Основные принципы конструирования и испытаний отопительных приборов со встроенными терморегуляторами

В. Л. Грановский, канд. техн. наук, МНИИТЭП

В большом многообразии типов и конструкций радиаторов и конвекторов, применяемых в системах отопления, особое место занимают отопительныеприборы со встроенными терморегуляторами (ОПТР).

Терморегуляторы встраиваются в отопительный прибор как независимые конструктивные элементы стандартного (рис. 1а) или специального (рис. 1б, в, г) исполнения.

Для встраивания терморегуляторов специального исполнения используют специальную гарнитуру как конструктивную часть отопительного прибора (рис. 1б, в, г). При применении ОПТР в однотрубной системе отопления у каждого отопительного прибора устанавливают байпас. Возможно применение байпаса с нерегулируемым и регулируемым проходным сечением замыкающего участка. Как правило, нерегулируемый байпас является конструктивным элементом отопительного прибора заводского изготовления (рис. 1а, в), а регулируемый байпас – независимым элементом системы отопления (рис. 1б, г). Возможны варианты исполнения ОПТР с нижним и боковым присоединением к трубопроводам системы отопления.

Практически все зарубежные производители имеют в своей номенклатуре такой тип отопительных приборов. Мотивацией к их применению является обязательность использования терморегуляторов в системах отопления и их востребованность, эстетичный внешний вид таких отопительных приборов и удобство их монтажа.

Ориентировочная доля ОПТР в общем объеме продаж на рынках Западной Европы составляет 30–60 % в зависимости от страны применения. Эта же тенденция начинает складываться и на российском рынке.

Нормативной базой для разработки и испытания стандартных отопительных приборов являются действующие в настоящее время в России и в Европейском союзе стандарты и методики [1, 2, 3]. Изучение указанных нормативов показывает, что ни в одном из них не рассматриваются технические требования к ОПТР и методы их испытаний.

В то же время практика испытаний свидетельствует о значительных проблемах, возникающих при определении их тепло-гидравлических характеристик. Отсутствие такого раздела в российском нормативе еще можно объяснить тем, что терморегуляторы, а тем более ОПТР появились на российском рынке сравнительно недавно. Однако отсутствие методов испытаний ОПТР в европейском нормативе при столь значительной практике их применения требует более детального изучения и понимания.

Рисунок 1. (подробнее) Варианты конструктивного исполнения ОПТР: а – конвектор «Сантехпром Авто» (Москва) со встроенным стандартным терморегулятором, нерегулируемым байпасом (существует вариант без байпаса) и боковым присоединением подводок системы отопления; б – радиатор «РС» (г. Кимры) со встроенным в гарнитуру терморегулятором, независимым Н-образным элементом с регулируемым байпасом, с нижним присоединением подводок системы отопления; в – радиатор «Конрад Термо» (Санкт-Петербург) со встроенным в гарнитуру терморегулятором, встроенным нерегулируемым байпасом (или без него при применении в 2-трубной системе отопления) и боковым присоединением подводок систем отопления; г – то же, с нижним присоединением и независимым H-образным элементом с регулируемым байпасом или без байпаса

Особенности испытаний ОПТР

При тепловых испытаниях ОПТР в термостатированной камере, которые, при отсутствии специальных методик, могут быть проведены только на основе нормативов [2, 3], невозможно обеспечить постоянство расхода теплоносителя через клапан терморегулятора и отопительный прибор.

Термостатическая головка, установленная на клапане, будет реагировать на колебания температуры воздуха в объеме испытательной камеры и изменять расход теплоносителя, поскольку точность поддержания температуры воздуха в камере не соответствует требуемой точности поддержания температуры среды вокруг термостатической головки при испытании терморегулятора.

Аналогичная проблема возникает и при гидравлических испытаниях ОПТР в нетермостатированных помещениях.

