Теплообменные аппараты. Классификация, методы расчёта их размеров. Отопительные приборы, их характеристики, размещение в помещениях

Теплообменные аппараты [1, с.72-73]

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителей в них используют пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела. По принципу действия и конструктивному оформлению теплообменники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативные аппараты (рекуператоры) – теплопередача от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит через разделяющую их твёрдую стенку, например, стенку трубы. Примером таких теплообменников могут быть котельный агрегат, нагревательный прибор и т.п.

 

 

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей теплообменники этого типа подразделяются на противоточные (рис. 5.1а), прямоточные (рис. 5.1б) и перекрёстные (рис. 5.1в)

Регенеративные аппараты (регенераторы) – процесс теплообмена происходит в условиях нестационарного режима. Имеют специальные насадки из огнеупорного кирпича или других материалов, которые поочерёдно омываются то греющим, то нагреваемым теплоносителями. В первом случае насадка регенератора аккумулирует теплоту от греющего теплоносителя, а затем отдаёт её при омывании насадков нагреваемым теплоносителем.

Примером регенеративных теплообменников могут служить регенераторы стекловаренных и мартеновских печей, куперы доменных печей. С помощью таких теплообменников утилизируется теплота отходящих газов агрегатов и экономится топливо.

Смесительные теплообменники – процесс теплообмена осуществляется при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей. Примером смесительных теплообменников могут служить скруббер, градирня – устройства, в которых теплообмен между газом и жидкостью происходит при контакте распыленной на капли жидкости с газом.

Рекуперативные и регенеративные теплообменники называют поверхностными, а смесительные – контактными.

Расчёт теплообменных аппаратов [1, с.73-76]

Тепловые расчёты теплообменников разделяются на проектные (конструктивные) и поверочные.

Целью конструктивного расчёта является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданного теплового потока (при заданных параметрах греющего и нагреваемого теплоносителей).

Поверочный расчёт теплообменника выполняется, если известна поверхность теплообмена, начальные температуры теплоносителей, их теплоёмкости и расход, а определяемыми являются конечные температуры теплоносителей и передаваемый тепловой поток.

Тепловой расчёт теплообменного аппарата базируется на двух основных уравнениях: теплового баланса и теплопередачи.

При конструктивном тепловом расчёте площадь рабочей поверхности теплообменника F, м², определяется из основного уравнения теплопередачи:

 

F=Q/(k D t _ср),                                                                                   (5.1)

 

где: Q – тепловой поток через поверхность теплообмена, Вт;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/м²К;

D t _ср - средний температурный напор по всей поверхности нагрева, °С.

Из этого уравнения следует, что при определении поверхности теплообмена задача сводится к вычислению коэффициента k и среднего по всей поверхности температурного напора D t _ср.

Коэффициент теплопередачи k зависит от вида и скорости движения теплоносителя, параметров его состояния, материала стенок, через которые передаётся теплота, от степени их загрязнения и др.

В процессе теплообмена температура теплоносителей не остаётся постоянной. Поэтому величина движущей силы теплообмена – температурного напора по длине аппарата меняется и зачастую существенно. В расчётах аппаратов используется среднее значение температурного напора D t _ср. Если отношение разности температур теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него не превышает 1,7, то D t _ср определяется как среднеарифметическое большего (D t _б) и меньшего (D t _м) перепадов, т.е.:

 

D t _ср =(D t _б + D t _м)/2.                                                                            (5.2)

 

При D t _б / D t _м >1,7, то D t _ср определяют из выражения:

 

.,                                                                               (5.3)

 

а температурный напор называется среднелогарифмическим.

Отопительные приборы [1, с.174-188]

Отопительные приборы являются основным элементом системы отопления и должны отвечать комплексу требований.

Теплотехнические требования. Отопительные приборы должны хорошо передавать теплоту от теплоносителя (воды или пара) отапливаемым помещениям, т.е. чтобы коэффициент теплопередачи их был как можно выше (не менее 9-10 Вт/м²К). Для современных конструкций отопительных приборов он находится в пределах 4,5-17 Вт/м²К.

Санитарно-гигиенические требования. Конструкция и форма (вид) поверхности прибора не должны приводить к скоплению пыли и позволяли её легко удалять.

Технико-экономические требования: минимальная заводская стоимость; минимальный расход металла; соответствие конструкции прибора требованиям технологии их массового производства; секционность, позволяющая компоновать прибор с требуемой площадью поверхности нагрева.

Архитектурно-строительные требования. Сокращение площади, занимаемой отопительными приборами, и обеспечение их приятного внешнего вида.

Монтажные требования. Конструкция прибора должна благоприятствовать автоматизации производства и быть удобной в монтаже. Приборы должны быть прочными, удобными для транспортировки и монтажа, а их стенки паро- и водонепроницаемыми, температуроустойчивыми.

Отопительные приборы, применяемые в системах центрального отопления, подразделяются:

- по преобладающему способу теплоотдачи:

· радиационные (подвесные панели);

· конвективно-радиационные (приборы с гладкой внешней поверхностью);

· конвективные (конвекторы с ребристой поверхностью и ребристые трубы);

- по виду материала:

· металлические (чугунные из серого чугуна и стальные из листовой стали и стальных труб);

· малометаллические (комбинированные);

· неметаллические (керамические радиаторы, бетонные панели с заделанными стеклянными или пластмассовыми трубами или с пустотами, вообще без труб и др.);

- по характеру внешней поверхности:

· гладкие (радиаторы, панели, гладкотрубные приборы);

· ребристые (конвекторы, ребристые трубы, калориферы).

