Конспект лекций Москва гоу впо «рэу им. Г. В. Плеханова» 2011

Вид материала

Конспект

Содержание 2. 4. Характеристика теплоносителей для систем отопления 2. 5. Тепловая мощность систем отопления зданий и ее расчет Q0) можно определить из выражения: Q F0 – площадь ограждения конструкции, м; t 2. 6. Системы отопления при центральном теплоснабжении Qп – количество тепла, отдаваемое прибором (равно расчетным теплопотерям помещения), Вт; q Q – теплопотери, возмещаемые системой воздушного отоп-ления, кДж/час; С – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг С; t

Подобный материал:

• Российский Экономический Университет им. Г. В. Плеханова факультет дистанционного обучения, 405.79kb.
• Российский Экономический Университет им. Г. В. Плеханова» факультет дистанционного, 1497.37kb.
• Гармаев Булат Петрович, к ю. н., доцент кафедры экономического права и гражданско-правовых, 590.61kb.
• Организация рекламной деятельности малого торгового предприятия и ее эффективность, 276.69kb.
• Тема: «Конституция как гарант реализации прав человека», 104.22kb.
• Страхование инновационных рисков, 295.64kb.
• Конспект лекций 2011 г. Батычко В. Т. Семейное право. Конспект лекций. 2011, 1718.16kb.
• Конспект лекций 2011 г. Батычко Вл. Т. Конституционное право зарубежных стран. Конспект, 2667.54kb.
• Развитие инновационной сферы экономики чехии, 457.13kb.
• Формирование и развитие металлургического комплекса в россии (на примере свердловской, 444.91kb.

2. 4. Характеристика теплоносителей для систем отопления

В системах отопления в качестве теплоносителей приме-няются вода, пар, воздух и дымовые газы. Рассмотрим основные характеристики теплоносителей.

Вода имеет большую плотность (1000 кг/м³) и высокую удельную теплоемкость (4,187 кДж/кг•^оС). Эти качества позволяют транспортировать значительное количество тепла в малом объеме вода, т. е. диаметр теплопровода может быть небольшим. Теплосо-держание воды можно изменять в широких пределах, повышая или понижая ее температуру. Относительно низкая температура тепло-носителя исключает большие потери тепла при транспортировке на большие расстояния.

Пар имеет малую плотность (0,6 – 1,6 кг/м³), но выделяет большое количество тепла при конденсации в нагревательных приборах (2260 – 2160 кДж/кг•^оС). Скорость перемещения пара по паропроводам составляет 40 – 80 м/с, что позволяет переносить большое количество тепла на значительные расстояния при сравнительно малых затратах энергии. Однако потери тепла в паропроводах при этом значительные.

Воздух имеет малую плотность (1-1,2 кг/м³) и низкую удельную теплоемкость (1 кДж/кг•^оС). При таких параметрах для передачи небольшого количества тепла приходится перемещать значительные объемы воздуха. Это приводит к увеличению раз-меров воздуховодов и к большим затратам энергии. Температура и теплосодержание воздуха могут меняться в широких пределах, поэтому в помещениях можно поддерживать равномерный температурный режим.

Дымовые газы по физическим свойствам близки к воздуху. Высокая температура продуктов сгорания позволяет передавать большое количество тепла при минимальном объеме и небольшой затрате энергии на его передвижение. Однако высокая температура газов вызывает большие потери тепла при транспортировке. Это вынуждает применять дымовые газы в местных системах отопления.


2. 5. Тепловая мощность систем отопления зданий и ее расчет

Поскольку назначением системы отопления является восполнение теряемой помещением (зданием) теплоты, то ее тепло-производительность (тепловую мощность) определяют на основе расчета теплопотерь отдельного помещения или здания. На основе расчета теплопотерь отдельного помещения (Q_П) можно определить требуемую теплопроизводительность отопительных приборов. Расчет теплопотерь здания (Q_зд) позволяет определить производительность генератора теплоты и подобрать другое оборудование для центральных систем отопления.

Количество теплоты, теряемое через отдельные ограждения помещения ( Q₀) можно определить из выражения:

Q₀ = k₀ · F₀ · (t_в – t_н) · n₁ · n₂ = (1/R) · F₀ · (t_в – t_н)· n₁ · n₂, Вт,

где k₀ – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м²·⁰С; F₀ – площадь ограждения конструкции, м²; t_в – температура воздуха в помещении, ⁰С; t_н – температура наружного воздуха, ⁰С; n₁ – коэффициент, учитывающий уменьшение разности температур для ограждений, не имеющих непосредственного контакта с наружным воздухом; n₂ – коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери.

Коэффициент теплопередачи ограждения (k₀) – это коли-чество тепла, передаваемое через ограждение площадью 1м² в течение 1 часа при разности температур внутреннего и наружного воздуха в 1 ⁰С.

Величина обратная k₀, т. е. 1/k₀ = R₀ – называется сопротивле-нием теплопередачи ограждения и имеет размерност (м²·⁰С/Вт).

Теплопотери помещения (Q_П) равны сумме теплопотерь через его ограждения:

Q_П = ∑ Q₀ ;

Коэффициент теплопередачи ограждения определяется по формуле:



где: α_в и α_н – коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхности, Вт/м^{2 0}С; δ_п – толщины отдельных слоев ограждения, м; λ_п – коэффициенты теплопроводности материалов этих слоев огражде-ния, Вт/м ⁰С.

