Теплогазоснабжение и вентиляция

Теплогазоснабжение и вентиляция Конспект лекций для специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство» Форма обучения: заочная ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………………………....…..7 Список рекомендуемой литературы…………………………………...…...8 Модуль 1………………………………………………………………..……9 1 Техническая термодинамика……………………………………...………9 1.1 Основные понятия технической термодинамики…………………..…….9 1.2 Идеальный газ. Уравнения состояния идеального газа………………...11 1.3 Первый закон термодинамики………………………………………...…13 1.4 Внутренняя энергия…………………………………………………...…..13 1.5 Работа изменения объема……………………………………………...…13 1.6 Теплоемкость…………………………………………………………...…15 1.7 Термодинамические процессы………………………………………...…16 1.8 Второй закон термодинамики……………………………………………19 1.9 Цикл Карно……………………………………………………………...…20 1.10 Понятие об энтальпии…………………………………………………...22 1.11 Энтропия…………………………………………………………………22 1.12 Диаграмма T-s……………………………………………………………23 1.13 Циклы тепловых двигателей……………………………………………25 1.13.1 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)……...25 1.13.2 Циклы газотурбинных установок (ГТУ)……………………………..33 1.13.3 Циклы паросиловых установок (ПСУ)……………………………….41 1.13.4 Циклы холодильных установок……………………………………....50 2 Теория теплообмена……………………………………...………………..56 2.1 Основные понятия теории теплообмена…………………..…………….56 2.2 Передача теплоты через плоскую стенку………………………………..61 2.3 Передача теплоты через цилиндрическую стенку……………………...64 2.4 Тепловая изоляция. Критический диаметр……………………….……..65 2.5 Тепловлажностный режим ограждений…………………………………67 3 Тепловлажностный и воздушный режим зданий. Нормативные требования к микроклимату помещений. Классификация зданий и сооружений……………………………………………………………………...68 4 Тепловой баланс помещения. Полное уравнение теплового баланса………………………………………………………………………….........70 5 Отопление…………………………………………………………………..71 5.1 Характеристика систем отопления……………………………………....72 5.2 Классификация систем отопления……………………………………….74 5.3 Основные конструктивные элементы систем отопления…………...….77 5.4 Отопительные приборы…………………………………………………..82 5.5 Описание отопительных приборов……………………………………....84 5.6 Выбор и размещение отопительных приборов……………………….…88 5.7 Схемы присоединения систем отопления к наружным теплопроводам……………………………………………………………………………...90 5.8 Трубопроводы систем отопления. Размещение трубопроводов в здании……………………………………………………………………...………94 5.9 Схемы систем отопления…………………………………………..……..98 5.10 Гидравлический расчет систем водяного отопления………………...102 5.10.1 Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления…………………………………………………………………….102 5.10.2 Естественное циркуляционное давление………………………...…105 5.10.3 Расчетное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления………………………………………………………………...…..107 5.10.4 Способы гидравлического расчета систем водяного отопления.…109 5.11 Воздушное отопление…………………………………………….……112 5.11.1 Область применения воздушного отопления………………………112 5.11.2 Схемы систем воздушного отопления……………………………....113 Модуль 2……………………………………………………………..……117 6 Вентиляция…………………………………………………………..……117 6.1 Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи. Расчетный воздухообмен…………………………………………………………………….117 6.2 Требования, предъявляемые к вентиляции………………………….…120 6.3 Классификация систем вентиляции………………………………….…123 6.4 Расчетные параметры приточного воздуха для систем с естественным и механическим движением……………………………………………..……127 6.5 Расчетные параметры удаляемого воздуха. Понятие рабочей и верхней зон……………………………………………………………………….……129 6.6 Поступление вредностей в помещение. Понятие вредности. ПДК вредных веществ в РЗ………………………………………………………….…132 6.7 Понятие требуемого воздухообмена и основные принципы его расчета………………………………………………………………………………134 6.8 Расчет воздухообменов по кратности для вспомогательных помещений…………………………………………………………..……………...…137 6.9 Сущность и назначение рециркуляции. Понятие рециркуляции воздуха…………………………………………………………………….………..138 6.10 Схемы рециркуляции………………………………..…………………139 6.11 Рециркуляция в центральных приточных установках……………….143 7 Кондиционирование…………………………………………………...…146 7.1 Системы кондиционирования воздуха…………………………………146 7.2 Местные системы кондиционирования воздуха………………………158 7.3 Тепло- и холодоснабжение систем кондиционирования воздуха……160 8 Теплоснабжение…………………………………………………………..164 8.1 Системы теплоснабжения…………………………………………….…165 8.2 Централизованное теплоснабжение……………………………………167 8.2.1 Теплоснабжение от электростанций (теплофикация)…………….…167 8.2.2 Теплоснабжение от районных котельных………………………...….171 8.2.3 Системы централизованного теплоснабжения………………………175 8.3 Местное и децентрализованное теплоснабжение…………………..…178 8.4 Выбор теплоносителя и системы теплоснабжения……………………180 8.5 Тепловое потребление…………………………………………………...184 9 Тепловые сети…………………………………………………………….196 9.1 Конструкция теплопроводов……………………………………………197 9.2 Подземные теплопроводы……………………………………..………..199 9.3 Надземные теплопроводы………………………………………………204 9.4 Опоры…………………………………………………………………….205 9.5 Компенсация температурных деформаций……………………….……208 10 Газоснабжение………………………………………………………...…211 10.1 Краткие сведения о природных газах…………………………..……..212 10.2 Сжиженные газы……………………………………...……………...…214 10.3 Воспламенение газов………………………………………………...…215 10.4 Газораспределительные сети в городах……………………………....215 10.5 Устройство наружных газопроводов……………………………….....216 10.6 Устройство подземных газопроводов……………………………..….217 10.7 Газопроводы низкого давления……………………………………..…218 10.8 Отключающие устройства на газопроводах………………………….219 10.9 Устройство внутридомовых газопроводов………………………...…220 10.10 Квартирная разводка……………………………………………….....222 ВВЕДЕНИЕ Инженер по специальности «Промышленное и гражданское строительство» в своей практической деятельности имеет дело с различным теплотехническим оборудованием и технологическими процессами. Поэтому он должен грамотно и эффективно использовать инженерное оборудование, анализировать схемы, режимы работы, определять основные технико-экономические показатели. Целью дисциплины «Теплогазоснабжение и вентиляция» является обучение студентов современным методам исследования теплотехнических систем, а также способам расчета их параметров. Задачей дисциплины является формирование базовых знаний о различных инженерных системах и методах расчета показателей этих систем. Данная дисциплина предусматривает изучение основ технической термодинамики и теплопередачи; понятия о тепловлажностном и воздушном режиме зданий, методов и средств их обеспечения; отопления зданий; вентиляции и кондиционирования воздуха; теплогазоснабжения промышленных и гражданских зданий. В результате изучения данного курса студент должен научиться самостоятельно определять вид инженерной системы; разбираться в конструкции и принципе работы и производить предварительные конструкторские расчеты. Список рекомендуемой литературы 1. Бухаркин, Е. Н., Кушнирюк, В. М. Инженерные сети. Оборудование зданий и сооружений / Е. Н. Бухаркин. - М. : Высшая школа, 2001. - 415 с. : ил. 2. Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети : учебник для вузов / Е. Я. Соколов. - 7-е изд., стер. - М. : Изд-во МЭИ, 1999. - 472 с. : ил. 3. Свистунов, В. М., Пушняков, Н. К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства / В. М. Свистунов. - СПб : Политехника, 2001. - 423 с. : ил. 4. Лисиенко, В. Г., Щелоков, Я. М., Ладыгичев, М. Г. Хрестоматия энергосбережения: справочное издание: В 2-х книгах. Книга 2 / В. Г. Лисиенко. - М. : Теплоэнергетик, 2003. - 768 с. : ил. 5. Нащокин, В. В., Техническая термодинамика и теплопередача / В. В. Нащокин. - М. : Высшая школа, 1975. - 496 с. : ил. МОДУЛЬ 1 1 Техническая термодинамика 1.1 Основные понятия технической термодинамики Задача технической термодинамики: отыскание наиболее рациональных и эффективных способов превращения теплоты и работы. Объектом технической термодинамики является термодинамическая система и рабочее тело (частный случай термодинамической системы). Термодинамическая система - совокупность материальных тел, способных обмениваться энергией как друг с другом, так и с другими системами. Виды термодинамических систем: • открытая - система, в которой происходит обмен веществом с другими системами; • закрытая - отсутствует обмен веществом; • адиабатная - отсутствует обмен теплотой; • изолированная - отсутствует обмен энергией и веществом. Рабочее тело - упругое тело, посредством которого осуществляется преобразование теплоты в работу (воздух, водяной пар). Систему, сообщающую рабочему телу теплоту, называют теплоотдатчиком, а воспринимающую - теплоприемником. Если во всех частях термодинамической системы свойства одинаковы, то такая система называется однородной (без поверхности раздела - гомогенная, с ней - гетерогенная). Любое тело обладает физическими свойствами, совокупность этих свойств - состояние тела. Каждое состояние рабочего тела характеризуется определенным значением физических величин, которые называются параметрами состояния. К ним относятся: • абсолютное давление, р, Па; • полный объем, V, м3; • удельный объем, υ, м3/кг; • молярный объем, υμ, м3/моль; • температура, Т, К; • масса, m, кг; • молярная масса, n, кг/моль; • плотность, ρ, кг/ м3; • внутренняя энергия, u, Дж; • энтальпия, i, Дж; • энтропия, s, Дж/К. Основные параметры состояния: • абсолютное давление, р, Па; 1 мм вод. ст. = 9,81 Па 1 ат = 101,325 кПа = 760 мм рт. ст. 1 бар = 0,1 МПа • термодинамическая температура, Т, К; Т = t + 273 • удельный объем, υ, м3/кг; Различают параметры состояния: • интенсивные - не зависящие от массы системы (температура, давление); • экстенсивные - пропорциональные массе (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, объем). Для термодинамической системы имеет место равновесное и неравновесное состояния. Равновесное состояние - состояние, в которое приходит термодинамическая система при постоянных внешних условиях, характеризующихся неизменностью во времени. Неравновесное состояние - характеризуется неодинаковостью параметров в различных точках системы. Совокупность изменений состояний термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое - термодинамический процесс. Термодинамические процессы могут быть: • обратимые - равновесные процессы, протекающие без трения; • необратимые - невозможны в обратном направлении по тому же самому пути, либо требует дополнительных внешних затрат (все реальные процессы). 1.2 Идеальный газ. Уравнения состояния идеального газа Наиболее легким объектом изучения является рабочее тело, обладающее свойствами идеального газа. Идеальный газ - газ, состоящий из упругих молекул, между которыми не действуют силы взаимного притяжения (размеры молекул бесконечно малы). Связь между основными параметрами состояния газа (давлением, температурой и удельным объемом) - уравнение состояния: Основные законы идеального газа: • закон Бойля-Мариотта: При постоянной температуре произведение давления на объем данной массы газа есть величина постоянная p·υ = const; или объемы данной массы газа обратно пропорциональны давлениям: при Т = const • закон Гей-Люссака: При постоянном давлении объемы данной массы газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам: при р = const • закон Шарля: При постоянном объеме давления данной массы газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам: при υ = const • закон Авогадро: Все газы при одинаковых температуре и давлении содержат в равных объемах одно и то же число молекул: На основании законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака уравнение состояния для 1 кг газа (уравнение Клапейрона): , где R - газовая постоянная, отнесенная к 1 кг газа; зависит от рода газа, . Уравнение состояния для произвольной массы газа (уравнение Менделеева-Клапейрона): , - универсальная газовая постоянная, ; где μ – молекулярная масса газа, кг/моль. 1.3 Первый закон термодинамики Он основан на использовании всеобщего закона сохранения энергии при ее превращениях: Энергия изолированной системы тел сохраняется при всех процессах, происходящих в системе: она может лишь передаваться от одних тел к другим (с сохранением или изменением формы движения материи). Первый закон термодинамики: Все подводимое к газу в процессе тепло расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы. 1.4 Внутренняя энергия Внутренняя энергия состоит из энергии поступательного и вращательного движения молекул газа, энергии колебательного движения атомов, а также энергии молекулярного взаимодействия. Изменение этих видов энергии зависит от изменения термодинамических параметров: давления, температуры и удельного объема. Внутренняя энергия, являясь также параметром состояния, определяется только начальным и конечным состояниями: Так как поступательное, вращательное и колебательное движения молекул зависят от температуры, то внутренняя энергия также является функцией от температуры. 1.5 Работа изменения объема В процессе расширения (сжатия) тело, изменяя свое состояние, совершает работу по преодолению внешних сил (воспринимает работу этих сил). Рисунок 1 - Работа изменения объема в р-υ-диаграмме В металлическом цилиндре вставлен поршень. Под поршнем находится газ под давлением р. Бесконечно малое расширение газа на dV вызывает бесконечно малое перемещение поршня на dz. , где F - площадь поршня. Поршень перемещается, преодолевая давление р, и совершая работу: Т.е. работа газа зависит от изменения объема и давления. Если , то , т.е. работа положительная. Если , то , т.е. работа отрицательная. Графическое обозначение работы: площадь под кривой процесса, т.е. работа зависит не от начального и конечного состояния, а от характера процесса, поэтому работа является функцией процесса. Теплота также является функцией процесса. 1.6 Теплоемкость Для вычисления количества теплоты, участвующей в процессе необходимо знать теплоемкость тела. Теплоемкость тела - количество теплоты, которое нужно сообщить телу любой массы, чтобы его температура в данном процессе изменилась на 1 К (Дж/К). Различают: • удельная (массовая) - отношение теплоемкости рабочего тела к массе тела. • объемная - отношение теплоемкости рабочего тела к объему тела. • мольная (молярная) – количество теплоты, необходимой для изменения температуры 1 кмоля тела на 1 К. , где n - количество рабочего тела, моль. Теплоемкость зависит от температуры и давления. Величина и знак теплоемкости в зависимости от термодинамического процесса изменяется от 0 до ±∞. Уравнение Майера: разность теплоемкостей в изобарном (p = const) и изохорном (υ = const) процессах равна газовой постоянной. , , где R0 - универсальная газовая постоянная (R0 = 8314 Дж/(кмоль·К)). 1.7 Термодинамические процессы 1) Изохорный процесс (υ = const): - закон Шарля Рисунок 2 - Изохорный процесс в р-υ-диаграмме 12’ - dp > 0 - подвод теплоты (dq > 0) 12 - dp < 0 - подвод теплоты (dq < 0) c = cυ - теплоемкость процесса Работа: Теплота: 2) Изобарный процесс (р = const): - закон Гей-Люссака Рисунок 3 - Изобарный процесс в р-υ-диаграмме 12 - изобарное сжатие 12’ - изобарное расширение c = cр - теплоемкость процесса Работа: Изменение внутренней энергии: Теплота: 3) Изотермический процесс (Т = const): - закон Бойля-Мариотта Рисунок 4 - Изотермический процесс в р-υ-диаграмме 12’ - изотермическое сжатие 12 - изотермическое расширение c = ±∞ - теплоемкость процесса Работа: Изменение внутренней энергии: Теплота: 4) Адиабатный процесс (рυk = const - уравнение адиабаты Пуассона) - отсутствует подвод или отвод теплоты. - показатель адиабаты Рисунок 5 - Адиабатный процесс в р-υ-диаграмме c = 0 - теплоемкость процесса Работа: Изменение внутренней энергии: Теплота: 4) Политропный процесс (рυn = const) - является обобщением всех процессов. Рисунок 6 - Политропный процесс в р-υ-диаграмме n - показатель политропы. n = 0 - изобарный n = 1 - изотермический n = k - адиабатный n = ±∞ - изохорный Работа: Изменение внутренней энергии: Теплота: 1.8 Второй закон термодинамики Первый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения между различными видами энергии при их взаимном превращении. Второй закон термодинамики говорит об условии, при котором этот процесс может произойти. Имеют место несколько равноправных формулировок: 1. теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему (Клаузиус); 2. теплоту какого-либо тела невозможно превратить в работу, не производя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела (Томсон); 3. невозможно создать вечный двигатель второго рода (Оствальд). Вечный двигатель второго рода - двигатель, в котором вся теплота, поданная от теплоотдатчика, целиком превращается в работу. 1.9 Цикл Карно Дает представление о тепловой машине, обладающей максимальным КПД, работающий в диапазоне температур Т1-Т2. Все остальные тепловые машины имеют меньший КПД. Цикл - круговой процесс, который возвращает рабочее тело в первоначальное состояние. На диаграмме такой процесс изображается замкнутой линией. Циклы могут быть: • прямые (циклы, в которых теплота переносится от горячего тела к холодному); • обратные (от холодного к горячему) - холодильные; • обратимые (циклы, состоящие из обратимых (равновесных) процессов); • необратимые. Эффективность превращения теплоты в работу в прямом цикле характеризуется термическим КПД: Термический КПД - отношение работы, совершенной системой за цикл, к подведенному к системе количеству теплоты. Эффективность обратного цикла характеризуется холодильным коэффициентом (отношение теплоты, воспринятой системой, к работе цикла): Может быть как больше, так и меньше 1. Прямой (обратимый) цикл Карно: Рисунок 7 - Прямой цикл Карно в р-υ-диаграмме 1 - 2 - изотермический подвод тепла, расширение тела; 2 - прекращение подвода тепла; 2 - 3 - адиабатное расширение; 3 - 4 - соприкосновение с холодным источником тепла; изотермическое сжатие; 4 - прекращение контакта с холодным телом; 4 - 1 - адиабатное сжатие. Удельное количество теплоты: Работа: Термический КПД: Он не зависит от физических свойств рабочего тела, условий проведения, а зависит только от абсолютных температур нагревателя и холодильника. Чем выше температура горячего и ниже температура холодного источника, тем выше КПД. Термический КПД не может быть равным единице, т.к. , а , при . Теорема Карно: термический КПД цикла не зависит от физических свойств рабочего тела. 1.10 Понятие об энтальпии Введена для упрощения расчетов. Является параметром состояния наряду с внутренней энергией, давлением и удельным весом. Так как внутренняя энергия является функцией от температуры и , то энтальпия тоже является функцией от температуры. Энтальпия идеального газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагрева от 0 до Т при р = const. Значения энтальпий для большинства термодинамических процессов сведены в таблицы. Энтальпию нельзя измерить приборами. 1.11 Энтропия Введена для упрощения расчетов. Энтропия - параметр состояния; мера подведенного тепла в изотермическом процессе. Связь между изменением удельной энтропии и удельным количеством теплоты: Т.е. элементарное количество подведенной (отведенной) удельной теплоты в равновесных процессах равно произведению термодинамической температуры на изменение удельной энтропии. Удельная энтропия Полное количество удельной теплоты: Для изотермического процесса: 1.12 Диаграмма T-s Чтобы вычислить удельную теплоту процесса используется координатная система T-s, где Т - термодинамическая температура, а s - удельная энтропия. Рисунок 8 - T-s-диаграмма При изменении энтропии на бесконечно малую величину удельная теплота этого участка процесса будет: Для всего процесса: С помощью T-s-диаграммы можно легко определить знак теплоты: если удельная энтропия возрастает (dS > 0), то теплота к рабочему телу подводится, а если убывает - отводится. Изображение термодинамических процессов в T-s-диаграмме: Направление вправо - процесс с подводом теплоты, влево - с охлаждением. Рисунок 9 - Термодинамические процессы в T-s-диаграмме 1) Изохорный процесс: υ = const; 2) Изобарный процесс: р = const; 3) Изотермический процесс: Т = const; 4) Адиабатный процесс: s = const 5) Политропный процесс: рυn = const; Рисунок 10 - Цикл Карно в в T-s-диаграмме: q1 - подвод тепла - 12ba q2 - отвод тепла - 34ab 1.13 Циклы тепловых двигателей 1.13.1 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ДВС - тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую энергию. Классификация: 1) по роду топлива: • жидкостные; • газовые; 2) по виду преобразования энергии: • поршневые; • турбинные; • реактивные; • комбинированные; 3) по рабочему циклу: • непрерывного действия; • двухтактные; • четырехтактные; 4) по способу приготовления рабочей смеси: • с внешним смесеобразованием (карбюраторные); • с внутренним смесеобразованием (дизельные); Все современные поршневые ДВС делятся на три группы: • с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме; • с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении; • со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении. Основными характеристиками цикла ДВС являются: 1) степень сжатия - отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия: 2) степень повышения давления - отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты: 3) степень предварительного (изобарного) расширения - отношение объемов в конце и начале изобарного процесса подвода теплоты: 4) термический КПД - отношение количества теплоты, превращенного в работу за один цикл, ко всей теплоте, подведенной к рабочему телу: Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя: Наглядно можно проследить на индикаторной диаграмме, снятой с помощью специального прибора - индикатора. Рисунок 11 - Индикаторная диаграмма ДВС При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз при открытом впускном клапане совершается такт всасывания I. В нижней мертвой точке (НМТ) впускной клапан закрывается, и поршень перемещается вверх, совершая такт сжатия II. Вблизи ВМТ топливо воспламеняется, и давление резко увеличивается. После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт) III. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан, давление падает, и при движении поршня от НМТ к ВМТ отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа - IV). Индикаторная диаграмма показывает работу реального двигателя. В действительности термодинамика рассматривает не реальные процессы, а идеальные обратимые циклы, поэтому в термодинамических циклах поршневых ДВС такты впуска и выпуска (I и IV) не рассматриваются (основные параметры не меняются, а изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре). Теоретические циклы поршневых ДВС: 1) Цикл с изохорным подводом теплоты (υ = const) - цикл Отто Топливо: бензин, генераторный газ, спирты. Состоит из двух адиабат и двух изохор. Рисунок 12 - Цикл Отто в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие; 2 - 3 - изохорный подвод теплоты; 3 - 4 - адиабатное расширение; 4 - 1 - изохорный отвод теплоты. Характеристики цикла: Степень сжатия: Степень повышения давления: Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Работа цикла: Термический КПД: Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. С увеличением показателя адиабаты и степени сжатия КПД увеличивается. Рисунок 13 - Зависимость термического КПД цикла Отто от степени сжатия Однако максимальная степень сжатия для двигателей с циклом Отто составляет 9 - 10 и ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси. Достоинство цикла: массогабаритный показатель. 2) Цикл с изобарным подводом теплоты (р = const) - цикл Дизеля Топливо: нефть, мазут. Отличие от цикла Отто: воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно. Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а затем впрыскивается топливо (с помощью компрессора). Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры. Рисунок 14 - Цикл Дизеля в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие; 2 - 3 - изобарный подвод теплоты; 3 - 4 - адиабатное расширение; 4 - 1 - изохорный отвод теплоты. Характеристики цикла: Степень сжатия: Степень предварительного расширения: Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Работа цикла: Термический КПД: Термический КПД зависит от степени сжатия, рода рабочего тела, степени предварительного расширения. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты КПД растет, с увеличением степени предварительного расширения КПД снижается. Максимальная степень сжатия (воздуха, а не топливовоздушной смеси, как в цикле Отто) составляет 18 - 20. Поэтому КПД цикла Дизеля больше. Однако, при одинаковых степенях сжатия в цикле Отто КПД больше, чем в цикле Дизеля. Недостаток: усложнение конструкции из-за компрессора, увеличение веса. 3) Цикл со смешанным подводом теплоты (р, υ = const) - цикл Тринклера Отличие от циклов Отто и Дизеля: бескомпрессорный двигатель высокого сжатия. Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в цилиндр в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо воспламеняется и горит в течение всего времени, пока открыта форсунка: в начале при υ = const, а затем р = const. Состоит из двух адиабат, изобары и двух изохор. Рисунок 15 - Цикл Тринклера в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие; 2 - 3’ - изохорный подвод теплоты; 3’ - 3 - изобарный подвод теплоты; 3 - 4 - адиабатное расширение; 4 - 1 - изохорный отвод теплоты. Характеристики цикла: Степень сжатия: ; Степень повышения давления: ; Степень предварительного расширения: ; Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Термический КПД: Термический КПД зависит от рабочего тела, от степеней сжатия, повышения давления и предварительного расширения. С увеличением показателя адиабаты, степени сжатия и степени повышения давления КПД растет, а с увеличением степени предварительного расширения КПД падает. Сравнение циклов поршневых ДВС: Сравнение циклов производится при разных степенях сжатия, одинаковых отведенных количествах теплоты и одинаковых максимальных температурах Т3. Рисунок 16 - Сравнение циклов ДВС Подведенная теплота: 1234 - υ = const 12’534 - р, υ = const 12”34 - р = const Следовательно: Т.е. КПД для изохорного процесса меньше, чем для смешанного, а для смешанного меньше, чем для изобарного. Недостатки поршневых ДВС: • ограниченность мощности; • невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. 1.13.2 Циклы газотурбинных установок (ГТУ) Преимущества ГТУ перед поршневыми ДВС: • относительно малый вес; • небольшие габариты; • большая мощность; • высокое число оборотов; • рабочее тело (газы) может расширяться до атмосферного давления. Рабочее тело ГТУ - продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Рисунок 17 - Принципиальная схема ГТУ Внешний воздух засасывается компрессором, сжимается в нем до определенного давления и подается в камеру сгорания. В камеру сгорания впрыскивается жидкое топливо, которое, сгорая, образует газообразные продукты сгорания высокой температуры. Затем продукты сгорания поступают в газовую турбину, где расширяются до атмосферного давления. Выпуск отработавших газов из турбины производится во внешнюю среду. Классификация ГТУ: • установка с изобарным подводом теплоты; • установка с изохорным подводом теплоты. Теоретические циклы ГТУ: 1) Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты: Рисунок 18 - Цикл ГТУ с изобарным подводом тепла в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие в компрессоре; 2 - 3 - изобарный подвод тепла; 3 - 4 - адиабатное расширение в газовой турбине; 4 - 1 - изобарный отвод теплоты. Характеристики цикла: Степень повышения давления в компрессоре: Степень изобарного расширения: Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Термический КПД: Термический КПД зависит от степени повышения давления β и показателя адиабаты k. С возрастанием степени повышения давления и показателя адиабаты КПД повышается. В реальных процессах имеют потери энергии: • на трение в компрессоре: Вследствие этого повышается температура рабочего тела, что приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха (линия 1 - 2’). Теоретическая работа сжатия в компрессоре: Действительная работа сжатия: Адиабатный КПД компрессора: • на трение в турбине (стенки сопл, лопатки): Вследствие этого часть кинетический энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе будет больше (i4’ > i4). Теоретическая работа расширения в турбине: Действительная работа расширения: Внутренний относительный КПД турбины: 2) Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты: Рисунок 19 - Принципиальная схема ГТУ с изохорным подводом теплоты Сжатый в турбокомпрессоре (6) воздух поступает из ресивера (7) (сосуд для выравнивания давления) через воздушный клапан (8) в камеру сгорания (1). Сюда топливным насосом (5) через топливный кран (9) подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан (2), расширяются в сопле (3) и приводят во вращение ротор газовой турбины (4). Рисунок 20 - Цикл ГТУ с изохорным подводом тепла в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие; 2 - 3 - изохорный подвод теплоты; 3 - 4 - адиабатное расширение; 4 - 1 - изобарный отвод теплоты. Характеристики цикла: Степень повышения давления в компрессоре: Степень дополнительного повышения давления: Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Термический КПД: Термический КПД зависит от показателя адиабаты, степени повышения давления и степени дополнительного повышения давления. С увеличением этих величин КПД растет. Методы повышения КПД ГТУ: 1) Регенерация - предварительный подогрев сжатого в компрессоре воздуха за счет тепла уходящих газов. Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты при p = const: Рисунок 21 - Схема ГТУ с регенерацией теплоты Сжатый воздух из турбокомпрессора (4) направляется в регенератор (8), где получает теплоту при постоянном давлении от газов, вышедших из камеры сгорания (1) через сопло (2) в турбину (3). Подогретый воздух из регенератора (8) через форсунку (7), а топливо из топливного насоса (5) через (6) направляется в камеру сгорания (1). Рисунок 22 - Цикл ГТУ с регенерацией тепла при p = const в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2 - 5 - изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5 - 3 - подвод теплоты при постоянном давлении в камере сгорания; 3 - 4 - адиабатное расширение продуктов сгорания в сопле турбины; 4 - 6 - изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе; 6 - 1 - изобарный отвод теплоты от газов на выходе из регенератора теплоприемнику. КПД цикла: Кпд цикла зависит от начальной температуры газа и от температуры в конце адиабатного расширения. Степень регенерации: Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты при : Подвод тепла производится как по изобаре, так и по изохоре. Рисунок 23 - Цикл ГТУ с регенерацией тепла при υ = const в р-υ- и Т-s-диаграммах 1 - 2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре при ; 2 - 3 - нагрев сжатого воздуха в регенераторе при ; 3 - 4 - подвод теплоты при в камере сгорания; 4 - 5 - адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 5 - 6 - отвод теплоты от газов в регенераторе при ; 6 - 1 - отвод теплоты от газов при теплоприемнику. Количество подведенной теплоты: Количество отведенной теплоты: Термический КПД: Применение регенерации позволяет уменьшить наибольшее давление в цикле без снижения его экономичности. 2) Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. Для приближения действительного процесса сжатия к изотермическому. 3) Ступенчатое сгорание с расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины. Для приближения действительного процесса подвода теплоты к изотермическому. Современная ГТУ с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием: В ней увеличивается число камер сгорания и холодильников, что усложняет конструкцию ГТУ. Рисунок 24 - Цикл современной ГТУ в Т-s-диаграмме Атмосферный воздух сжимается в отдельных ступенях давления компрессора и охлаждается в промежуточных холодильниках. Сжатый воздух поступает в первую камеру сгорания, где нагревается до максимальной температуры. В турбине газ расширяется. Затем он поступает во вторую камеру сгорания, где при он опять нагревается. Продукты сгорания расширяются во второй ступени турбины и выбрасываются в атмосферу. 1.13.3 Циклы паросиловых установок (ПСУ) Основным рабочим телом ПСУ является водяной пар, который используется как в насыщенном, так и в перегретом состоянии. 1) Цикл Карно для насыщенного пара паросиловой установки: Рисунок 25 - Принципиальная схема ПСУ: 1 - котел; 2 - перегреватель; 3 - паровая турбина; 4 - электрогенератор; 5 - конденсатор; 6 - конденсационный насос; 7 - питательный бак; 8 - питательный насос; 9 - подогреватель. Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле и перегревателе. Полученный пар направляется в паровую турбину, где происходит преобразование теплоты в механическую энергию, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе. Отработавший пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат конденсационным насосом направляется в питательный бак, откуда вода забирается питательным насосом, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель в паровой котел. Рисунок 26 - Цикл Карно для насыщенного пара в р-υ- и Т-s-диаграммах 0 - вода с давлением р1 и температурой насыщения t1 поступает в котел; 0 -1 - изобарный подвод тепла (и одновременно изотермический); 1 - пар становится сухим насыщенным; 1 -2 - адиабатное расширение пара в турбине; 2 - 3 - изобарный (изотермический) отвод тепла в конденсаторе; 3 - 0 - адиабатное сжатие пара в компрессоре. Так как пар в конденсаторе влажный, т. е. состоит из пара и жидкости, то на выходе из конденсатора он направляется в компрессор, где превращается в жидкость с давлением р1 и температурой t1. Условие для осуществления цикла Карно: цикл осуществляется в области насыщенного пара. Так как, если подвод тепла осуществляется в области перегретого пара, и подвод является изобарным, но не изотермическим. При изотермическом подводе тепла уменьшается давление. Термический КПД цикла Карно для насыщенного пара: Недостатки ПСУ, работающие по циклу Карно: 1) конденсация пара осуществляется не полностью, поэтому для того, чтобы сжать влажный пар необходимо иметь большой объем цилиндра компрессора (расход материала); 2) цикл осуществляется в области насыщенного пара, поэтому начальная температура пара не может быть высокой (она ограничена температурой кипения), и невозможно получить высокий КПД; 3) действительная затраченная работа на привод компрессора значительно больше, чем теоретическая вследствие потерь. 2) Цикл Ренкина: Цикл Ренкина позволяет осуществить полную конденсацию рабочего тела в конденсаторе, поэтому компрессор можно заменить питательным насосом. Цикл может осуществляться в области перегретого пара. Рисунок 27 - Цикл Ренкина в р-υ- и Т-s-диаграммах 0 - 1 - изобарный подвод теплоты в котле, подогревателе и перегревателе; 1 - 2 - адиабатное расширение пара в турбине; 2 - 3 - изобарный отвод тепла в конденсаторе; 3 - 0 - изохорное повышение давления в насосе; 0 - 4 - нагрев воды до температуры кипения в подогревателе; 1’ - 1 - процесс перегрева пара в перегревателе. Термический КПД: - без учета затраченной работы в насосе (незначительная по сравнению с работой, затраченной в турбине) Влияние начальных параметров пара на величину КПД цикла Ренкина: 1) Повышение начального давления пара; С увеличением начального давления пара от до при одинаковом давлении , температуре перегретого пара, степени сухости удельная работа цикла увеличится. Рисунок 28 - Увеличение КПД цикла Ренкина при повышении начального давления пара С увеличением начального давления пара удельный расход пара уменьшается. Расход пара в цикле Ренкина: , где - адиабатный перепад теплоты в турбине. Рисунок 29 - Уменьшение расхода пара при повышении начального давления Чем больше адиабатный перепад теплоты, тем меньше удельный расход пара, а перепад тем больше, чем выше начальное давление пара. 2) Уменьшение конечного давления в конденсаторе; При уменьшении конечного давления при одинаковых начальных параметрах ( и ) увеличивается КПД цикла. Рисунок 30 - Увеличение КПД цикла Ренкина при понижении конечного давления пара При уменьшении конечного давления до увеличивается удельная работа цикла Ренкина. Рисунок 31 - Уменьшение расхода пара при понижении конечного давления При увеличении конечного давления увеличивается перепад теплоты в турбине, и уменьшается расход пара. 3) Увеличение начальной температуры пара; Рисунок 32 - Увеличение КПД цикла Ренкина при повышении начальной температуры пара При повышении начальной температуры пара увеличивается перепад теплоты, и увеличивается КПД цикла, и уменьшается расход пара. Кроме того, увеличить термический КПД цикла Ренкина можно, используя регенерацию теплоты. 3) Регенеративный цикл ПСУ с промежуточным отбором пара: Рисунок 33 - Схема ПСУ с регенеративным подогревом воды: 1 - котел; 2 - перегреватель; 3 - паровая турбина; 4 - электрогенератор; 5 - конденсатор; 6 - конденсационный насос; 7 - труба; 8 - водоподогреватель; 9 - питательный насос. Пар из котла поступает в турбину (т. 1) и расширяется адиабатно (до т. 5). Часть пара отбирается и по трубе направляется в подогреватель питательной воды. Оставшийся пар в турбине расширяется до давления в конденсаторе и поступает в конденсатор. Здесь пар конденсируется (6 - 3). Конденсат откачивается из конденсатора насосом и поступает в подогреватель, в котором он подогревается паром, отбираемым из турбины. Нагретая вода нагнетается насосом в котел, где снова превращается в пар (3 - 4 и 4 - 1). Рисунок 34 - Применение регенеративного подогрева питательной воды Применение регенеративного подогрева питательной воды увеличивает КПД ПСУ на 4-6%. При увеличении начального давления, уменьшении конечного давления уменьшается степень сухости пара. Для увеличения х на выходе из турбины используют вторичный перегрев. 4) Цикл с промежуточным перегревом пара: Рисунок 35 - Схема ПСУ с промежуточным перегревом пара: 1 - котел; 2 - перегреватель; 3 - турбина высокого давления; 4 - вторичный перегреватель; 5 - турбина низкого давления; 6 - электрогенератор; 7 - конденсатор; 8 - питательный насос. Пар из котла поступает в перегреватель, а из него в цилиндр высокого давления (ЦВД) - первую ступень турбины. После расширения до давления пар направляется во вторичный перегреватель, а затем во вторую ступень турбины (ЦНД). На выходе из турбины пар поступает в конденсатор, а конденсат отсасывается питательным насосом и нагнетается в котел. Рисунок 36 - Применение промежуточного перегрева пара 1 - 2 - адиабатное расширение в ЦВД; 2 - 3 - вторичный перегрев пара; 3 - 4 - адиабатное расширение в ЦНД. Удельная теплота, отводимая в конденсаторе () является значительной, поэтому эту теплоту можно использовать для целей теплофикации (обогрев зданий, использование в технологических процессах). 5) Теплофикационный цикл: Рисунок 37 - Теплофикационный цикл в T-s-диаграмме Температура воды в конденсаторе приблизительно 30ºС, а для того, чтобы можно было ее использовать необходимо, чтобы температура отработавшего пара была выше 100ºС, а конечное давление в турбине выше атмосферного. Такие установки называются теплофикационными. Если давление отработавшего пара увеличить от до , то отводимая теплота будет больше. 6) Бинарный цикл: Бинарный цикл увеличивает КПД ПСУ почти до КПД цикла Карно в одинаковых температурных границах. В качестве жидкостей, используемых в бинарном цикле, применяют воду (для области низких температур) и ртуть (для области высоких). Рисунок 38 - Схема установки для бинарного цикла 1 - ртутный котел; 2, 4 - турбина; 3 - ртутный конденсатор; 5 - конденсатор; 6, 7 - насос. В ртутном котле вырабатывается насыщенный ртутный пар давлением 0,2-0,5 МПа при 400-460 ºС, поступающий затем в турбину (2). Отработав в этой турбине, ртутный пар направляется в ртутный конденсатор при давлении 0,04-0,06 МПа. В конденсаторе происходит конденсация пара, и жидкая ртуть подается насосом в котел. В ртутном конденсаторе осуществляется конденсация водой, которая превращается в пар за счет теплоты ртутного пара. Этот пар поступает в турбину (4), а из нее в конденсатор, в котором конденсируется в воду. Вода с помощью насоса подается в конденсатор (ртутный). Рисунок 39 - Бинарный цикл в T-s-диаграмме 1 - 2 - 3 - 4 - цикл Карно Недостатки бинарного цикла: • большая масса ртути (10-12 кг ртути на 1 кг воды), а, следовательно, и ее стоимость; • ядовитые пары ртути. 1.13.4 Циклы холодильных установок Холодильная установка предназначена для искусственного охлаждения помещений и различных тел. В качестве рабочего тела холодильной установки используется холодильный агент (пары аммиака, углекислоты, фреонов). Классификация холодильных установок: 1) компрессорные установки: • газовые (воздушные); • паровые; 2) абсорбционные установки. Холодильная установка работает по обратному (холодильному) циклу Карно. Состоит из двух адиабат, но цикл протекает против хода часовой стрелки. Рисунок 40 - Обратный цикл Карно 2 - 3 - расширение хладагента с подводом теплоты q2 при T1 = const; 3 - 4 - адиабатное сжатие хладагента; 4 - 1 - изотермическое сжатие хладагента с отводом теплоты q1 при T1 = const; 1 - 2 - адиабатное расширение хладагента. Основные характеристики холодильной установки: 1) Холодопроизводительность - отношение количества отводимой теплоты от охлаждаемого тела по времени. 2) Удельное количество отводимой теплоты - отношение количества отводимой теплоты от охлаждаемого тела к массе холодильного агента. 3) Холодильный коэффициент - отношение количества теплоты, отведенной в цикле, к затраченной работе. Холодильный коэффициент цикла Карно - наибольший. Холодильный коэффициент связан с термическим КПД: 1) Цикл воздушной компрессорной холодильной установки: Рисунок 41 - Схема устройства: 1 - холодильная камера; 2 - компрессор; 3 - холодильник; 4 - турбодетандер (расширительная машина). Холодильная установка состоит из холодильной камеры, внутри которой по трубам проходит охлажденный воздух, забирая теплоту из холодильной камеры. Нагретый воздух из холодильной камеры поступает в компрессор, где сжимается, и отправляется в холодильник. Внутри холодильника расположены трубы с проточной охлаждающей водой. Соприкасаясь со стенками этих труб, воздух охлаждается и поступает в турбодетандер, где расширяется с дальнейшим понижением температуры до давления, при котором поступает в холодильную камеру. Рисунок 42 - Цикл воздушной компрессорной холодильной установки в T-s-диаграмме 4 - 1 - изобарное расширение воздуха в холодильной камере (подвод тепла); 1 - 2 - адиабатное сжатие в компрессоре; 2 - 3 - изобарный отвод теплоты в холодильнике; 3 - 4- адиабатное расширение в детандере. Количество отведенной теплоты: Количество подведенной теплоты: Работа цикла: Холодильный коэффициент цикла: Недостатки: • малая удельная теплоемкость воздуха (необходимы большие объемы); • громоздкость, стоимость, дополнительные трудности в эксплуатации. 2) Цикл паровой компрессорной холодильной установки Рабочим телом (хладагентом) являются пары фреонов, аммиака, углеводороды. Рисунок 43 - Схема установки: 1 - холодильная камера; 2 - компрессор; 3 - холодильник (испаритель); 4 - дроссельный клапан. Компрессор засасывает из испарителя влажный насыщенный пар хладагента и сжимает его до давления р2. Из компрессора пар поступает в холодильник, где конденсируется, отдавая теплоту окружающей среде. Затем жидкий агент подвергается дросселированию, при этом часть жидкости превращается в пар. Давление уменьшается до начального, а температура принимает значение, соответствующее давлению насыщения. Далее агент в виде влажного пара направляется в испаритель, где происходит отвод тепла от охлаждаемой среды. Рисунок 44 - Цикл паровой компрессорной холодильной установки в T-s-диаграмме 3 - 2 - изобарно-изотермический подвод теплоты в холодильной камере; 2 - 1 - адиабатное сжатие в компрессоре; 1 - 4 - изобарно-изотермический отвод теплоты в холодильнике; 4 - 3’ - адиабатное расширение в дроссельном клапане. Количество отведенной теплоты: Количество подведенной теплоты: Холодильный коэффициент: 3) Цикл абсорбционной холодильной установки В качестве рабочего тела используется раствор из двух жидкостей с различными температурами кипения, полностью растворимыми друг в друге (вода и аммиак). Рисунок 45 - Схема абсорбционной холодильной установки: 1 - котел; 2 - холодильник; 3 - дроссельный клапан; 4 - испаритель; 5 - холодильная камера; 6 - абсорбер; 7 - насос; 8 - дроссельный клапан. В котле находится раствор воды и аммиака, а также пары аммиака, образовавшиеся за счет подведенной извне теплоты q1. Пары аммиака поступают в холодильник, где происходит их конденсация при p = const, равному давлению в котле. Конденсат аммиака проходит через дроссельный клапан, в котором давление конденсата понижается, и поступает в испаритель, находящийся в холодильной камере. Проходя по испарителю, конденсат воспринимает теплоту из камеры и превращается во влажный насыщенный пар. Он поступает в паровое пространство абсорбера, охлаждаемого водой, где соприкасается с парами, находящегося в нем аммиака. Происходит конденсация пара и поглощение его раствором. Часть аммиака в виде пара отводится из котла и, проходя через холодильник и испаритель, поступает в абсорбер, концентрация раствора в котором уменьшается, а в абсорбере увеличивается. Для того чтобы концентрация растворов в абсорбере и котле оставалась постоянной, производится перекачивание насосом раствора с большей концентрацией в котел из абсорбера и с меньшей - в абсорбер из котла. Раствор по пути из котла в абсорбер проходит через дроссельный клапан. Холодильный коэффициент (коэффициент теплоиспользования): , где q2 - удельная теплота хладагента, поглощаемая им в холодильной камере; q1 - удельная теплота хладагента, подводимая к раствору в котле. 