Регулирование теплового потока отопительного прибора
Площадь нагревательной поверхности отопительного прибора определяется расчетной величиной теплового потока от теплоносителя в помещение. При эксплуатации прибора расчетные условия имеются далеко не всегда. На температурный режим помещения, выбранный при расчете площади нагревательной поверхности прибора, влияют такие внешние (по отношению к системе отопления) факторы, как изменение температуры наружного воздуха, воздействие ветра и солнечной радиации, бытовые и технологические тепловыделения и т. п. Для поддержания температурного режима помещения на заданном уровне необходимо изменение теплового потока отопительного прибора в процессе эксплуатации.
При проектировании системы отопления предусматриваются мероприятия для эксплуатационного регулирования теплового потока приборов. Однако проведение этих мероприятий может дать эффект только до достижения расчетной величины теплового потока как максимума теплопередачи для данной площади отопительного прибора.
Эксплуатационное регулирование теплового потока отопительных приборов может быть качественным и количественным.
Качественное регулирование достигается изменением температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления. Качественное регулирование по месту осуществления может быть центральным, проводимым на тепловой Станции, и местным, выполняемым в тепловом пункте здания.
Местное качественное регулирование должно дополнять центральное регулирование, которое проводится с ориентацией на некоторое обезличенное здание в районе действия станции. Кроме того, оно может нарушаться по различным причинам, в том числе из-за необходимости нагревания воды в системе горячего водоснабжения до определенной температуры. При местном регулировании учитывают особенности каждого здания, системы отопления и даже ее отдельной части.
Качественное регулирование в системе водяного отопления осуществляется путем изменения температуры воды, направляемой в приборы, и поддержания именно той температуры воды, при которой тепловыми потоками от приборов обеспечивается необходимый температурный режим помещений здания.
В системе парового отопления пределы качественного регулирования ограничены. Температура пара, как известно, определяется его давлением. Возможное изменение давления пара (в пределах необходимого для действия системы отопления) не сопровождается обычно таким изменением его температуры, которое существенно изменило бы теплопередачу приборов. Так, например, при понижении давления пара от 0,02 до 0,01 МПа (от 0,2 до 0,1 кгс/см 2 ) температура пара уменьшается с 104,3 до 101,8°C, т. е. всего на 2,5°. Более заметно такое изменение давления изменило бы количество пара, поступающего в приборы. В системах парового отопления качественное регулирование, как правило, не проводится.
Количественное регулирование теплового потока отопительного прибора осуществляется путем изменения количества теплоносителя (воды или пара), подаваемого в систему или прибор. По месту проведения оно может быть не только центральным и местным, но и индивидуальным, т. е. выполняемым у каждого отопительного прибора.
Центральное и местное регулирование в системах парового отопления — количественное: при изменении температуры наружного воздуха изменяется количество пара, поступающего в систему, или пар подается с большим или меньшим перерывом. В первом случае проводится так называемое пропорциональное регулирование, во втором — регулирование «пропусками» (теплоноситель подается периодически).
В системах парового отопления применяется также индивидуальное количественное регулирование теплового потока приборов.
В системах водяного отопления центральное и местное качественное регулирование также дополняется индивидуальным количественным регулированием теплового потока каждого прибора.
Индивидуальное количественное регулирование теплового потока от водяных приборов необходимо еще и потому, что сама система водяного отопления испытывает внутреннее возмущающее воздействие силы гравитации, связанное с местным качественным регулированием.
При индивидуальном количественном регулировании тепловой поток от водяного прибора определенного размера изменяется вследствие изменения средней температуры воды в нем; тепловой поток от парового прибора — из-за отклонения температуры конденсата от температуры пара. Если количество пара, поступающего в прибор, равно расчетному, то температура конденсата равна температуре насыщенного пара. Если же количество пара меньше расчетного, то конденсат начинает «переохлаждаться», и так как температура выходящего из прибора конденсата ниже, чем температура пара, Входящего в прибор, то тепловой поток от прибора уменьшается (хотя использование в приборе энтальпии каждого килограмма пара и становится более полным).
Таким образом, в процессе эксплуатации паровых систем отопления осуществляется только количественное регулирование, для водяных систем отопления — смешанное качественно-количественное регулирование теплопередачи приборов.
Эксплуатационное регулирование теплопередачи отопительных приборов может быть автоматизировано. Местное автоматическое регулирование в тепловом пункте здания проводится по основному фактору внешнего возмущающего воздействия на температурный режим его помещений — по изменению температуры наружного воздуха. Индивидуальное автоматическое регулирование теплопередачи прибора осуществляется по отклонению регулируемого параметра — температуры воздуха в помещении от заданного уровня.
