В данной статье мы рассмотрим способы альтернативного использования циркуляционных насосов малой мощности с переменным расходом теплоносителя вместо модулирующих клапанов, контролирующих расход теплоносителя в гидравлических системах.

Традиционным способом регулирования тепловой или холодильной мощности камер обработки воздуха

в водяных системах кондиционирования или других ОВК систем является стратегия изменения расхода теплоносителя через теплообменники системы. Наиболее распространенное устройство, регулирующее расход теплоносителя — двухходовый модулирующий клапан. Позиция стержня клапана регулируется с помощью пневматического или электрического силового привода, что получает сигнал от автоматической системы контроля. Сигнал от температурного датчика на выходе из камеры обеспечивает контроль потока теплоносителя в замкнутом контуре.

Падение давления теплоносителя через полностью открытый модулирующий клапан составляет 50 % от давления теплоносителя в магистралях распределительной системы, обслуживающей кондиционер (рис. 1). Это обеспечивает стабильный контроль тепло или холодопроизводительности в условиях частичной нагрузки.

Теплопроизводительность спирали теплообменника кондиционера (а также любого другого гидравлического теплоизлучателя) является нелинейной по отношению к расходу теплоносителя. Эта зависимость показана на рис. 2.

Обычно спираль теплообменника достигает 50 % расчетной теплопроизводительности при всего лишь 10 % расчетного значения расхода. При низких значениях расхода, присущих условиям частичных нагрузок, производительность возрастает чрезвычайно быстро. С другой стороны, чем ближе значение расхода к расчетному, тем медленнее происходит повышение производительности.

Поэтому для компенсации этого эффекта в этом случае целесообразно использовать контрольный клапан с прямо пропорциональной зависимостью между положением шпинделя клапана и величиной нагрузки. Такие клапаны обеспечивают медленное повышение расхода при открытии механизма распределения клапана. Чем больше открывается клапан, тем быстрее увеличивается расход теплоносителя.

Результатом использования клапана, повышающего расход теплоносителя по мере его открытия в сочетании с характерной особенностью спирали теплообменника, является приблизительно линейная зависимость производительности от позиции стержня клапана. Это обеспечивает стабильный контроль расхода теплоносителя во время полного цикла работы механизма распределения клапана.

Несмотря на то, что модулирующие клапаны уже на протяжении 30 лет используются в распределительных системах с переменным расходом, они все-таки несовершенны и обладают рядом недостатков и ограничений (сложностей) в использовании.

Модулирующие клапаны являются«паразитирующими» устройствами, так как регулировка потока сопровождается рассеиванием энергии напора. В результате эта потерянная энергия оплачивается как электрическая, что обеспечивает работу циркуляционного насоса системы. Эти клапаны осуществляют контроль производительности путем «сдерживания» повышения мощности потока в системе вследствие перепада давления в трубопроводных магистралях.

Системы, использующие модулирующие клапаны, обычно являются двухтрубными и нуждаются в хорошей балансировке. Такая балансировка особенно важна, когда используется вместо «лучевой» «горизонтальная» двухтрубная схема. Хорошая балансировка требует использования дополнительной арматуры и труда. Зачастую в некоторых системах хорошая балансировка не достигается и, как следствие, в некоторых зонах система производит слишком много, а в некоторых — слишком мало тепла.

И последнее. Cистемы, использующие модулирующие клапаны, нуждаются в контроле дифференциала давлений в системе во избежание перемещения рабочей точки вверх по кривой производительности насосов в условиях частичных нагрузок. Если это не учитывается, то система может быть шумной вследствие повышенной скорости потока, также может возникнуть эрозия магистралей или проблемы контроля производительности в результате поднятия стержня клапана. Контроль перепада давления может осуществляться путем использования перепускного клапана избыточного давления (другое «паразитирующее» устройство, которое при работе рассеивает напор насоса) или с помощью использования насоса с переменным расходом, подключенного к системе, контролирующей избыточное давление.

Новое измеряющее устройство

Модулирующие регулировочные клапаны не единственное средство контроля расхода потока теплоносителя. Одной из последних тенденций в проектировании гидравлических систем является использование в качестве «распределительных устройств» маломощных циркуляционных насосов с мокрым ротором. Типичная схема с использованием однотрубной распределительной системы представлена на рис. 3.

Маломощный циркуляционный насос для каждой камеры обработки воздуха«отсекает» поток теплой или холодной воды, циркулирующей через вторичные контуры, от общего первичного контура. Ряд близко расположенных т-образных сочленений (или реверсивное сочленение, связывающее первичный и вторичный контуры (рис. 4) обеспечивает отделение потока и предотвращает переток теплоносителя между контурами вследствие перепада давления, создаваемого работой циркуляционного насоса с переменным расходом.

Производители насосного оборудования предлагают широкий выбор маломощных циркуляционных насосов с мокрым ротором с минимальной мощностью порядка 200 Вт, способные обеспечить расчетные значения нагрузок и требования по снижению напора каждого вторичного контура.

В идеале, циркуляционный насос следует выбирать из расчета производительности расхода/напора чуть выше расчетного значения. Однако при необходимости для обеспечения работы циркуляционного насоса переменного расхода на полной скорости в условиях расчетной нагрузки во вторичном контуре с низкими расчетными значениями расхода и напора можно установить балансировочный клапан. Также на обратной магистрали каждого вторичного контура следует установить продувочные клапаны для удаления скопившегося воздуха при первичном заполнении системы.