2 Теория теплообмена 2.1 Основные понятия теории теплообмена Перенос теплоты от одного тела к другому или теплообмен между частями одного и того же тела происходит только при наличии разности температур. Различают три способа переноса теплоты в пространстве: • теплопроводность; • конвекция; • тепловое излучение (радиация). И два вида теплообмена: • конвективный; • лучистый. Теплопроводность - процесс распространения теплоты, происходящий при непосредственном соприкосновении тел или частиц тел с различной температурой. Конвекция - процесс распространения теплоты путем перемещения жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Происходит только в жидкостях или газах. Конвекция может быть: • свободная - перемещение частиц жидкости или газа происходит под влиянием разности плотностей отдельных частиц при нагревании; • вынужденная - движение жидкости или газа вызывается искусственно (вентилятором, насосом), происходит быстрее, чем свободная конвекция. Конвективный теплообмен - одновременное распространение теплоты конвекцией и теплопроводностью. Тепловое излучение (радиация) - излучение, возникающие в результате возбуждения частиц вещества (атомов, молекул) и распространяющиеся в пространстве электромагнитными волнами. Лучистый теплообмен - теплообмен, при котором происходит переход внутренней энергии излучающего тела в энергию, переносимую излучением, а затем лучистая энергия распространяется в пространстве и поглощается любым непрозрачным телом. Теплопроводность Для возникновения процесса теплопроводности необходимо наличие разности температур в различных точках среды. Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем. Уравнение температурного поля (в общем случае): где t - температура среды; x, y, z - координаты точки среды; τ - время. Если температура зависит от времени, то поле называется нестационарным. Если не зависит - стационарным. Если соединить точки тела с одинаковой температурой, то получится поверхность равных температур - изотермическая поверхность. Уравнение изотермической поверхности: Вид изотермической поверхности и ее расположение в теле не зависят от времени. При нестационарном температурном поле изотермические поверхности с течением времени изменяют свое положение в пространстве. Изотермические поверхности между собой никогда не пересекаются. Они или замыкаются на себя или кончаются на границах тела. Рисунок 46 - К понятию градиента температуры Рассмотрим две близкие изотермические поверхности с температурами t и t + Δt. Если перемещаться по изотермической поверхности, то изменения температуры не происходит. Если перемещаться вдоль направления S, то будет наблюдаться изменение температуры. Наибольшая разность температур на единицу длины наблюдается в направлении нормали к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию Δn между изотермическими поверхностями, измеренному по нормали к ним, называется температурным градиентом. Градиент температуры - вектор, совпадающий с направлением нормали к изотермической поверхности. Для установившегося процесса тепловой поток прямо пропорционален площади поверхности стенки, разности температур на обеих ее поверхностях (температурному напору) и обратно пропорционален толщине стенки - закон Фурье - закон теплопроводности: где Q - тепловой поток, Вт; F - площадь поверхности стенки, м2; δ - толщина стенки, м; t’ст - t’’ст - температурный напор; ºС; λ - теплопроводность материала, Вт/(м К). Теплопроводность λ (коэффициент теплопроводности) - параметр вещества, характеризующий его способность проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности зависит от природы тела, от относительной влажности и пористости материала. Кроме того, теплопроводность зависит от давления и температуры. Конвективный теплообмен Конвективный теплообмен (теплоотдача) - процесс совместной передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью от поверхности твердой стенки к потоку омывающей ее жидкости или от потока жидкости к стенке. Тепловой поток пропорционален площади поверхности стенки и разности температур жидкости и стенки (уравнение Ньютона-Рихмана): , где F - площадь поверхности; t1 - температура нагревающего тела; t2 - температура нагреваемого тела; α - коэффициент теплоотдачи, ; t1 - t2 - температурный напор. На коэффициент теплоотдачи α влияют различные факторы: • режим течения жидкости (ламинарный, турбулентный); • скорость потока жидкости; • физические свойства жидкости (плотность, вязкость, теплопроводность). Излучение По закону Стефана - Больцмана количество теплоты, отдаваемое посредством излучения поверхностью, имеющей абсолютную температуру T1, поверхности, имеющей абсолютную температуру Т2, будет равно: , где спр - приведенный коэффициент излучения двух стенок (с1 и с2), : . где сs - постоянная излучения абсолютно черного тела, . В чистом виде три способа передачи теплоты не встречаются. Они обычно сопутствуют друг другу, в связи с чем целесообразно рассматривать их в совокупности как одно целое. Этот единый процесс передачи теплоты от одной среды к другой называют теплопередачей. Выражение для теплопередачи: , где F - площадь поверхности; t1 - температура греющей среды; t2 - температура нагреваемой среды; k - коэффициент теплопередачи, ; t1 - t2 - температурный напор. 2.2 Передача теплоты через плоскую стенку Рассмотрим плоскую стенку при неограниченных ее ширине и длине. Рисунок 47 - Передача теплоты через плоскую однослойную стенку Пусть такая стенка толщиной δ разделяет две жидкости с разными температурами. От первой жидкости с постоянной более высокой температурой t1 теплота будет передаваться сквозь разделяющую стенку ко второй жидкости тоже постоянной, но более низкой температуры t2. Поверхностная плотность теплового потока от жидкости с более высокой температурой к поверхности стенки конвекцией: , где α1 - коэффициент теплоотдачи от жидкости более высокой температуры t1 к поверхности стенки; tст1 - температура поверхности со стороны теплоотдающей среды. Поверхностная плотность теплового потока, прошедшей через стенку теплопроводностью: , где tст1,2 - температуры поверхностей стенки. Поверхностная плотность теплового потока от стенки жидкости более низкой температуры t2: , где α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к тепловоспринимающей среде; tст2 - температура поверхности стенки со стороны тепловоспринимающей среды. Решим полученные уравнения относительно t1 - t2: А затем их сложим: Откуда: Обозначим: где k - коэффициент теплопередачи; он численно равен количеству теплоты, которая передается через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 ºС. Для многослойной плоской стенки: Полное термическое сопротивление: Температура на поверхности первого слоя со стороны теплоотдающей среды: Температура на границе между первым и вторым слоем: Температура на границе между i-м и (i+1)-м слоем (где i - порядковый номер слоя): Температура на поверхности последнего слоя, соприкасающегося с тепловоспринимающей средой: 2.3 Передача теплоты через цилиндрическую стенку Сквозь цилиндрическую однородную стенку (трубу) неограниченной длины передается теплота от омывающих ее изнутри жидкости более высокой температуры t1 к омывающей ее снаружи жидкости низкой температуры t2. Линейная плотность теплового потока: или: где Для определения поверхностной плотности теплового потока для цилиндрической стенки: - внутренняя поверхность; - наружная поверхность. Линейное термическое сопротивление: 2.4 Тепловая изоляция. Критический диаметр Для снижения тепловых потерь в окружающую среду необходимо увеличение полного термического сопротивления нагретого тела. Чаще всего это достигается путем нанесения на нагретую поверхность слоя тепловой изоляции. В качестве тепловой изоляции применяют материалы с низким значением теплопроводности и достаточно стабильными физическими характеристиками. Исследуем влияние материала и толщины наружного диаметра изоляции на полное линейное термическое сопротивление и тепловые потери изолированного трубопровода. С этой целью рассмотрим цилиндрическую трубу, покрытую по внешней поверхности однослойной тепловой изоляцией. Коэффициент теплопередачи такой двухслойной цилиндрической стенки определяется как: Считаются известными все значения величин, входящих в выражение, кроме внешнего диаметра изоляции. Проведя ряд математических операций (взятие производной второго порядка) получим выражение для определения критического диаметра изоляции: Из этой формулы следует, что критический диаметр изоляции не зависит от наружного диаметра трубопровода d2, толщины изоляции δиз и коэффициента теплоотдачи α1 (от жидкости или газа к внутренней стенке трубы), а зависит только от теплопроводности изоляции λиз, и коэффициента теплоотдачи α2 (от внешней поверхности изоляции к окружающей среде). Остановимся подробнее на зависимости тепловых потерь трубопровода от толщины изоляции (dиз) и ее количества, определенного теплопроводностью (λиз). Если d2 < dкр, то при наложении последовательных слоев изоляции до достижения критического диаметра тепловые потери будут больше, чем тепловые потери голой трубы. При достижении критического диаметра теплопотери сравняются с теплопотерями голой трубы. При превышении критического диаметра теплопотери будут уменьшаться. Если d2 > dкр, то при любом значении толщины изоляции теплопотери будут уменьшаться. Рисунок 48 - Зависимость потерь от диаметра изоляции Рассмотрим пример. Коэффициент теплоотдачи α2 для трубопроводов, проложенных в закрытых помещениях (при температуре греющей среды до 150 ºС) приближенно определяется по формуле: Для примера определим критический диаметр изоляции для трубы, покрытой различными изоляционными материалами: Бетон - λ = 1,28 Вт/(м2∙К) Совелит - λ = 0,0196 Вт/(м2∙К) При α2 = 10 Вт/(м2∙К): Для бетона: dкр = 0,256 м Для совелита dкр = 0,0196 м Следовательно, бетон эффективен как изоляционный материал при d2 > 256 мм, а совелит при d2 > 19,6 мм при заданной α2. 2.5 Тепловлажностный режим ограждений В помещениях гражданских зданий и в большинстве промышленных помещений не допускается конденсация водяных паров на поверхности и накопление влаги в толще строительных конструкций (наружных ограждений). Конденсация на поверхности ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении и, так же как конденсация в толще, может привести к переувлажнению конструкции. Увеличение влажности материала конструкции обычно связано со значительным ухудшением теплозащитных свойств ограждений и, как правило, приводит к быстрому разрушению ограждений. Проверку принятой конструкции ограждения на отсутствие конденсации на его поверхности необходимо производить из условия удовлетворения требованию: τв > tт.p., где τв - температура на внутренней поверхности ограждения; tт.р. - температура точки росы воздуха помещения, которая определяется по формуле: , ев - упругость водяных паров в воздухе помещения в мм рт.ст.: , Ев - упругость насыщенного водяного пара при температуре воздуха в мм рт.ст.; φв - относительная влажность внутреннего воздуха: Если условие не выполняется, то необходимо увеличить сопротивление теплопередаче ограждения. 3 Тепловлажностный и воздушный режим зданий. Нормативные требования к микроклимату помещений. Классификация зданий и сооружений Микроклимат помещения определяют параметры воздуха, такие как: температура, относительная влажность, скорость движения воздуха и температура поверхностей, обращенных в помещение. Значения параметров микроклимата зависят от назначения помещения, категории выполняемых в них работ, периода года, и других факторов, определяющих комфортность жизнедеятельности человека и нормальность протекания технологического процесса. Эти свойства воздуха зависят от инженерных систем, предназначенных для поддержания оптимальных параметров микроклимата помещения. Этими системами являются: • система отопления; • система вентиляции; • система кондиционирования. В последнее время все чаще говорят о комбинированной системе воздушного отопления и вентиляции, так как данная комбинация создает в помещении вполне удовлетворительный микроклимат. Система кондиционирования воздуха представляет собой систему с более высокими возможностями. Принципиальное отличие состоит в том, что, помимо выполнения задач вентиляции и отопления система кондиционирования воздуха позволяет создать комфортный уровень температур в летнее время, также позволяет производить не только изменение температуры воздуха, но и увлажнение или очистку (фильтрацию, ионизацию). Параметры микроклимата в помещении: 1. Температура воздуха в помещении. Температуры внутреннего воздуха помещений зданий и сооружений в зависимости от функционального назначения помещений и характера выполняемых в них работ определяются санитарно-гигиеническими требованиями, устанавливаемые санитарными нормами, строительными нормами и правилами. Так, в соответствии со СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха для жилых помещений» температура воздуха должна быть в пределах 18-21 ºС, а для производственных помещений 14-16°С. Эти температуры установлены исходя из условий естественной терморегуляции человека, то есть поддержанием организмом человека температуры тела на уровне 36,6 - 36,8 ºС. 2. Влажность. Наиболее оптимальной считается относительная влажность воздуха в диапазоне от 30 до 60%. Верхняя граница влажности составляет около 70%, нижняя около 20%. Во избежание вредного влияния чрезмерной влажности, или, наоборот, сухости воздуха, его необходимо осушать в жаркие месяцы и увлажнять в холодные. Эту функцию может выполнять только система кондиционирования воздуха. 