Гидравлика систем отопления и охлаждения

Влияние настройки дросселя на авторитеты терморегулятора

Терморегуляторы для систем обеспечения микроклимата произво­дят с предварительной настройкой и без неё. Предварительная настрой­ка предназначена для гидравлического уравновешивания циркуляци­онных колец в двухтрубных системах. Ее осуществляют, в основном, тремя способами: дросселирующей криволинейной щелью, дросселиру­ющими отверстиями и изменением расположения затвора клапана. В терморегуляторах Данфосс применяют первый способ, показанный на рис, 4.18.

Дроссель 3 с криволинейной щелью 5 имеет возможность фиксиро­ванного вращения вокруг своей оси, при этом регулируется площадь со­вмещения криволинейной щели 5 с площадью выходного отверстия 4. Чем больше открывается проход для теплоносителя, тем меньше созда­ваемое гидравлическое сопротивление и наоборот.

Кроме криволинейной щели в дросселе выполнено прямоугольное отверстие 7, площадь которого не менее площади выходного отвер­стия 4. При совмещении этих отверстий дроссель максимально открыт и не вносит дополнительного гидравлического сопротивления.

Применение такой конструкции дросселя имеет эксплуатационные преимущества. Его настройка осуществляется без каких-либо допол­нительных инструментов. Упрощается прочистка как щели, так и тер­морегулятора в целом, от присутствующих в теплоносителе твердых

Ж—Ж

Рис. 4.1 8. Схема дросселя с криво- Рис. 4.19. Установка настрой-

линейной щелью:

1 - шток; 2 - затвор клапа­на; 3 - лроссель; 4 - вы­ходное отверстие; 5 - кри­волинейная шель; 6 - вход­ное (регулируюшее) отвер­стие; 7 - прямоугольное отверстие дросселя ки терморегулятора: 7 - шток; 2 - ии- линлр настройки; 3 - шкала настрой­ки; 4 - точка

загрязняющих частичек. При повороте дросселя вокруг оси и установке в прежнее положение происходит промывка терморегулятора под напо­ром теплоносителя [26].

Каждое положение дросселя при повороте имеет фиксацию. Для этого вдоль оси штока 1 оттягивают вверх подпружиненный цилиндр настройки 2 и поворачивают до совпадения необходимого цифрового обозначения на шкале 3 и точки 4. На рис. 4.19 показана настройка дросселя в максимально открытое положение — позицию N. Частично­му открыванию соответствуют цифровые обозначения. У RTD-N, RA-C, RA-N и FHV-A это целые цифры от 1 до 7. Кроме того, существу­ет возможность дополнительной установки дросселя в промежуточное положение между цифровыми обозначениями. Таким образом, с учетом позиции N имеется 14 фиксированных положений настройки. Это дает возможность с высокой точностью уравновешивать гидравлическое сопротивление регулируемых участков.

Каждая /'-тая настройка дросселя тарирована по гидравлическому сопротивлению. Ей соответствует пропускная способность терморегу­лятора Ау, (м3/ч)/бар0’5. При этом большему значению настройки соот­ветствует меньшее сопротивление. Подбор настройки осуществляют по перепаду давления, необходимому для изменения гидравлической характеристики регулируемого участка, что показано на рис. 4.20.

Рассматриваемый на рис. 4.20 регулируемый участок расположен между точками отбора импульсов давления регулятором перепада дав­ления по схеме на рис. 3.3,г. Регулятором поддерживается располагае­мое давление на уровне А Р. Уравновешивание гидравлического сопро­тивления регулируемого участка осуществляют терморегулятором с дросселем по номинальному расходу Потери давления на терморе­гуляторе АРТ представлены тремя составляющими: потерями АР0, характеризующими конструктивную особенность канала протекания теплоносителя внутри полностью открытого терморегулятора; потеря­ми APh, возникающими вследствие изначального расположения штока терморегулятора; потерями АР№ создаваемыми дросселем. Эти состав­ляющие определяют по уравнениям:

Г г г' г'

Л^;ЛР;, = #-ЛР„иДР„=#-#. (4.8)

vs vN vi vN

Уменьшение настройки дросселя приводит к увеличению АР„ и подъему кривой 3 относительно рабочей точки (обозначенной жирной

АР

точкой). Новая рабочая точка будет на пересечении кривой 3 и пря­мой 2. Увеличение настройки дросселя вызывает опускание кривой 3 и рабочей точки вдоль кривой 1. Совпадение кривой 3 с кривой 4 проис­ходит при установке настройки дросселя в максимально открытое поло­жение (соответствующее позиции N). Дальнейшее снижение гидравли­ческой характеристики до кривой 5 осуществляется лишь при подъеме штока терморегулятора от изначального положения и сопровождается уменьшением APh. Кривая 5 характеризует сумму потерь давления АР на всех конструктивных элементах регулируемого участка и часть потерь давления на терморегуляторе, равную АР0.

