Основные принципы работы элеватора. Схема элеваторного сме­сителя, графики давлений и скоростей в его проточной части показа­ны на рис. 3.1. Работает элеватор следующим образом. Высокотем­пературная вода выходит из сопла 2 со скоростью wі в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии. Скорость создается в результате срабатывания в пределах сопла избыточного давления (по отношению к давлению в начале камеры смешения), равного сумме располагаемого перепада давления в тепловой сети перед элеватором и перепада давления во всасывающем коллекторе App-j - +Арвс - Активная рабочая струя захватывает пассивные массы ок­ружающей воды, передает им часть своей энергии и образовавшийся смешанный поток движется в проточной части струйного аппарата. В камере смешения в результате обмена импульсами происходит вы­равнивание поля скоростей потока и за счет высвобождающейся ки­нетической энергии растет его статическое давление. В конце камеры смешения статическое давление увеличивается на Арк. После камеры смешения поток поступает в диффузор, где тормозится и его стати­ческое давление увеличивается на Ард.

В рассматриваемой конструкции элеватора при движении воды через всасывающий коллектор 1 (см. рис. 3.1) давление падает, а скорость растет. В св#зи с этим при входе в камеру смешения под­сасываемый поток имеет скорость w2, соизмеримую со скоростью

Рис. 3.1. Схема элеватора (а), график давлений {б) и график скоростей (в) 1 — всасывающий коллектор; 2 — сопло; 3 — камера смешения; 4 — диффузор; 5 — горловина ка« меры смешения; 6 — приемная камера; Gi G2i Ga— массовые расходы: высокотемпературной водм из подающей линии, подмешиваемой воды из обратной линии, смешанной воды в системе отоп­ления; р, роэ, рсэ — давления: в подающем и обратном трубопроводах перед элеватором,» системе отопления после элеватора; w,, w2, w3, и>< — скорости: при истечении из сопла, при входе в камеру смешения, при входе в диффузор и выходе из него; Дрр, Арвс, Дрк» ДРд> АР см перепады давления: располагаемый перед элеватором, во всасывающем коллекторе, в камере смешения, в диффузоре, создаваемый элеватором; F}, F2, F3, F4 — сечения; на выходе из сопла, при входе в камеру смешения для подсасываемого потока (кольцевой зазор), горловины камеры смешения, на выходе из диффузора; / к> /д —длины: камеры смешения и диффузора

Струи, вытекающей из сопла, Wi. Следовательно, активная струя эжектирует массы из потока, движущегося с большой скоростью. Такие элеваторы относятся к струйным аппаратам с большой ско­ростью эжекции. Если всасывающий коллектор сделать широким, чтобы скорость 0, тогда получим элеватор с малой скоростью эжекции, характеризуемый меньшим КПД.

При движении потоков в струйном аппарате происходят потери энергии. Основными потерями являются потери на удар при смеше­нии потоков. Для снижения этих потерь необходимо уменьшить раз­ность между скоростями активного wі и пассивного w2 потоков, что и достигается в аппаратах с большой скоростью эжекции. Несмотря на дополнительные потери энергии, связанные с созданием скорости подсасываемой воды и дополнительным торможением потока (восста­новлением давления), эффективность работы элеватора повышается.

Большое значение имеет профиль всасывающего коллектора, так как при плохом профиле потери в коллекторе могут оказаться боль­ше выигрыша в потерях на удар.

Давление во всасывающем коллекторе снижается, поэтому при торможении потока сначала необходимо восстановить давление, за­траченное на создание скорости подсасываемой воды во всасываю­щем коллекторе, а потом создать избыточное. Восстановление давле­ния связано с дополнительными потерями, которые для повышения эффективности струйного аппарата должны быть максимально умень­шены путем соответствующей профилировки ёго проточной части и сокращения потерь на трение. При неоптимальном профиле проточ­ной части и значительных потерях энергии на трение элеватор с большой скоростью эжекции не даст выигрыша в КПД.

Выведем основное уравнение для расчета элеватора. Напишем уравнение импульсов для камеры смешения (см. рис. 3.1):

Ш! Gi + Ij)12 w2 G2 — Ij)13 w3 G3 = F3( А Рем + А Рве + Д Ртр — А рд), (3.1)

Где wі, a>2, — скорости: при выходе из сопла, при входе в камеру смешения и вы­ходе из нее; Gі, Gg, G3 — массовые расходы: воды из теплосети, подмешиваемой об­ратной воды и воды, циркулирующей в системе отопления; Fs — поперечное сечение горловины камеры смешения; ДрСм, Лрвс, Дрд— перепады давления - создаваемый элеватором, во всасывающем коллекторе и в диффузоре; АрТр — потери на трение в камере смешения.

Коэффициенты i|)i2 и і|)із учитывают неравномерность полей ско­ростей во всасывающем коллекторе при входе в камеру смешения и в ее горловине. При выходе из сопла поле скоростей равномерное, поэтому в уравнении (3.1) [11]Фц не вводим. Коэффициент связы­вает среднюю скорость по расходу w со средней скоростью по коли­честву движения wK д:

Или

К д

Величина г|)і зависит от профиля поля скоростей. Для параболи­ческого поля скоростей i|)i = 1,33, для поля скоростей с установив­шимся турбулентным режимом (Re= 10 000)г|)і = 1,02.

Учет неравномерности полей скоростей при расчете струйных ап­паратов имеет большое значение*, так как при сокращенных разме­рах камеры смешения или при работе аппарата в нерасчетных ре­жимах ij?! может существенно отличаться от единицы и неучет этого коэффициента даст значительную ошибку.

Напишем выражения для массовых расходов, используя уравне­ния сплошности движения:

Gi = wi Fi р; I

G2 = w2F2 p;

Gs = wsF3 p;

Gi + G2 = G3.

Изменением плотности воды с изменением температуры пре­небрегаем.

Свяжем перепады давления с динамическими давлениями, ис­пользуя закон сохранения энергии:

Преобразуем уравнение (3.2) к безразмерному виду: А Рем 2 ці ll2ck(l + и)» піки*

Ь—. (3.4)

Д Рр

Где u=G2(Gl — массовый коэффициент эжекции (смешения); k2 — коэффициент, учи­тывающий потери энергии во всасывающем коллекторе и влияние формы камеры сме­шения на эти потери, равный:

2 1|з18 ~ ^в _ k2= 2 ^в - (3.5)

Н-ВС

Выражение (3.4) является характеристическим уравнением элева­тора, которое можно использовать как для конструктивного расчета, так и для построения характеристик действующих элеваторов.

Оптимизируем уравнение (3.4) по независимым переменным Fв и Fr. Первоначально дифференцируем по FB:

"ВС

А Рем

Дрр! rf*

Д F* Fi V И

Вторая производная отрицательная, следовательно, приравнивая

Производную нулю, получаем максимум. Оптимальное значение г в равно:

?в0ПТ = WBV (3-6)

Параметр FB определяет форму камеры смешения и зависит от неравномерности скоростного поля и потерь энергии во всасывающем коллекторе. Если ij)i2= 1 и р-вс= 1, тогда FbnT =F5/F2=l. При малых коэффициентах эжекции F^Fz и оптимальная форма камеры сме­шения будет близка к цилиндрической. Чем меньше р, Вс, тем сильнее отличается оптимальная форма камеры смешения от цилиндрической.

Решим характеристическое уравнение (3.4) с учетом выражения (3.6):

Д рсм 2 nl ik (1 - f - и)2 ні k2onr

TOC o "1-3" h z +----------- 7^2----- . (3-7)

A PP FP П ^ П

Где йгопт — коэффициент потерь при оптимальной форме камеры смешения, равный-

^2опт = Н-вс • (3.8)

Продифференцируем уравнение (3.7) по FT и найдем F°rm (функ­ция имеет максимум):

F°nT = k (1 +u)*-k2onru*. (3.9)

Максимальное давление, создаваемое оптимальным элеватором, равно:

А Рсм ГаХ

= (3.10)

А Рр

Если элеватор имеет цилиндрическую форму камеры смешения, тогда Fи из выражения (3.5) получаем:

2 Ч»Х2 & — [12]

Й2ц=------------------------ . (3.11)

^вс

Оптимальный режим определяется теми же уравнениями (3.9) и (3.10), НО При &2Ц вместо &20ПТ-

Рассмотрим совместную работу элеватора с системой отопления. Характеристику системы отопления можно написать так:

А Рог = So, G®, (3.12)

Где Дрот — перепад давления, обеспечивающий циркуляцию воды в системе (Арот — =АрСм); Sот—гидравлическое сопротивление системы, G3— циркуляционный расход воды

Аналогичную характеристику можно написать для сопла элева­тора:

Д рр = Sc Gj.

