Главная » Литература » Отопление, вентиляция и кондиционирование » Пырков - Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика (заменить)
Пырков - Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика (заменить)
Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. 2005.
Рассмотрены идеальные и рабочие расходные характеристики клапанов различного конструктивного исполнения. Разработаны методики подбора регулирующих клапанов с учетом их авторитетов. Оценено влияние дросселя и замыкающего участка узла обвязки теплообменного прибора на потокораспределение терморегулятором. Проанализировано влияние теплообменных приборов, трубопроводов, насосов на работу терморегуляторов, клапанов ручного и автоматического регулирования. Приведены общие сведения о современных системах водяного отопления и кондиционирования. Даны основные аспекты конструирования систем, их балансировки и экономическая оценка средств автоматизации.
Предназначена для проектировщиков, эксплуатационников, научных работников и студентов.
ВСТУПЛЕНИЕ
Закончился XX век, принесший много полезных технических решений, которые призваны служить человеку в отдельности и планете в целом. Этот век показал, что природные ресурсы не безграничны и наше будущее зависит от сегодняшнего отношения к их использованию. Наиболее энергоемкий сектор большинства государств занимают системы обеспечения комфортной жизнедеятельности человека. Новым этапом совершенствования таких систем послужило изобретение компанией Данфосс 60 лет тому назад первого в мире терморегулятора. Много воды с тех пор утекло, и он стал неотъемлемой частью систем отопления и охлаждения. Современный терморегулятор позволяет создать комфортные условия для труда и отдыха человека, в значительной мере снизить потребление энергоресурсов и уменьшить техногенное воздействие на окружающую среду.
Терморегулятор превратил систему обеспечения микроклимата помещения в действенный технический комплекс адекватной реакции на любые внутренние и внешние воздействия, поэтому повысились требования к проектированию таких систем. Одной из основных задач стало создание условий их эффективной работы в стационарном и переменном эксплуатационных режимах. Данный подход заставляет рассматривать систему в комплексе и взаимосвязи с ее окружением, проводить системный анализ.
По заключению Мировой энергетической комиссии "современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности теплового режима, а проектировщики не научились оптимизировать теплоту и массу ограждающих конструкций". Такое состояние во многих случаях является следствием развития познания в прошлом веке по пути проб и ошибок. Приблизиться к истине, эффективному результату мог лишь опытный исследователь. Полученные высокие результаты по достоинству оценены современниками, однако остались практически невостребованными прямые математические методы оптимизации сложных энергетических систем, каковыми являются системы отопления и кондиционирования. Вариационные методы, методы линейного и динамического программирования, системный анализ — огромный потенциал, который в ближайшем будущем предстоит применять нашим специалистам при проектировании систем обеспечения микроклимата. Указанные подходы не усложняют проектирование систем, а делают его творческим и вдумчивым, поэтому мы сознательно затрагиваем взаимосвязь гидравлических и тепловых процессов. Стараемся представить целостную картину работы систем для эффективного использования их потенциала. Пытаемся объединить научный и практический опыт, полученный в разных странах. Безусловно, данная работа не всеобъемлюща, не является ответом на многогранные вопросы проектирования, монтажа и эксплуатации. Эта книга — лишь результат наших скромных усилий, предпринимаемых в данном направлении. Мы надеемся, что она поможет Вам, с учетом собственного опыта, сделать правильные выводы и воплотить их в повседневной практике.
Данная книга является продолжением научно-практических изысканий автора, начатых в предыдущем издании "Особенности современных систем отопления" [1]. В ней обстоятельно рассмотрены гидравлические процессы, происходящие при регулировании систем обеспечения микроклимата. Выявлены взаимосвязи, уточняющие гидравлические характеристики регулирующих клапанов в зависимости от конкретных условий циркуляционных колец системы водяного отопления, либо водяного охлаждения. В книге рассмотрены широко используемые понятия "внутреннего авторитета", "внешнего авторитета" и "общего авторитета" терморегуляторов и балансировочных клапанов. Однако они оказались недостаточными для выяснения в полной мере причин искажения расходных характеристик этого оборудования и целостного восприятия происходящих гидравлических процессов, поэтому впервые применено понятие "базового авторитета", позволившее определить степень искажения идеальной расходной характеристики клапана в зависимости от его конструктивных особенностей. Затем показано дальнейшее искажение этой характеристики под влиянием "внешнего авторитета".
Детальное изучение гидравлических процессов в системах обеспечения микроклимата позволило выявить неоспоримые преимущества автоматических регуляторов перепада давления и регуляторов расхода. Кроме вносимого улучшения работоспособности системы, применение этого оборудования во многом устраняет неточности расчетов и монтажа, упрощает процесс ее наладки.
