РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Для приведения в соответствие теплоотдачи нагревательных приборов с теплопотерями помещений при различных температурах наружного воздуха требуется изменять или количество теплоносителя, проходящего через приборы (количественное регулирование), или его температуру (качественное регулирование). Качественное регулирование, осуществляемое путем изменения температуры теплоносителя (воды), подаваемого в приборы из теплового центра (теплового пункта ТЭЦ, котельной и др.), называется центральным регулированием. Качественное регулирование для систем парового отопления не применяется, так как при изменении давления пара его температура почти не меняется, и теплоотдача приборов остается практически постоянной.

Количественное регулирование может быть центральным (т. е. производиться из центрального пункта) и местным (регулирование кранами или вентилями, установленными у нагревательных приборов). Краны двойной регулировки устанавливают при теплоносителе воде с температурой до 100°С, а вентили — при воде и паре с температурой 100°С и выше.

Помимо регулировки количества теплоносителя в эксплуатационный период этими кранами пользуются для монтажной регулировки теплоотдачи приборов, проводимой в период наладки и пуска системы отопления.

Конструкция одного из кранов двойной регулировки показана на рис. V.30. В корпусе крана находится цилиндрический стакан 1 с двумя прямоугольными прорезами 2. К верхней части стакана прикреплен шпиндель 3 с нарезкой, благодаря которой он может вращаться в крышке корпуса. На крышке корпуса при помощи контргайки 4 укреплена розетка 5, имеющая вырез, равный четверти окружности (90°С). На верхний конец шпинделя надевается ручка 6, закрепляемая винтом. Вращая ручку, а следовательно, и шпиндель, можно опустить или поднять стакан. При перемещении стакана прорезы устанавливаются на различной высоте, перекрывая в той или иной степени проходное отверстие крана в горизонтальной плоскости.

Установив кран таким образом, чтобы через него проходило необходимое количество воды, розетку крана закрепляют. На этом первая (монтажная) регулировка краном, проводимая монтажниками, считается законченной.

Вторая регулировка (эксплуатационная) осуществляется поворотом ручки в пределах выреза розетки (т. е. четверти окружности); при этом проходное отверстие крана может быть перекрыто в большей или меньшей степени в вертикальной плоскости. Вторая (эксплуатационная) регулировка производится лицами, пользующимися помещениями, где установлен нагревательный прибор.

В последнее время для регулирования теплоотдачи нагревательных приборов часто применяется дроссельный клапан двойной регулировки, представленный на рис. V. 31.

Кран состоит из чугунного корпуса 1 с фланцем, шпинделя 2, нижний конец которого обработан в виде дросселирующей лопатки, чугунного маховичка 3, стопора 4 и сальниковой гайки 5.

Во фланце корпуса имеются пронумерованные отверстия с внутренними резьбами, в которые может быть ввернут стопор. Расположение этих отверстий соответствует плавному увеличению или уменьшению количества подаваемой в прибор воды.

Первая (монтажная) регулировка крана достигается путем ввертывания в одно из отверстий фланца стопора, ограничивающего угол поворота дросселирующей лопатки, который определяет максимально возможную степень открытия крана при второй (эксплуатационной) регулировке. Во избежание возможности нарушения первой (монтажной) регулировке стопор пломбируют. Вторая регулировка осуществляется поворотом маховичка в пределах, установленных монтажной регулировкой.

Вентили, монтируемые у нагревательных приборов, могут иметь косой или прямой шпиндель. Внутри корпуса 1 вентиля с косым шпинделем рис, V.32) имеется седло с круглым отверстием. Регулирующим и запорным органом служит золотник 2, прикрепленный к нижнему концу шпинделя 3, на верхний конец которого насажен маховичок 4. Шпиндель имеет нарезку и может перемещаться вниз или вверх вместе с золотником, вращаясь в крышке 5 корпуса. При вращении маховичка по часовой стрелке шпиндель опускается, золотник приближается к седлу и уменьшает проходное сечение. При дальнейшем вращении в этом же направлении можно совсем прекратить движение теплоносителя через вентиль.

Конструкция вентиля с прямым шпинделем (рис. V.33) отличается от конструкции рассмотренного тем, что в ней седло, золотник и шпиндель расположены не косо, а вертикально. Принцип действия этого вентиля тот же, что и вентиля с косым шпинделем.

К арматуре, регулирующей теплоотдачу нагревательных приборов, относится также задвижка Лудло (рис. V.34) и пробочный кран с сальником (рис. V.35).

