Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdf
Для большинства рассмотренных вертикальных однотрубных систем отопления характерно одностороннее присоединение приборов к стоякам. Это, хотя и увеличивает число стояков, однако позволяет унифицировать узлы обвязки приборов, как по диаметру, так и по длине труб, что необходимо для интенсификации производства при массовом обезличенном изготовлении деталей. Кроме того, отопительные приборы из гладких труб малого диаметра (здесь им уподобляются трубы стояков) имеют повышенный коэффициент теплопередачи по сравнению с другими видами отопительных приборов; Следовательно, при увеличении числа открыто прокладываемых стояков уменьшаются размеры основных отопительных приборов.
На основании полученных формул можно сделать следующие выводы:
- в циркуляционных кольцах вертикальных однотрубных систем водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, возрастает с увеличением числа последовательно соединенных отопительных приборов и действует как единая величина, влияющая в равной степени на циркуляцию воды через все отопительные приборы каждого стояка;
- в малых циркуляционных кольцах отопительных приборов в вертикальных однотрубных системах с замыкающими участками возникает дополнительное естественное циркуляционное давление, зависящее от высоты прибора и степени охлаждения воды в нем. Это давление способствует затеканию воды в приборы при движении воды в стояке сверху вниз и противодействует ему при движении воды снизу - вверх.
2.Вертикальные двухтрубные системы отопления
Схемы двухтрубной системы отопления с верхней и нижней разводкой изображены на рис. 6.4. В такой системе для каждого из приборов образуется отдельное циркуляционное кольцо, т.е. число циркуляционных колец в системе равно числу приборов. На рис. 7,23 приведены расчетные схемы двухтрубных стояков с верхней разводкой для двухэтажного (рис. 7.23, а) и с нижней разводкой для N-этажного здания (рис. 7.23, б). Нетрудно заметить, что в подобных кольцах двухтрубных систем как с верхней, так и с нижней разводкой возникает одинаковое естественное циркуляционное давление. Его значение в каждом циркуляционном кольце определяется вертикальным расстоянием между центрами охлаждения и нагревания.
В циркуляционных кольцах через отопительные приборы на первом этаже возникает естественное давление (см. вывод формулы (7.25))
где ht - вертикальное расстояние между центром охлаждения воды в приборах на первом этаже и центром ее нагревания в системе отопления.
201
Рис. 7.23. Расчетная схема вертикальной двухтрубной системы водяного отопления: а - с верхней разводкой подающей магистрали; б - с нижней разводкой обеих магистралей
В циркуляционных кольцах через отопительные приборы на втором этаже
где h2 - вертикальное расстояние между центрами охлаждения воды в приборах на втором и первом этажах.
При нижней разводке в кольцах через отопительные приборы на верхнем N-м этаже действует максимальное естественное циркуляционное давление
Сравнивая написанные формулы, установим, что в циркуляционном кольце какого-либо прибора, расположенного выше другого, возникает дополнительное естественное давление, пропорциональное вертикальному расстоянию между центрами охлаждения воды в этих приборах. Положение центра охлаждения в верхних отопительных приборах на рис. 7.23, 6 установлено по оси подводок к ним. Неоднородность плотности воды по высоте этих приборов вызывает лишь внутреннюю циркуляцию в приборах и не отражается на циркуляции воды в стояке.
На основании полученных формул сделаем вывод, что в вертикальных двухтрубных системах водяного отопления естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, различно по значению и независимо по действию для циркуляционных колец приборов, находящихся на разной высоте. Следова-
202
тельно, в таких системах естественное давление неодинаково влияет на циркуляцию воды через каждый прибор, что в результате может нарушать заданное (расчетное) распределение по приборам воды, подаваемой в стояки насосом. В этом причина наблюдаемой на практике вертикальной тепловой неустойчивости не отрегулированных систем отопления с двухтрубными стояками.
