ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДЫ В СИСТЕМАХ С АВТОНОМНЫМ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ КОНТУРОМ
Особенностью систем с естественной циркуляцией воды является то, что давление, обеспечивающее циркуляцию, имеет ограниченную величину и даже в зданиях высотой 10—16 этажей не превышает 3 кПа. Естественно, что потери давления в стояках при водоразборе могут достигать значений, приблизительно на порядок больших, чем гравитационный напор.
Циркуляция в стояках систем горячего водоснабжения связана с охлаждением воды в циркуляционных контурах, причем потери давления при движении воды по контуру равны гравитационному давлению.
Расчет систем по уравнению (6.16) трудоемок, дает приблизительные результаты, а также требует повторных вычислений. Кроме того, степень совпадения действительного значения расхода воды в контуре с найденным при расчете зависит от опыта проектировщика. Рассмотрим более точную методику расчета циркуляционных контуров систем горячего водоснабжения.
Гравитационное давление, возникающее в контуре, связано прежде всего с изменением плотности воды р в трубопроводах. Известно, что зависимость плотности воды от температуры в рассматриваемой точке можно достаточно точно описать в виде квадратного трехчлена
Заменив в уравнении (6.16) знак суммы на знак интеграла с соответствующими пределами интегрирования, а также заменив рор и рр величиной р, можно записать точное условие движения воды в циркуляционном контуре под действием гравитационного давления
Решение полученного уравнения с учетом формулы (6.6)приводит к сложному выражению, в неявном виде описывающему значение циркуляционного расхода воды в контуре. Неявный вид зависимости относительно искомой величины, а также ее громоздкость позволяют производить расчеты по ней лишь на ЭВМ, что ограничивает ее применение.
Более простые формулы можно получить, приняв линейную аппроксимацию зависимости плотности воды от ее температуры, широко используемую в расчетах
Так как гравитационное давление в контуре при циркуляции равно гидравлическим потерям He=Sqll, с учетом формул (6.20) и (6.21) запишем
В правой части уравнения можно выделить величину, которая в физическом смысле представляет собой максимально возможное гравитационное давление в контуре, соответствующее некоторому условному циркуляционному расходу воды qmus, при котором температура воды в подъемной части контура равна начальной температуре, а в опускной части — температуре окружающего воздуха:
Эти обобщения функции допустимы в той же мере, в какой справедливо, что выражение (6.20) не зависит от начальных параметров. Такие допущения позволяют получить удобные для практического применения универсальные зависимости, действительные для широкого диапазона начальных температур.
Введенный в качестве параметра обобщенной функции относительный расход q представляет собой отношение фактического расхода к условному, который имел бы место в системе при максимальном гравитационном давлении Hf0. При таком давлении плотность воды в подъемном стояке соответствует начальной температуре горячей воды р, а в опускном стояке — температуре окружающего воздуха р0.
Функция т является мерой охлаждения воды в контуре и зависит от его теплотехнических характеристик и расхода:
Функция NT является обобщенной мерой тепловых и гидравлических характеристик контура, поскольку включает в себя теплотехнические и гидравлические показатели стояков. Аналогичная ей функция NTUS удобна тем, что зависит только от начальных параметров системы, являясь в то же время комплексной характеристикой системы. Между этими двумя функциями имеется четкая взаимосвязь, которая легла в основу расчета естественной циркуляции в контуре.
На основании точных зависимостей (6.22) и (6.28) и введенных обобщенных параметров по специально составленным программам были рассчитаны зависимости
Расчеты показали, что для одного и того же значения NT при возрастании начальной температуры с 40 до 80 °С NTUS меняется до ±2 %. Для упрощения расчета единственная начальная температура, соответствующая температуре воды в системах горячего водоснабжения 60 °С, что при изменении температуры от 50 до 70 °С может дать ошибку, не превышающую 1 %. В то же время для уточнения расчетов в зависимость Nr=f(NTus) была введена величина, характеризующая соотношение площади теплоотдачи подъемной и опускной частей контура:
Графическая интерпретация зависимостей приведена на рис. 6.7 и 6.8. Они характеризуют интенсивность возрастания естественной циркуляции воды в контуре.
