Справочник строителя | Особенности отопительных приборов

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Как показано в СНиП, даже в расчетные сутки холодного периода года колебания температуры наружного воздуха могут составлять 8...12 °С.

Низкие температуры наружного воздуха наблюдаются в ночные часы, а днем температура наружного воздуха возрастает. Как следует из уравнения
, с повышением t_н.х будут изменяться трансмиссионные теплопотери. Одновременно, как следует из уравнения  будут снижаться и затраты теплоты на подогрев приточного наружного воздуха. Дополнительными источниками воздействия на тепловой режим помещений являются дневные потоки лучистой теплоты через окна и возрастание бытовых и производственных тепловыделений. Поэтому для обеспечения экономии теплоты рекомендуется у нагревательных приборов устанавливать терморегулятор, конструктивная схема которого показана на рис. 1.

Рисунок 1. Конструктивная схема терморегулятора: 1 - корпус клапана; 2 - присоединенный трубопровод подачи горячей воды к отопительному прибору; 3 - термостатическая головка; 4 - профильное отверстие для прохода горячей воды; 5 - запорный конус; 6 - подвижной шток; 7 - резьбовое соединение корпуса клапана с термостатической головкой; 8 - сильфон; 9 - нажимной штифт; 10 - настроечный круг; 11 - пружина у подвижного штока клапана

Терморегулятор состоит из двух основных частей: клапана 1, устанавливаемого на трубопроводе 2 подачи горячей воды к отопительному прибору, и термостатической головки 3, которая крепится на корпус клапана 1 после гидравлической наладки системы отопления.

В корпусе клапана 1 имеется профильное проходное сечение 4, которое может перекрываться запорным конусом 5 от перемещения штока 6. При снятой термостатической головке 3 путем настроечного вращения штока 6 совместно с запорным конусом 5 устанавливается первоначальное гидравлическое сопротивление клапана 1 проходу горячей воды G_wг, что требуется для гидравлической наладки системы отопления (методика ее проведения подробно рассматривается в последующих разделах учебника).

После ручного установления желаемого положения штока 6 и запорного конуса 5 на резьбу 7 корпуса 1 закрепляется термостатическая головка 3, в которой расположен сильфон 8, заполненный легкокипящей жидкостью. Пары жидкости в сильфоне 8 принимают давление, пропорциональное температуре окружающего воздуха t_в. При повышении температуры воздуха t_в, обусловленном снижением трансмиссионных теплопотерь или появлением из окна солнечной радиации, давление паров в сильфоне 8 возрастает. Гофры сильфона 8 разжимаются и перемещают нажимной штифт 9 по направлению перемещения штока 6 клапана 1. Перемещение штока 6 вместе с запорным конусом 5 обусловит частичное перекрытие профильного проходного сечения 4 в клапане 1 для прохода горячей воды к отопительному прибору. Это вызовет снижение теплоотдачи отопительного прибора.

Настройка терморегулятора на поддержание в помещении комфортного значения температуры воздуха t_в достигается вращением настроечного круга 10, изменение положения которого изменяет степень сжатия гофр на сильфоне 8.

При уменьшении температуры воздуха по сравнению с настроенным значением t_в падение давления паров вызовет сжатие гофр сильфона 8 и перемещение штифта 9 вверх. Пружина 11 в клапане 1 будет перемещать шток 6 и запорный конус 5 на открытие профильного отверстия 4 для увеличения поступления горячей воды в отопительный прибор.

Для снижения влияния горячих труб на перемещение гофр в сильфоне 8 терморегулятор рекомендуется монтировать с горизонтальным положением термостатической головки. В этом положении у гофры сильфона 8 будет проходить поток воздуха без восприятия теплоты от присоединительных труб к отопительному прибору.

На практике наблюдаются случаи, когда при высоких t_н, наличии солнечной радиации и значительных бытовых тепловыделениях клапан терморегулятора полностью закрыт, но наблюдается превышение температуры воздуха в помещении более t_в > 22 °С, т.е. имеет место перегрев помещений. Это свидетельствует о преобладании в помещении теплоизбытков и для поддержания комфортного значения t_в = +20 °С нужно охлаждать помещение. Для полезного использования возможных избытков теплоты в помещении рационально подавать приготовленный в приточном агрегате (см. позицию 1 на рис. 2) приточный наружный воздух с t_п.н < t_в.

