Энергоэффективность систем обеспечения параметров микроклимата. Продолжение цикла статей

Струйные насосы, к которым относятся водоструйные элеваторы, устанавливаемые в системах водяного отопления, являются единственными видами нагнетателей, размеры и характеристики которых рассчитываются аналитически для конкретных условий эксплуатации в любых гидравлических сетях.

Водоструйные элеваторы устанавливаются в зависимых системах отопления для понижения температуры перегретой воды в наружном подающем теплопроводе до допустимой в системе отопления здания. Одновременно они передают часть давления, создаваемого центральным насосом на тепловой станции, в систему отопления для поддержания циркуляции воды.

Таким образом, водоструйный элеватор в системе отопления выполняет две функции, заменяя смесительный и циркуляционный насосы. Рекомендуемые области применения водоструйных элеваторов в современных системах отопления возможно прогнозировать, зная их характеристики эксплуатации, конструктивные особенности и аналитические методы полного теплового и гидравлического расчёта и подбора.

Расчёт водоструйного элеватора базируется на теории смешения потоков профессора П. Н. Каменева. Ниже приведён конкретный пример полного теплового и гидравлического расчёта водоструйного элеватора для системы отопления, изложенный в монографии [1]. Нами проведена корректировка некоторых теплофизических и гидравлических размерностей для соответствия системе единиц СИ, устаревших терминов, а также сокращена часть балансовых доказательств, не относящихся непосредственно к проектированию водоструйных элеваторов для систем отопления.

Струйные насосы, к которым относятся водоструйные элеваторы, устанавливаемые в системах водяного отопления, являются единственными видами нагнетателей, размеры и характеристики которых рассчитываются аналитически для конкретных условий эксплуатации в любых гидросетях

Расчётная схема водоструйного элеватора показана на рис. 1.

Исходные данные для расчёта: теплопотери здания (расчётная мощность системы отопления) q_зд = 728 000 Вт; температура воды в подающей магистрали системы отопления t_г = 95 °C; температура воды в обратной магистрали системы отопления t_o = 70 °C; температура перегретой воды в наружной тепловой сети, поступающей из насадки, t₁ = 130 °C; плотность воды ρ₁ = 935 кг/м³ при 130 °C, ρ_о = 977,81 кг/м³ при 70 °C, ρ_г = 961,9 кг/ м³ при 95 °C; потери давления в системе отопления Δр_с = 10 000 Па (согласно данным гидравлического расчёта системы отопления).

Определить размеры водоструйного элеватора с высоким коэффициентом полезного действия.

Решение. Объёмный расход воды, проходящей через горловину элеватора 4 при температуре воды t_г = 95 °C:

где с_в = 1,163 Вт·ч/(кг·°C) — удельная теплоёмкость воды.

Массовый расход этой воды:

G_г = q_гρ_г = 0,007219 × 961,9 = 6,944 кг/с.

Массовый расход перегретой воды, нагнетаемой из насадки 2:

Объёмный расход перегретой воды при температуре t₁ = 130 °C:

Массовый расход воды, подсасываемый элеватором из обратной магистрали системы отопления:

G_o = G_г - G₁ = 6,944 - 2,894 = 4,05 кг/с.

Объёмный расход её при температуре в обратной магистрали системы отопления t_о = 70 °C:

Коэффициент смешения в водоструйном элеваторе (коэффициент подмешивания) и составляет:

Этот же коэффициент можно получить из теплового баланса элеватора: 1t₁ + ut_o = (1 + u)t_г или 1 × 130 + u×70 = (1 + u)×95, откуда u = 1,4.

Примечание: при температуре перегретой воды в наружной тепловой сети t₁ = 150 °C имеем баланс 1 × 150 + u × 70 = (1 + u) × 95, то есть в этом случае u = 2,2.

Во избежание засорения элеватора принимается сравнительно большая величина расстояния от насадки 2 до начала смесительной камеры 3. В таком случае можно принять условный коэффициент полезного действия диффузора η_д.у = 0,65 и ξ_о = 0.

Здесь η_д.у = 1 – Σξ₃, где Σξ₃ = 0,35 — коэффициент местного сопротивления смесительной камеры 3 и диффузора 5; ξ_o — коэффициент местного сопротивления при входе подсасываемого потока из обратной магистрали системы отопления в смесительную камеру.

Зная значение коэффициента смешения u, при η_д.у = 0,35, примем по табл. 1 наивыгоднейшее отношение скорости подсасываемого потока в кольцевом пространстве в начале камеры смешения площадью f_о и скорости в горловине n_выг = 0,5045.

Величины наивыгоднейших отношений скоростей n_выг при иных исходных значениях u и η_д.у приведены в монографии П. Н. Каменева (в данной теории обозначения наивыгоднейшей скорости смешения потоков и отношения наивыгоднейших скоростей смешения в подстрочечном написании приняты как v_выг и n_выг, соответственно).