Естественно, что проведение испытаний отопительного прибора при изменяющемся расходе теплоносителя невозможно. Для преодоления этой проблемы ОПТР испытывают при снятой с клапана термостатической головке. Требуемую степень открытия клапана, соответствующую номинальному потоку теплоносителя, обеспечивают путем ручной установки шпинделя клапана в формально расчетное положение (Х_р = 2К).

При этом ориентируются на удельную величину перемещения, характеризующую ход шпинделя клапана при изменении температуры воздуха в помещении на один градус.

На наш взгляд, такой метод испытаний имеет ряд недостатков. Как правило, производители терморегуляторов указывают величину удельного перемещения только во внутренней заводской документации, поскольку используют ее как ориентировочную, при проведении внутризаводских ускоренных предварительных испытаний с целью отработки каких-либо конструктивных решений в клапане или при его акустических испытаниях. Окончательное же заключение о гидравлических характеристиках терморегулятора делается только на основе стандартизованных испытаний по соответствующим нормативам [4, 5].

При использовании ручного метода установки шпинделя клапана фактический расход теплоносителя через клапан терморегулятора, а следовательно, через весь отопительный прибор всегда будет отличаться от расчетного. Это обусловлено:

• неточностью установки шпинделя в положение «начало открытия», связанной с пластичностью прокладки седла или тарелки клапана;

• отклонением позиции шпинделя от положения Х_р = 2К, связанным с гистерезисом.

Рассмотрим на примере возможные отклонения расхода теплоносителя от номинального (G_n) при использовании указанного метода гидравлических испытаний.

Согласно [4, 5], фактическая степень открытия клапана, соответствующая номинальному расходу теплоносителя, определяется по регулировочной кривой его открытия (рис. 2). Для этого от теоретической точки открытия (S_o) откладывается два градуса по шкале температур в сторону открытия и в точке пересечения кривой открытия с температурой, соответствующей Х_р = 2К, определяют G_n. В рассматриваемом примере G_n = 655 кг/ч.

При ручной установке шпинделя, в связи с неопределенностью начального положения, стартовая точка его перемещения на указанную заводом-изготовителем величину, эквивалентную Х_{р усл} = 2К, может лежать в пределах зоны «нечувствительности» С_н (рис. 2), но всегда правее нормативной точки S_o.

В максимальном своем отклонении за начальную точку открытия клапана может быть ошибочно принята точка закрытия (З), что приведет к изменению фактического расхода на 82 % (G_min = 360 кг/ч) относительно номинального.

Однако даже при установке стартового положения шпинделя, максимально близкого к нормативной точке S_o, отклонение фактического расхода теплоносителя от номинального может быть обусловлено неопределенностью положения открытого вручную клапана в зоне гистерезиса, между кривыми открытия-закрытия (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Данные по испытанию терморегулятора согласно EN 215 (пример): G – расход теплоносителя через клапан терморегулятора; t – температура среды у термоголовки; Хр – зона пропорционального регулирования; Хр усл – то же, условная, при использовании нестандартных методов испытаний; Гд – допустимая по EN 215 величина гистерезиса; Гф – фактическая величина гистерезиса; Сн – возможная зона нечувствительности стартовой точки открытия клапана; К – градусы Кельвина; О – фактическая точка открытия; З – фактическая точка закрытия; Sо – теоретическая точка открытия; Sз – теоретическая точка закрытия

В максимальном своем отклонении, при допустимой величине гистерезиса Г_д = 1К, изменение фактического расхода относительно номинального составляет 32 % (G_max = 870 кг/ч).

Из рассмотренного следует, что использование метода ручной установки позиции клапана приводит к значительным отклонениям расхода теплоносителя от номинального. В результате гидравлические характеристики ОПТР, полученные на основе этого метода, не могут быть признаны корректными. При этом тепловые испытания ОПТР при ручной установке шпинделя и соблюдении требуемого расхода теплоносителя вполне допустимы.

Результаты таких испытаний должны быть идентичны результатам испытаний стандартного отопительного прибора, имеющего равную с ОПТР поверхность теплообмена.

Еще большие сложности в испытании ОПТР возникают при включении в его конструкцию байпаса, что необходимо при однотрубной системе отопления. Для расчета гидравлики системы и требуемой мощности прибора необходимо знать расходы теплоносителя отдельно через отопительный прибор и байпас.

Однако измерить это в ходе прямых гидравлических испытаний невозможно, поскольку невозможно установить расходомер после байпаса непосредственно перед отопительным прибором. Дополнительное сопротивление, которым в данном случае является расходомер, изменит реальное соотношение расхода между байпасом и прибором.

Известна практика испытания ОПТР с байпасом, базирующаяся на следующем методическом подходе. Теплопроизводительность отопительного прибора с байпасом и терморегулятором (Q^оптр) определяют в соответствии со стандартной методикой [3] при общем расходе теплоносителя через байпас и отопительный прибор, равным номинальному (G_n). Термостатическая головка с клапана снята, а степень открытия клапана терморегулятора устанавливается вручную, как описано выше. Принимая величину Q^оптр = Q_ф по стандартной для каждого типа отопительного прибора формуле теплового потока:

(1)

определяют фактический расход теплоносителя через отопительный прибор.

По соотношению фактического и номинального расходов определяют коэффициент затекания теплоносителя (a).

Здесь Q_n – теплопроизводительность стандартного отопительного прибора без байпаса и терморегулятора, той же модели и типоразмера, принимаемая из каталога;

G_r – соотношение фактического и номинального расходов;

∆T_r – соотношение фактического и номинального температурных напоров.

Основным недостатком данного метода является ручная установка позиции клапана, неточность использования которой уже описана выше.

Однако в случае испытания ОПТР с байпасом указанная неточность влияет не только на гидравлические характеристики, как это показано в варианте без байпаса, но и на теплотехнику, поскольку предполагаемое распределение расходов теплоносителя между отопительным прибором и байпасом, а следовательно, и коэффициент затекания не соответствуют фактическим.

Указанное было проверено в ходе сопоставления результатов испытаний конвекторов с терморегуляторами и байпасом, проведенных по описанному выше методу, а также испытаний терморегуляторов отдельно, по специализированной методике [4, 5].

В обоих испытаниях применялись терморегуляторы двух различных типов: № 1 и № 2. Результаты испытаний конвекторов показали, что коэффициенты затекания, в соответствии с номером терморегулятора, соотносятся как a₁ < a₂. Из этого должно следовать, что при одном и том же типоразмере конвектора пропускная способность терморегуляторов (К_{v тр}) соответствует соотношению К_{v тр1} < К_{v тр2}. Однако испытания терморегуляторов по специализированной методике показали обратный результат: К_{v тр1} > К_{v тр2}.

Все сказанное выше свидетельствует о существенных трудностях в испытании ОПТР и недостатках в используемых методах получения их тепло-гидравлических характеристик, включая коэффициент затекания.

Разработка методики испытаний и расчета ОПТР

При разработке методов испытаний ОПТР был принят принцип максимального использования существующих специализированных нормативов. Многолетняя практика их применения обеспечивает высокую степень достоверности результатов испытаний.

Указанные нормативы являются, в том числе, базой для сертификационных испытаний, оценки качества испытательных центров, объектов испытаний, в нашем случае – отопительных приборов, а также стабильности технологии их производства. Все это требует особой тщательности и строгости в выборе методов испытаний.

Методика проведения тепло-гидравлических испытаний ОПТР без байпаса

Тепловые испытания ОПТР, как было отмечено выше, могут быть проведены по стандартизированным методикам [2, 3] в требуемом диапазоне изменения расхода теплоносителя и располагаемого температурного напора. При этом термостатическая головка должна быть снята с клапана терморегулятора, а степень его открытия должна обеспечивать возможность подачи номинального расхода теплоносителя (G_n). В ходе испытаний получают номинальный тепловой поток (Q_n), который не должен отличаться (в пределах нормируемых допусков) от Q_n стандартного отопительного прибора той же модели и того же типоразмера при аналогичной схеме движения теплоносителя в приборе.

Из сказанного следует, что при стабильной технологии производства нет необходимости в проведении специальных тепловых испытаний ОПТР. Достаточно использовать соответствующие характеристики из каталога для аналогичного стандартного отопительного прибора.

Гидравлические испытания ОПТР следует проводить отдельно для стандартного отопительного прибора и терморегулятора по стандартизированным методикам, соответственно [2, 3] и [4, 5].

На основе полученных в ходе испытаний или взятых из каталога гидравлических характеристик терморегулятора (K_{v тр}) и отопительного прибора соответствующего типоразмера (K_{v оп}) может быть рассчитана суммарная гидравлическая характеристика ОПТР:

(2)

Характеристики терморегуляторов следует принимать к расчету с учетом специфики каждого из типов конструктивных решений ОПТР.

В наиболее простом случае, когда терморегулятор присоединяется к отопительному прибору напрямую, без дополнительных устройств (рис. 1а), для расчета используют стандартные гидравлические характеристики терморегулятора. В случае присоединения терморегулятора к отопительному прибору с помощью специальной гарнитуры (рис. 1б, в, г) гидравлические испытания терморегулятора проводят в сборе с гарнитурой (K_{v трг}).

Объем испытаний должен быть статистически достаточным для достоверного подтверждения стабильности технологии производства гарнитуры.

Рисунок 3. Принципиальная схема гидравлических испытаний байпаса

Методика проведения тепло-гидравлических испытаний ОПТР с байпасом

Гидравлические испытания ОПТР в данном случае сводятся к гидравлическим испытаниям только байпаса как независимого элемента системы отопления, изготавливаемого на основе стабильной технологии.

Основной характеристикой байпаса является коэффициент затекания как функция суммарной гидравлической характеристики терморегулятора и отопительного прибора:

(3)

где: a – коэффициент затекания;

SКvоптр – суммарная гидравлическая характеристика ОПТР (формула 2).

Зависимость (3) определяется экспериментально на стенде прямых гидравлических испытаний (рис. 3) на основе классических методов гидравлических испытаний. На рис. 4 в качестве примера представлены гидравлические характеристики байпаса с регулируемым и нерегулируемым проходным сечением замыкающего участка.

Как видно из рисунка, при известном значении SКvоптр легко получить характеристику байпаса a, а следовательно, и расходы теплоносителя через терморегулятор и отопительный прибор. Суммарная гидравлическая характеристика ОПТР со встроенным байпасом определяется по формуле:

  (4)

Теплотехнические испытания ОПТР со встроенным байпасом можно не проводить. Достаточно расчетно определить фактический расход теплоносителя через отопительный прибор исходя из полученного значения a и фактический тепловой поток по стандартной формуле (1) для конкретного типа отопительных приборов.

Рисунок 4. (подробнее) Зависимость коэффициента затекания от суммарной пропускной способности отопительного прибора и терморегулятора: 1 – 0,5 оборота шпинделя байпаса от позиции «закрыто»; 2 – то же, 1 оборот; 3 – то же, 2 оборота; 4 – то же, 3 оборота; 5 – то же, 4 оборота

Рассмотренные выше методы и последовательность испытаний ОПТР могут быть представлены в виде принципиальной блок-схемы (рис. 5).

Проведенный анализ дает ответ на вопрос, почему в европейской методике [2] отсутствует специальный раздел, касающийся испытаний ОПТР. При простой гидравлической схеме соединения терморегулятора и отопительного прибора (ОПТР без байпаса) достаточно испытать каждый из них в стандартном исполнении по известным методикам или взять необходимые характеристики из каталогов.

Более сложная гидравлическая схема, характерная для ОПТР со встроенным байпасом, практически не используется в Европе, где распространены в основном 2-трубные системы отопления.

Учитывая широкую практику применения 1-трубных систем в России, а также известные случаи использования смешанных систем отопления в европейских странах (2-трубные вертикальные стояки и 1-трубная поквартирная разводка), включение в Стандарт АВОК раздела, посвященного методам испытания и расчета ОПТР, на наш взгляд, является актуальным.

В завершение хотелось бы отметить, что при проектировании однотрубных систем отопления с ОПТР с байпасом достаточно часто возникает дискуссия о требуемой, желательно более высокой, величине коэффициента затекания с целью снижения сопротивления системы отопления, снижения площади нагрева, а соответственно, стоимости отопительных приборов и пр.

Рисунок 5. (подробнее) Принципиальная блок-схема методики испытаний и расчета характеристик ОПТР - - - - - Используется только при испытании и расчете ОПТР с байпасом

Предлагаются различные, достаточно сложные методы достижения этой цели, такие как разработка терморегулятора со все большей и большей пропускной способностью, переход с Х_р = 2К на 3К и т. д.

На наш взгляд, данная дискуссия не имеет под собой серьезных оснований. Причин утверждать это несколько.

Во-первых, еще в 1993–1994 гг. в работах МНИИТЭП (М. М. Грудзинского) по исследованию однотрубных систем отопления, оснащенных конвекторами с терморегуляторами, были получены оптимальные расчетные значения коэффициента затекания: a = 0,20–0,23. Они определены условиями тепло-гидравлической устойчивости системы отопления при изменении ее характеристик, связанном с работой терморегуляторов. Исходя из указанных значений a, была предложена геометрия байпаса, встроенного в конвектор.

Во-вторых, даже если возникает обоснованная необходимость в изменении коэффициента затекания, то наиболее просто этого можно достигнуть путем изменения диаметра замыкающего участка байпаса или применением Н-образных присоединительных элементов с регулируемым сечением байпаса (рис. 4).

И в-третьих, с учетом сложившейся практики испытаний мы, в принципе, не имеем в настоящее время в сопроводительной документации к ОПТР объективных данных по коэффициентам затекания, т. е. отсутствует фактическая база для дискуссии.

Наилучшим вариантом, снимающим большое количество проблем, является переход на проектирование более эффективных 2-трубных систем отопления. Однако для этого проектировщикам необходимо сделать самое сложное – отказаться от наработанных схем и стереотипов.

Выводы

1. Применяемые методы испытаний ОПТР имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих с достаточной степенью достоверности получать их фактические тепло-гидравлические характеристики.

2. Предложенные в данной статье методы испытаний и расчета ОПТР позволяют:

• получать тепло-гидравлические характеристики на базе стандартизированных методик, используемых, в том числе, и для сертификационных испытаний отопительных приборов и оценки стабильности технологии их производства;

• существенно снизить затраты производителей на испытания ОПТР, поскольку предполагается использование уже существующих стандартных характеристик отопительных приборов, терморегуляторов и байпаса.

3. Для обеспечения точности и повторяемости характеристик байпаса его следует изготавливать в заводских условиях на основе стабильной технологии.

Литература

1. Стандарт АВОК. Приборы отопительные. Часть 1. Общие технические условия. М.: НП «АВОК», 2005.

2. Европейский стандарт – ЕН 442. Нагревательные приборы без встроенного источника тепла. СЕН, 1987.

3. Методика определения номинального теплового потока отопительных приборов при теплоносителе воде. М.: НИИсантехники, 1984.

4. Европейский стандарт – ЕН 215. Радиаторные термостаты. СЕН, 1987.

5. ГОСТ 30815-2002. Терморегуляторы автоматические отопительных приборов систем водяного отопления зданий. Общие технические условия. М., 2002.