3. Скорость движения воздуха (подвижность). Температура и относительная влажность не полностью определяют теплофизическое состояние среды, очень большую роль играет подвижность воздуха. При недостаточной подвижности воздуха вокруг тела человека образуется тонкая неподвижная воздушная оболочка, которая быстро насыщается водяными парами, принимает температуру тела и ухудшает теплоотдачу. В то же время чрезмерная подвижность воздуха, особенно в условиях охлаждения, вызывает увеличение потерь конвекцией и испарением и способствует быстрому охлаждению организма. Подвижность воздуха так же оказывает влияние на распределение температур в помещении. Нормальной подвижностью воздуха для жилых помещений при температуре внутреннего воздуха 18-22°С считается 0,15-0,25 м/с. 4. Температура поверхностей, обращенных в помещение. В данном случае рассматривается не только температура нагревательных поверхностей системы отопления с точки зрения техники безопасности. Рассматривается температура ограждающих поверхностей. Например, температура холодного пола зимой может быть на 2-2,5 °С ниже температуры воздуха в помещении, но не выше 22-34 ºС в зависимости от назначения помещения. Классификация зданий и сооружений. Основные требования строительных норм и правил, предъявляемые к зданиям и сооружениям, технологические процессы, происходящие в них, а так же характер основных видов жизнедеятельности человека, позволяют разбить здания и сооружения по их назначению на четыре основные группы (по СНиПу): 1. жилые здания; 2. общественные здания и сооружения (учебные заведения, санатории, библиотеки, музеи, кинотеатры, вокзалы, общественные уборные); 3. административные и бытовые здания (помещения управления и конструкторских бюро); 4. производственные здания (делятся по отраслям промышленности). 4 Тепловой баланс помещения. Полное уравнение теплового баланса В установившемся режиме теплопотери равны теплопоступлениям. Теплота поступает в помещение от людей, технологического и бытового оборудования, источников искусственного освещения, от нагретых материалов, изделий, в результате воздействия солнечной радиации. В производственных помещениях могут осуществляться технологические процессы, связанные с выделением теплоты. Но, в холодное время года помещение теряет теплоту в основном через наружные ограждения и, в какой-то мере через внутренние ограждения, отделяющие данное помещение от смежных, имеющих более низкую температуру воздуха. Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений, а так же материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые холодными попадают в помещение. Учет всех составляющих теплопотерь и теплопоступлений необходим при составлении теплового баланса помещений здания. С помощью теплового баланса определяется избыток или дефицит теплоты. Наличие дефицита указывает на необходимость в помещении отопления. Избыток теплоты обычно отводится вентиляцией. Дефицит теплоты обычно называют тепловой мощностью системы отопления. Для определения тепловой мощности системы отопления составляют тепловой баланс для расчетных условий холодного периода года в виде: Qoт = Qoгp + Qинф Qбыт(технолог), где Qoт - тепловая мощность системы отопления; Qoгp - потери теплоты через наружные ограждения; Qинф - расход теплоты на нагревание поступающего в помещение наружного воздуха, Qбыт(технолог) - технологические или бытовые теплопотери или теплопоступления. 5 Отопление Основная цель отопления - создание теплового комфорта в помещениях, т. е. тепловых условий, благоприятных для жизни и деятельности человека. Тепловой комфорт в холодное время года обеспечивается, если поддерживать определенную температуру воздуха в помещении, температуру внутренней поверхности наружных ограждений и поверхности отопительных установок. Отопление способствует также увеличению срока службы зданий и оборудования, нормализации технологических процессов, повышению производительности труда людей и качества выпускаемой продукции. Отопление зданий начинают при устойчивом (в течение 5 суток) понижении температуры наружного воздуха до 8 °С (и ниже), когда теплопоступлений в помещения уже недостаточно для поддержания нормальной температуры. Заканчивают отопление при устойчивом повышении температуры наружного воздуха выше 8 °С также в течение 5 сут. Продолжительность отопления зданий в холодное время года называют отопительным сезоном. Длительность отопительного сезона устанавливают на основании многолетних наблюдений как среднее число дней в году с устойчивой среднесуточной температурой воздуха 8 °С и ниже. 5.1 Характеристика систем отопления Система отопления состоит из следующих основных конструктивных элементов (Рисунок 49): 1 - источник тепла (теплогенератор или теплообменник); 2 - подающий теплопровод; 3 - отопительный прибор; 4 - обратный теплопровод. Рисунок 49 - Система отопления Теплоперенос осуществляется теплоносителем - жидким (вода, антифриз) или газообразным (пар, воздух, газ). Системы отопления должны удовлетворять следующим требованиям. 1) санитарно-гигиенические требования заключаются в обеспечении заданной температуры воздуха в отапливаемом помещении, а также в поддержании такой температуры поверхности отопительных приборов, которая исключает возможность ожогов и пригорания пыли (70 º); 2) технико-экономические требования заключаются в том, чтобы расходы на строительство и эксплуатацию отопительной системы были наименьшими; 3) архитектурно-строительные требования должны предусматривать взаимную увязку всех элементов системы отопления (трубопроводов, отопительных приборов и прочего оборудования) со строительными и архитектурно-планировочными решениями помещений, обеспечивать сохранность строительных конструкций на протяжении всего срока эксплуатации здания; 4) монтажные требования к системам отопления предусматривают соответствие современному уровню механизации и индустриализации заготовительных и монтажных работ; 5) эксплуатационные требования к системам отопления заключаются в обеспечении надежности работы и относительной простоты обслуживания; Под надежностью работы систем отопления следует понимать способность обеспечивать санитарно-гигиенические требования независимо от наружных климатических условий, достаточную долговечность систем отопления и безопасность в отношении пожара и взрыва. Простота обслуживания систем отопления определяется несложностью регулирования теплопроизводительности как системы в целом, так и отдельных отопительных приборов. Существенное значение имеет простота ремонта систем. 5.2 Классификация систем отопления Системы отопления классифицируют по следующим основным признакам: • по виду использованного теплоносителя; • по температуре теплоносителя; • по месту расположения источника теплоты; • по способу перемещения теплоносителя; • в зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами. По виду использованного теплоносителя системы отопления делятся на водяные, паровые, воздушные, огневоздушные. По температуре теплоносителя различают низкотемпературные системы отопления (с предельной температурой горячей воды менее 70 ºС), среднетемпературные (70 ÷100 ºС) и высокотемпературные (более 100 ºС). По месту расположения источника теплоты системы отопления разделяют на центральные и местные. Характерной особенностью центральных систем отопления является размещения генератора теплоты вне отапливаемого помещения, соединенного с потребителями теплоты теплопроводами значительной протяженности. Положительным свойством центральных систем отопления является относительное удешевление получения теплоты за счет укрупнения генератора теплоты. Отрицательным свойством можно считать потери теплоты магистральными теплопроводами и сложность поддержания надлежащего гидравлического режима в сетях. Теплопроводы центральных систем подразделяют на: • подающие магистрали (по которым подается теплоноситель); • обратные магистрали (по которым возвращается охладившийся теплоноситель); • стояки (вертикальные трубы); • ветви (горизонтальные трубы); • подводки (связывающие стояки или ветви с отопительными приборами). Характерной особенностью местных систем отопления является размещение генератора теплоты в непосредственной близости от отапливаемого помещения или размещения его в самом отапливаемом помещении. К местным системам отопления относятся поквартирные системы водяного отопления, печное отопление и отопление с помощью обогревателей, работающих от газовой или электрической сетей. По способу перемещения теплоносителя системы отопления делятся на системы с естественным (гравитационным) побуждением движения теплоносителя и системы с принудительным побуждением. а) б) Рисунок 50 - Принципиальные схемы системы водяного отопления: а) с естественной циркуляцией (гравитационная); б) с механическим побуждением циркуляции воды (насосная). 1 - теплообменник; 2 - подающий теплопровод (Т1); 3 - расширительный бак; 4 - отопительный прибор; 5 - обратный теплопровод (Т2); 6 - воздушный кран; 7 - циркуляционный насос В гравитационной системе (Рисунок 50, а) используют различие в плотности воды, нагретой до разной температуры. В вертикальной системе с неоднородной плотностью воды возникает естественное движение под влиянием гравитационного поля Земли. В насосной системе (Рисунок 50, б) применяют насос с электродвигателем для повышения гидравлического давления, вызывающего циркуляцию, и в системе создается вынужденное движение воды. В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы отопления подразделяют на однотрубные и двухтрубные. В каждом стояке или горизонтальной ветви однотрубной системы приборы соединяют одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. В двухтрубной системе отопительные приборы отдельными трубами присоединяют к двум стоякам - подающему и обратному, при этом вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов. 5.3 Основные конструктивные элементы систем отопления Теплогенератор В качестве теплогенераторов в системах отопления используют паровые или водогрейные котлы. Насосы Насос, действующий в замкнутых кольцах системы отопления, заполненных водой, перемещает воду, создавая циркуляцию, и поэтому называется циркуляционным. Насос в системе водоснабжения не только перемещает воду, но и поднимает ее к точкам разбора. При таком использовании насос называют повысительным. В процессах заполнения и возмещения потери (утечки) воды в системе отопления циркуляционный насос также не участвует; заполнение происходит под воздействием давления в наружных теплопроводах, в водопроводе или, если этого давления недостаточно, с помощью специального подпиточного насоса Смесительная установка Смесительную установку (смесительный насос или водоструйный элеватор) применяют в системе отопления для понижения температуры воды, поступающей из наружного подающего теплопровода, до температуры, допустимой в системе. Понижение температуры происходит при смешении высокотемпературной воды с обратной водой местной системы отопления. Рисунок 51 - Принципиальная схема смесительной установки с насосом на перемычке между магистралями системы отопления 1 - смесительный насос; 2 - регулятор температуры; 3 - регулятор расхода воды в системе отопления Высокотемпературная вода подается в точку смешения под давлением в наружном теплопроводе, созданным сетевым циркуляционным насосом на тепловой станции. Поток охлажденной воды, возвращающейся из местной системы отопления, делится на два: первый в количестве G0 направляется к точке смешения, второй в количестве G1 - в наружный обратный теплопровод. Отношение количеств двух смешивающихся потоков воды - охлажденной и высокотемпературной - называют коэффициентом смешения: , где t1 - температура высокотемпературной воды; tг - температура горячей воды; t0 - температура низкотемпературной воды. Смесительный насос, включенный в перемычку, подает в точку смешения А воду, повышая ее давление до давления высокотемпературной воды. Таким образом, в точку смешения поступают два потока воды в результате действия двух различных насосов - сетевого и местного, включенных параллельно. Водоструйный элеватор сконструирован так, что подсасывает охлажденную воду для смешения с высокотемпературной водой и передает часть давления, создаваемого сетевым насосом на тепловой станции, в местную систему отопления для циркуляции воды. Рисунок 52 - Схема водоструйного элеватора 1 - сопло; 2 - камера всасывания; 3 - смесительный конус; 4 - горловина; 5 - диффузор Водоструйный элеватор состоит из конусообразного сопла, через которое со значительной скоростью протекает высокотемпературная вода при температуре t1 в количестве G1; камеры всасывания, куда поступает охлажденная вода при температуре t0 в количестве G0; смесительного конуса и горловины, где происходит смешение и выравнивание скорости движения воды, и диффузора. Вокруг струи воды, вытекающей из отверстия сопла с высокой скоростью, создается зона пониженного давления, благодаря чему охлажденная вода перемещается из обратной магистрали системы в камеру всасывания. В горловине струя смешанной воды двигается с меньшей, чем в отверстии сопла, но еще со значительной скоростью. В диффузоре при постепенном увеличении площади поперечного сечения по его длине гидродинамическое (скоростное) давление падает, а гидростатическое - нарастает. За счет разности гидростатического давления в конце диффузора и в камере всасывания элеватора создается циркуляционное давление, необходимое для действия системы отопления. Недостатками водоструйного элеватора являются низкий КПД; прекращение циркуляции воды в системе отопления при аварии в наружной тепловой сети, что ускоряет охлаждение отапливаемых помещений и замерзание воды в системе; постоянство коэффициента смешения, исключающее местное качественное регулирование системы отопления. Расширительный бак Основное назначение расширительного бака - прием прироста объема воды в системе, образующегося при ее нагревании, для поддержания определенного гидравлического давления. Кроме того, бак предназначен для восполнения убыли объема воды в системе при незначительной утечке и при понижении ее температуры, для сигнализации об уровне воды в системе и управления действием подпиточных приборов. Бак может быть открытым, сообщающимся с атмосферой, и закрытым, находящимся под переменным избыточным давлением. Открытый расширительный бак (Рисунок 53) размещают над верхней точкой системы в чердачном помещении или в лестничной клетке и покрывают тепловой изоляцией. Рисунок 53 - Открытый расширительный бак с патрубками для присоединения труб: 1 - расширительной; 2 - переливной; 3 - контрольной; 4 - циркуляционной; 5 - спускной патрубок с пробкой. Соединительные трубы открытого расширительного бака показаны на Рисунке 54. Рисунок 54 - Присоединение открытого расширительного бака к обратной магистрали в насосной системе отопления 1, 2, 3, 4 - расширительная, циркуляционная, контрольная, переливная трубы В насосной системе отопления расширительную 1 и циркуляционную 2 трубы присоединяют к общей обратной магистрали, как правило, близ всасывающего патрубка циркуляционного насоса на расстоянии не менее 2 м для надежной циркуляции воды через бак. Контрольную трубу 3 выводят к