Анализ режимов работы системы отопления с элеваторным смешением

В. А. Петрущенков

АНАЛИЗ 

РЕЖИМОВ РАБОТЫ 

СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 

С ЭЛЕВАТОРНЫМ 

СМЕШЕНИЕМ

СТРАТА

Санкт-Петербург

2016

Учебное пособие для вузов по направлению 
"Теплоэнергетика и теплотехника»

В. А. Петрущенков

АНАЛИЗ 

РЕЖИМОВ РАБОТЫ 

СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 

С ЭЛЕВАТОРНЫМ 

СМЕШЕНИЕМ

СТРАТА

Санкт-Петербург

2016

Учебное пособие для вузов 

Валерий Петрущенков. Анализ режимов работы системы отопления с 
элеваторным смешением: учебное пособие / Петрущенков В. А. — СПб.: 
ООО «Страта», 2016. — 64 с.

ISBN 978-5-906150-75-2

В учебном пособии детально изучено поведение системы отопления с 
элеваторным смешением на нерасчетных режимах работы. Определена точность 
вычислений, вы-полняемых с помощью рекомендованных к применению расчетных 
соотношений для элеваторных узлов при расположении выходного сечения сопла 
элеватора на входе в цилиндрическую камеру смешения и на расстоянии от нее.

Исследование работы системы отопления проведено для различных проектных 

температурных графиков регулирования тепловых сетей, применяемых на практике. 

Рассмотрено поведение системы отопления при изменении величины сопротив
ления регулировочной арматуры, расположенной на линии смешения, до и после системы отопления, перед элеваторным узлом в подающей линии. В зависимости от сопротивления соответствующего регулирующего органа определены коэффициент 
смешения, температуры теплоносителя на входе и на выходе из системы отопления, 
расходы сетевой воды и циркуляционного потока, тепловой мощности системы отопления, средней температуры помещений.

Исследовано влияние циркуляционного гравитационного напора на работу систе
мы отопления при низких располагаемых напорах перед элеваторным узлом. Приводится оценка параметров системы отопления при существенном снижении температуры прямой сетевой воды.

В результате выполненного исследования показано, что поведение системы ото
пления с элеваторным смешением при изменении сопротивления регулирующей арматуры и приборов отопления является достаточно консервативным. Сопротивление 
арматуры существенно влияет на величину коэффициента смешения, но эта зависимость значительно слабее для тепловой мощности системы отопления, средней температуры воздуха в помещениях, температур и расходов теплоносителей.

УДК 536
ББК 31.3
П 31

УДК 536
ББК 31.3

ISBN 978-5-906150-75-2

© Петрущенков В. А., текст, 2016
© ООО «Страта», 2016

П 31  

Оглавление 

Перечень условных обозначений и сокращений……………………
Введение……………………………………………………………...

4 
7 

1. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ЭЛЕВАТОРНЫХ УЗЛОВ……………………………………...…………… 
9 

2. ВЫВОД И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ
ЭЛЕВАТОРНОГО УЗЛА ПРИ РАСПОЛОЖЕНИИ СОПЛА          
У ВХОДА В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ…………………………………………
12

3. ВЫВОД И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ
ЭЛЕВАТОРНОГО УЗЛА ПРИ РАСПОЛОЖЕНИИ СОПЛА НА 
РАССТОЯНИИ ОТ ВХОДА В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ……………
25 

4. ВЛИЯНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ
АРМАТУРЫ НА РАБОТУ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ................... 
28 

5. РАБОТА СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ
ДЕЙСТВИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ГРАВИТАЦИОННОГО 
НАПОРА…………………………………………………………………………...
52

6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЯМОЙ СЕТЕВОЙ ВОДЫ
НА РАБОТУ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ……………………….……… 
60 

Выводы….…………………………………………………………….
Библиография…...……………………………………………………

61 
63 

Перечень условных обозначений и сокращений 

 

Условные обозначения 

 
p0, pн, pк, p3, pc — давление активного потока перед соплом, под
мешиваемого потока на входе в приемную камеру, цилиндрическую 
камеру смешения и на выходе из нее, на выходе из диффузора;  

h2=pc−pн — перепад давлений, создаваемый элеватором для 

подмешиваемого потока; 

hк=pн−pк — потери давления подмешиваемого потока на участке 

между входом в приемную камеру и цилиндрическую камеру смешения;  

h0=p0−pн, — перепад давлений по сетевой воде на элеваторном 

узле; 

hЕ — гравитационный циркуляционный напор в контуре систе
мы отопления; 

ρ — плотность воды; 
fр, fн, f3 — площади выходного сечения сопла, подмешиваемого 

потока на входе в цилиндрическую камеру смешения, камеры смешения (f3=fн+fр);  

fр1, fр2, fн2 — площади сечения струи, истекающей из сопла, на сре
зе сопла, на входе в камеру смешения и площадь сечения подмешиваемой струи на входе в камеру смешения; 

n = f3 f3 − fр1⁄
 — параметр; 

m — параметр процесса теплоотдачи приборов отопления; 
dр, d3 — диаметр выходного сечения сопла, камеры смешения; 
ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 — коэффициенты скорости процессов течения в 

сопле, цилиндрической камере смешения, диффузоре, приемной камере;  

G0, Gн — массовые расходы активного и подмешиваемого пото
ков;  

G1 — расход проточного потока через систему отопления при об
ращении течения в линии подмешивания; 

u=Gн/G0 — коэффициент смешения;  
G00 – расход через сопло при пренебрежимо малом сопротивле
нии вентиля В;  

w2, w3, w5 — скорости активного потока на выходе из сопла, сме
си на выходе из цилиндрической камеры смешения, подмешиваемого 
потока на входе в камеру смешения; 

А, В, С, ψ — вспомогательные алгебраические функции; 

SA, SB, SC, SD, Sот, SSOT — гидравлические сопротивления регулиру
ющей арматуры на входе в сопло, на линии подмешивания, на подающей линии системы отопления, на обратной линии системы отопления, системы отопления, состоящей из трубопроводов и приборов 
отопления, системы отопления с регулирующими вентилями C и D;  

hA, hB, hC, hD, hот, hSOT — соответствующие указанным сопротивле
ниям потери напора (в формулах измеряются в Па, в численных примерах в м в. ст.); 

tв.р, tв — температура воздуха в отапливаемых помещениях в рас
четных и нерасчетных условиях; 

τ01 — температура сетевой воды в подающей линии;  
τр

′ , τр

′′, τ′ , τ′′ — температура воды на выходе из элеваторного узла 

и на выходе из системы отопления в расчетных и нерасчетных условиях; 

tн.о — расчетная температура наружного воздуха; 
Q, Qр — тепловая мощность системы отопления в расчетных и 

нерасчетных условиях. 

 

Индексы  

 

opt — оптимальный режим; 
р1 — сечение активного потока на срезе сопла; 
р2 — сечение активного потока на входе в камеру смешения; 
min — режим минимального расхода в системе отопления; 
кр — критический режим;  
р — расчетный параметр; 
SOT — параметр контура системы отопления. 
 

Перечень сокращений 

 
ЦКС — цилиндрическая камера смешения. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

 

Элеваторные узлы до сих пор имеют широкое распространение   
в системах отопления и еще долгое время будут применяться, несмотря на наметившуюся тенденцию перехода к независимым схемам присоединения систем отопления. Действующие в настоящее 
время строительные нормы и правила обязывают производить присоединение систем отопления зданий с количеством этажей до 12 к 
двухтрубной водяной тепловой сети по зависимой схеме присоединения. В нашей стране системы теплоснабжения спроектированы 
исходя из работы по температурным графикам 180/70°С, 150/70°С, 
130/70°С, 120/70°С, 110/70°С. В связи с этим требуется смешение потоков сетевой воды из подающей и обратной линий для обеспечения 
температурного графика системы отопления большинства зданий 
95/70°С. Соответствующие коэффициенты смешения равны u=3,4; 
2,2; 1,4; 1,0; 0,6. 

Процесс смешения потоков с обеспечением необходимой температуры обычно производится в элеваторном узле. Элеваторный узел 
является также струйным насосом, создающим напор величиной        
10–20 кПа для преодоления потерь давления на трение в контурах 
систем отопления, содержащих трубопроводы и приборы отопления 
с приборными узлами регулирования. Элеваторный узел, как правило, не имеет подвижных частей, не требует для своей работы электроэнергии и работает практически бесшумно. Эти качества обусловили его чрезвычайно широкое распространение. Однако для нормальной работы элеваторного узла необходим располагаемый напор 
в тепловой сети не менее 100–150 кПа. Нередко для периферийных 
абонентов это условие не выполняется. Располагаемые напоры в 
тепловой сети могут снижаться до величины 30–50 кПа, что приводит к значительному падению циркуляционного расхода в системах 
отопления, уменьшению их реальной тепловой мощности и, как 
следствие, к снижению температуры воздуха в отапливаемых помещениях. В этом случае возникает значительная неравномерность 
температуры теплоносителя по высоте стояков, начинает проявлять 
себя действие гравитационного циркуляционного напора на расход 
теплоносителя в контуре системы отопления. 

Несмотря на простое устройство элеваторного узла существуют 
различные расчетные соотношения, описывающие режимы его работы. Рекомендуемый в справочной и учебной литературе к примене

нию расчетный аппарат разработан сотрудниками ВТИ в 40-е…60-е 
годы на основе ряда упрощающих допущений и использовании экспериментальных исследований [5–9].  

Задачей настоящей работы является анализ известных расчетных соотношений с целью определения пределов их применимости. 
Кроме того, приводится параметрическое исследование режимов работы системы отопления с элеваторным смешением при отклонении 
отдельных характеристик от расчетного значения.  

Все вычисления выполнены для расчетных условий по температуре наружного воздуха на основе совместного решения системы 
уравнений сохранения для всех потоков, а также режимных характеристик всех звеньев контура системы теплоснабжения.   

В литературе отсутствуют ответы на ряд вопросов, касающихся 
количественной оценки роли сопротивления арматуры индивидуального теплового пункта с элеваторным смешением в формировании режима работы контура системы отопления. В связи с этим рассматривается влияние гидравлического сопротивления регулировочной арматуры, расположенной в разных местах схемы, и других 
факторов на величину коэффициента смешения и режимные характеристики системы отопления: тепловую мощность системы отопления, среднюю температуру воздуха в помещениях, расходы сетевой 
воды и воды в контуре циркуляции, температуру воды после элеваторного узла и на выходе из системы отопления. Представляет интерес определение влияния гравитационного циркуляционного напора 
на режим работы системы отопления при низких располагаемых 
напорах в тепловой сети или перед элеваторным узлом. 

На основе проведенного анализа для практически важных диапазонов температур сетевой воды показано, что несмотря на сильное 
влияние величины гидравлических сопротивлений регулирующей 
арматуры на величину коэффициента смешения тепловая мощность 
системы отопления и средняя температура воздуха в помещениях 
изменяются не слишком значительно. Столь консервативное поведение системы отопления с элеваторным смешением при разной степени завершенности пусконаладочных работ способствует решению 
главной задачи — поддержанию средней температуры помещений на 
заданном уровне с большей или меньшей точностью. Завышенные 
сопротивления регулировочной арматуры при верхней разводке 
теплоносителя, как правило, приводят к перетопу помещений в 
верхней части здания и к слабому изменению расчетной температуры на выходе из системы отопления.  

1. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕВАТОРНЫХ 

УЗЛОВ 

 

Принцип эжекции — вовлечения пассивного потока в движение с 
помощью активного потока — был известен уже в XVI веке и впервые 
применен в технике в начале XIX века для усиления тяги в дымовой 
трубе паровоза. Водоструйный насос впервые был применен в 1852 г. 
Джеймсом Томпсоном. Первое время он использовался в лабораторных работах для отсасывания воды или воздуха. В 1866 г. его применил Нагель в промышленности для откачки воды из шахты. В дальнейшем аналогичные устройства начали применять для транспортировки шихты и грунта наверх из шахт, водоотлива и осушения болот, 
при строительстве каналов, мостов, колодцев, для центрального 
отопления, золошлакоудаления на станциях и во многих других отраслях техники. В связи с подъемом пассивного агента наверх с помощью струи воды новое устройство получило название гидроэлеватора (elevator — подъемник). В России гидроэлеватор впервые был 
использован в 1875 г. при строительстве Литейного моста в Петербурге для транспортирования разрабатываемого грунта из кессонов, 
в горнодобывающей промышленности — в 1886 г. при разработке 
золотосодержащих пород.  

Для работы системы отопления элеваторный узел в современном виде был предложен проф. В. П. Чаплиным в 1931 году. В начале 
30-х годов в Москве действовало всего несколько десятков элеваторных узлов, причем большинство из них работало неудовлетворительно. Несмотря на продолжительное время использования принципа эжекции в технике, инженерная теория, позволяющая производить расчеты, необходимые для проектирования соответствующих 
систем, в окончательном виде появилась лишь к середине XX века.  

Рассмотрим кратко основные результаты, полученные различными авторами для расчета гидроэлеваторов и элеваторов, работающих в системе отопления. Получение расчетных соотношений, как и 
следовало ожидать, связано с использованием одномерных моделей 
для каждого из потоков и применением к ним законов сохранения 
массы, количества движения и энергии. Существует также второе 
направление изучения процессов смешения потоков, основанное на 
законах растекания струи, истекающей из насадка, в массе неподвижной жидкости. В настоящем исследовании основное внимание 
уделяется первому методу. 

Ряд авторов получил расчетные соотношения на основе теории 
смешения двух потоков.  

Впервые теоретическое описание работы гидроэлеватора было 

дано Г. Цейнером в 1863 г. [1]. Автор различает два вида смешения 
потоков: а) оси смешиваемых потоков совпадают (ψ=1); б) оси взаимно перпендикулярны (ψ=0).  

При смешении двух потоков, занимающих до смешения сечения 
площадью F0 и F1 и имеющих начальные скорости v0 и v1, после смешения — площадь F2, конечную скорость v2, происходит повышение 
давления, равное 

p2 − p0 = 1
g F0
F2

v0
2 + ψ F1
F2

v1
2 − v2
2. 

Потери механической энергии на удар при смешении потоков с 
расходами G0 и G1 определяются аналогом формулы Карно-Борда  

Eп = G0
(v0 − v2)2

2
+ G1
(v1 − v2)2

2
+ ψG1v1v2. 

Л. Бержерон [1] получил уравнение для минимальных дополнительных потерь, которые имеют место при следующей связи скоростей и расходов u=G1/G0 

v2 = v0 + ψuv1
1 + u
. 

Один из первых исследователей гидроэлеваторов И. А. Тиме [2] 
обнаружил отклонение реальной скорости после смешения от приведенной выше зависимости для v2. Несоответствие он объяснил действием внутреннего трения в потоках воды. В монографии                      
Б. Э. Фридмана приводится степень несоответствия, равная 0,545–0,9, 
при среднем значении 0,75.  

Одним из первых опубликовал ряд работ по расчетам элеваторных узлов инженер Лаборатории теплофикации и паровых турбин 
Всесоюзного 
теплотехнического 
института 
им. 
Дзержинского                  
Л. Д. Берман [3, 4]. Полные потери механической энергии при смешении складываются из приведенных выше потерь на удар в камере 
смешения, а также дополнительных потерь энергии в конфузоре — 
входном участке и диффузоре в виде  

Eп.п. = G0{v0
2 + uv1
2 − 2v2(v0 + ψuv1) + v2
2[1 + u + (1 + ζ − ρ)(1 + u)]}
2g
,