Рис. 1 Схема теплоснабжения без гидравлического разделителя
В данной статье сделана попытка разобраться для чего нужен гидравлический разделитель (гидрострелка).
Сначала рассмотрим схему теплоснабжения без гидравлического разделителя.
Рис. 1 Схема теплоснабжения без гидравлического разделителя
К - котёл, Н - насос, КП - коллектор прямой воды (горячая), КО - коллектор обратной воды (холодная), РБ - расширительный бак, Р - регулятор, П - потребитель тепловой энергии.
Рассматриваемая система теплоснабжения состоит из четырёх ветвей - ветвь котла и трёх ветвей потребителей. Концы ветвей соединены с коллекторами. В рамках данной статьи коллектор - эта труба с большой площадью поперечного сечения и нулевым гидравлическим сопротивлением.
Для регулирования расхода теплоносителя в ветвях потребителей устанавливаются регуляторы.
Расширительный бак предназначен для компенсации изменения объёма теплоносителя в системе при изменении температуры теплоносителя. Значение давления теплоносителя в месте врезки линии расширительного бака в коллектор обратной воды является базовым значением (точкой отсчёта) относительно которого определяются значения давлений в других точках гидравлической сети.
Котёл и потребители характеризуется:
Потери давления в участке сети зависят от величины расхода в нём, поэтому при указании значения потерь давления указывается и величина расхода для которого дано значение потерь давления.
Потери давления прямо пропорционально квадрату расхода - при увеличении расхода через ветвь в два раза потери давления в ветви увеличится в четыре раза.
Зная потери давления при заданном расходе можно определить гидравлическое сопротивление R (подробнее см. [2])
R = dp / G^2 (1)
где dp - потери давления в элементе сети, м (метры водяного столба); G - расход, кг/с.
Располагая значением гидравлического сопротивления участка сети можно определить потери давления в нём при любой величине расхода.
Каждая ветвь имеет собственный насос. Напор насоса равен потерям давления в ветви при прохождении через неё максимального расхода, соответствующего максимальной тепловой нагрузке.
Для простоты примем, что напорная характеристика насосов (зависимость напора от величины подачи) - горизонтальная прямая, т.е. напор насоса остаётся постоянным при изменение величины подачи.
Тепловая мощность, потребляемая потребителем, определяется расходом теплоносителя через потребитель и разницей температур теплоносителя на входе и выходе потребителя.
Q = c_p*G*(t_пр - t_обр) = c_p*G*dt,
где Q - тепловая мощность, Вт; c_p = 4200 Дж/(кг*К) - удельная теплоёмкость воды при постоянном давлении; G - расход теплоносителя, кг/с; t_пр, t_обр - температура прямой и обратной воды соответственно, С; dt = t_пр - t_обр - разница температуры прямой и обратной воды.
Зададимся числовыми значениями (см. [1]):
Q_п_макс = 1000 Вт (1 кВт) - максимальная тепловая мощность одного потребителя, максимальная тепловая мощность котла Q_к_макс = 3*Q_п_макс = 3000 Вт; t_пр = 80 C; t_обр = 60 C; dt = 20 C.
Расход через каждую ветвь потребителей при максимальном тепловом потреблении составит:
G_п_макс = Q_п_макс / (c_p*dt) = 0,012 кг/с или 0,71 кг/мин (л/мин)
Расход через котёл равен суммарному расходу потребителей
G_к_макс = 3*G_п_макс = 2,13 л/мин
Примем, что потери давления в каждой ветви потребителей от точки присоединения к КП до точки присоединения к КО (трубы + регулятор + потребитель) при расходе G_п_макс составит 10 м; потери давления в ветке котла (трубы + котёл) при расходе G_к_макс составляет 5 м.
В ветвях потребителя должны быть установлены насосы с напором H_п = 10 м и подачей 0,71 л/мин. Насос в контуре котла должен иметь напор H_к = 5 м и подачу 2,13 л/мин.
Предположим, мы хотим уменьшить расход через одну из ветвей потребителей (т.к. ветви потребителей идентичны, то не важно о какой конкретно ветви идёт речь, но для определённости возьмём первую ветвь) в два раза, оставив расход в остальных ветвях потребителей неизменным.
Из (1) следует, что для уменьшения расхода через участок сети в 2 раза значение R нужно увеличить в 4 раза. Но так как в схеме без гидравлического разделителя все ветви потребителей образуют замкнутый контур через общий участок (ветвь котла), то изменение параметров одной ветви влияет на состояние других ветвей.
При увеличении гидравлического сопротивления в ветви потребителя 1 в 4 раза расходы в ветвях будут следующие (расчёты см. в [1]):
Ветвь потребителя 1: 53% от G_п_макс,
Ветви потребителей 2, 3: 106% от G_п_макс,
Ветвь котла: 88% от G_к_макс.
