5. объект регулирования 5.1. регулирование теплового
advertisement
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ 5. ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ Объектом регулирования в тепловом пункте может быть вся систе ма отопления, система теплоснабжения калориферов, система горячего водоснабжения, части этих систем, теплообменный прибор или про цесс. Так, объектом регулирования для балансировочного клапана пос ле насоса является вся система отопления; для балансировочного кла пана на распределительной гребенке – часть системы; для регулятора теплового потока – теплообменник при независимом подключении либо смесеобразование (процесс) теплоносителя до требуемой температуры при зависимом подключении системы отопления. Аналогично опреде ляют объект регулирования в системе теплоснабжения калориферов и в системе горячего водоснабжения. Отличительная особенность системы горячего водоснабжения заключается в том, что она разомкнута и объ ектом регулирования для водоразборного крана (регулирующий кла пан) является водоразбор (процесс). 5.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА Номинальный тепловой поток QN теплообменных приборов полу чают в результате тепловых испытаний в специальных климатических камерах при определенных нормированных влияющих факторах [54]. В реальных условиях эксплуатации расход G теплоносителя через тепло обменный прибор, средний перепад температур Δt между прибором и окружающим воздухом, способ подключения и много других факторов, как правило, отличаются от тех, при которых проводились испытания. Их учитывают поправочными коэффициентами к номинальному теп ловому потоку. Причем одни из них являются постоянными (например, на цвет покраски, способ установки, способ подключения и т. д.), а дру гие – переменными. Закономерности влияния переменных факторов используют для регулирования теплового потока теплообменных при боров Q. С учетом изложенного, тепловой поток теплообменного при бора зависит от переменных факторов следующим образом: (5.1) где n и m – показатели степени. Показатель степени m = 0…0,18. Нижняя граница характерна для ра диаторов, верхняя – для конвекторов. В целом этот показатель весьма незначительно влияет на Q. Показатель степени n = 1,25…1,35 характерен для всех конструкций кон векторов, а для радиаторов n ≈ 1,3. Он существенно изменяет номинальный 91 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ тепловой поток теплообменного прибора, что для конвектора либо ра диатора показано на рис. 5.1 при температуре воды на входе, равной 90 °С. Влияние водогликолевой смеси на характеристики теплообменных приборов необходимо учитывать по рекомендациям производителей. Рис. 5.1. Зависимость теплового по) тока конвектора от перепа) да температур и расхода теплоносителя Рис. 5.2. Зависимость теплового потока греющего пола от перепада температур и расхода теплоносителя Уменьшение перепада температур теплоносителя между входом и выходом теплообменного прибора приводит к увеличению деформации кривой, характеризующей зависимость относительного теплового пото ка Q/QN от относительного расхода G/GN теплоносителя. Значитель ная деформация этой кривой происходит в отопительных приборах од нотрубных систем отопления. Несложно подсчитать, что, например, в десятиэтажном здании с однотрубной системой отопления и расчетным перепадом температур в 25 °С перепад температур в отопительных при борах составит 25/10 = 2,5 °С. Кроме того, в процессе качественного центрального регулирования системы изменяется перепад температур теплоносителя с 25 °С до примерно 15 °С, следовательно в отопитель ном приборе перепад температур уменьшается до 15/10 = 1,5 °С. Харак теристика отопительных приборов при этом становится почти прямо угольной. В этом случае при незначительном открытии регулятора мак симально возрастает теплоотдача отопительного прибора. Остальной ход штока регулятора будет бесполезным, поскольку происходит так называемое двухпозиционное регулирование – "открыто либо закрыто". Это приводит к скачкообразному регулированию теплового комфорта в помещении, увеличению вероятности шумообразования и уменьшению 92 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ энергоэффективности системы. Регулирова ния тепловым потоком отопительных прибо ров в однотрубных сис темах достигать тем сложнее, чем больше ото пительных приборов в стояке либо приборной ветке. Гораздо сложнее достичь линейного регу лирования теплообмен ных приборов в одно трубных системах при Рис. 5.3. Характеристика теплообменника при различных видах регулирова) модернизации теплово ния: 1 ñ качественном по темпера го пункта, если у отопи туре наружного воздуха; 2 ñ качес тельных приборов от твенном по температуре помеще сутствуют терморегуля ния; 3 ñ количественном по темпе торы. Тогда все задачи ратуре помещения [55] по регулированию ото пительных приборов возлагаются на регулирующий клапан теплового пункта. Именно значительная кривизна характеристики отопительных при боров является причиной отказа в европейских странах от применения однотрубных систем отопления. А модернизация тепловых пунктов с однотрубными системами (в бывших социалистических странах) пред полагает дальнейшую модернизацию системы отопления путем уста новки терморегуляторов у отопительных приборов, либо полную заме ну однотрубной системы отопления на двухтрубную с терморегулято рами. В значительно лучших условиях происходит регулирование тепло вого потока отопительных приборов двухтрубной системы отопления, поскольку перепад температур в них равен перепаду температуры в сис теме отопления. Например, те же 25...15 °С. Получаемая кривизна ха рактеристики отопительного прибора дает возможность количественно изменять расход теплоносителя ходом штока регулирующего клапана, управляя тепловым потоком отопительного прибора и обеспечивая по требление тепловой энергии в соответствии с потребностью для поддер жания теплового комфорта. Наилучшими условиями, с точки