Водоохладителни системи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2006

 

Специфики при проектирането и използването им

Една от важните насоки в процеса на проектиране на водоохладителните системи, наричани често чилъри, е съблюдаването и подборът на правилните водни дебити с цел да се направят съвместими потоците между хидравличните кръгове за производство и разпределение на енергия. Това условие е от съществено значение, за да се постигне пълната проектна мощност на инсталацията. Съществуват някои специфични ограничения, които изискват свеждане на възможните колебания на потока във водоохлаждащите агрегати до определени граници. В статията с примери е показана важността на правилно подбраните дебити в контурите за производство на енергия и прилежащите към тях разпределителни кръгове.

Водни дебити във водоохлаждащи агрегати

Производителите обикновено изхождат от презумпцията, че водоохладителните инсталации са захранени с постоянен дебит. В действителност дебитът може да варира в рамките на определени граници. Това изменение, обаче, е желателно да бъде бавно. Един бързо спадащ като количество поток би причинил внезапно понижение на изходящата температура на водата от агрегата. В резултат на това се създава риск от замръзване на изпарителя. Също така е възможна и поява на проблеми в компонентите за защита на системата, което би наложило повторно ръчно активиране. Рискът от замръзване нараства поради влошен коефициент на топлообмен, което се проявява значително при спад на водните потоци в системата под определено ниво. Колкото по-малък става водният поток в системата, толкова по-трудно е контролирането на изходящата температура на водата в агрегата. От друга страна, за отбелязване е и фактът, че значителните дебити силно намаляват живота на тръбите. Сред причините за това е, че тръбите са обект на силни удари от страна на механичните примеси във водата, което от своя страна ускорява ерозията на тръбната мрежа.

Системи с постоянен поток

Някои проектанти предпочитат да използват системи с постоянен поток. Такъв пример е показан на фиг. 1. Дебитът в крайните агрегати се контролира чрез трипътни клапани. Водните дебити, които остават неизползвани от крайните агрегати, се пропускат транзитно чрез байпасна връзка. По този начин общото водно количество, консумирано от агрегатите, на практика остава постоянно. Предимството на показания на фиг. 1 вид система е наличието на строго фиксирани хидравлични параметри на потока, които поддържат стойностите си при всякакво натоварване. Напорът на помпата остава постоянен, както и диференциалното налягане в отделните агрегати. Няма взаимно влияние между отделните контролни кръгове. Такова разпределение с постоянен поток често се използва при наличие само на един или няколко последователно свързани агрегати. В този случай производственият дебит е постоянен, както и разпределението на потока. Един от недостатъците при постоянно разпределение на потока, обаче, е свързан с разходите за препомпване в системата. Циркулационната помпа трябва да бъде проектирана и избрана с отчитане на сумата от максималните водни количества към крайните агрегати и с оглед на осигуряване постоянство на консумацията при всякакво натоварване. При работа с променливи водни количества помпата и тръбопроводът се проектират, като при изчисленията се вземе предвид коефициентът на едновременност. В случай с

няколко паралелно инсталирани агрегата

контролирането на проектната температура на охлаждащата вода е възможно да се реализира, само ако всички агрегати в системата работят. От друга страна, ако захранващият контур не е балансиран, всеки свръхпоток в системата ще предизвиква циркулация през байпасната връзка от точка Б към точка А. Дори когато всички агрегати работят, ще има смесване на потоците в точка М. В този случай би било невъзможно да се постигне изчислителната температура на охладената вода и съответно да се достигне пълният капацитет на мощност на системата. При свръхпоток от 50% в разпределителните контури и работа на системата с максимално натоварване е възможно да се достигне само 90% от максималната инсталационна мощност. От графиката на фиг. 2 лесно се вижда, че температурата Тs достига проектната си стойност от 6 °С, само когато всички агрегати в системата работят. Пунктираната линия представя поведението на инсталацията при препълване с 50% на разпределителния контур. В този случай температурата от 6 °С на охладената вода е възможна само при нулево натоварване. При пълно натоварване се достига само 90% от инсталационната мощност. В процеса на изчисление на показаната графика е направено приемането, че всеки от агрегатите има един и същ свръхпоток. Ако системата не е балансирана и в някой от агрегатите се получи свръхпоток, а в други недостиг, то положението би се влошило още повече. Максималната мощност би била значително под 90% от пълния капацитет.

В случай че някои контури изискват средна температура на захранващата вода от 6 °С и цялата инсталация работи със средно натоварване, то контурът, показан на фиг. 1, не би могъл да постигне желаните параметри, докато всички агрегати не влязат в установен работен режим. На практика, обаче, това би било доста неикономично решение, в остро противоречие с първоначалната концепция, а именно - инсталация от няколко агрегата с цикличен режим на работа.

Ако работата на системата се контролира така, че температурата Тgr да е постоянна и равна на 12 °С, то захранващата температура Тs ще бъде по-различна от препоръчителните 6 °С. Например за 30% натоварване трябва да осигурим Тgr = 12 °С и Тs = 10.2 °С, вместо 7.8 °С. Ако няколко агрегата са инсталирани паралелно, както е показано на фиг. 3, стремежът би бил да се осигурят същите резултати като постигнатите за инсталацията на фиг. 1. Това е възможно, единствено ако агрегатите, които не работят, инжектират водата от връщащия контур обратно в захранващия контур на системата.

Системи с променлив поток

Когато крайните агрегати са контролирани посредством двупътни контролни вентили, общият дебит варира като функция от натоварването на системата. За приблизително постоянен напор на помпата нейната консумация е пропорционална на дебита. В техническата литература много често се приема, че дебитът е пропорционален на натоварването. Това е доста опростено приемане и то невинаги е в съответствие с практиката. При двупозиционно регулиране възможното диференциалното налягане върху консуматорите се увеличава, когато 50% от вентилите са затворени. Това отчасти е следствие от повишения напор на помпата, отнесен към намаления дебит, и отчасти се дължи на намаления пад на налягането в тръбите. Крайният резултат е, че дебитът през консуматорите е по-висок с 50% от проектния.

Вследствие на нелинейната зависимост между излъчваната мощност от консуматорите и водния дебит, свръхпотокът оказва малко въздействие върху мощността. Като резултат от това, отношението на дебита към натоварването на системата, изразени като процент от проектните стойности, е по-голямо от единица. От друга страна, ако се използват пропорционални контролни вентили, 50% натоварване се получава за дебит от 20%. В този случай отношението дебит/натоварване е 0.4. Счита се, че поведението на инсталацията зависи от това отношение.

Взаимодействие при постоянно диференциално налягане

Взаимодействието при постоянно диференциално налягане между контурите за производство и разпределение на енергия е илюстрирано с фиг. 4, в която няма помпи в разпределящия кръг. Помпите на агрегатите са проектирани за напора, необходим на самите агрегати и за разпределящия кръг. На байпасната линия АВ е разположен контролен вентил, който поддържа диференциалното налягане Dpab постоянно. Очевидно тази концепция е приложима, само ако се осигури променлив дебит в разпределителния кръг. На пръв поглед тази схема не би трябвало да работи добре, докато помпите на агрегатите имат общо съпротивление.

Така или иначе, това е специален случай, при който не се наблюдава влияние между отделните агрегати. Общият контур е динамичен елемент за разлика от такъв с фиксирано съпротивление, който осигурява постоянно диференциално налягане в зависимост от броя на работещите агрегати и не може да наруши водния дебит през тези агрегати. Това е показано на графиките на фиг. 5. С кривата I е представена характеристиката на помпата на агрегата. Ако падът на налягане в него е изведен от напора на помпата като функция на дебита, се получава характеристика II. На практика, характеристика II показва наличния напор на помпата между точките А и В. Докато диференциалното налягане между тези две точки се поддържа постоянно, работната точка задължително се намира в точка С на крива II. В случаите, при които тази точка е фиксирана, дебитът на агрегата е постоянен.

Работната точка е определена индивидуално

за всеки агрегат от стойностите на баланс вентила - той компенсира всякаква разлика между характеристиката на помпата и хидравличното съпротивление на агрегата. Когато допълнителният агрегат и неговата помпа се включат, диференциалното налягане между точката А и точката В се повишава временно, преди контролният елемент да реагира. Това внезапно намалява потока през работещите агрегати, като създава риск от замръзване на изпарителя. Този риск се увеличава и от бързия температурен пад t gr. При някои инсталации автоматичният спирателен вентил на агрегата е разположен откъм нагнетателната страна на помпата. Помпата влиза в употреба, само след като този вентил се е отворил плавно и е осигурил постепенно нарастване на дебита. По този начин се осигурява необходимото време за реакция на средството за контрол и управление на диференциалното налягане. Когато вентилът е отворен напълно, агрегатът навлиза в процес на работа. Помпите са подбрани така, че да имат стръмна характеристика, с цел да се намали варирането на водните количества в агрегатите. По този начин също се намалява варирането на дебита в областта на пропорционалност на контролера на диференциалното налягане. Областта на пропорционалност е показана с хоризонталите Е и F на фиг. 5.