Для индивидуального автоматического регулирования применяют регуляторы прямого и косвенного действия. Принцип работы индивидуального терморегулятора прямого действия основан на использовании явления изменения объема жидкости при изменении ее температуры. Изменение объема жидкости в термобаллоне непосредственно вызывает перемещение клапана регулятора в потоке основного теплоносителя. В Москве такими регуляторами снабжены конвекторы двухтрубной системы водяного отопления здания гостиницы «Россия», проектируется их применение в однотрубной системе водяного отопления другого крупного общественного здания.
В индивидуальных регуляторах температуры косвенного действия обычно используется электрическая энергия (с термореле во внешней цепи) для нагревания термобаллона (сильфона) уменьшенного объема,который, в свою очередь, связан со штоком регулирующего клапана. Сильфон частично наполнен легко испаряющейся жидкостью. Давление паров жидкости в сильфонной камере изменяется, растяжение и сжатие сильфона вызывают перемещение клапана регулятора. В других конструкциях электрическая энергия используется для управления соленоидным вентилем двухпозиционного действия.
Для индивидуального ручного регулирования теплового потока отопительных приборов применяют краны и вентили.
При паровом отоплении и при использовании высокотемпературной воды для ручного регулирования применяют вентили с золотником, пришлифованным к поверхности седла (без прокладки). Вращением маховика и шпинделя вентиля можно увеличивать или уменьшать расстояние между золотником, насаженным на шпиндель, и седлом, т. е. изменять площадь кольцевого отверстия для прохода теплоносителя через вентиль.
При водяном отоплении с расчетной температурой воды ниже 100°С для индивидуального регулирования используют краны различной конструкции.
В двухтрубных системах с их параллельным (по направлению движения воды в стояке) присоединением приборов краны индивидуального регулирования должны иметь повышенное гидравлическое сопротивление и обеспечивать возможность проведения монтажно-наладочного (первичного) и эксплуатационного (вторичного) количественного регулирования. Эти краны должны быть кранами «двойной регулировки».
В однотрубных системах водяного отопления краны индивидуального регулирования должны обладать незначительным гидравлическим сопротивлением, так как их устанавливают последовательно по направлению движения воды и, следовательно, их сопротивление суммируется. Это относится прежде всего к кранам (например, трехходовым) для проточно-регулируемых однотрубных стояков. Краны для однотрубных стояков с замыкающими участками должны оказывать минимальное сопротивление затеканию воды в приборы, поэтому используют краны проходного или шиберного типа, клапан которых можно ставить вдоль потока или совсем выводить из потока воды.
Краны индивидуального регулирования для однотрубных систем, действующих, как правило, в достаточно устойчивом гидравлическом режиме, могут не иметь приспособлений для первичного регулирования и быть кранами только эксплуатационного (вторичного) регулирования.
Для индивидуального ручного регулирования теплового потока отопительных приборов применяют также воздушные клапаны в кожухе конвекторов. Воздушным клапаном в конвекторе регулируется количество воздуха, циркулирующего через нагреватель конвектора. Достоинство этого способа регулирования «по воздуху» — сохранение постоянного расхода теплоносителя в отопительных приборах, что способствует поддержанию заданного гидравлического режима системы отопления. Регулирование теплового потока приборов «по воздуху» является дополнительным к основному местному и центральному регулированию.
При индивидуальном количественном регулировании тепловой поток прибора и температура помещения изменяются постепенно — прибор обладает тепловой инерцией. Зависимость изменения температуры помещения во времени при количественном регулировании носит название разгонной характеристики отопительного прибора. Разгонная характеристика обусловливается видом прибора и теплоносителя.
Наибольшей тепловой инерцией обладают бетонные отопительные панели, и их разгонная характеристика имеет вид пологой кривой. Тепловая инерция стальных панелей и конвекторов меньше инерции чугунных радиаторов и тем более бетонных панелей, поэтому процесс регулирования их теплового потока ускорен.
Темп охлаждения отопительного прибора зависит от его массы и емкости, а также от температурных условий и может быть найден с достаточной степенью приближения по уравнению:
где z — время с момента выключения прибора, ч;
Gпр, Gвд — масса материала и воды в 1 экм прибора;
спр, свд — массовая теплоемкость материала прибора и воды;
tz — температура прибора через время z после выключения;
tн — начальная температура прибора в момент выключения;
tв — температура воздуха помещения;
m, n — коэффициент и показатель степени в уравнении.
Зная величину z, можно определить приблизительное значение относительного теплового потока прибора через время z после выключения:
Используя эти формулы, можно найти, что, например, для стальных панелей типа МЗ-500 остаточный тепловой поток через 1 ч после их выключения составляет всего около 15% начального — вдвое меньше, чем для чугунных радиаторов, а полный тепловой поток в течение первого часа после выключения — соответственно 45 и 60%. Следовательно, регулирование теплопередачи облегченных отопительных приборов более эффективно и быстрее отражается на температуре помещений.
Глава III. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Площадь нагревательной поверхности отопительного прибора определяется расчетной величиной теплового потока от теплоносителя в помещение. При эксплуатации прибора расчетные условия имеются далеко не всегда. На температурный режим помещения, выбранный при расчете площади нагревательной поверхности прибора, влияют такие внешние (по отношению к системе отопления) факторы, как изменение температуры наружного воздуха, воздействие ветра и солнечной радиации, бытовые и технологические тепловыделения и т. п. Для поддержания температурного режима помещения на заданном уровне необходимо изменение теплового потока отопительного прибора в процессе эксплуатации.
При проектировании системы отопления предусматриваются мероприятия для эксплуатационного регулирования теплового потока приборов. Однако проведение этих мероприятий может дать эффект только до достижения расчетной величины теплового потока как максимума теплопередачи для данной площади отопительного прибора.
Эксплуатационное регулирование теплового потока отопительных приборов может быть качественным и количественным.
Качественное регулирование достигается изменением температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления. Качественное регулирование по месту осуществления может быть центральным, проводимым на тепловой Станции, и местным, выполняемым в тепловом пункте здания.
Местное качественное регулирование должно дополнять центральное регулирование, которое проводится с ориентацией на некоторое обезличенное здание в районе действия станции. Кроме того, оно может нарушаться по различным причинам, в том числе из-за необходимости нагревания воды в системе горячего водоснабжения до определенной температуры. При местном регулировании учитывают особенности каждого здания, системы отопления и даже ее отдельной части
Качественное регулирование в системе водяного отопления осуществляется путем изменения температуры воды, направляемой в приборы, и поддержания именно той температуры воды, при которой тепловыми потоками от приборов обеспечивается необходимый температурный режим помещений здания.
В системе парового отопления пределы качественного регулирования ограничены. Температура пара, как известно, определяется его давлением. Возможное изменение давления пара (в пределах необходимого для действия системы отопления) не сопровождается обычно таким изменением его температуры, которое существенно изменило бы теплопередачу приборов. Так, например, при понижении давления пара от 0,02 до 0,01 МПа (от 0,2 до 0,1 кгс/см2) температура пара уменьшается с 104,3 до 101,8° С, т. е. всего на 2,5°. Более заметно такое изменение давления изменило бы количество пара, поступающего в приборы. В системах парового отопления качественное регулирование, как правило, не проводится.
Количественное регулирование теплового потока отопительного прибора осуществляется путем изменения количества теплоносителя (воды или пара), подаваемого в систему или прибор. По месту проведения оно может быть не только центральным и местным, но и индивидуальным, т. е. выполняемым у каждого отопительного прибора.
Центральное и местное регулирование в системах парового отопления — количественное: при изменении температуры наружного воздуха изменяется количество пара, поступающего в систему, или пар подается с большим или меньшим перерывом. В первом случае проводится так называемое пропорциональное регулирование, во втором — регулирование «пропусками» (теплоноситель подается периодически).
В системах парового отопления применяется также индивидуальное количественное регулирование теплового потока приборов.
В системах водяного отопления центральное и местное качественное регулирование также дополняется индивидуальным количественным регулированием теплового потока каждого прибора.
Индивидуальное количественное регулирование теплового потока от водяных приборов необходимо еще и потому, что сама система водяного отопления испытывает внутреннее возмущающее воздействие силы гравитации, связанное с местным качественным регулированием.
При индивидуальном количественном регулировании тепловой поток от водяного прибора определенного размера изменяется вследствие изменения средней температуры воды в нем; тепловой поток от парового прибора — из-за отклонения температуры конденсата от температуры пара. Если количество пара, поступающего в прибор, равно расчетному, то температура конденсата равна температуре насыщенного пара. Если же количество пара меньше расчетного, то конденсат начинает «переохлаждаться», и так как температура выходящего из прибора конденсата ниже, чем температура’пара, Еходящего в прибор, то тепловой поток от прибора уменьшается (хотя использование в приборе энтальпии каждого килограмма пара и становится более полным).
Таким образом, в процессе эксплуатации паровых систем отопления осуществляется только количественное регулирование, для водяных систем отопления — смешанное качественно-количественное регулирование теплопередачи приборов.
Эксплуатационное регулирование теплопередачи отопительных приборов может быть автоматизировано. Местное автоматическое регулирование в тепловом пункте здания проводится по основному фактору внешнего возмущающего воздействия на температурный режим его помещений — по изменению температуры наружного воздуха. Индивидуальное автоматическое регулирование теплопередачи прибора осуществляется по отклонению регулируемого параметра — температуры воздуха в помещении от заданного уровня.
