Методика оценочного расчета тепловых параметров водяных завес
При проектировании систем вентиляции возникает необходимость выбора воздушных завес с воздухонагревателем (теплообменником) с паровым или жидкостным источником тепла. Перед проектировщиками стоит непростая задача определения тепловой мощности завес, исходя из реальных параметров системы теплоснабжения объекта, таких как вид теплоносителя, давление и температура теплоносителя в подающем трубопроводе, давление теплоносителя в обратном трубопроводе, температура воздуха на входе в теплообменник и, возможно, требуемая температура теплоносителя на выходе из теплообменника.
Обычно производитель в сопроводительной документации к завесам с теплообменниками приводит значения расхода теплоносителя для одного или нескольких стандартных наборов параметров теплоснабжения. Такой набор, как правило, включает температуру воды на входе и выходе теплообменника и температуру окружающего воздуха на входе теплообменника. Тепловая мощность завесы при данных параметрах определяется по формуле для теплоносителя-воды из уравнения теплового баланса:
W = с ∙ ρ ∙ G W ∙ (T W Г — T W Х),
где W — тепловая мощность завесы, кВт; G W – расход воды, л/с; T W Г — температура воды на входе в теплообменник; T W Х — температура воды на выходе из теплообменника, ºС; с — теплоемкость воды, с = 4,19 кДж•кг -1 •ºС -1 ; ρ — плотность воды, ρ = 1 кг/л.
После подстановки этих величин имеем:
W = 4,19 ∙ G W ∙ (T W Г — T W Х ). (1)
Однако часто требуется определить, какова будет тепловая мощность завесы при иных параметрах системы теплоснабжения. В ходе проведенных на нашем предприятии испытаний было замечено, что для всех исследованных теплообменников при фиксированном расходе воздуха справедлива простая зависимость между расходом воды и отношением температур:
(T W Г — T W Х ) / (T W Х — T A) ≈ C K / G W. (2)
Здесь: T A — температура окружающего воздуха, ºС; C K — некоторая константа размерности л/с, характеризующая теплообменник при некотором фиксированном расходе воздуха. Причем если и имеется отклонение от указанной зависимости, то, как правило, небольшое и только на малых расходах воды. Соотношение представленных в левой части выражения (2) температур можно определить как температурный коэффициент:
K Т = (T W Г — T W Х) / (T W Х — T A). (3)
Рис. 1. Зависимость температурного коэффициента KТ=(TWГ-TWX)/(TWX – TA) от расхода воды GW для теплообменника W1202-p и аппроксимирующая кривая CK/CW при значении СК = 0,125 л/с
Для примера на рис. 1. представлены экспериментальные данные по температурному коэффициенту для теплообменника WV1202-p завесы «Антарес» модели 1202AdWV и аппроксимирующая кривая, соответствующая правой части выражения (2) при значении C K = 0,125 л/с.
Принимая во внимание выражения (1) и (2), тепловую мощность теплообменника можно приближенно вычислить по формуле:
W П ≈ 4,19 ∙ C K ∙ (T W Х — T A ). (4)
Из нее, в частности, следует, что мощность теплообменника определяется преимущественно значением температуры воды на выходе теплообменника или, точнее, разностью температуры воды на выходе и температуры окружающего воздуха. Кажущаяся на первый взгляд нестыковка, выражающаяся в отсутствии зависимости тепловой мощности теплообменника от температуры воды на входе, может быть объяснена тем, что сохранить определенное значение температуры воды на выходе при повышении температуры на входе можно за счет уменьшения расхода воды. В результате увеличение разности температур воды на входе и выходе практически компенсируется уменьшением расхода воды через теплообменник, и тепловая мощность завесы почти не меняется.
Рис. 2 Завеса «Антарес» модель 1202AdWV с водяным тепллообменником
Расход воды в теплообменнике определяется по графической зависимости расхода воды от перепада давления, имеющейся в технической документации завесы. Зависимость расхода воды через теплообменник от разности давления обычно хорошо описывается степенной функцией с показателем степени 0,54:
G W = P 0.54 / R, (5)
где P — перепад давления в месте подсоединения теплообменника, R — гидравлическое сопротивление теплообменника.
Если при известном перепаде давления или при заданных значениях расхода воды в теплообменнике, температуры воды в подающем трубопроводе и температуры окружающего воздуха требуется определить значение температуры воды на выходе и мощность теплообменника, следует определить значение константы C K , рассчитав его при указанных в технической документации параметрах, наиболее близких к заданным.
C K = G W ∙ (T W Г — T W Х ) / (T W Х — T A ). (5)
Так, если в технической документации на завесу указано, что, для того чтобы при температуре воды в подающем трубопроводе T W Г = 90 ºС и температуре окружающего воздуха T A = 15 ºС температура воды на выходе теплообменника была T W Х = 70 ºС, требуется расход G W = 0,35 л/с, то получаем значение C K = 0,127 л/с. При этом тепловая мощность теплообменника, рассчитанная с помощью выражений (1) или (4), должна совпасть с указанным в технической документации на завесу значением тепловой мощности теплообменника для этих стандартных значений температур и расхода воды (в данном случае W = 29 кВт).
Теперь можно определить расход воды через теплообменник, необходимый для того, чтобы температура воды на выходе была T W Х при заданных условиях работы завесы — температуре воды в подающем трубопроводе T W Г и температуре окружающего воздуха T A :
G W = C K ∙ (T W Х — T A ) / (T W Г — T W Х). (6)
И наоборот, если известны расход воды в теплообменнике G W, значение температуры воды в подающем трубопроводе T W Г и температуры окружающего воздуха T A, можно определить, какова будет при этом температура воды на выходе теплообменника T W Х:
T W Х = (G W ∙ T W Г + C K ∙ T A ) / (G W + C K ). (7)
Например, для уже упомянутого теплообменника со значением C K = 0,127 л/с при температуре воды в подающем трубопроводе T W Г = 120 ºС, температуре окружающего воздуха T A = 10 ºС и расходе воды через теплообменник G W = 1 л/с расчетная температура воды на выходе теплообменника будет T W Х = 107 ºС. Тепловая мощность теплообменника при этих режимах, рассчитанная с помощью выражений (1) или (4), составит 54,5 кВт.