РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ

Тепловая нагрузка в течение отопительного сезона меняется. Поэтому для поддержания требуемого теплового режима тепловую нагрузку необходимо регулировать. Различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование осуществляется на ТЭЦ и котельных. Групповое – на групповых тепловых подстанциях (ГТП). Местное – на местных тепловых подстанциях (МТП). Индивидуальное – непосредственно у абонентов. Если тепловая нагрузка у всех потребителей примерно одинакова, то можно ограничиться центральным регулированием. В большинстве же случаев тепловая нагрузка неоднородна. В этом случае центральное регулирование ведется по характерной тепловой нагрузке для большинства потребителей. В первую очередь это отопительная нагрузка и совместная нагрузка отопления и ГВС. Во втором случае расход воды в тепловой сети увеличивается незначительно по сравнению с регулированием по отопительной нагрузке или не меняется.

Основное количества теплоты в абонентских системах расходуется на нагрев. Поэтому тепловая нагрузка в первую очередь зависит от режима теплопередачи. Теплопередача описывается уравнением теплопередачи

, (2.1)

где n – длительность работы системы, сек; F – площадь поверхности теплообмена, м²; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² × ⁰С); – средняя разность температур теплообменивающихся сред. В первом приближении

, (2.2)

где – температура сетевой воды; t – температура нагреваемой воды; индексы 1 и 2 относятся ко входу и выходу теплообменника. Из уравнения теплового баланса

(2.3)

найдем и подставим в (2.2):

. (2.4)

Из (2.1) и (2.3) с учетом (2.4) получим

. (2.5)

Согласно (2.5) тепловую нагрузку в принципе можно регулировать изменением пяти параметров – k, F, n, , . Изменение и имеют ограничения. Температура сетевой воды не может быть ниже 60 ⁰С, необходимой для обеспечения температуры воды ГВС и не может быть выше температуры насыщения для данного давления. Расход воды определяется располагаемым перепадом давления на ГТП и МТП. Если один из теплоносителей – пар, то его температуру можно изменять, меняя давление.

В водяных системах реально можно менять тепловую нагрузку тремя способами:

– изменением температуры сетевой воды – качественное регулирование;

– изменением расхода сетевой воды – количественное регулирование;

– изменением расхода и температуры воды – качественно-количественное регулирование.

Регулирование путем изменения длительности работы n называется регулированием пропусками. Применяется как местное в дополнение к центральному.

Выбор метода регулирования зависит от гидравлической устойчивости системы. Гидравлическая устойчивость – это способность системы поддерживать заданный гидравлический режим и характеризуется коэффициентом гидравлической устойчивости

,

где – располагаемый перепад давления у наиболее удаленного потребителя; – перепад давления, срабатываемый в сети. Если у 0,4 , то применяется качественное регулирование. Если y>0,4, то применяется качественно-количественное регулирование. Центральное регулирование ориентируется на основной вид нагрузки района. Таковой может быть нагрузка отопления (регулирование по отопительной нагрузке), либо совмещенная нагрузка отопления и ГВС (регулирование по совмещенной нагрузке).

Рис. 2.1. Закон изменения расхода при различных видах регулирования тепловой нагрузки: 1 – качественное регулирование, m=0; 2 – качественно-количественное регулирование, ; 3, 4 – количественное регулирование, m>1

Обозначим через расчетные значения величин при . Текущие значения этих же величин обозначим через . Определим безразмерные величины: ; ; . Связь между и можно представить в виде .

 

2.1. Тепловые характеристики теплообменных аппаратов

В проектных расчетах теплообменников применяются уравнение теплопередачи (2.1) и уравнение теплового баланса, записанное в виде

или . (2.6)

В уравнении (2.1)

. (2.7)

Если , то можно пользоваться среднеарифметической разностью температур:

. (2.8)

Для целей расчета регулирования тепловой нагрузки уравнение (2.1) неудобно, т.к. заранее величина неизвестна. Поэтому удобнее пользоваться максимальной разностью температур

, (2.9)

где – максимальная разность температур сред.

Пользуясь (2.7), можно получить аналитические выражения только для прямотока и противотока. Для более сложных схем этого сделать не удается. Поэтому пользуются приближенным выражением, аппроксимирующим [1],

. (2.10)

Если вычислять по (2.7), то b = 0,65 для всех схем, 0,35 <a <0,65 в зависимости от схемы. Если вычислять по (2.8), то a = b = 0,5.

Тепловая нагрузка, отнесенная к максимальной разности температур, называется удельной теплопроизводительностью

или

. (2.11)

Отношение удельной теплопроизводительности (2.11) к полной теплоемкости называется безразмерной теплопроизводительностью, или коэффициентом эффективности :

, (2.12)

где . Применительно к системам отопления относится к воздуху, а – к воде. Если один из теплоносителей пар, то и

. (2.13)

Зависимость (2.12) действует в диапазоне

, .

Зависимости (2.11) и (2.12) универсальны и справедливы для любых схем движения теплоносителей. В отопительных установках отношение . Значение b=0,5, если на абонентском вводе нет узла смешения и при наличии узла смешения, где u – коэффициент смешения:

 

; .

 

Рис. 2.2. Расчетная схема узла смешения

Для любого теплообменного аппарата , где – постоянный параметр, . Для системы отопления n = 0,25 , тогда

и . (2.14)

2.2. Качественное регулирование однородной нагрузки

Рассмотрим регулирование отпуска теплоты при наличии только отопительной нагрузки (вентиляционной нагрузки и нагрузки ГВС нет). Качественное регулирование предполагает, что =const. Требуется определить и . Для отопительной установки максимальная разность температур . Тогда

. (2.15)

Поскольку , то

. (2.16)

На расчетном режиме

, (2.17)

где .

Подставив (2.17) в (2.14) с учетом (2.15), получим

. (2.18)

Рис.2.3. График температур сетевой воды при качественном регулировании отопительной нагрузки: 1–=25оС; 2–=50оС; 3–=70оС; 4–15 оС; 5–25оС; 6–40оС

Приравнивая (2.16) и (2.18), получим , откуда получим формулы для расчета температур воды в подающем и обратном трубопроводах: ; (2.19) . (2.20) Характер изменения температуры воды в подающем и обратном трубопроводах представлен на рис. 2.3.

2.3. Количественное регулирование однородной нагрузки

Расчет количественного регулирования заключается в определении расхода воды в тепловой сети и температуры воды в обратном трубопроводе в зависимости от тепловой нагрузки при постоянном значении температуры воды в подающем трубопроводе . Из (2.19) получим

. (2.21)

Температура обратной воды

. (2.22)

Уравнения (2.21) и (2.22) справедливы при . На рис. 2.4 приведен график количественного регулирования отопительной нагрузки. На рис. 2.5 приведен график качественно-количественного регулирования.

 

Рис. 2.4. График количественного регулирования отопительной нагрузки: 1–1500С; 2 –1300С; 3 –1100С; 4 –950С	Рис. 2.5. График температур и расходов воды при качественно-количественной регулировании отопительной нагрузки:
	1 – =250С; 2 – =500С; 3 – =700С;	4 –150С; 5 – 250С; 6 – 400С

2.4. Качественно-количественное регулирование однородной нагрузки

При данном виде регулирования рассчитываются расход и температуры сетевой воды в зависимости от относительной тепловой нагрузки. Расчетные уравнения получаются из (2.19), (2.20) при

;

;

.

При различных значениях m получаются различные законы изменения расхода воды в тепловой сети. При m = 0,33 распределение расхода воды по высоте двухтрубной системы отопления остается практически постоянным при любой тепловой нагрузке.

2.5. Качественное регулирование разнородной нагрузки

Если кроме отопительной нагрузки есть еще и нагрузка ГВС, то, независимо от метода регулирования, температура воды в подающем трубопроводе не должна быть ниже уровня, определяемого условиями ГВС. Для этого температура воды в подающем трубопроводе должна быть не ниже 65 ⁰С для открытой и закрытой систем (рис. 2.6). График температур имеет вид ломаной линии, точке излома которого соответствует температура наружного воздуха .

Рис. 2.6. График температур при регулировании по совмещенной нагрузке: 1 – количественное регулирование; 2 – регулирование пропусками

При происходит смена регулирования с качественного на количественное, либо регулирование пропусками. При график температур сетевой воды рассчитывается для случая регулирования либо по отопительной нагрузке, либо по совмещенной нагрузке отопления и ГВС.