Температурные графики регулирования отпуска теплоты. Средневзвешенная температура возвращаемого теплоносителя

Прежде чем проводить дальнейшие расчёты, необходимо определиться с рядом параметров проектируемой тепловой сети, таких как: метод регулирования тепловой нагрузки, схема присоединения абонентов, тип системы теплоснабжения и прочие. Часть этих параметров нам уже задана. А именно: проектируемая тепловая сеть будет закрытого типа, регулирование будет производиться центральное качественное по отопительной нагрузке.

Закрытый тип тепловой сети подразумевает отсутствие отбора сетевой воды абонентом, то есть минимум двухтрубное исполнение сети (возврат сетевой воды) и независимое присоединение установок ГВС. Это, конечно, повышает капитальные затраты (на сооружение тепловой сети) и эксплуатационные затраты (усложнена схема абонентского ввода), но зато обеспечивает следующие преимущества:

1. Гидравлическая изолированность водопроводной воды от сетевой;

2. Упрощение санитарного контроля за качеством воды на ГВС, ввиду сокращённого пути прохождения;

3. Упрощения контроля герметичности теплофикационной системы.

Как известно, регулирование тепловой нагрузки возможно в различных точках тепловой сети (центральное, групповое, местное, индивидуальное). Нам задан только метод центрального регулирования. А для обеспечения высокоэффективного теплоснабжения необходимо регулировать отпуск как минимум на трёх уровнях, обязательно включающих индивидуальный.

Центральный качественный метод представляет собой регулирование отпуска теплоты за счёт изменения температуры теплоносителя на входе в систему (при неизменном расходе теплоносителя) и может обеспечить более стабильный тепловой режим, нежели количественный метод. Однако при этом возрастает потребление электроэнергии на питание насосов, связанное с постоянством расхода теплоносителя. Качественное регулирование возможно не на всём промежутке температур отопительного периода, это связано с условиями горячего водоснабжения. По [5] для закрытой системы теплоснабжения температура в местах водоразбора должна быть не менее 50ºС, в связи с этим [1] требует температуру воды в подающем трубопроводе не менее 70ºС. В проекте примем температуру воды в местах водоразбора t_Г1 = 60ºС (50ºС всё-таки холодновато).

Регулирование по отопительной нагрузке означает, что температура воды в подающей линии тепловой сети соответствует графику качественного регулирования отопительной нагрузки и то, что сеть у нас будет двухтрубная. По рекомендации [1], регулирование должно проводится по совмещённой нагрузке отопления и горячего водоснабжения.

Теперь определимся со схемой присоединения абонентов. Независимое присоединение нагрузки ГВС уже задано. Для отопления принимаем зависимую схему согласно с рекомендациями [1]. Исходим при этом из двух простых соображений:

1. Зависимая схема дешевле и проще (в регулировании и в расчёте);

2. Наш температурный график (140/70) обуславливает максимальное давление воды в сети около 4 атмосфер, тогда как допустимое давление в самых распространённых в РФ отопительных приборах (чугунных радиаторах) 6 атмосфер. То есть жёсткая гидравлическая связь сети с приборами, являющаяся основным недостатком зависимой схемы.

4.1 Обозначения величин

Прежде чем начинать расчёт опишем величины в нём участвующие. Условимся, что параметр со штрихом (например: ) будет означать расчётное значение, то есть при расчётной температуре наружного воздуха t_нр = -28ºС.

t_тек – текущая (любая) температура наружного воздуха;

t_пом – расчётная температура отапливаемых помещений. Поскольку самая высокая температура, требуемая в помещениях абонентов, это 18ºС (жилые и общественные здания), то t_пом = 18ºС. Это незначительно повысит нагрузку на отопление и значит тоже;

t₁, t₂ – температуры вторичного по отношению к сетевой воде теплоносителя;

= = = – температура сетевой воды в подающем трубопроводе. В зоне качественного регулирования определяется температурой перед отопительными установками . Минимальный уровень, как уже было сказано 70ºС;

, , , – температура сетевой воды после отопительных установок, после калориферов, после установок ГВС и в обратном трубопроводе соответственно;

– температура воды в стояке местной отопительной системы после смешения на вводе (после элеватора);

– средняя температура в отопительном приборе местной системы;

– эквивалент расхода (здесь G – расход, с_р – теплоёмкость (для воды ≈ 4,19 кДж/(кг·ºС));

, – относительные тепловая нагрузка, эквивалент расхода;

4.2 Расчёт регулирования отпуска теплоты на отопление

Расчёт ведём согласно с методикой изложенной в [4].

Температура сетевой воды перед отопительной установкой:

(4.1)

где 82,5ºС – среднеарифметическая температура воды в отопительной установке;

– относительная тепловая нагрузка на отопительную установку при t_тек;

Температура сетевой воды после отопительной установки:

(4.2)

где – относительный эквивалент расхода воды, при качественном регулировании равен 1;

Температура воды после элеватора (из аналогичных (4.2) соображений):

(4.3)

Эквивалент расхода сетевой воды на отопление:

(4.4)

Результаты расчётов по формулам 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4 сводим в таблицу:

Таблица 4.1 Результаты расчётов регулирования отопительной нагрузки

tтек, ºС		, ºС	, ºС	, ºС	WO, Вт/К
-28	1,0000	140,00	140,00	70,00	1 839 482,14
-24	0,9130	130,47	130,47	66,56	1 839 482,14
-20	0,8261	120,86	120,86	63,03	1 839 482,14
-16	0,7391	111,15	111,15	59,41	1 839 482,14
-14	0,6957	106,25	106,25	57,55	1 839 482,14
-10	0,6087	96,36	96,36	53,75	1 839 482,14
-6	0,5217	86,33	86,33	49,81	1 839 482,14
-2	0,4348	76,13	76,13	45,69	1 839 482,14
Точка излома	Качеств.	Колич.	Качеств.	Колич.	Качеств.	Колич.	Колич.
0,36	0,3834	70,00	70,00	43,16	43,16	52,75	52,75	1 839 482,14
	0,3478	65,71	70,00	41,36	41,36	50,06	50,06	1 563 969,26
	0,2826	57,72	70,00	37,94	37,94	45,00	45,00	1 134 949,80
	0,2174	49,53	70,00	34,31	34,31	39,74	39,74	784 287,84

При достижении этой точки t_тек = 0,36ºС имеем = 70ºС становится невозможным качественно регулировать отпуск (центральным методом), поскольку нельзя далее понижать . При переходе на этот режим котельная начинает регулировать отпуск теплоты понижением расхода теплоносителя, что нарушает работу элеватора. Этот недостаток ликвидируется включением циркуляционного насоса 10 (рис. 1.1), который поддерживает постоянство расхода воды в местной системе отопления. При этом в отопительной установке осуществляется качественное регулирование, то есть температуры и имеют такие же значения, как и при центральном качественном регулировании. В такой ситуации регулирование возможно осуществлять также элеватором с переменным диаметром сопла.

4.3 Расчёт регулирования отпуска теплоты на вентиляцию

Эквивалент расхода сетевой воды на вентиляцию определяется решением следующей системы уравнений:

(4.5)

где 277 023,57 Вт/К – эквивалент расхода первичного (греющего) теплоносителя, воды, при расчётной температуре наружного воздуха;

421 557,61 Вт/К – эквивалент расхода вторичного (нагреваемого) теплоносителя, воздуха, при расчётной температуре наружного воздуха;

= = 277 023,57 Вт/К – меньший из эквивалентов расхода;

t_В1, t_В2 – температуры нагреваемого теплоносителя на «горячем» (t_В1) и «холодном» (t_В2) концах. В нашем случае t_В1 = t_пом = 18ºС, а t_В2 = t_тек;