В схеме теплоснабжения без гидравлического разделителя для того, чтобы установить в какой-то ветви потребителей требуемый расход теплоносителя при неизменных значениях расходов в остальных ветвях необходимо задействовать регуляторы всех ветвей потребителей.
Так, для того, чтобы в ветви потребителей 1 установился расход 50% от G_п_макс при сохранении значений относительных расходов 100% в ветвях 2, 3 сопротивления ветвей потребителей должны измениться следующим образом:
Расход через котёл будет равен сумме расходов через потребители: (50+100+100)/(3*100)=83,3% от 3*G_п_макс.
Если в системе установлены регуляторы, которые в автоматическом режиме восстанавливают в ветви требуемый расход теплоносителя, то взаимозависимость ветвей не является проблемой.
Гидравлический разделитель (далее - ГР), как следует из названия, предназначен для разделения единой гидравлической системы на несвязанные между собой замкнутые контуры.
Рис. 2 Схема теплоснабжения с гидравлическим разделителем
ГР представляет собой герметичный объём (бак), заполненный водой. Давление внутри ГР не зависит от величин напоров используемых в системе насосов, а определяется давлением в расширительном баке.
Холодная вода из нижней части ГР поступает на всас насоса ветви котла, проходит через котёл, где происходит её нагрев, и сбрасывается в верхнюю часть ГР.
В ветви потребителей горячая вода поступает из верхней части ГР, вода отдаёт своё тепло тепловым потребителям, и охлаждённая, направляется в нижнюю часть ГР.
Т.к. плотность горячей воды ниже плотности холодной воды, то горячая вода стремится оставаться наверху , а холодная - внизу, что препятствует выравниванию температуры воды в объёме сосуда.
Для каждой из ветви ГР является как местом забора воды так и местом её сброса, т.е. каждая ветвь замкнута на ГР. Так как для замкнутой на какой-то объём ветви в каждый момент времени количество забираемой из объёма воды равно количеству возвращаемой в этот объём воды, то в контурах можно организовать расходы любой величины и расходы теплоносителя в контурах не будут зависеть друг от друга.
Схема теплоснабжения с ГР имеет следующие особенности по сравнению со схемой без ГР:
В схеме без ГР при снижении суммарной тепловой нагрузки потребителей (суммарного расхода через потребителей) расход через котёл уменьшается. В схеме с ГР подача насоса постоянна, а тепловая мощность котла уменьшается не снижением через него расхода теплоносителя при постоянных значениях температур обратной и прямой сетевой воды (количественный способ регулирования отпуска тепла), а снижением разницы между температурами прямой и обратной воды при постоянном расходе (качественный способ регулирования).
До сих пор мы рассматривали корректно спроектированные системы. Теперь рассмотрим ситуацию, когда насос в первой ветви выбран неправильно - его напор выше требуемого в четыре раза, т.е. H_п_1 = 40 м. В схеме с ГР расход в ветви 1 будет в два раза больше требуемого (200% от G_п_макс), расход в остальных ветвях не изменится.
Для схемы без ГР относительные расходы будут следующими:
Ветвь потребителя 1: 194% от G_п_макс,
Ветви потребителей 2, 3: 87% от G_п_макс,
Ветвь котла: 122% от G_к_макс.
При установке в первой ветви насоса с напором в четыре раза меньше требуемого в схеме с ГО расход через первую ветвь будет в два раза меньше требуемого (50% от G_п_макс), а в схеме без ГР:
Ветвь потребителя 1: 59% от G_п_макс,
Ветви потребителей 2, 3: 105% от G_п_макс,
Ветвь котла: 90% от G_к_макс.
Гидравлический разделитель (гидрострелка) не устраняет ошибки проектирования, его назначение - создание для котла благоприятных условий работы и исключение влияния ветвей потребителей на гидравлический режим котла.
Правильно спроектированная система теплоснабжения не нуждается в применении гидравлического разделителя. В статьях про гидравлический разделитель идеальным (и недостижимым на практике) режимом работы называется режим, при котором расход в контуре котла равен расходу в контуре потребителей. Этот идеальный режим без каких либо усилий устанавливается в схемах без гидравлического разделителя.
Рис. 3 Установившиеся режимы работы гидравлического разделителя
При G_к < G_п с течением времени холодная вода занимает всё больший объём гидрострелки до тех пор пока часть холодной (обратной) воды в количестве (G_п-G_к) не станет подмешиваться к горячей воде и подаваться в коллектор прямой воды. При этом температура прямой воды составит
t_пр = (t_к*G_к + t_обр*(G_п-G_к)) / G_п
где t_к - температура воды за котлом, t_обр - температура обратной воды, G_к - расход в контуре котла, G_п - суммарный расход в контуре потребителей.
