Гидравлический режим системы водяного отопления

Приведены результаты исследования влияния запорно-регулирующей арматуры на гидравлику системы отопления в целом и на отдельных участках с учетом конструктивных особенностей. Оценено влияние балансировочных клапанов и терморегуляторов в совокупности с циркуляционным насосом на распределение теплоносителя в системе отопления.

В настоящее время в современных проектах систем отопления гражданских зданий имеется значительное количество различного вида арматуры и оборудования. В отечественной практике стали чаще использоваться балансировочные клапаны, терморегуляторы, узлы регулирования, регуляторы перепада давлений и расхода различных конструкций. Но одним из самых основных элементов, предназначенных для регулирования системы и для достижения максимально комфортных условий для людей в помещении, является терморегулятор.

Важно заметить, что он позволяет не только обеспечить необходимое количество теплоты, отдаваемое отопительным прибором, но и воздействовать на гидравлику системы, автоматически регулируя ее. Современной проблемой создания новых проектов является разрешение спора о том, какую регулирующую арматуру необходимо устанавливать в системах отопления, в каком количестве и на каких участках.

Конечной целью расчета системы отопления и подбора ее оборудования является обеспечение необходимого значения теплового потока от отопительного прибора, для компенсации теплопотерь здания в целом и достижения комфортных условий для пребывания людей в здании на протяжении всего отопительного периода. Существуют два радикально разных способа обеспечения этих условий: отечественный и западный.

Первый метод заключается в максимально возможном увязывании колец системы диаметрами участков и установки наименьшего количества регулирующей арматуры. Второй метод пришел в отечественную практику вместе с новыми видами арматуры из Западной Европы. Мы видим, что при различном разрегулировочном воздействии на систему отопления происходит изменение характеристики сопротивления системы. Однако клапаны вполне могут «отрегулировать» системы так, чтобы в каждый прибор поступало необходимое количество теплоносителя.

Такое регулирование имеет определенные рамки, связанные с перепадом давлений на клапане и фиксированным диапазоном его пропускной способности. Вот если бы каждый стояк состоял не из трех, а из десяти приборов, и мы отключили бы первый стояк, то возможно, что пропускная способность клапанов второго стояка должна была упасть до минимальных значений, при этом резко повысился бы перепад давления на них. Но этот факт необходимо доказать расчетом для конкретной системы.

А если таких стояков было бы не три, а двадцать, то отключение одного стояка слабо бы воздействовало на гидравлику всей системы отопления. Этот фактор также обусловлен характеристикой насоса. Рассмотрим второй случай. На подающем теплопроводе установлен балансировочный клапан. В таком случае общая характеристика сопротивления, а вместе с ней и потери давления в системе значительно увеличиться из-за того, что балансировочный клапан имеет значительные потери давления в своей конструкции.

Следовательно, насос на такой системе будет более мощный. В расчетных условиях (все приборы работают) пропускные способности клапанов у приборов будут в диапазоне от 0,23 до 0,43 (м3/ч)/бар0,5, а перепады давлений от 1097 до 2574 Па. Пропускная способность балансировочного клапана будет иметь значение 0,95 (м3/ч)/бар0,5, а перепад давления составит 12 262 Па. Проведем те же операции по разрегулировке системы, что и в первом случае.

При отключении стояка или одного отопительного прибора мы можем отрегулировать систему. Однако одного балансировочного вентиля будет недостаточно, так как он не будет влиять на коэффициенты затекания воды в стояки и приборы, а будет изменять только общую характеристику сопротивления всей системы. Важно отметить, что при отключении первого прибора пропускные способности клапанов у приборов будут в диапазоне от 0,21 до 0,49 (м3/ч)/ бар0,5, а при отключении стояка в диапазоне от 0,2 до 0,39 (м3/ч)/бар0,5.

Эти цифры показывают, что отклонение расчетных значений пропускных способностей клапанов меньше относительно первого случая (без применения балансировочного клапана). Наконец, рассмотрим третий случай. На каждом стояке стоит пара балансировочных клапанов (регулирующий и дублер) соединенных между собой импульсной трубкой, с помощью которой поддерживаться постоянный перепад давления на стояке.

