Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха в системах отопления, вентиляции и кондиционирования

На срок эксплуатации и бесперебойность работы оборудования систем кондиционирования, отопления и вентиляции влияют разные факторы. Климатическая обстановка на территории России вынуждает придерживаться особых условий при функционировании вентиляционных установок. Частой проблемой является застывание жидкости в рекуперативных нагревателях, когда за окном наблюдаются отрицательные температуры. Вместе с тем превращение жидкости в лед зачастую сопровождается выходом из строя теплообменника.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Изучающие инженерные системы специалисты продолжают делиться эффективными методиками для обеспечения работы устройств теплового обмена, которые являются одной из самых важных элементов вентиляционных установок.

Сейчас производство микроклиматических устройств осуществляется с реализацией всевозможных мероприятий, предотвращающих обледенение теплоносителя в магистралях нагревателей водяного типа.

Самое простое, недорогое и востребованное решение данной проблемы – водно-гликолевые теплоносители, которые обретают твердое физическое состояние при отрицательных температурах. При этом наиболее популярным незамерзающим раствором является вода в сочетании с пропиленгликолем или этиленгликолем. Подобные теплоносители принято "обогащать" всевозможными присадочными веществами, поддерживающими изначальные свойства, уменьшающими коррозионное воздействие, блокирующими образование пены и окисление, а также противодействующими образованию в системе накипи. Однако при тепловых и гидравлических расчетах систем отопления, кондиционирования и вентиляции используется вода. Нужно учитывать, что концентрированный гликолевый теплоноситель способствует изменению основных характеристик водно-гликолевых носителей тепла. В связи с этим их использование для нагрева воздушной массы должно происходить с учетом факторов, которые влияют на расчет теплообменных аппаратов, насосного оборудования и трубок. При сравнении важного набора физических свойств водно-гликолевых теплоносителей и воды они будут иметь серьезное отличие. В первую очередь это касается удельной теплоемкости, теплопроводности, вязкости, коэффициента объемного расширения и плотности.

Таблица 1. Физические характеристики воды и этиленгликолевых теплоносителей

Теплоноситель Плотность ρ, кг/дм3 Удельная теплоемкость Ср,
кДж/кг·°C
Теплопроводность λ, Вт/м·°С Кинематическая
вязкость,
υ·106 м2
Вода,
80 °C 
20 °C
0,972
0,998
4,195
4,183
0,669
0,599
0,366
1,006
Сорокапроцентный раствор этиленгликоля,
80 °C 
20 °C

1,029
1,062

3,680
3,436

0,469
0,455

1,351
3,686

В сравнении с водой гликолевый раствор является более плотным и вязким из-за гидравлического сопротивления контура транспортировки носителя тепловой энергии. Это может приводить к двукратному повышению гидравлических потерь. Если необходимо поддержание турбулентности при движении водно-гликолевого теплоносителя в магистралях нагревателя, в таком случае возникает потребность в высоких скоростях транспортировки раствора. Это является причиной увеличения мощности, которую потребляет насосный электродвигатель. Изменяющиеся теплофизические характеристики гликолевых смесей приводят к падению отдачи тепловой энергии и уменьшению коэффициента передачи тепла. Учет вышеуказанного является обязательным в случае расчета теплопроизводительности нагревательного оборудования и выбора его типоразмера.

Уменьшение температуры воды в теплообменнике ставит под серьезную угрозу ее физическое состояние. Тотальный контроль жидкости в нагревательных магистралях является достаточно сложным, а зачастую и неосуществимым занятием. Однако температурный мониторинг воды в обратной магистрали устройства теплообмена может быть полезен и использоваться как индикатор вероятного обледенения. Производители современного автоматического оборудования для инженерных систем предлагают решения с встроенными в обратный трубопровод температурными датчиками и сигнализаторами замерзания жидкости.

Отдельным случаем является вентиляционное оборудование, которое установлено и функционирует на открытом уличном пространстве. Когда температура наружного воздуха опускается ниже нулевой отметки и вентиляционный агрегат находится в пассивном состоянии (к примеру, в ночное время) существует вероятность обледенения теплообменника при отсутствии движения теплоносителя. Эксперты в области эксплуатации инженерных систем сделали вывод, что в большинстве случаев из-за этого рвутся магистрали теплообменных аппаратов.