Радиаторы чугунные. Промышленность выпускает секционные и блочные чугунные радиаторы. Секционные радиаторы собирают из отдельных секций, блочные – из блоков в две-четыре секции. Секции радиаторов, в зависимости от числа вертикальных каналов, подразделяются на одно-, двух- и многоканальные. Наибольшее распространение получили двухканальные секции (лучше отвечают санитарно-гигиеническим требованиям).

Отдельные блоки или секции соединяют между собой посредством ниппелей из ковкого чугуна, имеющих наружную правую и левую резьбу и два выступа внутри для ключа. Ниппели ввёртывают одновременно вверху и внизу в две секции или в два блока.

 

 

Наиболее распространены чугунные радиаторы МС-140, МС-90, М-90 с двумя колоннами по глубине (рис. 5.2).

Радиаторы МС-140 и МС-90 рассчитаны на избыточное давление до 0,9 МПа, что расширяет область их применения, все остальные чугунные радиаторы – до 0,6 МПа. У всех названных радиаторов в отличие от снятого с производства радиатора М-140-АО отсутствует межколонное оребрение, что наряду с другими конструктивными особенностями определяет их улучшенные гигиенические и эстетические качества.

По монтажной высоте радиаторы подразделяют на высокие – 1000 мм, средние – 500 мм, низкие – 300 мм. Наиболее широко применяют средние радиаторы. Каждый радиатор имеет четыре чугунные пробки, ввёрнутые в ниппельные отверстия крайних секций; две из них – сквозные, с внутренней резьбой 15-20 мм – служат для присоединения приборов к трубопроводам.

 

Производство чугунных радиаторов требует большого расхода металла, приводит к загрязнению окружающей среды, они трудоёмки в изготовлении и монтаже. Поэтому, несмотря на их достоинства (коррозионностойкость, отлаженность технологии изготовления и др.) их производство сокращается.

Радиаторы стальные. Промышленностью выпускаются однорядные и двухрядные стальные панельные радиаторы: штампованные колончатые типа РСВ1 и штампованные змеевиковые типа РСГ2.

Однорядный стальной штампованный радиатор типа РСВ1 (рис. 5.3а) состоит из двух штампованных стальных листов толщиной 1,4-1,5 мм, соединённых между собой контактной сваркой и образующих ряд параллельных вертикальных каналов, объединённых сверху и снизу горизонтальными коллекторами.

Панель стального радиатора РСГ2 (рис. 5.3б), как и радиатора РСВ1 состоит из двух стальных листов толщиной 1,4-1,5 мм, соединённых между собой контактной сваркой и образующих ряд горизонтальных каналов для прохода теплоносителя.

Стальные радиаторы типа РСВ1 и РСГ2 по сравнению с литыми чугунными имеют примерно вдвое меньшую массу, на 25-30% дешевле, на транспортирование и монтаж требуются меньшие затраты. Благодаря малой строительной глубине их удобно устанавливать открыто под окнами и у стены.

Область применения стальных радиаторов-панелей ограничена системами отопления, использующими обработанную теплофикационную воду, корродирующее действие которой незначительно.

Ребристые трубы. Ребристые трубы изготавливают чугунными длиной 0,5; 0,75; 1; 1,5 и 2 м с круглыми рёбрами и поверхностью нагрева 1; 1,5; 2; 3 и 4 м² (рис. 5.4). На концах трубы предусмотрены фланцы для присоединения их к фланцам трубопроводов системы отопления.

Оребрённость прибора увеличивает теплоотдающую поверхность, но затрудняет очистку его от пыли и понижает коэффициент теплопередачи. Ребристые трубы в помещениях с продолжительным пребыванием людей не устанавливают.

 

Конвекторы. В последние годы стали широко применяться конвекторы – отопительные приборы, передающие теплоту в основном конвективным путём.

Конвектор «Аккорд» (рис. 5.5) – предназначен для систем отопления жилых, общественных и производственных зданий с температурой теплоносителя до 150°С и давлением до 1 МПа. Состоит из двух электросварных труб диаметром 20 мм и П-образных пластин оребрения, изготовляемых из листовой стали толщиной 0,8 мм. Поверхность конвекторов покрывается эмалью ПФ-115.

Выпускается восемь типоразмеров конвекторов (проходных и концевых) в однорядном исполнении с площадью поверхности 0,98-3,26 м² и восемь типоразмеров конвекторов (концевых) в двухрядном по высоте исполнении с площадью поверхности нагрева 1,95-6,50 м². Высота конвекторов 300 мм (однорядного) и 645 мм (двухрядного).

Конвектор «Север» по конструкции аналогичен конвектору «Аккорд», но П-образные пластины штампуются из дюралюминиевой ленты или листа толщиной 1 мм. Выпускается 18 типоразмеров конвекторов «Север» (проходных и концевых).

Также выпускаются промышленностью и другие типы конвекторов - конвектор «Ритм» с кожухом напольный низкий, предназначенный для общественных зданий; «Комфорт»; КВ; «Универсал» и другие.

Размещение и установка отопительных приборов в помещении [1, с.188-193]

Отопительные приборы системы центрального отопления размещают у наружных стен (рис. 5.6), преимущественно под окнами, так как в результате уменьшаются холодные токи воздуха вблизи окон. С целью минимального выступа приборов в помещение в стене часто делают ниши глубиной до 130 мм. При такой глубине коэффициент теплопередачи прибора принимают такой же, как и для прибора, установленного без ниши.

Тип отопительного прибора выбирают в соответствии с характером и назначением данного здания и помещения. При повышенных санитарно-гигиенических требованиях рекомендуются приборы с гладкой поверхностью, лучше всего панельные, совмещённые со строительными конструкциями; при нормальных санитарно-гигиенических требованиях можно применять приборы с гладкой и с ребристой поверхностью, причём следует выбирать не более одного-двух типов приборов для всего здания; при пониженных санитарно-гигиенических требованиях в помещениях, предназначенных для кратковременного пребывания людей, используются приборы любого вида, предпочтение следует отдавать приборам с высокими технико-экономическими показателями.