Рисунок 2. Схемы приточного I и вытяжного II агрегатов по энергосберегающей технологии приготовления приточного наружного воздуха: 1 - многостворчатый воздушный клапан с ручным или автоматическим приводом; 2 - фильтр для очистки воздуха; 3 - теплоотдающий теплообменник; 4 - теплоизвлекающий теплообменник; 5 - соединительные трубопроводы; 6 - насос циркуляции промежуточного теплоносителя-антифриза; 7 - герметичный расширительный сосуд; 8 - калорифер подогрева от подачи в трубки горячей воды; 9 - приточный вентилятор; 10 - патрубок для присоединения приточного воздуховода; 11 - вытяжной вентилятор; 12 - патрубок присоединения воздуховода выброса воздуха; 13 - блок адиабатного увлажнения воздуха

Наиболее рационально это достигается в местном приборе - доводчике эжекционном, конструктивная схема которого показана на рис. 3.

Рисунок 3. Конструктивная схема встраивания доводчика эжекционного в подоконную нишу: 1 - патрубок присоединения гибкого отвода диаметром 100 мм от приточного воздуховода; 2 - камера первичного воздуха; 3 - сопла для выхода первичного воздуха l_пн; 4 - щель у остекления для опуска холодного внутреннего эжектируемого воздуха l_в; 5 - теплообменник, соединенный трубопроводами с источником снабжения горячей водой с температурой 50 °С; 6 - терморегулятор RTD; 7 -смесительная камера; 8 - приточная решетка; 9 - вытяжная решетка

Под окном устанавливается доводчик эжекционный (ДЭ), к патрубку которого 1 присоединен гибкий отвод от приточного воздуховода центрального приточного агрегата, где приготовляется суммарный расход санитарной нормы наружного воздуха L_п.н (см. позицию 1 на рис. 2). Из камеры первичного воздуха 2 санитарная норма наружного воздуха для обслуживаемого помещения l_п.н выходит из сопел 3, что обеспечивает эжекцию (подсасывание) внутреннего воздуха через щель 4 у остекленного окна. Теплообменник 5 в ДЭ соединен трубопроводами с источником снабжения горячей водой. На подающем трубопроводе горячей воды к теплообменнику 5 смонтирован терморегулятор 6, настроенный на температуру t_в = +20 °С.

Проходя через теплообменник 5 внутренний эжектируемый воздух нагревается до температуры t_вэ, при которой компенсируются трансмиссионные теплопотери помещения и догрев санитарной нормы воздуха l_пн от t_п.н = +10 °С до t_в = +20 °С. В смесительной камере 7 подогретый в теплообменнике до температуры t_вэ внутренний эжектируемый воздух смешивается и с температурой притока t_п поступает через приточную решетку в рабочую зону с малой скоростью притока v_п =0,3 м/с.

Выделяющиеся от людей и оборудования теплота и газы поднимаются под потолок и с температурой t_у > t_в удаляются через вытяжную решетку 9 в вытяжную систему (позиция 11 на рис. 2). Если в дневные часы поступающая через окно теплота солнечной радиации и внутренние тепловыделения перекрывают потребности в теплоте, компенсируемые нагревом эжектируемого воздуха в теплообменнике 5, то клапан в терморегуляторе 6 полностью закроется. Излишки тепловыделений будут восприниматься холодным приточным наружным воздухом, выходящим из сопла 3 с t_п.н = +10 °С.

Примем, что рассматриваемая на рис. 3 конструкция ДЭ установлена в административном помещении, где постоянно работают три человека, для которых l_п.н = 60·3 = 180 м³/ч. Удаляемый под потолком воздух имеет температуру t_у1= 24 °С. Тогда при наличии теплоизбытков в помещении и полностью закрытом клапане терморегулятора 6 подача холодного первичного воздуха с t_п.н = +10 °С позволит поглотить следующий поток теплоизбытков:

Для рассматриваемого примера по формуле (1) получим:

Благодаря подаче к ДЭ холодного воздуха t_п.н = +10 °С удается в часы перегрева помещения экономить теплоту. Для параметров в примере 3.1 количество сэкономленной теплоты на нагрев в калорифере L_пн = 20 000 м³/ч будет:

Подача через сопла 3 холодного первичного воздуха с t_п.н = +10 °С в смеси с внутренним воздухом t_в = +21 °С обеспечивает температуру притока, вычисленную по формуле:

где k_э = l_в / l_п.н = 2,8 - коэффициент эжекции.

По формуле (2) получим:

Для обеспечения теплового комфорта при подаче в обитаемую зону холодного воздуха температурный перепад (t_в - t_п) не должен быть больше 3,5 °С, что выполняется для рассматриваемого примера.

Отечественная промышленность выпускает отопительные конвекторы со встроенным терморегулятором, как это показано на рис. 4.

Рисунок 4. Отечественная конструкция отопительных конвекторов со встроенным терморегулятором RTD для количественного регулирования теплопроизводительности

Отопительный конвектор «Сантехпром Авто» (а) имеет малую глубину 94 мм. Отопительный конвектор «Сантехпром Авто С» (б) имеет среднюю глубину 156 мм. На рис. 4 хорошо видно расположение с левой стороны кожуха конвектора термодинамической головки терморегулятора RTD, а клапан с присоединениями к трубопроводам теплообменника находится под кожухом.

В табл. 1 представлены типоразмеры и технические характеристики конвекторов со встроенным терморегулятором RTD. Из таблицы видно, что в распоряжении проектанта имеется 28 типоразмеров отопительных конвекторов с расчетной тепловой производительностью от 0,4 до 2,941 кВт. Благодаря такому разнообразию отопительных приборов можно выбрать модель, которая наиболее близко подходит к требуемой тепловой мощности отопительного прибора, вычисляемой для отапливаемого помещения по уравнениям, аналогичным  и .

Таблица 1. Номенклатура и основные технические характеристики конвекторов малой глубины «Сантехпром Авто»

«Сантехпром Авто С» - настенная модель средней глубины с двойным нагревательным элементом и встроенным автоматическим терморегулятором.

Номенклатура и основные технические характеристики конвекторов средней глубины «Сантехпром Авто С»

Примечание. Номинальный тепловой поток Q_ну определен при нормальных условиях, когда разность температур между среднеарифметической температурой теплоносителя в конвекторе и расчетной температурой воздуха в отапливаемом помещении равна 70°С, расход теплоносителя через каждую оребренную трубу конвектора составляет 0,1 кг/с (360 кг/ ч) при движении по схеме «сверху-вниз», атмосферное давление - 101,33 кПа (760 мм рт.ст.).

Теплоноситель - горячая вода. Максимальные параметры теплоносителя: избыточное давление - 1,0 МПа, температура - 120 °С.

Метод регулирования тепловой производительности отопительного прибора путем изменения расхода горячей воды через теплообменный элемент в зависимости от требуемой температуры в обслуживаемом помещении t_в называется количественным регулированием.

Циркуляция горячей воды через отопительные приборы в централизованных системах происходит от работы насоса. На графике рис. 5 представлена характеристика работы насоса при постоянной частоте вращения рабочего колеса.

Кривая 1 на рис. 5 отвечает характеристике насоса, т.е. зависимости развиваемого напора Н, м вод. ст., от количества перемещаемой жидкости Q_w, м³/ч. Произведя гидравлический расчет перемещения по сети трубопроводов и отопительных приборов расчетного расхода воды Q_wp, определяем требуемый в этом режиме расчетный напор насоса Н_wp , м вод. ст. По графикам в каталоге фирмы - изготовителе насосов подбирается тип насоса, применение, которого обеспечивает получение расчетных условий (см. точку Р) при максимальном КПД насоса η_н.mах.

Рисунок 5. Рабочие характеристики насоса (кривая 1) и характеристика трубопроводной сети (кривые 2 и 3) при постоянной частоте вращения рабочего колеса

Из формулы  видно, что при снижении КПД насоса увеличивается затрачиваемая энергия на привод рабочего колеса насоса. Кривая 2 отвечает рабочей характеристике гидравлической сети системы отопления для получения расчетного расхода Q_wp и напора Н_wp при максимальном КПД насоса. При осуществлении количественного регулирования отопительных приборов изменяется расход горячей воды по гидравлической сети и отопительным приборам. Кривая 3 (пунктирная линия) отвечает характеристике работы насоса при уменьшенном текущем расходе горячей воды (точка Т) через отопительные приборы Q_wт.

Снижение расчетного расхода горячей воды до текущего значения Q_wт достигается дросселированием (снижением) площади проходного сечения поступления через автоматический клапан горячей воды в отопительный прибор. Дросселирование проходного сечения приведет к возрастанию гидравлического сопротивления в клапане и росту развиваемого насосом напора Н_wp. Текущее положение рабочей характеристики 3 (точка Т) будет при меньшем КПД насоса η_н < η_н.mах.

Из формулы  следует, что несмотря на снижение текущего значения расхода горячей воды Q_wт, возрастание напора Н_wт и снижение КПД приводят к сохранению расчетных затрат электроэнергии на привод рабочего колеса при постоянной частоте его вращения n_н = const.

Необходимо отметить, что в обслуживаемых системой отопления помещениях в течение суток будут различно меняться тепловые режимы. Так, например, на облучаемых солнцем фасадах в помещениях будут повышаться теплопритоки и требуется снижение расхода горячей воды через отопительные приборы. В это же самое время в помещениях на теневых фасадах здания нет поступления теплоты солнечной радиации. Поэтому нет необходимости изменять расход горячей воды через отопительные приборы в этих помещениях.

Однако вызванное регулированием отопительных приборов в помещениях солнечного фасада изменение характеристики сети (кривая 3) приведет к созданию повышенного напора H_wт > Н_wp перед клапанами терморегуляторов в помещениях, где не изменялось сечение для прохода горячей воды в отопительные приборы. Это приведет к тому, что в нагревательные приборы этих помещений на теневой стороне здания будет поступать больший расход горячей воды в отопительные приборы, что вызовет повышение температуры t_в и приведет к перерасходу теплоты. Терморегуляторы в теневых помещениях воспримут повышение t_в и через некоторое время автоматически сократят поступление горячей воды.

Такое вынужденное перемещение автоматических клапанов в помещениях, где нет изменении теплового режима, называют нарушением тепловой устойчивости системы регулирования.

Для устранения этого в автоматизированных системах отопления на стояках подачи воды в отопительные приборы рекомендуется устанавливать регуляторы контроля и обеспеченности постоянства давления воды в подающих и обратных трубопроводах, что обеспечит сохранение постоянства давления воды перед терморегуляторами. Установка регуляторов постоянства давления удорожает систему отопления и не обеспечивает экономию расхода электроэнергии на работу циркуляционных насосов.

За последние годы созданы насосы для систем отопления с электронным регулированием частоты вращения рабочего колеса по команде датчика контроля постоянства развиваемого насосом напора или пропорциональном снижении развиваемого напора. На графике рис. 6 показаны режимы регулирования работы насосов с электронным управлением частоты вращения рабочего колеса по датчику отбора давлений на стороне нагнетания и всасывания насоса. Электронное управление встроено в клеммную коробку подведения проводов электроснабжения электродвигателя насоса.

Рисунок 6. Рабочие характеристики насоса при переменной частоте вращения рабочего колеса n_н = var по команде датчика, контролирующего постоянство развиваемого насосом напора Н_wp  или пропорциональное изменение напора Н_wp.пр. 1 и 1' - характеристики насоса при различном числе оборотов рабочего колеса; 2 и 2' - характеристики гидравлической сети при количественном регулировании расхода горячей воды от Q_wp до Q_wт; 3 - настройка работы насоса на поддержание постоянного напора в сети Н_wp; 4 - настройка работы насоса на пропорциональное изменение напора в сети от Н_wp до Н_wp/2

На рынке насосного оборудования России широко представлены насосы фирмы «Грундфосс», являющейся мировым лидером по качеству насосов для систем отопления. Насосы для систем отопления при постоянной частоте вращения рабочего колеса имеют условное название UPS и их подача в зависимости от типоразмера изменяется от 2 до 70 м³/ч, а развиваемый напор - до 120 кПа (12 м вод. ст.).

Насосы для систем отопления с регулируемой частотой вращения рабочего колеса имеют условное обозначение UPE и в зависимости от типоразмера их подача изменяется от 1 до 100 м³/ч, примерный развиваемый напор - до 100 кПа (10 м вод. ст.).

Для изменения тепловой производительности калорифера применяется метод изменения температуры горячей воды t_wг, поступающей в трубки калорифера. При этом расход горячей воды G_wг через калорифер сохраняется постоянным. Такой метод называют качественным регулированием.

На рис. 7 показана принципиальная схема качественного регулирования тепловой производительности калорифера 1 путем смешения в насосе 10 обратной и горячей воды. Датчик 6 может контролировать температуру приточного воздуха t_п = const или размещаться в характерной точке обитаемой зоны обслуживаемого помещения и настраиваться на комфортный уровень температуры воздуха t_в. Если в обслуживаемом помещении уменьшились теплоизбытки, то t_в падает и через импульсную связь 5 датчик 6 подает команду на исполнительный механизм для увеличения открытия проходного сечения автоматического клапана 4. К смесительному насосу 10 будет поступать горячая вода более высокой температуры t_wг и в калорифере 1 увеличится нагрев приточного воздуха L_п до более высокой температуры притока t_п.

Рисунок 7. Принципиальная схема качественного регулирования калорифера в системе воздушного отопления: 1 - калорифер с поверхностью оребренных трубок F и коэффициентом теплопередачи k; 2 - трубопровод подачи переменного расхода горячей воды G_wг1 с температурой Т _wг1 от источника централизованного теплоснабжения; 3 - обратный трубопровод к источнику теплоснабжения; 4 - автоматический клапан регулирования поступления в калорифер горячей воды от источника теплоснабжения; 5 - импульсная связь (чаще всего электрическая); 6 - датчик контроля температуры нагрева приточного воздуха L_п; 7 - перемычка между подающим и обратными трубопроводами системы теплоснабжения; 8 - обратный клапан; 9 - ручной клапан; 10 - насос циркуляции постоянного расхода горячей воды G _wг через калорифер

При появлении в помещении столовой большого числа посетителей возрастут теплопритоки, и увеличится t_в. Датчик 6 подаст через импульсную связь 5 команду на автоматический клапан 4 и происходит прикрытие сечения для прохода к насосу 10 горячей воды из системы теплоснабжения. От смесительного насоса 10 будет поступать смесь с более низкой температурой воды t_wг1 и тем самым уменьшится тепловая производительность калорифера 1, и понизится температура приточного воздуха t_п.

Смесительный насос работает при постоянном расходе воды G_wг через трубки калорифера 1. Расход приточного воздуха L_п сохраняется постоянным. Следовательно, как это видно из опытных формул  и  величина коэффициента теплопередачи будет постоянной. Это сохраняет в калорифере 1 высокую способность к быстрому изменению температуры нагретого приточного воздуха t_п в зависимости от настройки датчика 6 и изменяющихся тепловых режимов в обслуживаемом помещении.

Проведем оценку потребляемой насосом 10 энергии на осуществление режима качественного регулирования тепловой производительности калорифера 1.

ПРИМЕР 1. Исходные данные: По данным примера 3.1 через калорифер 1 догрева приточного наружного воздуха L_пн подается расчетный расход горячей воды G_wг = 57,7 м³/ч через трубки калорифера КСк3-12 при скорости воды в трубках w = 0,83 м/с (см. п. 21 расчета).

Требуется: Определить потребление насосом UPS электроэнергии в режиме качественного регулирования и рациональный типоразмер насоса.

Решение: 1. По формуле

вычисляем гидравлическое сопротивление калорифера КСк3-12 проходу воды: ∆H_w = 58 · (0,85)^1,73 · 1 = 38 кПа.

2. Гидравлическое сопротивление в присоединительных к насосу трубопроводах и перемычке принимаем 10 кПа.

3. Общий требуемый напор насоса составит: R_нас = 38 + 10 = 48 кПа (4,8 м вод.ст.).

4. По формуле

вычислим затрачиваемую электрическую мощность на работу смесительного насоса с η_нас = 0,4:

5. По каталогам фирмы «Грундфосс» выбираем насос типа UPS 50-60 F. Цифра 50 отвечает условному проходу 50 мм. Цифра 60 - напору в дм вод. ст. Буква F - фланцевое присоединение трубопроводов к насосу. Рабочий режим работы насоса - на второй скорости ручного управления, что обеспечит Н_н = 4,8 м вод. ст.

Из схемы на рис. 7 следует, что в системе теплоснабжения калориферов в приточных агрегатах расход горячей и обратной воды будет изменяться в зависимости от условий формирования тепловых режимов в обслуживаемых помещениях. В системах отопления с наличием терморегуляторов у отопительных приборов расход горячей воды от системы теплоснабжения также будет переменным. Как показано на графике рис. 6, при переменном годовом расходе горячей воды энергетически целесообразно применять насосы с электронным регулированием типа UPE. Опыт эксплуатации систем с переменным расходом воды показывает, что электронное регулирование обеспечивает до 60 % сокращение расходов электроэнергии на круглогодовую работу насосов в этих системах.

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях