Основы отопительной техники. Тепловой режим зданий

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» (РУТ (МИИТ) Одобрено кафедрой «ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ЖД ТРАНСПОРТЕ» Протокол № 2.09 от 08 сентября 201 8 г. Автор: Лосавио Н.Г., к.т.н., доцент ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ С ОСНОВАМИ ТЕПЛОТЕХНИКИ Уровень ВО: Бакалавриат Форма обучения: Заочная Курс: 3 Специальность/Направление: 08.03.01 Строительство (СТб) Специализация/Профиль/Магистерская программа: (ГС) Промышленное и гражданское строительство Москва ЛЕКЦИЯ 1 ОСНОВЫ ОТОПИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 1.1. История развития Гипокаустовые системы Первым источником теплоты считается открытый очаг. В начале нашей эры в Риме была разработана очень дорогостоящая система отопления. Через пол прокладывались каналы, по которым пускали отработавшие газы одной или нескольких топок. Эту систему назвали гипокаустовым отоплением. С упадком римской культуры эта система отопления была забыта. Прошло несколько веков, прежде чем стало возможным говорить о появлении другой системы отопления.Первым стало развиваться индивидуальное печное отопление, которое из открытых очагов под дымоходом превратилось сначала в открытые камины, а потом и в закрытые печи. Кафельные печи Применение кафельных печей из керамических материалов значительно улучшило использование теплоты. В 1763 г. Фридрих Великий — вследствие первого дефицита топлива — в то время, прежде всего древесины, начал применять меры по улучшению использования источников отопительной энергии. Результатом стало создание прототипа берлинской печи, который был оборудован несколькими дымоходами. Применение каменного и бурого угля в качестве топлива привело к дальнейшему повышению тепловой мощности. С развитием металлургической промышленности примерно в конце XVIII в., настало время железных печей. Наряду с развитием индивидуального печного отопления в это время стали обдумывать и возможность создания центрального отопления. Швед Мартин Тривальд считается изобретателем первого центрального водяного отопления (1716). Пар В конце XVIII в. с появлением паровой машины была исследована возможность применения пара в качестве теплоносителя. В 1770 г. Джеймс Ватт применил пар для отопления здания своей фабрики, при этом он использовал секционные радиаторы в качестве нагревательных приборов. В это же время в Англии появились первые чугунные котлы. Первые патенты на систему парового отопления были получены в 1791 и 1793 гг., при этом система отопления воздухом уже была запатентована. Несмотря на это, индивидуальное отопление повсеместно доминировало, так как оно было существенно дешевле. Паровое отопление низкого давления В течение XIX в. с развитием техники паровое отопление низкого давления получило самое широкое практическое применение как способ центрального отопления. В 1831 г. Перкинс получил первый патент на систему отопления горячей водой. Он также выполнил исследования с расширительными баками для компенсации изменения объема воды из-за теплового расширения. Центральное отопление теплой водой Центральное водяное отопление было разработано в 1833 г. Англичанином Палькомом. Его система состояла из котла с очень длинным трубопроводом, радиатором также был трубопровод. Предложенная конструкция представляла собой полностью закрытую систему. Первая система центрального отопления из серийно изготовленных деталей была построена в 1860 г. в США. В это же время началось производство чугунных котлов и радиаторов. Закон о паровых котлах В 1870 г. чугунные котлы и радиаторы появились и в Германии. В 1871 г. был издан первый закон о паровых котлах, который содержал в том числе и стандарты безопасности трубопроводов. Литые котлы В 1875 г. Кѐртинг освоил производство первых немецких чугунных котлов. В 1898 г. Будерус начал серийное производство чугунных котлов по собственному патенту. В начале XX в. прогресс ускорился: во-первых, повысились требования к комфорту; вовторых, были разработаны научные основы для расчета систем водяного отопления или парового отопления низкого давления. Профессор Герман Ритшель стал очень известным после выпуска своего «Руководства по расчету устройств отопления и вентиляции». Первые предписания по расчетам Первые предписания по расчету систем отопления появились в 1926 г. с выходом стандарта DIN 4701 «Правила для расчета теплопотребления зданий». В 1901 г. в Дрездене была построена первая в Европе районная паровая отопительная котельная. В 1906 г. Тихельман построил первую районную водяную отопительную котельную, которая работала на принципе естественной циркуляции. Насосы В связи с разработкой насосов (В. Оплэндер) в 1930 г. начали внедрять системы насосного отопления. В 1950 г. были разработаны циркуляционные насосы. При этом значительно расширилось применение систем водяного отопления. Начиная с 1955 г. эти системы совершенно вытеснили в жилищном строительстве системы парового отопления низкого давления. Но внедрение централизованного водяного отопления увеличивалась достаточно медленно. В качестве отопительных батарей применялись, прежде всего, чугунные или стальные радиаторы. Первые стандарты в этой области появились в 1936— 1938 гг. Плоские отопительные батареи С середины 50-х гг. начали применять плоские отопительные батареи из стали. Как для изготовления отопительных батарей, так и для производства котлов стало предпочтительным использование стальных конструкций. Это произошло потому, что в качестве основного источника энергии использовалась нефть. С увеличением доли применения газа также выросло значение чугунных котлов. После первого энергетического кризиса в 1973 г. начались поиски альтернативы ископаемому топливу и возможностей энергосбережения. Одной из таких альтернатив стали новые источники энергии, например солнечная энергия или теплота окружающей среды; с другой стороны, стали применять меры по уменьшению тепловых потерь. Это привело к значительным изменениям в расчете теплопотребления и разработке новых конструкций отопительных приборов. Благодаря развитию экологии как науки и осознанию вреда, который наносится окружающей среде при сжигании горючих ископаемых, развитие техники сжигания также стало изменяться в определенном направлении. Например, уменьшилось количество выбросов отработанного газа, оксидов азота при горении, серы. Добыча горючих ископаемых становится все меньше, и это также ведет к появлению новых разработок в области топочной техники. 1.2. Дальнейшее развитие техники центрального отопления Будущее отопительной техники из-за появления множества различных тенденций спрогнозировать очень трудно. Все же можно говорить о четырех основных влияющих факторах, которые представлены на рис. 1.1. Важным моментом в рыночных и общих условиях является ожидаемое развитие жилищного фонда. Увеличение количества нового снабжающего оборудования сопровождается все более строгими законодательными условиями. Несмотря на увеличение количества новостроек, реконструкция старого жилищного фонда будет оказывать большое влияние на изменение отопительной техники. Введение общих условий, например, требований по повышенной теплозащите зданий, установка терморегуляторов, регулирование приборов и теплоизоляция трубопроводов, ведет к тому, что доля потребления топлива, а вместе с этим и количество вредных выбросов в атмосферу будут увеличиваться, но не в той же мере, как количество новых отопительных приборов. Потребляемая мощность будет постепенно уменьшаться. Эта тенденция к меньшим, хорошо регулируемым мощностям ведет также к изменениям в применении теплоносителей и к новой структуре отопления, к более централизованной системе отопления и использованию газа в качестве топлива, как это показано на рис. 1.2. Необходимые инвестиционные меры по снижению стоимости теплоты в новых и старых постройках показаны на рис.1.3. Знания о стоимости теплоты и расчетах необходимости затрат находят значительное применение на практике. Например, повышение теплоизоляции ведет к уменьшению теплопотребления, Но также должна быть выработана оптимальная толщина изоляционного слоя, которая с точки зрения минимизации общих затрат, находится в пределах от 0,06 до 0,08 м. При этом следует отметить, что изоляция оказывает влияние только на потери теплоты при передаче, а потребность в нагревании воздуха остается неизменной. Из этого следует, что только совместное применение нескольких мер окажется эффективным. Дальнейшее увеличение изоляции принесет лишь незначительную экономию. На все эти соображения влияют также и финансовые условия владельцев строения, так как спрос на доступные по цене, но надежные отопительные системы постоянно растет. Решающим фактором является постоянное влияние потребностей покупателя, т.е. тепловой комфорт, простое обслуживание, быстрое введение в эксплуатацию, низкое водопотребление, модульность системы и полный сервис. . . . . . . . . . 1 2 3. 1 2 6 см 3 4 5 6 7 8 9 1 1 см 1 1 воздуха Конденсационная техника Подвал с теплоизоляцией из полистирола δ = Подвал с теплоизоляцией из полистирола δ = 6 см и текталана н = 5 см Покрытие с теплоизоляцией из минеральной ваты δ = 8 см Наружная стена с теплоизоляцией из пены Газомоторные тепловые насосы Солнечная энергия от больших устройств Наружная стена - силикатный кирпич или бетон с теплоизоляцией δ= 10 см Покрытие с теплоизоляцией из минеральной ваты δ = 10 см Наружная стена - силикатный кирпич или бетон с теплоизоляцией δ = 16 см Наружная стена - пористый кирпич δ = 36,5 Тройные стеклопакеты Рекуперация теплоты из отработанного 0,28 0,46 1,54 Увеличение Затрат 1,85 1,96 1,96 1,68-2,80 1,96-2,94 2,80 3,08-3,64 5,46 8,82 11,62 Рис. 1.3. Стоимость сэкономленной тепловой энергии при применении различных мероприятий [1.1] ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗДАНИЙ 1.1. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ПОМЕЩЕНИИ Люди, находящиеся в жилых, общественных и промышленных зданиях, а также технологические процессы, осуществляемые в промышленных цехах, требуют поддержания в помещениях необходимых микроклиматических условий — определенного микроклимата. Ограждающие конструкции зданий защищают помещения от непосредственных атмосферных воздействий, однако, только внешней защиты для круглогодичного поддержания необходимых внутренних условий недостаточно. Требуемые условия создаются с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, или, как их собирательно можно назвать, систем кондиционирования микроклимата. В закрытых помещениях в зависимости от их назначения и характера проводимой в них работы создаются различные температурно-влажностные условия. В человеческом организме в результате физиологических процессов непрерывно вырабатывается тепло. Это тепло должно быть отдано окружающей среде, так как организм человека стремится сохранять постоянную температуру (36,6° С). Количество тепла, вырабатываемого в организме, различно и зависит от возраста, индивидуальных особенностей человека, степени тяжести выполняемой им работы др. В спокойном состоянии взрослый человек вырабатывает 88—105 Вт, при тяжелой работе — 300—460 Вт, а при максимально возможных кратковременных нагрузках – до 1000 Вт. Отдача тепла происходит путем 1. лучистого теплообмена с окружающими поверхностями, 2. конвективной теплоотдачи воздуху и 3. в результате испарения влаги с поверхности тела. При интенсивной физической работе основная доля отдаваемого тепла расходуется на испарение пота. Взрослый человек в спокойном состоянии при обычных условиях теряет приблизительно половину тепла излучением, четверть конвекцией, а четверть тепла расходует на испарение. На рис. 1.1 приведен график зависимости явной теплоотдачи, а также тепла, идущего на испарение пота человека, выполняющего работу различной тяжести, от температуры помещения. Микроклимат помещения характеризуется 1. температурой внутреннего воздуха tв, 2. радиационной температурой помещения (осредненной температурой его ограждающих поверхностей) tR, 3. скоростью движения (подвижностью) νв и 4. относительной влажностью φв воздуха. Зоны комфортных сочетаний tв и tR для гражданских зданий в холодный и теплый периоды года приведены на рис. 1.2. Параметры микроклимата, определяющие эти зоны, являются расчетными внутренними условиями в помещении при проектировании ограждений здания и отопительновентиляционных систем. 1.2. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Теплопередача является физическим процессом обмена теплом через разделяющую стенку между средами, имеющими разную температуру. Этот сложный процесс складывается из трех элементарных видов обмена теплом: теплопроводности, конвекции и излучения. В простейшей форме эти виды обмена теплом могут быть охарактеризованы следующим образом. Теплопроводность В случае когда передача тепла происходит в стационарных условиях (неизменных во времени) через плоскую однородную стенку (рис. 1.3, а) в направлении, перпендикулярном ее поверхности (одномерное температурное поле), уравнение теплопроводности можно записать в виде: QТ =  ( t1- t2)· F,  (1.2) где QТ — тепловой поток, Вт; λ - коэффициент теплопроводности (теплопроводность), измеряемый в Вт/(м·оС) = Вт/(м·К) δ — толщина стенки, м; t1 и t2 - температуры на ее поверхностях, °С; F — площадь поверхности стенки, м2. К о н в е к т и в н ы й т е п л о о б м е н — это перенос тепла в жидкостях или газах, перемещающимися частицами. Благодаря конвекции происходит обмен теплом между поверхностью твердого тела и омывающим эту поверхность воздухом (рис. 1.3, б). Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона, согласно которому тепловой поток QК, Вт, передаваемый конвекцией, равен: Qк =αк ( t1- t2)· F, (1.3) где αк – коэффициент конвективного теплообмена на поверхности, Вт/(м2·оС); t1 и t2 температуры поверхности и воздуха, °С. F1 –площадь поверхности, м2 Л у ч и с т ы й т е п л о о б м е н происходит при помощи электромагнитных волн между телами, разделенными лучепрозрачной средой (рис. 1.3, в). Тепловая энергия, превращаясь на поверхности тела в лучистую энергию, передается через лучепрозрачную среду (воздух) на поверхность другого тела, где вновь превращается в тепловую (см. рис.1.3 в). Qл =αл ( t1- t2)· F1, (1.5) где αл — коэффициент лучистого теплообмена на поверхности, Вт/(м2·оС); t1 и t2— температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен, °С. F1 –площадь поверхности, м2. По отдельности рассмотренные виды обмена теплом практически не встречаются. Обычно они сопутствуют друг другу, при этом их целесообразно рассматривать в совокупности как одно целое. Этот единый процесс передачи тепла от одной среды к другой (рис. 1.3, г) называют теплопередачей. Математическая формула для расчета теплопередачи имеет вид: Q =К ( t1- t2)· F (1.6) где Q — тепловой поток, Вт, передаваемый от среды, имеющей температуру t1, к среде, имеющей температуру t2; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·оС). Во всех рассмотренных случаях теплообмен выражается математическими зависимостями, в которых тепловой поток пропорционален соответствующей разности температур в первой степени. Множители пропорциональности в этих зависимостях служат показателями проводимости тепла — λ/δ, αк, αл, К соответственно в формулах (1.2), (1.3), (1.5), (1.6). При рассмотрении переносов тепла часто оказывается удобным пользоваться не показателями проводимости тепла, а обратными величинами — сопротивлениями обмену теплом. Термические сопротивления обычно обозначаются буквой R с соответствующими индексами. В рассмотренных случаях сопротивлением теплопроводности будет величина RT = δ/λ, сопротивлениями конвективному и лучистому теплообменам — величины RK = 1/ αк и Rл = 1/ αл, сопротивлением теплопередаче — R = 1/К. Когда термические сопротивления Ri расположены последовательно по направлению движения потока тепла (рис. 1.4, в), общее сопротивление R равно их сумме: R= Σ Ri (1.8) Если сопротивления расположены параллельно относительно проходящего через них потока тепла (рис. 1.4, б), то общая проводимость такой системы 1/R равна сумме параллельно расположенных проводимостей 1/ Ri 1 R  1 R (1.9) i 1.3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЯ В условиях установившегося теплового состояния, когда внутренняя и наружная температуры и другие характеристики процесса остаются неизменными во времени, тепловой поток Q1, воспринятый внутренней поверхностью ограждения, будет равен тепловому потоку Q2, проходящему через толщу ограждения, и тепловому потоку Q3, отдаваемому наружной поверхностью: Q1= Q2= Q3= Q (1.16) Общая формула для определения потока тепла Q, теряемого помещением через данное ограждение, может быть получена в виде: Q= 1 R R в т  R ( tв- tн)· F = н 1 R ( t1- t2)· F (1.17) o Поток тепла последовательно преодолевает сопротивления теплообмену на внутренней поверхности RВ, теплопроводности материала ограждения RT и теплообмену на наружной поверхности RH, поэтому с учетом выражения (1.8) общее сопротивление теплопередаче через ограждение RО равно сумме этих сопротивлений, т. е. RО = RВ + RT + RH (1.18). Если ограждение состоит из нескольких плоских слоев материала, расположенных перпендикулярно направлению, теплового потока (например, внутренняя штукатурка, кирпичная стена, наружная штукатурка), то термическое сопротивление всей толщи ограждения RT будет равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев ограждения Rn: RT = Σ Rn (I.19) В общем случае сложного многослойного ограждения с воздушной прослойкой (см. рис. 1.5, б) общее сопротивление теплопередаче через ограждение равно: RО= RВ + Σ Rn+ RВ·П + RH (1.20) Коэффициент теплопередачи ограждения К (величина, обратная R0) в общем случае равен: К  1 Ro  1    n /  n   1  в R в .п  (1.21) 1  н где δn и λn — толщины слоев ограждения и теплопроводности их материалов. Из рассмотрения единиц величин можно установить следующее. Коэффициент теплопередачи ограждения К есть величина, численно равная тепловому потоку в ваттах, проходящему в стационарных условиях через 1 м2 площади ограждения при разности температур внутреннего и наружного воздуха 1°С [Вт/(м2 оС)]. Сопротивление теплопередаче ограждения RО численно равно такой разности температур внутреннего и наружного воздуха в градусах Цельсия, которая обеспечивает прохождение через 1 м 2 площади ограждения теплового потока в 1 Вт [°С·м2/Вт]. 1.5. ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЯ Для теплотехнического расчета ограждения необходимо иметь значения характеристик, определяющих процесс передачи тепла. Основными характеристиками являются: теплопроводность материала отдельных слоев ограждения, коэффициенты теплообмена на поверхностях ограждения и термическое сопротивление воздушной прослойки. Теплопроводность λ, Вт/(м·°С), строительных материалов может изменяться в широких пределах. Теплопроводность скелета материалов неорганического происхождения составляет 4,6—7 Вт/(м °С) и более, теплопроводность: воздуха – 0,023 Вт/(м °С), воды - 0,58 Вт/(м·°С), льда - 2,3 Вт/(м·°С). С увеличением плотности строительного материала его теплопроводность увеличивается. Это объясняется в основном уменьшением доли объема, занимаемого воздухом, и увеличением доли объема, занимаемого скелетом материала, который имеет более высокую теплопроводность. С повышением влажности материала, когда влага заполняет объем в порах, вытесняя воздух, происходит значительное увеличение его теплопроводности, так как теплопроводность воды, равная 0,58 Вт/(м·°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха. С повышением температуры теплопроводность отдельных строительных материалов может возрастать или понижаться. Особенно резкое изменение теплопроводности происходит при переходе температуры через нуль. При понижении температуры ниже нуля большая часть влаги, содержащейся в материале, превращается в лед, который имеет теплопроводность 2,3 Вт/(м·°С), т. е. в 4 раза большую теплопроводности воды. В связи с этим при понижении температуры ниже 0°С теплопроводность влажных материалов почти всегда возрастает. Расчетные значения λ, и s принимают при условиях эксплуатации А, если здание расположено в сухой зоне территории страны и относительная влажность воздуха в помещении не превышает 60% или в нормальной влажностной зоне при относительной влажности воздуха в помещении ниже 50%.Во всех остальных случаях расчетные значения λ и s принимают при условиях эксплуатации Б. К о э ф ф и ц и е н т ы теплообмена на внутренней αВ и наружной αН поверхностях ограждения зависят от условий конвективного и лучистого теплообмена на этих поверхностях. Коэффициент конвективного теплообмена на внутренней вертикальной поверхности можно определить по формуле t  3 в αк=1,66 в (1.33) Коэффициент лучистого теплообмена для обычного случая теплопередачи может быть вычислен, согласно выражениям (1.4) и (1.5), по формуле Т2 4  Т1 4 ( )  ( )  100 100   л  c пр  1 2 , t1  t 2 где спр – приведенный коэффициент излучения Конвективный теплообмен на наружной поверхности ограждения определяется в основном скоростью обдувания поверхности ветром и направлением движения воздуха относительно поверхности. При направлении ветра вдоль поверхности αк определяют по формуле αк= 5,8υ0,8 l-0,2 (1.37) где υ – скорость ветра, м/с;l - характерный размер поверхности в направлении движения воздуха, м. Для расчета теплообмена на поверхности наружных стен при лобовом обдувании ветром рекомендуется пользоваться формулой αк= 11,6 v (1.38) В СНиП указаны значения коэффициентов теплообмена, принимаемые при обычных расчетах. Для внутренних плоских поверхностей всех ограждений независимо от назначения помещении принято значение αв= 8,7 Вт/(м2·оС) (RВ = 0,115 м2·оС/Вт). Для наружных поверхностей, непосредственно соприкасающихся с наружным воздухом, принято значение αн =23,2 Вт/(м2·оС) (Rн =0,043 м2·оС/Вт). Для наружных поверхностей, которые непосредственно не обдуваются ветром, принимают следующие значения αн: для поверхностей перекрытий, выходящих на чердак, 11,6 Вт/(м2·оС); для поверхностей перекрытий, выходящих в подвал, 5,8 Вт/(м2-°С). 1.6. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДЕНИЙ Теплозащитные свойства наружных ограждений определяются сопротивлением теплопередаче RО и теплоустойчивостью, которую, как было указано выше, ориентировочно оценивают по значению показателя тепловой массивности ограждения D [см. формулу (1.30)]. В зимних условиях основной определяющей величиной является RО, а в летних — теплоустойчивость. Это объясняется тем, что для зимы более характерен режим теплопередачи, близкий к стационарному, в то время как для летнего режима определяющими являются периодические изменения наружных температурных условий. Эти свойства ограждений связаны с их воздухопроницаемостью и влажностным режимом. Требуемое сопротивление теплопередаче. Сопротивление теплопередаче основной конструкции ограждения должно соответствовать гигиеническим требованиям и быть оптимальным с технико-экономической точки зрения. Минимально допустимое сопротивление теплопередаче, удовлетворяющее в зимних условиях санитарно-гигиеническим требованиям, называется требуемым сопротивлением RОТР. Основное требование, предъявляемое к наружным ограждениям в гигиеническом отношении, сводится к тому, чтобы температура на их внутренней поверхности τ В была такой, при которой люди, находящиеся в помещении, не испытывали бы со стороны этой поверхности интенсивного «радиационного охлаждения». Кроме того, в помещениях, как правило, не допускается выпадение конденсата на ограждениях, в связи с чем температура внутренней поверхности наружных ограждений должна быть выше температуры точки росы воздуха в помещении tт.р.. В помещениях бань, прачечных и некоторых производственных помещениях в суровые периоды зимы допускается кратковременное, небольшой интенсивности увлажнение стен. При определении RОТР принимают за основу уравнение распределения температуры в ограждении в стационарных условиях (1.24), записав его относительно RО в виде: tв  tн RО= RВ tв   в (1.39) В это уравнение вводятся регламентированные значения величин RB, tB, tH и tB - τВ, которые зависят от назначения помещений и др. Значения температуры внутреннего воздуха tB принимаются на основе рекомендаций гигиенистов (по табл. 1.1). Они определяются функциональными особенностями помещений и видом работы, которую производят находящиеся в помещениях люди. При значительных тепловыделениях в связи с неравномерностью распределения температур по высоте помещения для пола принимают нормируемую температуру в рабочей зоне, для стен — среднюю температуру воздуха по высоте помещения, для перекрытия — температуру воздуха под ним. В нерабочее время, когда действует дежурное отопление, в производственных и иных помещениях температура должна быть не ниже плюс 5°С. Разность температур tB - τВ нормируется величиной Δtн, принимаемой по табл. 1.2. Как видно из этой таблицы, для поверхности потолка, через который теряется тепло, перепад Δtн должен быть несколько меньше, чем для наружных стен, а для поверхности пола, с которой человек соприкасается, еще меньше. Для помещений, в которых люди находятся продолжительное время, эти перепады должны быть меньше, чем для помещений с кратковременным пребыванием людей. Сопротивление теплообмену RB в формуле (1.39) для внутренней гладкой поверхности всех ограждений, согласно СНиП, принимается одинаковым и равным 0,115. Ограждения, имеющие одинаковые сопротивления теплопередаче, но разную тепловую массивность, по-разному реагируют на изменения температуры наружного воздуха в период резкого похолодания. У ограждений с малой тепловой массивностью эти изменения вызовут большие изменения температуры на внутренней поверхности, чем у массивных ограждений. Поэтому в одних и тех же климатических условиях ограждения с разной тепловой массивностью должны иметь различные сопротивления теплопередаче. 1.8. РАСЧЕТНАЯ ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ Система отопления предназначена для создания в помещениях здания в холодный период года температурной обстановки, соответствующей комфортной и отвечающей требованиям технологического процесса. Температура помещений зависит от поступлений и потерь тепла, а также от теплозащитных свойств наружных ограждений и расположения обогревающих устройств. Тепло поступает в помещение от технологического оборудования, нагретых материалов, источников искусственного освещения, людей, а также от технологических процессов, связанных с выделением тепла. В холодный период года помещение теряет тепло через наружные ограждения, на нагревание материалов, транспортных средств и оборудования, поступающих извне. Тепло расходуется на нагревание воздуха, который поступает в помещение через неплотности в ограждениях и для компенсации воздуха, удаляемого технологическим оборудованием и вытяжными системами, если удаление этого воздуха не компенсируется притоком подогретого воздуха приточной вентиляции. Для определения тепловой мощности системы отопления составляют баланс часовых расходов тепла для расчетных зимних условий в виде. QОТ = QОГР+ QИ.В+ QТЕХН (1.67) где QОГР — потери тепла через наружные ограждения; QИ.В — расход тепла на нагревание воздуха, поступающего в помещение при инфильтрации и вентиляции; QТЕХН — дебаланс между расходом тепла на технологические нужды и минимальными технологическими и бытовыми теплопоступлениями. Расчетная тепловая мощность системы отопления соответствует максимальному дефициту тепла. Для промышленных зданий в расчет принимают интервал с наименьшими тепловыделениями. Для гражданских зданий обычно принимают, что в помещении отсутствуют люди, нет искусственного освещения и других бытовых тепловыделений, поэтому определяющими расход тепла являются теплопотери через ограждения и инфильтрация. В жилых зданиях при определении тепловой мощности системы отопления учитывают теплопотери через ограждающие конструкции, больший из расходов тепла на нагревание наружного воздуха, поступающего в помещение вследствие инфильтрации или для компенсации нормативного воздухообмена, а также бытовые теплопоступления в размере, регламентируемом СНиП. Определение потерь тепла через отдельные ограждения. Расчетные потери тепла Qт.