Принцип работы заключается в том, что данная пара клапанов поддерживает постоянный расход на стояке при постоянном перепаде давления. Грубо говоря, регулирующий клапан изменяет свою пропускную способность в зависимости от считываемого значения перепада давления на стояке, тем самым поддерживая постоянный расход. Однако, если учитывать, что характеристика насоса не является линейной (для стандартных насосов), то при одном и том же перепаде давления на стояке расход может быть абсолютно различным.

Исследуем эту схему аналогично предыдущим. Вторая система хороша тем, что часть регулирующего воздействия на себя берет балансировочный клапан, а точность регулировки составляет от 7 до 9 %. Сложность регулировки заключается в том, что балансировочный клапан будет обслуживать специалист, хорошо знакомый с гидравликой данной системы, который будет знать, насколько надо увеличить сопротивление на клапане в случае отключения элементов системы отопления.

Третья система очень хороша в плане автоматической регулировки. Почти всю регулирующую способность на себя берут балансировочные клапаны, и точность регулировки достигла в наших исследованиях 1–5 %. Однако стоимость такой системы будет значительна и будут велики затраты на сервисное обслуживание клапанов.

Выводы

Выбор количества и типа арматуры зависит во многом от назначения здания и вида его эксплуатации. Например, если это жилое или административное здание, в котором не предусматривается полное длительное отключение целых стояков или ветвей (только в аварийных случаях), то вполне можно применить классический отечественный метод увязки колец диаметрами труб. Следуя требованиям энергоэффективности, желательно у каждого прибора установить термоклапаны (с термостатической головкой, датчиком или дешевым ручным регулятором).

Это обеспечит и автоматическую регулировку системы при необходимости, и поддержание комфортных условий в каждом помещении. Если провести качественный гидравлический расчет системы, то можно обойтись и без регуляторов. Нужно просто установить клапаны с определенной пропускной способностью и зафиксировать ее. Тогда комфорт будет достигнуть тогда, когда вся система отопления полностью эксплуатируется.

Если проектируется система отопления в здании, например гостиницы, где регулирование теплоотдачи прибора является одной из важных составляющих достижения комфорта, или фитнес-центры, где не все помещения находятся в постоянной эксплуатации, то очень важно учесть разрегулировочное воздействии системы. Могут отключаться не только отдельные приборы в отдельных помещениях, но и целые стояки, ветви, корпуса. Здесь можно предложить два способа регулирования.

Первый способ если этажность и протяженность здания довольно велика, здание имеет много крыльев корпусов, а регулирования невозможно достичь только за счет клапанов у приборов, то можно установить достаточное количество регулирующей арматуры и автоматики на всей системе отопления. При любом разрегулировочном воздействии на систему будет восстановлен необходимый расход на каждом приборе.

Первый способ имеет ряд положительных качеств, таких как упрощенный гидравлический расчет, точное регулирование системы при различных воздействиях, пониженный расход металла и возможность организовать один мощный тепловой пункт в большом здании, а систему отопления протяженной. Минусы первого способа будут существенными: завышенный расход электроэнергии, необходимость обслуживания системы, меньшая надежность всех элементов, капитальные затраты на саму регулирующую арматуру.

Второй способ предлагает разбить систему отопления на несколько систем, провести качественный гидравлический расчет и обеспечить регулирование только за счет клапанов у приборов. Таким образов при необходимости можно отключить целую систему отопления, что никаким образом не повлияет на остальные системы.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения является разработка эффективного гидравлического режима, обеспечивающего надежную работу тепловых сетей.

Под надежной работой подразумевается:

1) обеспечение требуемых напоров перед абонентами ( );

2) исключение вскипания теплоносителя в подающей магистрали;

3) исключение опорожнения систем отопления в зданиях, а значит последующего завоздушивания при повторном пуске;

4) исключение опасных превышений давления у потребителей, вызывающих возможность порыва труб и отопительной арматуры.

