6.3.3 Оборудование тепловых пунктов жилищно- коммунального сектора

1. Расчет и выбор смесительного узла отопительной системы.

В курсовом проекте принято производить регулирование отпуска теплоты по совмещенной тепловой нагрузке (раздел 3), когда в основной период отопительного сезона, , проводят качественный метод регулирования по повышенному для ЗВС или скорректированному для ОВС температурным графикам и лишь в межсезонье при – количественный метод регулирования. Т. е. принятый режим регулирования предусматривает первый режим работы смесительного узла (п. 6.2.2): в период, когда смешение рабочей и инжектируемой воды осуществляют с помощью элеватора с постоянным коэффициентом смешения, а в период межсезонья включают смесительный насос, когда появляется необходимость в количественном регулировании с переменным коэффициентом смешения.

Для зависимых схем присоединения отопительных систем к тепловой сети, принятых в курсовом проекте для ЗВС и ОВС, и использовании в системе теплоснабжения как ЦТП, так и ИТП (рисунок 6.1) первый режим регулирования реализуют путем установки смесительного насоса в перемычке на ЦТП и элеваторного смесительного узла на ИТП (рисунок 6.15).

Рисунок 6.15 Принципиальная схема теплоснабжения жилого района с ЦТП и ИТП для обеспечения первого режима регулирования

1 – ЦТП жилого района со смесительным насосом в перемычке;

2 – ИТП жилых зданий с элеватором.

Выбор элеватора на ИТП жилого здания (рисунок 6.15) производят по методике, соответствующей задаче определения диаметра камеры смешения , м, и сопла элеватора , м в условиях полного использования располагаемой разности давления в сопле элеватора , Па.

Так как в основной период отопительного сезона, , смесительный насос на ЦТП отключен, то расчетные расходы рабочей и смешанной воды через элеватор определяют по величине расчетной отопительной нагрузки жилого здания, в котором размещено ИТП

(6.5)

(6.6)

где расчетный рабочий расход воды соответственно массовый, кг/с, и объемный, м³/с;

расчетный расход смешанной воды соответственно массовый, кг/с, и объемный, м³/с;

расчетная отопительная нагрузка жилого здания, Вт (раздел 1);

соответственно удельная теплоемкость, Дж/(кг·К), и плотность, кг/м³, воды ( 975 кг/м³);

отопительный температурный график соответственно в подающем и обратном трубопроводах и за элеватором, °С (раздел 3).

Расход инжектируемой воды получаем согласно (5.3, 5.4) как .

Сопротивление отопительной системы определяют как Па·с²/м⁶, где падение давления для данной системы, обычно принимаемой (10…20)·10³ Па.

Зная , определяют диаметр камеры смешения, м, элеватора

(6.7)

По вычисленному значению (6.7) подбирают элеватор с ближайшим стандартным значением (таблица 6.4).

Таблица 6.4

Серийные элеваторы ВТИ-Теплосеть Мосэнерго

Номер элеватора	№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7
d3, мм	15	20	25	30	35	46	59

Коэффициент смешения элеватора

, (6.8)

Диаметр выходного сечения сопла, м, определяют методом последовательных приближений, приняв первоначально величину близкой единице, например, 1,02,

, (6.9)

После определения по (6.9) переопределяют и вновь вычисляют и т. д. Обычно достаточно двух приближений.

В открытых водяных системах (ОВС) расход рабочей воды в элеваторе на уровне (раздел 3), устанавливают только на период, когда температура наружного воздуха находится в третьем диапазоне регулирования . А во втором диапазоне расход рабочей воды в элеваторе есть переменная величина.

В диапазоне регулирования расход рабочей воды необходимо менять по закону

, (6.10)

Изменение расхода рабочей воды по (6.10) выполняют путем изменения перепада давления в сопле элеватора . Коэффициент смешения при постоянных геометрических параметрах элеватора , и постоянном сопротивлении отопительной системы также есть величина постоянная, т. к. при изменении меняется и пропорционально этому меняется расход смешанной воды .

Для обеспечения необходимого теплового и гидравлического режимов работы отопительной системы жилого здания (рисунок 6.15) рабочий перепад давления в соответствии с (6.10) меняют следующим образом

, (6.11)

,

где сопротивление сопла элеватора, Па·с²/м⁶;

коэффициент скорости сопла;

площадь выходного сечения сопла, м².

Изменение по закону (6.11) осуществляют с помощью приборов автоматизации процессов регулирования отпуска теплоты.³

Для этой цели, например, можно использовать регулятор давления на базе вычислителя ВКТ-5 фирмы «Теплоком» (Россия). Тепловычислитель производит вычисление управляющего воздействия на основе сигналов, поступающих от датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха. Управляющее воздействие передается на электропривод регулирующего клапана, которое изменяет величину .