3. Горизонтальные однотрубные системы отопления
В горизонтальных однотрубных системах отопления многоэтажных зданий (см. рис. 6.5) последовательно соединенные приборы на каждом этаже, образующие ветвь, располагаются на одной и той же высоте над центром нагревания. Промежуточное изменение температуры и плотности в ветви по горизонтали вследствие охлаждения воды в приборах не отражается на значении естественного циркуляционного давления, которое определяется в зависимости от разности гидростатического давления в стояках (вертикальных участках). В горизонтальных однотрубных системах с приборами, соединенными по проточной (на рис. 7.24, а показано на первом этаже) и по проточно-регулируемой схемам (на рис. 7.24, а - на втором этаже) естественное циркуляционное давление различно в кольцах через ветви на каждом этаже (см. формулы (7.33) - (7.35)): через ветвь на первом этаже
через ветвь на втором этаже
и т.д.
В горизонтальной однотрубной системе с замыкающими участками у приборов (на рис. 7.24, а - на третьем этаже) также возникает различное естественное циркуляционное давление в кольцах через ветви на каждом этаже (формулы те же, высота - до условных центров охлаждения, изображенных на рисунке жирными точками). Кроме того, действует дополнительное естественное давление в малом циркуляционном кольце каждого прибора. Его определяют по формуле, написанной по адалогии с формулой (7.30):
где h' - вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения воды в приборе и в ветви (см. рис. 7.24, а).
Формулы (7.33)-(7.35) относятся также к горизонтальной бифилярной схеме ветви, изображенной на рис. 7.24, б.
В горизонтальных двухтрубных системах отопления естественное циркуляционное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах, определяют по формуле (7.33). Величина этого давления незначительна и учитывается оно, прежде всего, в системах отопления с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий.
203
Рис. 7.24. Расчетная схема горизонтальной однотрубной системы водяного отопления: а -
спроточной ветвью на первом этаже, с проточно-регулируемой ветвью на втором этаже и
светвью, имеющей осевые замыкающие участки, на третьем этаже; б - с бифилярной ветвью
Естественное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления является составной частью общего циркуляционного давления, создающего необходимую циркуляцию воды. Общее циркуляционное давление, действующее в расчетных условиях циркуляции, называют расчетным.
§ 7.5. Расчетное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления
Под расчетным понимают то значение общего циркуляционного давления, которое выбрано для поддержания расчетного гидравлического режима в системе отопления. Расчетное циркуляционное давление выражает располагаемую разность давления (насосного и естественного), которая в расчетных условиях может быть израсходована на преодоление гидравлического сопротивления движению воды в системе отопления.
Разность давления, создаваемая насосом (насосное циркуляционное давление), постоянна в определенной рабочей точке его характеристики (см. рис. 3.11). Естественная разность
204
давления (естественное циркуляционное давление) переменна и подвержена непрерывному изменению в течение отопительного сезона из-за возрастания или убывания различия в плотности воды в разных частях системы. Следовательно, общее циркуляционное давление также переменно, и задачей является выбор его значения в качестве расчетного.
Расчетное циркуляционное давление рр в системе водяного отопления в общем виде можно определить по формуле
или
где рн - циркуляционное давление, создаваемое насосом (см. § 3.4) или передаваемое в систему отопления через смесительную установку (см. § 3.5); ре.пр, ре.тр - естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды (нагретой до расчетной температуры) соответственно в отопительных приборах и в трубах циркуляционного кольца системы (см. §§ 7.4 и 7.3); Б - поправочный коэффициент, учитывающий значение естественного циркуляционного давления в период поддержания расчетного гидравлического режима в системе (Б≤1).
Воздействие переменного естественного циркуляционного давления вызывает отклонение от расчетного гидравлического режима системы, что отражается на количестве протекающей воды и в итоге на теплопередаче приборов.
По характеру воздействия естественного циркуляционного давления на расход воды (см. выводы в § 7.4) все насосные системы отопления многоэтажных зданий можно разделить на две группы:
вертикальные однотрубные и бифилярные;
горизонтальные однотрубные и бифилярные, двухтрубные системы. Расчетный гидравлический режим в этих группах систем приурочен к различным периодам отопительного сезона.