Под гидравлическим режимом тепловой сети понимают взаимную связь между давлениями (напорами) и расходами теплоносителя в различных точках сети в данный момент времени.

Гидравлический режим тепловой сети изучают с помощью построения графика давлений (пьезометрического графика).

График строится после проведения гидравлического расчета трубопроводов. Он позволяет наглядно ориентироваться в гидравлическом режиме работы тепловых сетей при различном режиме их работы, с учетом влияния рельефа местности, высоты зданий, потерь давления в тепловых сетях. По этому графику можно легко определить давление и располагаемый напор в любой точке сети и абонентской системе, подобрать соответствующее насосное оборудование насосных станций и схему автоматического регулирования гидравлического режима работы ИТП.

Рассмотрим пьезометрический график для тепловой сети, располо­женной на местности со спокойным рельефом (рис. 7.1). Плоскость с нулевой отметкой совмещена с отметкой расположения теплоподготовительной установки. Профиль основной магистрали 1—2—3—III совме­щен с вертикальной плоскостью, в которой вычерчен пьезометрический график. В точке 2 к магистрали присоединено ответвление 2—I. Это от­ветвление имеет свой профиль в плоскости, перпендикулярной основной магистрали. Для возможности изображения профиля ответвления 2—I на пьезометрическом графике повернем его на 90° против часовой стрел­ки вокруг точки 2 и совместим c плоскостью профиля основной маги­страли. После совмещения плоскостей профиль ответвления займет на графике положение, отображаемое линией 2— . Аналогично строим профиль и для ответвления 3— .

Рассмотрим работу двухтрубной системы теплоснабжения, принци­пиальная схема которой показана на рис. 7.1,в. Из теплоподготовительной установки Т высокотемпературная вода с поступает в по­дающий теплопровод в точке П1 с полным напором в подающем коллек­торе источника теплоснабжения ( здесь — на­чальный полный напор после сетевых насосов (точка K); — потери напора сетевой воды в теплоподготовительной установке). Так как гео­дезическая отметка установки сетевых насосов , полные напоры в начале сети равны пьезометрическим напорам и соответствуют избыточ­ным давлениям в коллекторах источника теплоснабжения. Горячая вода по подающей магистрали 1—2—3—III и ответвлениям 2—I и 3—II по­ступает в местные системы потребителей тепла I, II, III. Полные напоры в подающей магистрали и ответвлениях изображены графиками напоров П1—ПIII, П2—ПI, П3—ПII. Охлажденная вода по обратным трубопро­водам направляется к источнику теплоснабжения. Графики полных дав­лений в обратных теплопроводах изображены линиями OIII—О1, OII— О3, ОI—О1.

Разность напоров в подающей и обратной линиях для любой точ­ки сети называется располагаемым напором. Так как подающий и обрат­ный трубопроводы в любой точке имеют одну и ту же геодезическую от­метку, располагаемый напор равен разности полных или пьезометриче­ских напоров:

(7.1)

У абонентов располагаемые напоры равны: ;

; . Полный напор в конце обратной линии перед сетевым насосом на обратном коллекторе источника тепло­снабжения равен . Следовательно, располагаемый

напор в коллек­торах теплоподготовительной установки

. (7.2)

Сетевой насос повышает давление воды, поступающей из обратной линии, и направляет ее в теплоподготовительную установку, где она на­гревается до . Насос развивает напор .

Рис. 7.1. Пьезометрический график (а), однолинейная схема трубопроводов (б) и схе­ма двухтрубной тепловой сети (в)

I—III — абоненты; 1, 2, 3 — узлы; П — подающая линия; О — обратная линия; Н — напоры; Т —теплоподготовительная установка; СИ — сетевой насос; РД — регулятор давления; Д — точка от­бора импульса для РД; ПН — подпиточный насос; Б — бак подпиточной воды; ДК — дренажныйклапан.

