Системы теплоснабжения

9.1. Классификация систем теплоснабжения

Основное назначение любой системы теплоснабжения состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством теплоты заданных параметров.

В зависимости от размещения источника теплоты по отношению к потребителям системы теплоснабжения подразделяются на децентрализованные и централизованные.

В децентрализованных системах источник теплоты и теплоприемники потребителей совмещены в одном агрегате или размещены столь близко, что передача теплоты от источника до теплоприемников может производиться без промежуточного звена — тепловой сети.

В системах централизованного теплоснабжения источник теплоты и теплоприемники потребителей размещены раздельно, часто на значительном расстоянии, поэтому передача теплоты от источника до потребитеяей производится по тепловым сетям.

Процесс централизованного теплоснабжения состоит из трех последовательных операций: подготовки теплоносителя, передачи теплоносителя и использования теплоносителя.

Подготовка теплоносителя производится в специальных, так называемых теплоподготовительных установках на ТЭЦ, а также в городских, районных, групповых (квартальных) или промышленных котельных.

Транспортируется теплоноситель по тепловым сетям и используется в теплоприемниках потребителей. Комплекс установок, предназначенных для подготовки, передачи и использования теплоносителя, составляет систему централизованного теплоснабжения.

Для передачи теплоты на большие расстояния применяются два теплоносителя: вода и водяной пар. Как правило, для удовлетворения сезонной нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения в качестве теплоносителя используется вода, для промышленной технологической нагрузки — пар.

Если сравнить по основным показателям воду и пар, можно отметить следующие преимущества их друг перед другом.

Преимущества воды: сравнительно низкая температура воды, следовательно, температура поверхности нагревательных приборов; возможность транспортирования воды на большие расстояния без уменьшения ее теплового потенциала; возможность центрального регулирования тепловой отдачи систем теплопотребления; возможность ступенчатого подогрева воды на ТЭЦ с использованием низких давлений пара и увеличения таким образом выработки электрической энергии на тепловом потреблении; простота присоединений водяных систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения к тепловым сетям; сохранение конденсата греющего пара на ТЭЦ или в районных котельных; большой срок службы систем отопления и вентиляции.

Преимущества пара: возможность применения пара не только для тепловых потребителей, но также для силовых и технологических нужд; быстрый прогрев и быстрое остывание систем парового отопления, что представляет собой ценность для помещений с периодическим обогревом; пар низкого давления (обычно применяемый в системах отопления зданий) имеет малую объемную массу (примерно в 1650 раз меньше объемной массы воды); это обстоятельство в паровых системах отопления позволяет не учитывать гидростатическое давление и создает возможность применять пар в качестве теплоносителя в многоэтажных зданиях, паровые системы теплоснабжения по тем же соображениям могут применяться при самом неблагоприятном рельефе местности теплоснабжаемого района; более низкая первоначальная стоимость паровых систем ввиду меньшей поверхности нагревательных приборов и меньших диаметров трубопроводов; простота начальной регулировки вследствие самораспределения пара; отсутствие расхода энергии на транспортирование пара.

К недостаткам пара можно отнести: повышенные потери теплоты паропроводами из-за более высокой температуры пара; срок службы паровых систем отопления значительно меньше, чем водяных, из-за интенсивной коррозии внутренней поверхности конденсатопроводов.

Принимая во внимание сказанное, несмотря на некоторые преимущества пара как теплоносителя последний применяется в системах теплоснабжения значительно реже воды и то лишь для тех помещений, где нет долговременного пребывания людей. Строительными нормами и правилами паровое отопление разрешается применять в торговых помещениях, банях, прачечных, кинотеатрах, в промышленных зданиях. В жилых зданиях паровые системы не применяются.

В системах воздушного отопления и вентиляции любых зданий разрешается применение пара в качестве первичного (нагревающего воздух) теплоносителя. Применять его также можно для нагревания водопроводной воды в системах горячего водоснабжения.

Параметрами теплоносителей называют температуру и давление. Вместо давления в практике эксплуатации широко пользуются другой единицей — напором.

Напор и давление связаны зависимостью

где Н — напор, м; р — давление, Па; р — плотность теплоносителя кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с².

Вода как теплоноситель характеризуется различными температурами до системы теплопотребления (нагревательного прибора) и после системы теплопотребления.

Мощность теплового потока Q, кВт, отдаваемого водой, определяется формулой

где G — количество воды, проходящей через систему теплопотребления, кг/с; с — удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДжДкг • °С); t_x — температура воды до системы теплопотребления (после источника теплоты), °С; t₂ — температура воды после системы теплопотребления (до источника теплоты), °С.

В современных системах теплоснабжения применяют воду, имеющую такие значения температур: t_{ = 105 °С (95 °С); t₂ = 70 °С в системах отопления жилых и общественных зданий; /₂ = 150 °С; t₂ = 70 °С в системах централизованного теплоснабжения от котельной или ТЭЦ, а также в системах отопления промышленных зданий.

Температура воды в системах теплоснабжения должна соответствовать давлению, при котором не будет вскипания (например, вода при температуре 150 °С должна иметь давление не менее 0,4 МПа).

Повышение температуры воды в источнике теплоснабжения (у генератора теплоты) ведет к снижению количества перекачиваемой воды, уменьшению диаметров труб и расходов энергии на перекачку.

Сказанное будет ясно, если формулу (9.2) решить относительно расхода воды:

Для передачи того же количества теплоты Q тем меньше потребуется воды G, чем больше разность температур (t_x - t₂).

Для перехода от массы перекачиваемой воды к ее объему V, м³/с, используют формулу

где G — расходы воды, кг/с; р — плотность воды, кг/м³.

В системах парового теплоснабжения применяется пар различных давле

В системах парового отопления низкого давления 0,005 – 0,07 МПа.

В системах парового отопления высокого давления более 0,07 МПа.

Для промышленной технологической нагрузки применяется пар с более высокими давлениями.

Мощность тепловой отдачи пара Q в системе теплопотребления и количество пара G для передачи этого же количества теплоты определяются по формуле

где G — количество пара, кг/с; / — энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг; Г_нас — температура насыщения пара, °С.

Теплоемкость конденсата с_к, как и воды, равна 4,19 кДж/(кг • °С), поэтому энтальпия конденсата /_к = f_Hacc_K = 4,Ш_нас.

Для пара низкого давления формула (9.4) может быть упрощена:

где г — скрытая теплота парообразования, равная 2260 кДж/кг. Расход пара (и конденсата):