Гидравлика систем отопления и охлаждения

Рабочие характеристики

температуре внутреннего и наружного воздуха расчетные гидравличес­кие параметры системы не совпадают с реальными. Расход теплоносите­ля через клапан будет меньше от номинального расхода, а затвор клапа­на будет расположен на высоте (рис. 4.11,6), которая ниже расчетной hv.

При понижении температуры воздуха в помещении затвор клапана поднимается, его максимальное положение характеризуется высотой hvs (рис. 4.11,в). С увеличением температуры воздуха в помещении выше зоны пропорциональности (подробнее см. далее) затвор клапана опус­кается, пока не перекроет проход теплоносителю (рис. 4.11,г). Таким образом, реальное гидравлическое состояние системы с терморегулято­рами никогда не соответствует расчетным условиям.

Полностью открытый клапан пропускает максимально возмож­ный поток теплоносителя, которому соответствует параметр krs. Дан­ная величина потока теплоносителя возникает в процессе эксплуата­ции системы при недостаточном количестве теплоты (в системах охлаждения — холода), получаемой от теплообменного прибора для до­стижения заданной на регуляторе температуры воздуха в помещении. Для терморегуляторов данный параметр не применяют в гидравличес­ких расчетах. В то же время для другой арматуры, например, шаровых кранов, этот параметр является расчетным.

Характеристическая пропускная способность kvs — величина, размер которой отображает объем воды в м3 плотностью 1000 кг/м3, проходящей через полностью открытый термостатический клапан за час при перепаде давления на нем 105 Па (1 бар).

Движение затвора клапана с максимально открытого в максималь­но закрытое положение вызывает гидравлическое перераспределение потоков теплоносителя во всех циркуляционных кольцах, что приводит к изменению перепада давления и расхода теплоносителя в системе.

Для уменьшения негативного воздействия этого перераспределения в двухтрубных системах применяют терморегуляторы с повышенным ги­дравлическим сопротивлением и дросселем для увязки гидравлических колец (подробнее см. в п. п. 4.2.4.4). Каждому положению дросселя соот­ветствует номинальная пропускная способность терморегулятора.

Номинальная пропускная способность kv — величина, размер кото­рой отображает объем воды в м3 плотностью 1000 кг/м3, проходящей через термостатический клапан за час при перепаде давления на нем 105 Па (1 бар) и /'-той настройке дросселя. Этот параметр характеризует термостатические клапаны с предварительной настройкой. Он также имеет видоизменение при максимальном открытии терморегулятора, т. к. перемещение затвора клапана аналогично пояснению к рис. 4.11. Отличием является то, что на пропускную способность дополнительно влияет настройка дросселя (рис. 4.12). Для терморегуляторов типа RTD-N, RA-C, RA-N, FHV-А она изменяется от 1 до 7 с шагом 0,5 и до N. Буквой N обозначено положение дросселя при максимально открытом дросселирующем отверстии fmax. Цифрой 1 — при минимально откры­том дросселе//^, другими цифрами — промежуточные положения.

Рабочие гидравлические характеристики терморегулятора незна­чительно зависят от направления движения штока. В одном и том же положении штока пропускная способность при закрывании терморегу­лятора будет меньшей, чем при открывании. Это рассогласование вы­ражают через температурную настройку терморегулятора и называют гистерезисом.

Гистерезис — температурная разность между кривыми открывания и закрывания терморегулятора при одинаковом расходе теплоносителя (рис. 4.13). Гистерезис возникает вследствие внутреннего фактора — ме­ханического трения подвижных частей терморегулятора и внешних факторов — параметров теплоносителя и окружающих условий. Макси­мально допустимое значение гистерезиса не должно превышать 1 °С. Чем ниже это значение, тем меньше отклонение между реальной и уста­новленной на терморегуляторе температурой воздуха в помещении.

Кривые закрывания и открывания характеризуют изменение пото­ка теплоносителя G от перемещения штока клапана, вызванного изме­нением температуры термостатического датчика с зафиксированным положением температурной настройки, при постоянном перепаде дав­ления теплоносителя между входом и выходом терморегулятора. Эти кривые являются рабочей расходной характеристикой терморегулятора с логарифмическим законом регулирования (см. рис. 3.11 при а+< 1). Разница лишь в том, что ходу штока h соответствует зона пропорцио­нального изменения температуры воздуха /.