Все полученные уравнения сопровождаются примерами, позволяющими получить навыки в проектировании и наладке систем обеспечения микроклимата. Они целиком составлены с использованием оборудования Данфосс. В то же время, для практического применения следует использовать последние версии технического описания данного оборудования, поскольку происходит постоянное совершенствование по мере развития научных знаний и применения новых технологий. Данная книга сегодня издается на иностранных языках и распространяется во многих странах. Автор признателен всем коллегам мультинациональной компании Данфосс за предоставленную возможность внести свой посильный вклад в мировую копилку знаний, за оказание активной помощи в написании книги, ее переводе на иностранные языки, подготовке к изданию, в проведении лабораторных тестов для подтверждения предлагаемой теории. Огромная благодарность коллегам за внимание и проявленную заботу, а также доброжелательное отношение к автору и создание благоприятных условий для творческой работы. Особая признательность за вовлечение мировой научной общественности в обсуждение книги, ее кропотливое рецензирование и получение бесценных советов по ее улучшению. Автор понимает, что данная книга противоречит существующим стереотипам в практике расчета систем обеспечения микроклимата. Во всяком случае, она позволяет еще раз переосмыслить традиционные методы расчета и развить познание. Автор всегда готов дать дополнительные разъяснения по предлагаемой теории и не исключает иных подходов к решению рассматриваемых задач. Всегда готов к научной дискуссии, восприятию аргументированных замечаний, совместному поиску истины. Со всеми замечаниями и предложениями касательно книги просьба обращаться к автору. Все запросы относительно продукции Данфосс следует направлять данной фирме.
РЕЦЕНЗИЯ
Автор книги является советником по научно-техническим вопросам украинского отделения фирмы Danfoss, и его труд органично вписывается в круг многочисленных изданий, призванных популяризировать технику, созданную в лабораториях и цехах этой известной компании, внесшей весомый вклад в развитие автоматических систем, используемых во всем мире. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, несмотря на обобщающий характер названия книги, претендующего на всеобъемлющее исследование, читатель найдет в ней описания только тех приборов, которые изготавливаются фирмой Danfoss.
Вместе с тем, в книге есть изюминка, которая отличает ее от многих изданий такого рода. Автор решился на теоретические изыски, которых обычно избегают составители всякого рода пособий и рекомендаций, направленных просто на разъяснение особенностей техники Danfoss с целью более широкого или вполне осознанного ее применения. Главный теоретический вклад автора состоит в том, что в дополнение к трем уже известным понятиям, использующим слово "авторитет" применительно к регулирующему клапану (внутренний, внешний и общий авторитеты), введены еще два авторитета, — базовый и полный внешний.
Это интересно.
Это интересно, потому что свежая идея, только что рожденная разумом соотечественника и современника, дает повод для живой плодотворной дискуссии, даже если эта идея, в конце концов, никогда не овладеет массами проектировщиков. Не так уж часто в наше время рождаются новые теоретические идеи.
Между тем, идея проста и, казалось бы, лежит на поверхности. Десятки исследователей во многих странах, создавая регулирующие клапаны, конструировали с высокой точностью профили регулирующих органов, способных обеспечить нужную расходную характеристику. В то же время в корпусе самого регулирующего клапана вода проходит не только через эти искусно сделанные профили, но и через лабиринты подводящих и отводящих каналов, гидравлическое сопротивление которых так или иначе искажает желанную расходную характеристику.
В отличие от фундаментальных наук, где хороша всякая разумная идея, наука прикладная, которой мы служим, непременно требует того, чтобы идея служила практическим целям. Автор приложил немало усилий для того, чтобы заставить "базовый авторитет" работать на практику. К сожалению, не все эти усилия привели к вполне убедительным результатам. Недостаточно внимания уделено автором и эксплуатационным проблемам регулирования. Молодым украинским ученым написана книга, в которой предпринята смелая попытка развития теории регулирования систем, отопления и охлаждения. Но для того, чтобы эта попытка стала результативной, а теоретические изыскания автора были признаны, ему предстоит еще немало поработать.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Базовый авторитет клапана (регулирующего клапана либо терморегулятора) — доля потерь давления в максимально открытом регулирующем сечении клапана от потерь давления на клапане. Характеризует начальную конструктивную (базовую) деформацию идеальной расходной характеристики клапана, вызванную особенностями пути протекания теплоносителя внутри него. Внешний авторитет клапана (регулирующего клапана либо терморегулятора) — доля потерь давления на максимально открытом клапане от располагаемого давления регулируемого участка системы. Характеризует деформацию расходной характеристики клапана относительно базовой деформации.