(3.13)

Подставим выражения (3.12) и (3.13) в уравнение (3.4):

K2 и[13]

2 |і

(1+")2 =

Fr

)ilk (l+іі)"

Ft

Из полученного уравнения следует, что коэффициент эжекции (подмешивания) элеватора при работе его на систему отопления со­храняется постоянным независимо от режима (считая коэффициенты гидравлических потерь постоянными). Изменить коэффициент под­мешивания можно только путем изменения величины Fv, чего можно достигнуть изменением сечения сопла при его замене или с помощью регулировочной иглы.

Расчет элеватора с оптимальными параметрами. Если необходимо запроектировать элеватор с минимальным располагаемым напором в тепловой сети, тогда параметры элеватора оптимизируют по фор­мулам (3.6) и (3.9). Стандартную конструкцию элеватора удобно подбирать по диаметру горловины так как он определяет все размеры элеватора. Диаметр сопла можно изменить путем его заме­ны. Получим выражение для расчета диаметра горловины элеватора с оптимальными параметрами. В качестве основного уравнения ис­пользуем формулу (3.9):

K (1+и)» —Аз и2, (3.14)

Fi

Gx

1

Где k2=k2oni для элеватора с оптимальной формой камеры смешения и определяется по уравнению (3 8) и k2 = k2n для элеватора с цилиндрической камерой смешения и определяется по формуле (3 11).

Выразим Fi через G3- Fi =

У2 A pp p 1 + и |лс Y2 А рр р и заменим здесь Лрр через Арсш, используя формулу (3.10):

Fx

1

01

(3.15)

(1+и)2 2о A pCMFs

(3 16)

Подставляя выражение (3.15) в уравнение (3.14), получаем рас­четную зависимость

G0'5 из

Do = А

Д А25

Где

0,25

4 ,5

(3.17)

А =

Л

— h ( . " 1 + и

Коэффициент А зависит от коэффициентов потерь, коэффициента эжекции и плотности воды.

Значения коэффициентов потерь энергии определяются профилем проточной, части элеватора и качеством обработки внутренней по­верхности. Следует отметить, что при недостаточной обработке ее действительный режим работы элеватора может существенно отли­чаться от расчетного. При хорошо обработанной поверхности харак­теристики элеватора имеют следующие значения: р, с = 0,95...0,97; |гвс = 0,93...0,98; £т^=0,07...0,09; £д зависит от n = FJF3: п 2 4 9

£д " .' . 0,04 0,09 0,12

Поток, движущийся в проточной части элеватора, характеризуется числом Рейнольдса Re = 500 000... 1 000 000. При оптимальном профиле всасывающего коллектора и обеспечении стабилизации потока в ка­мере смешения при указанных значениях Re коэффициент г|)і»1,01.

Для приведенных значений характеристик коэффициенты потерь k и £2ц имеют следующие значения:

TOC o "1-3" h z п.......................................... 2 9

K. . ... 1,4 1,2

K2A....................................................... 0,87—0,95

Рассчитаец коэффициент А при « = 2,2 р=958 кг/м3 и і621ц = 0,91:

П.......................................... 2 9

А.......................................... 0,167 0,16

Для элеватора «ВТИ — теплосеть Мосэнерго» рекомендуется А = 0,161[14]

Последовательность расчета элеватора ясна из примера 3.1.

Пример 3.1. Рассчитать элеватор при следующих данных: расход воды в системе отопления (5з=Ю т/ч, потери давления в системе ДрСм=15 кПа, и — 2,2.

Решение.'

1. Определяем диаметр горловины элеватора по формуле (3.16), принимая Л = = 0,165.

10 ,5

3 6

Ds = 0,165 ------- :—!—9- = 0,0248 м « 2,5 см.

3 (15- Ю3)0,25

Принимаем элеватор «ВТИ — теплосеть Мосэнерго» № 3. 2. Определяем диаметр сопла с помощью формулы (3.14):

F3 4,906

F, = ---------------------- -—•------- =-------------------- :-------------------- = 0,638 см,

K (1 - f - и)2 -—- й2 и3 1,2 (l-f-2,2)2—0,95-2,22

Откуда di — 0,9 см.

В расчетах принято £=1,2; k2 — 0,9S.

3 Определяем необходимый располагаемый перепад давлений в тепловой сети с помощью формулы (3 10):

2,5

Fz/Fx 0,9 , А Рр = А Рем = 15 — = 128 кПа.

