регуляторов перепада давления.

Некоторое отличие в увязывании циркуляционных стояков систем отопления происходит при учете влияния гравитационного давления. В этом случае сопротивление каждого последующего кольца изменяется на долю учитываемого гравитационного давления между теплообмен­ными приборами.

Сегодня существует тенденция приблизительного увязывания циркуляционных колец с возложением окончательной гидравлической балансировки системы на терморегуляторы. Этот подход допускается для небольших систем обеспечения микроклимата без местного или центрального количественного регулирования. В системе с терморегу­ляторами нет таких критических последствий как в системах без них. Терморегуляторы сбалансируют систему. Срок этого действия зависит от инерционности здания и системы. Сначала прогреется помещение, через которое проходит циркуляционное кольцо с меньшим гидравли­ческим сопротивлением. После достижения в помещении заданной температуры воздуха терморегулятор прикрывается, увеличивая сопротивление циркуляционного кольца. Теплоноситель в большей степени начнет поступать в остальные теплообменные приборы.

Происходит неравномерный выход в тепловой режим помещений, ха­рактеризуемый изначальной гидравлической несбалансированностью, когда все терморегуляторы открыты и гидравлические кольца неурав - новешены. Такая работа системы характерна при ее запуске, выходе из энергосберегающего режима (ночного, дежурного...) и т. д.

Для избежания разбалансировки системы в вышерассмотренных случаях рекомендуется осуществлять гидравлическое увязывание ко­лец по потерям давления в них относительно комплементарных трой­ников либо крестовин. Под комплементарными понимают взаимодо­полняющие тройники с одинаковыми расходами, но разными назначе­ниями: на разделение потока (на распределительном трубопроводе) и на слияние потоков (на сборном трубопроводе) теплоносителя. По­грешность потерь давления в циркуляционных кольцах в них не долж­на превышать ±15 % при тупиковой укладке трубопроводов и ±5 % при попутной схеме (Тишельманна). В современных компьютерных про­граммах увязывание тупиковых схем осуществляют с погрешностью ±10 % и -5 %. Значительно меньшая погрешность поддержания пара­метров теплоносителя во всем диапазоне работы системы у автоматиче­ских регуляторов по сравнению с регулирующими клапанами. Так, например, у клапанов автоматического регулирования расхода AQ (рис. 5.14) погрешность регулирования расхода равна ±5 %. Это обеспе­чивает гидравлическую устойчивость системы либо отдельных контуров с постоянным гидравлическим режимом. На рис. 9.33 таким контуром является узел обвязки чиллеров.

Некоторое отличие в увязывании циркуляционных колец имеют системы с попутным движением теплоносителя. В таких системах сов­падает направление движения теплоносителя в распределительном и сборном трубопроводах. При этом длина циркуляционных колец оди­накова и, следовательно, потери давления на трение примерно одинако­вы. Попутное движение теплоносителя применяют как в магистралях (рис. 9.34,а) при примерно одинаковых нагрузках стояков либо прибор­ных веток, так и в стояках либо приборных ветках (рис. 9.34,6), когда нагрузки теплообменных приборов примерно одинаковы.

Особенность увязывания колец состоит в том, что при попутном дви­жении теплоносителя в магистралях (рис. 9.34,а) гидравлическое сопро­тивление колец второй ступени (II) должно быть одинаковым относи­тельно точки присоединения первого стояка по ходу движения теплоно­сителя к распределительной магистрали и точки присоединения послед­него стояка к сборной магистрали. Выравнивание гидравлических сопро­тивлений колец второй ступени осуществляют регулирующими клапана­ми MSV-C. Первую ступень увязывания (I) осуществляют дросселями
терморегуляторов RTD-N в каждом стояке относительно точек присоеди­нения к стояку первого по ходу движения теплоносителя теплообменного прибора. При этом, если гравитационное давление меньше 10 % от распо­лагаемого давления в системе, сопротивление всех колец должно быть одинаковым, если больше 10 % — увеличиваться на долю учитываемого гравитационного давления для каждого теплообменного прибора.

В горизонтальных приборных ветках с попутным движением тепло­носителя (рис. 9.34,6) гидравлическое сопротивление циркуляционных колец, проходящих через каждый теплообменный прибор, должно быть одинаковым касательно точки присоединения первого прибора по ходу движения теплоносителя к распределительному трубопроводу ветки и точки присоединения последнего прибора к сборному трубопроводу ветки. Дальнейшее количество ступеней увязывания циркуляционных колец зависит от разветвленности системы и осуществляется в соответ­ствии с пояснениями к рис. 9.31.

Системы с попутным движением теплоносителя (рис. 9.34) имеют некоторое преимущество в равномерности перераспределения потоков теплоносителя при работе терморегуляторов по сравнению с тупико­вым движением теплоносителя (рис. 9.31). Однако добиться полного устранения взаимовлияния стояков и теплообменных приборов невоз­можно. При использовании автоматических регуляторов перепада дав­ления на стояках применение попутного движения теплоносителя в ма­гистралях нецелесообразно. В этом случае допускается осуществление попутного движения теплоносителя в пределах стояка либо приборной ветки. А при установке таких регуляторов непосредственно в узлах об­вязки теплообменных приборов, применение схем с попутным движе­нием теплоносителя нецелесообразно вообще, т. к. гидравлическое вы­равнивание циркуляционных колец осуществляется автоматически.

При кажущейся привлекательности схем с попутным движением теплоносителя они не обеспечивают в полной мере необходимое пото­кораспределение в теплообменных приборах, особенно при переменном гидравлическом режиме [41], поэтому такие системы также требуют ре­гулирования. Кроме того, наличие обратного трубопровода значитель­но удлиняет циркуляционные кольца и, следовательно, ухудшает внеш­ние авторитеты регулирующих клапанов и терморегуляторов, увеличи­вает потери теплоты либо холода. Таким образом, систему с попутным движением теплоносителя целесообразно применять при небольшом количестве одинаковых по теплопередаче теплообменных приборов, объединенных в группы (рис. 9.34). При отличающихся тепловых пото­ках теплообменных приборов следует применять тупиковую схему (на­пример, рис. 9.31), для которой требуется меньшая длина труб, но необ­ходима более тщательная увязка гидравлических колец.

Обеспечение гидравлической устойчивости между всеми циркуля­ционными контурами системы с ручными балансировочными клапа­нами в эксплуатационном режиме всецело возлагается на терморе­гуляторы. Работа любого терморегулятора оказывает влияние на все циркуляционные контуры, что ухудшает регулируемость и энергоэффективностъ системы.

В системе с автоматическими балансировочными клапанами основ­ная нагрузка по обеспечению гидравлической устойчивости возлага­ется на них. Они разделяют систему на независимые подсистемы (стояк или приборная ветка), ограничивая количество взаимовлия - ющих циркуляционных контуров.