28

РЕЖИМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ –2

Когда в процессе теплообмена имеет ме­сто изменение фазового состояния одного из теплоносителей (пароводяные подогреватели, паровоздушные калориферы, испа­рители с водяным обогревом и др.), т.е. ко­гда W_б , уравнение (4.9) принимает вид

(4.10)

Если в процессе теплообмена меняется фазовое состояние обоих теплоносителей, т.е. когда W_б = W_м , уравнение характе­ристики (4.6) принимает вид

(4.11)

Сопоставление результатов расчета по (4.9) с результатами расчета по экспоненциальным уравнениям, базирующимся на среднелогарифмической разности температур, показывает хорошую сходимость. Максимальное расхождение для аппара­тов, в которых имеет место изменение фа­зового состояния одного из теплоносите­лей, составляет около 6 %. Для аппаратов, в которых фазовое состояние теплоносите­лей не меняется, в частности для противоточных водо-водяных подогревателей, максимальное расхождение обычно не пре­вышает 3—4 % [106].

Из совместного решения уравнений теп­лопередачи и теплового баланса выводится также предложенное автором уравнение для расчета коэффициента эффективности отопительных установок с учетом режима работы смесительного узла присоединения к тепловой сети [101]

(4.12)

где u — коэффициент смешения в узле при­соединения;  = k₀F/ W₀ — режимный коэф­фициент; k₀F— произведение коэффициен­та теплопередачи нагревательных приборов установки на площадь их поверхности нагрева ¹ Согласно ГОСТ 8690-75, поверхность нагрева конвективно излучающих нагревательных приборов исчисляется в эквивалентных квадратных метрах (ЭКМ). ЭКМ — поверхность, теплоотдача которой при температурном напоре 64,5 °С равна 435 ккал/ч (505 Дж/с).;

W₀ — эквивалент расхода сетевой воды, поступающей в узел присоединения отопительной установки.

При выводе (4.12) принято W_м / W_б = 0 в связи с тем, что эквивалент расхода возду­ха, омывающего отопительные приборы, W_б во много раз больше эквивалента расхо­да греющей воды W_M, протекающей через нагревательные приборы отопительной ус­тановки. Кроме того, в исходном уравнении теплопередачи отопительных приборов принята среднеарифметическая разность температур, поскольку к этой разности температур относятся обычно все эксперимен­тальные и расчетные значения коэффици­ентов теплопередачи нагревательных при­боров отопительных установок.

В частном случае, при отсутствии сме­сительного устройства в узле присоедине­ния отопительной установки, т.е. при и =0, уравнение (4.12) принимает вид

(4.13)

( Q = W_M , (4.6)

где  — удельная тепловая нагрузка на еди­ницу меньшего эквивалента расхода W_M и на 1 °С максимальной разности температур , или коэффициент эффективности теплообменного аппарата;

W_M = (Gc)_M — меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся сред, Дж/(с К) или ккал /(ч • °С);

G — расход теплоносителя, кг/с или кг/ч; с— теплоемкость теплоно­сителя, Дж/(кг • К) или ккал/(кг • °С);

= ₁ - t₂ — максимальная разность темпе­ратур между греющим и нагреваемым теплоносителями, т.е. разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, °С;

₁— температура греющего теплоносителя;

t₂ — температу­ра нагреваемого теплоносителя;

индекс 1 соответствует «горячему концу» теплоно­сителя, т.е. греющему на входе в аппарат и нагреваемому на выходе из него; индекс 2 — «холодному концу» теплоносителя, т.е. греющему на выходе из аппарата и нагре­ваемому на входе в него.

)

Поскольку при F = , ₀= 1, то из (4.6) Q = W_M , следует, что коэффициент эффективности отопительной установки представляет со­бой отношение тепловой нагрузки данной отопительной установки к тепловой нагруз­ке отопительной установки с бесконечно большой площадью поверхности нагрева­тельных приборов при одинаковых в обоих случаях расходах и температурах сетевой воды, поступающей в отопительную уста­новку и одинаковых внутренних температу­рах отапливаемых помещений.

Коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов k является переменной величиной, зависящей от условий теплооб­мена. В аппаратах с принудительной кон­векцией (водо-водяные и пароводяные по­догреватели, паро- и водовоздушные калориферы и др.) коэффициент теплопередачи зависит в первую очередь от скорости теп­лоносителей, не изменяющих своего агре­гатного состояния в процессе теплообмена.

Для упрощения расчета режимов регу­лирования значение режимного коэффици­ента аппарата со можно определять точно расчетным или опытным путем только для одного произвольно выбранного режима работы аппарата, который назовем основ­ным. Будем обозначать этот режим индек­сом «ос». При всех других режимах работы этого аппарата его режимный коэффициент можно определить путем пересчета по предложенной автором формуле

(4.14)

где _ос = k_ocF/(W_M.OC) — режимный коэф­фициент для основного режима; k_oc — ко­эффициент теплопередачи подогревателя при основном режиме;

, , , W_П.ОС , W_В.ОС , W_М.ОС — эквиваленты расхода тепло­носителей соответственно первичного (греющего), вторичного (нагреваемого) и меньшего из них при режиме аппарата, при­нятом за основной;

W_П, W_В, W_М— эквива­ленты расхода этих же теплоносителей при любом режиме работы аппарата.

В зависимости от режима может иметь место как W_П = W_M, так и W_B = W_M.

Показатели степени т₁, и т₂ зависят от вида теплоносителя, конструкции подог­ревателя и состояния поверхности нагре­ва. В противоточных секционных водо-во­дяных подогревателях т₁ = 0,33 — 0,5; т₂ = 0,33 — 0,5. Как показывают результа­ты испытания, при расчете водо-водяных подогревателей можно практически при­нимать т₁ = т₂ = 0,5, тогда (4. 14) принимает вид

(4.15)

где Ф — параметр водо-водяного подогре­вателя, для данного подогревателя величи­на практически постоянная,

(4.16)

Как показали проведенные исследова­ния, значение параметра секционных водо-водяных подогревателей прямо пропорцио­нально их длине:

Ф = Ф_у1, (4.17)

где Ф_у — удельный параметр, отнесенный к единице длины подогревателя; l — длина подогревателя, м.

Удельный параметр Ф_у зависит в основ­ном от отношения площадей сечений труб­ного и межтрубного пространств и практи­чески не зависит от удельной площади по­верхности нагрева, приходящейся на еди­ницу длины подогревателя, т.е. от номера или диаметра корпуса подогревателя. Пара­метр подогревателя остается практически постоянным в широком диапазоне измене­ния W_б и W_M [39, 101].

Для всех типоразмеров секционных водо-водяных подогревателей, приведен­ных в приложении 20, можно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Ф_у = 0,1 1/м при чистой поверх­ности нагрева, т.е. при отсутствии на ней накипи и загрязнений.

Можно также принимать для всех типо­размеров пластинчатых подогревателей, приведенных в приложении 21, практиче­ски одно и то же значение удельного пара­метра одного канала Ф_у = 1 1/м.

Для пароводяных подогревателей и паро­воздушных калориферов, в которых имеет место конденсация греющего пара, при тур­булентном течении нагреваемой среды мож­но принимать в (4.14) m_l = 0, т₂ = 0,33—0,5.

Для водовоздушных калориферов при турбулентном течении теплоносите­лей можно принимать m_l = 0,12—0,20 и т_г = 0,33—0,5.

Рис. 4.4. Зависимость  = f(Ф, W_M /W_б) для противоточных водо-водяных подогревателей при

W_M /W_б = 0,75; Ф = 2;  = 0,716

Из совместного решения (4.9) и (4.15) выводится предложенная автором формула для расчета коэффициента эффективности противоточных водо-водяных подогре­вателей

(4.18)

Зависимость  = f(Ф, W_M /W_б) приведена на рис. 4.4. Зная эквиваленты W_M и W₆, пара­метр подогревателя Ф и температуры грею­щей и нагреваемой сред ₁ и t₂ на входе в тешюобменный аппарат, легко с помо­щью рис. 4.4 или (4.18) определить значе­ние , а затем по (4.6) — тепловую нагрузку аппарата при любом режиме.