Для индивидуального автоматического регулирования применяют регуляторы прямого и косвенного действия. Принцип работы индивидуального терморегулятора прямого действия основан на использовании явления изменения объема жидкости при изменении ее температуры. Изменение объема жидкости в термобаллоне непосредственно вызывает перемещение клапана регулятора в потоке основного теплоносителя. В Москве такими регуляторами снабжены конвекторы двухтрубной системы водяного отопления здания гостиницы «Россия», проектируется их применение в однотрубной системе водяного отопления другого крупного общественного здания.
В индивидуальных регуляторах температуры косвенного действия обычно используется электрическая энергия (с термореле во внешней цепи) для нагревания термобаллона (сильфона) уменьшенного объема, который, в свою очередь, связан со штоком регулирующего клапана. Сильфон частично наполнен легко испаряющейся жидкостью. Давление паров жидкости в сильфонной камере изменяется, растяжение и сжатие сильфона вызывают перемещение клапана регулятора. В других конструкциях электрическая энергия используется для управления соленоидным вентилем двухпозиционного действия.
Для индивидуального ручного регулирования теплового потока отопительных приборов применяют краны и вентили.
При паровом отоплении и при использовании высокотемпературной воды для ручного регулирования применяют вентили с золотником, пришлифованным к поверхности седла (без прокладки). Вращением маховика и шпинделя вентиля можно увеличивать или уменьшать расстояние между золотником, насаженным на шпиндель, и седлом, т. е. изменять площадь кольцевого отверстия для прохода теплоносителя через вентиль.
При водяном отоплении с расчетной температурой воды ниже 100° С для индивидуального регулирования используют краны различной конструкции.
В двухтрубных системах с их параллельным (по направлению движения воды в стояке) присоединением приборов краны индивидуального регулирования должны иметь повышенное гидравлическое сопротивление и обеспечивать возможность проведения монтажно-наладочного (первичного) и эксплуатационного (вторичного) количественного регулирования. Эти краны должны быть кранами «двойной регулировки».
В однотрубных системах водяного отопления краны индивидуального регулирования должны обладать незначительным гидравлическим сопротивлением, так как их устанавливают последовательно по направлению движения воды и, следовательно, их сопротивление суммируется. Это относится прежде всего к кранам (например, трехходовым) для проточно-регулируемых однотрубных стояков. Краны для однотрубных стояков с замыкающими участками должны оказывать минимальное сопротивление затеканию воды в приборы, поэтому используют краны проходного или шиберного типа, клапан которых можно ставить вдоль потока или совсем выводить из потока воды.
Краны индивидуального регулирования для однотрубных систем, действующих, как правило, в достаточно устойчивом гидравлическом режиме, могут не иметь приспособлений для первичного регулирования и быть кранами только эксплуатационного (вторичного) регулирования.
Для индивидуального ручного регулирования теплового потока отопительных приборов применяют также воздушные клапаны в кожухе конвекторов . Воздушным клапаном в конвекторе регулируется количество воздуха, циркулирующего через нагреватель конвектора. Достоинство этого способа регулирования «по воздуху» — сохранение постоянного расхода теплоносителя в отопительных приборах, что способствует поддержанию заданного гидравлического режима системы отопления. Регулирование теплового потока приборов «по воздуху» является дополнительным к основному местному и центральному регулированию.
При индивидуальном количественном регулировании тепловой поток прибора и температура помещения изменяются постепенно — прибор обладает тепловой инерцией. Зависимость изменения температуры помещения во времени при количественном регулировании носит название разгонной характеристики отопительного прибора. Разгонная характеристика обусловливается видом прибора и теплоносителя.
Наибольшей тепловой инерцией обладают бетонные отопительные панели, и их разгонная характеристика имеет вид пологой кривой. Тепловая инерция стальных панелей и конвекторов меньше инерции чугунных радиаторов и тем более бетонных панелей, поэтому процесс регулирования их теплового потока ускорен.
Темп охлаждения отопительного прибора зависит от его массы и емкости, а также от температурных условий и может быть найден с достаточной степенью приближения по уравнению
Используя эти формулы, можно найти, что, например, для стальных панелей типа МЗ-500 остаточный тепловой поток через 1 ч после их выключения составляет всего около 15% начального — вдвое меньше, чем для чугунных радиаторов, а полный тепловой поток в течение первого часа после выключения — соответственно 45 и 60%. Следовательно, регулирование теплопередачи облегченных отопительных приборов более эффективно и быстрее отражается на температуре помещений.