Потери напора в подающей и обратной линиях равны разности пол­ных напоров в начале и конце трубопровода. Для подающей магистрали они равны , а для обратной .

Описанный гидродинамический режим наблюдается при работе се­тевого насоса. Положение пьезометрической линии обратного трубопро­вода в точке О1 поддерживается постоянным в результате работы подпиточного насоса ПН и регулятора давления РД. Напор, развиваемый подпиточным насосом при гидродинамическом режиме, дросселируется клапаном РД таким образом, чтобы в точке отбора импульса давления Д из байпасной линии сетевого насоса поддерживался напор , рав­ный полному напору, развиваемому подпиточным насосом.

На рис. 7.2 показаны график напоров в линии подпитки и в байпас­ной линии, а также принципиальная схема подпиточного устройства.

Рис. 7.2. График напоров в линии подпитки 1—2 и в байпасной линии сетевого насоса 2—3 (а) и схема подпиточного устройства (б):

Н — пьезометрические напоры; — поте­ри напора в дроссельных органах регуля­тора давления РД и в задвижках А и В; СН, ПН — сетевой и подпиточный насосы; ДК — дренажный клапан; Б — бак подпиточной воды

Перед подпиточным насосом полный напор условно принимаем равным нулю. Подпиточный насос ПН развивает напор . Этот напор будет в трубопроводе до регулятора давления РД. Потерями напора на трение на участках 1—2 и 2—3 пренебрегаем ввиду их малости. В байпасной линии теплоноситель движется от точки 3 к точке 2. В задвижках А и В срабатывается весь напор, развиваемый сетевым насосом. Степень за­крытия этих задвижек регулируют таким образом, чтобы в задвижке А был сработан напор и полный напор после нее был равен .

В задвижке В срабатывается напор , причем (здесь — напор после РД). Регулятор давления под­держивает постоянное давление в точке Д между задвижками А и В. При этом в точке 2 будет поддерживаться напор , а на клапане РД будет срабатываться напор .

При увеличении утечки теплоносителя из сети давление в точке Д начинает снижаться, клапан РД приоткрывается, увеличивается подпит­ка тепловой сети и давление восстанавливается. При сокращении утечки давление в точке Д начинает повышаться и клапан РД прикрывается. Если при закрытом клапане РД давление будет продолжать расти, на­пример в результате прироста объема воды при повышении ее темпера­туры, в работу включится дренажный клапан ДК, поддерживающий по­стоянное давление «до себя» в точке Д, и сбросит избыток воды в дре­наж. Так работает подпиточное устройство при гидродинамическом ре­жиме. При остановке сетевых насосов прекращается циркуляция тепло­носителя в сети и во всей системе напор падает вплоть до . Регуля­тор давления РД открывается, а подпиточный насос ПН поддерживает во всей системе постоянный напор .

Таким образом, при втором характерном гидравлическом режиме — статическом — во всех точках системы теплоснабжения устанавливается полный напор, развиваемый подпиточным насосом. В точке Д как при гидродинамическом, так и при статическом режимах поддерживается постоянный напор .Такая точка называется нейтральной.

Ввиду большого гидростатического давления, создаваемого столбом воды, и высокой температуры транспортируемой воды возникают жест­кие требования к допустимому диапазону давлений как в подающем, так и в обратном трубопроводах. Эти требования накладывают ограни­чения на возможное расположение пьезометрических линий как при статическом, так и при гидродинамическом режимах.

Для исключения влияния местных систем на режим давления в сети будем считать, что они присоединены по независимой схеме, при которой гидравлические режимы тепловой сети и местных систем автономны. В таких условиях к режиму давлений в сети предъявляются излагаемые ниже требования.

При работе тепловой сети и при разработке графика пьезометрических напоров должны быть соблюдены следующие условия (как при динамическом, так и при статическом режимах), которые перечисляются в порядке очередности их проверки при построении графика.

