Кавитация в насосах отопления

Кавитация в системе отопления

Шалунова Виктория Александровна

преподаватель кафедры начертательной геометрии и графики, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», grafika@mgsu.ru

В статье анализируются причины и условия возникновения кавитации, ее последствия в системах водоснабжения и отопления, а также предлагаются способы, как устранения кавитационных явлений, так и использования положительных свойств кавитации.

Исходя из опыта эксплуатации систем теплоснабжения, очевидно, что наименее надежным звеном данных систем является транспортировка тепла. Основными проблемами тепловых сетей, на ряду с коррозионными разрушениями и загрязнениями трубопроводов является, техническое и технологическое несовершенство машинного оборудования, например, циркалюционных насосов, генераторов, кавита-ционных котлов и т.п.

Возникающие проблемы безопасности и надежности функционирования систем водоподготовки в энергетических комплексах могут быть решены с помощью кавитационной технологии, основанной на использовании эффектов кавитации. В связи с этим возникает много важных вопросов, ответы на которые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.

Ключевые слова: кавитация, каверна, система отопления, система водоснабжения, гидродинамика, обтекание тел, ламинарный пограничный слой, турбулентный процесс, динамика жидкости, кинетическая энергия, число кавитаций.

Согласно определению Кристофера Бренне-на: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией.

Формирование и схлопывание пузырьков пара происходит в течении долей секунды. Схло-пывание каждого пузырька вызывает относительно небольшое повреждение, но в течении тысяч циклов формирования и схлопывания повреждения накапливаются. Как только на поверхности появятся неравномерности, кавита-ционные разрушения начнут концентрироваться у поврежденных участков, вызывая глубокую локализованную кавитацию.

Кавитацию в насосах часто вызывают слишком большие перепады давления между всасыванием и нагнетанием. Ускоряющий кавитацию причиной обычно становиться недостаточное выходное давление. Высоким перепадам давления способствует дросселирование на стороне всасывания насоса. Образованию пузырьков может способствовать газ, уносимый через негерметичные прокладки и выделяющийся при разложении химических веществ, содержащихся в воде. Неожиданно часто вызывают трудности и неправильно сконструированные крыльчатки, и другие детали насосов.

Рассмотрим процессы образования кавитации на примере крыльчатки насоса отопительной системы более подробно.

Рссмотрение спектров обтекания различных элементов тел показывает, что отрыв пограничного слоя наступает на том участке поверхности, где при плавном обтекании давление возрастает. В тоже время, детальные исследования картин обтекания показывает, что отрыв пограничного слоя наступает не сразу после начала движения. Картинка обтекания вначале будет неустановившейся. Продолжительность начальной стадии движения от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости .

Таким образом, необходимым условием отрыва потока является положительный градиент давления В общем же случае отрыв по-

тока происходит под воздействием положительного градиента, а также ламинарных и турбулентных процессов. Если оба эти фактора от-

х

о

го А с.

го т

о

ю 2

М О

О)

о

см

см

О!

о ш т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

т О X X

сутствуют, то отрыва не происходит, например, поток не отрывается от плоской пластины, для которой характерными являются постоянство давления во всех сечениях пограничного слоя и, следовательно, равенство продольного градиента давления @р^х=0) (Рисунок 1).

Рассмотрим процесс отрыва пограничного слоя при движении тела в воде более подробно. Из гидродинамики известно, что несжимаемые жидкости, встречающиеся в природе, содержат взвешенные твердые частицы и растворимые газы. В большинстве случаев такие жидкости неспособны воспринимать растягивающие усилия (отрицательные давления) и давление р в потоке не может стать ниже некоторой положительной величины р^. В точках потока жидкости, в которых давление падает до этого значения, происходит нарушение сплошности течения, то есть срыв пограничного слоя, и образуется область, заполнения парами жидкости и газами, выделившимися из раствора. Это явление в гидродинамике называется кавитацией .

Рисунок 1 — Смешанный пограничный слой на стенке:

1 — точка потери устойчивости ламинарного пограничного слоя;

2 — нарастающие возмущения в нем; 3 — начало области «турбулентных

пятен»; 4 — область «турбулентных пятен»; 5 — начало области развитого

турбулентного слоя; А — ламинарный пограничный слой; Б — переходная

зона; В — турбулентный пограничный слой; П — точка перехода

Однако дать определение явлению возникновения кавитации оказывается совсем не так просто, как это может показаться на первый взгляд. С понятием возникновения кавитации хотя и принято связывать появление в однородном жидком объеме паровых или газовых полостей. Однако без специальных оговорок принять такое определение нельзя, поскольку установлено, что газовые включения — кавитацион-ные зародыши — всегда существуют в жидкости, и, следовательно, однородной средой она не является.