раковине в тепловом пункте и снабжают запорным краном. Вытекание воды при открывании крана должно свидетельствовать о наличии воды в баке, а следовательно, и в системе. В малоэтажных зданиях короткая контрольная труба надежно обеспечивает сигнализацию о наличии или отсутствии воды в расширительном баке. Закрытый расширительный бак с воздушной или газовой (если используется азот или другой газ, отделенный от воды мембраной) «подушкой» герметичен, способствует уменьшению коррозии труб и приборов, может обеспечить в широком диапазоне переменное давление в системе отопления. Когда избыток объема воды при повышении ее температуры поступает в бак, воздух (или газ), находящийся в нем, сжимается водой как поршнем. Давление во всей системе при этом также повышается. Рисунок 55 - Схема присоединения закрытого расширительного бака к обратной магистрали системы водяного отопления 1 - теплообменник; 2 - закрытый расширительный бак с мембраной; 3 - циркуляционный насос 5.4 Отопительные приборы Один из основных элементов систем водяного и парового отопления - отопительный прибор - предназначен для теплопередачи от теплоносителя в обогреваемое помещение. Для поддержания необходимой температуры помещения требуется, чтобы в каждый момент времени теплопотери помещения покрывались теплоотдачей отопительного прибора. Отопительный прибор характеризуется площадью нагревательной поверхности, рассчитываемой для обеспечения требуемой теплоотдачи прибора. Необходимо также определять количество теплоносителя, поступающего в прибор в единицу времени G, кг/с (кг/ч), называемое расходом теплоносителя. Отопительные приборы по преобладающему способу теплоотдачи подразделяются на радиационные (потолочные излучатели), конвективно-радиационные (приборы с гладкой внешней поверхностью) и конвективные (конвекторы с ребристой поверхностью). Приборами с гладкой внешней поверхностью являются радиаторы секционные, радиаторы панельные, гладкотрубные приборы; с ребристой нагревательной поверхностью - конвекторы, ребристые трубы. Таким образом, всего в системах отопления встречаются пять специальных видов отопительных приборов. К приборам с ребристой внешней поверхностью относятся также калориферы, применяемые для нагревания воздуха в системах вентиляции и воздушного отопления. По материалу, из которого изготовляются отопительные приборы, различают металлические, комбинированные и неметаллические приборы. Металлические приборы выполняют в основном из серого чугуна и стали (листовой стали и стальных труб). Применяют также медные трубы, листовой и литой алюминий и другой металл. В комбинированных приборах используют теплопроводный материал (бетон, керамику и т. п.), в который заделывают стальные или чугунные греющие элементы (панельные радиаторы) либо оребренные металлические трубы, помещаемые в неметаллический (например, асбестоцементный) кожух (конвекторы). К неметаллическим приборам относятся бетонные панельные радиаторы с заделанными пластмассовыми или стеклянными трубами либо с пустотами (вообще без труб), а также керамические, пластмассовые и другие радиаторы. По высоте все отопительные приборы подразделяют на высокие (высотой более 650 мм), средние (более 400 до 650 мм), низкие (более 200 до 400 мм) и плинтусные (до 200 мм). По величине тепловой инерции можно выделить приборы малой и большой инерции. Малоинерционные приборы имеют небольшую массу и вмещают небольшое количество воды. Такие приборы, выполненные на основе металлических труб малого диаметра (например, конвекторы), быстро изменяют теплоподачу в помещения при регулировании количества впускаемого в прибор теплоносителя. Приборы, имеющие большую тепловую инерцию - массивные, вмещающие значительное количество воды (например, бетонные или секционные радиаторы) , теплоподачу изменяют медленно. 5.5 Описание отопительных приборов Радиатор секционный - прибор конвективно-радиационного типа, состоящий из отдельных колончатых элементов - секций с каналами круглой или эллипсообразной формы. Такой радиатор отдает в помещение радиацией около 25 % общего теплового потока, передаваемого от теплоносителя. Рисунок 56 - Радиатор секционный Чугунные радиаторы обладают значительной тепловой инерцией, но они громоздки, имеют значительную массу, сложно очистить от пыли и они не соответствуют интерьеру современных помещений в зданиях. Панельный радиатор - прибор конвективно-радиационного типа. Он передает радиацией несколько большую, чем секционный радиатор, часть теплового потока. Различают стальные и бетонные панельные радиаторы с гладкой или волнистой поверхностью. Стальные панельные радиаторы (Рисунок 57) состоят из двух отштампованных листов, образующих горизонтальные коллекторы, соединенные вертикальными колонками (колончатая форма - а), или горизонтальные параллельно и последовательно соединенные каналы (змеевиковая форма - б). Змеевик можно выполнить из стальной трубы и приварить к одному профилированному стальному листу; такой прибор называют листотрубным (в). Рисунок 57 - Стальные панельные радиаторы: а) колончатая форма; б) змеевиковая форма; в) листотрубная форма. Стальные панельные радиаторы отличаются от чугунных секционных меньшей массой и тепловой инерцией. Они имеют повышенный коэффициент теплопередачи, легко очищаются от пыли. Их внешний вид удовлетворяет архитектурно-строительным требованиям, особенно в зданиях из крупных строительных элементов. Конструкция приборов позволяет механизировать их производство с автоматизацией процессов, сократить затраты труда при монтаже. Область применения стальных панельных радиаторов (кроме листотрубных) ограничена системами водяного отопления с деаэрированной водой. Бетонные панельные радиаторы (отопительные панели) могут иметь обетонированные нагревательные элементы змеевиковой (а) или регистровой (б) формы из стальных труб диаметром 15 и 20 мм, а также бетонные, стеклянные или пластмассовые каналы различной конфигурации (безметальные приборы). Рисунок 58 - Бетонные панельные радиаторы: а) змеевиковая форма; б) регистровая форма 1 - нитка; 2 - колонка Бетонные панели располагают в ограждающих конструкциях помещений или приставляют к ним. Бетонные панели обладают коэффициентом теплопередачи, близким к показателям других приборов с гладкой поверхностью, отвечают строгим санитарно-гигиеническим, архитектурно-строительным и другим требованиям. К недостаткам совмещенных бетонных панелей относятся трудности ремонта, большая тепловая инерция, усложняющая регулирование теплоподачи в помещения. Недостатками приборов приставного типа являются повышенные затраты ручного труда при их изготовлении и монтаже, сокращение площади пола помещений. Увеличиваются также теплопотери через дополнительно прогреваемые наружные ограждения, особенно если применяют совмещенные панели в наружных стенах. Гладкотрубный прибор - прибор из нескольких соединенных вместе стальных труб, образующих каналы для теплоносителя змеевиковой или регистровой формы. В змеевике трубы соединены последовательно по направлению движения теплоносителя, что увеличивает скорость его движения и гидравлическое сопротивление прибора. При параллельном соединении труб в регистре поток теплоносителя делится, скорость его движения и гидравлическое сопротивление прибора уменьшаются. Гладкотрубные приборы обладают самым высоким коэффициентом теплопередачи, их пылесобирающая поверхность невелика и легко очищается. Вместе с тем гладкотрубные приборы тяжелы и громоздки, занимают много места, увеличивают расход стали в системах отопления, имеют непривлекательный внешний вид. Их применяют в редких случаях, когда не могут быть использованы приборы других видов (например, для отопления теплиц, при значительном выделении пыли в помещениях). Конвектор - это прибор конвективного типа, состоящий из двух элементов - ребристого нагревателя и кожуха. Рисунок 59 - Конвектор с кожухом 1 - нагревательный элемент; 2 - кожух; 3 - воздушный клапан; 4 - оребрение труб Кожух декорирует нагреватель и способствует повышению теплопередачи благодаря увеличению подвижности воздуха у поверхности нагревателя. Конвектор с кожухом передает в помещение конвекцией до 90-95 % всего теплового потока. Прибор, в котором функции кожуха выполняет оребрение нагревателя, называют конвектором без кожуха. Рисунок 60 - Конвектор без кожуха Нагреватель выполняют из стали, чугуна, алюминия и других металлов, кожух - из листовых материалов (стали, асбестоцемента и др.). Конвекторы обладают сравнительно низким коэффициентом теплопередачи. Преимущества: простота изготовления, возможность механизировать и автоматизировать их производство, удобство монтажа, малая металлоемкость. Калориферы - компактные приборы значительной площади, образованной несколькими рядами оребренных труб. Трубы заключены в кожух с отверстиями для входа и выхода воздуха. Предназначены для теплопередачи при вынужденной конвекции воздуха, создаваемой вентиляторами. Могут использоваться также в условиях естественной конвекции для нагревания воздуха непосредственно в помещениях. 5.6 Выбор и размещение отопительных приборов При выборе вида и типа прибора учитывают назначение, архитектурно-технологическую планировку, особенности теплового режима помещения, место и длительность пребывания людей, вид системы отопления, технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели прибора. При повышенных санитарно-гигиенических и противопожарных требованиях выбирают приборы с гладкой поверхностью, например стальные панельные радиаторы или секционные радиаторы без оребрения. При нормальных санитарно-гигиенических требованиях используют приборы с гладкой или ребристой поверхностью, например радиаторы и конвекторы с кожухом. При пониженных санитарно-гигиенических требованиях в помещениях, предназначенных для кратковременного пребывания людей, можно использовать приборы любого вида, отдавая предпочтение приборам с высокими технико-экономическими показателями. Металлические отопительные приборы устанавливают преимущественно под световыми проемами, причем под окнами длина прибора желательна не менее 50-75% длины проема (75% - в больницах и детских учреждениях), под витринами и витражами приборы располагают по всей их длине. При размещении приборов под окнами вертикальные оси прибора и оконного проема должны совпадать (допускается отклонение не более 50 мм). В жилых зданиях, гостиницах, общежитиях, в административно-бытовых зданиях производственных предприятий допускается смещение приборов от оси проемов. В южных районах, а также при кратковременном пребывании людей отопительные приборы допустимо устанавливать у внутренних стен помещений. При этом сокращаются число стояков и протяженность теплопроводов, и повышается теплопередача приборов, но возникает неблагоприятное для здоровья людей движение воздуха с пониженной температурой у пола помещений. Чем ниже и длиннее отопительный прибор, тем ровнее температура помещения и лучше прогревается его рабочая зона. Высокий и короткий прибор вызывает активный подъем струи теплого воздуха, что приводит к перегреванию верхней зоны помещения и опусканию охлажденного воздуха по обеим сторонам такого прибора в рабочую зону. Для отопления помещений высотой более 6 м, особенно со световыми проемами наверху, часть приборов размещают в верхней зоне. Особое размещение отопительных приборов требуется на лестничных клетках. Естественное движение воздуха на лестничных клетках зимой, усиливающееся с увеличением высоты, способствует теплопереносу в верхнюю их часть и вместе с тем вызывает переохлаждение нижней части, прилегающей к открывающимся наружным дверям. В лестничных клетках многоэтажных зданий с наружными входами отопительные приборы целесообразно располагать в нижней их части. В малоэтажных зданиях приборы размещают на первом этаже (а также в подвальной части лестничной клетки, если она имеется). 5.7 Схемы присоединения систем отопления к наружным теплопроводам Принципиальная схема системы насосного водяного отопления при местном теплоснабжении от водогрейной котельной, находящейся в отапливаемом здании или близ него: Рисунок 61 - Схема системы насосного водяного отопления при местном теплоснабжении: 1 - циркуляционный насос; 2 - котел; 3 - подача топлива; 4 - расширительный бак; 5 - отопительные приборы; 6 - водопровод. Вода подогревается в котле до температуры tг. Горячая вода распределяется по отопительным приборам. Движение воды создается циркуляционным насосом, включенным в общую обратную магистраль, куда собирается охлажденная до температуры t0 вода из всех приборов. К обратной магистрали присоединен расширительный бак. Первоначальное заполнение и пополнение системы при утечке («подпитка») производят холодной водой из водопровода через обратный клапан, исключающий вытекание воды из системы при понижении давления в водопроводной сети. При централизованном теплоснабжении (от ТЭЦ или тепловой станции) применяют три основные схемы присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам: 1) независимая; 2) зависимая со смешением воды; 3) зависимая прямоточная. Независимая схема присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам: Рисунок 62 - Независимая схема присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам: 7 - теплообменник; 8 - подпиточный насос; 9 - наружный обратный теплопровод; 10 - наружный подающий теплопровод. Заполнение и подпитку системы осуществляют деаэрированной водой из наружной тепловой сети. При этом используют давление в ней или применяют подпиточный насос, если этого давления недостаточно. В водо-водяном теплообменнике первичная высокотемпературная вода (температура t1) из наружного подающего теплопровода подогревает вторичную - местную воду (не смешиваясь с ней) и, охлаждаясь до температуры t2, удаляется в наружный обратный теплопровод. Независимую схему применяют для получения обособленного теплогидравлического режима в системе отопления, в которую по каким-либо причинам недопустима непосредственная подача высокотемпературной воды. Преимуществом независимой схемы, кроме обеспечения теплогидравлического режима, индивидуального для каждого здания, является возможность сохранения циркуляции с использованием теплосодержания воды в течение некоторого времени, обычно достаточного для устранения аварийного повреждения наружных теплопроводов. Зависимая схема со смешением воды для присоединения системы отопления к наружным теплопроводам: Рисунок 63 - Зависимая схема со смешением воды для присоединения системы отопления к наружным теплопроводам: 11 - смесительная установка Проще по конструкции и в обслуживании. Стоимость ее ниже стоимости независимой схемы благодаря исключению таких элементов, как теплообменник, расширительный бак и подпиточный насос, функции которых выполняются централизованно на тепловой станции. Эту схему присоединения выбирают, когда в системе требуется температура воды tг < t1 и допускается повышение гидростатического давления до значения, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе. Обратная