Рассмотрим некоторые задачи из области те­плоснабжения, решаемые однозначно на основе уравнения характеристики теплообменных ап­паратов.

К этому классу задач относятся следующие:

1. Определение тепловой производитель­ности теплообменного аппарата (нагрузки) Q при данных эквивалентах расхода теплоносите­лей W_M и W₆, максимальной разности температур  и параметре подогревателя Ф. Вначале на­ходят  по (4.9) или (4.18), а затем Q по (4.6) Q = W_M ,.

2. Определение максимальной разности тем­ператур  при заданных эквивалентах W_M и W₆, тепловой нагрузке Q и параметре подогревателя Ф. Находят  по (4.9) или (4.18), а затем  по (4.6) Q = W_M ,

3. Определение комплекса kF или параметраподогревателя Ф при заданных эквивалентах W_М

и W₆, тепловой нагрузке Q, максимальной разно­сти температур  и противоточной схеме движе­ния теплоносителей.

Как видно из рис. 4.2, t_б = - t_M ; t_М = - t_Б ;

Из уравнения теплового баланса

Q= W_Б t_M ; Q= W_М t_Б (4.19)

откуда

t_M =Q/ W₆; t_Б =Q/ W_M.;

Из уравнения теплопередачи

(4.20)

Из совместного решения следует

(4.21)

По найденному значению kF с помощью (4.16) находят параметр теплообменного аппарата.

Аналогично может быть решена задача для прямоточной схемы.

4. В некоторых задачах приходится опреде­лять неизвестное значение эквивалента расхода одного из теплоносителей W_H по заданным зна­чениям : эквивалента расхода другого теплоноси­теля W_З максимальной разности температур , тепловой нагрузки Q, параметра подогревателя Ф. В частности, такая задача возникает при рас­чете режима регулирования водо-водяных по­догревателей горячего водоснабжения, когда по заданному расходу вторичного (нагреваемого) теплоносителя W₃ = W_B необходимо найти неиз­вестный расход первичного (греющего) теплоно­сителя W_n = W_H.

Сложность решения такой задачи в том, что заранее неизвестно, что больше, W₃ или W_H, и по­этому нельзя непосредственно воспользоваться уравнением (4.18).

Такого типа задачи могут быть решены сле­дующим образом.

Определяют тепловую нагрузку аппарата Q* из условия равенства эквивалентов расхода греющей и нагреваемой сред, т.е. при W_H = W_З

Если заданное значение Q < Q*, то при заданных условиях W_H < W₃; если Q > Q*, то W_H > W₃; при Q = Q* W_H=W_З

С помощью (4.6) и (4.18) выводят уравнение для расчета Q* секционных водо-водяных подог­ревателей: на основе (4.18) при W_М = W_Б;

(4.22)

Когда Q > Q*, что соответствует то W_H > W₃ значение W_Н находят по формуле

(4.23)

Когда Q < Q₃ что соответствует W_H < W₃, зна­чение W_H находят по формуле

(4.24)

Тепловую нагрузку отопительных уста­новок при любом режиме работы определя­ют по (4.6) и (4.12).

Режимный коэффициент радиаторных отопительных установок определяется по формуле

(4.25)

где Ф₀ — параметр отопительной установки;

—отношение расхода теп­лоты на отопление при данном режиме к рас­ходу теплоты на отопление при основном ре­жиме. Обычно в качестве основного режима для отопления принимают режим при рас­четной наружной температуре t_н.о. В этом случае ; -отношение эквивалента расхода сетевой во­ды на отопление при данном режиме к эквиваленту расхода сетевой воды на отопление при расчетном режиме, т.е. при наружной температуре t_н.о .