Внешний авторитет терморегулятора с дросселем определяют отно­шением ДІД к АР. В существующей практике проектирования определе­ние этого авторитета заимствовано от регулирующего клапана и термо­регулятора без дросселя. При таком подходе сопротивление дросселя является составной частью ДІД и не отражает дальнейшую деформацию расходной характеристики и изменение потокораспределения, т. е. не в полной мере отвечает гидравлическому смыслу соответственно внеш­него и внутреннего авторитетов. В действительности дроссель весьма существенно воздействует на эти параметры.

Влияние настройки дросселя от 1 до N на пропускную способность терморегулятора показано на рис. 4.21. По оси абсцисс отложена зона пропорциональности А' = 6К, которая соответствует полному ходу што­ка терморегулятора hl00 = 1,5 мм. По оси ординат — пропускная способ­ность Ау. Причем наибольшее ее значение равно максимальной пропуск­ной способности krs для соответствующей настройки. При больших

значениях настройки дросселя пропускная способность изменяется от хода штока. С уменьшением настройки появляются линейные (почти горизонтальные) участки кривой регулирования. На этих участках дви­жение штока терморегулятора не приводит к изменению пропускной способности. Происходит так называемое ограничение потока. Напри­мер, у терморегулятора с изначальной установкой затвора клапана в поло­жение, соответствующее зоне пропорциональности 2К (обозначенной пунктирной линией) и настройкой 1, перемещение штока вправо (от­крывание терморегулятора) по оси абсцисс не влияет на пропускную способность. При перемещении штока влево (закрывание терморегуля­тора) начинается существенное изменение пропускной способности (искривление расходной характеристики) в последней четверти хода штока, которая соответствует зоне пропорциональности 0,5К. Это озна­чает, что данный клапан большую часть своего пути (3/4 хода штока от номинального положения в позиции 2К) не будет влиять на теплопере­дачу теплообменного прибора. Наилучшее применение малых настроек (от 1 до 3) достигается у терморегуляторов с зоной пропорциональнос­ти 1К. Тогда регулирование теплообменного прибора будет адекватно движению штока терморегулятора.

Ограничение потока теплоносителя при помощи дросселя положи­тельно влияет на гидравлическую стабильность системы, предотвращая нежелательные перетоки теплоносителя между потребителями тепло­ты. Весьма значительно это для систем с большим количеством потре­бителей. Однако такой подход является не лучшим проектным решени­ем, поскольку снижает возможность обеспечения авторитета теплоты помещения (см. п. р. 6.3) за счет увеличения расхода теплоносителя при открывании терморегулятора. Устранить нежелательные перетоки теп­лоносителя между потребителями и дать возможность терморегулято­ру управлять потоком не только перекрыванием, но и закрыванием можно только при помощи автоматических регуляторов перепада давления, регуляторов расхода, стабилизаторов расхода. Причем, чем ближе расположены эти устройства к терморегуляторам, тем лучший достигается результат.

Снижение общего авторитета терморегулятора происходит при умень­шении настройки дросселя. Чем выше сопротивление дросселя (меньше значение настройки), тем круче расходная характеристика терморегулято­ра. Сопротивление дросселя производит эффект, подобный внешнему ав­торитету, но только внутри терморегулятора. Создаваемое им сопротивле­ние можно заменить соответствующим участком трубопровода (приме­няется метод гидравлического расчета по эквивалентным длинам) или каким-либо другим сопротивлением, например, дроссельной шайбой.

Отбирая на себя часть потерь давления в терморегуляторе, дроссель уменьшает тем самым базовый авторитет, что способствует дальнейшей де­формации расходной характеристики. Изменение базового авторитета тер­морегулятора при /'-той настройке дросселя а6 определяют по формуле:

^ «.»>

где Ау и Ау — пропускные способности терморегулятора соответственно при г-той настройке дросселя и при его настройке в положение N.

Дроссель, создавая дополнительное сопротивление внутри терморе­гулятора, влияет и на внутренний авторитет терморегулятора, что при­водит к изменению распределения потока теплоносителя. Результирую­щее распределение потока можно рассматривать аналогично действию общего авторитета, только внутри терморегулятора. Поэтому потокорас­пределение терморегулятора с дросселем изначально устанавливается уравнением (4.7) при подстановке базовых авторитетов соответствую­щей настройки. Окончательное потокораспределение регулируемого участка будет определяться уравнением (4.6).

Влияние дросселя на искривление расходной характеристики и по­токораспределение нагляднее всего показано на рис. 4.22, являющемся аналогом предыдущего рисунка, только представленного в относительных

параметрах. На данном рисунке изображена также идеальная логариф­мическая характеристика терморегулятора (а+ =1). Уменьшение на­стройки дросселя отдаляет управление регулируемым участком от иде­ального закона регулирования и способствует работе терморегулятора только на закрывание. Так, при выборе терморегулятора с зоной про­порциональности 2К (соответствует h/hw0 = 0,33) терморегулятор изна­чально при установке дросселя в положение N распределяет максималь­но возможный поток в пропорции — 62 % на закрывание и 38 % на от­крывание. При установке дросселя в положение 1 — 97 % на закрывание и 3 % на открывание. Чем меньше значение настройки дросселя, тем меньше возможность увеличения теплового потока от теплообменного прибора. Эта закономерность увеличивается с уменьшением внешнего авторитета терморегулятора при его размещении на регулируемом участке.

Таким образом, потокораспределение двухтрубного регулируемого участка зависит от изначального базового авторитета терморегулятора, деформируемого дросселем терморегулятора и окончательно устанав­ливаемого внешним авторитетом терморегулятора. Суммарное дей­ствие указанных факторов на деформацию расходной характеристики обобщено понятием полного внешнего авторитета терморегулятора. Чем меньше его значение, тем искаженнее расходная характеристика. Так, по рис. 4.22 для настойки N полный внешний авторитет а+= 0,03, а для настройки 1 — а+= 0,002. При этом внешний авторитет а = 1.

При проектировании двухтрубных систем обеспечения микроклимата потери давления в дросселе определяют по разнице между располагаемым давлением и суммой потерь давления в элементах регулируемого участка, кроме терморегулятора. Настройку дросселя подбирают исходя из этой разницы и по номинальному расходу теплоносителя, т. е. по пропускной способности терморегулятора, которая отражает его базовый авторитет при данной настройке. При этом не учитывают деформацию расходной характеристики под влиянием внешнего авторитета. Для выяснения этого необходимо определить базовую деформацию расходной характе­ристики, что рассмотрено в примере 14.

Пример 14. Терморегулятор RTD-N20UK изготовлен с дросселем. Регулирование терморегулятором осуществляется по логарифмичес­кому закону. Максимальная пропускная способность при настройке 'N" — kvs = 1,00 (м3/ч)/бар°'5. Максимальный ход штока терморегулято­ра соответствует зоне пропорциональности 6К. Пропускная способ­ность терморегулятора от настройки дросселя в зоне пропорционально­сти 2К приведена в таблице.

Необходимо определить базовый авторитет терморегулятора и его изменение от настройки дросселя.

Решение. Базовый авторитет терморегулятора рассчитывают из уравнения (3.23) (см. пример 5) настройки для логарифмического зако­на регулирования. По условию испытания клапана следует принимать <г=1. Начальное расположение штока h/hwo = 2 К/О К = 0,33. Тогда

а _ '-(KsJKJ2 _ 1-(1,00/0,67)2

6 1 _ eMl-hlhvx) 1 _ g2x3(l-0,33)

Изменение базового авторитета при настройке "7"

к? 0 612

аб =аб - у - = 0,023 ——j = 0,019. б‘ 6n к] 0,67

VN

Аналогично определяют базовые авторитеты при других настрой­ках. Результаты расчетов сведены в таблицу.

Из рассмотренного примера следует, что базовый авторитет, который отображает расходные характеристики терморегулятора, предоставляе­мые производителем в техническом описании, изменяется во всем диапа­зоне настроек примерно в 10 раз. По этим расходным характеристикам сегодня подбирают терморегуляторы при проектировании. Дальнейшее отклонение этих характеристик осуществляется под влиянием внешнего авторитета. Значимость и тенденция этого отклонения от проектных условий рассмотрена в примере 15.

Пример 15. Терморегулятор RTD-N20 UK имеет характеристики, приведенные в примере 14.

Необходимо определить отклонение от проектных расходов тепло­носителя и изменение потокораспределения для каждой настройки терморегулятора под действием внешнего авторитета.

Решение, За исходную точку сравнения принимают потери давления на терморегуляторе АР1 =0,1 бар для трех вариантов располагаемого

Из данного примера можно сделать следующие выводы:

• ощутимая возможность дополнительного увеличения потока теплоносителя сверх номинального появляется при настройке терморегулятора в положение 4 и выше. Максимальное увеличе­ние потока достигается при настройке дросселя в положение N при внешнем авторитете а = 1 и составляет относительно номи­нального расхода 100х(67 - 33)/67 = 50 %;

• при внешнем авторитете а = 0,3 во всем диапазоне настроек дрос­селя терморегулятор не способен существенно увеличить поток теплоносителя при открывании (относительно номинального по­ложения штока);

• чем выше внешний авторитет, тем больший поток пропускает терморегулятор при открывании (относительно номинального положения штока).

Уменьшение настройки дросселя наподобие действий с регулирую­щим клапаном для достижения номинального расхода является оши­бочным. Суть заключается в том, что в регулировочном клапане регули­рование осуществляется по расходной характеристике при постоянном значении полного внешнего авторитета, в то время как в терморегуля­торе при переходе на другую настройку дросселя изменяется кривая регулирования и сопротивление регулируемого участка. Это влечет за
собой необходимость пересмотра настроек на всех терморегуляторах. Поэтому регулирование циркуляционных колец только дросселями терморегуляторов может быть осуществлено лишь при небольшом ко­личестве потребителей теплоты (в пределах одной квартиры; в системе небольшого коттеджа и т. п.). В больших системах необходимо объеди­нять потребителей теплоты в небольшие (чем меньше, тем лучше) груп­пы и устанавливать дополнительные регулирующие клапаны для окон­чательной балансировки системы.

Дополнительные клапаны для регулирования групп потребителей теплоты могут быть либо ручного, либо автоматического управления. Преимущества тех или иных клапанов видны при рассмотрении примера 15.

Для того чтобы реализовать конструктивно заложенные положи­тельные свойства терморегулятора, желательно потерять на нем не ме­нее 50 % располагаемого давления регулируемого участка. Это означа­ет, что на остальных элементах участка, в том числе и регулирующем клапане, должно быть потеряно не более 50 % располагаемого давле­ния. Следовательно, сопротивление регулирующего клапана должно быть как можно меньше и при этом не должны теряться его регулиру­ющие свойства. Таковым является регулирующий клапан MSV-C с ко­сым расположением шпинделя и логарифмической расходной характе­ристикой. Однако, каков бы ни был регулирующий клапан или дрос­сель терморегулятора, они отбирают часть располагаемого давления регулируемого участка. При этом уменьшается авторитет терморегуля­тора и снижаются его положительные регулирующие свойства.

Высокое качество регулирования — наименьшее отклонение от но­минального расхода и контролируемое потокораспределение. Оно до­стигается при а -» 1. Осуществить такое регулирование возможно лишь при условии, что регулируемым участком является сам терморегуля­тор. Для этого необходимо обеспечить на нем постоянный перепад дав­ления, что реализуется при использовании стабилизаторов расхода по схеме на рис. 3.4,а в системе обеспечения микроклимата с постоянным гидравлическим режимом и автоматических регуляторов перепада давления по схеме на рис. 3.4,6 в системе обеспечения микроклимата с переменным гидравлическим режимом.

Для терморегуляторов с зоной пропорциональности 2 К рекоменду­ется использовать настройки дросселя от 4 и выше.

Увязывание циркуляционных колец дросселями терморегуляторов следует осуществлять в пределах стояка или приборной ветки.

Увязывание циркуляционных колец между небольшими стояками или приборными ветками при обеспечении общих авторитетов терморегуляторов, равных 0,5...1,0, допускается осуществлять регулирующими клапанами с малым гидравлическим сопротивлени­ем и логарифмической расходной характеристикой.

Рекомендуется на стояках и приборных ветках стабилизировать перепад давления автоматическими регуляторами.