2. тепло и холодоноситель

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2. ТЕПЛО( И ХОЛОДОНОСИТЕЛЬ
Перенос теплоты и холода по трубопроводам осуществляют при помо
щи жидкостей или газов, называемых в системе отопления теплоносителя
ми, а охлаждения — холодоносителями. В дальнейшем при проявлении их
общих закономерностей используется термин теплоноситель, а при осо
бенностях, характерных для систем охлаждения, — холодоноситель.
Из многообразия теплоносителей наиболее применяемой является
вода. Она дешева, практически не сжимаема, способна переносить коли
чество 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 продук
ция Данфосс адаптирована к химическому составу воды. Контактирую
щие 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: бутадие
накрилонитрильного и этиленпропиленового каучука, фторопласта...
Качество теплоносителя — характерный признак современных ав
томатически регулируемых систем обеспечения микроклимата. Регу
лирование 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 Вос
точной Европы, где только начинается процесс перехода от морально
и физически устаревших систем к новым системам, а также осуществ
ляется попытка их совмещения. При этом предлагаемые пути реше
ния — отказ от услуг теплосетей либо дополнительное фильтрование
теплоносителя перед насосами, тепломерами, регуляторами — увели
чивают капитальные и эксплуатационные затраты, снижая энергоэф
фективность систем.
Наиболее объемлющие требования к воде в инженерных системах
зданий представлены в VDI 2035 [11; 12]. Дополнительные рекомендации
по безопасному сочетанию оборудования водяных систем, выполненного
24
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
из различных металлов,
приводятся в специаль
ной литературе, напри
мер, [13]. Но даже при
высоком исходном качес
тве воды существует не
обходимость ее очистки
от загрязнений, попадаю
щих при монтаже и экс
плуатации систем.
Для обеспечения ра
ботоспособности и избе
жания повреждений тер
Рис. 2.1. Фильтры сетчатые
морегуляторов, автома
тической запорнорегулирующей арматуры, трубопроводов и т. п. ис
пользуют сетчатые фильтры Данфосс (рис. 2.1). Особенно важно их
применение в системах с чугунными радиаторами, из которых в тече
ние многих лет эксплуатации вымываются частички формовочной
массы. Загрязняющие частички оседают на сетку фильтра, находящу
юся 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 сто
рон фильтра. Во всех фильтрах сетка выполнена съемной для регене
рации без демонтажа корпуса. Она изготовлена из нержавеющей ста
ли. Корпус — из латуни для резьбового соединения либо чугуна для
фланцевого соединения. Условный диаметр присоединения от 8 до
300 мм. Размеры ячеек 0.3, 0.5, 0.8, 1.25, 1.6 мм.
Особое внимание следует уделять системе обеспечения микрокли
мата при использовании добавок к воде, снижающих температуру крис
таллизации. Наибольшее распространение получили коммерческие ан
тифризы на основе этилен и пропиленгликоля. Они предотвращают
разрушение системы периодического действия, вызванное переходом
воды из жидкого агрегатного состояния в твердое при ее остывании. До
бавляемые в состав антифриза ингибиторы коррозии предотвращают
деструкцию внутренних поверхностей элементов этих систем, вызван
ную химическими или электрохимическими процессами при взаимо
действии с водой.
Добавки к воде влияют на гидравлические и теплотехнические ха
рактеристики оборудования системы. Менее существенное воздействие,
25
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
по сравнению с этиленгликолем, оказывает пропиленгликоль. Плот
ность этиленгликоля (C2H6O2) при температуре 20 °С превышает плот
ность воды в 1,34 раза. Кинематическая вязкость воды с 50 % содержа
нием этиленгликоля возрастает примерно в 4 раза. Коэффициент объ
емного расширения водоэтиленгликолевой смеси увеличивается в
1,5...2 раза. Безусловно, такие свойства антифризов приводят к необхо
димости корректировки показателей работоспособности системы. Ори
ентировочное влияние этиленгликоля на характеристики системы
представлено в табл. 2.1 [14].
Таблица 2.1. Влияние водоэтиленгликолевой смеси на характеристики
систем обеспечения микроклимата [14]
Массовая доля этиленгликоля, %
Параметр
10
20
30
40
Температура кристаллизации, °С
4,4
9,4
15,6 24,4
Нижняя граница рабочей температуры, °С
1
4
10
19
Относительная тепло или холодопроизводительность
0,998
0,970
0,950 0,935
Относительные потери давления в системе отопления
1,050
1,120
1,180 1,240
Относительные потери давления в системе охлаждения 1,029
1,152
1,130 1,481
Влияние антифриза на расход водогликолевой смеси Vw.g, м3/ч, в
клапанах определяют по формуле:
или Vw.g = kV,
(2.1)
где V — объемный расход воды, определяемый по графику клапана из
технического описания, м3/ч; 100 — размерный коэффициент;
Cg — объемная доля антифриза в смеси, %;
— плотность воды при
20 °С, принимаемая равной 1000 кг/м3; g — плотность антифриза,
кг/м3; k — корректирующий коэффициент.