В расчетах принято fAC = 0,95.

Расчет элеватора на перепад давлений в теплосети, превышаю­щий минимальный. Если располагаемый перепад давлений в тепло­вой сети больше минимального, определенного для оптимальных па­раметров элеватора, избыточное давление можно погасить в сопле элеватора, но тогда его надо рассчитывать по характеристическому уравнению (3.7), а не на оптимальные параметры. Порядок расчета следующий:

1) определяют Fv из уравнения (3.7);

2) определяют диаметр сопла пО формуле

1 .

1 1 + и У2 Д рр р

3) определяют F3.

Смесительные насосы. Смешение высокотемпературной воды с об­ратной водой системы отопления можно осуществлять не только в элеваторах, но и с помощью смесительных насосов. Смесительные насосные узлы устраивают вместо элеваторов, как правило, при не­достаточных располагаемых перепадах давлений в точках присоеди­нения абонентов к наружной тепловой сети. В ряде случаев с по­мощью насосов одновременно со смешением повышается давление в подающем трубопроводе после теплового пункта для залива системы отопления высокого здания или, наоборот, понижается давление в обратном трубопроводе до теплового пункта при высоком давлении в наружной тепловой сети.

Насосная схема присоединения системы отопления позволяет бо­лее точно, чем элеваторная, поддерживать необходимую температуру воздуха в отапливаемых помещениях, так как в этом случае возмож­но более совершенное регулирование подачи тепла на отопление пу­тем изменения коэффициента подмешивания.

Смесительный насос можно устанавливать на перемычке между подающей и обратной магистралями, на подающем трубопроводе местной системы отопления, на обратном трубопроводе местной си­стемы отопления. Подача насоса, установленного на подающем или обратном трубопроводе местной системы отопления, равна расходу воды в системе отопления.

Смесительные насосы подбирают по заводским характеристикам. Насос должен обеспечивать заданные подачу и напор при наиболь­шем значении КПД.

В качестве смесительных насосов используют как радиальные (центробежные) насосы общепромышленного назначения (типа К, КМ, ЦНШ), так и радиальные насосы специальной конструкции, учи­тывающей особенности работы насоса в системе отопления. ' На ближайшие годы намечен выпуск радиальных бесфундамент­ных насосов для системы отопления. Марка насосов ЦВЦ (центро­бежный водяной циркуляционный), подача насосов от 0,7 до 6,95 кг/с (2,5—25 м3/ч) при температуре воды не более 115°С, максимальное гидростатическое давление на насос 1 МПа. Насосы сблокированы с горизонтальными трехфазными электродвигателями мощностью до 1,1 кВт. Разность давлений, развиваемая насосами ЦВЦ, от 0,02 до 0,92 МПа. Соединение патрубков насоса с трубопроводами резьбовое (насосы dy=25...40 мм) и фланцевое (насосы с/у=50 мм и dy= = 65 мм). Вал двигателя с рабочим колесом насоса, а также ротор двигателя вращаются в подшипниках с водяной смазкой. Насосы марки ЦВЦ малошумные, что особенно важно при установке их в тепловых пунктах, расположенных в подвалах жилых зданий.

Радиальные насосы типа К, КМ, ЦНШ, наиболее часто исполь­зуемые на тепловых пунктах, по напору и подаче обычно не подхо­дят для системы отопления. В этом случае необходимо искусственно увеличивать сопротивление системы отопления путем установки диафрагмы или вставки малого диаметра, что приводит к увеличе­нию мощности электродвигателя и перерасходу электроэнергии. Кроме того, корпус специальных циркуляционных насосов рассчитан на гидростатическое давление от 0,6 до 1 МПа, тогда как для на­сосов типа К и КМ максимально допустимое давление на входе 0,2 МПа, что ограничивает их применение в системах отопления зда­ний повышенной этажности.

Для циркуляции воды в системах отопления и горячего водо­снабжения устанавливают по два одинаковых насоса, действующих попеременно: один работает, другой находится в резерве. Насосы оборудуют автоматикой включения резерва.

Для уменьшения передачи шума и вибрации от насосов, установ­ленных на фундаментах, к трубопроводам и строительным конструк­циям зданий на трубопроводах до и после насосов предусматривают виброизолирующие резиновые вставки длиной около 900 мм, фунда­менты общепромышленных насосов оснащают виброизолирующими прокладками и опорами.