Вместе с тем ясно, что в конечном итоге представляет интерес не сам факт наличия в жидкости каверн тех или иных размеров, а те

специфические эффекты, к которым оно приводит. Проявления кавитации чрезвычайно многообразны: изменение гидродинамических характеристик обтекаемых тел, кавитационная эрозия, люминесценция, шум, диссипация и рассеяние энергии распространяющихся в кавита-ционной области звуковых волн и т. п.

Тем не менее, всякое проявление кавитации связано с возникновением определенного вида движения каверн относительно окружающей жидкости, поэтому при определении явления возникновения кавитации целесообразно ориентироваться на тот физический механизм, вследствие действия которого стационарно существовавшие в жидкости и поэтому никак себя не проявлявшие кавитационные зародыши преобразуются в каверны и приобретают возможность совершать тот или иной вид движения.

Исследования кавитационных течений при пузырьковой и вихревой формах кавитации показывают, что при сильных степенях их развития у тела возникает связанная с ним или, как ее принято называть, присоединенная каверна. Характерные свойства таких каверн — практически прозрачная заполненная паром головная часть и пульсации заполненной пеной хвостовой части, сопровождающиеся выбросом в поток пенистых парогазовых образований.

Известно, что в хвостовой части развитой каверны невозможно существование задней критической точки, так как давление в ней, с одной стороны, должно быть равно давлению в невозмущенной жидкости, натекающей на тело, а с другой — давлению заполняющих каверну насыщенных паров (Рисунок 2).

Рисунок 2- Схема развитого кавитационного течения с обратной струйкой

Также известно, что при идеализации течения и представлении его стационарной схемой, обеспечивающей возможность долгого существования струйки (схема Эфроса), скорость на границе каверны, в том числе и в обратной струйке,

V = + , (1)

где Vм — скорость невозмущенного натекающего на тело потока;

а — число кавитации,

а площадь сечения струйки ^ пропорциональна площади миделевого сечения каверны Эк и коэффициенту сопротивления тела сп

у = • сп

4 . (2)

В действительности такая схема течения реализовываться не может, так как поступающая в каверну масса жидкости должна каким-то образом эвакуироваться из каверны. Наблюдения показывают, что обратная струйка возникает и исчезает периодически. Следовательно, ее возникновение должно сопровождаться не упругим ударом смыкающихся в хвостовой части каверны слоев жидкости, связанным с потерями энергии и образованием пенообразной пароводяной смеси. Это подтверждается опытами: скорость струйки оказывается меньше скорости частиц жидкости на поверхности каверны.

Более детальное описание процессов, приводящих к нестационарному характеру течения в хвостовой части каверны, дает гипотеза, высказанная Л. А.Эпштейном. Схематически, согласно этой гипотезе, механизм происходящих в хвостовой части каверны процессов выглядит следующим образом. Под действием начального импульса пенообразная масса, пополняемая за счет обратной струйки, продвигается вперед -по направлению к головной части каверны.

Скорость движения на оси струйки выше, чем на периферии, так как при соприкосновении периферийных частей струйки с границей каверны возникают касательные напряжения, отбрасывающие эти частицы назад к основанию струйки. В результате пена приходит во вращательное движение, образуя тороидальный вихрь. Сила трения на границе каверны, будучи пропорциональной площади границы, на которой действуют касательные напряжения, растет по мере заполнения пеной ее хвостовой части, достигая в конце концов величины секундного импульса обратной струйки. После этого возникают условия, нарушающие силовое равновесие: сила трения продолжает расти в результате поступления пены в хвостовую часть каверны, а импульс обратной струйки уменьшается, поскольку из-за заполнения каверны пеной давление в хвостовой части падает (Рисунок 3).

Таким образом, основополагаясь на основные законы гидродинамики следует отметить, что момент возникновения кавитации характеризуется критической величиной параметра кавитации, который обычно записывают в форме числа Эйлера и имеет следующий вид

а =

кр

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Р- Pv

р-«

2(p»- Pv) PV2 ‘

2 (3)

где ру- давление паров насыщения; р» — давление в невозмущенном потоке; V» — скорость в невозмущенном натекающем (набегающем) на тело потоке; р — массовая плотность воды.