W_П, W_В – текущие значения эквивалентов расхода первичного и вторичного теплоносителей. Поиском W_П мы и занимаемся, а W_В = = 421 557,61 Вт/К ввиду того, что применяется качественное регулирование вентнагрузки;

– основной режимный коэффициент калорифера, примем его при температуре t_нр:

(4.6)

где 110 ºС – среднеарифметический температурный напор в калорифере;

Тогда, по формуле 2.6: 0,6364;

Температура сетевой воды после вентиляционной установки:

(4.7)

Значение принимаем по таблице 3.4, поскольку регулирование происходит по отопительной нагрузке. Очевидно, что = . Результаты и промежуточные данные расчётов по системе 4,2 сведём в таблицу:

Таблица 4.2 Результаты расчётов регулирования нагрузки на вентиляцию

tтек, ºС		, ºС		WП, Вт/К	, ºС
-28	1,0000	140,00	3,1522	277 023,57	70,00
-24	0,9130	130,47	3,1779	277 023,57	66,56
-20	0,8261	120,86	3,2068	277 023,57	63,03
-16	0,7391	111,15	3,2396	274 397,20	58,91
-14	0,6957	106,25	3,2577	270 304,57	56,34
-10	0,6087	96,36	3,2985	261 519,22	51,22
-6	0,5217	86,33	3,347	251 708,85	46,13
-2	0,4348	76,13	3,4063	240 531,51	41,07
0,364	0,3834	70,00	3,4485	233 128,76	38,11
	0,3478	70,00	3,75	190 076,95	34,51
	0,2826	70,00	4,5	127 778,40	27,11
	0,2174	70,00	5,7	81 945,78	18,56

Столь значительное захолаживание обратной воды, после прохождения точки излома, обусловлено режимом, при котором происходит теплообмен. За создание этого режима отвечает автоматический регулятор 5 на рис. 1.1.

4.4 Расчёт регулирования отпуска теплоты на горячее водоснабжение

Расчёт ведётся по основным уравнениям ТМО и уравнению характеристики конвективных теплообменных аппаратов, модифицированному автором [4]:

Характеристика конвективного ТМО аппарата: , Вт (4.8)

Коэффициент эффективности: (4.9)

Режимный коэффициент: (4.10)

Максимальная разность температур: ºС, ºС (4.11)

Уравнение теплопередачи: , Вт (4.12)

Теперь комментарии:

1. В расчёте подразумеваем использование противоточного аппарата и среднелогарифмической разности температур;

2. Режимный коэффициент зависит от параметров теплообменника и режима его работы: . Ясно, что он будет в ходе регулирования меняться и столь же ясно, что рассчитать его для каждого режима трудно (две причины: нужна зависимость для k и нужно знать F). Автор [4] предлагает принять режим с максимальным пропуском воды через теплообменник за основной, определить для него режимный коэффициент , а на все другие режимы производить пересчёт по формуле: . Здесь Ф – параметр теплообменника, , величина постоянная. А индекс _ос здесь и далее будет означать основной режим. Нам этот вариант расчёта очень удобен. Таким образом необходимо определить параметр теплообменника из совместного решения (4.10), (4.12) и только что упомянутых уравнений: . Расчётный период имеет место при минимальной температуре в подающей линии, то есть левее точки излома. Температуру обратной воды с ГВС в точке излома и левее примем 20ºС (на это ограничений не накладывается). Тогда 512 176 Вт/К. Обращаемся к следующему подпункту (3) и выясняем, что эквивалент вторичного теплоносителя,W_В = 421 557,61 Вт/К. Просчитав для основного режима подпункты 8 и 9, получаем 12,33ºС. Тогда параметр теплообменника: 4,2525.

3. Определяем эквивалент расхода водопроводной воды (нагреваемого, вторичного теплоносителя) W_В. На протяжении расчёта он постоянен: 512 182 Вт/К;

4. Определяем максимальную разность температур по формуле 4.11;

5. Задаёмся температурой греющего теплоносителя (сетевой воды) на выходе ;

6. Определяем эквивалент расхода сетевой воды: ;

7. Из полученных W_В и W_П выбираем бóльший W_Б и мéньший W_М;

8. Определяем режимный коэффициент: ;

9. Определяем бóльшую и мéньшую разности температур;

10. Определяем среднелогарифмическую разность температур (температурный напор): ;

11. Определяем коэффициент эффективности по формуле 4.9;

12. Определяем количество переданной теплообменником теплоты по формуле 4.8;

13. Сравниваем полученное Q c расчётным 28,17 МВт и корректируем в подпункте 5;

Результаты расчёта сводим в таблицу 4.3:

Таблица 4.3 Результаты расчётов регулирования нагрузки на ГВС

tтек, ºС	, ºС	, ºС			WП, Вт/К
-28	140,00	6,64	6,6218	0,9879	211 230,67
-24	130,47	7,07	6,3698	0,9836	228 274,95
-20	120,86	7,65	6,1010	0,9772	248 831,57
-16	111,15	8,45	5,8108	0,9676	274 304,71
-14	106,25	8,96	5,6558	0,9609	289 551,76
-10	96,36	10,35	5,3178	0,9415	327 520,40
-6	86,33	12,50	4,9269	0,9079	381 555,92
-2	76,13	16,19	4,4393	0,8428	469 991,65
0,364	70,00	20,00	4,4601	0,8462	563 391,18
	70,00	20,00	4,4601	0,8462	563 394,44
	70,00	20,00	4,4601	0,8462	563 394,44
	70,00	20,00	4,4601	0,8462	563 394,44

4.5 Средневзвешенная температура возвращаемого теплоносителя

Поток обратной сетевой воды образован смешением потоков после отопительной, вентиляционной и ГВС установок. Температура этой смеси определяется по формуле смешения:

(4.13)

В следующей главе нас будут интересовать непосредственно расходы, G, поэтому в итоговую таблицу включим именно их, а не эквиваленты (связь между расходом и его эквивалентом приведена в параграфе 4.1).

Таблица 4.4 Результаты расчёта температурного графика тепловой сети
tтек, ºС	, ºС	, ºС	, ºС	, ºС	GО, кг/с	GВ, кг/с	GГ, кг/с	GΣ, кг/с	, ºС
-28	140,00	70,00	70,00	6,64	439,02	66,12	50,41	555,55	64,25
-24	130,47	66,56	66,56	7,07	439,02	66,12	54,48	559,61	60,77
-20	120,86	63,03	63,03	7,65	439,02	66,12	59,39	564,52	57,21
-16	111,15	59,41	58,91	8,45	439,02	65,49	65,47	569,97	53,50
-14	106,25	57,55	56,34	8,96	439,02	64,51	69,11	572,63	51,55
-10	96,36	53,75	51,22	10,35	439,02	62,42	78,17	579,60	47,63
-6	86,33	49,81	46,13	12,50	439,02	60,07	91,06	590,15	43,68
-2	76,13	45,69	41,07	16,19	439,02	57,41	112,17	608,59	39,82
0,364	70,00	43,16	38,11	20,00	439,02	55,64	134,46	629,12	37,77
	70,00	41,36	34,51	20,00	373,26	45,36	134,46	553,09	35,61
	70,00	37,94	27,11	20,00	270,87	30,50	134,46	435,83	31,65
	70,00	34,31	18,56	20,00	187,18	19,56	134,46	341,20	27,77

Рисунок 4.2 Температурный график регулирования тепловой сети

1 – обратное ГВС; 2 – обратная; 3 – обратная вентиляция;

4 – обратное отопление; 5 – после элеватора; 6 – прямая.

Рисунок 4.3 Общесетевые расходы воды по типам нагрузки

1 – расход на ГВС; 2 – расход на вентиляцию; 3 – расход на отопление; 4 – полный расход.