Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления

Раздел: Отопление

Системы отопления представляют собой последовательно- параллельное соединение теплообменника смешения, отопительных приборов и трубопроводов. В большинстве случаев они являются замкнутыми системами и переменные режимы работы отопительных приборов и трубопроводов систем отопления находятся в тесной взаимосвязи, поэтому нри исследовании нестационарных процессов теплообмена в системах отопления необходимо учитывать динамические свойства этих элементов по всем каналам связи.

Входными параметрами системы отопления являются температура и расход теплоносителя, температура воздуха в помещении, а выходными — количество выделяемой теплоты и температура теплоносителя на выходе.

При составлении исходных дифференциальных уравнений (5.11), (5.15) и их решении приняты следующие допущения:

теплофизические параметры воды, металла и воздуха не зависят от температуры;

температура воздуха по длине отопительного прибора одинакова;

градиент температур при теплопередаче теплопроводностью в радиальном и осевом направлениях в металле труб и потоке жидкости не учитывается;

зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры и скорости теплоносителя линеаризована в зоне малых отклонений параметров от их значений в заданном равновесном режиме и учитывается выражением

В результате решения дифференциальных уравнений (5.11), (5.15) методом интегрального преобразования Лапласа получены передаточные функции ( 5.8), устанавливающие динамическую связь между всеми входными и выходными параметрами. Аппроксимирующие передаточные функции, полученные методом линейных интегральных оценок, приведены в  5.9. Передаточные функции теплообменников смешения не требуют аппроксимации, так как в результате точного решения получены дробно-рациональные выражения (5.57 V— (5.60).

Режимы работы систем отопления характеризуются переменными температурой и скоростью теплоносителя. Характер течения жидкости зависит от типов систем отопления и отопительных приборов и может быть турбулентным или ламинарным. Турбулентное течение жидкости, например, имеет место в однотрубных системах отопления при применении в качестве отопительных приборов конвекторов. Динамические свойства отопительных приборов при турбулентном течении жидкости в зависимости от режима работы изменяются аналогично динамическим свойствам изолированных трубопроводов. Это можно объяснить тем, что изменение динамических свойств определяется величиной коэффициента теплоотдачи, который вычисляется по одной и той же формуле.

Пределы изменения динамических параметров отопительных приборов при ламинарном течении жидкости значительно меньше, чем при турбулентном режиме, так как величина коэффициента теплоотдачи сравнительно слабо зависит от температуры и скорости теплоносителя.

В качестве примера в  5.10 приведены динамические параметры отопительного прибора при возмущении по температуре воды на входе для различных начальных значений температуры и скорости теплоносителя. Сравнение этих кривых показывает, что динамические свойства изменяются в зависимости от начальной скорости теплоносителя и практически не зависят от начальной температуры.

Так как физика процессов теплообмена, происходящих в разводящих трубопроводах систем отопления, аналогична физике процессов в отопительных приборах, то влияние режимов работы на их динамические свойства одинаково. Однако эта аналогия носит только качественный характер. Динамические параметры разводящих трубопроводов систем отопления существенно зависят от начальной скорости теплоносителя и практически не зависят от его начальной температуры. Для количественной оценки динамических параметров разводящих трубопроводов в  5.11 приведены величины транспортного запаздывания, постоянной времени и коэффициента передачи стояка двухтрубной вертикальной системы отопления по участкам. Под участком стояка системы отопления понимается расстояние между центрами отопительных приборов по вертикали. Сопоставление динамических параметров участков стояка системы отопления показывает, что величина транспортного запаздывания и постоянной времени увеличивается с уменьшением скорости, а величина коэффициента передачи уменьшается.

Динамические параметры кривой разгона температуры теплоносителя на выходе стояка системы отопления (перед последним отопительным прибором по ходу теплоносителя) при возмущении по температуре на входе (перед первым отопительным прибором по ходу теплоносителя) могут быть получены путем последовательного соединения передаточных функций каждого участка. Для рассматриваемого примера динамические параметры всего стояка следующие: т3 = 480 с, Т = 360 с, К— = 0,74.

