Размещено на http://www.allbest.ru/

О режимах регулирования отпуска теплоты

И.М. Сапрыкин, главный технолог,

ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

тепловой потеря нагревательный уравнение

В системах теплоснабжения имеются весьма значительные резервы экономии теплоэнергетических ресурсов, в частности тепловой и электрической энергии.

В последнее время на рынке появилось много нового высокоэффективного оборудования и технологий, направленных на повышение комфортности проживания и экономичности систем теплоснабжения. Правильное применение новаций предъявляет высокие требования к инженерному корпусу. К сожалению, с инженерными кадрами происходит обратное явление: снижение численности квалифицированных специалистов в сфере теплоснабжения.

Для выявления и наилучшего использования резервов экономии необходимо в том числе знание законов регулирования отпуска теплоты. В технической литературе вопросам практического применения режимов регулирования отпуска теплоты не уделено должного внимания. В этой статье сделана попытка восполнить этот пробел, при этом предложен несколько иной подход к формированию основных уравнений, описывающих режимы регулирования отпуска теплоты, чем изложенные в технической литературе, например [1].

Описание предлагаемых методик

Известно, что законы регулирования отопительных нагрузок зданий могут быть получены из системы трех уравнений, описывающих тепловые потери здания через ограждающие конструкции, теплоотдачу нагревательных приборов в здании и подачу теплоты по тепловым сетям. В безразмерном виде эта система уравнений выглядит следующим образом [2

где Дt=tв-tн - текущая разность температур внутреннего и наружного воздуха; Дtр=tвр-tнр - расчетная разность температур воздуха; Дф=ф1-ф2 - текущая разность температур теплоносителя в подающем ф1 и обратном ф2 трубопроводах; Дфр=ф1р-ф2р - расчетная разность температур теплоносителя; И=( ф1+ф2 )/2 - tв- текущий температурный напор в отопительном приборе;

Иp=(ф1р+ф2р)/2-tB - расчетный температурный напор в отопительном приборе; p, f, g, i, w - безразмерные параметры; n - постоянная.

где ц - текущая относительная отопительная тепловая нагрузка; qc - обеспеченная относительная отопительная тепловая нагрузка (далее обеспеченная тепловая нагрузка).

Обеспеченная тепловая нагрузка qо при оптимальном обеспечении отапливаемого здания тепловой энергией (tв=tвр) принимает значение, равное 1. Отклонение qо от 1 свидетельствует о «перетопе» (qо>1) или «недотопе» (qо<1) здания.

Безразмерные параметры позволяют учитывать различные индивидуальные свойства объекта или целой однородной системы. Безразмерные параметры характеризуют отклонения системных констант от расчетных значений. Параметр p есть отношение фактических суммарных тепловых потерь ограждающими конструкциями здания к расчетным. Проектное значение параметра p=1. При с>1 фактическая тепловая нагрузка здания превышает проектную, что характерно для старых изношенных зданий. При с<1 фактическая тепловая нагрузка здания меньше проектной - характерно для существующих и вновь утепленных зданий. Параметр f - отношение суммарной фактической поверхности отопительных приборов к расчетной. Проектное значение параметра f=1. При f>1 фактическая поверхность отопительных приборов превышает расчетную, что характерно для существующих зданий, вновь утепленных или перепрофилированных. При f<1 фактическая поверхность отопительных приборов меньше расчетной, что также характерно для перепрофилированных зданий. Параметр g - отношение фактического расхода теплоносителя к расчетному. Проектное значение параметра g=1. Постоянство параметра g=const характеризует качественное регулирование. Параметр i - отношение инфильтрационной нагрузки к расчетной тепловой нагрузке через ограждающие конструкции здания. Параметр w - отношение внутренних теплопоступлений к расчетной тепловой нагрузке через ограждающие конструкции здания.

В результате решения системы уравнений получаются два общих уравнения, включающих все вышеназванные факторы, и описывающие стационарное состояние системы теплоснабжения:

При теплоснабжении от крупных теплоисточников с отпуском теплоты в виде перегретой воды с последующим снижением температуры с помощью смесительных насосов, элеваторов или теплообменников (ТО) уравнение для температурного режима в подающем трубопроводе примет вид:

Проектный температурный режим для обратного трубопровода определяется уравнением (4).

С помощью уравнений (1, 2, 5) можно решать различные практические задачи по тепловым режимам систем теплоснабжения и их наладке. При этом очень удобно пользоваться в расчетах параметром qc, характеризующим качество теплоснабжения.

В [2] была предложена формула для определения qc (в явном виде) при известных значениях температур ф1 и ф2:

Формула (7) предназначена, главным образом, для выполнения расчетов при наладке и последующем контроле режимов работы систем теплоснабжения.

В изложенной методике предполагается представление температурного напора как разности среднеарифметической температуры теплоносителя в отопительном приборе и температуры воздуха в помещении. Также предполагается, что величина коэффициента теплопередачи постоянна вдоль отопительного прибора k=const.

Следует отметить, что такое представление температурного напора является некоторым допущением. Сравнение методов с различными законами представления коэффициента теплопередачи: постоянным k=const и переменным k=var вдоль отопительного прибора рассмотрено в [3]. Методика с k=const показывает достаточную точность для практических расчетов в тех случаях, когда температуры теплоносителя существенно больше температуры внутреннего воздуха в помещении. В нерасчетных режимах, при малых температурных напорах и малых относительных расходах теплоносителя, вычисления по этой методике дают завышенные значения коэффициента теплопередачи отопительного прибора.

В системах теплоснабжения, в которых не производилась теплогидравлическая наладка, заключающаяся в установке сужающих устройств - дроссельных диафрагм (весьма распространенный случай), но температура в подающем трубопроводе поддерживается в соответствии с утвержденным температурным графиком, у основной массы потребителей имеет место перерасход тепловой энергии в течение всего отопительного сезона. Величина перерасхода qc>1 может быть определена из уравнения (1) при фактическом относительном расходе д. Зависимость qc и ф2 от расхода теплоносителя (здесь и далее по тексту для температурного графика 95/70 ОС), расчетной температуры внутреннего воздуха +20 ОС и расчетной температуры наружного воздуха -31 ОС приведена в табл. 1.

Температура возвращаемого теплоносителя определена из уравнения (2) подстановкой полученного значения qо а усредненная температура внутреннего воздуха:

Из табл. 1 следует, что перерасход теплоносителя, кроме бесполезных потерь теплоты, нарушает комфортные условия у потребителей - фактическая температура внутреннего воздуха выше расчетной.

При распределении теплоносителя от теплоисточника по тепловым сетям к потребителям из-за тепловых потерь температуры теплоносителя в подающих трубопроводах потребителей оказываются ниже расчетного значения, причем у каждого потребителя оказывается «своя» температура ф-^. Эта температура зависит от многих факторов, главными из которых являются протяженность тепловых сетей, способ прокладки, диаметры трубопроводов и качество тепловой изоляции. Тогда, даже при обеспечении расчетным расходом, потребитель будет, тем не менее, испытывать недоотпуск теплоты. Величина недоотпуска qо<1 может быть определена из уравнения (1) путем подстановки ф1ф, ц=1 и g=1. Влияние «остывшего» теплоносителя в подающем трубопроводе на недоотпуск теплоты приведено в табл. 2.

Для компенсации недоотпуска теплоты потребителям целесообразно вводить компенсационную надбавку к расходу теплоносителя. Эту надбавку надо вводить не огульно на теплоисточнике, а индивидуально каждому потребителю.

Современные программные средства позволяют при гидравлическом расчете тепловых сетей получать значения температур теплоносителя в подающих трубопроводах потребителей с учетом потерь теплоты.

Компенсационная надбавка к расчетному расходу теплоносителя выражается формулой (множитель kg), полученной из уравнения (1),

При теплоснабжении от крупных теплоисточников с отпуском теплоты в виде перегретой воды компенсационная надбавка к расчетному расходу теплоносителя выражается формулой, полученной из уравнения (5), при условии ц=1,

Гидравлический расчет трубопроводов тепловых сетей должен производиться с учетом компенсационных надбавок.

В табл. 3 приведены значения компенсационного расхода и температуры теплоносителя в обратном трубопроводе в зависимости от остывания теплоносителя в подающем трубопроводе.

Из табл. 3 видно, что возможности компенсации недоотпуска теплоты потребителям дополнительным расходом теплоносителя могут быть ограничены пропускной способностью трубопроводов тепловых сетей. Отсюда важно всемерно сокращать тепловые потери трубопроводами.

В системах теплоснабжения, в которых в процессе выполнения теплогидравлической наладки были установлены сужающие устройства, контроль за соблюдением режима возможно производить путем периодического измерения температур теплоносителя на вводных трубопроводах потребительских систем. В табл. 4 приведен фрагмент расчета параметров по результатам измерения температур теплоносителя. Измерения температур теплоносителя производились при температуре наружного воздуха -6 ОС (ц=0,51). Температура теплоносителя в подающем трубопроводе на котельной составляла 62,8 ОС (3).

Обеспеченная тепловая нагрузка qo определялась по формуле (7), а относительный расход [2] по формуле:

Из табл. 4 видно, что в целом во внутренней системе отопления (ВСО) жилого дома № 1 расчетные параметры соблюдаются. Во ВСО жилого дома № 2 из-за сниженной температуры в подающем трубопроводе (62 ОС вместо 62,8 ОС), благодаря увеличенному расходу g=1,15 (компенсационная надбавка), обеспеченная тепловая нагрузка qо=1. Во ВСО жилого дома № 3 температура теплоносителя в обратном трубопроводе сильно завышена, обеспеченная тепловая нагрузка qc=1,07 (1), расход теплоносителя (10) g=3,02 более чем трехкратно превышает расчетный. Из этого можно сделать вывод о том, что дроссельная диафрагма либо демонтирована, либо «рассверлена». Во ВСО жилого дома № 4 имеет место недоотпуск теплоты.

В [4] был предложен метод расчета переменных режимов различных водо-водяных противоточных теплообменников (ТО), содержащий уравнение (здесь - уравнение 11), связывающее тепловой поток с четырьмя температурами теплоносителей на портах ТО при различных степенях чистоты теплопередающих поверхностей. Уравнение позволяет по одному известному расчетному режиму ТО рассчитать параметры теплоносителей для любого другого режима. Характеристики расчетного режима включают: тепловой поток; коэффициент теплопередачи; четыре температуры теплоносителей; степень чистоты. Уравнение имеет следующий вид:

-

где кр - расчетный коэффициент теплопередачи; RCT - термическое сопротивление стенки теплопередающих поверхностей; вс, и в - расчетная и фактическая степень чистоты поверхности теплообмена соответственно; q - относительный тепловой поток; ДtLи Дtр - текущая и расчетная логарифмическая разность температур соответственно; Щ и Щс, - текущий и расчетный температурный комплекс соответственно.

Для пластинчатых ТО температурный комплекс будет выглядеть следующим образом:

где фп1 и фп2 - температура греющего теплоносителя на входе и выходе ТО соответственно; ф1 и ф2 - температура нагреваемого теплоносителя на выходе и входе ТО соответственно; т=0,73; u=0,572; y=0,234.

Формула для определения температурного комплекса для кожухотрубных ТО приведена в работе [4].

Степень чистоты теплопередающих поверхностей в есть отношение коэффициента теплопередачи загрязненного ТО к расчетному коэффициенту теплопередачи чистого ТО:

где кнк - коэффициент теплопередачи при наличии накипи; R^ - термическое сопротивление слоя накипи.

С помощью уравнений (11) и (14) можно решать различные встречающиеся в практике задачи, условия которых приведены в табл. 5.

Интересно отметить, что в диапазоне температур 5^200 ОС совокупность теплофизических свойств воды такова, что при изменении всех четырех температур ТО на одну и ту же величину д^ логарифмическая разность температур сохраняется постоянной ДtL=const, а коэффициент теплопередачи является переменным k=var. Первое утверждение о ДtL=const очевидно. Второе утверждение о k=var можно качественно подтвердить следующим образом. Из уравнения (11) при вс,=в=1 и RCT=0 относительный коэффициент теплопередачи равен:

Последнее свидетельствует о том, что коэффициент теплопередачи зависит от уровня (масштаба) температур. Например, если для четырех расчетных температур хп1=70 ОС; хп2=50 ОС; х2=30 ОС; х1=60 ОС с логарифмической разностью температур Д^=14,43 относительный коэффициент теплопередачи ко принять равным 1, то для других четырех температур ^t=20 ОС) хп1=90 ОС; хп2=70 ОС; х2=50 ОС; х1=80 ОС с той же логарифмической разностью температур ДtL=14,43, ко будет равен 1,3.

Несложная программа в Excel под названием «Поверочный расчет теплообменников», содержащая решения упомянутых задач, размещена на сайте www.kotelna.org.ru в разделе «Статьи».

При длительной эксплуатации ТО на теплопередающих поверхностях со временем образуются отложения накипи, снижающие степень чистоты ТО, и, соответственно, их теплопередающую способность. Причины образования отложений и некоторые способы борьбы с ними изложены в [5].

Частичная потеря теплопередающей способности отопительных ТО при длительной эксплуатации ограничивает возможность обеспечения

тепловых нагрузок при низких температурах наружного воздуха. Поэтому эксплуатационному персоналу для планирования профилактических работ важно знать о состоянии отопительных ТО. Количественно это может выражаться через предельную (граничную) относительную тепловую нагрузку цц или температуру наружного воздуха, при которой фактическая теплопередающая способность ТО будет исчерпана.

Математически решение задачи сводится к поиску цц как функции в, которая получается из совместного решения трех уравнений (3, 4, 11). В этом случае в уравнении (11) относительный тепловой поток q рассматривается как цц (рис. 1).

Кривые на рис. 1 показывают зависимости относительной тепловой нагрузки цц, обеспечиваемой от двухконтурных водогрейных котельных с жаротрубными котлами при различных температурных перепадах греющего теплоносителя (с расчетными температурами сетевого контура 95/70 ОС). Граничная температура наружного воздуха, при которой фактическая теплопередающая способность ТО будет исчерпана, определяется из выражения: ^^-^-ѕ.цц.

Из результатов расчетов цц (как функции в) проистекает следствие: чем меньше расчетный температурный напор Д^ в ТО, тем этот ТО более устойчив к загрязнению или менее склонен к снижению теплопередающей способности при накипеобразовании.

Приведенные на рис. 1 кривые являются универсальными, т.к. не зависят от климатических зон (расчетных температур наружного воздуха для отопления tЈ) и типов ТО (пластинчатые или кожухотрубные).

Сравнительные расчеты зависимости цц от в для различных типов ТО: пластинчатых и кожухотрубных (с подачей греющего теплоносителя как в трубки, так и в межтрубное пространство), показали сходимость результатов с точностью до 8%. Следует отметить, что кожухотрубные ТО в сравнении с пластинчатыми более устойчивы в сохранении теплопередающей способности при накипеобразовании.

Предложенное уравнение (11) существенно более точно описывает процессы теплопередачи, нежели уравнения, приводимые в [1]. В методике, изложенной в [1], в отличие от предложенной в [4], не учитываются теплофизические свойства греющей и нагреваемой воды, термические сопротивления стенок каналов или трубок и слоя накипи. Температурный напор представлен линейной среднеарифметической разностью температур, а не логарифмической. Относительный коэффициент теплопередачи ТО приближенно аппроксимируется выражением ^=(W1xW2)0,5 (где W1 и W2 - тепловые эквиваленты расходов теплоносителей), удобным для расчетов, но неточным.

Примеры расчетов тепловых режимов с использованием предлагаемых методик

Пример 1. На двухконтурной отопительной котельной с расчетными температурами котлового контура 110/80 ОС и с расчетными температурами сетевого контура 95/70 ОС установлен отопительный ТО с расчетными характеристиками: тепловой поток 0р=2000 кВт; коэффициент теплопередачи kp=4500 Вт/(м2.ОС); площадь поверхности нагрева 27,1 м2; степень чистоты в р=1.

После длительной эксплуатации ТО, в результате загрязнения теплопередающих поверхностей, увеличился перепад давления на нагреваемой стороне и возросла температура греющего теплоносителя на выходе из ТО.

Для определения степени чистоты ТО в котельной были одновременно произведены измерения передаваемой тепловой мощности и четырех температур на портах ТО: 0изм=850 кВт; фз1=90 ОС; фз2=60,4 ОС; ф1=56,8 ОС; ф2=46,2 ОС. Температура наружного воздуха составляла -3 ОС. Фактическая степень чистоты ТО определена из (14) и составила в=0,3. Для чистого ТО при этом же режиме температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника фз2 должна равняться 46,6 ОС, а не 60,4 ОС.

При фактической степени чистоты ТО в=0,3 для котельной предельная относительная тепловая нагрузка составила цц=0,67, а граничная температура наружного воздуха составила для Нижнего Новгорода -14 ОС (к примеру, для Краснодара -6 ОС, Воркуты -21 ОСи т.д. для других городов).

Пример 2. Из уравнений проектных температурных режимов (3, 4) следует, что каждый потребитель, имеющий «нетиповые» расчетные параметры tE, ф1, ф2, для обеспечения расчетного потребления теплоты должен иметь индивидуальный температурный режим.

Преобразование температурного режима теплоисточника в температурный режим потребителя должно производиться у потребителя в индивидуальном тепловом пункте (ИТП). Отсутствие ИТП, что часто имеет место, приводит к значительным потерям тепловой энергии и некомфортному теплоснабжению.

Например, на одном из металлургических заводов Нижегородской области в цехах применяется воздушное отопление Qp=2383 кВт (годовой расход 4547 Гкал). Режим регулирования отпуска теплоты на теплоисточнике (заводской котельной): tЈ=20 ОС; ф1=115 ОС; ф2=70 ОС - ориентирован на прилегающий к предприятию жилищно-коммунальный сектор. Режим регулирования отпуска теплоты для цеха: tЈ=16 ОС; ф1=115 ОС; ф2=70 ОС. Температурные режимы теплоносителя от котельной и цеха приведены на рис. 2. Кривые рассчитаны по уравнениям (3, 4), причем при расчете температурного режима воздушного отопления постоянная n=0.

Из рисунка видно, что температурный режим котельной всегда выше температурного режима цеха, следовательно, цех перетапливается весь отопительный сезон. Расчет перерасхода тепловой энергии в цехе сведен в табл. 6.

Параметр qc получен из уравнения (1), где p=f=g=1, i=w=0. Перерасход тепловой энергии за отопительный период года только за счет отсутствия коррекции температурного графика составляет 22,9%.

Для экономии тепловой энергии в системе отопления цеха предлагается на вводных трубопроводах установить автоматизированный ИТП, преобразующий общезаводской температурный режим в температурный режим цеха.

Экономия тепловой энергии за счет снижения теплопотребления при тепловыделениях в цехе и при снижении температуры воздуха в нерабочие часы, а также при стабилизации расхода теплоносителя в соответствии с расчетным значением дополнительно оценивается (исходя из практики) на уровне 15%.

Годовая экономия тепловой энергии с сохранением комфортных условий в цехе при внедрении ИТП должна составить около 38% или 1726 Гкал/год. Стоимость ИТП для данного цеха, включая проект, оборудование, монтаж и пусконаладку составит порядка 900 тыс. руб. Срок окупаемости ИТП для цеха при тарифе 600 руб./Гкал оказывается в пределах двух лет.

Пример 3. При совместном отпуске тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (ГВС) в двухтрубных тепловых сетях минимальная температура теплоносителя в подающем трубопроводе ограничивается значением не менее 60-70 ОС. При этом, естественно, при элеваторном или зависимом безэлеваторном подключении закон регулирования отопительной нагрузки нарушается и потребители перетапливаются. То же касается нелегитимной, так называемой верхней температурной срезки, когда максимальная температура теплоносителя в подающем трубопроводе вместо, например, 150 ОС ограничивается значением 130 ОС. Только в этом случае потребители недотапливаются.

Расчеты температурных режимов с различными нарушениями законов регулирования отопительной нагрузки выполняются в следующем порядке. Сначала определяется qc из уравнения (5) подстановкой фп1 = ф срез. Затем с учетом qо определяются температуры: ф1 из (1), ф2 из (2) и tв (tв = tн +Дtр*ц*qо).

Примеры расчета температурных срезок для условий Нижнего Новгорода, а также связанных с этим нарушений тепловых режимов приведены в табл. 7.

Из табл. 7 следует, что усредненная температура воздуха в отапливаемых помещениях в обоих случаях недопустимо отклоняется от комфортного диапазона. Во втором случае в действительности столь глубокого снижения температуры воздуха в отапливаемых помещениях не происходит из-за использования населением других источников тепловой энергии (электрические нагреватели, дополнительное сжигание бытового газа). Последнее утверждение может быть подтверждено расчетом с учетом бытовых теплопоступлений w>0.

Пример 4. Для случая независимого подключения потребительских систем (через ТО) расчет температурного режима отпуска теплоты может производиться с помощью уравнений (3, 4, 11) задачи № 5, 6 (см. табл. 5). Например, для расчетных условий: температурный график греющего теплоносителя 150/80 ОС, но не ниже 70 ОС (при наличии нагрузки ГВС) в подающем трубопроводе; нагреваемого теплоносителя 95/70 ОС; расчетная температура наружного воздуха -31 ОС; расчетная температура внутреннего воздуха 20 ОС, параметры теплоносителя в зависимости от ц приведены в табл. 8.

Выводы

1.Предлагаются уравнения, описывающие законы регулирования отпуска тепловой энергии в системах теплоснабжения, а также связанные с ними расчеты переменных режимов теплообменников.

2.Приводятся примеры решения практических задач, которые могут быть полезны при проектировании, наладке и эксплуатации систем теплоснабжения.

Литература

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Издательство МЭИ. 2001.

2. Сапрыкин И.М. Метод контроля качества наладки в системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004, № 1. С. 21-26.

3. Сапрыкин И.М. О наладке и режимах систем отопления //Новости теплоснабжения. 2008, № 1. С. 44-47.

4. Сапрыкин И.М. О поверочных расчетах теплообменников // Новости теплоснабжения. 2008, № 5. С. 45-48.

5. Жаднов О.В. Пластинчатые теплообменники - дело тонкое // Новости теплоснабжения. 2005, № 3. С. 39-53.

Размещено на Allbest.ru