Задвижка Лудло состоит из чугунного корпуса 1, внутри которого находятся два чугунных диска 2, укрепленных на шпинделе 3. На верхнем конце шпинделя имеется нарезка, при помощи которой шпиндель можно перемещать в гайке, соединенной с маховиком 4. При вращении маховика шпиндель поднимается или опускается, а вместе с ним перемещаются и диск, открывая или закрывая проход. Для более надежного уплотнения в местах прилегания дисков к корпусу установлены шлифованные бронзовые кольца.

Корпус показанного на рис. V. 35 пробочного крана имеет коническую пробку со сквозным прямоугольным вырезом (проходом). Верхняя часть пробки, выступающая из корпуса, заканчивается четырехгранной головкой, на которую для вращения пробки надевают сьемный ключ. Вращая пробку, можно изменить положение выреза, т. е. увеличить или уменьшить поступление воды. На четырехгранной головке имеется риска, показывающая направление прохода воды в кране.

Основы регулирования системы отопления

Данная статья открывает цикл материалов, который буден посвящен различным аспектам регулирования систем отопления — проектированию, расчетам, используемому оборудованию и сферам его применения. В этой статье остановимся на целях, общих принципах и особенностях регулирования систем водяного отопления.

Задачи регулирования в системах отопления.

Основной целью регулирования отопления является поддержание заданной температуры в помещении при изменяющихся внешних условиях. То есть, вне зависимости от уличной температуры, силы ветра, влажности и прочих условий, в нашем доме должен поддерживаться заданный тепловой комфорт.

Упрощенно, понятие процесса регулирования системы отопления можно охарактеризовать следующим образом:

Регулирование системы отопления – это комплекс мер по максимальному приближению теплоотдачи отопительных приборов к текущей потребности объекта в тепле для поддержания требуемой внутренней температуры при постоянном изменении внешних условий.

Так как в системах водяного отопления нужную нам температуру, как правило, обеспечивают приборы отопления (радиаторы, конвекторы, водяные теплые полы и т.д.), то для поддержания заданной температуры теплоотдача отопительных приборов должна иметь возможность изменяться в зависимости от изменений внешних условий. Если не рассматривать механическое ограничение теплоотдачи отопительного прибора, которое до сих пор иногда применяется в конструкции конвекторов (воздушная заслонка на конвекторе с кожухом), основными способами изменения теплоотдачи являются изменение расхода теплоносителя через прибор и/или изменение температуры теплоносителя.

Таким образом, главная цель регулирования — поддержание требуемой температуры в помещении трансформируется в две основные частные задачи:
— обеспечение расчетного расхода теплоносителя через приборы отопления;
— задание требуемой температуры теплоносителя.

Кроме того, нужно иметь в виду, что в процессе регулирования, как правило, меняются гидравлические режимы работы системы, что может приводить к нарушению стабильности работы и появлению нежелательных шумов. Поэтому в системе регулирования должны быть предусмотрены меры по предотвращению этих негативных явлений.

Суть процесса регулирования отопления.

В общих чертах, процесс регулирования заключается в том, что величина регулируемого параметра находится под постоянным контролем и сравнивается с каким-то заданным значением этого параметра или величиной другого параметра. И в зависимости от их значения подвергается регулированию. Назовем совокупность элементов и алгоритмов регулирования, участвующих в этом процессе регулировочным контуром. Стоит сразу отметить, что таких контуров в системе отопления может быть достаточно много. Примерами таких регулировочных контуров являются поддержание температуры в помещении с помощью отопительного прибора по комнатному термостату или с помощью термостатического клапана на радиаторе отопления, регулирование котловой температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, поддержание заданной температуры теплоносителя в водяном теплом поле и так далее.

Замкнутый регулировочный контур

Рассмотрим простейший замкнутый регулировочный контур, состоящий из прибора отопления, комнатного термостата, выполняющего функции измерительного устройства и контроллера, а также сервопривода с термостатическим клапаном, в качестве исполнительного устройства.

Рис. Замкнутый процесс регулирования в системе отопления

В рассматриваемом контуре регулируемый параметр – температура воздуха в помещении (х), которая формируется под воздействием прибора отопления и некого возмущающего воздействия, например, открытого окна. Для примера, заданное на термостате значение температуры (w) примем равным 23°С, а значение временно сформировавшейся температуры – равным 21°С. Температура воздуха постоянно контролируется измерительным устройством, в качестве которого может служить датчик температуры, встроенный в комнатный термостат. Результат измерения передается на контроллер, который в нашем примере также встроен в термостат. Контроллер сравнивает измеренное значение (21°С) с заданным (23°С) и при наличии рассогласования, подаёт управляющий сигнал на сервопривод на открытие, либо закрытие термостатического клапана. Исполнительное устройство формирует управляющее воздействие (в нашем случае увеличение расхода теплоносителя) на радиатор отопления, вследствие чего его теплоотдача увеличивается и повышает температуру воздуха в помещении. Таким образом образовался замкнутый регулировочный контур, в котором температура в помещении является и регулируемым и контролируемым параметром, и в процессе регулирования влияет сама на себя.

Открытый регулировочный контур

Рассмотрим другой пример контура регулирования, достаточно распространенного в современных системах отопления. Это — так называемый, открытый контур.

Рис. Пример открытого регулировочного контура

Особенность открытого регулировочного контура заключается в том, что, в отличие от закрытого контура, контролируемая и регулируемая величины относятся к различным параметрам. В данном примере контролируемая величина — это температура наружного воздуха, регулируемая — температура теплоносителя, подаваемая в контур теплого пола.

Принцип работы такой схемы регулирования заключается в следующем. Температура наружного воздуха (контролируемая величина) регистрируется датчиком (1), в результате чего формируется сигнал (Y), уровень которого зависит от измеренной температуры. Сигнал поступает на измерительный модуль контроллера (2) (в нашем примере контроллер встроен в котел отопления). Одновременно с помощью датчика (3) регистрируется температура теплоносителя в контуре теплого теплого пола (регулируемая величина), сигнал (х) от которого также передается в измерительное устройство. В контролерре происходит оценка того, насколько температуры (уровни сигналов) соответствуют настройкам. Обычно, соответствие контролируемой и регулируемой температур задается с помощью диаграмм. И в случае выявления несоответствия, подается управляющий сигнал (Z) на сервопривод трехходового клапана (4), в результате чего изменяются пропорции смешения горячего и остывшего теплоносителя и, таким образом, изменяется температура в контуре теплого пола.

О качественно-количественном регулировании подачи теплоты в здания

О.Д.Самарин, доцент, канд. техн. наук,
Пуликова М.И., инженер (МГСУ)

В практике реализации централизованного теплоснабжения в России принято осуществлять качественное регулирование подачи теплоты потребителям в течение отопительного периода за счет изменения температуры воды в подающей магистрали тепловой сети Т₁, о С, в зависимости от текущей температуры наружного воздуха t_н, о С [1]. Это связано с необходимостью поддержания стабильного гидравлического режима наружных тепловых сетей за счет постоянства расхода циркулирующей в них воды. Такое регулирование производится на теплоисточнике по специальному температурному графику, который рассчитывается, исходя из характеристик отопительных приборов в преобладающей части зданий, обслуживаемых данным источником. В этом случае контур регулирования получается незамкнутым, поскольку обратная связь по результатам измерения температуры воздуха в помещениях, как правило, используется только для местного и индивидуального регулирования, дополняющего центральное. Следовательно, имеет место регулирование «по возмущению».

Однако возможны ситуации, когда фактически установленные в здании отопительные приборы имеют иную зависимость теплоотдачи от среднего температурного напора, чем это было принято в расчете графика центрального регулирования. Тогда локальный температурный график для рассматриваемого объекта также будет иным. Поэтому в случае независимого присоединения местной системы отопления через поверхностный теплообменник при постоянстве расхода воды в данной системе, вызванного, опять-таки, потребностью в стабилизации ее гидравлического режима, поддержание такого графика в течение отопительного периода будет возможно только при изменении количества сетевой воды, подаваемой в теплообменник.

Следует, однако, заметить, что при оборудовании отопительных приборов автоматическими терморегуляторами (термоклапанами), что в настоящее время при новом строительстве осуществляется в обязательном порядке [2], неизменность общего расхода теплоносителя в системе отопления не столь актуальна, так как возникающее в такой конструкции высокое гидравлическое сопротивление приборных узлов значительно повышает гидравлическую устойчивость местной системы. Одновременно такие устройства производят корректировку центрального регулирования применительно к особенностям конкретных помещений и установленных там отопительных приборов, причем контур регулирования получается уже замкнутым, поскольку основным контролируемым параметром становится температура внутреннего воздуха.