п, Вт, через отдельные ограждения или их части площадью F определяют по форму Qт.п.= 1 R ( tв- t5)nFη=K( tв- t5) nFη (1.68) о где tВ — расчетная температура внутри помещения; t5 — температура холодной пятидневки для района строительства; п — коэффициент, учитывающий уменьшение разности температур (см. прил. 4); η — коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери. Теплопотери помещения QОГР равны сумме потерь тепла через его наружные ограждения, рассчитанных по формуле (1.68), а также потерь или поступлений тепла через внутренние ограждения, если температура воздуха в соседних помещениях ниже или выше температуры в данном помещении на 5оС и более. Коэффициенты теплопередачи К для наружных стен и перекрытий принимают по теплотехническому расчету. Для теплотехнического расчета окон и балконных дверей в СНиП приведены две таблицы (см. прил. 5 и 6). По одной из них можно определить минимально допустимое или требуемое сопротивление теплопередаче окна RОТР в зависимости от назначения помещения и расчетной разности температур tB — tН. В другой таблице даны фактические сопротивления теплопередаче различных конструкций окон и балконных дверей. С помощью этих таблиц можно подобрать конструкцию или определить сопротивление теплопередаче заполнения светового проема известной конструкции Коэффициент теплопередачи К конструкции по приложению 6. для наружных дверей определяют в зависимости от их Добавочные теплопотери через ограждения. Основные теплопотери через ограждения часто оказываются меньше действительных теплопотерь, так как принятая формула не учитывает влияния некоторых факторов. Потери тепла могут заметно изменяться под влиянием инфильтрации и эксфильтрации воздуха через толщу ограждений и щели в них, а также под действием облучения солнцем. Теплопотери помещения в целом могут существенно возрасти (η > I) в результате врывания холодного воздуха через открываемые наружные двери и т. п. Дополнительные потери тепла обычно учитывают добавками к основным теплопотерям, задаваемыми в процентах к последним. Условно добавки делят на несколько видов по определяющим факторам. 1. Добавка на ориентацию ограждения по странам света . Ее принимают для всех наружных вертикальных ограждений. Величины добавок берут в соответствии со схемой на рис.1.14. 2. Добавка на угловые помещения . Для угловых помещений и помещений, имеющих два и более наружных вертикальных ограждений, средняя радиационная температура ниже, чем для остальных помещений, поэтому для таких помещений температуру внутреннего воздуха принимают выше на 2 оС для жилых зданий, а для зданий другого назначения повышение температуры учитывают 5% добавкой к основным теплопотерям вертикальных наружных ограждений. 3. Добавка на врывание холодного воздуха . Для входов, не оборудованных воздушнотепловыми завесами (наружные двери с кратковременным открыванием при n этажах в здании), ее принимают равной: 60 n % при тройных дверях с двумя тамбурами, 80 п % - при двойных дверях с одним тамбуром и 65 п% - при одинарных дверях. В промышленных зданиях добавку на врывание холодного воздуха через ворота, не имеющие тамбура и шлюза, если они открыты менее 15 мин в 1 ч, принимают равной 300%. В общественных зданиях независимо от их этажности при проходе через двери до 500— 600 чел в 1 ч принимают добавку в размере 500%. 4. Добавка на высоту. Ее вводят для помещении общественных зданий высотой более 4 м. Расчетные значения теплопотерь всех ограждений увеличивают на 2% на каждый метр высоты но добавка должна быть не более 15%. Эта добавка учитывает увеличение теплопотерь в верхней части помещения в результате повышения температуры воздуха. Для лестничных клеток добавку на высоту не принимают. В промышленных зданиях необходимо производить специальный расчет распределения температуры по высоте, который определит теплопотери через стены и перекрытия. Расход тепла на нагревание холодного воздуха. В производственных помещениях расход тепла на нагревание холодного воздуха, поступающего вследствие инфильтрации через притворы окон, фонарей, дверей, ворот, доходит до 30— 40% основных теплопотерь. Учитывая столь большую величину этих затрат тепла, при расчете теплопотерь производственных помещений делают специальный подсчет затрат тепла на нагрев поступающего в помещение холодного воздуха. Такой же расчет выполняют для крупных общественных зданий. Количество тепла Q, Вт, необходимое для нагрева массового расхода G, кг/°С, наружного воздуха, имеющего температуру tН до температуры в рабочей зоне помещения tВ, равно: Q=0, 278 Gс(tВ- tН) (1.71) где с — удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/(кг·°С). Расход поступающего наружного воздуха G определяют по формуле G = Σ ajl, (1.72) где а — поправочный коэффициент для двойных переплетов металлических а = 0,65; для двойных переплетов деревянных а = 0,5; для деревянных притворов ворот и дверей а = 2; j — расход воздуха, проникающего в помещение через 1 м притвора, кг/ч, принимаемый по табл. 1.6. Для жилых и общественных зданий, оборудованных естественной вытяжной вентиляцией, количество тепла на нагревание наружного воздуха следует определять по расходу воздуха, поступающего в помещения путем инфильтрации, а для жилых комнат — по большей из двух величин: а) расход воздуха, поступающего путем инфильтрации; б) расход воздуха, обеспечивающий минимальный нормативный воздухообмен. Количество тепла на нагревание наружного воздуха, поступающего в помещения жилых и общественных зданий путем инфильтрации QИ Вт, следует определять по формуле QИ = 0,27с ΣF GOA”(tВ-tН), (1.73) где F — расчетная площадь окон, м2; GO — расход воздуха, поступающего в помещения путем инфильтрации через 1 м2 окон и балконных дверей, кг/(м2 • ч); А" коэффициент, учитывающий подогрев воздуха тепловым потоком, принимаемый равным для окон с раздельными переплетами 0,8, а для спаренных переплетов 1. Значение G0 определяют по формуле  А  А 2  0, 4 Б  p  н G0= 2Б (1.74) 1 .2 где А и Б — параметры, принимаемые по табл. 1.5; ρН — плотность наружного воздуха, кг/м3; Δр — разность давлений воздуха у наружной и внутренней поверхностей наружных ограждающих конструкций здания, Па, определяемая, по формуле 2 Δр=9,81(hy.m -hn)( ρН – 1,27)+1,4(βυ) ρН 18  hn (1.75) 60  hn здесь hy.m — высота устья вытяжной шахты над уровнем земли, м; hn — высота центра рассматриваемого элемента ограждения над уровнем земли, м; β - тот же поправочный коэффициент, что и в формуле (1.51); υ — расчетная скорость ветра, м/с. Количество тепла на нагревание наружного воздуха в объеме, обеспечивающем минимальный нормативный воздухообмен в жилых комнатах, Вт, следует определять по формуле  Lв с t в  t нA QH= 3,6 F ж   3  1,005  1,2 t н  t нA 3,6 F ж = 1,005( t н  t н )Fж A (1.76) где LВ — нормативный воздухообмен, принимаемый равным 3 м3/ч на I м2 жилом площади; tB — температура внутреннего воздуха, оС; tНА — расчетная вентиляционная температура наружного воздуха оС; FЖ — площадь жилой комнаты, м2. В тепловом балансе, определяющем установочную мощность системы отопления жилых зданий, по СНиП, необходимо учитывать бытовые тепловыделения QБЫТ в количестве 21 Вт на 1 м2 площади жилых комнат и кухонь; QБЫТ =21F (1.77) где F — площадь жилых комнат и кухонь, м2. Расчет потерь тепла зданиями по укрупненным показателям. Для оценки теплотехнических показателей принятого конструктивно-планировочного решения здания, а также для ориентировочных подсчетов потребности в тепле для отопления зданий используется так называемая удельная тепловая характеристика здания, qy=Q/(VΔt), Вт/(м3·°С). Эта характеристика численно равна теплопотерям 1 м3 здания в ваттах при перепаде температур внутреннего и наружного воздуха 1 оС. Ее значение при прочих равных условиях зависит от назначения, объема, этажности и формы здания, от теплозащитных свойств ограждений, от степени остекления здания и климатических особенностей района постройки. Значения qv для различных видов гражданских и промышленных зданий в зависимости от их объема даны в справочных пособиях. Для гражданских зданий эти значения ориентировочно могут быть определены по формуле (1  2 d ) F  S qv=1,163 V (1.78) где d — степень остекления наружных стен здания в долях единицы; F — площадь наружных стен, м2; S — площадь здания в плане, м2; V — объем здания, м3 Для зданий массовой жилой застройки ориентировочные значения qy можно определить по формуле qv = 1,163 (0,37 + 1/h), (1.79) где h — высота здания, м. Приближенно теплопотери здания с использованием величины qy определяют по формуле Q = a qv (tВ-tН)V, (1.80) где а — коэффициент, учитывающий влияние расчетной разности температур tВ-tН: а=0,54+ 22 tв  tн (1.81) Сопротивлениями влагообмену между воздухом и поверхностями ограждений в данном расчете можно пренебречь. ЛЕКЦИЯ 2 Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ 2.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОТОПИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ В помещениях с постоянным или длительным пребыванием людей и в помещениях, где по условиям производства требуется поддержание положительных температур в холодный период года, устраивается система отопления. Система отопления должна отвечать следующим основным требованиям: 1) санитарно-гигиеническим — обеспечивать необходимые внутренние температуры, регламентируемые соответствующими СНиП, без ухудшения состояния воздушной среды; 2) экономическим — обеспечивать наименьшие приведенные затраты при уменьшении расхода металла; 3) строительным — предусматривать размещение отопительных элементов в увязке с архитектурно-планировочным и конструктивным решениями здания без нарушения прочности основных конструкций при монтаже и ремонте системы отопления; 4) монтажным — предусматривать возможность монтажа индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров и ограниченном применении узлов и деталей индивидуального изготовления; 5) эксплуатационным — характеризоваться простотой и удобством управления и ремонта, бесшумностью и безопасностью действия; 6) эстетическим — хорошо гармонировать с внутренней отделкой помещения и не занимать излишних площадей. 2.2. ВИДЫ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ Системы отопления состоят из следующих основных элементов: а) генератора тепла, в котором теплоносителю передается необходимое количество тепла; б) системы теплопроводов для перемещения по ним теплоносителя; в) нагревательных приборов, передающих тепло от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения. Генератором тепла для систем отопления может служить отопительный котельный агрегат, в котором сжигается топливо, а выделяемое тепло передается теплоносителю, либо другие теплообменные аппараты или смесительные устройства, использующие теплоносители иных параметров, чем в системе отопления, а также электронагреватели. В качестве теплоносителя в системах отопления служат вода, пар, воздух и дымовые газы. H £ ^ . . Системы отопления подразделяются на местные и центральные. Местными системами отопления, или местным отоплением, называют такой вид отопления, при котором генератор тепла и нагревательный прибор конструктивно скомпонованы вместе и установлены в обогреваемом помещении. К местному отоплению относят отопление газовыми и электрическими приборами, а также рвоздушно-отопительными агрегатами. Центральными системами отопления называют системы, предназначенные для отопления нескольких помещений из единого теплового пункта, в котором размещается генератор тепла. В таких системах генератор вынесен за пределы отапливаемого помещения; теплоноситель, нагретый в генераторе, по теплопроводам подается в отдельные помещения и, передав тепло воздуху в них через нагревательные приборы, возвращается в тепловой пункт. Центральными могут быть системы водяного, парового и воздушного отопления. Примером центральной системы отопления является система водяного отопления здания с собственной котельной (рис. II. 2). Центральные системы отопления подразделяются по следующим показателям: теплоносителю, начальной его температуре и давлению, а также по способам его перемещения и передачи тепла от наружной поверхности нагревательных приборов в отапливаемые помещения. Системы водяного отопления могут быть с нагреванием воды до 100°С и выше 100°С; в настоящее время максимальное значение температуры воды принято равным 150°С. Системы парового отопления в зависимости от давления пара разделяются на вакуум-паровые, низкого и высокого давления (табл. II. 1). Максимальное давление пара ограничено допустимым значением температуры поверхности нагревательного прибора 130°С, чему соответствует абсолютное давление 0,3 МПа. Центральные системы водяного и воздушного отопления по способу перемещения теплоносителя подразделяются на системы с естественной циркуляцией (благодаря разности плотностей охлажденной и горячей воды или охлажденного и нагретого воздуха) и системы с механическим побуждением (с перемещением воды при помощи насоса в системах водяного отопления или перемещением воздуха при помощи вентилятора в системах воздушного отопления). В системах парового отопления пар перемещается благодаря разности давлений при выходе из котла и перед нагревательным прибором. Первичным теплоносителем обычно служит вода или пар. Если первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такая система отопления называется водоводяной. Аналогично существуют водовоздушная, пароводяная, паровоздушная и другие центральные системы отопления. Системы отопления принято классифицировать и по преобладающему виду теплоотдачи нагревательных приборов. Если у нагревательного прибора преобладает теплоотдача конвекцией, то систему отопления называют конвективной; при преобладающей теплоотдаче излучением — лучистой. Плоские панели отдают большую часть тепла излучением, такие системы принято называть в технической литературе панельно-лучистыми. 2.