Конструктивными особенностями, определяющими динамические свойства систем отопления, являются: тип отопительного прибора; поверхность нагрева отопительного прибора; диаметр трубопроводов систем отопления; тип систем отопления.

Отопительные приборы разных типов отличаются металлоемкостью, скоростью теплоносителя, поверхностью нагрева, законом изменения температуры теплоносителя по длине трубопровода, т. е. всеми параметрами, которые входят в коэффициенты передаточных функций. Динамические свойства отопительных приборов разных типов рассмотрим на примере чугунного радиатора М-140 и конвектора 20-КП-1,5 с одинаковыми тепловыми нагрузками Q = 1744 Вт. Сравнение их динамических параметров по различным каналам воздействия ( 5.12) показывает, что наиболее существенно изменяется величина постоянной времени.

Для более металлоемкого чугунного радиатора величины постоянной времени практически на порядок выше, чем для конвектора.

Многочисленные расчеты позволили установить некоторую закономерность изменения динамических параметров отопительных приборов в зависимости от поверхности нагрева. изменение динамических параметров кривой разгона температуры теплоносителя на выходе при возмущении по температуре теплоносителя на входе для радиатора М-140 в зависимости от числа секций (при постоянном расходе теплоносителя через прибор). Характер изменения динамических параметров по остальным каналам воздействий аналогичен. Линейный закон изменения динамических параметров отопительного прибора в зависимости от числа секций позволяет легко определить величины К, т3 и Т для отопительного прибора, состоящего из любого числа секций при известных параметрах одной секции. Для этого необходимо определяемый динамический параметр одной секции умножить на тангенс угла наклона соответствующей прямой и на число секций. Нужно отметить, что тангенс угла наклона зависит от расхода теплоносителя через отопительный прибор.

изменение динамических параметров радиатора М-140 в зависимости от перепада температур теплоносителя. Приведенные графические зависимости позволяют определить динамические параметры радиатора М-140, состоящего пз любого числа секций, при любом расходе теплоносителя по известному перепаду его температур,

Трубопроводы систем отопления по конструкции отличаются только поверхностью нагрева, которая зависит от диаметра трубы и ее длины. Характер изменения динамических параметров трубопроводов систем отопления различных длин и диаметров аналогичен характеру изменения динамических параметров отопительных приборов в зависимости от поверхности нагрева.

Динамические свойства системы отопления рассмотрим на примере двухтрубной системы отопления с нижней разводкой и однотрубной вертикальной системы с осевыми замыкающими участками и верхней разводкой. В качестве отопительных приборов рассмотрены чугунные радиаторы М-140. Расчетные параметры системы отопления соответствуют рядовой секции здания серии П-49П.

На первом этапе имеет смысл рассмотреть схему присоединения системы отопления без подмешивания обратной воды. Это позволит сделать вывод о динамических свойствах собственно системы отопления.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что тепло- инерционные свойства систем отопления вносят существенную поправку в закон изменения температуры теплоносителя перед отопительным прибором, что, в свою очередь, оказывает влияние на динамические свойства помещений по каналам регулирующих воздействий. Степень этого влияния зависит от типа системы отопления.

При применении двухтрубных систем отопления закон изменения температуры теплоносителя перед отопительным прибором определяется теплоинерционными свойствами только разводящих трубопроводов систем отопления, а при применении однотрубных систем отопления, кроме того, и типом отопительных приборов. Максимальную поправку к величине постоянной времени отапливаемого помещения по каналу регулирующего воздействия вносят однотрубные горизонтальные проточные системы. Изменение постоянной времени помещения здания серии II-49-A2 при применении даже таких малоинерционных отопительных приборов, как чугунный радиатор М-140, может составлять 10 % и более.

Присоединение систем отопления к тепловой сети через элеватор или насос приводит к увеличению времени переходного процесса температуры теплоносителя перед.отопительными приборами за счет влияния изменяющейся температуры обратной воды. Величина постоянной времени кривой разгона увеличивается с увеличением коэффициента смешения и в пределе стремится к величине постоянной времени системы отопления с независимым присоединением (и = со).