Параметр отопительной установки опре­деляется по формуле

, (4-26)

где и — перепад температур сете­вой воды в отопительной установке и сред­няя разность температур в отопительном приборе между греющей водой и воздухом в отапливаемом помещении при расчетном режиме, т.е. при наружной температуре t_н.о

В большинстве случаев в системах цен­трализованного теплоснабжения жилых и общественных зданий

=150-70=80 С

=(95+70)/2-18=64.5 С

Ф₀=80/64.5=1.24; u=2.2;

В зависимости от типа отопительных приборов и схемы их присоединения к стоякам отопительной установки значе­ние показателя степени в формуле (4.25) п= 0,17—0,33. В большинстве случаев п = 0,25, в этих условиях (4.25) принимает вид

(4.27)

На рис. 4.5 показана зависимость коэф­фициента эффективности отопительных ус­тановок _о от режимного коэффициента w и коэффициента смешения и.

В соответствии с (4.6) формула для расчета тепловой на­грузки отопительных установок при любом режиме их работы принимает вид

(4.28)

где — температура сетевой воды перед смесительным устройством отопительной установки, °С; t_B — внутренняя температу­ра отапливаемых помещений, °С.

Рис. 4.5. Безразмерная удельная тепловая нагруз­ка отопительных установок

а - ₀=f(w); ; u=2.2; w=1.5; ₀=0.67.

В частном случае при качественном ре­гулировании (W₀ = 1) и Ф₀ = 1,24, и - 2,2

По (4.12)

Внутренняя температура отапливаемых помещений t_В представляет собой функ­цию теплового режима здания, определяе­мого в первую очередь тепловой нагрузкой отопительной установки и тепловыми по­терями здания через наружные огражде­ния. Однако возможные в условиях нор­мальной эксплуатации отклонения t_В от расчетной температуры очень малы по сравнению с максимальной разностью температур . Поэтому на практи­ке при определении Q₀ по (4.28) можно принимать t_В равной t_{B p} (для жилых зданий t_В.р.= 18 ⁰С

Точное значение внутренней температу­ры t_В при установившемся тепловом режи­ме здания при любых параметрах теплоно­сителя на абонентском вводе при зависи­мой схеме присоединения отопительных установок

(4.29)

где q₀V— произведение удельной теплопотери здания на его наружный объем или, что то же самое, теплопотеря здания в еди­ницу времени на 1 °С разности внутренней и наружной температур.

Из совместного решения уравнений (4.28) и (4.29) выводится формула для рас­чета тепловой нагрузки отопительных уста­новок, присоединенных к тепловой сети по зависимой схеме, при установившемся теп­ловом режиме, т.е. при равенстве теплопотерь здания в окружающую среду теплопритоку в отапливаемые помещения от нагревательных приборов.

(4.30)

Как видно из (4.30), тепловая нагрузка отопительных установок возрастает при снижении t_н и увеличении ₀, W₀ , q₀V.

Если выразить ₀ по зависимости (4.12) и (4.25) и заменить q₀ V отношением

то из (4-30) выводится пред­ложенное автором уравнение характеристи­ки отопительных установок с учетом режи­ма работы смесительного узла присоедине­ния к тепловой сети

(4.31)

где

-относительные расходы теплоты и сетевой воды на отопление;

Q₀ и W₀ — фактические расходы теплоты и фактические эквивален­ты расхода сетевой воды на отопление;

Q'₀ и W₀ ^/ — те же величины при расчетном ре­жиме, т.е. при расчетной наружной темпе­ратуре t_{н 0}.

Напомним:

где ^/— расчетный перепад температур те­плоносителя в нагревательных приборах отопительной установки.

Из совместного решения (4.31) и (4.6) выводится также предложенное автором уравнение характеристики отопительных установок, присоединенных к тепловой се­ти по независимой схеме, с учетом режима работы отопительного теплообменника и смесительного узла (рис. 4.6):

(4.32)

где _т1 — температура сетевой воды на вхо­де в отопительный теплообменник °С; _T —

коэффициент эффективности отопительно­го теплообменника [см. (4.9) и (4.18)]; W'₀ —

эквивалент расхода нагреваемой воды в отопительном теплообменнике при рас­четном режиме, т.е. при наружной темпера­туре t_{H 0}; w_m — меньшее значение эквива­лента расхода теплообменивающихся пото­ков теплоносителя в отопительном теплооб­меннике.

