Смесительная установка

Смесительная установка (смесительный насос или водоструйный элеватор) применяется в местной системе отопления для понижения температуры воды в наружном подающем теплопроводе до температуры, допустимой в системе, t_г. Понижение температуры происходит при смешении высокотемпературной воды t₁ с обратной (охлажденной) водой t₀ местной системы отопления.

Смесительная установка используется не только для понижения температуры, но и для местного регулирования теплопередачи отопительных приборов, дополняющего центральное регулирование на тепловой станции.

Смесительный насос 1 можно устанавливать на перемычке Б-А между обратной и подающей магистралями и на обратной или подающей магистрали местной системы отопления.

Смесительный насос на перемычке действует в более благоприятных температурных условиях (при температуре t₀) и перемещает меньшее количество воды, чем насос на обратной или подающей магистрали:

G_н=G_о. где G_о=G_с-G₁,

Принципиальная схема смесительной установки с насосом

а - на перемычке; б - на подающей магистрали; 1 - смесительный насос, 2 - регулятор температуры, 3 - регулятор расхода воды в системе отопления.

Количество высокотемпературной воды G₁, кг/ч, при тепловой мощности системы отопления Q_с, Вт, определяется по формуле:

G₁=(3,6*Q_с)/(с*(t₁-t₀)),

Высокотемпературная вода подается в точку смешения А под давлением в точке В наружного теплопровода, созданным центральным циркуляционным насосом на тепловой станции.

Поток охлажденной воды, возвращающейся из местной системы отопления, делится в точке Б на два: первый в количестве G₀ направляется ко всасывающему патрубку смесительного насоса, второй в количестве G₁ - в наружный обратный теплопровод.

Смесительный насос подает в точку смешения А воду, повышая ее давление до давления высокотемпературной воды. Таким образом, в точку А поступают два потока воды при равном давлении в результате действия двух различных насосов - центрального и местного, включенных параллельно.

Отношение двух потоков воды

u=G_о/G₁,

носит название коэффициента смешения. Коэффициент смешения может быть выражен через температуру воды.

u=G_о/G₁=(G_с-G₁)/G₁=(G_с/G₁)-1=((t₁-t_о)/(t_г-t_о))-1=(t₁-t_г)/(t_г-t_о),

Для водо-водяной смесительной установки коэффициент смешения редко бывает больше трех. Например, при температуре воды t₁=150°, t_г=95° и t_о=70°С u=(150-95):(95-70)=2,2. Это означает, что на каждую единицу высокотемпературной воды при смешении должно приходиться 2,2 единицы охлажденной.

Давление, развиваемое смесительным насосом на перемычке, ограничено: оно не может быть больше разности давления в точках В и Г наружных теплопроводов (иначе не будет обеспечено смешение в точке А). Это условие, в свою очередь, ограничивает (в этом недостаток установки смесительного насоса на перемычке) величину циркуляционного давления для местной системы отопления.

Смесительный насос на обратной или подающей магистрали перемещает всю воду, циркулирующую в системе [G_н=G_с], при температуре t₀ или t_г. Несмотря на эти недостатки - увеличение расхода и температуры воды (в подающей магистрали), - включение смесительного насоса в главную магистраль местной системы позволяет увеличить циркуляционное давление в ней до необходимой величины независимо от разности давления в наружных теплопроводах. В этом существенное преимущество такой схемы смесительной установки.

Условия смешения двух количеств воды G₁ и G₀ аналогичны рассмотренным для насоса на перемычке. В точку А поступают два потока воды при равном давлении также в результате действия двух насосов - центрального и местного - с той лишь разницей, что насосы включаются последовательно.

На рисунке показаны также регуляторы температуры 2 и расхода воды 3 для местного качественно-количественного регулирования этих параметров в течение отопительного сезона. Смесительных насосов, как и циркуляционных, устанавливают два с параллельным включением в теплопровод действует всегда один из насосов при другом резервном и сменном.

Смешение воды может осуществляться и без местного насоса; в этом случае смесительная установка оборудуется водоструйным элеватором.

Принципиальная схема водоструйного элеватора

1 - сопло, 2 - камера всасывания; 3 - смесительный конус; 4 - горловина, 5 - диффузор.

Водоструйный элеватор получил распространение как дешевый, простой и нетребовательный в эксплуатации аппарат. Благодаря своей конструкции он подсасывает охлажденную воду для смешения с высокотемпературной водой и частично передает давление, создаваемое центральным насосом на тепловой станции, в местную систему отопления для усиления циркуляции воды.

Водоструйный элеватор состоит из конусообразного сопла 1, через которое со значительной скоростью вытекает высокотемпературная вода с температурой t1 в количестве G1, камеры всасывания 2, куда поступает охлажденная вода с температурой t0 в количестве G0; смесительного конуса 3 и горловины 4, где происходит смешение воды, и диффузора 5.

Вокруг струи воды, вытекающей из отверстия сопла, создается зона пониженного давления, благодаря чему охлажденная вода перемещается из обратной магистрали системы отопления в камеру всасывания. В горловине струя смешанной воды, двигаясь с меньшей, чем в отверстии сопла, но еще с высокой скоростью, обладает значительным запасом кинетической энергии. В диффузоре при постепенном увеличении площади его поперечного сечения кинетическая энергия преобразуется в потенциальную: по его длине гидродинамическое давление падает, а гидростатическое - нарастает. За счет разности гидростатического давления в конце диффузора и в камере всасывания элеватора создается давление для циркуляции воды в системе отопления.

Одним из недостатков водоструйного элеватора является его низкий коэффициент полезного действия (к. п. д.), который зависит от коэффициента смешения. Достигая наивысшего значения при малом коэффициенте смешения и особой форме камеры всасывания, к. п. д. стандартного элеватора практически при высокотемпературной воде не превышает 10%. Следовательно, в этом случае циркуляционное давление на вводе наружных теплопроводов в здание должно не менее чем в 10 раз превышать насосное циркуляционное давление Δpн для местной системы отопления. Это условие настолько ограничивает Δp_н, передаваемое через водоструйный элеватор в систему из наружной тепловой сети, что при использовании элеваторной смесительной установки и t_г≤95°С часто устанавливается верхний предел циркуляционного давления.

Δp_н=1,2*104 Па (1,2*10³ кгс/м2).

Другим недостатком водоструйного элеватора является постоянство коэффициента смешения, исключающее местное качественное регулирование теплопередачи отопительных приборов. Понятно, что при постоянном соотношении в элеваторе между G₀ и G₁ температура t_г, с которой вода поступает в местную систему отопления, определяется уровнем температуры t₁, поддерживаемым на тепловой станции для системы теплоснабжения в целом, который может не соответствовать теплопотребности конкретного здания.

Водоструйные элеваторы различаются по диаметру горловины d_r. Для использования одного и того же корпуса элеватора при различных давлении и расходе воды сопло 1 делается сменным. Устанавливая сопло с различным диаметром отверстия, можно изменять общее количество воды G_с, поступающей из элеватора в систему отопления, при неизменном коэффициенте смешения.

Диаметр горловины, мм, водоструйного элеватора вычисляется по формуле:

d_r=8,74*(Gс^0,5/Δp_н^0,25),

где G_с - расход воды в системе отопления, т/ч;

Δp_н - насосное.давлейие, передаваемое через элеватор в систему отопления (при подставке в формулу выражается в м вод. ст.).

После выбора стандартного элеватора, имеющего диаметр горловины, ближайший к полученному по расчету, определяется диаметр сопла по следующей приближенной зависимости:

d_c=d₁/(1+u),

где u - коэффициент смешения.

При известном диаметре сопла находится разность давления в наружных теплопроводах на вводе в здание, выраженная в м вод. ст.:

Δp₁=0,64*(G₁²/d_с⁴),

где G₁ - расход высокотемпературной воды, т/ч;

d_с - диаметр сопла, см.

Из последней формулы видно, что вслед за изменением по какой-либо причине Δp₁ в наружной тепловой сети изменяется и G₁, а также G_с, связанный с G₁ через коэффициент смешения:

G_о=(1+u)*G₁,

Как известно, изменение давления и расхода в процессе эксплуатации, не предусмотренное расчетом, вызывает тепловое разрегулирование системы отопления. Это нежелательное явление, возникающее в системе отопления, непосредственно соединенной с разветвленной сетью наружных теплопроводов, возможно и в системе с водоструйным элеватором.

Принципиальная схема местного теплового пункта системы отопления с водоструйным элеватором и ответвлениями к системам вентиляции и кондиционирования воздуха

1 - задвижка, 2 - термометр; 3 - манометр, 4 - регулятор расхода; 5 - обратный клапан; 6 - грязевик; 7 - тепломер: 8 - регулятор давления; 9 - водоструйный элеватор; 10 - ответвления.

Для устранения теплового разрегулирования системы отопления перед водоструйным элеватором 9, изображенным в схеме, устанавливают регулятор расхода 4. На этом же рисунке показаны основные контрольно-измерительные и другие приборы, характерные для местного теплового пункта здания, имеющего системы приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Для теплоснабжения этих систем используется высокотемпературная вода, отводимая до водоструйного элеватора.

Учитывая отмеченные недостатки водоструйного элеватора, предпочтительно использование насосной смесительной установки. Некоторое увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, обусловленное применением смесительного насоса в системе отопления здания, компенсируется повышением теплового комфорта помещений и экономией топлива, расходуемого на отопление.