Из формулы следует, что чем больше разница между G_п и G_к и между t_пр и t_обр тем ниже температура прямой воды по сравнению с t_к. Так, при требуемом температурном режиме t_пр = 80 C, t_обр = 60 в условиях, когда G_к в два раза меньше G_п, температура прямой воды составит 70 С (при условии неизменности t_обр).
Слева на рис. 3 показан установившийся режим работы гидрострелки, когда расход в контуре котла G_к меньше суммарного расхода потребителей G_п.
При G_к > G_п гидрострелка наполнится горячей водой и температура на входе в котёл будет выше t_обр. Данный режим работы (правый рисунок на рис. 3) является предпочтительным. Побочный эффект данного режима работы - в случае отключения котла гидрострелка некоторое время может быть источником горячей воды.
Раз мы отказались от применения гидравлического разделителя, то вместо установки в каждой ветви потребителя собственного насоса (что необходимо для гидравлического отделения ветви отдельного потребителя от ветвей других потребителей и от ветви котла) имеет смысл использовать один общий насос.
Рис. 4 Схема теплоснабжения с общим для котла и потребителей насосом
Ш - балансировочная дроссельная шайба. Шайба установлена после регулятора для снижения риска возникновения кавитации в регулирующем клапане.
Опишем методику подбора насоса и дроссельных шайбы для схемы на рис. 4 без учёта потерь в трубопроводах (методику балансировки сети с учётом сопротивления трубопроводов см. в [3]).
Известно:
Сопротивление шайбы, устанавливаемой в ветви i рассчитывается по формуле R_ш_i = dP_ш_i / G_п_i_макс^2, где dP_ш_i = dP_макс - dP_i.
В ветви в которой dP_i = dP_макс потери давления в шайбе dP_ш_i = 0, поэтому шайба в этой ветви не ставится.
Изображённая на рис. 4 схема применима в случаях, когда величины гидравлических сопротивлений ветвей потребителей отличаются друг от друга незначительно.
Рассмотрим случай, когда один из потребителей имеет гидравлическое сопротивление в два раза выше по сравнению с сопротивлениями остальных потребителей. Напор насоса выбирается по максимальному сопротивлению параллельно подключённых ветвей. Если расход через потребитель с максимальным сопротивлением составляет, скажем 10% от суммарного расхода потребителей, то это означает, что для 90% суммарного расхода напор насоса, на создание которого расходуется электроэнергия, избыточен и должен быть уменьшен в два раза установкой дроссельных шайб.
В этом случае, для экономии электроэнергии и уменьшения давления в котле и коллекторе прямой воды, имеет смысл в ветвь с максимальным сопротивлением установить отдельный насос с подачей 10% от суммарного расхода через потребителей.
Рис. 5 Схема теплоснабжения с индивидуальным насосом в ветви потребителя
На рис. 5 приведена схема, которую следует использовать в случаях, когда сопротивление ветви 1 немного меньше сопротивления ветви 2, а сопротивление ветви 3 намного больше сопротивления ветви 2 при незначительном расходе через ветвь 3.
Напор общего насоса Н выбирается по сопротивлению ветви 2, а [Напор насоса Н3] = [Напор, необходимый для преодоления сопротивления ветви 3] - [Напор насоса Н].
Гидрострелка поможет, если по каким-то причинам нет возможности в целях подбора оборудования выполнить гидравлический расчёт всей системы теплоснабжения. Гидрострелка за счёт гидравлического разделения контуров даёт возможность произвести индивидуальную настройку каждой ветви, при этом изменение параметров какого либо контура не оказывает влияния на остальные контуры. Поэтому даже при работающей системе теплоснабжения с каждым контуром можно экспериментировать сколько угодно до получения нужного результата.
Плата за такое "кустарное" решение - повышенные материальные затраты (много маленьких насосов стоят больше чем один большой, плюс цена гидрострелки) и усложнение схемы (применяется множество насосов вместо одного), а значит снижение её надёжности.
Чтобы гарантировать бесперебойную работу системы теплоснабжения для схемы на рис. 4 достаточно установить параллельно имеющемуся ещё один резервный насос с запорной арматурой, для схемы на рис. 2 данное решение не выглядит разумным.
При желании оставить свой комментарий к данной статье Вы можете здесь.
Канал в Дзене Инженерные расчёты на Python, С.В. Медведев, 2020-2024
Использование Python и Jupyter Notebook для инженерных расчётов, С.В. Медведев, 2020-2024