Для вертикальных однотрубных и бифилярных насосных систем (а также для любого вида систем отопления с естественной циркуляцией воды) этот период соответствует температуре наружного воздуха tн.р, расчетной для отопления зданий в данной местности. При этой температуре естественное циркуляционное давление в системах достигает своего максимального значения (Б=1). Тогда формула (7.37) для определения расчетного циркуляционного давления в системах отопления первой группы принимает вид
Для горизонтальных однотрубных и бифилярных, двухтрубных насосных систем отопления расчетный гидравлический режим отнесен к периоду наиболее длительного стояния одной и той же температуры наружного воздуха (см. рис. 1). Для большинства районов России это температура близка к средней температуре отопительного сезона. В Москве, например, такая температура наружного воздуха удерживается свыше 2500 ч, т.е. около половины отопительного сезона. При этой температуре наружного воздуха в системе отопления возникает естественное циркуляционное давление, составляющее около 40 %
205
максимального его значения. Поэтому для второй группы насосных систем отопления в формуле (7.37) принимают Б=0,4 и тогда
Выбор разных периодов отопительного сезона для гидравлического расчета двух различных групп систем водяного отопления делается с целью сохранить возможно дольше необходимую теплоотдачу отопительных приборов. Это одно из мероприятий, способствующих эффективности отопления здания.
Эффективность отопления здания связана с поддержанием заданной температуры помещений в течение требуемого периода времени при нормальных условиях эксплуатации. Заданная температура помещений может быть обеспечена только при строгом соответствии теплоотдачи отопительных приборов расчетным предположениям в течение всего отопительного сезона. Следовательно, эффективность отопления обусловливается, прежде всего, надежностью системы отопления.
Надежная система отопления должна отвечать условиям безотказности, ремонтопригодности и долговечности. Но, кроме того, надежная система должна обладать тепловой устойчивостью.
Под тепловой устойчивостью системы, структура которой не нарушается (не проводятся отключения частей, изменения площади приборов и т.п.), понимается ее свойство пропорционально изменять теплоотдачу всех отопительных приборов при изменении температуры и расхода теплоносителя в течение отопительного сезона.
Большей тепловой устойчивостью отличаются системы первой группы - вертикальные однотрубные и бифилярные. Однако, чтобы обеспечить достаточно устойчивую их работу, при эксплуатации этих систем нужно уменьшать расход циркулирующей воды одновременно с понижением ее температуры. Так, в теплый период отопительного сезона расход воды в стояках следует уменьшать до приблизительно 60 % расчетного (рис. 7.25). Для такого изменения параметров теплоносителя необходимо проведение автоматического качественно-количественного регулирования в течение всего отопительного сезона.
В большинстве случаев автоматического количественного регулирования не предусматривают и роль естественного регулятора расхода воды предоставляют выполнять естественному циркуляционному давлению. Его значения уменьшаются по мере уменьшения разности температуры горячей и охлажденной воды (на рис. 7.25, например, от 25 °С при tн = -30 °C до 6,5 °С при tн=10 °C). При этом сокращается расход воды во всех отопительных приборах каждого стояка (что было установлено в § 7.4). Этим объясняется, что при определении расчетного циркуляционного давления в вертикальных однотрубных и бифилярных насосных системах отопления (см. формулу (7.38)) к насосному давлению прибавляется максимальное значение естественного циркуляционного давления (Б=1).
206
Рис. 7.25. График изменения температуры и расхода воды в вертикальной однотрубной системе отопления в течение отопительного сезона: расчетные значения tг=95 °C и tо=70 °C соответствуют W=-30°C
Это положение можно пояснить рис. 7.26, где показаны характеристика циркуляционного насоса и отрезок суммарной характеристики двух "насосов" (механического и естественного), вызывающих циркуляцию воды в системе. В рабочей точке А пересечения суммарной характеристики с характеристикой системы отопления (см. §3.4) под совместным влиянием давления двух "насосов" (Δрн + ре) обеспечивается расчетный расход воды в системе Gc (при расчетной для отопления температуре наружного воздуха). По мере повышения температуры наружного воздуха естественное циркуляционное давление уменьшается (вследствие уменьшения Δt, см. рис. 7.25), сокращается и расход воды в системе (точка А на рис. 7.26 стремится к точке Б). В рабочей точке Б расход воды минимален и равен Gн (естественное давление равно нулю). Понятно, что, используя в качестве "регулятора" изменение естественного циркуляционного давления, можно лишь приблизиться (в среднем наполовину) к надлежащему количественному регулированию вертикальных однотрубных систем отопления, а оптимальный гидравлический режим в них достижим только при автоматическом регулировании.
Рис. 7.26. Характеристика насоса (рабочая точка Б) и суммарная характеристика (с учетом
207
естественного циркуляционного давления ре, рабочая точка А) применительно к вертикальной однотрубной системе отопления (расход воды изменяется от Gн до Gc)
Меньшая тепловая устойчивость присуща горизонтальным однотрубным и бифилярным и, особенно, вертикальным двухтрубным системам отопления. В циркуляционных кольцах этих систем в результате изменения различного по величине естественного циркуляционного давления заметно нарушается расчетный гидравлический режим отопительных приборов. Вода, подаваемая циркуляционным насосом в стояки, перераспределяется между ветвями и приборами. В холодный период отопительного сезона (tн<tcp.o.c) значительно увеличивается расход воды в верхней части систем при сокращении расхода в нижней части. В теплый период (tн>tcp ос) возрастает расход воды в нижней части за счет верхней.
Таким образом, в этих системах неизбежно возникает вертикальное гидравлическое и, как следствие, тепловое разрегулирование - нарушение тепловой устойчивости.
Выбор расчетного циркуляционного давления по формуле (7.39) создает условия для длительного действия отопительных приборов горизонтальных однотрубных и бифилярных, вертикальных двухтрубных насосных систем в расчетном гидравлическом режиме с сохранением тепловой устойчивости. Такой подход к выбору рр способствует также уменьшению величины вертикального теплового разрегулирования при низкой и высокой температуре наружного воздуха и сокращению продолжительности этих периодов в процессе эксплуатации систем отопления.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ
1.Почему высота расположения открытого расширительного бака, соединенного с системой водяного отопления двумя вертикальными трубами, не влияет на величину естественного циркуляционного давления в системе?
2.Сопоставьте изменение гидростатического давления в насосной системе водяного отопления в зависимости от точек присоединения открытого расширительного бака, традиционных для российской и германской практики.
3.Исследуйте условия, при которых в районной системе водяного отопления возможны в отдельных зданиях подсос воздуха в трубы или разрушение отопительных приборов. ;
4.Выведите зависимости для определения предельно целесообразного расстояния между точками параллельного включения двух расширительных баков в различных частях районной системы водяного отопления.
5.Определите относительные значения естественного циркуляционного давления (приняв за единицу его значение при расчетной для отопления температуре наружного воздуха) при температуре наружного воздуха в местных условиях: средней в январе Месяце, средней в течение отопительного сезона, в начале и конце отопительного сезона.
6.Выведите формулу (7.27) с включением в нее тепловой нагрузки стояка вместо расхода воды.
7.Установите зависимость величины естественного циркуляционного давления в малых циркуляционных кольцах вертикальной однотрубной системы водяного отопления от числа последовательно включенных в стояки отопительных приборов.
8.Проанализируйте влияние естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах двухтрубной насосной системы водяного отопления, на распределение теплоносителя между отопительными приборами, расположенными на различных этажах многоэтажного здания.
208
9.Сравните в расчетных условиях величину естественного циркуляционного давления в малых циркуляционных кольцах с радиаторами, установленными в вертикальной и горизонтальной однотрубных системах водяного отопления.
10.Оцените относительную тепловую устойчивость вертикальной однотрубной, горизонтальной однотрубной и вертикальной двухтрубной насосных систем водяного отопления многоэтажного здания.
