|
|
Поверхностные тепломассообменные
аппараты (воздухонагреватели Вн и воздухоохладители Во) в системах
кондиционирования и вентиляции получили широкое распространение. Задача
управления связана с целенаправленным изменением коэффициента эффективности
процесса 7(в и одного из параметров конечного состояния воздуха на примере
процесса нагревания или условного сухого охлаждения по уравнению для
единичного теплообменника поверхностью и коэффициентом теплопередачи
Регулируемый параметр (?к) и одно из управляющих
воздействий (tWH) входят в левую часть уравнения (5.5), а другие управляющие
воздействия (Gu-, GB) — в правую. Разделение температур и расходов сред является
существенным преимуществом основного уравнения, позволяющего решать ряд
основополагающих задач.
Для характеристики и сравнительной оценки различных
методов управления аппаратами в 5.1 приведены основные требования. Учитывая
эти требования, предъявляемые к способам управления поверхностными
аппаратами, рассмотрим последовательно эти способы, оценим их особенности и
область применения [10].
Управление расходом теплоносителя в аппарате является
наиболее распространенным способом управления воздухонагревателем в
отечественной, практике. Обычно его принимают, не учитывая всего комплекса
требований к способу управления, а ориентируясь только на то, что можно
охарактеризовать термином «простота», который по существу ничто конкретно не
означает. Схема управления теплообменника расходом воды показана в 5.1. Для
управления расходом воды требуется устанавливать один клапан, а для
управления температурой воды при постоянном расходе требуется два проходных
клапана или один смесительный. Первоначально рассмотрим регулировочную
характеристику, т. е. зависимость выходной величины (регулируемого параметра)
tK или коэффициента эффективности процесса /Св от управляющего воздействия —
расхода тепло- или хладоносителя Gw. Учитывая влияние обвязок, рядности,
числа базовых теплообменников, наличие байпаса на зависимость Кв ~ / (Gu), ее
можно построить только на основе данных справочника [14], определяя по
величине KmKwi и соответствующий расход тепло-, хладоносителя Gwi в
нескольких точках диапазона регулирования. Регулировочная характеристика
зависит от расхода воздуха GB. Ее отличает криволинейность: при малых
расходах и скоростях воды конечное состояние tK и коэффициент эффективности
меняется сильно, а при больших скоростях происходит так называемое
«насыщение» регулировочной характеристики. Оно объясняется слабым влиянием
уменьшающегося отношения GuCprJiGuCu) на величину /Св, а также слабой
зависимостью коэффициента теплопередачи аппарата от скорости воды в трубках
при скоростях больше 0,5 м/с.
Криволинейность регулировочной характеристики
предопределяет переменность коэффициента передачи, пропорционального тангенсу
угла наклона касательной в разных точках регулировочной характеристики к оси
расхода воды Gw. Это влияние является нежелательным, так как затрудняет выбор
настроек регулятора с учетом всего диапазона регулирования, поэтому в ряде
случаев обращают внимание на выбор типа плунжера клапана, что позволяет
«исправить» регулировочную характеристику и обеспечить условие ^вн. К™ ^
const, т. е. примерное постоянство произведения коэффициентов передачи
воздухонагревателя и водяного клапана.
На регулировочную характеристику теплообменника —
воздухонагревателя — накладывается ограничение. При температурах наружного
воздуха ниже нуля и минимальном коэффициенте эффективности процесса (из
возможных) скорость воды в трубках должна быть не менее 0,2 м/с. Это снижает
опасность замерзания теплоносителя в рабочем режиме. Положительная балансовая
температура воздуха перед воздухонагревателем не гарантирует от замерзания,
так как в кондиционерах и приточных вентиляционных камерах не происходит
хорошее перемешивание потоков и сохраняется заметное расслоение температур.
Исходя из этого, основным ограничением применения управления расходом воды
является возможность (опасность) замерзания воды в трубках при малых
скоростях воды и отрицательной температуре наружного воздуха.
Данный способ управления имеет и другие особенности.
Постоянная времени аппарата, характеризующая инерционность пере, ходного
теплового процесса, оказывается сильно зависящей от переменной скорости воды
в трубках (см. 3.6). Это влияет на динамическую характеристику всего объекта
и осложняет выбор настроек регулятора. Данный способ управления не оказывает
влияния на расчет процесса и не может быть трансформирован ни к какому
другому. Единственный регулирующий орган (водяной клапан) выбирают по
правилам, описанным в п. 6.3, а тип характеристики плунжера — с учетом
криволинейности регулировочной характеристики аппарата во всем диапазоне
регулирования.
Выделим область исходных данных, когда применимо
управление расходом воды. Для этого необходимо, чтобы при отрицательной
температуре наружного воздуха и минимальных из возможных Кв и GB скорость
воды в трубках была не меньше 0,2 м/с. Если это условие не будет выполнено,
то применение данного способа управления приведет к работе защиты от
замерзания, что в рабочем режиме (а не в аварийном) недопустимо. Так как
величина нагрева воздуха сильно зависит от соотношения расходов воздуха
Giwp/Gnp, то данный метод можно использовать при большом нагреве, т. е.
прямоточных системах и при достаточно высокой /к (£к).
Пример 5.1. Выбрать способ управления воздухонагревателем
прямоточной системы постоянной производительности 1В. расч ~ 31 тыс. м3/ч
(кондиционер КТЦ-31,5) при конечной энтальпии нагреваемого воздуха /к = 21
кДж/кг Воздухонагреватель— двухрядный, без байпаса. При /нар = —ГС и <рнар
= 1 температура теплоносителя (горячей воды) twн = 84 °С, а конечная температура
tK воздуха из построений в /—d-диаграмме при заданном /к tK = 12 °С.
Регулировочная характеристика теплообменника при
управлении начальной температурой воды и неизменном расходе воздуха приведена
в 5.1. Коэффициент эффективности процесса при постоянных расходах сред
оказывается постоянным, а конечная температура воздуха — линейной функцией от
температуры воды на входе в аппарат, поэтому коэффициент передачи аппарата
при таком способе управления — постоянный, при этом желательна установка
клапана с линейной характеристикой плунжера. Что касается динамической
характеристики — постоянной времени, то она при неизменном расходе воздуха
через аппарат строго постоянна, а при переменном расходе воздуха меняется
незначительно. Расход тепло-, хладоносителя, забираемый от внешнего
источника, тот же, что и в предыдущей схеме при одинаковых исходных условиях.
Скорость в трубках принимается по тем или иным условиям, например по условиям
предотвращения замерзания теплоносителя выбирают ww — 0,3-+0,5 м/с. По
выбранной скорости и живому сечению трубок с учетом обвязок теплообменников
по воде легко определяется расчетный расход воды через аппарат и подбирается
насос. Его давление не имеет принципиального значения. Изложенные особенности
выбора элементов схемы и скорости воды в трубках гарантируют от замерзания
воды, по крайней мере в рабочее время. В такой схеме неопасно повышение
температуры теплоносителя — горячей воды — выше графика. При неработающей
системе опасность замерзания и необходимость защиты зависят от наличия или
отсутствия зазора между плунжером в закрытом положении и седлом клапана.
Если, например, зазора и протечки воды через закрытый клапан нет, то
потребуется установка защиты для нерабочего времени. Во многих случаях даже
расчетный коэффициент эффективности процесса оказывается мал (меньше 0,1). В
этих условиях, как принято было говорить, «поверхность аппарата подбирали с
большим запасом». Это означало, что температура охлажденной воды была
значительно ниже выбранной. В данной схеме «снимается» запас поверхности, так
как регулятор сам «находит» нужную температуру воды перед аппаратом,
устанавливая в соответствующее положение оба синфазно управляемых клапана.
Каждый из клапанов .установлен на участке без заметных гидравлических
сопротивлений, что упрощает выбор сечения клапана. Данная схема может быть
трансформирована в предыдущую, если закрыть и отключить от управления клапан
2.
Исходя из всего вышеизложенного, выберем управление
аппарата переменной температурой воды перед ним. Примем скорость воды в
трубках ww = 0,3 м/с, тогда расход воды через аппарат и насос будет постоянен
и равен Gw= 3600-2-0,00146-0,3-103 = 3100 кг/ч. По этому расходу можно
подобрать насос ЦНИПС-10 с /?нас — 23 кПа и мощностью электродвигателя Nдв =
0,27 кВт. Этот расход будет расчетным при выборе клапана 2 на
рециркуляционной воде, клапан 1 выбирают при расчетном расходе сетевой воды
Gw = 470 кг/ч.
Управление байпасированием воздуха оказывается технически
возможным благодаря выпуску теплообменного оборудования с байпасом и
клапаном. Однако характеристики, присущие такому способу управления, невысоки
(см. 5.1). Основной недостаток связан с тем, что при установке одного
клапана на байпасе расход воздуха через аппарат не может быть снижен до нуля
и поэтому минимальный коэффициент эффективности процесса не равен нулю. Это
не соответствует требованиям системы, когда нужно снизить расходы теплоты и
холода до нуля. Другие недостатки данного способа по сравнению с этим уже не
имеют существенного значения. По указанной причине автоматизированный клапан
на байпасе нельзя использовать для управления. Возникает вопрос, зачем в
таком случае применяют байпас с клапаном. Такое решение позволяет удвоить
количество типоразмеров оборудования, легче выбрать аппарат (при меньшем
запасе поверхности).
Особенность управления поверхностными воздухоохладителями—
необходимость изменения обоих параметров конечного состояния воздуха (4, dK),
что выполнить в одном аппарате сложно, так как оба управляющих воздействия
(G,, взаимно влияют на оба параметра конечного состояния. До последнего
времени основным управляющим воздействием остается изменение twtl.
|