Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 3 страница

Однотрубные (особенно гравитационные) системы способны к само­регулированию: если в отопительных приборах этих систем вода сильнее охлаждается, то интенсифицируется циркуляция.

 

 

Рис. 29. Расчетная схема двухтрубной отопительной системы

Оптимальными считают такие режимы работы систем, при которых обеспечивается расчетная теплоотдача приборов в случае расчетных значений наружных температур, а в остальных случаях ей пропорцио­нальная. При этом стремятся к тому, чтобы гидравлическое сопротивление системы было по возможности наименьшим. В целях экономии теплоты используют автоматическое регулирование температуры горячей воды, диспетчеризацию систем, комнатные терморегуляторы, пофасадное регулирование.

Расчет отопительных систем состоит в том, чтобы определить ко­личество воды, проходящей через каждый прибор, и изменение темпе­ратуры по мере прохождения теплоносителя через каждый элемент системы. Первый этап - это гидравлический расчет системы, второй - тепловой.

Перед гидравлическим расчетом определяют тип и расставляют на­гревательные приборы. Возможны два варианта расчета систем: первый – когда во всех отопительных стояках имеет место один и тот же перепад температуры (25 °С), второму варианту соответствуют различные (переменные) перепады температуры воды в стояках.

Для первого варианта характерен такой порядок расчета:

- определение тепловой нагрузки на каждый стояк путем суммирования расчетной теплопроизводительности всех отопительных приборов, присоединяемых к стояку;

- расчет количества воды, проходящей через каждый стояк, по формуле:

, (19)

где К - коэффициент, учитывающий потери теплоты в трубопроводах;

- тепловая нагрузка стояка;

- теплоемкость воды;

- разность температуры воды на входе и выходе из стояка (принимается в данном случае постоянной и равной 25 °С).

- определение диаметров трубопроводов, т.е. гидравлический расчет системы, заключающийся в том, чтобы в каждый стояк подать расчетное количество воды;

- определение площади нагревательных приборов с учетом способа их установки, присоединения к стояку и количества воды, проходящей через каждый прибор.

При гидравлическом расчете тупиковых систем отопления потери давления в каждом кольце циркуляции при расчетном режиме должны быть одинаковыми. На рис. 30 изображена расчетная схема такой системы с двумя кольцами циркуляции. На каждом участке имеет место потеря давления . Требование равенства потерь давления в каждом кольце циркуляции означает, что

Следовательно, ; >

и <

 

Рис. 30. Расчетная схема тупиковой отопительной системы

 

Потери давления в трубопроводах систем складываются из линейных потерь на трение и потерь на преодоление местных сопротивлений, т. е

.

Линейные потери вычисляют по известной формуле Дарси:

 

, (20)

где - коэффициент трения;

d -диаметр трубопровода;

- скорость движения воды в трубопроводах;

- плотность воды;

l - длина участка трубопровода.

Местные сопротивления связаны с потерями при прохождении арматуры, поворотов, со слиянием и разделением потоков. Определяют их по формуле

, (21)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке.

Окончательно

.

Определение площади нагревательных приборов производят по зависимостям, приводившимися ранее.

При расчете систем отопления с переменными перепадами температуры стремятся к тому, чтобы иметь все стояки одного диаметра. Такое стремление объясняется тем. что единый диаметр стояка позволяет унифицировать элементы отопительных систем и тем самым обеспечить их изготовление в заводских условиях применительно к тому или иному типу здания.

В этом случае порядок расчета системы изменяется по сравнению с рассмотренным выше: сначала производится гидравлический расчет системы, в результате которого определяется количество воды, зате­кающей в каждый стояк, затем по известной тепловой нагрузке на сто­як и количеству воды находится температурный перепад. В конце расчета подбирается площадь нагревательных приборов. Такой расчет трудо­емок и требует определенного навыка.

В последнее время для расчета систем отопления все шире исполь зуется вычислительная техника.

Расчетным путем определяется емкость расширительного бака:

. (22)

При 25 °С оказывается, что на каждые 1,16 кВт мощности системы (1000 ккал/ч) объем воды в отдельных элементах системы в литрах равен:

- радиаторы - 12;

- конвекторы - 0,8-1,2;

- ребристые трубы - 6,5;

- чугунные котлы - 3;

- трубопроводы гравитационных систем - 16;

- трубопроводы насосных систем - 8.

Тогда

.

 

Циркуляционные насосы систем водяного отопления подбирают по характеристикам, которые приводятся в справочной литературе по данным заводов-изготовителей. Характеристикой насоса называют гра­фическую зависимость давления, развиваемого насосом, от его про­изводительности. В этих же координатах строится и характеристика сети. Ее построение производят по данным гидравлического расчета. Если характеристика насоса представляет собой пологопадающую кри­вую, то характеристика сети имеет вид параболы второго порядка, проходящей через начало координат (рис. 31). Режим работы насоса оценивают наложением ха­рактеристик сети и на­соса друг на друга. Из рис. 31 хорошо видно, что этот режим в силь­ной степени определя­ется числом оборотов рабочего колеса насоса.

Рис. 31. Характеристики отопительной сети и циркуляционного насоса

Электродвигатель к насосу выбирают в за­висимости от требуемой мощности, которую находят по формуле:

, (23)

 

где - количество воды, циркулирующей в системе;

- давление, создаваемое насосом;

- коэффициент запаса;

- коэффициенты полезного действия насоса и передачи.

Остальные элементы отопительных систем принимаются конструк­тивно.

Паровые системы отопления.

При использовании пара в качестве теплоносителя приходится иметь дело:

- с влажным насыщенным паром, который получается при наличии кон­такта с зеркалом воды;

- с сухим насыщенным паром;

- с перегретым паром.

В небольших системах используется только насыщенный пар (су­хой или влажный). Перегретый пар используют только в крупных системах для наружных паропроводов с целью исключить появление так на­зываемого попутного конденсата.

Насыщенный пар имеет ту же температуру и давление, что и вода, из которой он получен.

Количество теплоты, которая передается паром нагревательному прибору, может быть определено по формуле

, (24)

где - скрытая теплота парообразования (около 530 ккал)кг

или 2300 кДж/кг/;

- теплоемкость воды;

- соответственно температура насыщенного пара и конденсата;

- количество пара, подаваемого в прибор.

Для расчета поверхности нагревательных приборов и их подбора используются те же формулы, что и для систем водяного отопления, но средняя температура прибора здесь намного выше и принимается:

- при < 0,2 ати = 100 °С

- при > 0,2 ати (по таблицам).

В жилых зданиях системы парового отопления не предусматривают­ся. Их проектируют в административных зданиях, бытовых помещениях, зрелищных сооружениях, коммунальных зданиях - при ≤ 0,7 ати (сис­темы низкого давления); в производственных зданиях - при > 0,7 ати (системы высокого давления).

Системы парового отопления делят на замкнутые и разомкнутые.

При этом замкнутые системы могут быть с так называемыми сухим и мок­рым конденсатопроводами. На рис. 32 изображена система с сухим конденсатопроводом. В ней конденсатопровод 6 работает неполным сечени­ем. Для этого точка n должна быть поднята над уровнем II-II на, как минимум, 200 мм. Это дает возможность удалять воздух из системы.

 

Рис. 32. Замкнутая система парового отопления:

1 – котел; 2 – предохранительное гидравлическое устройство; 3 – паропровод; 4 – нагревательный прибор; 5 – стояк; 6 – конденсатопровод

 

 

 

Рис. 33. Разомкнутая система парового отопления:

1– котел; 2 – гидравлический затвор; 3 – паропровод; 4 – нагревательный прибор; 5– конденсатопровод; 6 – кондесационный бак; 7 – насос; 8 – напорный конденсатопровод

 

Уровень 11-11 определяют по давлению пара в котле.

Уклоны паро- и конденсатопроводов должны быть не менее 0,005 в сторону движения пара и конденсата.

Схема разомкнутой системы изображена на рис. 33. Здесь нет не­обходимости прокладывать конденсатопровод выше уровня давления па­ра в котле, так как он поступает в котел принудительно.

Расчет паровых систем начинается с выбора даления пара в кот­ле. Оно зависит от радиуса, действия системы и может быть принято по таблице 1.

Т а б л и ц а 1

 

R	50 м	100 м	200 м	300 м	500 м
P, ати	0,05	0,1	0,15-0,2	0,2-0,3	0,5

 

Методика гидравлического расчета паровых систем аналогична методке расчета систем водяного отопления с той лишь разницей, что в данном случае жестко фиксируется доля местных сопротивлений в об­щей величине давления. Принято считать, что 35 % давления пара рас­ходуется на их преодоление.

Конденсатопроводы рассчитывают точно так же, как и трубопрово­ды водяных систем отопления. Сам расчет проще, так как в этом слу­чае не надо увязывать кольца циркуляции.

Объем конденсационного бака в разомкнутых системах рассчитыва­ют на сбор конденсата в течение 1-2 часов. Отсюда

. (25)

Производительность насоса для перекачки конденсата определяют по формуле:

. (26)

Расчетное давление насоса составляет:

 

 

,

где - расстояние от дна бака до уровня воды в котле

Для предотвращения вскипания конденсата насосы устанавливают "под залив", то есть ниже уровня воды в баке.

Системы парового отопления высокого давления устраивают толь­ко разомкнутыми. Перед подачей пара к нагревательным приборам он редуцируется в специальных устройствах - редукторах. Под редуциро­ванием понимается понижение давления пара.

2.4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ

Отопление зданий повышенной этажности.

В зданиях повышенной этажности уже при определении теплопотерь необходимо очень тщательно учитывать количество инфильтрующего воз­духа. В них, как правило, нижние этажи находятся в худшем положении, так как холодный воздух с улицы поступает в нижнюю часть здания, - что приводит к её переохлаждению. В верхних этажах в формировании теплового режима помещений более существенную.роль, чем обычно, играет ветровой напор.

К мерам по уменьшению количества инфильрующего воздуха можно отнести следующие:

– герметизацию оконных и дверных проемов;

– уменьшение воздухопроницаемости ограждений;

– устройство тамбуров на входе и этажах;

– герметизацию мест прохода инженерных коммуникаций через между­этажные перекрытия.

Для зданий большой высоты из-за увеличения гидростатического давления устройство единой отопительной системы становится невоз­можным. Поэтому высотные здания зонируются - делятся на части - зо­ны определенной высоты, между которыми помещаются технические эта­жи. естественно, что технические этажи вносят известную специфику во внешний облик здания.

В системах отопления высота зоны определяется до­пустимым давлением в наибо­лее низко расположенных при­борах и возможностью разме­щения оборудования и комму­никаций на технических эта­жах. В зависимости от рабо­чего давления, допустимого для отдельных видов отопи­тельных приборов и арматуры, высота зоны (с известным за­пасом) не должна превышать 55 м при использовании чу­гунных и стальных приборов и 90 м для приборов со сталь­ными греющими трубами. В пер­вом случае такая высота соот­ветствует 14-15 этажам, во втором - примерно 30.

В каждой зоне устраи­вается самостоятельная сис­тема отопления. Схема присо­единения отопительной зоны к тепловым сетям чаще всего в таких случаях выбирается независимой (закрытой), то есть через водоподогреватель. В технических этажах размещаются расширительные баки, воздухосборники и магистральные трубопроводы. В подвале здания устанавливаются насосы, водоподогреватели, коллекторы теплосети и систем, средства контроля и управления.

Рис. 34. Схема водоводяного отопле­ния высотного здания.

1 – общий теплообменник; 2 – циркуляци- онный насос; 3 – зональные насосы для повышения давления; 4 – расширитель­ный бак (общий); 5 – регуляторы дав­ления; 6 – обратный клапан

Число зон по высоте зда­ния определяется допустимым гидростатическим давлением для оборудования в тепловом пункте, находящимся, как пра­вило, в подвальном этаже.

Водо-водяные теплообмен­ники и насосы, изготовленные по специальному заказу, рас­считываются на рабочее давле­ние 1,6 МПа (16 кг/см). Это значит, что высота здания при водо-водяном отоплении имеет предел, равный 150 – 160 м. В таком здании можно устраивать две зоны по 75-80 м или три зоны по 50 – 55 м (рис. 34). В зданиях высотой от 160 до 250 м прибегают к устройству

комбинированного отопления (рис. 35): помимо водо­-водяного отопления (в нижних 160 м) в зоне выше 160 м предусматривают паро-водяное отопление. Теплоноситель - пар, отличающийся незначительным гидростатическим давлением, подается на технический этаж над верхней зоной водо-во­дяного отопления, где оборудуется-соответственно тепловой пункт. В нем устанавливают пароводяной теплообменники циркуляционный насос. Такой комплекс комбинированного отопления действует довольно успеш­но в центральной части главного корпуса МГУ.

 

 

Рис. 35. Схема пароводяного отоп­ления высотного здания:

 

1, 11 – зоны с водоводяным отоплени­ем; 111 – зона с пароводяным отоп­лением.

1 – водо-водяные теплообменники; 2 – пароводяной теплообменник; 3 – циркуляционные насосы; 4 – расширительные баки

В зданиях высотой более 250 м предусматривают новые зоны паро­водяного отопления. Можно также применять электроводяное отопление с установкой электрических котлов в каждой зоне. Возможны и другие варианты отопительных систем, но каждый из возможных вариантов тре­бует устройства технических этажей на расстояниях, которые указаны выше.

Системы лучистого и панельного отопления.

В системах лучистого и панельного отопления гладкие трубы за­делывают в перекрытия, стены, перегородки, которые становятся на­гревательными приборами, (рис. 36).

 

Рис. 36, Размещение нагревателей лучисто­панельного отпления.

1—в полу; 2 – в наружной стене; 3 – в перегородке; 4 – в перекрытии

 

Если трубы расположены в перекрытиях, то в зависимости от то­го, какая сторона перекрытия является греющей, различают лучистые потолочные и напольные системы. Если трубы вмонтированы в вертикаль­ную поверхность, то говорят о панельном отоплении, так как здесь из­вестную роль играет конвективный перенос теплоты у нагретой поверх­ности. Различают панельное отопление с подоконными панелями и па­нелями в перегородках. Схемы расположения зме­евиков в панелях и са­ми конструкции панелей могут быть различными. Примеры подоконных па­нелей приведены на рис. 37.

Рис.37. Конструкции и размещение подоконных панелей

 

Системы панельного и лучистого отопления гигиеничны: у них невы­сокая температура греющей поверхности, они поз­воляют снижать температуру воздуха в помещении, что при водит к интенсификации про­цесса конвективного теплопереноса, а следовательно, к улучшению самочувствия людей, так как именно к этому про­цессу механизм их терморегу­ляции приспособлен в наилуч­шей степени.

напольном лучистом отоплении – 29 °С (в общест­венных зданиях

– 34 °С);

настенном панельном отоплении – 60 °С.

Иногда устраивают воздушные лучистые системы, но это выгодно только тогда, когда имеется в на­личии дешевое вторичное тепло.

Одной из разновидностей панельного отопления являются так называемые бифилярные отопительные системы с подоконными панелями

(рис. 38.) Достоин­ством этих систем считают постоянство средней тем­пературы нагревательных приборов на любом этаже. Это приводит к улучшению гидравлической устойчи­вости систем.

 

Рис. 38. Стояк бифилярной отопительной системы:

1 – нагревательный элемент, 2 – стык, 3, 4, 5 – арматура, 6 – дроссельная шайба

Газовое отопление

В некоторых случаях возможно сжига­ние газа в специальных отопительных приборах для отопления отдельных помещений.

Газовые отопительные приборы могут работать как с каналами для отвода продуктов сгорания в атмосферу, так и без них. Последние, как правило, обладают небольшой производительностью (до 2000 Вт).

Газовым отоплением оборудуются небольшие общественные помещения или производственные помещения любых размеров. В первых используются газовые приборы конвективного типа (газовый воздухонагреватель «Огонек», газиатор Моспроекта, конвектор ГК-1М, газовый камин «Луч» и др.). Инфракрасные излучатели получили широкое распространение в производственных помещениях. В них образующаяся в закрытой камере газовоздушная смесь поступает в распределительную коробку, проходит через дырчатую насадку и сгорает у наружной поверхности, которая раскаляется до 900 – 1000 °С и становится источником интенсивного инфракрасного излучения (рис. 39).

Рис. 39. Схема газовой инжекционной излучающей горелки:

1 – рефлектор; 2 – керамическая плитка; 3 – смеситель; 4 – сопло; 5 – корпус; 6 – сборная камера

 

Для квартирного отопления применяются емкостные газовые водонагреватели АГф, оборудованные автоматикой безопасности. Могут использоваться также такие котлы ВНИИСТО, оснащенные горелками для сжигания газового топлива.

Особое внимание при применении газовых приборов обращается:

- на правильную организацию процессов горения;

- на отвод продуктов сгорания;

- на вентиляцию отапливаемых помещений.

 

Квартирное отопление и отопление малоэтажных зданий.

В малоэтажных зданиях источником теплоты часто является котел, устанавливаемый в подвале здания, а если нет подвала, то даже на одном уровне с отопительными приборами первого этажа. Котлы, применяемые в таких случаях, имеют небольшую производительность. Используются, как правило, водонагревательные котлы, собираемые из секций.

В квартирных системах часто применяют водонагреватели, заделываемые в кухонный очаг. Циркуляция воды в таких системах происходит за счет давления, связанного с остыванием воды в трубопроводах. Поэтому их радиус действия не превышает 10 – 15 м.

Различают следующие варианты отопительных систем малоэтажных зданий:

- горизонтальная однотрубная система с последовательным обогревом верхнего нижнего этажей (рис. 40, а);

- горизонтальная, но двухтрубная система (рис. 40, б).

Принципиальные схемы этих систем приведены на рис. 40 (а, б). Квартирные системы выполняются по тем же схемам.

а б

 

Рис. 40. Схемы отопительных систем малоэтажных зданий

 

В приведенных схемах последовательное прохождение верхнего, а затем нижнего этажей приводит к увеличению располагаемого напора.

Кроме того в таких системах всегда стремятся иметь подающий трубопровод в верхней части помещения. Расчетный гравитационный напор в системах отопления, выполненных по указанным выше схемам, опреде­ляют ориентировочно по следующей формуле:

 

, (27)

 

где - средняя высота над центром котла подающего трубопровода;

- коэффициент, учитывающий изоляцию трубопроводов /при изоляции только главного стояка - 0,4; при изоляции главного стояка и обратных трубопроводов - 0,34; при изоляции всех трубопроводов - 0,16/;

l - протяженность подающего трубопровода;

- высота центра нагревательного прибора над центром кот­ла.

После того, как определено располагаемое давление, производит­ся подбор диаметров трубопроводов таким образом, чтобы при расчет­ном перепаде температуре воды для системы (или кольца циркуляции) проходило требуемое количество воды (теплоносителя).

Расчет и подбор нагревательных приборов осуществляется по обыч­ной методике.

Электрическое отопление.

Электрическое отопление основано на принципе перехода электри­ческой энергии в тепловую при проходе по проводнику, (кВт-ч экви­валентен 3600 кДж или 860 ккал).

Электрическое отопление в принципе может быть выполнено лучис­тым, или конвективным.

Типы электрических нагревательных приборов:

- электрорадиаторы (металлические с масляным заполнением или кера­мические с заполнением водой). Маслонаполненные радиаторы выпус­каются промышленностью мощностью 0,5 и 1,0 кВт;

- рефлекторы (керамический конус с желобами для проводника, распо­ложенный в так называемом оптическом зеркале);

- электрокалориферы для нагревания воздуха, где трубчатые электро­нагреватели (ТЭН’ы) омываются воздухом. Промышленностью выпуска­ются электрокалориферы различной производительности, в том числе портативные (до I кВт), снабженные вентиляторами;

-электроконвекторы;

-греющие кабели, закладываемые в керамические вставки, размещае­мые в конструкциях стен и потолка. Перспективными являются электротеплонасосные установки с исполь зованием полупроводниковых элементов, использование токопроводящей резины и др.

Весьма рациональным является применение электроаккумуляционного отопления с потреблением энергии в часы ночных "пpoвaлoв^". Теп­лоноситель здесь - вода.

Достоинства электроотопления: малая металлоемкость, простота регулирования, гигиеничность.

Недостатки электроотопления: высокая пожароопасность, высокая стоимость электроэнергии, низкий по сравнению с теплофикацией коэф­фициент полезного действия использования топлива.

2.5 ПЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ.

Общая характеристика печного отопления

Печное отопление допускается в настоящее время в зданиях не выше двух этажей (назначение зданий при этом может быть различным), к которым нет централизованной подачи теплоносителя.

Отопительные печи довольно просты по конструкции, позволяют сжигать многие виды топлива, при горении которого воздух забирается из помещения. В помещении таким образом организуется смена воздуха,что с гигиенической точки зрения является достоинством. Тепловой ко­эффициент полезного действия современных отопительных печей может до­стигать 80 – 85%.

Недостатками печного отопления можно считать:

- большую неравномерность температурного режима в помещениях, обслу­живаемых печным отоплением, в течение суток.

Однако этот недостаток в известной степени (для здоровых лю­дей) в настоящее время начинают считать достоинством, так как "динамический"характер температуры приводит к тренировке механизма терморегуляции человека;

- необходимость периодической чистки печей и дымоходов;

- потребность в значительной полезной площади для установки печей;

- пожароопасность;

- известную опасность отравления продуктами неполного сгорания топ­лива (в первую очередь угарным газом).

При топке печей температура их поверхности далеко неодинакова. Кроме того уже при температуре 70 °С на поверхности печей происходит сухая возгонка пыли, отрицательно сказывающаяся на самочувствие людей. Для изразцовых печей эта температура может быть принята равной 90 °С.

Рис. 41. Схемы движения газов в отопительных печах.