ГЛАВА 8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
§ 8.1. Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления
Система водяного отопления представляет собой разветвленную закольцованную сеть труб и приборов, заполненных водой. Вода в течение отопительного сезона находится в постоянном кругообороте. По трубам -теплопроводам - нагретая вода распределяется по отопительным приборам, охлажденная в приборах вода собирается воедино, нагревается в теплообменнике и вновь направляется к приборам. Теплопроводы предназначены для доставки и передачи б каждое помещение обогреваемого здания необходимого количества тепловой энергии. Так как теплопередача происходит при охлаждении определенного количества воды, требуется выполнить гидравлический расчет системы.
Гидравлический расчет проводится в соответствии с законами гидравлики. Расчет основан на следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в системе разность давления (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления движению.
Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопления. Точный расчет системы связан с решением большого числа нелинейных уравнений. Решение упрощается при выполнении требований СНиП применять трубы по имеющемуся сортаменту. В этих условиях гидравлический расчет заключается в подборе по сортаменту площади поперечного сечения (диаметра) труб, достаточной для подачи нужного количества воды в приборы системы. Потери давления при перемещении требуемого количества воды по трубам принятого диаметра определяют гидравлическое сопротивление системы.
Гидравлическое сопротивление системы, как установлено ранее, должно соответствовать действующей разности давления, а в расчетных условиях циркуляции воды - расчетному циркуляционному давлению (см. § 7.5).
Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки. В циркуляционное кольцо могут быть включены один (двухтрубная система) или несколько (однотрубная система) отопительных приборов, теплогенератор или теплообменник, а также побудитель циркуляции теплоносителя в насосной системе отопления.
Участком называют трубу или трубы с одним и тем же расходом теплоносителя. Последовательно соединенные участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор (теплообменник), составляют циркуляционное кольцо системы.
Тепловая нагрузка прибора (точнее прибора с прилегающим эта - жестояком) принимается равной расчетным теплопотерям помещений Qп (за вычетом теплопоступлений, если они имеются).
209
Тепловая нагрузка участка Qyч составляется из тепловых нагрузок приборов, обслуживаемых протекающей по участку водой:
Для участка подающего теплопровода тепловая нагрузка выражает запас теплоты в протекающей горячей воде, предназначенной для последующей (на дальнейшем пути воды) теплопередачи в помещения. Для участка обратного теплопровода - потери теплоты протекающей охлажденной водой при теплопередаче в помещения (на предшествующем пути воды). Тепловая нагрузка участка предназначена для определения расхода воды на участке в процессе гидравлического расчета.
Расход воды на участке Оуч при расчетной разности температуры воды в системе tr- tо по аналогии с формулой (3.7) с учетом дополнительной теплоподачи в помещения
где Qyч- тепловая нагрузка участка, найденная по формуле (8.1); β1,β2 - поправочные коэффициенты, учитывающие дополнительную теплоподачу в помещения (см. пояснения к формуле (4.21)); с - удельная массовая теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг°С).
Для получения расхода воды на участке в кг/ч тепловую нагрузку в Вт следует выразить в кДж/ч, т.е. умножить на (3600/1000)=3,6.
Пример 8.1. Тепловая нагрузка участка равна 7000 Вт (включая поправочные коэффициенты β1 и β2). Это означает, что вода, протекающая на участке, передает (или уже передала, если это участок обратного теплопровода) в помещения тепловой поток в 7000 Вт. Если при этом вода охладится (или уже охладилась) от 95 до 70 °С, т.е. на 25 °С, то расход воды на участке по формуле (8.2) составит
Тепловая нагрузка системы отопления в целом равна сумме тепловых нагрузок всех отопительных приборов (теплопотерь помещений). По общей теплопотребности для отопления здания определяют расход воды в системе отопления (см. формулу (3.7))
(пояснения - см. формулу (8.2)).
Гидравлический расчет связан с тепловым расчетом отопительных приборов и труб. Требуется многократное повторение расчетов для выявления действительных расхода и температуры воды, необходимой площади приборов. Для этого используют ЭВМ. При расчете вручную сначала выполняют гидравлический расчет системы, принимая средние значения коэффициента местного сопротивления (КМС) приборов, затем - тепловой расчет труб и приборов.
Если в системе применяют конвекторы, в конструкцию которых входят трубы Dy15 и Dy20, то для более точного расчета предварительно определяют длину этих труб, а после
210