Абсолютное поддержание расхода подогретой жидкости, которая проходит посредством отключенного теплообменника, является нерациональным занятием. В обратную магистраль происходит возвращение теплой жидкости, что может спровоцировать претензии со стороны поставщиков тепловой энергии. Изготовленные специалистами компании VTS устройства автоматического контроля регулируют транспортировку носителя тепла посредством теплообменника, если он находится в отключенном состоянии. При охлаждении до критических температур установленный в обратном трубопроводе регулятор температуры передает сигнал на автоматическое оборудование. Задачей последнего является поддержание температуры проходящей через нагреватель жидкости в пределах допустимых значений. Кроме того, у автоматической системы есть возможность регулирования температуры воздушной массы, обдувающей водяной нагреватель. Если температура обдува нагревателя существенно уменьшается, тогда происходит открытие термостата, который активирует водяной клапан, чтобы увеличить движение теплоносителя.

Не стоит обходить стороной термостаты и капиллярные трубопроводы с фреоном, которые направлены перпендикулярно воздушному потоку и имеют длину несколько метров. Благодаря термостату и автоматическим устройствам регулируется температура подогретого воздушного потока на увеличенной площади в местах поперечного сечения вентиляционного агрегата.

Проблему обледенения магистралей теплообменного оборудования можно решить путем поддержания частоты циркуляции жидкости на уровне турбулентности перемещения носителя тепловой энергии. В такой ситуации уменьшается вероятность изменения физических свойств жидкости.

В разделе 7.8.2 Свода норм и правил по вентиляции, отоплению и кондиционированию указано, что для исключения случаев промерзания трубопроводов нагревателя воздуха необходимо обеспечить минимальную скорость транспортировки жидкости на уровне 0,12 метра в секунду с учетом расчетных значений температуры уличного воздуха в пределах нулевой отметки. Турбулентное движение воды приводит к повышению гидравлического сопротивления и параллельному увеличению коэффициента тепловой отдачи воды в направлении внутренних стенок трубопровода. Это способствует увеличению коэффициента передачи тепла.

Вне зависимости от того, какую температуру имеет уличный воздух, турбулентная циркуляция жидкости внутри трубопроводов нагревателя возможна в том случае, если расход воды является постоянным. Поэтому предпочтительный способ контроля производительности тепла – оптимальный расход носителя тепловой энергии с поправкой на его качественные характеристики.

Если сравнивать прямоток с прямоточным подключением водяного нагревателя, последний вариант имеет более высокую защиту против замораживания. В первом случае поток холодной воздушной массы изначально проходит через первый магистральный ряд с теплоносителем, имеющим самую высокую температуру. Использование противоточного подключения теплообменного агрегата способствует повышению его тепловой производительности. Учитывая реализацию перекрестной схемы движения воздушной массы и теплоносителя в воздушно-водяных теплообменниках, оговариваемые схемы подключения должны быть проанализированы в дальнейшем.

Основные воздушные нагреватели защищают от промерзания посредством установки в вентиляционных агрегатах дополнительного нагревательного устройства, от которого тепловая энергия передается уличному воздуху в случае падения температуры до минус пятнадцати градусов Цельсия и ниже. Установка таких предварительных нагревателей предпочтительна перед блоками утилизации тепла, в которых также может замерзать конденсат и уменьшаться эффективность функционирования оборудования. Предварительные воздушные нагреватели рекомендуется питать через электрическую сеть. В них могут использоваться водно-гликолевые растворы, выполняющие роль носителя тепла. Но в такой ситуации эксплуатационные службы могут столкнуться с дополнительными трудностями по причине появления циркуляционного контура с устройством теплообмена для нагрева гликолевого раствора, насосного оборудования и других устройств. В данный момент многие производители распространяют котельное оборудование для нагрева воды, в котором теплоносителем является водно-гликолевая смесь.

Опираясь на вышенаписанное, можно говорить, что значимость водяных рекуперативных теплообменных агрегатов для подогрева уличной воздушной массы в системах кондиционирования, вентиляции и отопления очень высока. Вместе с тем надежность функционирования подобных устройств должны обеспечивать системы автоматического регулирования и безопасности.

Реализацией практически всех вышеуказанных методик противодействия замерзанию жидкости в устройствах теплового обмена вентиляционных агрегатов могут быть узлы регулирования, которые проектирует, изготавливает и отправляет на территорию РФ компания VTS. В экспертных кругах такие узлы позиционируют как обвязку нагревателя.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Узел регулирования

В первую очередь узел позволяет регулировать тепловую производительность воздушного нагревателя и поддерживать необходимую температуру приточного воздушного потока вне зависимости от того, какую температуру имеет уличный воздух. Во-вторых, узел принимает активное участие во взаимодействии с автоматическим оборудованием, а также обеспечивает защиту нагревателя от промерзания. Предложения WPGот VTS являются функциональными составляющими, объединенными в один корпус.

Соединяемые с водяными нагревателями компоненты регуляционных узлов VTS представлены:

  • насосным оборудованием циркуляционного типа;
  • сетчатым фильтром;
  • термическими манометрами;
  • трехходовым водяным клапаном;
  • обратным клапаном;
  • запорной арматурой.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Циркуляционный насос

Регуляционный узел находится в корпусе, который защищает его от механических повреждений, агрессивной среды и атмосферных осадков. Для изготовления корпуса применяется пенополипропилен – материал, имеющий отличные теплоизоляционные характеристики.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Установленный в циркуляционном насосном оборудовании электрический мотор оснащен интегрированным трехскоростным регулятором. Насос способен транспортировать как воду, так и водно-гликолевый раствор, имеющий максимальную 35-процентную концентрацию этиленгликоля или пропиленгликоля.

Находящийся в трехходовом клапане сервопривод работает под 24-вольтным напряжением. Им управляет аналоговый сигнал с диапазоном от нуля до десяти вольт. Это способствует обеспечению сглаженного поворота клапанного штока и функционированию по логарифмическо-линейным характеристикам. Сервопривод вместе с трехходовым клапаном можно использовать, когда температура уличного воздуха колеблется в диапазоне от минус тридцати до плюс пятидесяти градусов Цельсия.

 Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Трехходовой клапан

В состав стандартного щита питания и регулирования VTS, который подключается к вентиляционно-кондиционирующему оборудованию типоразмера VENTUS, входят элементы управления и электрозащиты посредством насосного оборудования и клапанного сервопривода.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

При работе циркуляционного насоса поддерживается напряжение электрической сети на уровне 230 вольт. Что касается предельной температуры носителя тепла в насосном оборудовании, которое устанавливается на обратную магистраль, она должна составлять не больше 110 градусов Цельсия при максимальном давлении десять бар.

Монтируемые в прямую и обратную магистрали термические манометры занимаются регулярным визуальным отслеживанием температуры и давления носителя тепловой энергии. Они способны измерить температуру в пределах 0...120 градусов Цельсия и давление жидкости в диапазоне 0-10 бар. Защита насосного оборудования циркуляционного типа соответствует индексу IP44, а сервопривода и трехходового клапана – IP54.

Узлы регулирования водяных теплообменников VTSконтролируют тепловую производительность устройств теплообмена. Ими оснащаются двенадцать типоразмеров агрегатов VENTUS, удовлетворяющих потребности в кондиционировании и вентиляции. Также с помощью таких узлов можно контролировать функционирование нагревателей вентиляционных систем канального типа, входящих в семейство N-Type.

Коэффициент проходимости трехходовых клапанов, которые устанавливаются в узлах регулирования, колеблется в пределах 2,5-16. На величину коэффициента влияет расход носителя тепловой энергии.

Обратная магистраль, где жидкость подмешивается и возвращается в направлении регулирующего трехходового клапана, оборудуется обратным клапаном. Помимо этого, комплектация представлена двумя запорными вентилями для отключения узла от магистрали носителя тепла во время сервисного и ремонтного обслуживания.

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Решение проблем при использовании водяных нагревателей воздуха

Сетчатый водяной фильтр препятствует попаданию в насосное оборудование, теплообменный аппарат и трехходовой клапан взвешенных частиц, которые содержатся в теплоносителе.

Эксплуатация узлов регулирования должна осуществляться с горизонтальным расположением вала насосного оборудования.

Готовые контролирующие комплекты VTS дают возможность рационального управления тепловой производительностью теплообменника. Также они помогают решить проблемы функционирования различных инженерных систем в холодное время года или в суровых климатических условиях.

Готовые узлы регулирования VTS получили широкое использование по причинам:

  1. Надежной и отличной интеграции с автоматическими системами контроля, которые поставляет компания VTS.
  2. Возможности обеспечить необходимую многофункциональную защиту нагревателя от промерзания с помощью различных методик.
  3. Обеспечения защиты электрического мотора, который является частью насосного оборудования.
  4. Соответствия гидродинамических параметров водяного теплоносителя с техническими параметрами компонентов регулирующего узла.
  5. Отсутствия ошибок при подключении теплообменника к электрической сети.
  6. Простого и удобного соединения теплообменного устройства с магистральной сетью.
  7. Возможности регулярного наблюдения за температурой и давлением жидкости на входящем и выходящем трубопроводах теплообменника.
  8. Открытия чертежной документации к узлам WPGв программе AutoCad.
  9. Доступного, удобного и понятного выбора регулирующих узлов для воздушных нагревателей с учетом их гидродинамической составляющей через новый программный комплекс "ClimaCadon-line 4.0".

Статья подготовлена на основе материалов с сайта www.abok.ru