Определим осреднённую скорость смешивающихся потоков в начале смесительной камеры:

Скорость воды в горловине элеватора 4 определяется как:

Рекомендуемые области применения водоструйных элеваторов в современных системах отопления возможно прогнозировать, зная их характеристики эксплуатации, конструктивные особенности и аналитические методы полного теплового и гидравлического расчёта и подбора

Наивыгоднейшая скорость подмешиваемого потока в начале камеры:

Проверим основные правила работы водоструйного элеватора с высоким коэффициентом полезного действия.

Повышение давления в смесительной камере 3:

Повышение давления в диффузоре 5:

Динамическое давление подсасываемого потока в начале смесительной камеры (не потери):

Основное уравнение для определения полного давления, развиваемого водоструйным элеватором:

или же 10 000 = 7970 + 7422 - 5372, то есть 10 000 Па ≈ 10 020 Па.

В изложенном в монографии примере приводятся расчёты балансов развиваемого водоструйным элеватором давления при смешении рабочего и подмешиваемого потоков и при перемещении по системе отопления всего объёма циркуляционной воды. Даны зависимости общих потерь энергии при смешении потоков, полезной работы элеватора. Упомянутые результаты расчётов в данной статье не приводятся, так как не относятся непосредственно к проектированию и выбору размеров водоструйного элеватора. Однако показанные в первоисточнике совпадения балансов давлений и энергии подтверждают правильность и практическую значимость разработанной профессором П. Н. Каменевым методики полного теплового и гидравлического расчёта водоструйных аппаратов.

Необходимая скорость в выходном сечении насадки равна:

Предварительно считаем угол между векторами скоростей v₁ и v_овыг в начале смесительной камеры α_o = 0°.

Давление, затрачиваемое в выходном сечении насадки 2 (без потерь в самой насадке), равно динамическому давлению в выходном сечении насадки минус динамическое давление подмешиваемого потока в начале смесительной камеры:

Определим основные размеры элеватора. Площадь выходного сечения насадки вычисляется как:

Площадь кольцевого сечения для подсасываемого потока в начале смесительной камеры:

Общая площадь сечения в начале смесительной камеры:

откуда диаметр в начале смесительной камеры равен d_3н = 4,43 см = 44,3 мм.

Площадь сечения конца смесительной камеры (горловины 4):

Диаметр горловины смесительной камеры d_Зк = 4,37 см = 43,7 мм.

Принимаем:

Водоструйный элеватор Госсантехстроя №6 (табл. 2) имеет рабочий диаметр смесительной камеры d_Зр = 47,0 мм. Если принять этот элеватор, то при заданном расходе q_г = 0,007219 м³/с имеем скорость в его смесительной камере:

Оставляя в качестве приближения ту же площадь выходного сечения насадки f₁ = 2,81 см², получим площадь для подсасываемого потока в начале смесительной камеры:

Скорость подсасываемого потока в начале смесительной камеры:

При этом полное давление, создаваемое элеватором, определяется при замене скорости воды в смесительной камере и подсасываемого потока на действительные в выбранном размере элеватора. В связи с отличием действительной скорости подсасываемого потока v_o от наивыгоднейшей v_oвыг коэффициент местного сопротивления при входе подсасываемого потока в смесительную камеру принимаем равным ξ_o = 0,1.

В изложенном в монографии примере приводятся расчёты балансов развиваемого водоструйным элеватором давления при смешении рабочего и подмешиваемого потоков и при перемещении по системе отопления всего объёма циркуляционной воды. Даны зависимости общих потерь энергии при смешении потоков, полезной работы элеватора

Из основного уравнения для определения полного давления, развиваемого реально выбранным элеватором, определим наивыгоднейшую скорость смешения потоков в нём:

откуда v_3р = 6,292 м/с.

Скорость в выходном сечении насадки 2 получим из равенства:

Площадь выходного сечения насадки:

откуда d₁ = 18,8 мм.

Уточнённая величина давления, затрачиваемого в выходном сечении насадки:

Принимая коэффициент местного сопротивления насадки ξ₁ = 0,06, получим необходимое минимальное давление в наружной тепловой сети перед водоструйным элеватором:

Заключение

Приведённый пример аналитического расчёта и подбора водоструйного элеватора для систем водяного отопления позволяет: выявить расходные и гидравлические характеристики режимов эксплуатации элеватора в зависимости от исходных температурных параметров перегретой воды в системе наружного теплоснабжения и горячей воды в системе отопления; рассчитать конкретные размеры элеватора с высоким коэффициентом полезного действия; определить минимальное избыточное давление в наружной тепловой сети для устойчивой тепловой и гидравлической работы системы отопления при реально принятом к установке водоструйном элеваторе.