Для практического использования полученных зависимостей на основе имеющихся в литературе данных о взаимосвязи теплоотдачи труб и температурного напора были определены значения эмпирических коэффициентов а и т, входящих в исходные уравнения: т—0,24; сх=4,1 для труб d<32; а=3,6 для труб 38 Указанные графические зависимости легли в основу методики расчета секционных систем горячего водоснабжения с естественной циркуляцией. Методика позволяет однозначно решать прямую и обратную задачи, не прибегая к итерационному процессу и предварительному тепловому расчету системы, что является ее преимуществом перед известным методом. Полученные графики позволяют легко рассчитать систему любой конструкции. Для усиления циркуляции в системах устанавливаются дополнительные элементы (например, элеваторы, бесшумные насосы, дросселирующие диафрагмы и т. д.). В системах с кольцевыми однотрубными магистралями дополнительное влияние на циркуляцию в контурах стояков оказывает перепад давления в магистрали между точками присоединения стояков, который следует учитывать при расчете естественной циркуляции. Рассмотрим случай, когда в системе с естественной циркуляцией установлено устройство, создающее дополнительное давление. Приняв действительный и условный расходы в системе, как qmn и qmnus, запишем Расчет на ЭВМ, проведенный в широком диапазоне изменения NT для значений E=koFpl(k0Ftot) от 0,1 до 0,9, показал, что при ВО это соотношение оказывает незначительное влияние на Ытпи$ (не более 2 %), поэтому без ущерба для точности была выбрана единая величина ?=0,4. Зависимость показана на рис. 6.9. Тонкие линии на графике изображают функциональную зависимость NT от NT при изменении значения В и сохранении постоянными всех других исходных данных, соответствующих В = 0. Такое построение графика позволяет легко находить значение В, при котором обеспечивается необходимая циркуляция, т. е. необходимый напор насоса Нр. Натурные измерения охлаждения воды в парах закольцованных стояков и систем Натурные исследования циркуляции в контурах, состоящих из пары закольцованных стояков и секционных узлов с холостым стояком, показали, что интенсивность циркуляции в последнем случае выше. Из-за этого в таких стояках при отсутствии водоразбора охлаждение воды уменьшается приблизительно на 30 %. Это подтверждается результатами натурных исследований в 9-этажном жилом доме (рис. 6.10). Дополнительные расчеты на ЭВМ, проведенные в МНИИТЭП для стояков диаметром 32 мм с полотенцесушителями (для типовой конструкции этажестояка унифицированной сантехнической кабины), показали, что для пары закольцованных неизолированных стояков нормативная температура воды 50 °С в наиболее неблагоприятной точке (нижний этаж опускного стояка) обеспечивается только для 5-этажных зданий (рис. 6.11). Наличие тепловой изоляции на стояках позволяет создать при циркуляции в паре закольцованных стояков температуру воды в наиболее неблагоприятной точке 50 °С уже в зданиях высотой до девяти этажей. За счет более интенсивной циркуляции в схемах секционных узлов с холостым стояком нормативный температурный режим обеспечивается в зданиях до 16 этажей включительно. Однако в режиме водоразбора температурные условия в стояках изменяются из-за того, что при включении водоразборных кранов на нижних этажах зданий происходит опрокидывание циркуляции и горячая вода может поступать на водоразбор непосредственно из однотрубной кольцевой магистрали. На температуру воды в стояках влияет интенсивность водоразбора, которая зависит от режима водопотребления и его графика, т. е. от времени суток. На графике рис. 6.12 приведена эпюра распределения средних температур в стояках, соответствующих периоду водоразброса с 6 до 24 ч. Для сравнения на этом же графике дана аналогичная эпюра, соответствующая ночному периоду времени (0—6 ч), когда в стояках водоразбор отсутствует и температура воды в магистрали равна 52,5 °С. В связи с тем, что направление движения воды в стояке I днем и ночью в основном совпадает, средние температуры в точках его водоразбора днем мало отличаются от ночных, в то время как дневные температуры в стояке II значительно выше ночных. Это объясняется поступлением на водоразбор воды с высокой температурой непосредственно из магистрали. Таким образом в режиме водоразбора в системе имеются более благоприятные температурные условия, чем в режиме циркуляции. Замеры показали, что наиболее низкая температура в паре стояков соответствует периоду 14—16 ч, т. е. часам минимального дневного водоразбора. Особенностью систем с кольцевой однотрубной магистралью является то, что в режиме циркуляции охлажденная в стояке вода поступает в подающую магистраль, постепенно снижая температуру воды в последней. При водоразборе охлажденная вода из стояков не поступает в магистраль и температура в ней поднимается с увеличением числа включений арматуры до уровня температуры в двухтрубных циркуляционных системах. Максимальное время слива воды в паре закольцованных стояков 9-этажного здания (при наиболее неблагоприятных условиях — стояки неизолированные с условным диаметром 32 мм) до получения нормативной температуры воды составляет не более 30 с. Следовательно, если обеспечить температуру воды в магистрали у конечного секционного узла системы в режиме циркуляции на уровне 52—55 °С, можно поддерживать величину циркуляции в кольцевых однотрубных системах приблизительно равной циркуляции в двухтрубных системах горячего водоснабжения, не нарушив при этом требования СНиПов в режиме водоразбора. Расход на циркуляцию при этом можно определить как Рассмотренные выше положения доказывают, что системы с кольцевыми однотрубными магистралями по качеству водоснабжения приблизительно равноценны традиционным системам, но обладают повышенной гидравлической устойчивостью, просты в наладке и обслуживании. Такие системы могут быть применены как самостоятельные, если по условиям строительства или реконструкции имеется возможность замкнуть магистральное кольцо, или в виде комбинированной системы. Особое значение имеет использование подобных решений при реконструкции действующих систем, так как позволяет с малыми затратами переводить систему с существующей схемы на схему комбинированной системы, улучшая тем самым горячее водоснабжение микрорайона.