 

 

Рекомендации по выбору отопительных приборов и предельная температура на их поверхности приведены в приложении 10 [4].

 

Лекция 6

 

Системы отопления. Классификация и характеристики различных систем отопления. Теплопроводы систем отопления, их размещение

Системы отопления. Общие сведения [1, с.121-123]

Система отопления (СО) представляет собой комплекс элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты в обогреваемые помещения. Каждая СО включает в себя три основных элемента (рис. 6.1): теплогенератор 1, служащий для получения теплоты и передачи её теплоносителю; система теплопроводов 2 для транспортировки по ним теплоносителя от теплогенератора к отопительным приборам; отопительные приборы 3, передающие теплоту от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения 4.

В качестве теплогенератора для СО может служить отопительный котельный агрегат, в котором сжигается топливо, а выделяющаяся теплота передаётся теплоносителю, или любой другой теплообменный аппарат, использующий иной, чем в СО теплоноситель.

Требования к СО:

 

 

- санитарно-гигиенические – обеспечение требуемых соответствующими нормами температур воздуха в помещении и поверхностей наружных ограждений;

- экономические – обеспечение минимума приведенных затрат по сооружению и эксплуатации, минимальный расход металла;

- строительные – обеспечение соответствия архитектурно-планировочным и инструктивным решениям здания;

- монтажные – обеспечение монтажа индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров;

- эксплуатационные – простота и удобство обслуживания, управления и ремонта, надёжность, безопасность и бесшумность действия;

- эстетические – хорошая сочетаемость с внутренней архитектурной отделкой помещения, минимальная площадь, занимаемая СО.

Классификация систем отопления [1, с.123-128]

1. По взаимному расположению основных элементов СО.

- центральные – предназначены для отопления нескольких помещений из одного теплового пункта, где находится теплогенератор (котельная, ТЭЦ). В таких системах теплота вырабатывается за пределами отапливаемых помещений, а затем с помощью теплоносителя по теплопроводам транспортируется в отдельные помещения здания. Теплота при этом через отопительные приборы передаётся воздуху отапливаемых помещений, а теплоноситель возвращается в тепловой пункт.

Центральными могут быть системы водяного, парового и воздушного отопления. Примером центральной СО может служить система водяного отопления здания с собственной (местной) котельной.

- местные – такие СО, в которых все три основных элемента конструктивно объединены в одном устройстве, установленном в обогреваемом помещении.

Примером местной СО может служить отопительная печь (теплогенератор – топливник; теплопроводы – газоходы печи; отопительные приборы – стенки печи). Кроме того, к местному отоплению относят отопление газовыми и электрическими приборами, а также воздушно-отопительными агрегатами.

2. По виду теплоносителя.

- водяные;

- паровые;

- воздушные;

- комбинированные (пороводяные, паровоздушные).

3. По способу циркуляции теплоносителя.

- с естественной циркуляцией – за счёт разности плотностей холодного и горячего теплоносителя;

- с искусственной циркуляцией – за счёт работы насоса.

4. По параметрам теплоносителя.

- водяные низкотемпературные – с водой, нагретой до 100°С;

- водяные высокотемпературные – с температурой воды более 100°С;

- паровые низкого давления – давление пара р=0,1-0,17 МПа;

- паровые высокого давления - давление пара р=0,17-0,3 МПа;

- вакуум-паровые - давление пара р<0,1 МПа.

Системы водяного отопления. Устройство, принцип действия [1, с.129-135, 146-151]

 

 

Водяное отопление благодаря ряду преимуществ перед другими системами получило в настоящее время наиболее широкое распространение. Для уяснения устройства и принципа действия системы водяного отопления рассмотрим схему системы на рис. 6.2.

Вода, нагретая в теплогенераторе (например, котле или другом источнике тепловой энергии) 4 до температуры t _г поступает через теплопровод – главный стояк 5 в подающие магистральные теплопроводы (соединительные трубы между главным стояком и подающими стояками) 6. По подающим магистральным теплопроводам горячая вода поступает в подающие стояки 7 (соединительные трубы между подающими магистралями и подающими подводками к отопительным приборам). Затем по подающим подводкам (соединительным трубам между стояками и отопительными приборами) 8 горячая вода поступает в отопительные приборы 9, через стенки которых теплота передаётся воздуху помещения. Из отопительных приборов охлаждённая вода с температурой t _о по обратным подводкам 10, обратным стоякам 11 и обратным магистральным теплопроводам 12 возвращается в теплогенератор 4, где она снова подогревается до температуры t _г, и далее циркуляция происходит по замкнутому кольцу.

В системе отопления имеется расширительный бак 1, предназначенный для вмещения прироста объёма воды при её нагревании, а также для удаления через него воздуха в атмосферу как при заполнении системы водой, так и в период её эксплуатации (в случае открытого расширительного бака). Для регулирования теплоотдачи отопительных приборов на подводках к ним устанавливают регулировочные краны.

Как видно из вышеизложенного, системы водяного отопления включают в себя следующие основные элементы: теплогенератор, главный стояк, магистральные теплопроводы, стояки (ветви), подводки, отопительные приборы, расширительный бак, запорно-регулирующую арматуру.