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ Теплоносители систем отопления должны обладать возможно большей способностью аккумулировать тепло, а также подвижностью, при которой расход энергии на перемещение теплоносителя по трубам был бы незначительным. Они не должны ухудшать санитарных условий отапливаемых помещений (выделять газы, загрязнять воздух помещения) и должны быть достаточно дешевыми. Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют основные теплоносители: вода, пар и воздух. От технико-экономических показателей теплоносителей зависят первоначальная и эксплуатационная стоимости систем отопления. Рассмотрим основные параметры, характеризующие теплоносители. Вода имеет большую плотность (1000 кг/м3) и высокую удельную теплоемкость [4,187 кДж/(кг·К)], что позволяет передавать значительное количество тепла при малых ее объемах. Энтальпию воды можно изменять в больших пределах, повышая или понижая ее температуру. Возможность изменения температуры воды в широких пределах позволяет ограничить температуру теплоотдающих поверхностей нагревательных приборов и теплопроводов в соответствии с санитарногигиеническими требованиями, предъявляемыми к обслуживаемому помещению, и поддерживать равномерный температурный режим в течение всего отопительного сезона. В целях уменьшения затрат энергии скорость движения воды в системах отопления обычно ограничивают 1,5 м/с. Пар, используемый в системах отопления, имеет малую плотность (0,6—1,6 кг/м3), но в нем заключается большое количество тепла, выделяющегося в результате фазового превращения при конденсации в нагревательных приборах (2260—2160 кДж/кг). Перемещение пара по паропроводам осуществляется со скоростью 10—80 м/с, что позволяет передавать большие количества тепла на значительные расстояния при сравнительно малых затратах энергии. Конденсация пара происходит при постоянной температуре, соответствующей принятому давлению, что исключает возможность плавного регулирования теплоотдачи приборов и вызывает необходимость периодического выключения подачи пара, а это создаѐт неравномерность температурного режима в отапливаемом помещении. Высокая температура пара ограничивает область его применения помещениями, к которым не предъявляются высокие санитарно-гигиенические требования. Использование пара с температурой ниже 100°С требует поддержания в отопительных установках вакуума, что удорожает их устройство и усложняет эксплуатацию. Воздух имеет малую плотность (1—1,2 кг/м3) и низкую удельную теплоемкость [1 кДж/(кг·К)], в связи с чем для передачи даже небольшого количества тепла требуется перемещать значительные объемы воздуха; затраты энергии при этом оказываются больше, чем при транспортировании такого же количества тепла с помощью воды или пара. Скорости движения воздуха ограничиваются 10—20 м/с, поэтому воздуховоды имеют большие сечения и занимают большие объемы, чем трубопроводы для воды или пара. Температура и энтальпия воздуха могут изменяться в широких пределах, что позволяет поддерживать в помещениях равномерный тепловой режим в течение всего отопительного периода. Обогрев помещений нагретым воздухом выгоден тогда, когда допустимо полное или частичное возвращение его для повторного подогрева без устройства распределительных воздуховодов, а также при одновременном использовании установки для отопления и вентиляции помещения, когда необходимо восполнить такое же количество воздуха, какое удаляется из помещения технологическими установками. В табл. II.2 приведено сопоставление площадей поперечных сечений теплопроводов и поверхностей нагревательных приборов в системах отопления с различным теплоносителем относительно системы отопления с теплоносителем водой, имеющей начальную температуру 95°С и конечную температуру 70°С. Для расчета отопительных установок зданий различного назначения принято принимать параметры теплоносителей, приведенные в табл. I.I.З. Этими параметрами устанавливаются виды теплоносителей, а также определяется средняя температура теплоносителя в нагревательных приборах, площадь их поверхности и тепловой режим в помещении. 2.4. СРАВНЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ Системы отопления следует выбирать, руководствуясь основными требованиями, предъявляемыми к проектируемому зданию, и технико-экономическими показателями различных вариантов систем, допустимых по санитарно-гигиеническим условиям. Основные преимущества систем водяного отопления: а) возможность поддержания умеренной температуры на поверхности нагревательных приборов, исключающей пригорание на них пыли; б) простота центрального регулирования теплоотдачи нагревательных приборов путем изменения температуры воды в зависимости от параметров наружного воздуха (качественное регулирование); в) бесшумность работы и простота обслуживания. Основные недостатки систем водяного отопления: а) большое гидростатическое давление в нижней части систем, обусловленное их высотой (ограничивает высоту систем); б) опасность замерзания воды в трубопроводе, проложенном в неотапливаемом помещении. Основные преимущества систем парового отопления: а) более высокая теплоотдача нагревательных приборов; б) меньший, чем у систем водяного отопления, расход металла на трубы и нагревательные приборы; в) меньшая, чем у систем водяного отопления, опасность замерзания; г) возможность перемещения пара на большие расстояния без применения искусственного побуждения. Основные недостатки систем парового отопления: а) высокая температура на поверхности труб и нагревательных приборов, вызывающая пригорание пыли и создающая антисанитарные условия в помещении; б) невозможность гибкого центрального качественного регулирования теплоотдачи нагревательных приборов, в связи с чем применяется регулирование пропусками, т. е. путем периодического включения и выключения системы; в) более сложная эксплуатация и более высокие бесполезные теплопотери трубопроводами, прокладываемыми в неотапливаемых помещениях; г) значительные тепловые напряжения и деформации системы; д) меньший, чем для систем водяного отопления, срок эксплуатации из-за повышенной коррозии труб. Основные преимущества центральных систем воздушного отопления: а) возможность совмещения с системой вентиляции; б) отсутствие в отапливаемом помещении каких-либо нагревательных приборов: в) отсутствие тепловой инерции, т. е. немедленный тепловой эффект при включении системы; г) возможность центрального качественного регулирования. Основные недостатки центральных систем воздушного отопления: а) большие сечения каналов (воздуховодов); б) большие бесполезные теплопотери при прокладке магистральных воздуховодов в неотапливаемых помещениях. Приведенные основные характеристики определяют область применения систем отопления того или иного вида. Системы водяного отопления, надежные в эксплуатации и отвечающие гигиеническим требованиям, нашли наибольшее распространение как в гражданских, так и в промышленных зданиях. Санитарно-гигиенические и эксплуатационные недостатки существенно ограничивают область применения систем парового отопления, которые не допускаются в гражданских зданиях, предназначенных для длительного пребывания людей. Паровое отопление допускается в промышленных зданиях и ряде общественных зданий при непродолжительном пребывании людей и рекомендуется для периодического или дежурного отопления помещений. Воздушное отопление отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, но из-за свойственных ему недостатков нашло применение главным образом в сочетании с вентиляцией или в виде местных систем с высокотемпературным первичным теплоносителем для отопления помещений большого объема промышленных зданий. СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ 3.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Рассмотрим некоторые технические требования к системе водяного отопления, обусловленные свойствами теплоносителя. Вода — несжимаемая жидкость, расширяющаяся при нагревании, т. е. уменьшающая при этом свою плотность. Система водяного отопления представляет собой замкнутый контур, заполненный водой, поэтому незначительное увеличение ее объема при повышении температуры может создать давление, превышающее предел прочности отдельных элементов системы, а уменьшение объема при понижении температуры вызывает разрыв струи и нарушение циркуляции. Чтобы избежать этих явлений в системе отопления должно быть предусмотрено устройство, воспринимающее излишек воды при повышении температуры в системе и восполняющее убыль воды при ее понижении. Наиболее простым и безотказно действующим устройством такого рода является расширительный бак. Расширительный бак представляет собой емкость, присоединенную к системе отопления и сообщающуюся с атмосферой. Устанавливается он выше самой высокой точки системы. При районном теплоснабжении когда используют воду с температурой выше 100°С, или если емкость присоединенных систем отопления и наружных тепловых сетей велика, расширительный бак заменяют подпиточным устройством, выполняющим те же функции. Для восполнения убыли воды в системе и поддержания в точке подпитки необходимого гидростатического давления устанавливают насос, а для защиты системы от повышения давления — предохранительный клапан. При изменении плотности воды в системе, в которой имеются точки нагрева (генератор тепла) и точки охлаждения (нагревательные приборы), возникает избыточное гравитационное давление, которое используется в системах с естественной циркуляцией как основное, а в системах с насосным побуждением как дополнительное для циркуляции воды в них. Температура кипения воды зависит от давления, с увеличением давления повышается и температура кипения. Если температура воды в какой-либо точке окажется выше температуры кипения при данном давлении, то вода закипит, что вызовет разрыв струи, нарушение циркуляции и повышение давления. На это обстоятельство необходимо обращать особое внимание при использовании в качестве теплоносителя воду с температурой выше 100°С. Давление в любой точке системы отопления должно быть больше давления, при котором закипает вода, имеющая соответствующую этой точке температуру. Вода способна поглощать воздух и другие газы. Количество воздуха, поглощаемого водой, зависит от ее температуры и давления. С повышением температуры и снижением давления количество поглощаемого воздуха в воде уменьшается (при атмосферном давлении в 1 кг водопроводной воды при температуре 5°С содержится более 30 мг воздуха, а при температуре 95 °С — только 3 мг). Выделяющийся воздух может создавать воздушные пробки, поэтому в системе отопления должны быть предусмотрены устройства для удаления воздуха. Так как плотность воздуха меньше плотности воды, пузырьки выделяющегося воздуха всплывают и скапливаются в верхних точках системы. В этих точках необходимо устанавливать воздухосборники и горизонтальным трубам придавать соответствующий уклон для беспрепятственного удаления воздуха. 3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Системы водяного отопления подразделяют на системы с естественной и искусственной циркуляцией теплоносителя. В свою очередь, их подразделяют: 1) по схеме питания приборов — на двухтрубные (вода поступает в приборы по одним стоякам, а отводится по другим, приборы присоединены параллельно по теплоносителю) и однотрубные (вода поступает в прибор и отводится из него по одному стояку, приборы присоединены последовательно по теплоносителю); те и другие системы бывают вертикальные и горизонтальные; однотрубные системы бывают проточные, проточно-регулируемые с осевыми и смещенными обходными участками, а также регулируемые с осевыми и смещенными замыкающими участками; 2) по расположению подающих магистралей — на системы с верхней разводкой (при прокладке подающих магистралей по чердаку или под потолком верхнего этажа) и системы с нижней разводкой (при прокладке подающих магистралей по подвалу, над полом I этажа или в подпольных каналах); 3) по направлению движения воды в подающих и обратных магистралях —на тупиковые (при встречном движении воды) и с попутным движением (при движении воды в одном направлении). Системы с естественной циркуляцией воды целесообразно проектировать тупиковыми. 3.3. РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Двухтрубные системы. Двухтрубная система водяного отопления с размещением подающих магистральных трубопроводов выше нагревательных приборов (рис. 3. 1) называется системой с верхней разводкой. Она состоит из следующих элементов:, котла 18, главного стояка 14, подающего магистрального трубопровода 7, обратного магистрального трубопровода 20, подающих стояков 16, обратных стояков 15, нагревательных приборов 10, подающих подводок 11, обратных подводок 13, регулирующих кранов у нагревательных приборов 12, расширительного бака 1 с трубами — соединительной 4, циркуляционной 5, сигнальной 3 с запорным вентилем 17 и переливной 2, которая одновременно служит для удаления воздуха из системы. На каждой ветви системы могут, быть установлены запорные вентили 6, 19, для выключения какой-либо части системы при ремонте. В зданиях с числом этажей более трех предусматривается возможность отключения каждого стояка, для этого у основания стояка устанавливают пробковые краны 22 и спускной кран 21, а вверху стояка — пробковые краны 8 и тройник 9 с заглушкой для сообщения стояка с атмосферой при спуске воды из стояка и для выпуска воздуха при наполнении стояка водой. При пуске систему наполняют водой до уровня присоединения сигнальной трубы к расширительному баку. Когда из сигнальной трубы вода станет поступать в раковину, кран на трубе 24 и запорный вентиль 17 на сигнальной трубе закрывают и приступают к топке котла. Воздух, вытесняемый водой при заполнении системы, и воздух, выделяющийся при нагревании воды, удаляется в атмосферу через переливную трубу 2. Чтобы обеспечить удаление воздуха из системы через расширительный бак, подающую магистраль прокладывают от расширительного бака с уклоном 0,005—0,01. При необходимости спуска воды из системы открывают кран на спускной трубе 23. Обратную магистраль прокладывают в сторону движения воды с уклоном 0,05—0,002. Двухтрубные системы с верхней разводкой могут быть как с естественной циркуляцией (см. рис. 3. 1), так и насосные (рис. 3.2). В последнем случае на обратном магистральном трубопроводе перед котлом устанавливают циркуляционный насос. В насосных системах вода при больших скоростях движения (υ =0,3 м/с и более) увлекает за собой пузырьки воздуха, поэтому для удаления его подающие магистральные трубопроводы прокладывают с подъемом от главного стояка. При этом исключается встречное движение воды и воздуха. В самых высоких точках системы устанавливают воздухосборники. Расширительный бак насосных систем присоединяют к обратной линии перед насосом. На рис. IV.3 приведена схема насосной двухтрубной системы водяного отопления с нижней разводкой. Поскольку естественное циркуляционное давление в системах отопления с нижней разводкой меньше, чем в системах с верхней разводкой, их рекомендуют применять только при насосном побуждении. Двухтрубные системы с нижней разводкой обладают большей гидравлической устойчивостью по сравнению с системами с верхней разводкой и дают возможность вводить их частично в эксплуатацию по мере строительства здания. Воздух из системы с нижней разводкой можно удалять через воздушные краны (рис. 3.3, а) устанавливаемые в верхние радиаторные пробки нагревательных приборов верхнего этажа с присоединением в этом случае подводки к приборам через нижнюю радиаторную пробку. Такое присоединение обеспечивает лучшее удаление воздуха и циркуляцию воды через верхние приборы. Однако следует отметить необходимость увеличения поверхности нагревательных приборов верхних этажей при подаче воды в приборы по схеме «снизу—вниз», поскольку в этом случае теплоотдача их понижается. Воздух можно удалять через воздушные трубы и воздухосборник (рис.3.3,б). Чтобы не нарушать расчетного гидравлического режима системы, необходимо исключить циркуляцию воды по воздушной линии, создав воздушный затвор (для этого перед воздухосборником трубу опускают петлей ниже горизонтальной воздухоотводящей линии). На рис.3.4 приведена схема насосной двухтрубной системы водяного отопления с попутным движением воды: в подающей и сборной обратной магистралях. Однотрубные вертикальные системы отопления с верхней разводкой. Схема однотрубной системы с верхней разводкой, естественной циркуляцией и осевыми замыкающими участками приведена на рис. 3.5. Вода из котла поступает в главный стояк, а из него—в подающую магистраль, откуда она распределяется по отдельным стоякам. В точках а присоединения приборов верхнего этажа к стоякам часть воды из них направляется в нагревательные приборы, а часть— в осевые замыкающие участки. В точках б вода, охладившаяся в приборах, смешивается с водой, поступающей по замыкающему участку. Далее вода поступает в точки в присоединения приборов нижележащего этажа, причем часть воды поступает в приборы, а другая часть — по замыкающему участку в точку г, где смешивается с водой, охладившейся в нагревательных приборах. Проходя указанным образом через приборы всех этажей, вода постепенно охлаждается и из стояков направляется в обратную магистраль, а из нее — в котел. Схема насосной однотрубной системы с верхней разводкой и смещенными замыкающими участками приведена на рис. 3.6. Смещение замыкающих участков в сторону приборов увеличивает поступление воды в нагревательные приборы, что приводит к уменьшению требуемой поверхности нагрева и создает необходимые условия для компенсации теплового удлинения стояков. Увеличивается число фасонных частей и типоразмеров подводок. Схема насосной однотрубной проточной нерегулируемой системы с верхней разводкой приведена на рис. 3.7. В такой системе вода, поступающая из подающей магистрали в стояки, последовательно проходит по всем приборам стояка. Кранов на подводках к приборам не устанавливают. Схема насосной однотрубной проточно-регулируемой системы с верхней разводкой и смещенными обходными участками с трехходовыми кранами приведена на рис. 3.8. Вода, поступающая в стояки, проходит последовательно через все приборы каждого стояка. В обходные участки вода поступает с помощью трехходовых кранов лишь в том случае, когда прибор надо выключить или уменьшить его теплоотдачу. Требуемая поверхность нагрева приборов в данном случае получается несколько меньше, чем в системах с замыкающими участками. Однотрубные вертикальные системы отопления с нижней разводкой могут быть проточнорегулируемые с трехходовыми кранами (рис. 3.9) и с замыкающими участками и кранами двойной регулировки (рис. 3. 10). Стояки этих систем состоят из подъемного, горизонтального и опускного участков. К стоякам односторонне присоединены нагревательные приборы. Воздух из системы удаляется через воздушные краны, устанавливаемые в верхних пробках радиаторов верхних этажей. Недостатки этих систем: увеличение требуемой поверхности нагрева приборов на подъемном участке стояка и более сложная эксплуатация. В последнее время в жилищном строительстве наибольшее распространение получили системы водяного отопления с односторонним присоединением нагревательных приборов к стоякам. Стояки прокладываются на расстоянии 150 — 200 мм от края оконного откоса, такое решение позволило унифицировать узлы этажестояков и организовать обезличенную их заготовку (независимо от планировочных решений). Однотрубные горизонтальные системы отопления с насосным побуждением. Такие системы бывают с замыкающими участками с возможным поэтажным и индивидуальным выключением и регулированием приборов (рис. 3. 11) и проточные с возможным поэтажным регулированием приборов (рис. 3.12). Преимущества однотрубных систем отопления заключаются в меньшем расходе труб, более простом монтаже, большей возможности унификации деталей трубопроводов, радиаторных узлов, а также более устойчивом тепловом и гидравлическом режиме работы. 3.4. УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Устройства для наполнения и опорожнения систем. Если давление в водопроводной сети окажется недостаточным для заполнения водой системы водяного отопления, для подкачки воды в систему используют ручной насос. Его же применяют для откачки воды из нижних частей системы. Расширительный бак. Конструктивное оформление расширительного бака. Расширительные баки изготовляют цилиндрическими или прямоугольными из листовой стали толщиной 3—4 мм с соединением отдельных листов на сварке. Верхняя часть бака снабжается герметичным люком с уплотнением резиновой прокладкой. Внутри и снаружи расширительный бак окрашивается масляной краской. Расширительные баки устанавливают в утепленной будке на чердаке отапливаемого здания выше самой высокой точки системы отопления и покрывают тепловой изоляцией. Если установить расширительный бак на чердаке нельзя, его размещают в верхней части лестничной клетки. Для обеспечения циркуляции воды в расширительном баке его присоединяют соединительной и циркуляционной трубами (рис. 3. 15) к подающему трубопроводу системы с естественной циркуляцией или к обратному трубопроводу насосной системы (перед насосом с расстоянием между точками присоединения их не менее 2 м). Переливные и сигнальные трубы выводят к раковине, размещенной в котельной. О высоте расположения уровня воды в расширительном баке можно судить и по показаниям манометра, установленного на трубопроводе системы отопления в котельной. Переливная труба необходима для удаления воздуха из системы и отвода воды из расширительного бака при его переполнении в случае засорения сигнальной трубы. Объем между уровнями присоединения к расширительному баку сигнальной и переливной труб считают его полезным объемом. В системах с естественной циркуляцией через расширительный бак удаляется и воздух из сети. 3.5. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Системы водяного отопления с естественной циркуляцией могут применяться для зданий небольшой протяженности и в том случае, если отсутствует централизованное теплоснабжение и в дальнейшем не предполагается его устройство. Радиус действия систем с естественной циркуляцией следует принимать не более 30 м при расстоянии от середины высоты котла до середины нижнего нагревательного прибора не менее 3 м. В системах квартирного водяного отопления с естественной циркуляцией в связи с большим охлаждением воды в трубопроводах допускается установка генератора тепла и нагревательных приборов на одном уровне. Как правило, следует применять системы водяного отопления с искусственной циркуляцией. Диаметры труб в насосных системах благодаря большому давлению, создаваемому насосом, значительно меньше, чем в системах водяного отопления с естественной циркуляцией, и радиус их действия велик. Стоимость устройства насосных систем отопления меньше, чем систем с естественной циркуляцией. Применение систем водяного отопления целесообразно в жилых, общественных и промышленных зданиях (прил. 6 СНиП 41.01 – 2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»). Двухтрубные системы с верхней разводкой рекомендуется применять в зданиях с числом этажей до трех включительно. Однотрубные вертикальные системы с осевыми или смещенными замыкающими участками рекомендуется применять в зданиях с числом этажей более трех. Однотрубные вертикальные проточные регулируемые и нерегулируемые системы можно применять независимо от этажности здания. Однотрубные вертикальные системы с нижней разводкой рекомендуется применять в бесчердачных зданиях, однотрубные горизонтальные системы — в случае необходимости поэтажного выключения системы отопления здания. Системы с попутным движением теплоносителя следует проектировать при невозможности увязки потерь давления в отдельных кольцах систем отопления. Температуру воды в системах водяного отопления принимают в зависимости от назначения помещений в соответствии со СНиП П-33-75. ЛЕКЦИЯ 3 Глава 4. НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 4.1. ВИДЫ И КОНСТРУКЦИИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Назначение систем отопления состоит в обеспечении теплом здания в холодный период года. Функцию непосредственного обогрева помещения выполняют нагревательные приборы, являющиеся основным элементом системы отопления. В них происходит передача потребителю тепла, аккумулированного теплоносителем в тепловом пункте системы. Виды и конструкции нагревательных приборов могут быть самыми разнообразными. Приборы выполняют из - чугуна, - стали, - стекла, - бетона, - керамики, - фарфора, - панелей из бетона с заложенными в них трубчатыми нагревательными элементами и пр. В них могут подаваться различные теплоносители с разными параметрами. Основные виды нагревательных приборов: - радиаторы, - ребристые трубы, - конвекторы, - отопительные панели. В радиаторах и ребристых трубах тепло отдается конвекцией и излучением, причем конвективная теплоотдача несколько превышает лучистую. В конвекторах основная доля тепла отдается конвекцией. Отопительные панели обычно имеют плоскую поверхность и большую часть тепла отдают излучением. Простейшим является нагревательный прибор из гладких стальных труб. Обычно он выполняется в виде змеевика или регистра (рис. 4.1). Прибор имеет высокий коэффициент теплопередачи и несколько большую часть тепла отдает конвекцией. Он выдерживает высокое давление теплоносителя (до 1,5—2 МПа). Однако приборы из гладких труб дороги и занимают много места. Они применяются в помещениях со значительными выделениями пыли, для обогрева световых аэрационных фонарей производственных зданий и т. д. Прибор из гладких труб может быть изготовлен в построечных мастерских, Наибольшее распространение из нагревательных приборов получили радиаторы (рис. 4.2). Радиаторы собираются из секций со сравнительно ровной поверхностью. Каждый радиатор снабжается четырьмя пробками, из которых две со сквозными отверстиями служат для присоединения прибора к трубопроводам системы. Чугунные радиаторы, как и другие нагревательные приборы из чугуна, выдерживают давление до 0,6 МПа. Довольно широкое применение в системах отопления получили чугунные ребристые трубы (рис. 4.3). Ребра на поверхности трубы увеличивают площадь теплоотдающей поверхности, но несколько снижают гигиенические качества прибора (скапливается пыль, которую трудно убирать) и придают ему грубый внешний вид. В жилищном строительстве применяют конвекторы плинтусного типа (рис. 4.4). Эти нагревательные приборы представляют собой стальные трубы диаметром 15—20 мм с оребрением из ленточной стали толщиной 0,5—0,7 мм. Такие каналы можно легко очистить от пыли, а коробчатая форма оребрения делает его достаточно прочным. Теплоотдача 1 м длины конвектора плинтусного типа в стандартных условиях около 300 Вт. Прибор имеет воздушный клапан, который позволяет регулировать, скорость проходящего воздуха и снижать теплоотдачу прибора до 50%. Кроме конвекторов плинтусного типа изготовляются конвекторы низкие стальные двухтрубные «Прогресс» и «Аккорд». Выполняются они из труб диаметром 15-20 мм с оребрением из ленточной стали. Глубина прибора 60-70 мм, высота 90-300 мм. Наиболее совершенным среди конвекторов является конвектор в кожухе (рис. 4.5). В нем нагревательным элементом служат стальные трубы диаметром 15—20 мм с оребрением из стального листа толщиной 0,35 мм; расстояние между ребрами 10; 7,5 и 5 мм. Оребренные трубы оцинкованы; кожух выполнен из стального листа. Прибор снабжен воздушным клапаном для регулирования теплоотдачи. Конвекторы выпускаются нескольких типов: низкие, высокие, подоконные, островные и др. Достоинством конвектора является малая высота (от 250 мм), небольшая глубина (до 60 мм) и большая теплоотдача. Теплоотдача 1 м длины прибора изменяется от 660 до 3700 Вт в зависимости от числа и расположения оребренных труб. В зависимости от высоты кожуха теплосъем с оребренной поверхности может увеличиваться на 20% и более. В некоторых конструкциях конвекторы снабжаются вентилятором специального типа, обеспечивающим интенсивное движение воздуха. Искусственное побуждение движения воздуха значительно увеличивает теплосъем с оребренных поверхностей. Конвекторы могут быть использованы для искусственного охлаждения помещений. Некоторый недостаток конвекторов состоит в необходимости и трудности периодической очистки от пыли. Примером отопительной панели является бетонная панель. Нагревательный прибор изготовляется в виде бетонной плиты с замоноличенными в нее трубчатыми нагревательными элементами (рис. 4.6), выполняемыми из стальных труб, термостойкого стекла, пластмассы, в виде каналов, отформованных в теле панели, и пр. Панели располагают обычно в конструкциях ограждений помещений. Одним из достоинств отопительных панелей является возможность их использования летом для охлаждения помещений. 4.2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Схема теплопередачи нагревательного прибора в помещении показана на рис. III. 8. Нагревательный прибор и теплоноситель в нем имеют обычно малую тепловую инерцию, а поэтому тепловой поток Qтн, отданный в приборе теплоносителем, в каждый момент равен тепловому потоку Qнп, передаваемому прибором помещению: Qтн = Qнп (4.1) Если теплоноситель вода или другая среда, аккумулирующая тепло в результате теплоемкости и изменения температуры, то величина QTH равна: Qнп =Gнп с ( t1- t2) (4.2) где Gнп — расход теплоносителя через нагревательный прибор, кг/ч; с — удельная теплоемкость, кДж/(кг · °С), теплоносителя [для воды составляет 4,19 кДж/(кг · °С)], t1 и t2 – температура теплоносителя на входе в прибор и на выходе из него. Если теплоноситель пар, то передача тепла в приборе происходит при конденсации с выделением скрытой теплоты парообразования, при этом температура входящего в прибор пара t1 обычно равна температуре покидающего прибор конденсата t2. Величина Qтн в этом случае равна: Qтн= Gтн r, (4.3) Где r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг, отвечающая давлению пара, поступающего в прибор. Теплоотдачу нагревательного прибора Qнп определяют с помощью основного уравнения теплопередачи в виде Qнп=Кнп(tнп – tв)· F н п (4.4) В формуле (III.4) принято, что количество отданного прибором тепла пропорционально разности между средней температурой теплоносителя в приборе tнп и температурой помещения tв. Обычно в расчетах принимают для воды среднюю температуру tнп=( t1+ t2)/2 (4.5) для пара температуру, соответствующую давлению пара, поступающего в прибор. Опытами установлено, что в нагревательных приборах типа радиаторов при подаче воды по схеме «сверху—вниз» значение tнп близко к определяемому по формуле (III.5). При подаче воды «снизу—вверх» значение tнп отличается от среднеарифметического и близко к значению t2. В приборах, соединенных последовательно или выполненных в виде змеевика, теплоноситель (вода) изменяет температуру по ходу движения по логарифмическому закону. F н п в формуле (III. 4) представляет собой площадь теплоотдающей поверхности прибора — всей внешней (наружной) поверхности прибора, омываемой воздухом, обычно искусственно развитой путем устройства приливов, оребрения и пр. Коэффициент теплопередачи нагревательного прибора Кнп в формуле (III.4), как и в случае передачи тепла через стенку от одной среды к другой, равен величине, обратной сопротивлению теплопередаче нагревательного прибора: (III.6) Кнп=1/ Rнп (4.6) Величина Rнп, в свою очередь, равна: Rнп= Rв+ Rт+ Rн,. (4.7) где Rв, Rт и Rн — сопротивление тепловосприятию, теплопроводности стенки прибора и теплоотдаче. Сопротивление Rв, м2·оС/Вт, тепловосприятию от теплоносителя к внутренней поверхности нагревательного прибора площадью F в п зависит от коэффициента теплообмена αв. Величина Rв должна быть отнесена к поверхности теплоотдачи прибора F н п , поэтому 1 R в=  в Fв .п Fнп = Rв Fн.п (4.8) Коэффициент теплообмена αв между теплоносителем и внутренней поверхностью прибора определяется в основном скоростью движения теплоносителя в приборе. С увеличением расхода воды коэффициент теплообмена сначала заметно возрастает, но затем при расходах 200 кг/ч и более остается практически неизменным. В чугунных радиаторах — наиболее распространенном виде приборов — скорость движения воды в колонках обычно небольшая (около 0,01 м/с) и αв ~ 58 Вт/(м2·оС). Отношение F н п / F в п для них равно приблизительно 1,3 и Rв составляет Rв = 1 58 1,3 = 2,2·10-2(м2·°С)/Вт Размеры и положение кожуха выбирают такими, чтобы общая теплоотдача нагревающих элементов возрастала. Обычно значение αн у нагревательных приборов равно 5— 15 Вт/(м2·°С), т. е. Rн =0,2 ... 0,066 м2·°С/Вт, что значительно больше двух других составляющих общего сопротивления теплопередаче нагревательного прибора Rнп. Из рассмотренного процесса теплообмена, характерного для нагревательных приборов, ясен физический смысл влияния отдельных факторов на коэффициент теплопередачи Кнп. Для металлических нагревательных приборов (типа радиаторов) определяющим в этом коэффициенте является интенсивность теплообмена на внешней теплоотдающей поверхности. Для неметаллических приборов, выполненных из бетона, керамики и других материалов, важной составляющей коэффициента Кнп является также теплопроводность материала стенки прибора. 4.4. ВЫБОР И УСТАНОВКА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ В ПОМЕЩЕНИИ Некоторые общие рекомендации по выбору вида нагревательных приборов приведены в табл. 4.2. Нагревательные приборы (радиаторы, конвекторы и т. д.) устанавливают под окнами или в нишах наружных стен и в исключительных случаях у внутренних стен. Панельные приборы располагают под окнами, в наружных стенах, в перегородках и в конструкциях пола и потолка. В высоких помещениях для предотвращения образования холодных токов 1/3 или 1/4 приборов рекомендуется располагать под окнами верхнего света (второй ряд окон) или под фонарями. На лестничных клетках нагревательные устройства располагают в нижних этажах и во вторых тамбурах входов. При числе этажей больше четырех лестницы рекомендуется обогревать специальными воздухонагревателями. Приборы присоединяют к стоякам системы отопления по различным схемам (рис. 4.11). При числе секций в радиаторе меньше 25 предусматривают одностороннюю схему, упрощающую монтаж. Для смежных второстепенных помещений, не требующих регулировки теплоотдачи приборов, или при установке приборов в одном помещении допускается их присоединение на сцепке. Приборы на сцепке в тепловом и гидравлическом расчете рассматривают как один прибор. 4.5. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Учитывая принятый вид нагревательного прибора, место расположения прибора в помещении и способ присоединения прибора к трубопроводам системы отопления, производят его теплотехнический расчет. Задача расчета обычно состоит в определении площади поверхности прибора, обеспечивающей при заданных условиях работы, передачу расчетного количества тепла от теплоносителя к помещению. Нагретая поверхность прибора должна при этом иметь температуру, не выше допустимой по санитарногигиеническим требованиям. Иногда задачей расчета прибора может быть обеспечение заданного теплового режима в какой-либо зоне помещения. Для определения площади теплоотдающей поверхности нагревательного прибора необходимо знать требуемую теплоотдачу его Qнп . Она может быть получена из общей потребности помещения в тепле Qп с учетом тепла, отдаваемого трубопроводами системы, расположенными в помещении, Qтп Qнп = Qп – Qтп (4. 13) Величина Qтп равна суммарной теплоотдаче отдельных участков трубопроводов системы, находящихся в помещении: Qтп = Σfolqoβтр, (4. 14) где fo — площадь, экм, 1 м длины неизолированного участка трубопровода, определяемая по табл. III. 3; l — длина отдельных участков, м; qo — теплоотдача с 1 экм отдельных участков трубопроводов, определяемая по формуле (4. 11) с учетом остывания воды в трубопроводах умножением на коэффициент β1 (табл. 4. 4); βтр — коэффициент, учитывающий положение участка трубы в помещении; значение βтр для стояков равно 0,5, для подводок к приборам — 0,9, для магистралей под потолком — 0,25, для магистралей над полом — 0,75. Площадь требуемой теплоотдающей поверхности нагревательного прибора Fo, экм, соответствующая F н п , м2 определяется по формуле: Q н .п Fo= qo β1 β2 β3 β4 (4.15) где β1, - поправочный коэффициент (см. табл. 4.4), учитывающий понижение температуры воды относительно расчетного значения вследствие ее остывания в трубопроводах системы; β2. поправочный коэффициент для радиаторов, принимаемый при числе секций до 5 равным 0,95, от 5 до 10 - 1, от 10 до 20 - 1,05, более 20 - 1,1; для распространенных чугунных радиаторов этот коэффициент ориентировочно может быть определен в виде зависимости от Fo: β2  1 0,92  0,16 / Fо (4.16) β3 — поправочный коэффициент, учитывающий способ подводки теплоносителя к нагревательному прибору и изменение теплоотдачи в зависимости от относительного расхода воды через прибор (табл. 4.5); β4 - поправочный коэффициент, учитывающий способ установки нагревательного прибора и всякого рода укрытия (см. рис. 4.10 и табл. 4.1). Если нагревательный прибор состоит из отдельных секций или элементов, то кроме F0 необходимо определить их число. Для радиаторов, зная F0 и площадь поверхности одной его секции fo (табл. 4.6), можно определить потребное число секций по формуле n= F0 / fo (4.17) Если дробная часть полученного отношения соответствует площади, большей 0,1 экм, то п округляется до большего целого числа секций. Следует отметить, что в однотрубных системах водяного отопления средняя температура теплоносителя tнп в приборах для разных этажей здания может быть определена только после гидравлического расчета трубопроводов. Для окончательного определения площадей поверхностей нагревательных приборов с учетом тепла, выделяемого обслуживающими их трубопроводами, также требуется предварительно рассчитать диаметры трубопроводов. При расчете приборов систем парового отопления β1, и β3 равны единице. При паре низкого давления значение tнп принимается равным 100 °С. 4.6. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Система отопления должна поддерживать в помещениях расчетную температуру воздуха. Центральное (качественное) регулирование состоит в изменении температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления, в зависимости от температуры наружного воздуха. Осуществляется централизованно, на ТЭЦ или в районных котельных. Местное (количественное) регулирование состоит в изменении подаваемого в прибор количества теплоносителя с помощью специальных кранов, устанавливаемых на подводках. В проточнорегулируемых однотрубных системах водяного отопления перед нагревательными приборами устанавливаются трехходовые краны позволяющие полностью отключить прибор или подать в него частичный либо полный расход теплоносителя в стояке. Кран с переменным гидравлическим сопротивлением, так называемый «кран двойной регулировки», устанавливается на подводках нагревательных приборов двухтрубных систем. Первичная регулировка, осуществляемая после монтажа при сдаче системы в эксплуатацию, заключается в установке гидравлического сопротивления, гасящего избыточное естественное давление приборов верхних этажей. Вторичная регулировка заключается в изменении расхода теплоносителя, проходящего через прибор в процессе эксплуатации, путем открывания или закрывания крана. ЛЕКЦИЯ 4 Глава 5. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ 5.1. ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ В СИСТЕМАХ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ В замкнутом, полностью заполненном водой контуре трубопроводов системы отопления передача тепла от источника к нагревательным приборам происходит благодаря регулярной циркуляции воды. Циркуляционное движение поддерживается силами, которые в гидравлическом расчете определяются как циркуляционное давление. В системах водяного отопления помимо естественного циркуляционного давления, возникающего в связи с разностью плотностей воды, может быть создано искусственное циркуляционное давление с помощью насоса, элеватора или другого побудителя циркуляции. 1. Естественное циркуляционное давление от охлаждения воды в нагревательных приборах. Изменения температуры воды в системе происходят в основном в тепловом пункте, где вода нагревается, и нагревательных приборах, где она охлаждается. В связи с этим часть трубопроводов системы от теплового пункта до нагревательных приборов постоянно заполнена нагретой водой, а от приборов до теплового пункта — охлажденной, несмотря на то, что вода непрерывно движется в замкнутом контуре трубопроводов. Принято, что нагрев воды происходит в середине котла, охлаждение ее - в середине нагревательного прибора; вода в трубопроводах не охлаждается. В общем случае гравитационное циркуляционное давление можно выразить уравнением N p e  g  hi (  i 1   i ) (5.5) 1 Таким образом, гравитационное циркуляционное давление в замкнутом контуре трубопроводов с произвольно расположенными в нем точками нагрева и охлаждения равно ускорению свободного падения, умноженному на сумму произведений высот отдельных точек нагрева и охлаждения над произвольно принятым уровнем отсчета на разность плотностей воды после и перед этими точками по направлению циркуляции воды в контуре. При определении гравитационных давлений в расчетах, не требующих высокой точности, вместо Δρ = ρ1-ρ2 можно ввести в расчет Δt= t2- t1, имея в виду, что g(ρ1-ρ2 ) = 9,81·0,64 (t2- t1) = 6,2(t2- t1) = β(t2- t1), (5.6) Где значение β зависит от параметров теплоносителя. 1.а.Определение p е в двухтрубных системах отопления. В двухтрубных системах нагревательные приборы соединены по теплоносителю параллельно, К прибору каждого этажа подходит вода с параметрами tГ и ρГ , а от прибора уходит с параметрами t0 и ρ0 (рис. 5.3). Циркуляционное кольцо через прибор каждого этажа имеет свое значение  p е вследствие разной высоты расположения его над центром котла. Для прибора I этажа Δре1 эт = g h1(ρ0- ρГ); (5.7) для прибора II этажа ΔреII эт = g h2(ρ0- ρГ); (5.8) Значение h1 меньше значения h2, поэтому и Δре1 эт меньше ΔреII эт. Таким образом, значения располагаемого давления Δре в циркуляционных кольцах двухтрубных систем различны и зависят от расположения нагревательных приборов относительно точки нагрева в тепловом пункте. С этим обстоятельством связаны трудность гидравлической увязки циркуляционных колец приборов разных этажей, а также возможность разрегулировки, гидравлической и тепловой неустойчивости двухтрубных систем. По этой причине применение двухтрубных систем с верхней разводкой ограничено зданиями до четырех этажей и установка приборов ниже точки нагрева в тепловом пункте не допускается 1.б. Определение Δре в однотрубных системах отопления. В однотрубных системах нагревательные приборы соединены по теплоносителю последовательно, поэтому каждый последующий прибор получает воду с более низкой температурой и большей плотностью, чем предыдущий (рис. 5.4). Обычно в качестве основного рассматривают контур через участки стояка и замыкающие участки приборов. Чтобы определить  p е в контуре, нужно вычислить температуру воды на всех участках. В общем случае при большом числе приборов на стояке температура смеси воды tсм х в произвольном сечении х. стояка между смежными приборами будет равна: tсм х = tГ-Σq(tГ- t0) (5.11) где Σq —доля теплоотдачи всех верхних приборов до сечения х в общей теплоотдаче стояка. Зная температуру смеси tсм, легко установить значение гравитационного циркуляционного давления. Для этого можно воспользоваться способом сопоставления столбов воды, как это было сделано в простейшем случае в формулах (V.1) – (V.3), и тогда Δре= g h1(ρ0- ρГ)+ g h2(ρСМ - ρГ); (5.12) Или общей формулой (V.5), и тогда Δре = g (h1 + h2 ) (ρСМ - ρГ)+ g h1(ρ0- ρСМ). (5.13) Легко убедиться, что эти формулы приводят к одинаковому результату. Особенность однотрубных систем состоит в том, что значение Δре 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. 2. Дополнительное гравитационное давление от охлаждения воды в трубопроводах. Кроме понижения температуры воды в нагревательных приборах наблюдается дополнительное ее охлаждение по длине трубопроводов системы. Изменение температуры в трубопроводах создает дополнительное гравитационное давление Δре.тр. Его можно подсчитать, пользуясь общей формулой (5.5), если предположить, что охлаждение по длине каждого участка трубопровода сосредоточено в его центре, как в точке охлаждения (см. рис. 5.2). Тогда N Δретр = g  h  i i 1  i  (5.14) 1 где индекс i обозначает номер условных точек охлаждения в середине участков трубопровода. Обычно величину Δретр не рассчитывают, а определяют по таблицам или графикам. Приводим один из таких графиков (рис. 5.5), составленный П.Ю. Гамбургом. Дополнительное давление от охлаждения воды в трубах важно учитывать при расчете небольших систем с естественной циркуляцией воды. В квартирных системах отопления циркуляция воды происходит в основном под влиянием Δретр, поскольку в этих системах нагревательные приборы обычно не удается расположить выше точки нагрева воды. В системах с нижней разводкой дополнительное давление от охлаждения воды в трубах невелико, поэтому его обычно не учитывают. 3. Расчетное циркуляционное давление в системах водяного отопления. В системах с естественной циркуляцией расчетное циркуляционное давление Δрр.ц определяется только гравитационными силами, поэтому оно равно Δрр.ц = Δре+ Δре.тр (5.15) В системах с искусственным побуждением (насосные системы) Δрр.ц определяется по формуле Δрр.ц = Δрн+Б(Δре+ Δре.тр), (5.16) где Δрн — давление, создаваемое побудителем циркуляции (насосом или элеватором); исходя из технико-экономических расчетов его рекомендуется принимать при обычной протяженности колец системы (около 120 м) равным 10 000—12 000 Па; для систем произвольной протяженности его можно приближенно принимать равным: Δрн = 80Σl, (5.17) где Σl —сумма длин участков расчетного кольца. Коэффициент Б в формуле (5.16) определяет долю максимального гравитационного давления, которую целесообразно учитывать в расчетных условиях. В нормах рекомендуется для двухтрубных систем принимать коэффициент Б равным 0,4—0,5, для однотрубных систем — Б = 1. 5.2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Трубопроводы в системе отопления выполняют важную функцию распределения теплоносителя по отдельным нагревательным приборам. В водяных системах количество принесенного теплоносителем тепла зависит от его расхода и перепада температуры при охлаждении воды в приборе. Обычно при расчете задают общий для системы перепад температуры теплоносителя и стремятся к тому, чтобы в двухтрубных системах этот перепад был выдержан для всех приборов и для системы в целом, в однотрубных системах — для всех стояков. При известном перепаде температуры теплоносителя по трубопроводам системы к каждому нагревательному прибору должен быть подведен определенный расчетом расход воды. В инженерной практике эта задача решается методом подбора. Провести гидравлический расчет сети трубопроводов системы отопления (с учетом располагаемых циркуляционных давлений) — это значит так подобрать диаметры отдельных участков, чтобы по ним проходили расчетные расходы теплоносителя. Расчет ведется подбором с выбором диаметров по имеющемуся сортаменту труб, поэтому он всегда связан с некоторой погрешностью. Для различных систем и отдельных их элементов допускаются определенные невязки, которые должны быть выдержаны в расчете. Потери давления на участках трубопроводов. Движение воды в трубопроводах происходит от сечений с большим давлением к сечениям с меньшим давлением. Давление теряется на преодоление сопротивления трения по длине труб и местных сопротивлений. В системах водяного отопления доля потерь на трение и в местных сопротивлениях примерно одного порядка, поэтому их необходимо одинаково полно учитывать в гидравлическом расчете. В системе отопления вода циркулирует по замкнутому контуру. Согласно уравнению Бернулли, разность давлений Δр на протяжении произвольного контура трубопровода системы должна быть равна сумме гидравлических потерь на трение Δртр и в местных сопротивлениях Δрм.с.: Δр = Δртр+ Δрм.с (5.18) Учитывая сложность расчета потерь давления на трение по формулам, обычно пользуются таблицами или номограммами. Потери давления на трение Δртр определяют по выражению Δртр = Rl, (5.27) где R — удельные потери давления на трение (отнесенные к 1 м длины трубы). Значение R очевидно из формулы (5.19). Таблица для определения значения удельных потерь давления на трение R, Па/м, в зависимости от скорости υ, м/с, или расхода G, кг/ч, воды, протекающей по трубам различного диаметра d, мм, приведена в прил. 7. Потери давления в местных сопротивлениях Δрм.с обычно обозначают буквой Z. Величину Z можно определить по формуле Z = Σξ v2 2  (5.28) где ξ—коэффициент потерь давления в местном сопротивлении, или сокращенно коэффициент местного сопротивления. Коэффициент ξ характеризует гидравлические особенности различных местных сопротивлений В приложении 8 даны значения коэффициентов местных сопротивлений для различных элементов систем отопления. Численные значения коэффициентов ξ особенно для тройников и крестовин, зависят от абсолютных и относительных значений расходов проходящих потоков и диаметров труб, поэтому приведенные в приложении данные являются приближенными. Их достаточно надежно можно использовать для расчета двухтрубных систем и магистральных участков однотрубных систем. Часть трубопровода системы, в пределах которой расход теплоносителя, а также диаметр трубы остаются неизменными, называют участком. На участке может быть несколько местных сопротивлений. Общие гидравлические потери давления Δрi, в пределах расчетного участка i равны: Δрi = (Rl+Z)i. (5.29) Циркулирующие в системе отопления потоки последовательно проходят ряд участков. Потери давления на последовательно соединенных участках Δр равны сумме потерь давления на отдельных участках: N Δр = N  p   Rl  Z  i 1 i (5.30) 1 Трубопроводы системы отопления образуют ряд связанных между собой параллельных колец; в отдельных точках системы потоки расходятся, а в других сходятся, образуя как бы полукольца одного замкнутого контура. Перепады давлений, под влиянием которых происходит движение воды по каждому из полуколец между общими точками деления и слияния, будут одинаковыми. Так будет в изотермических условиях. Можно сформулировать общее правило: потери давления на полукольцах между общими точками с учетом дополнительных гравитационных давлений равны между собой. На рис. 5.6 приведены две схемы системы отопления: тупиковая и с попутным движением воды в подающей и обратной магистралях. Схемы начерчены упрощенно, на них изображены только магистрали и стояки без нагревательных приборов, арматуры и пр. На примере этих схем и на основе сформулированного общего правила удобно записать уравнения увязки отдельных полуколец трубопроводов в системе. В тупиковой схеме в циркуляционном кольце стояков I и V потери на трение и в местных сопротивлениях на участке аг должны равняться сумме потерь на участках аб, бв и вг. В схеме с попутным движением в циркуляционном кольце стояков I и V сумма потерь на трение и в местных сопротивлениях на участках аг и гв должна равняться сумме потерь на участках аб и бв. Однако, поскольку в обеих схемах вода по пути от котла к стояку V охлаждается больше, чем по пути от котла к стояку I, и, следовательно, соответствующие гравитационные давления Δре для стояков I и V различны, расходуемое давление на рассматриваемых полукольцах трубопровода нужно записать в следующем виде: для тупиковой схемы Σ(Rl+Z)аг = Σ(Rl+Z)абвг –( Δре абвг - Δре аг) (5.31) для схемы с попутным движением Σ(Rl+Z)авг = Σ(Rl+Z)абв –( Δре абв - Δре агв) (5.32) Гравитационное давление на каждом из параллельных ответвлений будет определяться по общей формуле (5.5). В данном случае необходимо, чтобы для каждого рассмотренного контура трубопроводов плоскость отсчета высот положения отдельных точек нагрева или охлаждения на полукольцах была общей. Обычно удобно производить отсчет от плоскости, проходящей через точки деления или слияния потоков циркуляционных контуров. Методика гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления. Методика гидравлического расчета систем отопления основана на закономерностях циркуляции теплоносителя в системе трубопроводов и определяет последовательность проведения этого расчета. Обычно задача состоит в определении диаметров на отдельных участках при заданных расходах и давлениях. Расчет начинают с определения располагаемого циркуляционного давления. Величину Δрр.ц определяют по формуле (5.15) для систем с естественной циркуляцией или по формуле (5.16) для насосных систем и систем, присоединенных к тепловой сети. При расчете за главное (наиболее невыгодно рассоложенное в гидравлическом отношении) циркуляционное кольцо принимают то, для которого располагаемое циркуляционное давление на 1 м длины трубопровода оказывается наименьшим. В тупиковых схемах двухтрубных систем (см.рис. 5.6, а) главным обычно оказывается циркуляционное кольцо, проходящее через нижний прибор дальнего стояка. В тупиковых схемах однотрубных систем за главное принимается кольцо, проходящее через дальний стояк. В схемах с попутным движением (см.рис. 5.6, б) протяженность колец через приборы нижнего этажа для всех стояков приблизительно одинаковая. В этом случае перепад давлений в системе заранее не ограничивают, а подбирают диаметры трубопроводов из условия предельно-допустимых скоростей движения теплоносителя и возможной увязки гидравлических потерь давления по отдельным параллельным полукольцам систем В этом случае удобно в качестве главного принимать кольцо, проходящее через нижний прибор (в двухтрубной системе) одного из средних наиболее нагруженных стояков. Именно этот стояк в схемах с попутным движением (в том числе и однотрубных систем) оказывается наиболее невыгодным в гидравлическом отношении. Задача гидравлического расчета главного циркуляционного кольца состоит в подборе диаметров его отдельных участков таким образом, чтобы суммарные потери давления по кольцу Σ(Rl+Z)г.ц.в были на 5—10% меньше величины расчетного давления Δрр.ц, т.е. Σ(Rl+Z)г.ц.в = (0,9 ... 0,95) Δрр.ц (5.33) Некоторый запас давления необходим на случай неучтенных в расчете гидравлических сопротивлений. Рассчитанное таким образом главное циркуляционное кольцо принимается в дальнейшем расчете в качестве опорного для гидравлической увязки всех остальных колец системы. Все циркуляционные кольца системы как бы привязывают в гидравлическом отношении к главному кольцу. Для каждого циркуляционного кольца есть точки, общие с главным кольцом, где происходит деление или слияние потоков. Одно из полуколец между этими общими точками всегда составлено уже рассчитанными участками главного кольца. Задача состоит в подборе диаметров участков второго полукольца таким образом, чтобы гидравлические потери в них были (с учетом дополнительных гравитационных давлений) равны уже подсчитанным потерям давления между общими точками на участках главного циркуляционного кольца [см. формулу (5.31) или (5.32)]. При этом чем ближе значения тех и других потерь, тем лучше. Точно увязать потери давления в полукольцах не всегда удается, однако необходимо выдержать определенную величину невязки между ними. В системах водяного отопления СНиП допускают невязку до ± 15%. Невязка между потерями давления в полукольцах, проходящих через приборы разных этажей стояков двухтрубных систем, нормами не ограничивается, так как она должна быть устранена при монтажной регулировке системы с помощью кранов двойной регулировки. 5.3. МЕТОДЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ Приступать к расчету трубопроводов можно только после подготовки схемы системы отопления к расчету, а это значит, что должны быть известны длины участков, требуемые расходы на участках и местные сопротивления. В большинстве случаев значение располагаемого перепада давлений бывает задано, тогда ориентируются на него; в противном случае ориентируются на допустимые скорости движения воды в трубопроводах. В том и другом случаях эти величины дают возможность только предварительно определить диаметры трубопроводов. Окончательные значения диаметров получают после увязки полуколец. Метод расчета трубопроводов по удельным потерям. Этот метод заключается в раздельном определении потерь давления на трение и в местных сопротивлениях. Расчет начинают с определения ориентировочного значения удельных потерь на трение по выражению Rор = 0,9k Δрр.ц /Σl (5.34) где Δрр.ц — располагаемое давление для расчета системы отопления; k — доля потерь давления на трение, принимаемая для систем с естественной циркуляцией равной 0,5, для систем с искусственной циркуляцией равной 0,65; Σl — сумма длин рассчитываемых участков, для которых давление Δрр.ц является располагаемым. Найденная величина Rор является приближенной, но весьма удобной для ориентировки в табличных данных. При подборе диаметров труб для конкретных участков могут применяться величины, большие или меньшие Rор. Найдя в прил. 7 полученное значение R или близкое к нему и двигаясь от него вправо, отыскивают заданный расход воды G, кг/ч (верхняя строка). Графа таблицы, в которой найдено значение заданного расхода, укажет, какому диаметру он соответствует. Под значением расхода в таблице приведена скорость движения воды υ, м/с. Произведение Rl дает значение потерь давления на трение на данном участке. По скорости определяют значение динамического давления рд = (v2/2) ρ (прил. 9), умножая которое на сумму коэффициентов местных сопротивлений Σξ, получают потери давления в местных сопротивлениях на рассчитываемом участке Z. Для удобства расчета запись ведут в табличной форме (табл. V.3 в примере V.2). Метод расчета по удельным потерям наиболее точен, так как в табличных значениях удельных потерь на трение учтен характер движения теплоносителя по трубам. Метод расчета трубопроводов по приведенным длинам. Этот метод удобно применять в тех случаях, когда основными являются потери давления на трение, а потери в местных сопротивлениях незначительны. При этом местные сопротивления заменяются эквивалентными длинами. Эквивалентной длиной называется длина трубы, на которой потери на трение равны динамическому давлению (или потерям в местном сопротивлении при коэффициенте местного сопротивления ξ, равном 1). Значение эквивалентной длины определяется из уравнения  v2 v2  1 Δр = l эк d 2 2 Отсюда lэк = d/λ (5.35) Общие потери на участке тогда выразятся уравнением Δруч = ( l+ lэк Σξ)  v2   d 2 = lпр R (5.36) где lпр = (l+ lэк Σξ)— приведенная длина участка, м; l — фактическая длина участка, м; lэк — эквивалентная длина, м, принимаемая по табл. V. 1; Σξ — сумма коэффициентов местных сопротивлений. ЛЕКЦИЯ 5 СИСТЕМЫ ПАРОВОГО ОТОПЛЕНИЯ. 6.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМ ПАРОВОГО ОТОПЛЕНИЯ Если при кипении воды давление остается неизменным, температура воды будет постоянной. Тепло же, подводимое к ней, расходуется на ее испарение. Это тепло называется скрытой теплотой парообразования. Водяной пар, находящийся в термодинамическом равновесии с водой, называется сухим насыщенным паром, а смесь сухого насыщенного пара с капельками воды во взвешенном состоянии — влажным насыщенным паром. Энтальпия i", кДж/кг, сухого насыщенного пара i" = i' + r, (6.1) (VI.1) где i' — энтальпия воды при температуре кипения (теплота, затрачиваемая на подогрев жидкости до температуры кипения), кДж/кг; r — скрытая теплота парообразования, кДж/кг. При давлении пара в 0,01 МПа значение i' = 426,2 кДж/кг, r = 2260 кДж/кг и энтальпия пара i" = 426,2 + 2260 = 2686,2 кДж/кг. При конденсации пара скрытая теплота парообразования выделяется. Температура конденсата в момент его образования равна температуре пара. Данные о температуре, плотности и энтальпии сухого насыщенного пара в зависимости от давления приведены в прил. 14. В системах парового отопления применяется сухой насыщенный пар и используется свойство его при конденсации выделять скрытую теплоту парообразования. Пар из котлов по паропроводам поступает в нагревательные приборы, установленные в помещениях. В нагревательных приборах пар конденсируется, и тепло через стенки приборов передается в помещения. Конденсат отводится из приборов по трубопроводам в сборные конденсатные баки, откуда насосами перекачивается в котлы, а в отдельных случаях возвращается сразу в котлы (самотеком). 6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПАРОВОГО ОТОПЛЕНИЯ Системы парового отопления, как было указано в гл. II, подразделяют на вакуум-паровые, низкого давления (до 0,07 МПа) и высокого давления (более 0,07 МПа), Системы низкого и высокого давления, в свою очередь, подразделяют: 1) по с в я з и с атмосферой — на открытые, сообщающиеся с атмосферой, и закрытые, не сообщающиеся с атмосферой; 2) по с п о с о б у 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 с х е м е расположения трубопроводов — на двухтрубные и однотрубные (те и другие могут быть с верхней, нижней и смешанной разводкой, с сухим и мокрым конденсатопроводом). Сухим называют конденсатопровод, сечение которого при работе системы не полностью заполнено конденсатом, а при перерывах в работе системы свободно от воды. Мокрым называют конденсатопровод, всегда полностью заполненный водой. Конденсатопровод может быть напорным, если конденсат перемещается при помощи насосов или избыточного давления пара, и самотечным, если конденсат перемещается самотеком. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ 7.1. ВИДЫ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ В системах воздушного отопления в качестве теплоносителя применяют нагретый воздух. Воздух, подогретый до температуры, более высокой, чем температура помещений, поступая в них и охлаждаясь, отдает помещениям необходимое для возмещения теплопотерь количество тепла. Системы воздушного отопления подразделяют: 1) по виду первичного теплоносителя, согревающего воздух, — на паровоздушные, водовоздушные и т. д.; 2) по способу подачи воздуха — на центральные (рис. 7. 1) с подачей воздуха из общего центра и местные (рис. 7.2) с подачей воздуха местными отопительными агрегатами; 3) по характеру перемещения нагретого воздуха — на системы с естественной циркуляцией (перемещение воздуха вследствие, разности плотностей холодного и нагретого воздуха) и системы с механическим побуждением (перемещение воздуха при помощи вентилятора); 4) по качеству подаваемого воздуха — на рециркуляционные (рис. 7. 1, а, 7.2, а и б) с перемещением одного и того же внутреннего воздуха, с частичной рециркуляцией (рис. 7.1, б и 7.2, в) и прямоточные (рис. 7.1, в и 7.2, г). При применении систем воздушного отопления с частичной рециркуляцией и прямоточных наряду с отоплением осуществляется и приточная вентиляция. Системы воздушного отопления обеспечивают быстрый нагрев помещений. В летнее время системы воздушного отопления с механическим побуждением могут быть использованы для охлаждения помещений при пропуске через воздухонагреватель того или иного хладагента. Недостатки системы - низкая относительная влажность воздуха, поступающего в помещение, если он не увлажняется, - возможность возникновения токов воздуха, беспокоящих людей, находящихся в помещении; - затруднения, связанные с увязкой воздуховодов значительных размеров со строительными конструкциями здания. Центральные системы воздушного отопления с естественной циркуляцией применяют при радиусе действия не более 8 м, с механическим побуждением — при радиусе действия более 8 м. Местные системы с агрегатами большой тепловой мощности и сосредоточенной подачей воздуха применяют в помещениях большого объема промышленных и гражданских зданий. Воздух подают в помещение горизонтальными компактными (рис. 7.3) или веерными (рис. 7.4) струями, обладающими большими скоростями (6—12 м/с). Выпускать воздух рекомендуется над уровнем пола помещения на высоте от 3,5 до 6 м при высоте помещения до 8 м и от 5 до 7 м при высоте помещения более 8 м. При выборе места выпуска воздуха следует предусматривать, чтобы приточные струи на своем пути не встречали препятствий в виде массивных строительных конструкций и оборудования. Вследствие интенсивного перемешивания воздуха воздушными струями температура в помещении выравнивается как по площади, так и по высоте. В связи с этим теплопотери в его верхней зоне уменьшаются, в результате уменьшается расход топлива. Применение укрупненных агрегатов уменьшает первоначальные затраты на устройство систем отопления, и эксплуатация систем несколько упрощается. Агрегаты небольшой тепловой мощности с децентрализованной подачей воздуха применяют для помещений с перегородками высотой более 2 м или с оборудованием, мешающим сосредоточенному выпуску воздуха ( рис. 7.5). Системы воздушного отопления с полной рециркуляцией могут быть применены в помещениях, в которых воздух не загрязнен вредными веществами, а с частичной рециркуляцией (совмещение с приточной вентиляцией) — в помещениях, когда количество приточного воздуха для компенсации теплопотерь превышает количество воздуха, необходимого для компенсации воздуха, удаляемого местными отсосами. Если рециркуляция воздуха недопустима, следует применять прямоточные системы воздушного отопления, совмещенные с приточной вентиляцией. Эти системы могут быть применены для жилых зданий и в производственных помещениях, в воздухе которых имеются болезнетворные микроорганизмы, ядовитые вещества, неприятные запахи производства и др. 7.2. РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ При расчете систем воздушного отопления необходимо определить количество подаваемого воздуха, температуру и скорость выпуска воздуха из воздухораспределителей, тепловую мощность установки, а затем подобрать оборудование. В системах с сосредоточенной подачей температура и скорость выпуска воздуха из воздухораспределителей определяются расчетом так, чтобы в рабочей зоне были обеспечены нормируемые метеорологические условия — температура и скорость движения воздуха. Предельная температура нагрева воздуха не должна превышать 70°С, так как дальнейшее повышение температуры вызывает пригорание органической пыли. В системах с децентрализованной подачей воздуха в обслуживаемую или рабочую зону не требуется специальных расчетов, связанных с воздухораспределением; при этом температура воздуха, выходящего из воздухораспределителя, принимается не более 45° С. Количество подаваемого воздуха, кг/ч, для системы воздушного отопления определяется по формуле Q G= c t пр  t ух  (7.1) где Q — теплопотери, возмещаемые системой воздушного отопления, кДж/ч; с—удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг • °С); tпр — температура воздуха на выходе из воздухоподогревателя, °С; tух — температура воздуха, уходящего из помещения. °С. Температура воздуха, подаваемого в помещение, определяется по формуле Q tпр = tух+ cG (7.2) После уточнения воздухообмена определяют расход тепла на нагревание воздуха: при системах воздушного отопления, работающих на полной рециркуляции: Q1 = cGp(tпр-tyx); (7. 3) при прямоточной схеме: Q2 = cGн(tпр-tн) (7. 4) при системах, работающих с частичной рециркуляцией: Q 3 = c[Gp( tпр -tyx) + Gн(tпр-tн)] (7. 5) где Gp и Gн — количество рециркуляционного и наружного воздуха, кг/ч; tн — температура наружного воздуха, °С. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ОБОРУДОВАНИЕ Вентиляционные системы разделяются на общеобменные и местные. Общеобменная вентиляция обеспечивает поддержание заданных свойств воздуха в объеме помещения. Местная – в малом объеме, на одном рабочем месте. Вентиляция может быть естественной и принудительной. Естественная вентиляция является вытяжной. Ее действие основано на разности давлений холодного воздуха, поступающего в нижнюю часть строения и нагретого воздуха в помещении. Вытяжная вентиляция применяется, как правило, в жилых и общественных зданиях, где отсутствуют производственные загрязняющие вещества. В этих зданиях вентиляция производится через специальные вентиляционные каналы, проложенные либо внутри зданий, либо по приставным воздуховодам. Преимуществом внутренних воздуховодов является отсутствие необходимости дополнительной их изоляции с целью предотвращения конденсации влаги из воздуха. На рис 8.1 приведена схема вытяжных каналов жилых зданий Принудительная вентиляция, т.е. осуществляемая механически – вентиляторами, может быть приточной, вытяжной или приточно-вытяжной. Приточно-вытяжная вентиляция применяется в производственных помещениях, где вытяжка производится от рабочих мест со значительным выделением вредностей (газосварка, пайка, травление и т.д.), а организованный приток восполняет необходимое количество воздуха в помещении. При этом приточный воздух подогревается в холодный период времени. При неорганизованном притоке (подсосе) наружного приточного воздуха подогрева не осуществляется, что понижает температуру воздуха в помещении. Устройства местной вентиляции – вытяжные устройства устанавливаются в рабочей зоне – над рабочими местами, общеобменный приток осуществляется в верхней зоне – выше 3 м над уровнем пола, общеобменная втяжка – в уровне пола (рис. 8.2). Забор приточного воздуха необходимо осуществлять в наветренной зоне здания в месте, где нет дополнительных источников загрязнения (например, автостоянка). Затем воздух проходит очистку в фильтрах, подогревается или охлаждается, и подается в помещение через направляющие – жалюзийные решетки, которые позволяют регулировать количество подаваемого воздуха. Вентиляторы для подачи приточного или вытяжки удаляемого воздуха следует располагать в подвалах или в уровне первого этажа. Сегодня в жилых и общественных зданиях вентиляторы совместно с кондиционирующими установками располагаются на техническом этаже (9 или 16). В этом случае необходимо уделить особое внимание мерам по снижению шума и вибраций от оборудования: закрытые вентиляционные камеры, виброгасящие основания, матерчатые вставки между вентилятором и металлическими воздуховодами. Сечение воздуховодов должно быть по возможности круглым, а все переходы плавными, т.к. в этом случае потери в воздуховоде будут минимальными. Воздуховоды должны оборудоваться лючками для очистки воздуховодов от пыли.