Полный внешний авторитет клапана (регулирующего клапана либо терморегулятора) — доля потерь давления в максимально открытом регулирующем сечении клапана от располагаемого давления регулируемого участка системы. Характеризует деформацию расходной характеристики клапана, установленного в системе, относительно идеальной расходной характеристики. Равен произведению базового и внешнего авторитетов клапана.
Внутренний авторитет терморегулятора — доля потерь давления, создаваемых начальным (конструктивным) смещением затвора клапана с максимально открытого положения, от потерь давления на терморегуляторе при его испытании. Характеризует начальную пропорцию распределения максимально возможного расхода теплоносителя через терморегулятор при его закрывании и открывании. Общий авторитет терморегулятора — доля потерь давления в регулирующем сечении терморегулятора, создаваемых начальным (конструктивным) смещением затвора терморегулятора с максимально открытого положения, от располагаемого давления регулируемого участка системы. Характеризует изменение пропорции распределения потока, свойственной внутреннему авторитету, при установке терморегулятора в системе обеспечения микроклимата. Равен произведению внутреннего и внешнего авторитетов.
1. ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ
Значительная часть жизнедеятельности человека происходит в помещении. От состояния микроклимата в помещении во многом зависит его здоровье и работоспособность (рис. 1.1), что отражается на собственном бюджете, бюджете семьи и государства, поэтому поддержание теплового комфорта является как государственной задачей, так и задачей каждого человека.
Повышение общего уровня жизни ставит перед специалистами все новые требования к системам обеспечения микроклимата. Эти требования имеют некоторые отличия, вызванные этническими, национально- географическими и социально-экономическими особенностями. Однако существуют тенденции сближения в понимании и выработке общепринятых основных требований к тепловому комфорту помещений. Результатом международного сотрудничества правительственных и общественных организаций стал норматив ISO 7730: 1994(Е) [3], определяющий тепловые условия окружающей среды, к которой привыкли люди (рис. 1.2). Приведенные оптимальные температуры помещения предназначены для здоровых мужчин и женщин. Они основаны на северо-американских и европейских показателях. Хорошо согласуются с японскими исследованиями. Сопоставляются с российскими нормативами. Однако для больных и недееспособных людей эти данные могут иметь отклонения. Указанный стандарт предназначен для производственных помещений, но в равной степени может применяться и для любых других помещений. Для экстремальных тепловых сред используют международные стандарты [4; 5].
В основу диаграммы на рис. 1.2 положены исследования О. Фангера по теплоощущению большинства людей при разнообразных видах деятельности (сон, отдых, умственная работа, физическая нагрузка разной интенсивности) и при различных температурных условиях помещения с учетом теплоизоляционных свойств одежды. Зависимость состояния организма от вида деятельности определена через тепловыделение человека. Этот процесс оценивают показателем "met" (метаболизм — выделение теплоты внутри организма). В соответствии с ISO 8996 активность человека, находящегося в расслабленном состоянии либо в положении сидя, характеризуют 1 met = 58 Вт/м2; в наклонном положении при наличии опоры — 0,8 met; в сидячем положении при выполнении офисной или домашней работы — 1,2 met и т. д. Выделение теплоты человеком в окружающую среду с учетом теплоизоляционных свойств одежды характеризуют показателем "clo" (clothing — одежда). 1 clo равен 0,155 м2К/Вт и соответствует рабочей одежде, состоящей из легкого нижнего белья, носок, рубашки, брюк, костюма, туфель.