Зона пропорциональности клапана величина, размер которой отображает превышение над установленной на терморегуляторе тем­пературой воздуха, приводящее к полному его закрытию. Это превы­шение пропорционально перемещению затвора клапана, при кото­ром соблюдается примерно линейная зависимость между G и /, ап­проксимируемая теоретической прямой. Примерный диапазон линейной зависимости находится между 0,25Gmax и 0,8Gmax. За преде­лами этих расходов происходит отклонение от пропорционального регулирования.

На рис. 4.13 показана зона пропорциональности терморегулятора Хр = 2К (°С). Она не должна превышать допустимых значений из усло­вий обеспечения теплового комфорта (см. рис. 1.2). Экономически це­лесообразный диапазон значений зоны пропорциональности для боль­шинства помещений находится в диапазоне 1...2К. Как правило, термо­регуляторы прямого действия выбирают с зоной пропорциональности 2К. В реальных условиях эта зона будет меньшей, поскольку в системах обеспечения микроклимата применяют теплообменные приборы с завышенной теплоотдающей поверхностью (см. разъяснение к hr и h, нарис. 4.11, а также п. р. 6.3).

Отклонение от линейного регулирования температуры воздуха должно быть минимальным во всем диапазоне хода штока. Так, разность температур воздуха между точками s и соответствующими/и е не долж­на превышать 0,8 °С. Это отклонение возникает вследствие погрешности регулирования незначительных потоков теплоносителя и особенностей логарифмического закона регулирования.

Терморегулятор должен обеспечить регулирование температуры воздуха в помещениях с различными температурными условиями. Условия теплового комфорта определены для температурного диапазона 10...28 °С (см. рис. 1.2). Для терморегуляторов этот диапазон должен находиться в пределах:

• при максимальной температурной настройке регулятора — не более 32 °С;

• при минимальной — не меньше 5 °С и не больше 12 °С.

В указанном температурном диапазоне влияние внешних факторов на регулирование температуры воздуха должно быть минимальным (кривые а' и Ь'). К таким факторам относят: перепад давления теплоно­сителя, статическое давление теплоносителя, температуру теплоносите­ля и температуру воздуха.

Влияние указанного производителем максимально допустимого пе­репада давления теплоносителя между входом и выходом терморегуля­тора не должно превышать 1 °С между температурными точками s и л' на двух теоретических кривых закрывания b и b

Влияние указанного производителем максимального рабочего дав­ления не должно превышать 1 °С между двумя кривыми закрывания b и Ь построенными при разных статических давлениях и одинаковых по­токах теплоносителя.

Смещение температурной настройки терморегулятора при увеличе­нии температуры теплоносителя на 30 °С не должно превышать 1,5 °С для терморегуляторов, объединенных в одном корпусе с датчиком температу­ры и 0,75 °С для терморегуляторов с передаточным звеном (рис. 4.3). Пол­ностью предотвратить данное влияние технически сложно, поскольку теплота от теплоносителя, труб, отопительного прибора передается к дат­чику теплопроводностью, конвекцией и излучением. Вследствие этого терморегулятор воспринимает температуру помещения завышенной, а на его температурной шкале указывают не конкретные значения настройки температуры воздуха в помещении, а метки (см. рис. 1.4).

Влияние температуры воздуха помещения на терморегулятор с пе­редаточным звеном не должно превышать 1,5 °С между кривыми откры­вания а и а', полученными при одинаковом расходе теплоносителя, но в первом случае при разных температурах датчика и передаточного меха­низма, а во втором — при одинаковых.

Терморегулятор, как и любой теплотехнический элемент, инерцио­нен. Период, затрачиваемый на регулирование потока теплоносителя при изменении температуры воздуха в помещении, называют временем запаздывания (постоянной времени) терморегулятора. Его значение не должно превышать 40 мин. Оно представляет промежуток времени от начала изменения температуры воздуха в помещении до момента прохождения затвором клапана 63 % пути, соответствующего этому из­менению температуры. Время запаздывания характеризует способность терморегулятора реагировать на избытки тепловой энергии в помеще­нии. Чем меньше это время, тем на большую часть избыточной тепло­вой энергии от сторонних источников теплоты будет снижена теплопе­редача отопительного прибора (тем больший энергосберегающий эффект). Этот процесс в системах отопления называют утилизацией теплоизбытка.