Главные принципы

При каскадном (последовательном)присоединении вторичных контуров к первичному следует учитывать неизбежные падения температуры теплоносителя (или повышение в случае работы системы на холод) по мере поступления из одного вторичного контура в другой. Особенно это касается систем, работающих на холод при незначительных снижениях температуры, что обеспечивает «скрытое охлаждение».

При правильной проектировке системы падение температуры в первичном контуре в режиме отопления может достигать 1520 °С. В режиме «холод» падение температуры ограничено характеристикой «скрытого охлаждения» спиралей теплообменника камер обработки воздуха. Максимальное повышение температуры в первичном контуре на 8 °С при расчетных условиях нагрузки обеспечивает хорошее удаление влаги со спиралей теплообменника. Более значительное повышение температуры в первичном контуре допускается в том случае, если присутствуют другие средства скрытого охлаждения.

Одним из способов предотвращения каскадного падения температуры теплоносителя (в режиме «тепло») является параллельное подсоединение вторичных контуров к первичному (рис. 5). Такое соединение обеспечивает приблизительно одинаковую температуру подающегося теплоносителя к каждому вторичному контуру и таким образом упрощает расчеты по замеру системы (хотя и за счет более сложного первичного контура).

Движение возвращающегося теплоносителя в параллельной магистрали первичного контура в обратную сторону обеспечивает природную балансировку потока в первичном и вторичных контурах. Однако если производительность конвекторов изменяется в широком диапазоне мощностей, рекомендуется также устанавливать балансировочные клапаны.

Другим способом предотвращения падения температуры при каскадной проектировке вторичных контуров является периодическое изменение направления движения потока теплоносителя. В кондиционерный блок (холодильная машина), расположенный первым по первичному контуру, где теплоноситель движется только в одном направлении, поступает теплоноситель более высокой температуры (режим «тепло»). Это обеспечивает более высокую производительность блока при данном расходе. Изменение направления движения потока обеспечивает обратный эффект.

Периодическое изменение направления потока обеспечивает работу каждого блока при температуре теплоносителя, равной средней температуре потока в первичном контуре. В длинных контурах это может значительно снизить суммарную установленную мощность спирали теплообменника. Периодическое изменение направления движения потока целесообразно применять лишь в тех случаях, когда сочленение, соединяющее вторичный с первичным контуром, является реверсивным (т.е. не зависит от направления потока теплоносителя в первичном контуре). Пара близко расположенных т-образных сочленений не отвечают этому условию, так как при изменении направления движения теплоносителя в первичном контуре будут смешиваться потоки контуров. На рис. 4 показан реверсивный фитинг, оснащенный внутренней перегородкой, что обеспечивает минимальное смешивание потока в первичном/вторичном контуре.

Осуществить изменение направления потока можно также за счет использования циркуляционного насоса первичного контура в сочетании с четырех ходовым реверсивным клапаном, как показано на рис. 6. Это также возможно при помощи двух циркуляционных насосов в сочетании с одним трехходовым или двумя двухходовыми клапанами. Хотя последние два подхода будут менее экономичными с точки зрения капитальных затрат, зато первичный контур системы будет оснащен резервным насосом на случай, если один из насосов вышел из строя.

Также возможно изменять расход насоса первичного контура в зависимости от падения температуры теплоносителя в первичном контуре. По мере снижения нагрузки падает, соответственно, и температура теплоносителя в первичном контуре. Циркуляционный насос с переменным расходом, установленный в первичном контуре и запрограммированный на изменение расхода в соответствии со снижением температуры, в свою очередь понизит скорость работы и потребление электрической энергии в условиях частичной нагрузки.

На рынке представлен широкий выбор современных маломощных циркуляционных насосов с переменным расходом, принимающих входящий стандартный 210 В контрольный сигнал или сигнал с силой тока 420 мА от автоматической системы контроля. Это тот же сигнал, который приводит в действие модулирующие клапаны. Регулирование балансировки каждого циркуляционного насоса обеспечивает совпадение нулевой точки кривой производительности насоса с минимальным выходным сигналом контроллера.

В целях эмуляции принципа регулировки модулирующих клапанов некоторые маломощные циркуляционные насосы с переменным расходом могут работать в режиме плавной регулировки расхода с использованием внутреннего двухпозиционного переключателя. В таком режиме — чем сильнее входящий сигнал, тем быстрее увеличивается расход теплоносителя.

Многие маломощные циркуляционные насосы с переменным расходом также могут быть оснащены пружинными контрольными клапанами. Использование этих клапанов предотвращает миграцию тепла в случаях, когда выталкивающая сила жидкости приводит в движение поток теплоносителя.

Достигнутая простота

Правильно подобранные циркуляционные насосы с переменным расходом контролируют расход теплоносителя в гидравлической системе и в отличие от модулирующих клапанов обеспечивают относительную простоту проектировки системы.

Существенным преимуществом устройства, соединяющего первичный и вторичные контуры, является полная изоляция потоков контуров. Это обеспечивает должную интенсивность потока через тепловые источники и чиллеры, независимо от интенсивности потока во вторичных контурах. Также они исключают необходимость контроля избыточного давления в первичном контуре. Правильный дизайн первичных/вторичных трубных контуров также исключает необходимость использования дополнительной трубной арматуры в распределительной системе, тем самым снижая инсталляционные затраты.

Ценность альтернативных проектных решений заключается в уменьшении инсталляционных затрат без снижения производительности. Использование маломощных циркуляционных насосов в качестве контролирующих тепло/холодопроизводительность системы является поистине хорошим примером.