Среди импортных приборов широко известен погодный компенсатор серии ECL COMFORT 300 фирмы «Danfoss» (Дания) в комплекте с датчиками температуры наружного воздуха и регулирующими клапанами (рисунок 5.9).

1

3

2

4

5

6

Рисунок 6.16 Приборы и устройства для автоматизации

отпуска теплоты в ИТП

1 – погодный компенсатор ECL COMFORT 300; 2 – клапан регулирующий двухходовой с наружной резьбой VM 2;

3 – клапан регулирующий двухходовой фланцевый VB 2;

4 – клапан регулирующий двухходовой фланцевый VF 2;

5 – электроприводы для VM 2, VB 2; 6 – электроприводы

для VF 2, VF 3.

Погодный компенсатор ECL COMFORT 300 является двухканальным регулятором для управления клапанами и насосами систем отопления и ГВС.

Регулирующие клапаны двухходовые типа VM-2 с наружной резьбой =15…50 мм применяют для работы в системах теплоснабжения с температурой воды 150°С, давлением 2,5 МПа, перепадом давления 1,6 МПа и расходами воды =6,94·10^-5…6,94·10^-3 м³/с. Регулирующие клапаны двухходовые типа VB-2 – =15…50 мм; 150°С; 2,5 МПа; 1,6 МПа; =6,94·10^-5…1,11·10^-2 м³/с. Регулирующие клапаны двух- и трехходовые типа VF-2 – первая серия =65…100 мм; 120°С; 1,6 МПа; =1,8·10^-2…4,0·10^-2 м³/с; вторая серия =125…150 мм; 200°С; 1,3 МПа; =6,1·10^-2…8,9·10^-2 м³/с. Регулирующие клапаны работают под действием электроприводов типа AMV (рисунок 6.16). Выбранный регулирующий клапан в узле смешения ИТП устанавливают перед элеватором.

Регулирующий комплекс в диапазоне наружного воздуха от до работает следующим образом. Изменение температуры наружного воздуха регистрируется датчиком температуры. Это изменение поступает в виде сигнала в погодный компенсатор ECL COMFORT 300 и далее передается на электропривод регулирующего клапана. Клапан под действием электропривода прикрывает или приоткрывает проходное отверстие в зависимости от того повышается или понижается температура наружного воздуха. В результате изменяется количество теплоты, получаемое зданием в соответствии с меняющейся отопительной нагрузкой .

В закрытых водяных системах (ЗВС) расход воды в отопительных системах (раздел 3) в диапазоне температуры наружного воздуха есть величина постоянная. Т. е. расход рабочей воды в элеваторе весь указанный период времени поддерживается постоянным на уровне расчетного расхода воды для отопления. Для обеспечения на этот период постоянства расхода сетевой воды на отопление достаточно на ИТП жилого здания перед элеватором, между вводами на подогреватель верхней ступени, установить регулятор расхода, например, один из регулирующих клапанов типа VM-2, VB-2 или VF-2.

Выбор смесительного насоса на ЦТП. Смесительный насос, который устанавливают в перемычке между подающим и обратным трубопроводами на ЦТП для обеспечения первого режима регулирования (рисунок 6.15), как указывалось выше, включают в период межсезонья – , т. е. в период проведения количественного регулирования (раздел 2).

Расход сетевой воды на отопление и горячее водоснабжение для группы зданий, присоединенных к тому или иному ЦТП (рисунок 6.1), определяют следующим образом

для ЗВС

; (6.12)

для ОВС

, (6.13)

где тепловая нагрузка подогревателя верхней ступени при двухступенчатой последовательной схеме присоединения установок ГВС к тепловой сети, Вт.

Первые слагаемые (6.12) и (6.13) соответствуют расходам воды на отопление. Снижение расхода воды на отопление при повышении может привести к гидравлической разрегулировке местных отопительных систем жилых зданий. Во избежание разрегулировки подачу смесительных насосов изменяют таким образом, чтобы в подающем трубопроводе за ЦТП расход воды на отопление был не ниже расчетного, т. е.

, (6.14)

где расчетная отопительная нагрузка группы зданий.

Следовательно, подача смесительного насоса на ЦТП (рисунок 6.15) должна быть равной

, (6.15)

а суммарный расход воды в подающем трубопроводе за ЦТП в отличие от (6.12) и (6.13) будет равен в случае ЗВС , а в случае ОВС .