Рисунок 3 — Выброс пены из каверны

При искусственной кавитации давление насыщенных паров равно давлению в каверне, то есть рн = рк, а давление над свободной поверхностью равно атмосферному давлению, то есть рм = р0 . Тогда выражение для параметра кавитации можно переписать в следующем виде

2(Рс — Рк)

а = ■

(4)

Структура числа кавитации — критерия моделирования кавитационных явлений — показывает, что на момент возникновения кавитации оказывает влияние не только скорость потока, но и давление, обусловленное глубиной погружения. С увеличением глубина погружения кавитация «затрудняется». Данный вывод подтверждается и результатами расчетов, проведенных Седовым Л.И., Логвиновичем Г.В., Эпштейном Л.А. для веретенообразных тел с величиной числа кавитации 0,3.

Из анализа указанных работ следует также и вывод о том, что для так называемых плохо обтекаемых тел величина критической скорости наступления кавитации меньше, чем для тел хорошо обтекаемых форм

Таким образом, отрыв потока представляет собой одно из характерных явлений, сопровождающих движение жидкости. При отрыве происходит перераспределение давления на поверхность тела, вследствие чего изменяется гидродинамическая сила. Используя отрыв, вызвав его искусственным путем на каком-либо месте поверхности тела, можно, обеспечить уменьшение силы лобового сопротивления, а соответственно и потери кинетической энергии данного тела в воде.

Литература

1. Белоцерковский С.М. Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел. — М.: Наука, 1988.

2. Смирнова М.Н., Звягин А.В. Подводное движение тонкого тела вблизи свободной поверхности с учетом отрыва жидкости от тела. \\ Известия российской академии ракетных и артиллерийских наук №3/2014 — С-Пб.: Научно-производственное объединение специальных материалов, 2014, с. 75-83

3. Nazarenko, Sergey (2014), Fluid Dynamics via Examples and Solutions, CRC Press (Taylor & Francis group), ISBN 978-1-43-988882-7

x x О го А С.

го m

о

ю 2

М О

4. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. — М.: Физматиздат, 1962.

7. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. Перевод с англ. докт. техн. наук Э.А. Ашратова.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— М.: Мир, 1974.

8. Перник А.Д. Проблемы кавитации. — С.П.: Судостроение, 1966.

10. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. — М.: Наука, 1966.

11. Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами. — Киев, Наукова думка, 1969.

12. Эпштейн Л.А. Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов.

— Л.: Судостроение, 1970.

1. Belotserkovskiy S.M. Matematicheskoye modelirovaniye ploskoparallel’nogo otryvnogo obtekaniya tel. — M.: Nauka, 1988.

3. Nazarenko, Sergey (2014), Fluid Dynamics via Examples and Solutions, CRC Press (Taylor & Francis group), ISBN 978-1-43-988882-7

4. Loytsyanskiy L.G. Laminarnyy pogranichnyy sloy. — M.: Fizmatizdat, 1962.

6. Martin, Michael J. Blasius boundary layer solution with slip

flow conditions. AIP conference proceedings 585.1 2001: 518-523. American Institute of Physics. 24 Apr 2013.

7. Knepp R., Deyli Dzh., Khemmit F. Kavitatsiya. Perevod s angl.

dokt. tekhn. nauk E.A. Ashratova. — M.: Mir, 1974.

8. Pernik A.D. Problemy kavitatsii. — S.P.: Sudostroyeniye, 1966.

10. Sedov L.I. Ploskiye zadachi gidrodinamiki i aerodinamiki. -M.: Nauka, 1966.

11. Logvinovich G.V. Gidrodinamika techeniy so svobodnymi granitsami. — Kiyev, Naukova dumka, 1969.

12. Epshteyn L.A. Metody teorii razmernostey i podobiya v zadachakh gidromekhaniki sudov. — L.: Sudostroyeniye, 1970.

о

О Ш

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

The power effect of the incident flow of fluid on the streamlined body

Shalunova V.A.

National Research Moscow State University of Civil Engineering

ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОДЫ В СИСТЕМАХ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Системы отопления с естественной (гравитационной) циркуляцией воды применяются преимущественно в односемейных домах (коттеджах) или небольших малоэтажных зданиях.