При использовании этиленгликоля с g = 1338 кг/м3 или пропилен
гликоля с g = 1036 кг/м3 значения корректирующих коэффициентов
представлены в табл. 2.2. Сравнение этих коэффициентов указывает на
преимущества пропиленгликолевой смеси с водой.
Таблица 2.2. Корректирующий коэффициент водогликолевой смеси
Корректирующий
коэффициент k
Объемная доля гликоля Cg, %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Для этиленгликоля
1,000 0,983 0.968 0,953 0,939 0,925 0,912 0,899 0,887 0,876 0,864
Для пропиленгликоля
1,000 0,998 0,996 0,995 0,993 0,991 0,989 0,988 0,986 0,984 0,982
26
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Пример 1. При перепаде давления Δ P = 60 кПа на регулирующем
клапане MSVF DN 65 с настройкой 3 объемный расход воды составля$
ет V = 9,50 м3/ч. Применение смеси воды с 30 % содержанием этиленгли$
коля приведет к изменению расхода:
Vw.g = 0,953 9,50 = 9,055 м3/ч.
На характеристики тепло и холодоносителя оказывает также сущес
твенное влияние процесс управления мощностью системы обеспечения
микроклимата, осуществляемый как централизованно, так и индивиду
ально. При этом перенос теплоты (холода) Q, Вт, определяют уравнением:
Q = cw V Δ t / 3600 = cwG Δ t / 3600 = 1,16 G Δ t,
(2.2)
где 1,16 — размерный переводной коэффициент, учитывающий тепло
емкость воды cw , кДж/кг К; G — массовый расход теплоносителя, кг/ч;
Δ t — перепад температур воды в системе обеспечения микроклимата, °С.
По уравнению (2.2) определяют необходимый расход воды для
системы в целом и потребителей в отдельности. Из него же следуют
возможные способы регулирования системы:
массовым расходом G (количественное регулирование);
перепадом температур Δ t (качественное регулирование);
комбинированием Δ t и G (качественноколичественное регулиро
вание).
Любой из способов приводит к изменению проектно заданных пара
метров теплоносителя. Некоторого устранения негативного влияния на
перераспределение потоков в системе достигают уменьшением значе
ния Δ t. Этот перепад температур характеризуют разностью плотностей
воды в подающем и обратном трубопроводах, определяемую по уравне
нию [15]:
= 1003,1 – 0,1511 t – 0,003 t 2,
(2.3)
где 1003,1; 0,1511 и 0,003 — размерные коэффициенты; t — температура
воды, °С.
Температура воды в трубопроводах систем обеспечения микрокли
мата зависит от многих факторов, в том числе от традиций страны. Низ
кие значения перепадов температур теплоносителя применяют в систе
мах отопления Великобритании и Соединенных Штатов Америки соот
ветственно Δ t = 82 – 71 = 11 °С и Δ t = 93 – 82 = 11 °С, высокие — встре
чаются в странах Восточной Европы — Δ t = 150 – 70 = 80 °С. Широко
распространены в Европе средние перепады температур — 20 и 25 °С.
Эти перепады изменяются для систем обеспечения микроклимата в
27
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
зданиях различного назначения. Уменьшают их также с 25 до 15 °С при
увеличении этажности здания. Для систем отопления в полу Δ t прини
мают равным 5 °С, а для систем холодоснабжения фенкойлов — 6 °С. Из
всего многообразия проектных подходов однозначно можно отметить:
чем ниже значение Δ t, тем гидравлически стабильнее будет работать си
стема при качественном регулировании изза снижения влияния грави
тационного давления.
Качество теплоносителя является исходным фактором эффектив$
ной работоспособности автоматического оборудования систем
обеспечения микроклимата.
Применение водогликолевых смесей требует корректировки гидрав$
лических и тепловых показателей системы обеспечения микрокли$
мата, рассчитанной для теплоносителя воды. Водопропиленглико$
левая смесь оказывает значительно меньшее влияние на изменение
гидравлических характеристик клапанов, чем водоэтиленгликолевая
смесь.
Выбор температуры воды зависит от назначения системы, тради$
ций страны, назначения и этажности здания, способа регулирования.
28