Значения λ для строительных материалов принимается по СНиПам.

R_в и R_н – сопротивления теплопередаче на внутренней и на-ружной поверхностях ограждения, м²·⁰С/Вт.

K₀ для окон и дверей не рассчитывается, а принимается по СНиПам.

Коэффициент теплопередачи полов на грунте и наружных стен подвальных помещений принимают, проведя предвари-тельную разбивку этих ограждений на зоны шириной 2 м, параллельные наружным стенам. При этом выделяют три зоны шириной 2 м, остальная площадь ограждения составляет четвертую зону независимо от ее ширины (рис. 3). Коэффициент теплопередачи для отдельных зон принимают: K₁ = 0,46; K₂ = 0,23; K₃ = 0,12; K₄ = 0,07 Вт/м^{2 0}С.




Рис. 3. Расчетная схема отвода теплоты через грунт


Коэффициент n₁ используется при расчете теплопотерь через чердачные перекрытия (n₁ = 0,9) и полов над неотапливаемыми подвалами (n₁ = 0,4 ÷ 0,75). Для наружных стен, бесчердачных покры-тий и полов на грунте n₁ = 1.

Коэффициент n₂ учитывает ориентацию наружных стен: север, восток, северо – восток, n₂ = 1,1; юго – восток, юг, юго –запад n₂ = 1,05. Кроме этого коэффициент n₂ учитывает добавочные потери теплоты при наличии в помещении двух или более наружных стен ( n₂ = 1,05), защищенность от воздействия ветра (n₂ = 1,1 ÷ 1,3) и другие факторы. Расчетное значение n₂ представляет сумму воздействующих факторов и обычно колеблется о 1,05 до 1,2.

Теплопотери здания (Q_зд) определяют, как сумму тепло-потерь всех его помещений:

Q_зд = ∑ Q_П

Величина Q_зд соответствует теплопроизводительности систе-мы отопления

Q_зд = Q_от

Ориентировочно теплопотери здания можно вычислить по формуле:

Q_зд.ор. = q₀ · V_зд · (t_в – t_н) · a Вт,

где: q₀ – удельная тепловая характеристика здания, Вт/м³·⁰С; V_зд – объем здания (по наружным обмерам), м³; а – коэффициент уменьшения (увеличения) расчетной разности температур (t_в – t_н), учитывающий климатические условия; t_в – расчетная температура в нутрии здания; t_н – расчетная температура наружного воздуха.


2. 6. Системы отопления при центральном теплоснабжении

Водяное отопление

Водяное отопление получило в настоящее время наибольшее распространение в силу своих преимуществ перед другими систе-мами отопления. В системе водяного отопления теплоносителем служит вода.

Эти системы подразделяют по принципу циркуляции тепло-носителя на системы с естественной и искусственной циркуляцией. В системах с естественной циркуляцией движение теплоносителя происходит за счет разности плотностей горячей и холодной воды. В системах с искусственной циркуляцией движение теплоносителя происходит за счет работы насоса.

По схеме питания нагревательных приборов их подразделяют на двухтрубные и однотрубные. В двухтрубных системах (рис. 4а), вода поступает в нагревательные приборы по одним стоякам, а отводится по другим. Нагревательные приборы каждого этажа присоединены параллельно по теплоносителю. В однотрубных сис-темах (рис. 4б), вода поступает и отводится от приборов отопления по одному стояку. Приборы присоединены по теплоносителю последовательно.



а) в)

Рис. 4. Схема подсоединения отопительных приборов: а – двухтрубная система; б – однотрубная система; 1 – подающий стояк; 2 – обратный стояк; 3 – нагревательный прибор


По расположению труб, соединяющих нагревательные приборы, системы делят на вертикальные, когда приборы присоединяются к вертикальному стояку, и горизонтальные, когда приборы присоединяются к горизонтально расположенным трубопроводам.

По расположению подающих магистралей они делятся на системы с верхней разводкой (при прокладке подающих магистралей по чердаку или под потолком верхнего этажа) и систему с нижней разводкой (при прокладке подающих магистралей по подвалу, над полом первого этажа или в подпольных каналах).

По направлению движения воды в подающих и обратных ма-гистралях – на тупиковые, когда имеет место встречное движение воды, и с попутным движением, когда направление потоков в подающей и обратной магистралях совпадают.


Двухтрубная система водяного отопления

с верхней разводкой и естественной циркуляцией

В практике проектирования систем отопления существует большое количество схем водяного отопления. Выбор оптимальной



Рис. 5. Схема двухтрубной системы водяного отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией: 1 – расширительный бак; 2 – переливная труба; 3 – сигнальная труба; 4 – соединительная труба; 5 – циркуляционная труба; 6 – запорный вентиль; 7 – подающий магистральный трубопровод; 8 – пробковый кран; 9 – тройник с заглушкой; 10 – нагревательный прибор; 11 – подающая подводка; 12 – регулирующий кран; 13 – обратная подводка; 14 – главный стояк; 15 – обратный стояк; 16 – подающий стояк; 17 – запорный вентиль; 18 – котел; 19 – запорный вентиль; 20 – обратный магистральный трубопровод; 21 – спускной кран; 22 – пробковый кран; 23 – запорный кран; 24 – магистральный водопровод


схемы отопления зависит от многих факторов: протяженности и этажности зданий, наличия чердаков, величины давления и т. д.

Предлагаемая схема отопления (рис. 5), состоит из следу-ющих элементов: генератора теплоты, главного стояка, подающего магистрального трубопровода, подающих стояков, обратных стояков, нагревательных приборов, подающих и обратных подводок, регулирующих кранов у нагревательных приборов, расширительного бака с соединительной, циркуляционной и сигнальными трубами, а также переливной трубой с запорным вентилем, которая одновременно служит для удаления воздуха из системы при ее заполнении водой.

На каждой ветви системы устанавливаются запорные вентили, которыми пользуются при отключении определенного участка трубопровода при его ремонте.

В здании с числом этажей три и более предусматривается возможность отключения каждого стояка. Для этого у основания стояка устанавливают пробковый кран и спускной кран, а в верхней части стояка пробковый кран и тройник с заглушкой для сообщения стояка с атмосферой при спуске воды из стояка и для выпуска воздуха при заполнении стояка водой.

При пуске систему наполняют водой до уровня присоеди-нения сигнальной трубы к расширительному баку. Когда из сигнальной трубы вода будет поступать в сливную раковину, установленную под ней, запорный кран на ней закрывают, а также перекрывают подачу воды. После этого начинают подачу тепла от генератора.

Воздух, вытесняемый водой при заполнении системы, и воздух выделяющийся при нагреве воды, удаляется в атмосферу через переливную трубу. Чтобы обеспечить удаление воздуха из системы через расширительный бак, подающую магистраль прокладывают от расширительного бака с уклоном 0,05 ÷ 0,002.

Двухтрубные системы с верхней разводкой воды могут быть как с естественной циркуляцией, так и насосные.

Достоинством этой системы является равномерность распределения горячей воды по всем нагревательным приборам и, как результат этого, одинаковая температура на поверхности всех приборов.

К недостаткам системы следует отнести: бóльший расход металла, чем в однотрубных системах, бесполезные потери тепла магистральными трубопроводами, проложенными по холодному чердаку, возможность их замерзания и затопления нижележащих этажей при аварии.

Однотрубная система водяного отопления

с верхней разводкой, естественной циркуляцией

и осевыми замыкающими участками



Рис. 6. Схема однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой, естественной циркуляцией и осевыми замыкающими участками: 1 – расширительный бак; 2 – переливная труба; 3 – циркуляционная труба; 4 – сигнальная труба; 5 – подающий магистральный трубопровод; 6 – тройник с пробкой; 7 – пробковый кран; 8 – нагревательный прибор; 9 – регулирующий кран; 10 – главный стояк; 11 – котел; 12 – задвижка; 13 – спускной кран; 14 – пробковый кран; 15 – обратный магистральный трубопровод


В однотрубной системе вместо двух стояков – подающего и обратного – имеется только один стояк по которому она подается к нагревательному прибору и отводится от него.

Вода из генератора теплоты (рис. 6) поступает в главный стояк, а из него в подающую магистраль, оттуда она распреде-ляется по стоякам. В точке “а” часть воды из стояка поступает в нагревательный прибор, а часть в замыкающий осевой участок “аб”. В точке “б” вода, охладившаяся в приборе, смешивается с водой, поступающей по замыкающему участку. Далее вода поступает в точку “в ” присоединения приборов нижележащего этажа и т. д. Проходя указанным образом вода в стояке постепенно охлаждается. Для выравнивания теплоотдачи нагревательных приборов на нижних этажах увеличивают количество секций нагревательных приборов. Из стояка вода направляется в обрат-ную магистраль, а оттуда в генератор теплоты.


Оборудование центральных систем водяного отопления

Системы водяного отопления компонуется из следующего основного оборудования:

– генераторы теплоты;

– отопительные приборы;

– трубопроводы;

– насосы;

– расширительные баки;

– устройства для удаления воздуха.

В качестве генераторов теплоты при центральном теплоснаб-жении предприятий используются водогрейные и паровые котлы, а при централизованном – водонагреватели. Водонагреватели присо-единяют к наружным тепловым сетям по независимой схеме. При этом теплоноситель наружной тепловой сети является первичным, а теплоноситель внутренней системы отопления – вторичным. Назначение их – нагревание вторичного теплоносителя (воды) для нужд отопления или горячего водоснабжения.

Принципиальная схема водо-водяного нагревателя представ-лена на рис. 7. Он состоит из нескольких секций длиной 2 или 4 м, соединенных последовательно или параллельно – последовательно. Каждая секция представляет собой стальную трубу диаметром от 50 до 158 мм с приваренными фланцами по торцам. Внутри трубы между фланцами расположен пучок латунных труб с толщиной стенки 1мм. Греющая вода (первичный теплоноситель) проходит по латунным трубкам, а нагреваемая (вторичный теплоноситель) – в межтрубном пространстве. Для уменьшения теплопотерь на поверхность труб наносится теплоизоляция. Количество секций водонагревателя определяется расчетом.




Рис. 7. Скоростной водо-водяной водонагреватель: 1 – патрубок для входа греющей воды; 2 – конфузор; 3 – патрубок для выхода нагретой воды; 4 – секция водонагревателя; 5 – патрубок для выхода греющей воды; 6 – штуцер термометра; 7 – патрубок для входа холодной воды; 8 – перемычка; 9 – колено; 10 – фланцы


Кроме этого для подогрева воды применяют ёмкостные водонагреватели – бойлеры. Принципиальная схема такого водона-гревателя дана на рис. 8. Емкостной водонагреватель имеет значи-тельный запас горячей воды, так как состоит из емкого стального цилиндрического корпуса. Внутри корпуса расположен целый ряд U – образных латунных трубок. Теплоноситель поступает через входной патрубок в верхний коллектор и затем распределяется по U – образным трубкам. Отдав тепло нагреваемой воде тепло-носитель собирается в нижнем коллекторе, а затем удаляется через выходной патрубок. Холодная вода поступает под давлением водопровода в водонагреватель через расположенный внизу патру-бок. Контактируя с трубками она нагревается и поднимается вверх. Отбирается подогретая вода через верхний патрубок.



Рис. 8. Ёмкостной водонагреватель – бойлер: 1 – цилиндрическая емкость; 2 – выходной патрубок для горячей воды; 3 – змеевик, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов с вваренными U – об-разными трубками; 4 – входной патрубок для холодной воды; 5 – выходной патрубок для теплоносителя; 6 – входной патрубок для теплоносителя; 7 – фланец


Расчет бойлера

Расчет водонагревателей заключается в определении тре-буемой поверхности нагрева теплообменника.

Расчетное количество тепла, которое следует получить, составит:

Q_p = G (t_к - t_н) · 4,19 · 3600, Вт

где G – количество нагреваемой воды, кг/ч; t_к и t_н – конечная и начальная температура воды, ⁰С; 4,19 – теплоемкость воды, кДж/кг ⁰С.

Поверхность нагрева теплообменника определяется по формуле:



где k – коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/м^{2 0}С; Δθ – фиктивная расчетная разность средних температур тепло-носителя и нагреваемой воды.

Эта величина равна:



где – бόльшая из разностей температур выходящего из водо-нагреваетля теплоносителя и входящей нагреваемой воды; – меньшая из разностей этих температур.

В тех случаях, когда разность температур не особенно отличаются для определения поверхности нагрева можно использовать формулу



где T_к и Т_н – температура выходящего и входящего теплоноси-теля; ⁰С; t_к и t_н – конечная и начальная температура нагреваемой воды.

Вследствие большой емкости бойлера скорость движения нагреваемой воды в нем крайне мала. Поэтому коэффициент теплопередачи теплообменника невелик: для стальных труб при теплоносителе паре он составляет 460 – 520, а при теплоносителе воде 350 – 400 Вт/м^{2 0}С.

Скоростной противоточный водонагреватель имеет небольшую ёмкость, но благодаря организации в нем противотока теплоносителя и нагреваемой воды создается значительная скорость их движения. Это позволяет получить коэффициент теплопередачи, достигающий 3000 Вт/м^{2 0}С.

Поэтому, металлоемкость и габариты скоростного водонагревателя оказываются значительно меньше, чем у бойлера. Однако, для сглаживания колебаний суточного расхода воды приходится ставить большие ёмкости для хранения горячей воды. Кроме этого большие скорости движения нагреваемой воды в этих водонагревателях создают значительное гидравлическое сопротивление.

Скоростной проточный водонагреватель рассчитывается по тем же формулам.


Отопительные приборы

Нагревательные приборы являются одним из основных элементов системы отопления и служат для передачи тепла от теплоносителя к обогреваемому помещению. В центральных систе-мах водяного и парового отопления применяют такие основные типы нагревательных приборов, как радиаторы, конвекторы, ребристые и гладкие трубы.

Наибольшее распространение получили чугунные радиаторы. Радиатор состоит из отдельных секций, имеющих две полые колонны с верхней и нижней головками с резьбовыми отверстиями. Секции соединены между собой с помощью ниппелей, которые имеют на одной половине длины наружную правую резьбу, а на другой половине – левую. При вращении ниппеля происходит одновременное ввертывание его в соседнюю секцию, благодаря чему они притягиваются одна к другой. Для герметичности соединения секций применяют прокладки из картона, пропитанного алифой.

По монтажной высоте радиаторы подразделяют на высокие (высотой более 600 мм), средние (от 400 до 600 мм) и низкие (менее 400 мм). Приборы высотой менее 200 мм называют плинтусными. Каждый радиатор снабжается четырьмя пробками, из которых две со сквозными отверстиями служат для присоеди-нения прибора к трубам системы отопления.

Чугунные радиаторы выдерживают давление до 0,6 Мпа, компактны, имеют высокие санитарно–гигиенические качества и удовлетворительный внешний вид.

Стальные панельные радиаторы изготавливают путем штам-повки стенок из стали толщиной 1,5 мм и последующим их соединением с помощью сварки. Эти радиаторы легче чугунных, но в большей степени подвержены коррозии.

Конвекторы состоят из 2 – 6 стальных труб, имеющих ореб-рение различного профиля из листовой стали толщиной 0,5 – 0,8 мм. По высоте конвекторы с кожухами могут быть низкими, подо-конными и высокими. Они расчитаны на рабочее давление в 1 Мпа. Вследствие того, что ребра конвектора изготавливают из листовой стали, а не из чугуна, масса его для одной и той же передачи тепла примерно в 3 раза меньше, чем у радиатора.

Ребристые и гладкие отопительные трубы бывают чугунными и стальными. Чугунные трубы с круглыми ребрами выпускают длиной 1, 1,5 и 2 м. На концах трубы имеются соединительные фланцы. Чугунные трубы устанавливают горизонтально. Их устанавливают обособленно, соединяя последовательно друг с другом. Или монтируют параллельно, соединяя при помощи колен.

Отопительные приборы из гладких стальных труб изготавлива-ют путем соединения их с помощи сварки. Такие нагревательные приборы могут быть в виде одиночной трубы, змеевика или в виде регистра (рис. 9).




а) б) в)

Рис. 9. Вид соединения отопительных приборов: а – одиночной трубой; б – змеевиком; в – регистром


Нагревательные приборы (радиаторы, конвекторы и др.) устанавливают под окнами, в нишах наружных стен и в исключительных случаях у внутренних стен пробки.

Присоединяют приборы к стоякам отопления по различным схемам, показанным на рис. 10.

Одностороннее присоединение конструктивно проще, а раз-ностороннее – лучше в теплотехническом отношении.

Для измерения теплопередающей поверхности нагрева-тельных приборов принята условная единица – ЭКМ (эквива-лентный квадратный метр). Эквивалентным квадратным метром называют условную поверхность нагревательного прибора с теплоотдачей 505 Вт при разности средней температуры теплоносителя и воздуха помещения 64,5 ⁰С, расходе воды 17,4 кг/час, стандартной (открытой) установке прибора и подаче теплоносителя сверху вниз.



Рис. 10. Способы присоединения нагревательных приборов:

а – одностороннее присоединение; б – двухстороннее присоединение


Требуемая площадь теплопередающей поверхности нагрева-тельного прибора определяется по формуле



где Q_п – количество тепла, отдаваемое прибором (равно расчетным теплопотерям помещения), Вт; q_o – теплоотдача 1 ЭКМ, Вт; β₁, β₂, β₃, – поправочные коэффициенты, учитывающие: число секций в чугунном радиаторе, схему подвода и отвода теплоносителя и относительный расход воды, способ установки отопительного прибора.


Расширительный бак

Расширительные баки изготавливаются из стального листа толщиной 3–4 мм прямоугольной или цилиндрической формы. Верхняя часть бака снабжается герметичным люком с уплотнением резиновой прокладкой. Они устанавливаются в утепленной будке на чердаке здания. Расширительный бак (рис. 11) имеет 4 патрубка для присоединения его к трубопроводу отопительной системы.

Контрольную и переливную трубу опускают в помещение теплового пункта. На контрольной трубе устанавливают запорный кран. Обычно концы этих труб (контрольной и переливной) устанавливают над раковиной или переливной воронкой, соединен-ной с канализацией. Переливная труба необходима для удаления воздуха из системы и отвода воды из расширительного бака при его переполнении в случае засорения сигнальной трубы.



Рис. 11. Расширительный бак: 1 – расширительный (присоединительный) патрубок; 2 – контрольный (сигнальный) патрубок; 3 – переливной (воздушный) патрубок; 4 – циркуляционный патрубок


В системах отопления с естественной циркуляцией воды расширительную трубу (1) подсоединяют к главному стояку, а циркуляционную трубу (4) к горячей магистрали. В системах отопления с насосной циркуляцией обе трубы присоединяют к обратной магистрали до насоса.

Требуемый полезный объем расширительного бака определяют путем прироста объема воды, заполняющей систему, при ее нагревании от 4^оС до 100^оС. При 4^оС плотность холодной воды , а при 100^оС плотность горячей воды .

Массу холодной воды, заполняющей систему, определяем по формуле

, кг

где – объем системы отопления, м³.

После нагревания масса воды остается той же, но она будет занимать бóльший объем, прирост которого и должен вместить расширительный бак.

, кг

где – объем расширительного бака, м³.

Приравняв правые части этих уравнений получим

,


откуда

,

, м³

где – объем воды в трубопроводах, м³; – объем воды в при-борах отопления, м³; – объем воды в генераторе теплоты, м³.

При определении объема воды в системе отопления объем воды в отдельных элементах ее на каждые 1000 Вт тепловой мощности можно принять по таблице справочника.

, м³

где: – мощность отопительной системы, Вт.

Полную вместительность расширительного бака опреде-ляют следующим образом



где – объем расширительного бака от дна до контрольного патруб-ка, м³; – объем расширительного бака от переливного патрубка до крышки, м³.


Влияние места присоединения расширительного

бака на работу системы отопления

В насосных системах отопления расширительный бак присоединяют к обратной магистрали перед циркуляционным насосом (рис. 12).

Рассмотрим возможность его присоединения к подающей магистрали. Если насос не работает, то давление в точках “о”, “в” и “А”составит







где: Р_ат – атмосферное давление, Па; ρ – плотность воды, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с; и– высоты столбов воды, м; – гидростатическое давление столба воды высотой и плотностью ρ.



Рис. 12. Расчетная схема влияния места присоединения расши-рительного бака на работу системы отопления: 1 –генератор теплоты; 2 – главный стояк; 3 – подающая магистраль; 4 – расширительный бак; 5 – подающий стояк; 6 – нагревательный прибор; 7 – обратный стояк; 8 – обратная магистраль; 9 – циркуляционный насос


При работе насоса уровень воды в расширительном баке остается неизменным, поскольку к точке “о” в единицу времени поступает такое же количество воды, какое от нее отводится. Давление в точке “о” будет неизменным и равным



давление в точке “А” составит

+ Σ(Rℓ + z)_АО

где: Rℓ – потери давления на преодоление сопротивления трения на участке “Ао”; Z – потери давления на преодоление местных сопротивлений на участке “Ао”.

Давление в точке “в” составит:

– Σ(Rℓ + z)_ов

где Σ(Rℓ + z)_ов – потери давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений на участке “ов”.

Из последнего выражения видно, что если Σ(Rℓ+z)_ов, то давление в точке в будет ниже атмосферного и при температуре воды 90 – 95 ^оC возможно вскипание ее и разрыв струи, что вызовет нарушение нормальной циркуляции воды.

В связи с этим для обеспечения во всех точках насосной системы давления воды выше атмосферного расширительный бак всегда присоединяют к обратной магистрали перед всасывающим патрубком насоса. В этом случае величина столба жидкости возрастает, а значит и произведение.


Устройство для удаления воздуха

Удаление воздуха из системы водяного отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией осуществляется через расширительные сосуды или воздухосборники с воздухо-отводчиками.

В системах с насосной циркуляцией воздух удаляется через специальные воздушные линии трубопроводов, на которых устанавливают воздухосборники с воздухоотводчиками или через воздушные краны, установленные на отопительные приборы верхних этажей.



Рис. 13. Концевой воздухоотводчик


Выделение воздуха из воды активизируется при изменении скорости ее протекания и направления движения. Принципиальная схема концевого воздухоотводчика для установки на последнем стояке дана на рис. 13.

Воздухосборники устанавливают в наиболее высокой точке системы. Длина (высота) воздухосборника принимается в 3 раза больше его диаметра. Некоторые воздухосборники оснащают автоматическими воздухоотводчиками (вантузами) поплавково-клапанного типа или ручными воздушными кранами.


Насосное оборудование

Для перемещения воды по трубам в системах отопления используют циркуляционные насосы, которые создают циркуля-циионное давление обеспечивающее преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования.

В качестве циркуляционных насосов применяют обычно центробежные насосы которые создают большое давление и имеют большуя подачу. Их устанавливают при обслуживании нескольких зданий. Для обслуживания одного здания используют диагональ-ные насосы, которые создают небольшое циркуляционное давление и имеют большую подачу.

В насосных системах водяного отопления обычно устанавливают два насоса (основной и резервный). В схеме подключения насосов (рис. 14), предусматривается обводная линия. При отключении электрической энергии система будет функци-онировать по обводной линии. В этом случае мощность отопи-тельной системы резко упадет.




Рис. 14. Схема подключения насосного оборудования: 1 – задвижка; 2 – обратный клапан; 3 – насос; 4 – запорный вентиль; 5 – обводная линия с задвижкой (задвижка нормально закрыта)


Расчет насоса

Расчет предусматривает определение производительности циркуляционного давления и мощности электородвигателя насоса.

Массу воды, перемещаемой насосом, находим по формуле



где Q_о.с. – тепловая мощность отопительной системы, Вт; C – теп-лоемкость воды, кДж/кг·^оС; t_г и t_о – температура горячей и обратной воды, ^оС.

Далее определяем объемную производительность насоса

, м³/час.

Давление, создаваемое циркуляционным насосом, также определяют согласно расчету. Как правило оно невысоко, т. к. затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления системы отопления. В общем случае его можно принять равным 10 – 15 кПа

Мощность электродвигателя циркуляционного насоса опреде-ляем по формуле

, кВт

где – коэффициент полезного действия насоса.


Естественное циркуляционное давление от охлаждения

воды в нагревательных приборах

Изменение температуры воды в системе происходит в генераторе теплоты (тепловом пункте), где вода нагревается, и в нагревательных приборах где она охлаждается. На примере простейшей схемы (рис. 15) определим значение естественного (гравитационного) циркуляционного давления ∆Р_е, Па.

В подающем трубопроводе, обозначенном сплошной линией, горячая вода имеет t_г^оС и плотность ρ_г кг/м³. Трубопровод с охлажденной водой температурой t_о^оС и плотностью кг/м³ обозначен на схеме пунктиром. Взаимное расположение элементов схемы показано на рисунке высотами h₁, h₂, h₃ и h₄. Условно будем считать, что нагрев воды происходит в середине генератора теплоты, охлаждение ее – в середине нагревательного прибора и вода в трубах не охлаждается.



Рис. 15. Схема расчета естественного (гравитационного) циркуляционного давления: 1 – генератор теплоты; 2 – расширительный бак; 3 – нагревательный прибор


Определим гидростатические давления воды, действующие на сечение 1–1 обратной магистрали слева и справа. Разность этих давлений будет избыточное циркуляционное давление, под влиянием которого происходит движение воды в замкнутом контуре трубопроводов системы.

Давление столба воды справа



Давление столба воды слева



Разность между ними будет

∆ – =

Отсюда следует, что ∆ равно произведению ускорения свободного падения, на расстояние по вертикали между точками нагрева и охлаждения воды, в метрах, и разностью плотностей холодной и нагретой воды.

Если ввести произвольную плоскость отсчета А–А и обозначить высоту точки охлаждения и высоту точки нагрева , то имея в виду, что h_г = – , равенство можно записать в виде

∆= g(,

т.е. ∆ равно ускорению свободного падения, умноженному на сумму произведений высот точек охлаждения и нагрева на разность плотностей воды после и до этих точек, считая по направлению движения воды. Это произведение можно распространить на об-щий случай, когда в замкнутом контуре трубопровода расположено несколько точек N нагрева и охлаждения. В этом случае

∆ =


Определение ∆ Р_е в двухтрубных системах отопления

В двухтрубных системах нагревательные приборы соединены по теплоносителю параллельно (рис. 16.) К приборам каждого этажа подходит горячая вода с параметрами t_г и ρ_г, а от прибора



Рис. 16. Определение ∆ Р_е в двухтрубных системах отопления


отходит с параметрами t_о и ρ_о (с более низкой температурой и более высокой плотностью). Циркуляционное кольцо через прибор каждого этажа имеет свое значение ∆Р_е вследствие разности высот расположения его над центром генератора теплоты.

Для прибора 1-го этажа

∆ Р_е1 = g h₁ (ρ₀ – ρ_г),

Для прибора 2-го этажа

∆ Р_е2 = g h₂ (ρ₀ – ρ_г).

Значение h₁ меньше значения h₂, поэтому и ∆ Р_е1 меньше ∆ Р_е2.

Таким образом, значение располагаемого давления ∆ Р_е в циркуляционных кольцах двухтрубных системах различны и зави-сят от расположения нагревательных приборов относительно точки нагрева в тепловом пункте. С этим обстоятельством связаны труд-ность гидравлической увязки циркуляционных колец приборов разных этажей, а также возможность регулировки, гидравлической и тепловой неустойчивости двухтрубных систем. По этой причине применение двухтрубных систем с верхней разводкой ограниченно зданиями до четырех этажей и установка нагревательных приборов ниже точки нагрева в тепловом пункте не допускается.


Определение ∆ Р_е в однотрубных системах отопления

В однотрубных системах отопления нагревательные приборы соединены по теплоносителю последовательно, поэтому каждый последующий прибор получает воду с более низкой температурой.

Рассмотрим отопительный контур (рис. 17) через участки стояка и замыкающий участок “аб” нагревательного прибора. Чтобы определить ∆Р_е в контуре, нужно вычислить температуру воды на всех участках. Для вычисления температуры теплоно-сителя на участках стояка между нагревательными приборами смежных этажей нужно знать доли их теплоотдачи q в общей теплоотдаче стояка, которая прини-мается за единицу

q₁ + q₂ +…+ q_n = 1.

Перепады температуры на участках стояка между точками смешения воды (“а” и “б”), выходящей из приборов и идущей по стояку, пропорциональны долям q теплоотдачи приборов. В дан-ном случае при общей теплоотдачи стояка, соответствующей пол-ному перепаду температур долям теплоотдачи для приборов 1-го этажа соответствует перепад ∆t₁ = q₁ (t_г – t₀), а для приборов 2-го этажа ∆t₂ = q₂ (t_г – t₀). Поскольку здание двухэтажное, неизвестной является только температура на участке стояка “аб”, равная температуре смеси t_см воды, идущей по стояку, с водой, поступающей из прибора 2-го этажа. Согласно последнему уравнению, t_см может быть найдена следующим образом

∆t₂ = t_г – t_см и ∆t₂ = q₂ (t_г – t₀)

t_г – t_см = q₂ (t_г – t₀),

отсюда

t_см = t_г – q₂ (t_г – t₀).




Рис. 17. Определение ∆ Р_е в однотрубных системах отопления


В общем случае при большом числе приборов на стояке температура смеси воды t_см.х. в произвольном сечении “Х” стояка между смежными приборами будет равна

t_см.х. = t_г – Σ q (t_г – t₀)

где Σ q – доля теплоотдачи всех приборов верхних этажей до сече-ния “Х” в общей теплоотдаче стояка.

Зная температуру смеси легко установить значение гравита-ционного циркуляционного давления. Для этого можно восполь-зоваться способом сопоставления столбов воды, как это было сделано ранее, и тогда

∆ Р_е = g h₁ (ρ₀ – ρ_г) + g h₂ (ρ_см – ρ_г).

Особенность однотрубных систем состоит в том, что значение ∆Р_е одно для всего стояка и прямо не связано с отдельными приборами. Это облегчает гидравлическую увязку отдельных колец системы. Во время работы система устойчива в гидравлическом и тепловом отношении. Для однотрубной системы нет ограничений в расположении приборов ниже точки нагрева и в применении ее в зависимости от этажности здания.


Паровое отопление

В системах парового отопления теплоносителем служит пар. Пар образуется при кипении воды в паровом котле при постоянном давлении. Так как температура воды при этом остается неизменной, тепло, подводимое к ней, расходуется на ее испарение. Это тепло называют скрытой теплотой парообразования, а водяной пар – сухим насыщенным паром. Пар из котла по паропроводам поступает в нагревательные приборы. В нагревательных приборах пар охлаждается и конденсируется, выделяя при этом скрытое тепло. Конденсат по конденсатопроводам возвращается в котел. Нужно отметить, что массовая теплопроизводительность пара в 500 раз больше, чем воды.

Системы парового отопления подразделяют на вакуум-паровые, низкого давления и высокого давления. В свою очередь их делят:

1) по связи с атмосферой – на открытые, сообщающиеся с атмосферой и закрытые – не сообщающиеся с атмосферой;

2) по способу возврата конденсата в котел на замкнутые, с непосредственным возвратом конденсата в котел и разомкнутые, с возвратом конденсата в конденсатный бак и последующей перекачкой его из бака в котел;

3) по схеме расположения трубопроводов на двухтрубные и однотрубные.

Системы парового отопления находят в настоящее время применение во вспомогательных производственных и бытовых помещениях при непродолжительном пребывании людей тех промышленных предприятий, где пар производится для технологических нужд.


Воздушное отопление

В системах воздушного отопления теплоносителем является воздух, который нагревается в калорифере за счет первичного теплоносителя. Первичным теплоносителем может быть пар, вода и отходящие газы.

Воздух имеет малую плотность и низкую удельную теплоем-кость, в связи с чем для передачи даже небольшого количества тепла требуется перемещать значительные объемы воздуха, затраты энергии при этом оказываются больше, чем при транспортировке такого же количества тепла с помощью воды или пара.

Системы воздушного отопления классифицируются по следующим признакам:

1. по способу побуждения движения воздуха они могут быть с естественной циркуляцией и механическим побуждением;

2. по месту приготовления воздуха они могут быть местными и центральными;

3. системы воздушного отопления могут выполнять функции только отопительные или совмещенные с вентиляцией. В первом случае системы обычно полностью рециркуляционные, во втором – с частичной рециркуляцией или прямоточные. При этом количество наружного воздуха определяется требованиями вентиляции;

4. по качеству подаваемого воздуха системы делятся на три типа: с полной рециркуляцией, с частичной рециркуляцией и прямоточные.

В системах с полной рециркуляцией воздух нагревается в калорифере, подается в помещение, а затем остывший вновь подается в помещение. Вредности в воздухе накапливаются и гигиена помещения снижается. Такое отопление используют как резервное или в нерабочих помещениях. У этого вида отопления высокая экономичность.

В системах с частичной рециркуляцией смесь наружного и ре-циркуляционного воздуха нагревается в калорифере. Объем наружного воздуха определяется требованиями вентиляции. Из помещения нагретый воздух с ассимилируемыми вредностями частично удаляется.

В прямоточных системах воздух из воздухозаборной шахты пропускается через калорифер и подается нагретым в помещение. Там он отдает свое тепло и ассимилирует вредности, а затем удаляется из помещения. Эта система обладает самыми высокими гигиеническими качествами, но характеризуется самыми высокими потерями тепловой энергии, уходящей вместе с отработанным воздухом.

Наиболее совершенной в гигиеническом и технико-экономи-ческом отношении является система воздушного отопления с рекуперацией теплоты отработанного воздуха, когда на выходе ставится теплообменник для подогрева приточного воздуха.

В центральных системах отопления подача воздуха в помещение может осуществляться как с помощью воздуховодов, так и сосредоточенно. Отопление с сосредоточенной подачей воздуха получило применение в больших объемах (кинотеатры, торговые и выставочные залы, плавательные бассейны, гимнас-тические залы и т.д.). При этой системе тепло распределяется по объему помещения равномерно, а отсутствие воздуховодов делает систему экономически выгодной.

В настоящее время большое внимание уделяется комбиниро-ванной системе отопления. Это упрощенная система водяного отопления, создающая устойчивое фоновое отопление (+5⁰С ÷ +10⁰С) и воздушное отопление. Применяют для отопления общест-венных зданий, где люди не находятся постоянно.

Кроме этого воздушное отопление применяют для создания воздушных завес в проемах через которые проходит большое количество людей или двигается транспорт.

Основным преимуществом воздушного отопления являются повышенные санитарно-технические показатели (отсутствие нагре-вательных приборов в помещении).

Основные недостатки – большой объем воздуховодов, слож-ность регулировки температуры и повышенные требования к гер-метичности воздуховодов.

Количество воздуха подаваемое в помещение для отопления определяем по формуле

кг/час

где Q – теплопотери, возмещаемые системой воздушного отоп-ления, кДж/час; С – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг ⁰С; t_в – температура воздуха при выходе из калорифера, ⁰С; t_у – темпе-ратура воздуха уходящего из помещения, ⁰С.


Воздух подается в помещение с температурой

.

Панельно-лучистое отопление

Данная система отопления конструктивно отличается от рас-смотренных систем тем, что здесь отопительными приборами явля-ются части здания – панели стен, пола или потолка. В качестве теп-лоносителя в этих системах используется вода, реже пар или горя-чий воздух. Иногда используются электрические нагреватели, за-моноличенные в потолок. При лучистом отоплении около 75% всей теплоты, необходимой для отопления, помещение получает лучеис-пусканием, а 25% – конвекцией. При этом ощущение теплового комфорта у человека достигается при более низкой температуре (на 2 – 4 градуса), чем при обычных системах отопления, так как уменьшается теплоотдача от людей к ограждениям за счет более высокой температуры последних. Это позволяет на 10 – 15% сок-ратить расход теплоты и соответственно топлива на отопление.

Наибольшее распространение в системах панельно-лучистого отопления нашли отопительные панели, являющиеся конструк-циями здания, в которые заложены трубы. Они образуют каналы змеевиковой или регистровой формы для циркуляции горячей воды. Панели бывают стеновые, подоконные и напольные. Отопительные панели могут быть и приставные. В этом случае их монтируют на поверхности строительных ограждений, и они представляют собой металлическую листотрубную конструкцию.

Несмотря на санитарно-гигиенические, архитектурно-эстетические и экономические преимущества панельно-лучистого отопления, широкого применения оно пока не получило. Это вызвано рядом существенных недостатков: сложностью выпол-нения ремонтов и осмотров и ремонтов, регулирования тепло-отдачи и устранения засорения труб.