Основное применение в настоящее время получили системы с насосной циркуляцией воды.

По способу присоединения циркуляционной системы отопления к источнику теплоснабжения (теплогенератору) и организации гидравлического, циркуляционного режима в ней можно выделить две основные разновидности:

насосные системы отопления с зависимым присоединением к источнику теплоснабжения;

насосные системы отопления с независимым (гидравлически изолированным) от источника теплоснабжения присоединением.

Отличительной особенностью систем с зависимым присоединением является общий с источником теплоснабжения гидравлический режим, устанавливаемый и управляемый, как правило, на источнике теплоснабжения — котельной, РТС, ТЭЦ. В этом случае циркуляция воды в системе отопления и подпитка ее осуществляются насосами, установленными на источнике. Подача теплоты в отапливаемое здание производится непосредственно из сети централизованного теплоснабжения по трубопроводам (тепловым сетям), соединяющим источник с системой отопления здания.

В гравитационных системах водяного отопления один цикл — оборот воды в системе — происходит в течение одного часа, а за отопительный период в 213 суток протекает примерно 5115 циклов. В распределительных сетях при замере на коллекторах РТС, КТС один цикл длится 3-4 ч (≈ 1700 циклов в отопительный период), в магистральных тепловых сетях при замере на коллекторах крупных ТЭЦ за счет большого объема воды в тепловых сетях – 6-15 ч (соответственно ≈ 500 циклов).

Изменение температуры горячей воды, подаваемой в систему отопления, достигается путем смешения подаваемой из системы теплоснабжения сетевой воды с температурой Twr1 и обратной воды, выходящей из системы отопления, с температурой twг2 = Тwг2.

На рис. 1 показана принципиальная схема применения водоструйного элеватора для получения начальной температуры воды twr1 в системе отопления и создания необходимой циркуляции в ней.

Рисунок 1. Принципиальная схема включения водоструйного элеватора: 1 — присоединительный трубопровод подачи сетевой воды из системы теплоснабжения; 2 — коническое сопло; 3 — трубопровод обратной воды системы отопления; 4 — камера смешения; 5 — горловина; 6 — диффузор элеватора; 7 — подающий трубопровод в систему отопления

Из присоединенного к подающей линии тепловой сети трубопроводу 1 к коническому соплу 2 элеватора поступает горячая сетевая вода в количестве Gгс и температурой Twг1. При выходе с высокой скоростью через сопло 2 сетевой воды вокруг него создается разрежение и возникает эффект эжекции, при этом в камеру смешения элеватора 4 через трубопровод 3 подсасывается обратная вода из системы отопления в количестве Gw.o6.cм с температурой twг2, при этом происходит перемешивание этих потоков. В горловине элеватора 5 протекает выравнивание параметров смеси потока воды Gwг. В диффузоре 6 благодаря увеличению по ходу потока площади поперечного сечения скорость и гидродинамическое (скоростное) давление падают, но при этом возрастает гидростатическое давление. Благодаря разности гидростатических давлений в конце диффузора 6 и трубопроводе всасывания 3 создается циркуляционный напор для работы системы отопления.

Для описания работы гидроэлеватора в системах отопления составлены следующие уравнения балансов:

По расходу воды:

(1)

По теплоте:

(2)

Из уравнения (2) можно получить формулу для расчета температуры горячей воды, поступающей в систему отопления после элеватора twг1:

(3)

Расход обратной воды Gw.об.см определяется ее поступлением по трубопроводу 3 в камеру смешения 4. Температура сетевой воды Тwг1 регулируется на центральном источнике теплоснабжения (КУ, РТС, ТЭЦ) в зависимости от температуры наружного воздуха. При расчетной температуре наружного воздуха для холодного периода года, по которой рассчитывается тепловая мощность систем теплоснабжения, от ТЭЦ по температурному графику теплоснабжения в подающем трубопроводе должна подаваться перегретая вода с температурой Twг1 = + 150 °С, а в обратном трубопроводе к ТЭЦ температура воды при этом должна быть не выше Тwг.об = +70 °С. При повышении температуры наружного воздуха по графику теплоснабжения от ТЭЦ сетевая вода будет подаваться с более низкой температурой. При температуре наружного воздуха tн = 0 °С она имеет температуру Twг1 = +70 °С, а обратная при этом должна иметь температуру Tw.об = twг2 = +40 °С.

Из формулы (3) следует, что температура горячей воды для системы отопления будет изменяться по графику теплоснабжения от ТЭЦ для большого числа зданий без учета особенностей формирования теплового режима в каждом здании. Это приводит к перетопам зданий, перерасходам теплоты и поэтому от схем обеспечения циркуляции воды в системах отопления с помощью гидроэлеваторов постепенно отказываются. В своде правил по проектированию и строительству «Проектирование тепловых пунктов. СП 41-101-95» (М.: ГУП ЦПП, 1997) схемы присоединения зависимых систем теплоснабжения рекомендуется выполнять со смесительными насосами, как это показано на рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема включения смесительного насоса (на перемычке) в системе отопления: 1 — подающий трубопровод сетевой воды из системы теплоснабжения; 2 — автоматический клапан регулирования температуры воды в системе отопления; 3 — перемычка; 4 — обратный клапан; 5 — регулятор перепада давлений в подающем и обратном трубопроводах системы отопления; 6 — смесительный насос; 7 — подающий трубопровод к системе отопления; 8 — обратный трубопровод из системы отопления (он же — обратный трубопровод сетевой воды)

От работы насоса 6 обеспечивается приготовление горячей воды для системы отопления, определяемой по формуле (3). Насос 6 производит смешение потоков воды и не влияет на циркуляционное давление в системе отопления, которое определяется автоматическим контролем перепада давлений воды в подающем 7 и обратном 8 трубопроводах с помощью регулятора перепада давлений 5. Обратный клапан 4 препятствует поступлению горячей воды в перемычку 3 при остановке насоса 6.

Схема циркуляции со смесительным насосом по рис. 2 позволяет изменять температуру горячей воды twг1, поступающей по трубопроводу 7 в систему отопления здания. Наличие автоматического клапана 2 на подающем трубопроводе горячей воды от ТЭЦ позволяет изменять количество теплоты, подаваемой к зданию. При повышении температуры обратной воды twг2 или температуры наружного воздуха от микропроцессора регулятора последует команда на закрытие клапана 2 на трубопроводе 1 подачи горячей воды Gтс.wг от ТЭЦ. Это вызовет изменение давления воды в трубопроводе 7 и регуляторе 5 контроля постоянства перепада давления в трубопроводах 7 и 8, что обеспечит увеличение сечения для прохода воды по перемычке 3. Соответственно смесительный насос 6 будет подавать большее количество обратной воды Gw.o6.cм, проходящей по перемычке 3. Температура смеси twг1 понизится и соответственно понизится тепловая мощность системы отопления.

Важной расчетной характеристикой для систем с элеваторным и насосным смешением служит коэффициент подмешивания (для элеватора — коэффициент инжекции), представляющий собой отношение веса подмешиваемой обратной воды к весу рабочей сетевой воды. Его можно также выразить через температуры смешиваемых потоков:

(4)

Наибольшей гидравлической и тепловой устойчивостью обладают системы отопления, включенные в систему централизованного теплоснабжения по независимой схеме присоединения, показанной на рис. 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема включения независимо присоединенной системы отопления (с циркуляционным насосом) к централизованной системе теплоснабжения: 1 — подающий трубопровод от ТЭЦ; 2 – водо-водяной теплообменник (пластинчатый, кожухотрубный); 3 — автоматический клапан регулирования температуры воды в системе отопления; 4 — обратный трубопровод к ТЭЦ; 5 — подающий трубопровод к системе отопления; 6 — терморегуляторы у отопительных приборов в помещениях здания; 7 — обратный трубопровод от системы отопления; 8 -герметичный расширительный бак; 9 — циркуляционный насос с электронным регулированием постоянства перепада давления в подающем и обратном трубопроводах системы отопления; 10 — трубопровод для заполнения и подпитки системы отопления, химически подготовленной водой из теплосети; 11 — сдвоенный насос подпитки (один рабочий, второй — резервный); 12 — герметичный бак контроля уровня воды в системе отопления; 13 — вертикальные подающие стояки систем отопления; 14 — вертикальные обратные стояки систем отопления

Подающий трубопровод 1 от теплосети присоединен к водо-водяному пластинчатому теплообменнику 2. Через стенки гофрированных пластинчатых каналов теплота от горячей сетевой воды (первичной) Gтс.wг передается на нагрев (вторичной) воды Gwг, циркулирующей по системе отопления здания от работы циркуляционного насоса 9. Для экономии электроэнергии рационально применить насос 9 с электронным регулированием частоты вращения электродвигателя по датчикам замера перепада давления в подающем 5 и обратном 7 трубопроводах системы отопления.

Для экономии теплоты на отопление помещений у нагревательных приборов имеются терморегуляторы 6, изменяющие расход горячей воды в зависимости от контролируемого значения температуры воздуха в помещении. Изменение расхода воды через отопительный прибор с терморегулятором 6 повышает давление воды в подающем трубопроводе 5. Повышение давления воды в трубопроводе 13 перед терморегуляторами 6 отопительных приборов в помещениях, где тепловой режим отвечает условиям теплового комфорта, приведет к возрастанию прохода горячей воды в отопительные приборы в этих помещениях. Соответственно температура воздуха в этих помещениях повысится выше комфортного уровня. Произойдет перегрев помещения и перерасход теплоты. Для избегания перерасхода теплоты и нарушения комфортного теплового режима в помещениях в подающем 5 и обратном 7 трубопроводах сохраняется постоянное давление благодаря применению насоса 9 с электронным автоматическим регулированием.

Начальную температуру воды twг1 энергетически рационально снижать с повышением температуры наружного воздуха, что достигается регулятором, контролирующим температуру наружного воздуха и температуру обратной воды Tw.об в обратном трубопроводе 4 теплосети, воздействием на автоматический клапан 3.

В процессе эксплуатации системы отопления возможны утечки циркулирующей воды. Снижение уровня воды в верхней части системы отопления контролируется датчиком, связанным с автоматическим устройством в герметичном баке 12. При понижении уровня воды, в системе отопления ниже контролируемого уровня автоматический регулятор в баке 12 включает в работу один из сдвоенных насосов 11, при работе которого в систему отопления по соединительному трубопроводу 10 будет добавляться сетевая химически подготовленная вода из системы теплоснабжения. При повышении уровня воды в системе отопления до верхнего контролируемого уровня от регулятора в баке 12 последует команда на остановку подпиточного насоса 11.

Представленная на рис. 3 схема циркуляции воды в системе отопления называется двухтрубной с нижней горизонтальной разводкой магистральных подающих 5 и обратных /трубопроводов и вертикальными подающими 13 и обратными 14 стояками. Вертикальное расположение стояков при нижнем размещении магистральных трубопроводов требует устройства воздухоотводчиков в верхних точках стояков. Воздухоотводчики могут быть выполнены в форме спускных кранов ручного управления или это могут быть автоматические воздухоотводчики.

Показанная на рис. 3 двухтрубная система отопления с независимым присоединением к тепловым сетям ТЭЦ является гидравлически и теплотехнически наиболее устойчивой, а, следовательно, наиболее надежной.

Автоматическое изменение расходов горячей воды через пластинчатый теплообменник 2 и отопительные приборы с терморегуляторами 6 не вызывает гидравлической разрегулировки системы циркуляции и не ведет к перерасходу теплоты на нагрев помещений. Применение в схеме циркуляции горячей воды в системе отопления насосов с электронным регулированием обеспечивает снижение до 60 % годового расхода электроэнергии на работу циркуляционных насосов.

Нагрев воды для независимо присоединенной системы отопления происходит в водо-водяных пластинчатых (или кожухотрубных) теплообменниках, требуемая теплотехническая эффективность которых вычисляется по выражению:

(5)

В расчетных условиях холодного периода года (при параметрах Б) от ТЭЦ перегретая вода должна поступать с температурой Т wг1 = +150 °С. Как правило, из-за тепловых потерь в тепловых сетях к зданиям перегретая вода имеет температуру не выше Т wг1 = +130 °С, которую и рекомендуется использовать при вычислениях по выражению (5). Начальная температура горячей воды в системах отопления жилых и общественных зданий рекомендуется в двухтрубных системах t wг1 = +95 °С, а в однотрубных twг1 = +105 °C.

По нормативным правилам централизованного теплоснабжения от ТЭЦ потребитель обязан возвратить обратную воду с температурой не выше Tw.o6 = +70 °С.

В зависимо присоединенных системах отопления расчетная температура обратной воды принимается равной t wг2 = Tw.o6 = +70 °С. Если потребитель теплоты не выполняет это условие, то на него накладываются значительные штрафные санкции. В этих системах при выборе поверхности отопительного прибора расчетный перепад температур принимается ∆t wг = 95-70 = 25 °С. Условие сохранения рабочего перепада в отопительном приборе равным ∆t wг = 95-70 = 25 °С нельзя выполнить в независимо присоединенных системах отопления.

Если в теплообменнике 2 (см. схему на рис. 3) поступит на нагрев обратная вода после системы отопления с температурой t wг2 = 70 °С, то температура горячей воды от системы теплоснабжения на выходе из теплообменника 2 Tw.o6 будет выше 70 °С (Tw.o6 > 70 °C).

При равенстве температур Tw.o6 = t wг2 = 70 °С числитель и знаменатель при вычислении по выражению (5) будут равны, а численное значение требуемого показателя теплотехнической эффективности будет Θ wг = 1, чего невозможно достичь.

Действительная теплотехническая эффективность пластинчатых теплообменников может достигать значений Θ wг = 0,8-0,85.

Во избежание штрафных санкций от поставщиков теплоты и выполнения, нормативных правил теплоснабжения необходимо рабочий перепад температур в системах отопления с независимым присоединением принимать большим для достижения температуры обратной воды ниже 70 °С (twr2 < 70 °С).

Покажем это на следующем примере. Примем Т wг1 = 130 °С, Tw.o6 = 70 °С и показатель эффективности водо-водяного теплообменника Θ wг = 0,8. Преобразуем выражение (5) относительно нахождения возможной температуры обратной воды в расчетном режиме теплоснабжения:

(6)

Вычислим по выражению (6) возможную температуру обратной воды в принятом температурном режиме независимо присоединенной системы отопления:

Подбор требуемой поверхности отопительных приборов в независимо присоединенной системе отопления проводим на температурный перепад:

На рис. 4 представлен собранный пластинчатый теплообменник модели «жидкость — жидкость». Теплообменник собирается из тонких штампованных пластин 1, закрепленных стяжными болтами 2 между двух массивных торцевых плит 3 и 4. Задняя торцевая плита 4 может сниматься, что позволяет наращивать число тонких пластин 1 и увеличивать поверхность теплообменника. К передней массивной плите 3 присоединяются на резьбе или на фланцах трубопроводы от системы теплоснабжения 5 и нагреваемой жидкости 6.

Рисунок 4. Собранный пластинчатый теплообменник «жидкость-жидкость»: 1 — тонкие штампованные пластины; 2 — стяжные болты; 3,4 — передняя и задняя массивная плита; 5 — патрубки для присоединения трубопроводов к сети теплоснабжения; 6 — патрубки для присоединения циркуляционных трубопроводов системы отопления

На рис. 5 показана принципиальная схема движения греющей и нагреваемой жидкостей по поверхности пластин по выштампованным каналам. Из схемы движения потоков видно: со стороны пластины 5 для движения нагреваемой жидкости гофры каналов имеют направление снизу вверх, а со стороны пластины 6 они направляют греющую жидкость сверху вниз. Это создает энергетически наиболее рациональную схему противоточного движения потоков теплообменивающихся жидкостей. Форма каналов гофрированных пластин создает условия для турбулизации потоков жидкостей при скоростях движения по каналам не менее 0,1 м/с.

Рисунок 5. Конструктивная схема движения потоков жидкости по каналам гофрированных пластин теплообменника «жидкость-жидкость»: 1 — присоединительный патрубок трубопровода подающей сетевой воды; 2 — присоединительный патрубок обратного трубопровода сетевой воды; 3 — присоединительный патрубок подающего трубопровода нагреваемой среды; 4 — присоединительный патрубок трубопровода нагретой среды; 5 — пластина с каналами для прохода нагреваемой жидкости; 6 — пластина с каналами для прохода греющей жидкости

В табл. 1 представлены технические характеристики пластинчатых теплообменников фирмы «Альфа-Лаваль Россия», производимых в Московской обл. Пластинчатые теплообменники малой тепловой производительности выпускаются с паяными соединениями пластин, что делает невозможным их разборку для очистки от накипи и грязи. Очистка производится путем отключения паяных теплообменников от сети и насосной циркуляции и прокачки по внутренним каналам специальных очистительных химических растворов.