Располагаемое падение давления, которое должен развить смесительный насос в перемычке, определяется гидравлическим сопротивлением распределительной сети от ЦТП до геометрического центра группы зданий⁴. Диаметр труб и падение давления определяют по формулам, представленным в разделе 4 «Гидравлические расчеты тепловых сетей»

(6.16)

где оптимальное удельное линейное падение давления, Па/м, найденное в разделе 4;

расстояние от ЦТП до центра группы зданий, м.

По значениям подачи (6.15) и падению давления (6.16) подбирают смесительный насос на ЦТП.

В качестве таких насосов могут быть применены центробежные моноблочные линейные насосы «Иртыш-ЦМЛ 50/200-1,1/4»⁵ производительностью (1,39…83,3)10^-3 м³/с (5…300, м³/ч) и напором до 100 м для перекачивания воды с температурой до 140°С. Вес насоса серии ЦМЛ и положение его центра тяжести, а также пониженная вибрация позволяют монтировать его непосредственно на трубопроводе.

С этой же целью могут применяться центробежные насосы типа К и КМ (таблица П.21), а также насосы фирмы «Wilo» (Германия) производительностью (5,55…55,5)10^-3 м³/с (20…200 м³/ч) и напором 6…55 м для воды с температурой 80...140°С.

Б. Расчет и выбор оборудования для установок ГВС.

Закрытые водяные системы (ЗВС). В ИТП жилого здания при двухступенчатой последовательной схеме присоединения установок ГВС к тепловой сети необходимо подобрать водо-водяные подогреватели нижней и верхней ступеней. В курсовом проекте в качестве подогревателей приняты секционные теплообменники (таблица 6.5).

Подбор подогревателей проводят для точки излома согласно результатам расчета (раздел 3) по следующему алгоритму:

1. вычисляют коэффициент эффективности подогревателя верхней ступени

, (6.17)

где тепловая нагрузка в подогревателе верхней ступени;

меньший из эквивалентов расхода ;

2. определяют параметр подогревателя

; (6.18)

3. вычисляют суммарную длину секций подогревателя и число секций 4, где 0,1 – удельный параметр, а n округляют от полученного до ближайшего целого;

4. вычисляют сопротивление подогревателя и одной его секции из условия, что подогреватель будет оказывать такое же сопротивление потоку воды, как и регулятор расхода (регулирующий клапан), установленный на перемычке между вводами подогревателя

, , (6.19)

где эквивалентная длина регулятора расхода, 60,7;

4…8 – коэффициент сопротивления регулятора расхода (регулирующего клапана);

сопротивление подогревателя при пропуске сетевой воды по трубкам или межтрубному пространству, м·с²/м⁶;

– объемный расход сетевой воды, проходящий через подогреватель, м³/с.

По условиям теплопередачи рекомендуется теплоноситель с большим расходом пропускать по межтрубному пространству, а теплоноситель с меньшим расходом – по трубкам подогревателя. Формула (6.19) записана применительно к первичному теплоносителю. Поэтому, если и первичный теплоноситель пропускают по трубкам, то найденную по (6.19) величину принимают как , и наоборот, если и первичный теплоноситель пропускают по межтрубному пространству, то принимают как . По величине сопротивления ( ) (6.19) подбирают секционный водо-водяной подогреватель (таблица 6.5) такой, чтобы найденное сопротивление было не больше конструктивной характеристики, т. е. .

Аналогично по алгоритму (6.17)…(6.19) проводят подбор подогревателя нижней ступени с заменой в (6.17) на .

Рисунок 6.17 Схема водо-водяных теплообменников а – секционный; б – пластинчатый; в – тонкостенные гофрированные пластины; г – схемы движения теплоносителей.

Таблица 6.5

Секционные водо-водяные подогреватели с длиной секции 4 м

Характерис-тики одной секции	Обозначение подогревателя по ГОСТ 27590-88
	02	04	06	08	10	12	14	16
Диаметр корпуса Dн/Dв, мм	57/50	76/69	89/82	114/106	168/156	219/207	273/259	325/309
Диаметр трубок dн/dв, мм	16/14
Число и шаг трубок, n/b, 1/мм	4/21
Поверхность нагрева F, м2	0,75
sтр·10-3, м·с2/м6	1380
sмт·10-3, м·с2/м6	820

Примечания: s_тр, s_мт – сопротивление соответственно трубок и межтрубного пространства, м·с²/м⁶, подогревателя. Секционные подогреватели номеров 18, 20 и 22 выпускают по ОСТ 34-588-68 с диаметрами корпусов соответственно 377/359, 426/408 и 530/514, мм, и сопротивлениями: s_тр·10^-3 – 0,52, 0,26 и 0,11; s_мт·10^-3 – 0,26, 0,13 и 0,05, м·с²/м⁶.