Долговечность и температурную устойчивость (стабильность) терморегулятора характеризуют количеством циклов проверки меха­нической прочности, температурной долговечности, устойчивости к температурным нагрузкам.

Механическую прочность определяют поворотом регулятора в разных направлениях не меньше 5000 раз. Смещение температурной настройки регулятора и изменение номинального расхода теплоноси­теля не должны превышать после тестирования соответственно 2 °С и 20%.

Температурную долговечность проверяют изменением температуры вокруг регулятора с 15 °С на 25 °С не меньше 5000 раз. Смещение темпе­ратурной настройки регулятора не должно превышать после тестирова­ния соответственно 2 °С, а изменение номинального расхода — 20 %.

Стойкость к температурным нагрузкам проверяют в условиях бы­стро сменных температур с +50 °С на -20 °С, потом на +40 °С. Смеще­ние температурной настройки регулятора и изменение номинального расхода теплоносителя не должны превышать соответственно 1,5 °С и 20%.

Наличие вышеприведенных тестирований подтверждает высокую стабильность работы терморегуляторов на протяжении длительного срока эксплуатации с заданной точностью, без самовольного смещения температурной настройки и ухудшения рабочих характеристик. Из вы­шесказанного следует, что к терморегулятору предъявляют комплекс требований, реализация которых обеспечивает тепловой комфорт в по­мещении и экономию энергоресурсов. Большинство рабочих характе­ристик не используют в проектных расчетах, но именно они характери­зуют конструктивное совершенство терморегуляторов, позволяют

сравнить их при выборе проектных решений, оценить экономическую эффективность.

При технико-экономическом сравнении термостатических ре­гуляторов для систем обеспечения микроклимата проводят сопо­ставление их характеристик требованиям EN 215 ч.1, приведенным в табл. 4.2. Для примера в таблице указаны характеристики термо­регулятора RTD-N, которые во многом превосходят приведенные требования, что обеспечивает его надежную работу в течение десятилетий.

Большинство рабочих характеристик, приведенных в табл. 4.2, указаны в [°С], что позволяет оценить экономичность выбранного терморегулятора как по каждой характеристике, так и в целом. При этом ориентировочно принимают энергозатраты на один градус пе­регрева помещения системой отопления равными 5...6 % от расходу­емой теплоты за отопительный период. Для систем кондиционирова­ния один градус переохлаждения помещения увеличивает энерго­потребление ориентировочно на 16 %. Стоимостные показатели яв­ляются приблизительными и требуют уточнения для конкретного здания.

Терморегулятор по отношению к расчетному положению может не только закрываться, уменьшая поток теплоносителя, но и от­крываться, увеличивая поток теплоносителя через теплообмен­ный прибор.

4.2.3. Технические параметры

Производитель терморегуляторов при необходимости предоставля­ет такие характеристики:

• минимальное значение температурной настройки;

• максимальное допустимое статическое давление;

• максимальный допустимый перепад давлений;

• номинальный расход GN (номинальная пропускная способность Ау);

• для терморегуляторов с предварительной настройкой:

а) значения предварительной настройки и соответствующие им характеристические расходы (характеристические пропуск­ные способности Ау);

б) допустимые значения расходов для каждой предварительной настройки;

• максимально допустимую температуру теплоносителя, если она ниже 120 °С;

• диаграмму потерь давления ДР в зависимости от расхода G (рис, 4.14):

AP=f(G),

по меньшей мере для двух зон пропорциональности 1К и 2К при промежуточном положении температурной настройки регулято­ра. Для терморегуляторов с предварительной настройкой — для каждой настройки. Кроме того, предоставляется зависимость по­терь давления на терморегуляторе от расхода теплоносителя без учета потерь давления в регулирующем сечении (при максимально поднятом положении затвора клапана — max). Ее определяют из­мерением максимального расхода теплоносителя (для терморе­гуляторов без предварительной настройки соответственно пара­метра kvs; для терморегуляторов с предварительной настройкой — путем ограничения хода штока или ограничения при помощи дрос­селя соответственно параметра kvs, где /' — значение настройки);

• применение защитного колпачка;

• значение внутреннего авторитета ав регулирующего сечения при номинальном или характеристическом расходе для терморегуля­торов с предварительной настройкой.