вода из системы отопления смешивается с высокотемпературной водой из наружного подающего теплопровода при помощи смесительного насоса или водоструйного элеватора. Недостатком зависимой схемы присоединения со смешением воды является возможность повышения в ней гидростатического давления, непосредственно передающегося через обратный теплопровод в обратную магистраль системы, до значения, опасного для целости отопительных приборов (превышающего их рабочее давление). Зависимая прямоточная схема присоединения системы водяного отопления к наружным теплопроводам: Рисунок 64 - Зависимая прямоточная схема присоединения системы водяного отопления к наружным теплопроводам Наиболее проста по конструкции и в обслуживании: в системе отсутствуют такие элементы, как теплообменник или смесительная установка, циркуляционный и подпиточный насосы, расширительный бак. Прямоточное присоединение применяют, когда в системе допускаются подача высокотемпературной воды и значительное гидростатическое давление, или при подаче воды, имеющей температуру ниже 100 °С. Система отопления отличается пониженной стоимостью и уменьшенным расходом металла. Недостатками прямоточного присоединения являются невозможность местного качественного регулирования и зависимость теплового режима системы отопления (и помещений) от температуры воды в наружном подающем теплопроводе. Высота зданий, в которых можно использовать высокотемпературную воду, ограничена вследствие необходимости сохранить в системе гидростатическое давление, достаточно высокое для предотвращения вскипания воды. 5.8 Трубопроводы систем отопления. Размещение трубопроводов в здании Трубы систем центрального отопления предназначены для подачи в приборы и отвода из них необходимого количества теплоносителя. Теплопроводы вертикальных систем отопления подразделяют на магистрали, стояки и подводки. Теплопроводы горизонтальных систем, кроме магистралей, стояков и подводок, имеют горизонтальные ветви. Движение теплоносителя в подающих (распределительных) и обратных (сборных) магистралях может совпадать по направлению или быть встречным. В зависимости от этого системы отопления бывают с тупиковым (встречным) и попутным движением воды в магистралях. В зависимости от места прокладки магистралей различают системы с верхней разводкой, когда подающая магистраль (Т1) расположена выше отопительных приборов; и с нижней разводкой, когда и подающая (Т1) и обратная (Т2) магистрали проложены ниже приборов. При водяном отоплении бывают еще системы с «опрокинутой» циркуляцией воды, когда подающая магистраль (Т1) находится ниже, а обратная (Т2) выше приборов. Теплопроводы вертикальных систем центрального отопления с верхней (а) и нижней разводкой (б), водяного с «опрокинутой» циркуляцией воды (в): Рисунок 65 - Теплопроводы вертикальных систем центрального отопления 1 и 2 - подающие (Т1) и обратные (Т2) магистрали; 3 и 4 - подающие и обратные стояки; 5 и 6 - подающие и обратные подводки; 7 - отопительные приборы (стрелками показано направление движения теплоносителя) Теплопроводы горизонтальных систем водяного отопления с нижней разводкой (а) и верхней (б): Рисунок 66 - Теплопроводы горизонтальных систем центрального отопления 8 - однотрубные ветви; 9 - бифилярные ветви Прокладка труб в помещениях может быть открытой и скрытой. В основном применяют открытую прокладку как более простую и дешевую. В этом случае поверхность труб используется как нагревательная и принимается в расчет при определении площади отопительных приборов. При скрытой прокладке магистрали переносят в технические помещения (подвальные, чердачные), стояки и подводки к отопительным приборам размещают в специально предусмотренных шахтах в строительных конструкциях или встраивают в них. При этом в местах расположения разборных соединений и арматуры устраивают лючки. Размещение подводки зависит от вида отопительного прибора и положения труб в системе отопления. Для большинства приборов подающую и обратную подводку прокладывают горизонтально (при длине до 500 мм) или с некоторым уклоном (5-10 мм на всю длину). Эти подводки в зависимости от положения продольной оси прибора по отношению к оси труб могут быть прямыми и с отступом. Предпочтение отдают прямой прокладке подводок, так как отступы осложняют заготовку и монтаж труб, увеличивают гидравлическое сопротивление подводок. Размещение стояка зависит от положения магистралей в системе отопления и размещения подводок к приборам. При размещении стояков необходимо сокращать длину и диаметр стояков для уменьшения расхода металла в них; однотрубные стояки с односторонними подводками к приборам размещать на расстоянии 150 мм от кромки откоса оконных проемов; располагать стояки в углах, образуемых наружными ограждениями; обособлять стояки для отопления лестничных клеток. Стояки располагают преимущественно у наружных стен - открыто на расстоянии 35 мм от поверхности стен до оси труб (Dу ≤ 32 мм), либо скрыто в бороздах стен или массиве стен и перегородок. Стояки при прокладке в бороздах не должны примыкать вплотную к поверхности строительных конструкций. Двухтрубные стояки диаметром до 32 мм размещают на расстоянии 80 мм между осями труб. Горизонтальные однотрубные ветви размещают под отопительными приборами у пола на таком же расстоянии от поверхности стен, как и стояки, и без уклона, если обеспечена скорость движения воды в них более 0,25 м/с. Возможна также прокладка горизонтальных поэтажных ветвей под окнами выше отопительных приборов. Размещение магистрали - соединительной трубы между местным тепловым пунктом и стояками - зависит от назначения и ширины здания, вида принятой системы отопления. В производственных зданиях магистрали целесообразно прокладывать в пределах рабочих помещений. В необходимых по технологии и конструкции здания случаях магистрали выносят в технические этажи и подпольные каналы. В малоэтажных производственных зданиях рационально применять горизонтальную однотрубную систему водяного отопления, когда в одной ветви совмещаются функции не только подводки и стояка, но и магистрали. В жилых зданиях шириной до 9 м магистрали можно прокладывать вдоль их продольной оси. В зданиях шириной более 9 м рационально использовать две разводящие магистрали - вдоль каждой фасадной стены. 5.9 Схемы систем отопления Вертикальная однотрубная система с верхней разводкой (с верхним расположением подающей и нижней прокладкой обратной магистрали): Рисунок 67 - Вертикальная однотрубная система с верхней разводкой I - проточный стояк; II и III - стояки с осевыми и смещенными замыкающими участками; IV и V - проточно-регулируемые стояки; 1 - обратная магистраль; 2 - отопительные приборы; 3 - краны регулирующие проходные (КРП); 4 - осевой замыкающий участок; 5 - подающая магистраль; 6 - главный стояк; 7 - расширительный бак с соединительной трубой; 8 - смещенные замыкающие участки; 9 - краны регулирующие трехходовые (КРТ); 10 - проточный воздухосборник; 11 - обходные участки; 12 - циркуляционный насос; 13 - теплообменник. Она выполняется с двусторонним (стояки I, II, IV), и с односторонним присоединением отопительных приборов к стоякам (стояки III и V). Приборные узлы делаются проточными (стояк I) и с замыкающими (стояки II и III) и обходными (стояки IV и V) участками. Замыкающие проточные участки делаются осевыми, т. е. расположенными по оси стояка (стояк II) и смещенными от оси (стояк III) со «сжимами», т. е. с уменьшением диаметра против диаметра основного участка стояка, и без «сжимов». В большей степени увеличивается расход воды в приборах при использовании смещенных замыкающих участков 8. При этом обеспечивается компенсация удлинения труб при нагревании межприборных участков стояков. Обходные участки 11, предназначенные для периодического использования при потребительском регулировании теплоотдачи приборов кранами КРТ, делаются осевыми и смещенными. Вертикальная однотрубная система с верхней разводкой применяется со стояками всех трех типов - проточными, с замыкающими участками и проточно-регулируемыми - в многоэтажных зданиях, имеющих четыре - девять этажей и более. Вертикальная однотрубная система с нижней разводкой (с нижним расположением обеих магистралей): Рисунок 68 - Вертикальная однотрубная система с нижней разводкой I - проточный стояк; II и III - стояки со смещенными замыкающими участками; IV и V - проточно-регулируемые стояки; 14 - воздушный кран. B П-образных стояках, состоящих из восходящей и нисходящей частей, применяются проточные приборные узлы (стояк I), узлы c замыкающими участками (стояк II) и проточно-регулируемые узлы (стояк IV). При непарных отопительных приборах «холостой» делают восходящую часть стояков (стояки III и V). В пробках верхних радиаторов или в верхних точках стояков с конвекторами устанавливаются воздушные краны. Регулирующие краны КРП и КРТ помещаются на подводках, по которым теплоноситель подается в приборы. В стояках по типу стояка II при движении воды снизу вверх уменьшается затекание ее в приборы, особенно при увеличенном их сопротивлении. Поэтому предпочтение отдается проточно-регулируемым приборным узлам с односторонним присоединением приборов к трубам и смещенными обходными участками (стояк IV). Эту систему применяют в бесчердачных многоэтажных (три - семь этажей и более) зданиях, имеющих технические подполья или подвальные помещения. Систему отопления с П-образными стояками можно включать в действие в процессе монтажа поэтажно (с временными перемычками), и эту особенность системы используют в зимнее время при выполнении внутренних отделочных работ в строящемся многоэтажном здании. Двухтрубные системы водяного отопления: а) с верхней разводкой; б) с нижней разводкой: Рисунок 69 - Двухтрубные системы водяного отопления 1 и 2 - подающие и обратные магистрали; 3 и 4 - подающие и обратные стояки; 5 - отопительные приборы; 6 - краны двойной регулировки (КРД); 7 - главный стояк; 8 - расширительный бак; 9 - воздушная линия; 10 - воздушные краны; 11 - соединительная труба расширительного бака; 12 - циркуляционный насос; 13 - теплообменник. Система с верхней разводкой используется при естественной циркуляции воды, особенно при квартирном отоплении, а также для отопления железнодорожных вагонов. При насосной циркуляции воды эта система устраивается преимущественно в малоэтажных зданиях во избежание значительного вертикального теплового разрегулирования. Двухтрубная система с нижней разводкой применяется чаще, чем система с верхней разводкой, особенно при числе этажей в зданиях более двух-трех и в зданиях, состоящих из разноэтажных частей. На схеме изображена столбовая схема прокладки стояков, при которой подводки присоединяются к отопительным приборам односторонне. Подающие и обратные стояки при этом прокладывают рядом (подающие всегда справа, если смотреть из помещения). Существует также цепочечная схема прокладки стояков, когда они располагаются разобщенно (по одному между приборами), а подводки присоединяются к приборам с разных сторон. При разностороннем присоединении труб к радиаторам эти приборы лучше прогреваются, исключаются также скобы на стояках для огибания горизонтальных подводок. Применение столбовой схемы целесообразней, т. к. возможно независимое регулирование и отключение для ремонта обособленных парных стояков. 5.10 Гидравлический расчет систем водяного отопления 5.10.1 Основные положения гидравлического расчета системы водяного отопления Система водяного отопления представляет собой разветвленную закольцованную сеть труб и приборов, заполненных водой. Так как теплопередача происходит при охлаждении определенного количества воды, требуется выполнить гидравлический расчет системы. Гидравлический расчет проводится в соответствии с законами гидравлики. Расчет основан на следующем принципе: при установившемся движении воды действующая в системе разность давления (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление сопротивления движению. Правильный гидравлический расчет предопределяет работоспособность системы отопления. Точный расчет системы связан с решением большого числа нелинейных уравнений. Решение упрощается при выполнении требования СНиП применять трубы по имеющемуся сортаменту. В этих условиях гидравлический расчет заключается в подборе по сортаменту площади поперечного сечения (диаметра) труб, достаточной для подачи нужного количества воды в приборы системы. Потери давления при перемещении требуемого количества воды по трубам принятого диаметра определяют гидравлическое сопротивление системы. Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки. В циркуляционное кольцо могут быть включены один (двухтрубная система) или несколько (однотрубная система) отопительных приборов, теплогенератор, а также побудитель циркуляции теплоносителя в насосной системе отопления. Участком называют трубу или трубы с одним и тем же расходом теплоносителя. Последовательно соединенные участки, образующие замкнутый контур циркуляции воды через теплогенератор, составляют циркуляционное кольцо системы. Тепловая нагрузка прибора принимается равной расчетным теплопотерям помещений Qп (за вычетом теплопоступлений, если они имеются). Тепловая нагрузка участка Qуч составляется из тепловых нагрузок приборов, обслуживаемых протекающей по участку водой: Расход воды на участке Gyч при расчетном перепаде температуры воды в системе tг - tо с учетом дополнительной теплоотдачи в помещения: , где Qуч - тепловая нагрузка участка; β1 - поправочный коэффициент, учитывающий теплопередачу через дополнительную площадь (сверх расчетной) приборов, принятых к установке (для радиаторов и конвекторов β1 = 1,03 ÷ 1,08, для ребристых труб β1 = 1,13); β2 - поправочный коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери вследствие размещения отопительных приборов у наружных ограждений (при установке у наружной стены секционного радиатора или конвектора типов КН и КО β2 = 1,02, конвектора КА β2 = 1,03, капельного радиатора β2 = 1,04; с -удельная массовая теплоемкость воды, равная 4187 Дж/(кг∙К). Тепловая нагрузка системы отопления в целом равна сумме тепловых нагрузок всех приборов (теплопотерь помещений). По общей теплопотребности для отопления здания определяют расход воды в системе отопления: При гидравлическом расчете потери давления на каждом участке Δpуч, Па, циркуляционных колец системы определяют по формуле Дарси-Вейсбаха, известной из курса гидравлики: , где λ - коэффициент гидравлического трения, определяющий линейную потерю гидростатического давления на длине трубы, равной ее внутреннему диаметру dв, м; lуч - длина участка, м; Σξуч - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке, выражающая местные потери гидростатического давления; ρ - средняя плотность, кг/м3; ω - скорость движения воды на участке, м/с. По данной формуле находят падение гидростатического давления вследствие линейной потери (первое слагаемое) при трении потока воды о стенки трубы и местных сопротивлений (второе слагаемое) из-за деформации потока в фасонных частях, арматуре и приборах. Коэффициент гидравлического трения λ зависит от режима движения жидкости (ламинарного или турбулентного) в трубах и приборах систем отопления. При ламинарном движении воды коэффициент гидравлического трения по формуле Пуазейля с поправкой на шероховатость труб (действительна в диапазоне изменения числа Рейнольдса от 300 до 7000): , где Re - число Рейнольдса ; kэ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб (в системе водяного отопления kэ = 0,2 мм). При турбулентном движении в трубах: Турбулентное движение воды наблюдается в современных насосных системах, особенно однотрубных, многоэтажных зданий. Ламинарное движение встречается в чугунных приборах и в трубах систем с естественной циркуляцией воды малоэтажных зданий. Коэффициент местного сопротивления ξ зависит в основном от геометрической формы препятствий движению (арматуры, приборов, воздухосборников, грязевиков, коллекторов и т. п.), изменения направления движения и расхода воды (в тройниках, крестовинах, отводах и других фасонных частях). Значение коэффициента местного сопротивления, как правило, определяют опытным путем, и при гидравлических расчетах насосных систем отопления выбирается из справочной литературы. 