1. Пьезометрический напор в обратном трубопроводе сети должен быть выше статического уровня подсоединенных систем (высоты зданий Н_зд) не менее чем на 5 м (запас), иначе давление в обратном трубопроводе Н_обр будет меньше статического давления здания Н_зд и уровень воды в зданиях установится на высоте напора обратного пьезометра, а над ним возникнет вакуум (оголение системы), который вызовет подсос воздуха в систему. На графике это условие выразится тем, что линия обратного пьезометра должна пройти на 5 м выше здания:

Н_обр Н_зд + 5 м; Н_ст Н_зд + 5 м.

2. В любой точке обратной магистрали пьезометрический напор должен быть не менее 5 м, чтобы не было вакуума и подсоса воздуха в сеть (5 м – запас). На графике это условие выражается тем, что пьезометрическая линия обратной магистрали и линия статического напора в любой точке сети должны идти не менее чем на 5м выше уровня земли:

Н_обр Н_з + 5 м; Н_ст Н_з + 5 м.

3. Напор на всасе сетевых насосов (напор подпитки Н_о) должен быть не менее 5 м, чтобы обеспечить залив насосов водой и отсутствие кавитации:

Н_о 5 м.

4. Давление воды в системе отопления должно быть меньше максимально допустимого, которое могут выдержать отопительные приборы (6 кгс/см 2 ). На графике это условие выражается тем, что на вводах в здания пьезометрические напоры в обратной магистрали и статический уровень сети не должны быть выше Н_доп=55 м (с запасом 5 м):

Н_обр — Н_з 55 м; Н_ст — Н_з 55 м.

5. В подающем трубопроводе до элеватора, где температура воды выше , должно поддерживаться давление не менее давления кипения воды при температуре теплоносителя – принимается с запасом; (для статического уровня это не обязательно):

Н_s=20 м при и Н_s=40 м при .

На графике это условие выразится тем, что линия напоров в подающем трубопроводе должна быть соответственно на величину Н_s выше наивысшейточки перегретой воды в системе отопления (для жилых зданий это будет уровень земли, а для промышленных зданий –высшаяточка перегретой воды в цехах):

Н_под Н_s + 5 м.

6. Статический уровень местных систем (уровень верха зданий) не должен создавать в системах других зданий давление больше максимального допустимого для них, иначе при остановке сетевых насосов произойдет раздавливание приборов этих систем за счет давления воды высоко расположенных зданий. На графике это условие выразится тем, что уровни высоко расположенных зданий не должны превышать больше чем на 55 м уровни земли у других зданий.

7. Давление в любой точке системы не должно превышать максимально допустимое из условий прочности оборудования, деталей и арматуры. Обычно принимают максимальное избыточное давление Р_доп=16…22 кгс/см 2 . Это означает, что и пьезометрический напор в любой точке подающего трубопровода (от уровня земли) должен быть не менее Н_доп – 5 м (с запасом5 м):

Н_под – Н_з Н_доп – 5 м.

8. Располагаемый напор (разность пьезометрических напоров в подающем и обратном трубопроводах) на вводах в здания должен быть не менее потери напора в системе абонента:

Н_р = Н_под – Н_обр Н_зд.

Таким образом, пьезометрический график позволяет обеспечить эффективный гидравлический режим тепловой сети и подобрать насосное оборудование.

Контрольные вопросы

1. Изложите основные задачи выбора режима давлений водяных тепловых сетей из условия надежности работы системы теплоснабжения.

2. Что такое гидродинамический и статический режимы работы тепловой сети? Обоснуйте условия определения положения статического уровня.

3. Представьте методику построения пьезометрического графика.

4. Изложите требования к определению положения на пьезометрическом графике линий давления в подающей и обратной магистралях тепловой сети.

5. На основе каких условий на пьезометрическом графике наносятся наносятся уровни допустимых максимальных и минимальных пьезометрических напоров для подающей и обратной линий системы теплоснабжения?

6. Что такое «нейтральная» точка» на пьезометрическом графике и при помощи какого устройства на ТЭЦ или котельной регулируется ее положение?

7. Как определяется рабочий напор сетевых и подпиточных насосов?