Таблица 1. Технические характеристики пластинчатых теплообменников фирмы «Альфа-Лаваль Россия»

Показатель и единица измерения	Неразборные паяные			Разборные с резиновыми прокладками
	СВ-51	СВ-76	СВ-300
Поверхность нагрева одной пластины, м2	0,05	0,1	0,3	0,032	0,14	0,24	0,62
Габариты пластин, мм
Объем воды в канале, л	0,047	0,125	0,65	0,09	0,43	1,0	1,55
Максимальное число пластин в теплообменнике, шт.
Рабочее давление, МПа	3,0	3,0	2,5	1,6	1,6	1,6	1,6
Максимальный расход жидкости, м3/ч	8,1
Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2·°С)
Габариты теплообменника, мм:
ширина
высота
длина, не более
длина, не менее

Пластинчатые теплообменники большой производительности делают разборными, по периметру стягиваемых пластин укладывают эластичные прокладки из специального материала EPDM и производят стяжку пакета.

Уплотнитель сохраняет герметичность и эластичность более 10 лет непрерывной работы разборного пластинчатого теплообменника при рабочем давлении 1,6 МПа (16 кгс/см2) и температуре греющей среды 130 °С. При этом теплообменник может многократно разбираться без ущерба для качества уплотняющих прокладок.

По данным табл. 1 видно, что путем увеличения числа пластин в теплообменнике можно изменять поверхность теплообменника. В общем случае требуемая поверхность теплообменника вычисляется по формуле:

(7)

где Qt — требуемый поток теплоты на нагрев жидкости, Вт; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С).

Средняя температура теплообменивающихся жидкостей в теплообменнике может вычисляться по формуле:

(8)

Из табл. 1 видно, что благодаря наличию в пластинах профильных выштампованных каналов обеспечиваются очень высокие коэффициенты теплопередачи при условии сохранения паспортного расхода жидкости, указанного в этой таблице. Если по расчету системы теплоснабжения выбирается меньший расход жидкости, чем это указано в табл. 1, то необходимо учитывать снижение коэффициента теплопередачи.

При увеличении расхода жидкости по сравнению с паспортным значением коэффициент теплопередачи очень мало возрастает, но почти в квадратичной зависимости увеличивается гидравлическое сопротивление проходу жидкости через теплообменник.

Практический расчет поверхности пластинчатого теплообменника и выбор его типа по табл. 1 проведем в примере 1.

ПРИМЕР 1. Исходные данные: В водо-водяном пластинчатом теплообменнике нагревается горячая вода для независимо присоединенной системы отопления, которая в расчетном режиме холодного периода года должна компенсировать теплопотери здания Qт.от = 800 кВт.

Требуется: Определить необходимую поверхность и тип пластинчатого теплообменника для системы отопления.

Решение: 1. Вычисляем требуемый расчетный расход нагреваемой воды для системы отопления при температурном перепаде ∆tw.от = 95-55 = 40 °С:

2. Вычисляем расход воды из системы теплоснабжения для нагрева в пластинчатом теплообменнике воды для системы отопления при температурном перепаде сетевой воды ∆tw.теп = 130-70 = 60 °С:

3. Вычисляем показатель отношения теплоемкостей потоков:

4. Выше вычислено, что для принятого режима нагрева воды в пластинчатом теплообменнике показатель теплотехнической эффективности (по формуле 5) должен быть равен Θwг = 0,8. По графику на рис. 3.7 при принятых величинах Θwг = 0,8 и Wтс.w = 0,8 находим, что требуется достижение показателя числа единиц переноса Nt = 2,8.

5. Преобразуем выражение (3.8) относительно требуемой поверхности нагрева при К = 6000 Вт/(м2·°С) (снижение расходов воды через каналы пластинчатого теплообменника обусловило снижение величины К по сравнению с данными табл. 1):

(9)

По выражению (9) для рассматриваемого примера получим:

6. По табл. 1 находим, что при расходе воды в системе отопления 17,14 м3/ч ближе всего подходит пластинчатый теплообменник типа СВ-76. Поверхность нагрева одной пластины 0,1 м2. Определяем требуемое число пластин:

7. Из табл. 1 находим, что в теплообменнике СВ-76 допускается увеличение числа пластин до 150. Поэтому вполне возможно заказать теплообменник СВ-76 из 75 пластин. Гидравлическое сопротивление его при этом составит 22 кПа.