Тем не менее, было бы желательно минимизировать отклонения, вносимые в работу системы индивидуальными регуляторами, и исключить необходимость компенсации систематической ошибки, связанной с несовпадением центрального и локального температурных графиков. Это связано, в том числе, и с ограниченностью зоны пропорциональности у выпускаемых сейчас термоклапанов, которая обычно лежит в диапазоне 0.5 – 2 К [3]. При выходе внутренней температуры из этих пределов клапаны либо полностью закрываются, либо открываются, и дальнейшее регулирование прекращается. К тому же при активных колебаниях расхода начинается взаимное влияние разных клапанов, и качество поддержания теплового режима еще более ухудшается. Наконец, необходимо учесть и потребности существующих зданий с приборными узлами, оснащенными традиционной ручной арматурой.

Получим выражение для изменения относительного расхода сетевой воды через теплообменник в зависимости от относительной безразмерной разности δt температур внутреннего (t_в) и наружного (t_в) воздуха: ,

где t_н5 – расчетная температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки [4].

Как известно, график центрального качественного регулирования систем теплоснабжения описывается выражениями [1]:

(1)

где – расчетная разность температур воды в тепловой сети, вычисляемая по формуле

– средняя расчетная температура воды в тепловой сети, определяемая по соотношению:

n – показатель степени, характеризующий зависимость теплоотдачи отопительных приборов от перепада температур между водой и воздухом.

Аналогичные зависимости можно записать и для системы отопления, только вместо и здесь будут использоваться соответственно и .

На Рис.1 показаны результаты расчетов по данным выражениям. Красные линии обозначают температуры сетевой воды, черные – в системе отопления.

δt

Рис.1. График центрального качественного регулирования систем теплоснабжения и отопления

При этом были приняты следующие расчетные значения величин:

— температура воздуха в отапливаемом здании = 18°С [5];

— расчетная температура теплоносителя при t_н = t_н5 в подающем трубопроводе тепловой сети = 150°С;

— то же, в обратном = 70°С;

— показатель n = 0.25 [2] – для преобладающей части отопительных приборов конвективно-радиационного типа в районе, обслуживаемом системой теплоснабжения;

— то же, в подающем трубопроводе системы отопления: = 90 °С;

— то же, в обратном = 90 °С;

— показатель n = 0.33 [2] – для приборов конвективного типа, установленных в рассматриваемом здании.

Формулу для основной интересующей нас величины можно получить, если решить систему уравнений, включающих соотношения (1), уравнение теплопередачи в теплообменнике и выражение для среднелогарифмической разности температур. В безразмерном виде такое решение имеет следующий вид (2):

(2)

Здесь температуры с индексами «граф» представляют собой текущие значения, определяемые в зависимости от δt по графику центрального качественного регулирования (Рис.1). Степень 0.4 при параметре появляется при учете изменения коэффициента теплопередачи теплообменника от расхода воды в процессе эксплуатации [1]. Величина обозначает расчетную среднелогарифмическую разность температур в теплообменнике, которая может быть вычислена независимо через , , и и, таким образом, тоже является постоянной. Заметим, что в полученное выражение не входит расчетный коэффициент теплопередачи теплообменника и его поверхность нагрева, а также расчетная тепловая нагрузка и расчетные расходы воды в системах теплоснабжения и отопления.

На Рис.2 показана связь и δt в соответствии с уравнением (2) для рассматриваемого примера.

δt

Рис.2. Изменение относительного расхода сетевой воды через теплообменник в течение отопительного периода.

Поскольку (2) является неявной и к тому же нелинейной функцией, расчет приходится вести методом последовательных приближений.

Таким образом, при оптимальном для водяных систем отопления графике центрального регулирования определенному значению относительного расхода теплоносителя соответствует определенное значение его температуры (по Рис.1 при той же δt). Иными словами, оптимальный график центрального регулирования систем водяного отопления является графиком качественно-количественного регулирования. Легко видеть, что при повышении наружной температуры величина несколько снижается. Такое снижение и обеспечивается регулятором расхода сетевой воды, работающим в зависимости от текущего уровня наружной температуры.

1. А.А Ионин и др. Теплоснабжение. – М.: Стройиздат, 1982. – 336 с.

2. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». – М.: ГУП ЦПП, 2004.

3. А.Н.Сканави, Л.М.Махов. Отопление. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 576 с.

4. СНиП 23-01-99 * «Строительная климатология». – М.: ГУП ЦПП, 2004.

5. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – М.: – ГУП ЦПП, 1999.