Человеческий организм находится в постоянном взаимодействии с окружающей средой. Изменение ее тепловых условий приводит к автоматическому приспособлению температурного и влажностного состояния кожи вследствие действия системы терморегуляции организма, но каждый организм индивидуален. Тепловые ощущения в большей или меньшей степени отличаются от нормативных среднестатистических показателей микроклимата в помещении. Неудовлетворенность может являться результатом теплого или прохладного дискомфорта тела в целом, который характеризуют ожидаемым значением теплоощущения PMV (Predicted Mean Vote) и прогнозируемым процентом неудовлетворенности PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Субъективное состояние психологического теплоощущения человека оценивают следующей шкалой значений PMV: Холодно Прохладно Слегка Нормально Слегка Тепло Жарко прохладно тепло -3 -2 -1 0 +1 +2 +3
Эти показатели используют совместно с нормированными параметрами микроклимата для оценки работоспособности системы отопления или кондиционирования воздуха и необходимости реагирования на жалобы потребителей. Кроме того, традиционное сочетание параметров теплового комфорта помещения — температуры воздуха, радиационной температуры помещения, скорости движения и влажности воздуха — в ISO 7730 дополнено моделью оценки сквозняка, влиянием степени турбулентности воздушных потоков, радиационной асимметрией. По EN 1264 [6] нормируется перепад температур воздуха между лодыжкой и головой человека посредством предельной температуры пола. Но сколько бы ни нормировались влияющие параметры теплового комфорта, удовлетворить каждого человека невозможно, поэтому предлагаемые условия теплового комфорта считаются приемлемыми для 90 % людей с условием, что 85 % из них не обеспокоены сквозняком. Несмотря на сложность и неоднозначность подходов к обеспечению теплового комфорта, специалистам по системам обеспечения микроклимата необходимо создавать и поддерживать его, удовлетворяя требования большинства людей к помещению. В то же время следует дать возможность человеку, находящемуся в предназначенном для него помещении, изменять тепловые условия в соответствии с собственным теплоощущением.
При этом следует осознавать, что тепловой комфорт является дорогостоящим товаром, который не должен снижать жизненный уровень человека. Поставленную задачу решают путем создания гибких в управлении систем обеспечения микроклимата. Таковыми являются только автоматически управляемые системы с индивидуальными регуляторами температуры помещения (терморегуляторами). Основное функциональное требование к ним определяется условием теплового комфорта: поддержание заданной оптимальной температуры помещения в допустимых пределах ее отклонения (диаграмма на рис. 1.2). Однако такой подход сегодня сложен в исполнении. Причиной тому является техническая трудность определения температуры помещения. Под оптимальной температурой помещения tsu подразумевают комплексный показатель радиационной температуры помещения tr и температуры воздуха в помещении t, позволяющий прогнозировать удовлетворенность тепловым комфортом не менее 90 % людей при умеренной (рекомендуемой) подвижности воздуха. Физиологический смысл уравнения заключается в поддержании стабильного теплообмена между человеком и окружающей средой (<2=const). Для человека, выполняющего легкую работу с расходом тепловой энергии примерно до 170 Вт (W), данное уравнение представлено в графическом виде на рис. 1.3 [1; 7; 8]. Линейная зависимость между tr и t позволяет производить терморегуляторы, реагирующие только на температуру воздуха. Этот подход приемлем для большинства помещений с конвективным нагревом или охлаждением, где tr ~ t. В помещениях со значительной площадью наружных ограждений, либо с системой отопления (охлаждения), встроенной в ограждающие строительные конструкции, пользователь может настроить терморегулятор под свои теплоощущения с учетом несовпадения tr с t. Такая особенность поддержания теплового комфорта является одной из причин нанесения производителем на температурную шкалу терморегулятора не конкретных значений температуры воздуха в помещении, а определенных меток. Их ориентировочное соответствие показано на рис. 1.4.
Учет влияния температуры воздуха и температуры ограждающих конструкций на теплоощущения человека дает возможность дополнительной экономии энергоресурсов лучистыми и конвективно-лучистыми системами отопления (охлаждения) по сравнению с конвективными системами. Тепловой комфорт обеспечивается такими системами при меньших температурах воздуха в холодный период года (например, при t = 18 "С, если tr = 22 °С) и больших температурах воздуха в теплый период года (например, при t = 22 "С, если tr = 18 °С). Получаемое уменьшение разности температур наружного и внутреннего воздуха сокращает теплопотери в холодный период и теплопоступления в теплый период года через ограждения. Происходит также сокращение энергопотерь с вентиляционным, эксфильтрационным и инфильтрационным воздухом.
Терморегулятор реагирует на изменение температуры воздуха, но поле температур в помещении очень неравномерно, особенно в верхней и нижней зонах, поэтому терморегулятор необходимо размещать таким образом, чтобы он воспринимал осредненное значение температуры воздуха. Распределение температуры воздуха по высоте помещения показано на рис. 1.5. На всех графиках сплошной линией изображено идеальное распределение. Температура у ног человека равна примерно 26 °С, а у головы — примерно 20 °С.
При использовании радиаторов для отопления перегревается верхняя зона помещения, что увеличивает теплопотери через наружные ограждающие конструкции. Теплопотери увеличиваются также с вентиляционным воздухом, т. к. решетки для его удаления расположены в этой зоне. Еще больший перегрев верхней зоны происходит при использовании конвекторов. Примерно аналогичное распределение температур есть в помещении с системой отопления, выполненной в виде нагреваемого потолка, либо с воздушным отоплением, в том числе и фенкойлами.