зрения регулирования, но не санитарногигиенической, было бы увеличение перепада температуры 93 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ в системе отопления. Компромисса достигают только в двухтрубных системах отопления с перепадом температур примерно в 15...25 °С. Подобное искривление имеет характеристика теплового потока гре ющего пола при температуре теплоносителя на входе, равной 46 °С, что показано на рис. 5.2. Так, кривизна характеристики греющего пола в ди апазоне рабочих перепадов температур (3...11 °С) соответствует кривиз не характеристики отопительного прибора двухтрубной системы отоп ления (10...25 °С). Следовательно, эти системы примерно одинаково поддаются регулированию. Некоторое изменение кривизны характеристики теплообменного прибора вносит способ его регулирования, что показано на характерис тике теплообменника на рис. 5.3 [55]. При качественном регулировании (изменением температуры подаваемого теплоносителя) характеристика теплообменника более пологая, чем при количественном регулирова нии (изменением расхода теплоносителя). Область разброса характери стик на рисунке является функцией разности температур между тепло обменивающимися средами. Таким образом, большинство теплообменных приборов имеют не линейную зависимость Q/QN от G/GN. Это усложняет процесс регули рования теплового потока. Так, при увеличении относительного расхо да теплоносителя с 0 до 20 % относительный тепловой поток возрастает с 0 до 80 % (суммарный диапазон по графикам на рис. 5.1...5.3). Следо вательно, теплообменные приборы весьма чувствительны при регули ровании малыми расходами теплоносителя, а при расходах, близких к номинальному (расчетному) значению и выше, их тепловой поток су щественно не изменяется. 5.1.1. Идеальное регулирование теплообменного прибора Стабильное управление теплообменным прибором получают при линейной зависимости его теплового потока от хода штока регулирую щего клапана. С этой целью рассматривают идеальную совместную ра боту теплообменного прибора и регулирующего клапана. Ее суть за ключается в том, что расходная характеристика клапана должна быть зеркальным отображением характеристики теплообменного прибора. Для этого необходимо обеспечить 10 % увеличение относительного рас хода G/GN на клапане при относительном подъеме штока h/h100 на 50 %. Тогда относительный рост теплового потока Q/QN составит 50 % при открывании клапана h/h100 на 50 % (рис. 5.4), т. е. достигнуто линейное регулирование. Рассмотренное управление теплообменным прибором является иде ализированным, к которому следует стремиться. Особенно важно это 94 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ при использовании регуляторов теплового потока (температуры) пря мого действия, поскольку между датчиком температуры и положением штока клапана установлена жесткая связь. Важным это является и для регуляторов непрямого действия. В обоих вариантах улучшается реак ция регулирующего клапана на изменение температуры, что повышает в итоге тепловой комфорт в помещении и экономит энергоресурсы. а б в Рис. 5.4. Регулирование теплообменного прибора: а ñ характеристика теплообменного прибора; б ñ расходная характеристика регу лирующего клапана; в ñ идеальная характеристика регулирова ния теплообменного прибора [56] Рассмотренные закономерности регулирования относятся к отопи тельным приборам системы отопления, теплообменникам системы отоп ления и горячего водоснабжения, калориферам системы вентиляции. Они справедливы также и для тех систем отопления, которые не имеют терморегуляторов у отопительных приборов. Линейное управление тепловым потоком теплообменного прибора – идеальный закон регулирования, к которому следует стремиться при проектировании водяных инженерных систем здания. Выбор вида расходной характеристики клапана зависит от вида ха рактеристики объекта регулирования. 5.1.2. Идеальное регулирование процесса При подборе регулятора теплового потока, устанавливаемого перед узлом смешивания в тепловом пункте, следует обеспечить адекватную реакцию регулирующего клапана на изменение температуры теплоно сителя. Для этого необходимо, чтобы клапан пропускал необходимое количество сетевой воды. Расход сетевой воды и температура теплоносителя, подаваемого в систему отопления, линейно зависят от коэффициента смешивания, и, следовательно, линейно взаимосвязаны между собой. Поскольку тепловой 95 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ поток на отопление, регулируемый по на ружному воздуху и температурному графи ку, также линейно зависит от температуры теплоносителя в системе отопления, то рас ход теплоносителя, проходящий через регу лирующий клапан, должен изменяться ли нейно. Итоговый график идеального регули рования смесеобразования теплоносителя представлен на рис. 5.5, где t/tг характеризу Рис. 5.5. Идеальное регу) ет отношение текущего значения температу лирование сме) ры теплоносителя, подаваемого в систему сеобразования отопления, к расчетному (номинальному). В системе горячего водоснабжения регу лируемым процессом является водоразбор потребителем. Этому процессу лишь в по следнее время стали уделять внимание, осо бенно в высотных зданиях, где при незначи тельном открывании водоразборного крана истекает вода со значительным расходом и дальнейшее открытие крана не приводит к изменению расхода. Кроме того, при ис Рис. 5.6. Идеальное регу) пользовании смесителей наблюдаются коле лирование водо) бания температуры смеси, вызываемые из менением давления в системе холодного и разбора горячего водоснабжения. Идеальным регулированием процесса водоразбора является обес печение линейной зависимости между относительным ходом штока во доразборного крана h/h100 (либо относительным открытием проходно го сечения) и относительным водоразбором G/GN (рис. 5.6). Линейное управление процессами смесеобразования и водоразбора – идеальный закон регулирования, к которому следует стремиться при проектировании водяных инженерных систем здания. 96