Рис. 4.6. Схема независимого присоединения отопительной установки к тепловой сети

1 — отопительный теплообменник; 2 — циркуляцион­ный насос отопительной установки; 3 — отопительная установка; 4 — элеватор

Уравнения (4.31) и (4.32) универсальны. Они позволяют определять тепловую на­грузку отопительной установки при любых расходах и температурах сетевой воды на входе в установку. Задача решается мето­дом последовательных приближений, так как неизвестное значение входит в пра­вую и левую части уравнений.

С помощью (4.31) выводится формула для определения температуры сетевой воды перед отопительной установкой при зависи­мой схеме присоединения к тепловой сети

(4-33)

Если в (4.33) принять

то получим формулу для определения рас­четной температуры сетевой воды перед отопительной установкой при зависимой схеме присоединения. Эта температура удовлетворяет условию равенства теплопритока от нагревательных приборов теплопотерям зданий при любом режиме регу­лирования отопительной нагрузки:

(4.33а)

Температура сетевой воды на выходе из отопительной установки при любом режи­ме работы

(4.34)

В частности при

(4.34а)

Аналогично с помощью (4.32) выводит­ся формула для определения температуры сетевой воды перед отопительным теплооб­менником при независимой схеме присое­динения отопительной установки к тепло­вой сети (см. рис. 4.6)

(4.35)

Температура сетевой воды на выходе из отопительного теплообменника

(4.36)

где — перепад температур греющей сре­ды в отопительном теплообменнике при расчетной отопительной нагрузке, т.е. при расчетной наружной температуре t_но;

W_T — эквивалент расхода греющей среды в отопительном теплооб­меннике при данном режиме; W'_T — то же при расчетной отопительной нагрузке.

Внутренняя температура отапливаемых помещений при установившемся режиме

(4.37)

Пример 4.1. Расчетные данные отопитель­ной установки жилого дома; Q₀' = 1,74 МДж/с =

= 1,5Гкал/ч; = 64,5⁰C; = 80°C; t_HO = -35°C. Коэффициент смешения и = 2,2. Расчетная внутренняя температура t _B.P. = 18 °С. Отопи­тельная установка присоединена к тепловой се­ти по зависимой схеме. Определить тепловую нагрузку этой отопительной установки и темпе­ратуру воздуха в отапливаемых помещениях t_B при W₀ = 13 800 Дж/(с • К) = 12 000 ккал/(ч • °С), _о1 = 80 °С и t_H = -2 °С.

Решение. Находим эквивалент расхода се­тевой воды при расчетном режиме, т.е. при

t_н.о = -35 °С

=1.74*10⁶ / 80=21800 Дж/(с*К)

Задаемся предварительно значением относи­тельной отопительной нагрузки = 0,35. По рис. 4.5, б находим = 0.8

Относительная тепловая нагрузка установки при заданном режиме по (4.31)

=(80+2)/(18+35+64.5/0.8+(2.7/3.2) 80 * 21800 / 13800)=0.33

Это значение близко к предварительно при­нятому, поэтому его не уточняем.

Искомая тепловая нагрузка отопительной ус­тановки

Q₀ = 0,33 • 1 740 000 = 580 000 Дж/с = 500 000 ккал/ч.

Определяем по (2.5)

q₀V= 1 740 000/(18 + 35) = 32 800 Дж/(с • К).

Находим по (4.37) внутреннюю температуру отапливаемых зданий

= -2+580000/32800=15.6 С.

Пример 4.2.

Определить тепловую нагруз­ку отопительной установки и температуру внутреннего воздуха в том же здании при его присоединении к тепловой сети по независи­мой схеме, при эквиваленте расхода греющей сетевой воды через отопительный теплооб­менник W_Т = 13800 Дж/(с • К), температуре сетевой воды на входе в теплообменник _т1 = 80 °С t_H = -2 °С. Эквивалент расхода на­греваемой воды через отопительный теплооб­менник W₀=21 800 Дж/(с • К). Параметр отопи­тельного теплообменника Ф_т = 6.

Решение. Находим коэффициент эффектив­ности отопительного теплообменника по (4.18)

Принимаем предварительно = 0,35; = 0.8

Определим по (4.32):

Как при зависимой схеме присоединения отопительной установки, так и при независимой схеме в данном случае

Q₀ = 0,33 • 1 740 000 = 580 000 Дж/с;

t_B = -2 + 580000/32800= 15,6 °C.