Наиболее близкими к обеспечению идеального распределения температур являются системы с нагреваемым полом в холодный период года и с охлаждаемым потолком в теплый период. В первом случае теплый поток воздуха поднимается от пола вверх и охлаждается за счет теплопотерь помещения. Во втором — прохладный поток воздуха опускается от потолка и нагревается за счет теплопоступлений помещения. В обоих случаях создаются комфортные условия для человека.
Тепловой комфорт в помещении достигают только при использовании автоматизированных систем обеспечения микроклимата, основным элементом которых является терморегулятор. Терморегулятор должен поддерживать температуру воздуха в помещении с отклонением не более чем по ISO 7730. Наиболее близкими к обеспечению идеальных условий теплового комфорта в помещении являются системы с нагреваемым полом в холодный период года и с охлаждаемым потолком в теплый период года. Для невысоких помещений наиболее приемлемой с экономической и санитарно-гигиенической точек зрения является система отопления с панельными радиаторами.
2. ТЕПЛО- И ХОЛОДОНОСИТЕЛЬ
Перенос теплоты и холода по трубопроводам осуществляют при помощи жидкостей или газов, называемых в системе отопления теплоносителями, а охлаждения — холодоносителями. В дальнейшем при проявлении их общих закономерностей используется термин теплоноситель, а при особенностях, характерных для систем охлаждения, — холодоноситель. Из многообразия теплоносителей наиболее применяемой является вода. Она дешева, практически не сжимаема, способна переносить количество теплоты при равных объемах почти в 100 раз больше, чем водяной пар и в 6800 раз — чем воздух. В то же время имеет ряд недостатков, усложняющих проектирование и эксплуатацию систем. Ее плотность, объем и вязкость зависят от температуры; температура кипения — от давления; кислородорастворимость — от температуры и давления. Кроме того, она вступает в химические и электрохимические реакции с металлами, имеет большую плотность. Отрицательные свойства воды устраняют в процессе производства оборудования, проектирования систем и их эксплуатации. Вся продукция Данфосс адаптирована к химическому составу воды. Контактирующие с водой элементы, как обязательное минимальное требование, выполнены из устойчивых к коррозии металлов: специальной латуни, хромированной стали, нержавеющей стали... Уплотнители изготовлены из устойчивых к растворенным в воде химическим веществам: бутадиенакрилонитрильного и этиленпропиленового каучука, фторопласта...
Качество теплоносителя — характерный признак современных автоматически регулируемых систем обеспечения микроклимата. Регулирование и контроль параметров воды в них осуществляется через отверстия и каналы весьма малых сечений. От их состояния зависит эффективность работы системы в целом и ее элементов в частности, поэтому качество воды должно быть не нормативно декларируемым, а реализованным на практике. Особенно это относится к странам Восточной Европы, где только начинается процесс перехода от морально и физически устаревших систем к новым системам, а также осуществляется попытка их совмещения. При этом предлагаемые пути решения — отказ от услуг теплосетей либо дополнительное фильтрование теплоносителя перед насосами, тепломерами, регуляторами — увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты, снижая энергоэффективность систем.
Наиболее объемлющие требования к воде в инженерных системах зданий представлены в VDI2035 [11; 12]. Дополнительные рекомендации по безопасному сочетанию оборудования водяных систем, выполненного автоматической запорно-регулирующей арматуры, трубопроводов и т. п. используют сетчатые фильтры Данфосс (рис. 2.1). Особенно важно их применение в системах с чугунными радиаторами, из которых в течение многих лет эксплуатации вымываются частички формовочной массы. Загрязняющие частички оседают на сетку фильтра, находящуюся под углом к потоку воды, и собираются в камере. Камера может быть оснащена шаровым краном для промывки фильтра под напором воды трубопровода. При открывании крана вода промывает сетку и выносит накопленную грязь. Если конструктивно промывочный кран не предусмотрен, — устанавливают отключающие краны с обеих сторон фильтра. Во всех фильтрах сетка выполнена съемной для регенерации без демонтажа корпуса. Она изготовлена из нержавеющей стали. Корпус — из латуни для резьбового соединения либо чугуна для фланцевого соединения. Условный диаметр присоединения от 8 до
Добавки к воде влияют на гидравлические и теплотехнические характеристики оборудования системы. Менее существенное воздействие, по сравнению с этиленгликолем, оказывает пропиленгликоль.
...