4.2.4. Авторитеты терморегулятора

В нормативах и технической литературе по терморегуляторам используют три понятия авторитета [16; 21; 25]:

• а — авторитет (внешний авторитет);

• ав — внутренний авторитет;

• а* — общий авторитет.

Гидравлический смысл внешнего авторитета терморегулятора рас­смотрен в предыдущем разделе данной книги. Он заключается в дефор­мации идеальной расходной характеристики клапана, как правило, ло­гарифмической. Однако результат этой деформации не учитывают в ги­дравлических расчетах систем. Такой метод проектирования получил сегодня наибольшее распространение. По мнению автора, это является одной из причин необходимости дальнейшей предпусковой баланси­ровки систем, заключающейся в перенастройке терморегуляторов и ре­гулирующих клапанов для достижения номинальных расходов тепло­носителя и температуры воздуха в помещении.

Методики расчета, предлагаемые в данной книге, позволяют при­близить проектные и реальные параметры системы. Для этого внешний авторитет регулирующего клапана и терморегулятора рассматривается совместно с базовым авторитетом; их произведение равно полному внешнему авторитету (см. уравнение (3.14)). Базовые авторитеты в тех­нической информации не приводят. Однако их можно косвенно опреде­лить на основании законов гидравлики из имеющихся гидравлических параметров, характеризующих клапан. Хотя это несколько и усложняет проектирование систем, тем не менее, дает возможность рассматривать систему как единое целое, а не как совокупность гидравлических сопро­тивлений; позволяет учитывать влияние конструктивных отличий клапанов на гидравлические процессы.

Отличие терморегулятора от регулирующего клапана состоит в из­начальной производственной установке затвора в промежуточное поло­жение, характеризуемое внутренним авторитетом, что обеспечивает возможность регулирования температуры воздуха в помещении отно­сительно расчетного значения как в большую, так и в меньшую сторону. Регулирование теплопередачи теплообменного прибора осуществляет­ся количественно перекрытием и увеличением входящего потока тепло­носителя.

Внутренний авторитет также не используется в методиках гидрав­лического расчета систем. Такое упрощение допустимо лишь при кон­структивно одинаковых терморегуляторах. В действительности термо­регуляторы различных диаметров, типов и производителей имеют свойственные только им внутренние авторитеты, поэтому не может быть усредненного подхода, удовлетворяющего всё многообразие систем и обеспечивающего их эффективную работоспособность.

Соответствие расчетных и реальных гидравлических параметров, прогнозируемость поведения системы в эксплуатационных услови­ях — одни из основных задач при проектировании систем обеспечения микроклимата с переменным гидравлическим режимом. Для этого необходимо знать отклонение расхода теплоносителя относительно номинального значения не только в меньшую, но и в большую сторо­ну. Решение поставленной задачи получают обеспечением общего ав­торитета терморегулятора. Он указывает, насколько можно увели­чить поток теплоносителя в теплообменном приборе при полностью открытом терморегуляторе и какой при этом достигается тепловой комфорт. Кроме того, дает возможность определить происходящее при открывании терморегулятора увеличение скорости теплоносите­ля в элементах регулируемого участка и проанализировать ее влия­ние на бесшумность.

Авторитеты терморегулятора позволяют прогнозировать пове­дение системы во всех режимах эксплуатации и на качественно новом уровне проектировать системы обеспечения микроклима­та с максимальным использованием их потенциала.

4.2.4.1. Внешний авторитет терморегулятора

Внешний авторитет терморегулятора имеет такое же влияние на ги­дравлические характеристики, как и у регулирующего клапана. Под воз­действием внешнего авторитета происходит дальнейшая деформация
начальной (базовой) расходной характеристики терморегулятора. Ее на­чальное искривление вызвано конструктивной особенностью внутрен­него канала терморегулятора, по которому протекает теплоноситель.

Начальную деформацию расходной характеристики определяют ба­зовым авторитетом. В технической информации в явном виде его не указывают. Однако в неявном виде он соответствует пропускной спо­собности терморегулятора. Определение базового авторитета при изве­стном положении штока аналогично рассмотренным ранее методикам для регулирующих клапанов с соответствующей расходной характери­стикой, но, как правило, такая информация не всегда присутствует в техническом описании. Тогда можно воспользоваться другим подходом, гидравлическая суть которого аналогична. Данный способ основан на технической информации, предоставляемой производителем согласно нормативу [16] — расходных характеристиках терморегулятора для двух зон пропорциональности:Хр = 2К пХр = 1К.

Зона пропорциональности терморегулятора характеризуется при­мерно линейной зависимостью пропускной способности Ау от переме­щения штока h. Она является, в сравнении с регулирующим клапаном, своеобразной настройкой, т. к. определяет положение штока. Тогда ба­зовый авторитет терморегулятора можно определить на основании дан­ного параметра. Для этого необходимо разделить уравнение (3.23) на­стройки в виде расходных характеристик для зоны пропорциональнос­ти 2К на уравнение настройки в виде расходных характеристик для зо­ны пропорциональности 1К и приравнять к отношению 2К/1К. Для терморегулятора с логарифмической расходной характеристикой это уравнение выглядит следующим образом:

(4.1)

где индексы 1 и 2 приняты для параметров, характеризующих терморе­гулятор соответственно для зоны пропорциональности 1К и 2К. В уравнении вместо полного внешнего авторитета а+ принят базовый ав­торитет а6, т. к. при стендовых испытаниях терморегулятора внешний авторитет а —> 1.

Уравнение имеет два корня. В качестве решения принимают тот, который находится в области допустимых значений 0 < а6 ^ 1.

Такие уравнения получают и для других соотношений зон пропор­циональности при логарифмической расходной характеристике. При этом степень уравнения (4.2) будет равна отношению зон пропорцио­нальности в уравнении (4.1).

Для терморегуляторов с линейной расходной характеристикой уравнение для любых соотношений зон пропорциональности имеет обобщенный вид:

А

где индексы /' и j указывают на соответствие параметров, применяемой зоне пропорциональности, например, /' = 2К и j = 0,5К. При этом необ­ходимо, чтобы /' > j.

Пример 10. Терморегулятор RTD-G20 с логарифмической расход­ной характеристикой имеет максимальную пропускную способность krs = 4,70 (м3/ч)/бар0'5. Зависимость пропускной способности от зоны пропорциональности представлена в таблице.

Необходимо определить базовый авторитет терморегулятора.

Решение. Базовый авторитет терморегулятора рассчитывают по параметрам, соответствующим зоне пропорциональности 1К и 2К. Принимают с = 3. Тогда

или после упрощения

690+^-2013—-402 = 0. а* ак

Корни квадратного уравнения

2x690

аб = --------- <---------------------------- = -5,33

2013 - л/20132 +4x690x402 2x690

= 0,32.

6 2013 + л/20132 + 4 X 690 X 402

В области допустимых значений 0 < а6 ^ 1 находится единственное решение а6 = 0,32.

Значение базового авторитета определяет начальную деформацию идеальной расходной характеристики. Дальнейшая деформация проис­ходит под влиянием внешнего авторитета. Чем меньше единицы внеш­ний авторитет, тем значительнее искривляется расходная характерис­тика терморегулятора. Это утверждение рассмотрено в примере 11.

Пример 11. На каждом из трех регулируемых участков установлено по одному терморегулятору RTD-G20 с логарифмической расходной ха­рактеристикой. У терморегуляторов одинаковые параметры: номи­нальная пропускная Ау =1,9 (м3/ч)/бар°’5 при зоне пропорциональности Хр = 2К; максимальная пропускная способность kvs = 4,7 (м3/ч)/бар°’5; базовый авторитет, определенный по примеру 10, а6 = 0,32; потери давле­ния на терморегуляторе АРТ = 0,1 бар; номинальный расход теплоноси­теля 1Д = 0,6 м3/ч. Располагаемое давление на первом регулируемом участке АР = 0,1 бар, втором — АР = 0,2 бар и третьем — АР = 0,3 бар. Соответственно потери давления АР = 0, АР =0,1 бар, АР =0,2 бар.

Необходимо определить рабочие расходные характеристики термо­регуляторов и сопоставить расходы теплоносителя в терморегуляторах при их полном открывании.

Решение, По формуле (3.17) рассчитывают минимальные потери давления на клапанах при номинальном расходе теплоносителя

ДР.=Ц- = = 0,0163 бар.

1 £ 4,7

Внешние авторитеты терморегуляторов по перепадам давления при номинальном расходе теплоносителя

а = АРХ/(АРХ + АР') = 0,0163/(0,0163+01 = 1,00; а = 0,0163/(0,0163+0,11 = 0,14 и а = 0,0163/(0,0163+0,21 = 0,08.

Рабочие расходные характеристики терморегуляторов определяют полными внешними авторитетами

а+=аба =0,32x1,00 = 0,32; а+= 0,32x0,14 = 0,045; сГ = 0,32x0,08 = 0,026.

Расход теплоносителя при максимально открытых терморегулято­рах рассчитывают по формуле (3.18):

k^yfAPa = 4,7^0,1x1,00 = 1,486 м3!ч;

V = 4,7^0,2x0,14 = 0,786 м 3Л/ и V = 4,7^0,3x0,08 = 0,728 м 31ч.

В данном примере расчет авторитетов сделан лишь для отслежива­ния взаимосвязи между ними и расходами теплоносителя в терморегуля­торах. Как видно из результатов, при уменьшении полного внешнего ав­торитета уменьшается расход теплоносителя через открытый терморегу­лятор. В пределах перепада давления на регулируемом участке от 10 до 30 кПа отклонение расходов составляет 1,486/0,728 = 2,04 раза.

При проектировании систем необходимо обеспечить номиналь­ный расход теплоносителя у потребителя. В терморегуляторе без конструктивно предусмотренной предварительной настройки его достигают варьированием внешнего авторитета. Изменение внешне­го авторитета осуществляют либо заменой диаметра труб, либо изме­нением располагаемого давления на регулируемом участке, либо применением элементов регулируемого участка с другими характе­ристиками гидравлического сопротивления. Создание условий обес­печения номинального расхода на терморегуляторе рассмотрено в примере 12.

Пример 12. Проектируют систему обеспечения микроклимата с терморегуляторами без предварительной настройки. Номинальный рас­ход теплоносителя у потребителя 1Д = 0,5 м3/ч. Диаметр трубопрово­дов обвязки теплообменного прибора 15 мм.

Необходимо определить располагаемое давление на регулируемом участке для обеспечения номинального расхода у потребителя.

Решение. Выбирают терморегулятор по диаметру трубопроводов обвязки — RTD-G15. Расходная характеристика терморегулятора — логарифмическая. Гидравлические характеристики терморегулятора, предоставляемые производителем: максимальная пропускная способность
kvs = 2,7 (м3/ч)/бар°'5; зависимость пропускной способности от зоны про­порциональности приведена в таблице.

По уравнению (4.2) определяют базовый авторитет терморегуля­тора для зоны пропорциональности 2К. Решением является а6 = 0,18.

По числителю уравнения (4.1) находят относительное расположе­ние штока. Решение: h/hw0 = 0,55.

Из уравнения искажения идеальной расходной равнопроцентной характеристики клапана (3.25) определяют потери давления на термо­регуляторе:

Щ j (l - 0,18 + 0,18е2х3(1“°'55) ) = 0,12 бар.

Аналогичный результат, но без возможности определения рабочей расходной характеристики терморегулятора, получают из уравнения в табл. 3.1:

Потери давления на терморегуляторе следует принимать такими, чтобы получаемое расчетом располагаемое давление регулируемого участка удовлетворяло условию бесшумности терморегулятора.

Проектируя систему обеспечения микроклимата исходя из приме­ра 12, обеспечивают условия бесшумности терморегуляторов лишь при их закрывании. Для бесшумности трубопроводов и других элементов регулируемого участка, а также создания условий теплового комфорта в помещении необходимо знать возможное увеличение расхода и соот­ветственно скорости теплоносителя при открывании терморегулято­ров. Ответ на это дает гидравлический смысл внутреннего авторитета терморегулятора.

Внешний авторитет определяет искажение рабочей расходной ха­рактеристики терморегулятора под воздействием сопротивления элементов регулируемого участка.

Уменьшение внешнего авторитета ограничивает возможность уве­личения расхода теплоносителя при открывании терморегулятора.