Компенсация температурных деформаций. В теплообменниках с прямыми трубками, защемленными в трубных досках, возникают напряжения, вызываемые различными температурными деформациями трубок и корпуса из-за разницы в их рабочих температурах, а также разницы в коэффициентах линейного расширения металлов, из которых они изготовлены (рисунок 6.18).

Е сли при работе теплообменника разность рабочей температуры корпуса и температуры монтажа равна δt_к, а разность рабочей температуры трубного пучка и температуры монтажа δt_т, то в теплообменнике возникает разность температурных удлинений, вызывающая деформацию корпуса и трубок

(6.20)

где l – длина трубок; α_К и α_Т – коэффициенты линейного удлинения корпуса и трубок.

В общем случае разность температурных удлинений корпуса и трубок компенсируется за счет деформации корпуса, трубок и линзового компенсатора, т.е.

(6.21)

При деформации в теплообменнике возникает осевая сила

(6.22)

где Δ – разность температурных удлинений корпуса и трубок, м; l – длина трубки, м; f_К и f_Т – площади поперечных сечений стенок корпуса и трубного пучка, м²; Е_К , Е_Т – модули продольной упругости материала корпуса и трубок, Па; ξ_Л – жесткость линзы, Н/м.

При отсутствии линзового компенсатора ε_л = ∞ и последний член в знаменателе превращается в нуль.

Сжимающие или растягивающие напряжения, Па, возникающие в корпусе и трубках, определяются по формулам

(6.23)

Рисунок 6.18 Схема теплообменника с прямыми трубками.

Рисунок 6.19 Схема изменения температуры теплоносителей в противоточных аппаратах WП – эквивалент расхода; WВ – эквивалент расхода вторичного (нагреваемого) теплоносителя.

На вводе в подогреватель верхней ступени устанавливают регулятор температуры. Например, в качестве регулятора температуры может быть использован погодный компенсатор ECL COMFORT 300 и соответствующий регулирующий клапан (VM-2, VB-2 или VF-2). Один канал ECL COMFORT 300, как было отмечено выше, используют для регулирования расхода воды на отопление, а второй задействуем для регулирования воды на горячее водоснабжение.

Открытые водяные системы (ОВС). В ОВС отпуск теплоты на ГВС осуществляют путем отбора воды из подающего и обратного трубопроводов тепловой сети (раздел 3). В первом диапазоне регулирования весь расход воды на ГВС поступает из подающего трубопровода. Во втором диапазоне часть воды в количестве , где , поступает из подающего трубопровода, а – из обратного трубопровода. В третьем диапазоне весь расход воды на ГВС поступает из обратного трубопровода. Для обеспечения указанного режима регулирования перед смесительным узлом устанавливают регулятор температуры, который выполняется таким же образом, как и в ИТП в составе ЗВС.

Основная задача расчета ГТП и МТП водяных систем теплоснабжения заключается в определении расчетных расходов теплоносителей, в выборе типоразмеров подогревателей, насосных установок и смесительных устройств. Расход теплоносителя зависит от схем присоединения. Но при любой схеме присоединения установок горячего водоснабжения расчетный расход сетевой воды на тепловой подстанции не может быть меньше расчетного расхода воды на отопление при наружной температуре t_н.о.

При наличии у абонентов аккумуляторов, выравнивающих нагрузку горячего водоснабжения, Q^р_г = Q^ср.н_г.

При отсутствии аккумуляторов горячей воды у абонентов значение Q^р_г принимается равным:

при параллельной и смешанной схемах – максимальной нагрузке горячего водоснабжения;

при двухступенчатой и предвключенной схемах – «балансовой» нагрузке горячего водоснабжения, Q^р_г = χ_бQ^ср.н_г, где χ_б – поправочный коэффициент для компенсации небаланса теплоты на отопление, вызываемого неравномерностью графика горячего водоснабжения.

Значение χ_б зависит от характера суточного графика горячего водоснабжения и схемы присоединения абонентской теплопотребляющей установки к ТС.

Для предварительных расчетов можно принимать при двухступенчатой последовательной схеме χ_б = 1,1÷1,2.

Рисунок 6.20 Схема абонентского ввода с параллельным присоединением отопительной установки и установки

горячего водоснабжения

1 – подогреватель горячего водоснабжения;

7 – регулятор расхода или регулятор системы отопления;

остальные обозначения те же, что и на рисунке 6.1.

Рисунок 6.21 Схема абонентского ввода с двухступенчатым смешенным присоединением установки горячего водоснабжения

и отопительной установки

7 – регулятор расхода или регулятор системы отопления;

остальные обозначения те же, что и на рисунке 6.1.

Рисунок 6.22 Схема абонентского ввода с двухступенчатым последовательным присоединением установки горячего водоснабжения и отопительной установки;

обозначения те же, что и на рисунке 6.1.