Это объясняется тем, что площадь поверхно­сти нагрева отопительного теплообменника дос­таточно велика, Ф_т = 6. При установке отопи­тельного теплообменника с меньшей поверхностью нагрева подача теплоты в отопительную установку снизится.

Так, если принять меньшее значение пара­метра подогревателя, например Ф_т = 3, _т= 0,88,

= 0,31, то Qo= 540000 Дж/с, что на 7 % ниже чем в первом случае. Снизится при этом также внутренняя температура отапливаемых помеще­ний до t_B= 14,4°C.

Перейдем к отдельным методам цен­трального регулирования.

Сначала рассмотрим задачу примени­тельно к однородной тепловой нагрузке, при которой теоретически можно ограни­читься только одним центральным регули­рованием. Затем изучим возможные методы регулирования разнородной тепловой на­грузки, когда при применении двухтрубных тепловых сетей невозможно качественное и экономичное теплоснабжение без дополнительного группового, местного и (или) индивидуального регулирования.

4.4. Центральное регулирование однородной тепловой нагрузки

В нашей и во многих других странах отопление в большинстве районов — ос­новной вид тепловой нагрузки, а в некото­рых случаях — единственная тепловая на­грузка.

Доля других видов тепловой нагруз­ки, например горячего водоснабжения и вентиляции, в период отопительного сезона обычно существенно ниже отопительной нагрузки. Поэтому в основу центрального регулирования часто закладывается закон изменения отопительной нагрузки от тем­пературы наружного воздуха.

В районах с преобладающей отопи­тельной нагрузкой центральное регулиро­вание отпуска теплоты целесообразно осу­ществлять по эквивалентной наружной тем­пературе.

Под эквивалентной наружной темпера­турой t_{H э} понимается наружная температу­ра, при которой теплопотери зданий от теп­лопередачи через наружные ограждения равны фактическим теплопотерям этих зда­ний с учетом инфильтрации холодного воз­духа и солнечной радиации.

Данной наружной температуре t_Н в зависимо­сти от интенсивности инфильтрации и солнеч­ной радиации соответствуют различные эквива­лентные наружные температуры t_{a г}

Эквивалентная наружная температура

t_Н.Э = t_Н -t_ИН -t_С.Р ,

где t_ИН — перепад температур, учитывающий эффект инфильтрации, °С,

t_ИН=( t_В.Р -t_Н)

 — коэффициент инфильтрации [см. (2.19)];

— перепад температур, учитывающий эф­фект солнечной радиации, °С,

а — коэффициент поглощения солнечных лучей наружной поверхностью ограждающих конструкций, равный отношению поглощенной лучистой энергии к падающей энергии;

q_c.р — удельная интенсивность солнечной радиации на данную поверхность, Вт/м или ккал/(м • ч);

_н — коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к поверхности наружных ограждений, Вт/(м² • К) или ккал/(м² • ч • °С).

Для серых тел, какими обычно являются сте­ны зданий и окисленное железо, а = 0,7 — 0,9; для оцинкованного железа а = 0,6 — 0,8; для красной и коричневой черепицы а = 0,65 — 0,75.

Примерные максимальные значения q_c.р в районах Закавказья составляют:

верхние перекрытия .... 1000 Вт/м [860 ккал/(м² • ч) ]

вертикальные ограждения, ориентированные на юг, восток и запад ................ 600 Вт/м [520 ккал/(м² • ч)];

вертикальные ограждения, ориентированные на север ......... 150 Вт/м² [130 ккал/(м² • ч)].

При расчете t_Н.Э- Эквивалентной наружной температуры для центрального регулиро­вания учитывается только рассеянная солнечная радиация q_e = 150 Вт/м [130ккал/(м -ч)].

Центральное регулирование отопи­тельной нагрузки.

Задача регулирования состоит в поддержании расчетной внутрен­ней температуры t_B в отапливаемых поме­щениях.

Рассмотрим три теоретически воз­можных метода центрального регулиро­вания отопительной нагрузки: