Изучению систем с импульсным течением теплоносителя в последнее время уделяется пристальное внимание исследователей. Это связано с тепловыми и гидравлическими эффектами, которых можно достигнуть в результате перехода на данный режим течения теплоносителя. Одним из вариантов создания импульсного режима течения является использование гидротаранной установки [1–3]. За счет импульсного режима течения можно интенсифицировать теплоотдачу [1, 3]. Необходимо разделять импульсный и пульсирующий режимы [4, 5], так как первый характеризуется резким (почти мгновенным) изменением скорости и давления теплоносителя, а для пульсирующего режима характерно плавное изменение параметров. В [3, 5] установлено, что интенсифицировать теплоотдачу за счет пульсаций расхода имеет смысл только в режиме ламинарного течения, при турбулентном течении увеличение теплоотдачи незначительно и гидравлические потери энергии становятся больше величины повышения тепловой мощности теплообменника. Переход к импульсному режиму течения в работе [1] позволяет интенсифицировать теплоотдачу в пластинчатом теплообменнике в номинальном диапазоне расходов для испытуемого теплообменника, при этом в работе не указано значение повышения гидравлического сопротивления системы.
Применение импульсного режима течения теплоносителя в схемах индивидуальных тепловых пунктов [1] (ИТП) позволяет использовать избыточный располагаемый напор тепловой сети, который зачастую срезается на дроссельных шайбах, а также соплах элеваторных узлов смешения. В некоторых работах предлагается полная замена элеваторного узла на гидравлическую таранную установку. При этом используются расчетные зависимости из [2], которые представлены для гидравлического тарана. Возможность использования методики [2] для расчета гидравлической таранной установки в ИТП практически не подтверждена. В работе [6] предлагается использовать данную систему для снижения потребления энергии при перекачке молока, что также подтверждает возможности практического использования импульсного течения теплоносителя. Прототипом систем с импульсным режимом течения является гидравлический таран – устройство, предназначенное для подъёма (при свободном сливе) воды выше уровня сливного резервуара за счет резкого периодического торможения потока, основными элементами которого являются преобразователь потока (ударный клапан) и воздушный колпак (гидроаккумулятор). Преобразователь потока конструктивно представляет собой клапан, основной задачей которого является (резкое) периодическое перекрытие потока жидкости. В конструкции гидравлического тарана преобразователь потока используется без привода. Его закрытие осуществляется за счет гидродинамических сил, действующих на клапан со стороны жидкости, а открытие за счет веса клапана во время обратной волны гидроудара [7, 8]. Конструкция преобразователя потока без привода может работать только при постоянном расходе. Использование данной конструкции в системах с переменным расходом затруднительно. Поэтому в закрытых системах, которыми являются системы отопления и горячего водоснабжения, рекомендуется использование преобразователя потока с приводом. Основным условием является то, что время закрытия преобразователя потока должно быть меньше (либо соизмеримо) со временем прохода волны повышения давления в трубопроводе перед преобразователем в прямом и обратном направлениях. Одним из вопросов, решаемых в данной статье, является возможность использования гидравлической таранной установки вместо элеваторного узла смешения в централизованных системах отопления.
Для расчета конструктивных параметров гидравлического тарана (длин и диаметров трубопроводов, объема воздушного колпака), а также расхода жидкости, сброшенной гидравлическим тараном, используются расчетные формулы, представленные в [2]. Зачастую данная методика используется и для расчета импульсных систем. В связи с этим необходимо проведение испытаний для определения производительности (объема воды, подаваемой под большим давлением, чем давление в трубопроводе) гидравлической таранной установки в закрытой гидравлической системе.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – циркуляционный насос; 2 – гидроаккумулятор; 3 – ударный клапан; 4, 9 – регулирующие вентили; 5 – обратный клапан; 6 – гибкий рукав; 7 – электронные весы; 8 – гидроаккумулятор с датчиками давления
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Данная схема имитирует протяженную тепловую сеть с сетевым насосом 1, к которой подключены ИТП потребителей посредством вводных задвижек 4. Работа схемы осуществляется следующим образом.
Циркуляция теплоносителя в системе осуществляется при помощи насоса (К45/30) 1 с частотным приводом, при этом часть расхода теплоносителя направляется через байпасный вентиль 9, что обеспечивает более медленный рост давления в напорном трубопроводе насоса во время закрытия ударного клапана 3. Регулирование расхода теплоносителя через ударный клапан 3 осуществлялось при помощи вентиля 4. Гидроаккумулятор 8 подключен к трубопроводу через обратный клапан 5 посредством гибкого резинового рукава 6 (внутренний диаметр 20 мм, длина 1,2 м). В работе использовался ударный клапан с приводом. Использование конструкции генератора пульсаций на основе ударных клапанов с приводом дает явные преимущества по сравнению с теми конструкциями, где закрытие клапанов осуществляется за счет сил, действующих со стороны потока жидкости на клапан. На основании показаний расходомера выставлялся необходимый расход через ударный клапан 3.
Первоначально плавно закрывали ударный клапан 3, в результате изменения гидравлической характеристики сети давление в напорном трубопроводе повышалось, и в гидроаккумулятор 8 закачивалась жидкость до тех пор, пока давление в гидроаккумуляторе 8 не выравнивалось с давлением в напорном трубопроводе. О чем свидетельствует установившееся показание весов 7. Данная процедура необходима, чтобы убедиться, что закачивание воды в гидроаккумулятор осуществляется только за счет гидроудара, возникающего при резком закрытии ударного клапана 3. После этого ударный клапан 3 открывался, и, как только расход в системе устанавливался, резко закрывали ударный клапан. В результате резкого торможения потока жидкости возникает скачок давления. Под действием данного повышения давления часть жидкости выдавливается через обратный клапан 5 в гидроаккумулятор 8. В результате с каждым закрытием ударного клапана 3 происходит закачивание жидкости в гидроаккумулятор 8 и вес его увеличивается. Вес гидроаккумулятора 8 с водой первоначально регистрировался после каждого закрытия ударного клапана. Но ввиду того, что повышение веса гидроаккумулятора было соизмеримо с погрешностью весов, было принято решение снимать показания весов после серии гидроударов (рис. 2) и усреднять их внутри данной серии.
Рис. 2. Изменение давления в гидроаккумуляторе (1) и напорном трубопроводе (2) во время эксперимента (расход 2 м3/ч)
Данный метод косвенного измерения в дальнейшем не использовался, так как погрешность измерения была соизмерима с величиной полезного сигнала, что, возможно, связано с упругостью резиновой груши внутри гидроаккумулятора и теплообменом с поверхностью гидроаккумулятора. В дальнейшем использовался метод непосредственного измерения веса гидроаккумулятора. Объем гидроаккумулятора составлял 20 л. Давление измерялось в трубопроводе перед ударным клапаном и непосредственно перед входом в гидроаккумулятор после обратного клапана. Трубопровод от коллектора до ударного узла выполнен из труб PPR 25, армированных стекловолокном, длина трубопровода 8,97 м, длина труб после ударного клапана 1,72 м. Была проведена серия экспериментов по определению веса жидкости, выдавливаемой через обратный клапан 5 в гидроаккумулятор 8 за один гидроудар, при различном соотношении давлений жидкости в гидроаккумуляторе и в напорном трубопроводе. На основании экспериментальных данных построены графики (рис. 3) зависимости массы воды, нагнетаемой в гидроаккумулятор 8, от отношения давлений в трубопроводе и гидроаккумуляторе для различных величин установившегося расхода при открытом ударном клапане. В экспериментах частота закрытия ударного клапана составляла ≈1 (0,96÷1,13) Гц, поэтому, исходя из графика (рис. 3), несложно определить расход воды, нагнетаемой через обратный клапан при необходимом давлении нагнетания. Из представленных графиков видно, что при достижении определенного значения соотношения давлений (для фиксированного расхода), масса воды, нагнетаемой в гидроаккумулятор за один гидроудар, практически не изменяется.
Рис. 3. Зависимости веса жидкости, выдавливаемой через обратный клапан за один гидравлический удар, от отношения давлений в гидроаккумуляторе и трубопроводе перед ударным клапаном
¦ – 1, 015 м3/ч, ¦ – 1,497 м3/ч, ^ – 2,003 м3/ч, × – 2,495 м3/ч
Персонально в исследованиях использовался армированный водопроводный рукав с гайками. В дальнейшем он был заменен на более упругий рукав большего диаметра. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что с заменой рукава производительность тарана увеличилась, что, скорее всего, связано с гидравлическим и инерционным сопротивлением рукава. Поэтому в фактической конструкции гидравлического тарана, когда гидроаккумулятор установлен непосредственно на трубопроводе, фактическая его производительность будет еще больше.
Произведем расчет объема воды, подаваемой в гидроаккумулятор, во время периода нагнетания для нескольких точек графика (рис. 3) в соответствии с методикой, представленной в [2]. Объем воды, нагнетаемой в гидроаккумулятор, м3:
, (*)
где ω – площадь поперечного сечения трубопровода, м2, l – длина питательного трубопровода, м, u – волновое изменение скорости, м/с, υс – установившаяся скорость течения воды, м/с, k – коэффициент разгона, а – скорость распространения волны гидроудара, м/с.
Расчетная скорость распространения волн гидроудара 400 м/с. Данная величина получена по формуле Н.Е. Жуковского при условии, что объемный модуль упругости воды К = 19,6·108 Па, модуль упругости материала стенок трубопровода (полипропилен) Е = 8,5·108 Па. Волновое изменение скорости рассчитывается по выражению 
. Значение динамического нагнетательного напора hд определяется на основании экспериментальных данных, величины установившегося расхода, давлений в подающем и обратном коллекторах, а также давления в гидроаккумуляторе. Величина коэффициента разгона считается равной единице в связи с тем, что ударный клапан закрывался после того, как расход в системе достигал установившегося значения. Величина установившейся скорости определяется исходя из величины установившегося расхода. Толщина стенки трубопровода 3,5 мм. Результаты расчета объема воды, нагнетаемой в гидроаккумулятор, при установившемся расходе 2 м3/ч представлены в виде графика (рис. 4).
Рис. 4. Зависимости веса жидкости, выдавливаемой через обратный клапан за один гидравлический удар при расходе 2 м3/ч
× – расчетные данные, + – экспериментальные данные
Для сопоставления экспериментальных и расчетных данных зависимостей объема воды, нагнетаемой в гидроаккумулятор за один гидроудар, от отношения давлений в гидроаккумуляторе и трубопроводе перед ударным клапаном, построены графики, которые представлены на рис. 4.
Из данных графиков следует, что при соотношении давлений в трубопроводе перед ударным клапаном к давлению воды в гидроаккумуляторе менее 1,5 формула (*) дает значительную погрешность. В [2] рекомендуемое соотношение давлений более 2 для надежной бесперебойной работы гидравлического тарана. Пользоваться методикой [2] при соотношении давлений менее 1,5 не рекомендуется, но работоспособность ее сохраняется при использовании преобразователя потока с приводом.
Выводы
Использование гидравлического тарана в ИТП возможно, но рекомендуется установка преобразователя потока с приводом. Производительность гидравлического тарана (количество жидкости, подаваемой в гидроаккумулятор при постоянном давлении в нем) в закрытой системе и фиксированной длине трубы зависит от расхода (скорости) жидкости и соотношения давлений в гидроаккумуляторе и трубопроводе. Имеется предел целесообразного повышения давления нагнетания (при дальнейшем повышении давления производительность меняется незначительно). Возможно использование гидравлического тарана в ИТП в качестве повысительного насоса. Использование одноконтурного гидравлического тарана вместо элеваторного узла в ИТП невозможно в связи с низким коэффициентом смешения. Пользоваться методикой расчета тарана, представленной в [2], без поправок рекомендуется при соотношении давлений нагнетания к давлению в питательной трубе более 1,5.
Допущения, принятые в работе:
1. Объем гидроаккумулятора считается настолько большим, что объем воды, нагнетаемый в него за один гидроудар, вызывает настолько малое повышение давления, что им можно пренебречь.
2. Гидравлическое сопротивление гибкого соединения (рукава) от обратного клапана до гидроаккумулятора настолько мало, что им можно пренебречь.