Системы водяного отопления классифицируют по следующим признакам:

- по способу создания циркуляции – с естественной циркуляцией (гравитационные) и с искусственной циркуляцией (насосные);

- по схеме включения отопительных приборов в стояк или ветвь – двухтрубные (отопительные приборы присоединены по теплоносителю параллельно) и однотрубные (приборы присоединены по теплоносителю последовательно);

- по направлению объединения отопительных приборов – вертикальные (приборы, расположенные на разных этажах последовательно присоединяются к общему вертикальному теплопроводу-стояку) и горизонтальные (к общей горизонтальной ветви присоединяются приборы, находящиеся на одном этаже);

- по месту расположения подающих и обратных магистралей – с верхним расположением подающих магистралей (верхняя разводка) (подающие - по чердаку или под потолком верхнего этажа, обратные – по подвалу, над полом первого этажа или в подпольных каналах) и с нижним расположением обеих магистралей (нижняя разводка) (по подвалу, над полом первого этажа или в подпольных каналах);

- по направлению движения воды в подающих и обратных магистралях – тупиковые (горячая и охлаждённая вода в магистралях движется в противоположных направлениях) и с попутным движением.

Теплопроводы систем отопления [1, с.136-145]

В системах центрального отопления трубы предназначены для подачи в отопительные приборы и отвода из них расчётного количества теплоносителя, поэтому их называют теплопроводами.

Теплопроводы вертикальных систем отопления подразделяют на магистрали, стояки и подводки к отопительным приборам. В горизонтальных системах также имеются и горизонтальные ветви.

В системах центрального отопления рекомендуются к использованию при теплоносителе воде и наружных диаметрах до 60 мм стальные неоцинкованные (чёрные) водогазопроводные лёгкие трубы, а при теплоносителе паре – обыкновенные трубы (ГОСТ 3262-75*). Электросварные трубы (по ГОСТ 10704-76*) могут применяться как при воде, так и при паре независимо от диаметра. Наиболее распространение в технике отопления имеют трубы водогазопроводные обыкновенные. Трубы электросварные применяются в основном для магистральных теплопроводов. Соединяются они посредством сварки и с помощью фланцев.

Водогазопроводные трубы отличаются более толстыми стенками (что позволяет нарезать на концах труб резьбу). Для соединения водогазопроводных труб, изменения их направления и диаметра применяют соединительные части (муфты, тройники, крестовины, футорки).

 

 

Теплопроводы систем отопления следует прокладывать открыто; скрытая прокладка (в бороздах) должна быть обоснована (например, для помещений, к которым предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования). Трубы, проходящие через перекрытия, внутренние стены и т.п. прокладывают в гильзах, чтобы обеспечить их свободное перемещение при температурном расширении.

Размещение стояков. Стояки размещают, как правило, у наружных стен, в угловых помещениях – в холодных углах.

Размещение магистралей. Определяется назначением и шириной здания, видом системы отопления. В производственных зданиях магистрали прокладывают по стенам, колоннам под потолком, в средней зоне или у пола. В ряде случаев по технологическим соображениям магистрали размещают в технических этажах и подпольных каналах.

Схемы прокладки магистральных трубопроводов систем водяного отопления гражданских зданий показаны на рис. 6.3 (а,б,в – на чердаках; г, д, е – в подвалах; а, б, г, д – тупиковая схема; в, е – попутная схема движения теплоносителя).

Компенсация удлинения теплопроводов. Поскольку температура теплоносителя в СО составляет 30-150°С, то стальные теплопроводы, нагреваясь, удлиняются.

Температурное удлинение теплопроводов, D l, мм, определяется по формуле:

 

D l= a (t₁-t₂)l,                                                                                    (6.1)

 

где: a - коэффициент линейного расширения мягкой стали, равный 0,012 мм/(м°С);

t ₁ - температура теплопроводов, °С;

t ₂ - температура воздуха, окружающего теплопровод, °С;

l - длина участка теплопровода, м.

В системах водяного отопления, где колебания температуры и длина прямолинейных участков сравнительно невелики, а также имеется много углов и поворотов, компенсаторы не требуются. В зданиях высотой более семи этажей для компенсации удлинения стояков, главных стояков и длинных прямолинейных участков магистралей применяют П-образные компенсаторы, размеры которых рассчитывают.

Изоляция теплопроводов. При прокладке теплопроводов в местах, где возможно замерзание теплоносителя или где наличие горячих поверхностей опасно в пожарном отношении, а также для снижения бесполезных потерь теплоты на участках, где теплоотдача не нужна, теплопроводы покрывают теплоизоляцией. На теплопроводы наносят мастику (материал в тестообразном состоянии), либо обматывают их слоем стекловаты или теплоизоляционными жгутами и лентами, либо покрывают заранее заготовленными сегментами.

Уклоны теплопроводов. Чтобы обеспечить удаление воздуха из системы водяного отопления, попадающего в неё при заполнении системы, а также растворённого в воде, теплопроводы прокладывают с уклоном к горизонтали не менее 0,002 (2 мм на 1 м длины). В системах водяного отопления с естественной циркуляцией уклон увеличивают до 0,05-0,01. Иногда по местным условиям допускается прокладка теплопроводов горизонтально (без уклонов). При этом должна быть обеспечена скорость движения воды более 0,25 м/с.

Запорно-регулирующая арматура. Для пуска системы в работу по частям, а также выключения отдельных ветвей системы для ремонта на магистральных теплопроводах устанавливают вентиля, задвижки или краны пробковые сальниковые (рис. 6.4а, в). На стояках систем водяного отопления для гидравлической регулировки, отключения и опорожнения их ставятся запорные прямоточные вентили с косым шпинделем (рис. 6.4б) и краны пробковые сальниковые бронзовые (рис. 6.4в).

 

 

В зданиях высотой до трёх этажей отключающая арматура на стояках не ставится, за исключением лестничных клеток, где она должна быть предусмотрена независимо от этажности здания.

На подводках к приборам двухтрубных систем водяного отопления устанавливают краны двойной регулировки типа КРДШ (рис. 6.4г) и типа «Термис», обладающие повышенным гидравлическим сопротивлением, что способствует равномерности распределения воды по отопительным приборам.

На подводках к приборам однотрубных систем водяного отопления используют трёхходовые краны КРТП (рис. 6.4е) и КРПШ (с поворотной заслонкой и шиберные), обладающие пониженным гидравлическим сопротивлением, что обеспечивает затекание в отопительные приборы достаточного количества воды для их хорошего прогрева.

Удаление воздуха из СО.

 

Лекция 7

 

Гидравлический расчёт систем отопления

Общие положения [1, с.151-159]

Системы отопления (СО) представляют собой разветвлённую сеть теплопроводов, выполняющих важную функцию распределения теплоносителя по отопительным приборам. Целью гидравлического расчёта является определение диаметров теплопроводов при заданной тепловой нагрузке и расчётном циркуляционном давлении, установленном для данной системы.

При движении реальной жидкости по трубам всегда имеют место потери давления на преодоление сопротивления двух видов – на трение и в местных сопротивлениях. К местным сопротивлениям относятся тройники, крестовины, отводы, вентиля, краны, отопительные приборы, котлы и т.д. (другими словами, это локальные элементы системы, в которых скорость движения теплоносителя изменяется или по величине, или по направлению).

Потери давления R _т, Па, на преодоление трения на участке теплопровода с постоянным расходом теплоносителя и неизменным диаметром, определяется по формуле:

 

,                                                                            (7.1)

 

где: d – диаметр теплопровода, м;

l - коэффициент гидравлического трения;

w – скорость движения теплоносителя, м/с;

r - плотность теплоносителя, кг/м³;

R – удельные потери давления, Па/м;

l - длина участка теплопровода, м.

Потери давления на преодоление местных сопротивлений, Па, определяются так:

 

,                                                                                    (7.2)

 

где: S z – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке теплопровода.

Суммарные потери давления, возникающие при движении теплоносителя в теплопроводе циркуляционного кольца, должны быть меньше расчётно-циркуляционного давления, устанавливаемого для данной системы. Под расчётным циркуляционным давлением понимается давление, необходимое для поддержания принятого гидравлического режима СО.

При расчёте главного циркуляционного кольца (наиболее неблагоприятного в гидравлическом отношении циркуляционного контура) рекомендуется предусматривать запас давления на неучтённые сопротивления, но не более 10% расчётного давления:

 

S (Rl + Z) _гцк =0,9 D р_р.                                                                         (7.3)

Методика гидравлического расчёта [1, с.159-171]

1. До гидравлического расчёта теплопроводов выполняют аксонометрическую схему СО со всей запорно-регулирующей арматурой. К составлению такой схемы приступают после того, как:

- подсчитана тепловая мощность СО здания;

- выбран тип отопительных приборов и определено их число для каждого помещения;

- размещены на поэтажных планах здания отопительные приборы, подающие и обратные стояки, а на планах чердака и подвала – подающие и обратные магистрали;

- выбрано место для теплового пункта или котельной;

- показано на плане чердака или верхнего этажа (при совмещённой крыше) размещение расширительного бака и приборов воздухоудаления.

На планах этажей, чердака и подвала подающие и обратные стояки СО должны быть пронумерованы, а на аксонометрической схеме кроме стояков нумеруют все расчётные участки циркуляционных колец, а также указывают тепловую нагрузку и длину каждого участка.

Расчётным участком называют участок теплопровода с неизменным расходом теплоносителя.

2. Выбирают главное циркуляционное кольцо. В тупиковых схемах однотрубных систем за главное принимается кольцо, проходящее через дальний стояк, а в двухтрубных системах – кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка.

 

3. Определяют расчётное циркуляционное давление D р_р.

 

D р_р = D р_нас+ D р_е = D р_нас+ E (D р_е.пр+ D р_е.тр).                                          (7.4)

 

где: D р_нас – циркуляционное давление, создаваемое насосом или элеватором, Па;

E – коэффициент, определяющий долю максимального естественного давления, которую целесообразно учитывать в расчётных условиях;

D р_е.пр – давление, возникающее в системе за счёт охлаждения воды в отопительных приборах, Па;

D р_е.тр – давление, возникающее в системе за счёт охлаждения воды в теплопроводах, Па.

4. При расчёте по методу удельных потерь давления для предварительного выбора диаметров теплопроводов определяют среднее значение удельного падения давления по главному циркуляционному кольцу:

 

,                                                                                (7.5)

 

где: k – коэффициент, учитывающий долю потери давления на местные сопротивления от общей величины расчётного циркуляционного давления (k =0,35 – для СО с искусственной циркуляцией, k =0,5 – для СО с естественной циркуляцией);

S l – общая длина расчётного циркуляционного кольца;

D р_р – расчётное циркуляционное давление, Па.

5. Определяют расходы воды на расчётных участках G _уч, кг/ч:

 

,                                                                            (7.6)

 

    где: Q _уч – тепловая нагрузка участка, составленная из тепловых нагрузок отопительных приборов, обслуживаемых протекающей по участку водой, Вт;

c – теплоёмкость воды, кДж/(кг×К);

t _г - t _о – перепад температур воды в системе, °С;

b ₁ и b ₂ – коэффициенты, учитывающие условия установки отопительных приборов;

3,6 – коэффициент перевода Вт в кДж/ч.

Ориентируясь на полученные значения R _ср и G _уч с помощью специальных таблиц можно подобрать оптимальные диаметры труб расчётного кольца. Обычно все данные, получаемые при расчёте теплопровода, заносят в специальную таблицу.

При расчёте отдельных участков теплопровода необходимо иметь в виду следующее:

- местные сопротивления тройников и крестовин относят к расчётным участкам с меньшим расходом теплоносителя;

- местные сопротивления отопительных приборов, котлов и подогревателей учитывают поровну в каждом примыкающем к ним участке.

Если по произведённому расчёту с учётом запаса до 10% расходуемое давление в системе будет больше или меньше расчётного давления D р_р, то на отдельных участках кольца следует изменить диаметры труб.

После расчёта главного циркуляционного кольца рассчитывают параллельные циркуляционные кольца, которые состоят из участков главного кольца (уже рассчитанных) и дополнительных (не общих) участков, ещё не рассчитанных. Производится «увязка» потерь давления, т.е. получение равенства потерь давления на параллельно соединённых дополнительных участках других колец и не общих участках главного кольца.

 

Лекция 8

 

Вентиляция помещений. Элементы систем вентиляции. Расчёт размеров вентиляционных каналов. Кондиционирование воздуха

Общие сведения о вентиляции [1, с.159-171]

Современные условия жизни человека требуют эффективных искусственных средств оздоровления воздушной среды. Этой цели служит техника вентиляции.

Система вентиляции – комплекс инженерных систем и организационных мероприятий, направленных на создание в помещении воздушной среды, удовлетворяющей требованиям санитарных норм. Этого добиваются в результате удаления загрязнённого воздуха из помещения и подачи чистого наружного воздуха.

К факторам, вредное действие которых устраняется с помощью вентиляции, относятся:

- избыточная теплота (конвекционная, вызывающая повышение температуры воздуха, и лучистая);

- избыточная влага – водяные пары, содержащиеся в воздухе;

- газы и пары химических веществ общетоксического или раздражающего действия;

- токсичная и нетоксичная пыль;

- радиоактивные вещества.

Воздухообменом n называется частичная или полная замена воздуха, содержащего вредные выделения, чистым атмосферным воздухом. Количество воздуха L, подаваемого или удаляемого за 1 ч из помещения, отнесённое к его внутреннему объёму V _п, принято называть кратностью воздухообмена. При этом знаком (+) обозначается воздухообмен по притоку, знаком (-) – по вытяжке, т.е.:

 

± n=L/V _п,                                                                                        (8.1)

        Так, если говорят, что кратность воздухообмена равна, например, +2 или –3, то это значит, что в это помещение за 1 ч подаётся двукратное и удаляется из него трёхкратное к объёму помещения количество воздуха.

Классификация систем вентиляции [1, с.159-171]

Системы вентиляции подразделяются:

- по назначению – на приточные (подача чистого наружного воздуха в помещение) и вытяжные (удаление из помещения загрязнённого воздуха);

- по способу перемещения воздуха – на естественную (неорганизованную и организованную) и механическую (искусственную);

- по способу организации воздухообмена – на общеобменная, местную (локализующую), смешанную, аварийную и противодымную.

Общеобменная вентиляция предусматривается для создания одинаковых условий воздушной среды (температуры, влажности, чистоты воздуха и его подвижности) во всём помещении, главным образом в рабочей зоне, когда какие-либо вредные вещества распространяются по всему объёму помещения или нет возможности уловить их в местах выделения. Общеобменная вентиляция может быть как приточной, так и вытяжной, а чаще приточно-вытяжной, обеспечивающей организованный приток и удаление воздуха.

При местной вытяжной вентиляции загрязнённый воздух удаляется прямо из мест его загрязнения. Местная приточная вентиляция применяется в тех случаях, когда свежий воздух требуется лишь в определённых местах помещения (на рабочих местах – воздушные души).

Смешанные системы, применяемые главным образом в производственных помещениях, представляют собой комбинации общеобменной вентиляции с местной.

Аварийные вентиляционные установки предусматривают в помещениях, в которых возможно внезапное неожиданное выделение вредных веществ в количествах, значительно превышающих допустимые. Эти установки включают только в случае, если необходимо быстро удалить вредные выделения.

Противодымная вентиляция предусматривается для обеспечения эвакуации людей из помещений здания в начальной стадии пожара.

Естественная вентиляция [1, с.247-254]

Канальными системами естественной вентиляции называются системы, в которых подача наружного воздуха или удаление загрязнённого осуществляется по специальным каналам, предусмотренным в конструкциях здания, или приставным воздуховодам. Воздух в этих системах перемещается вследствие разности давлений наружного и внутреннего воздуха.

В системах естественной вентиляции величина располагаемого давления, которое расходуется на преодоление сопротивления движению воздуха по каналам и другим элементам системы, незначительна и непостоянна. Поэтому приточную канальную вентиляцию с естественным побуждением в настоящее время почти не применяют.

 

 

Вытяжная естественная канальная вентиляция осуществляется преимущественно в жилых и общественных зданиях для помещений, не требующих воздухообмена больше однократного. Такие системы обычно состоят из вертикальных внутристенных или приставных каналов с отверстиями, закрытыми жалюзийными решётками, сборных горизонтальных воздуховодов и вытяжной шахты (рис. 8.1). Для усиления вытяжки воздуха из помещений на шахте часто устанавливают специальную насадку - дефлектор. Загрязнённый воздух из помещений поступает через жалюзийную решётку в канал, поднимается вверх, достигая сборных воздуховодов, и оттуда выходит через шахту в атмосферу.

Вытяжка из помещений регулируется жалюзийными решётками в вытяжных отверстиях, а также дроссель-клапанами или заслонками, устанавливаемыми в сборном воздуховоде или в шахте.

Каналы и воздуховоды. В настоящее время изготовляют специальные вентиляционные панели или блоки с каналами круглого, прямоугольного или овального сечения. Наиболее рациональной формой сечения канала (или воздуховода) следует считать круглую, так как по сравнению с другими формами она при той же площади поперечного сечения имеет меньший периметр, а, следовательно, и меньшую величину сопротивления тернию.

В современных крупнопанельных зданиях вентиляционные каналы изготовляют в виде специальных блоков или панелей из бетона, железобетона и других материалов.

Если в зданиях внутренние стены кирпичные, то вентиляционные каналы устраивают в толще стен или бороздах, заделываемых плитами (рис. 8.2 а,б). Минимально допустимый размер вентиляционных каналов в кирпичных стенах 1/2´1/2 кирпича (140´140 мм). Толщина стенок канала принимается не менее 1/2 кирпича. В наружных стенах вентиляционные каналы не устраивают.

Если нет внутренних кирпичных стен, устраивают приставные воздуховоды из блоков или плит; минимальный размер их 100´150 мм. Приставные воздуховоды в помещениях с нормальной влажностью воздуха обычно выполняют из гипсошлаковых и гипсоволокнистых плит, а при повышенной влажности воздуха - из шлакобетонных или бетонных плит толщиной 35-40 мм. В отдельных случаях целесообразно изготовлять воздуховоды из асбестоцементных плит, из листовой стали и из пластмассы. Приставные воздуховоды устраивают, как правило, у внутренних строительных конструкций: они могут размещаться у перегородок или компоноваться со встроенными шкафами, колоннами и т.д. (рис. 8.2 в, г, д).

В бесчердачных жилых зданиях вентиляционные каналы часто выводят без объединения в сборный воздуховод.

Расчёт каналов естественной вытяжной вентиляции [1, с.159-171]

В канальных системах естественной вытяжной вентиляции воздух перемещается в каналах и воздуховодах под действием естественного давления, возникающего вследствие разности давлений холодного наружного и тёплого внутреннего воздуха.

Естественное давление D p _е, Па, определяют по формуле:

 

D p _е = h_ig (r _н- r _в ),                                                                               (8.2)

 

где: h_i - высота воздушного столба, принимаемая от центра вытяжного отверстия до устья вытяжной шахты, м;

r _н, r _в - плотность соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/м³.

Расчётное естественное давление для систем вентиляции жилых и общественных зданий согласно СНиП 2.04.05-91 определяется для температуры наружного воздуха +5°С. Считается, что при более высоких наружных температурах, когда естественное давление становится весьма незначительным, дополнительный воздухообмен можно получить, открывая более часто и на более продолжительное время форточки, фрамуги и т.д.

Из анализа выражения (8.2) следует:

1. Верхние этажи здания по сравнению с нижними находятся в менее благоприятных условиях, так как располагаемое давление здесь меньше.

2. Естественное давление становится большим при низкой температуре наружного воздуха и заметно уменьшается в тёплое время года.

3. Охлаждение воздуха в каналах влечёт за собой снижение действующего давления и может вызвать выпадение конденсата со всеми вытекающими последствиями.

4. Горизонтальные участки систем не должны превышать длину 8 м.

Для нормальной работы системы естественной вентиляции необходимо, чтобы выполнялось условие:

 

S (Rl b +Z) a = D p _e,                                                                            (8.3)

 

где: R – удельная потеря давления на трение, Па/м;

l – длина воздуховодов (каналов), м;

Rl – потеря давления на трение расчётной ветви, Па;

Z – потеря давления на местные сопротивления, Па;

D p _e – располагаемое давление, Па;

a – коэффициент запаса, равный 1,1-1,15;

b – поправочный коэффициент на шероховатость поверхностей канала.

В расчёт воздуховодов (каналов) входят следующие этапы:

1. Определение воздухообменов для каждого помещения по кратностям (согласно строительным нормам и правилам соответствующего здания) или по расчёту.

2. Компоновка систем вентиляции (определение мест расположения каналов, шахт, входных отверстий, необходимой арматуры и пр.).

3. Графическое изображение на планах этажей и чердака элементов систем с соответствующими обозначениями и нумерацией.

4. Вычерчивание аксонометрических схем систем с указанием расчётных участков.

5. Аэродинамический расчёт воздуховодов (каналов) выполняют с использованием таблиц или номограмм (которые обычно составлены для стальных воздуховодов круглого сечения при r _в=1,205 кг/м³, t _в=20°С). В них взаимосвязаны величины L, R, v, h _v и d.

Если необходимо выполнить расчёт воздуховодов прямоугольного сечения, следует предварительно определить соответствующую величину равновеликого (эквивалентного) диаметра, т.е. такого диаметра круглого воздуховода, при котором для той же скорости движения воздуха, как и в прямоугольном воздуховоде, удельные потери давления на трение были бы равны.

Эквивалентный диаметр d _э определяется по формуле:

 

d _э =2ab/(a+b),                                                                                (8.4)

 

где: a, b - размеры сторон прямоугольного воздуховода, м.

Методика расчёта воздуховодов (каналов) систем естественной вентиляции:

- для каждого расчётного участка системы принимается скорость движения воздуха;

- по объёму воздуха и принятой скорости движения определяют предварительно площадь сечения каналов;

- выбирают стандартные каналы, по площади наиболее близкие к полученным предварительным значениям;

- для выбранных каналов пересчитывают скорости движения воздуха;

- вычисляют потери давления на трение и в местных сопротивлениях на всех расчётных участках;

- сравнивают полученные суммарные сопротивления с располагаемым давлением. Если эти величины совпадают, расчёт считается законченным. Если же потери давления оказались больше (или меньше) располагаемого давления, то сечения каналов на некоторых участках следует увеличить (или уменьшить).

Общие сведения о кондиционировании воздуха [1, с.159-171]

Системы механической вентиляции, автоматически поддерживающие в помещениях метеорологические условия на уровне заданных независимо от изменяющихся параметров внешней воздушной среды, называются системами кондиционирования воздуха (condition – условие).

Кондиционирование воздуха относится к наиболее современным и технически совершенным способам создания и поддержания в помещениях условий комфорта для человека и оптимальных параметров воздушной среды для производственных процессов, обеспечения длительной сохранности ценностей культуры и искусства и т.п.

Комплекс технических средств, служащих для требуемой обработки воздуха (фильтрации, подогрева, охлаждения, сушки и увлажнения), перемещения его и распределения в обслуживаемых помещениях, устройства для глушения шума, вызываемого работой оборудования, источники тепло- и хладоснабжения, средства автоматического регулирования, контроля и управления, а также вспомогательное оборудование составляют систему кондиционирования воздуха (СКВ). Устройство, в котором осуществляется требуемая тепловлажностная обработка воздуха и его очистка, называется кондиционером.

СКВ применяются для обеспечения в помещениях необходимого микроклимата для нормального протекания технологического процесса и создания комфортных условий. Применение СКВ имеет также социально-экономическое значение, так как использование его улучшает условия работы людей: повышается производительность труда и работоспособность трудящихся, снижается производственный травматизм, заболеваемость и, как следствие, уменьшается текучесть кадров.

По назначению СКВ подразделяют на комфортные, технологические и комфортно-технологические. Системы комфортного кондиционирования применяются в жилых, общественных и промышленных зданиях с целью обеспечения полного постоянного комфорта для находящихся в помещении людей. Если назначение СКВ состоит только в обеспечении требуемых условий протекания производственных процессов, то она называется системой технологического кондиционирования. При комфортно-технологическом кондиционировании параметры воздушной среды, оптимальные для технологического процесса, совпадают или несущественно отличаются от комфортных для человека.

Особенностью систем кондиционирования воздуха является наличие систем автоматики, обеспечивающих устойчивый искусственный микроклимат независимо от внешних условий и технологических процессов, протекающих в помещении.

Системы кондиционирования воздуха разделяют на центральные и местные, круглогодичные и сезонные (для тёплого иди холодного периода года). В центральных системах кондиционирования воздуха кондиционер, где происходят все процессы обработки воздуха, устанавливают вне обслуживаемых помещений, и его раздача ведется по сети воздуховодов. Такие системы обслуживают как отдельные большие помещения, так и группы помещений.

В общественных и промышленных зданиях с различными требованиями к воздушной среде по отдельным помещениям или с различным тепловлажностным режимом устраивают многозональные центральные системы кондиционирования воздуха. В этих случаях здание разделяют в отношении обслуживания на несколько зон, в каждую из которых воздух подается со своими параметрами.

Широкое применение нашли центральные кондиционеры из типовых секций, каждая из которых выполняет определенные технологические функции. Комбинируя секции, можно составить кондиционер с любой схемой обработки воздуха.

В местных системах кондиционирования воздуха кондиционер размещают обычно в кондиционируемом помещении в виде подоконных, шкафных и подвесных агрегатов подачей до 10 тыс. м³/ч.

Такие системы применяют в небольших помещениях — лабораториях, отдельных гостиничных номерах, кабинетах и т.п.

Широкое применение для обслуживания отдельных помещений жилых и административных зданий получили оконные автономные кондиционеры. Это прежде всего объясняется простотой их установки в рабочем помещении, для чего требуется только выполнить отверстие в раме окна, равное по высоте и ширине кожуху агрегата. Кожух закрепляется в отверстии таким образом, что наружу выступает машинное отделение кондиционера, включающее герметичный холодильный компрессор и воздушный конденсатор. В помещение на глубину не более 200 мм из окна выступает воздухообрабатывающее отделение. Тем самым кондиционер оконного типа практически не занимает полезной площади помещения и требуется только подключить его к сети однофазного тока. К оконному типу относятся, например, бытовые кондиционеры БК1500, БК2000 и БК2500, выпускаемые Бакинским заводом бытовых кондиционеров.

К недостаткам кондиционеров оконного типа следует отнести ухудшение внешнего вида зданий при наличии большого числа выступающих из окон машинных отделений. Для устранения этого недостатка созданы автономные кондиционеры по раздельной схеме, состоящие из машинного и воздухообрабатывающего блоков (сплит-системы). При этом машинный блок может размещаться во вспомогательных помещениях (на чердаке, в лоджии и т.п.), не загромождая фасад здания, а воздухообрабатывающий блок размещается в самом помещении и соединяется с машинным блоком двумя медными трубками. Расстояние между блоками составляет до 15 м по длине и 8 м по высоте. Современные конструкции автономных кондиционеров предназначены как для охлаждения, так и для нагрева приточного воздуха.

При проектировании любых установок кондиционирования воздуха необходимо составлять тепловлажностные балансы помещений, в которых должны быть учтены все факторы, влияющие на изменение состояния воздушной среды в самом помещении, а при центральных системах, кроме того, факторы, влияющие на изменение состояния приточного воздуха при транспортировании его от кондиционера до помещения.

На основе данных тепловлажностных балансов определяют тепловую нагрузку для зимнего периода и охлаждающую — для летнего. В соответствии с этим находят объем приточного воздуха с учетом допускаемых перепадов температур D t, выявляют мощности нагревательных и охлаждающих устройств, после чего определяют требуемые мощности тепло- и холодоприготовляющих установок системы.

 

Лекция 9

 

Теплоснабжение. Котельные. Тепловые сети. Классификация тепловых сетей, подключение потребителей к тепловым сетям. Газоснабжение. Наружные и внутренние газопроводы. Газораспределительные и газорегулирующие станции. Безопасность при строительстве и эксплуатации газовых сетей