В таблица 1 са показани

температурата и дебитът като функция на промяна-та на натоварването

Могат да бъдат отделени два екстремни случая - натоварването във всички консуматори е еднакво (случай а), и някои консуматори работят при пълно натоварване, докато други са изключени (случай b). За опростеност е прието, че диференциалните налягания, действащи в крайните агрегати, са постоянни, което засяга само случаите, при които някои консуматори работят при пълно натоварване, докато други са изключени. Температурата на водата на изхода на агрегатите е същата като получената, когато е налице постоянен дебит в разпределителния контур. Докато потокът през агрегата, захранващ с охладена вода, при постоянна температура е постоянен, температурата на изхода се влияе само от натоварването. В случая b дебитът през контролния вентил на байпасната линия при нормални работни условия не превишава дебита в агрегата. По тази причина контролният вентил понякога се проектира за 25% по-голям дебит в агрегата. В екстремния случай - а, дебитът през байпаса може да бъде два пъти по-голям от този в агрегата. По принцип контролният вентил би трябвало да бъде оразмерен с отчитане на крайната стойност. В някои приложения се използват успоредно два управляващи вентила, които работят последователно, за да улеснят тази настройка.

Важно е да се отбележи, че

разпределителният контур е внимателно балансиран

за максимално натоварване. В противен случай, когато всички вентили са отворени, на теория дебитът би могъл да достигне стойности от 150%. На практика, обаче, този дебит не би могъл да бъде достигнат, тъй като максималният възможен от агрегатите е само 100%. В този случай, някои консуматори няма да бъдат в състояние да отдадат исканата мощност.

Контролът на агрегатите не би могъл да се осъществи лесно, докато дебитът не бъде функционално зависим от натоварването. Възможно е чрез модулиране на клапаните да се постигне 75% от натоварването при 45% от дебита. Ако регулирането е на базата на дебита, два агрегата ще бъдат в процес на работа, но те няма да бъдат достатъчни да осигурят нужното натоварване.

В този случай,

температурата на охладе-ната вода би се повишила

и регулиращият вентил ще компенсира това чрез нарастване на дебита. Вследствие на това се включва в работа трети агрегат и температурата се връща в нормални граници, което съвсем естествено води до постепенно затваряне на автоматичния вентил. Следователно, този тип контрол много често води до образно казано "лутане" из инсталацията. Агрегатите трябва да бъдат контролирани в зависимост от натоварването, а не от дебита. Следователно контрол на агрегатите чрез дебита е възможен, само ако консуматорите се управляват двупозиционно. Описаната работа на инсталацията се илюстрира с фиг. 7. Система с променлив дебит би могла да бъде проектирана в съответствие с показаното на фиг. 6.

Взаимодействия при нулево диференциал-но налягане между контурите

В случая, показан на фиг. 7, чрез включването на байпасната линия АВ се елиминира всякакво влияние между водоохлаждащите агрегати и консуматори, дори при работа в динамични условия. Температурите и дебитите са идентични на показаните в табл. 1. Дебитът в байпаса би могъл да бъде определен чрез измерване на различните температури на водата на базата на следната формула:

qb = qg(1 - (tgr - tgs)/(tr - ts)).

В показаната зависимост дебитът qg е в пряка функционална зависимост от броя на работещите агрегати, поради което тази величина е неизвестна.

Когато се включи допълнителен агрегат, дебитът qb в байпаса незабавно се увеличава и температурата tgr пада бързо. Резултатът е бърз температурен пад на изхода на изпарителя. Често скоростта, с която температурата се понижава, е по-голяма в сравнение с времето за реакция на системата за сигурност, което създава съществен риск от замръзване в изпарителя. Този риск може да бъде намален, като се предвиди изравнителен резервоар на байпаса АВ, при условие че се гарантира хомогенността на водната смес в резервоара. Счита се, че идеалното решение е в постепенното увеличаване на натоварването на агрегатите.

За да се постигне равенство между времената ts и tgs, дебитът qg непременно трябва да бъде по-голям от дебита qs. По този начин се предотвратява обратната циркулация през байпаса. За целта е важно да се осигури съвместимост между захранващия и разпределителния дебит. На практика, има инсталации, при които се добавят нови агрегати с цел достигане на желаната максимална мощност, без да се отчита обстоятелството, че в действителност проблемът е бил свързан със съвместимостта на посочените дебити. Възможно е добавянето на буферен резервоар (фиг. 8), който да осигури възможност на агрегатите да работят за по-дълги периоди. Акумулираната енергия в резервоара ще бъде използвана в случаите, при които единият или и двата агрегата спрат работа. Тогава посоката на движение е от резервоара, а не към него. Ако инсталацията е проектирана с предварително приет коефициент на едновременност, дебитът, използван в началната фаза на работа, е по-голям от дебита, произведен от двата агрегата. Разликата в двата дебита се покрива от буферния резервоар. Инсталацията, показана на фиг. 7, свежда до минимум разходите на помпите. Също така консумацията на помпите може да бъде допълнително намалена, като в разпределителния контур се използват помпи с регулируема скорост.

По материали от Total Hydronic Balancing




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top