5.10.2 Естественное циркуляционное давление Нагревание и охлаждение воды в циркуляционных кольцах системы отопления создают неоднородное распределение ее плотности. В строго горизонтальной системе отопления это явление не вызывает циркуляции воды. Естественная циркуляция воды возникает только в вертикальной системе. Охлаждение теплоносителя воды в системе отопления происходит непрерывно по мере удаления от теплообменника, на выходе из которого температура воды имеет наивысшее значение, и заканчивается при возвращении ее к теплообменнику. Постепенное остывание воды в теплопроводах сменяется быстрым охлаждением ее в отопительных приборах. Поэтому общее естественное циркуляционное давление Δре в системе можно рассматривать как сумму двух величин: давления Δре.пр, возникающего вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, и давления Δре.тр, вызываемого охлаждением воды в трубах: В большинстве случаев - в системах отопления многоэтажных зданий - первое слагаемое является основным, второе - дополнительным. При рассмотрении естественного циркуляционного давления используют понятие о центре охлаждения теплоносителя. В центре охлаждения действительное постепенное изменение температуры (и плотности) воды по длине теплопровода или отопительного прибора принимают условно скачкообразным. С введением такой условной границы охлаждения можно считать, что на каждой половине длины теплопровода или прибора вода имеет постоянную, но отличающуюся плотность. При этом гидростатическое давление не должно изменяться. Подобную условную границу изменения температуры воды в теплообменнике системы отопления называют центром нагревания. В общем виде при N отопительных приборах в однотрубном стояке естественное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в приборах: , где Qihi - произведение тепловой мощности i-гo прибора на вертикальное расстояние hi от его условного центра охлаждения до центра нагревания воды в системе; Gст - расход в стояке; - показывает среднее уменьшение плотности при уменьшении температуры воды на 1 К; ρо - плотность воды при расчетной температуре tо обратной воды в системе; ρг - плотность воды при расчетной температуре tг горячей воды в системе. 5.10.3 Расчетное циркуляционное давление в насосной системе водяного отопления Расчетное циркуляционное давление представляет собой располагаемую разность давления (насосного и естественного), которая в расчетных условиях предназначается для преодоления сопротивления движению воды в системе отопления. Разность давления, создаваемая насосом (насосное циркуляционное давление), постоянна в определенной рабочей точке его характеристики. Естественная разность давления (естественное циркуляционное давление) подвержена непрерывному изменению из-за возрастания или убывания различия в плотности воды в разных частях системы в процессе ее эксплуатации. Расчетное циркуляционное давление Δрр в системе водяного отопления в общем виде определяют по формуле: , или , где Δрн - циркуляционное давление, создаваемое насосом или передаваемое в систему отопления через смесительную установку; Б - поправочный коэффициент, учитывающий значение естественного циркуляционного давления в период поддержания расчетного гидравлического режима в системе (Б ≤ 1). По характеру воздействия естественного циркуляционного давления на расход воды в стояках все насосные системы отопления многоэтажных зданий разделяются на две группы: • вертикальные однотрубные; • горизонтальные однотрубные и двухтрубные системы. Расчетный гидравлический режим в этих группах систем приурочивают к различным периодам отопительного сезона. Для вертикальных однотрубных насосных систем (а также для любого вида систем отопления с естественной циркуляцией воды) этот период должен соответствовать температуре наружного воздуха tн.р., расчетной для отопления зданий в данной местности. При этой температуре естественное циркуляционное давление достигает своего максимального значения (Б = 1), следовательно: Для горизонтальных однотрубных, двухтрубных насосных систем отопления расчетный гидравлический режим относят к периоду наиболее длительного стояния одной и той же температуры наружного воздуха. Для большинства районов России эта температура, близка к средней температуре отопительного сезона. При этой температуре наружного воздуха в системе отопления возникает естественное циркуляционное давление, составляющее около 40 % максимального его значения. Поэтому: Выбор разных периодов отопительного сезона для гидравлического расчета двух различных групп систем водяного отопления делается с целью сохранения возможно дольше необходимой теплоотдачи отопительных приборов. Это одно из мероприятий, способствующих увеличению эффективности отопления зданий. 5.10.4 Способы гидравлического расчета систем водяного отопления Гидравлический расчет системы водяного отопления выполняют различными способами. Рассмотрим два наиболее распространенных способа. Первый способ гидравлического расчета - по удельной линейной потере давления, когда подбирают диаметр труб при равных перепадах температуры воды во всех стояках и ветвях Δtст, таких же, как расчетный перепад температуры воды во всей системе Δtс: причем Предварительно вычисляют расход воды на каждом участке: Потери давления на трение и местные сопротивления на участке определяют раздельно по формуле: , где - удельная потеря давления на трение на длине 1 м, Па/м; - потери давления на местные сопротивления, Па. Потери давления в циркуляционном кольце системы: при последовательном соединении N участков: , т. е. равны сумме потерь давления на участках, составляющих кольцо при параллельном соединении двух участков, стояков или ветвей: , т. е. потери давления на параллельно соединенных участках, стояках или ветвях равны. Второй способ гидравлического расчета - по характеристикам сопротивления и проводимостям, когда устанавливают распределение потоков воды в циркуляционных кольцах системы и получают неравные перепады температуры воды в стояках и ветвях. При этом допускают отклонение Δtст от Δtс на ±7 °С и ограничивают минимальную температуру воды, уходящей из стояков и ветвей в расчетных условиях, 60 °С. Предварительно выбирают диаметр труб на каждом участке с учетом допустимой скорости движения воды и конструктивных соображений. Потери давления на трение и местные сопротивления на участке определяют по формуле: где G - расход воды на рассчитываемом участке, кг/ч; А - удельное гидродинамическое давление на участке, Па/(кг/ч)2, возникающее при расходе воды 1 кг/ч; вычисляется по формуле: S - характеристика гидравлического сопротивления участка, Па/(кг/ч)2 [(кгс/м2)/(кг/ч)2], выражающая потери давления на участке при единичном расходе воды (1 кг/ч); определяется по формуле: Потери давления на участке могут быть найдены исходя из проводимости участка: , где σ - проводимость участка, кг/(ч∙Па0,5) [(кг/ч)/(кгс/м2)0,5], показывающая расход воды при единичной потере давления на участке (1 Па или 1 кгс/м2). Проводимость связана с характеристикой сопротивления зависимостью: Характеристика сопротивления может быть получена как для отдельного участка, так и для нескольких участков, соединенных между собой последовательно или параллельно. Общая характеристика гидравлического сопротивления последовательно соединенных N участков: , т.е. равна сумме характеристик сопротивления участков. Общая характеристика гидравлического сопротивления параллельно соединенных двух участков (характеристика сопротивления так называемого узла): т. е. характеристика сопротивления узла параллельных участков равняется обратной величине квадрата суммы проводимостей участков, его составляющих. Характеристики сопротивления узлов, соединенных последовательно с участками, суммируют с характеристиками сопротивления этих участков. Следовательно, характеристика сопротивления однотрубного стояка, состоящего из последовательно соединенных приборных узлов и участков: В сложные узлы могут объединяться параллельно соединенные и стояки и ветви системы для получения Sс - характеристики сопротивления системы. Тогда потери давления в системе при известном расходе воды Gc могут быть найдены по формуле: Гидравлический расчет по первому способу выполняется с невязками потерь давления в смежных циркуляционных кольцах. Вследствие этого на практике после окончания монтажных работ требуется проводить пусконаладочное регулирование системы во избежание нарушения расчетного распределения воды по приборам. Гидравлический расчет по второму способу применяют при повышенной скорости движения воды в системе, когда возможно использование постоянных значений коэффициентов λ и ξ. В результате расчета определяются действительные значения расхода и температуры воды в ветвях, стояках и приборах системы отопления. 5.11 Воздушное отопление 5.11.1 Область применения воздушного отопления Воздушное отопление применяют в производственных, вспомогательных и общественных помещениях, используя рециркуляцию воздуха или совмещая отопление с общеобменной приточной вентиляцией. При рециркуляции нагретый воздух может подаваться непосредственно в обогреваемое помещение, где, смешиваясь с внутренним воздухом, он охлаждается до температуры помещения и вновь поступает для нагревания. Нагретый воздух может также перемещаться по пустотам в строительных конструкциях, не попадая в обогреваемое помещение, с теплопередачей в него через стенки этих конструктивных элементов. Воздушное отопление делают местным (децентрализованным), если в помещении отсутствует центральная общеобменная приточная вентиляция, а также при незначительном объеме приточного воздуха, подаваемого в течение часа (менее половины объема помещения). Воздух для воздушного отопления нагревается, как правило, в калориферах первичным теплоносителем - горячей водой или паром. 5.11.2 Схемы систем воздушного отопления Принципиальные схемы местной системы воздушного отопления: Рисунок 70 - Схемы местной системы воздушного отопления а, б - полностью рециркуляционные; в - частично рециркуляционные; г - прямоточная; 1 - воздухонагреватель (калорифер); 2 - канал горячего воздуха; 3 - канал вытяжной вентиляции. Чисто отопительная система с полной рециркуляцией теплоносителя — воздуха может быть бесканальной (Рисунок 70, а) и канальной (Рисунок 70, б). При бесканальной системе внутренний воздух нагревается первичным теплоносителем в калорифере и перемещается вентилятором. Наличие вертикального канала для горячего воздуха вызывает естественную циркуляцию внутреннего воздуха через помещение и калорифер. Эти две схемы применяют для местного воздушного отопления помещений, не нуждающихся в искусственной приточной вентиляции. Для местного воздушного отопления помещения одновременно с его приточно-вытяжной вентиляцией используют схемы в, г. По схеме на Рисунке 70 в) часть воздуха забирается снаружи; другая часть внутреннего воздуха подмешивается к наружному (осуществляется частичная рециркуляция воздуха). Смешанный воздух догревается в калорифере и подается вентилятором в помещение. Помещение обогревается всем поступающим в него воздухом, а вентилируется только той его частью, которая забирается снаружи. Эта часть воздуха удаляется из помещения в атмосферу. Схема на Рисунке 70 г) - прямоточная: наружный воздух в количестве, необходимом для вентиляции помещения, дополнительно нагревается для отопления, а после охлаждения до температуры помещения удаляется в таком же количестве в атмосферу. Принципиальные схемы центральной системы воздушного отопления: Рисунок 71 - Схемы центральной системы воздушного отопления а - полностью рециркуляционная; б - частично рециркуляционная; в - прямоточная; г - рекуперативная; 1 - воздухонагреватель (калорифер); 2 - канал горячего воздуха; 3 - канал внутреннего воздуха; 4 - канал наружного воздуха; 5 - воздухо-воздушный теплообменник. Центральная система воздушного отопления - канальная. Воздух нагревается до необходимой температуры в тепловом центре здания. В схеме на Рисунке 71 а) нагретый воздух по специальным каналам распределяется по помещениям, а охладившийся воздух по другим каналам возвращается для повторного нагревания в теплообменнике-калорифере. Совершается полная рециркуляция воздуха без вентиляции помещений. Теплопередача в калорифере соответствует теплопотерям помещений, т. е. схема является чисто отопительной. Схема на Рисунке 71 б) с частичной рециркуляцией по действию не отличается от схемы местной системы в). На схеме в) изображена прямоточная схема центральной системы воздушного отопления, аналогичная схеме местной системы г). Рециркуляционная система воздушного отопления дешевле других и по первоначальным затратам и в эксплуатации. Система может применяться, если в помещении допускается рециркуляция воздуха, а температура поверхности нагревательных элементов соответствует требованиям гигиены, пожаро- и взрывобезопасности этого помещения. Радиус действия центральной системы с естественной циркуляцией ограничен 10-15 м, считая по горизонтальному пути от теплового центра до наиболее удаленного вертикального канала. Система воздушного отопления с частичной рециркуляцией устраивается с механическим побуждением движения воздуха и является наиболее гибкой. Она может действовать в различных режимах, в помещениях помимо частичной может осуществляться полная замена, а также полная рециркуляция воздуха. При этих трех режимах система работает как отопительно-вентиляционная, чисто вентиляционная и чисто отопительная. Все зависит от того, забирается ли и в каком количестве воздух снаружи и до какой температуры нагревается воздух в калорифере. Прямоточная система воздушного отопления отличается повышенными эксплуатационными затратами. Ее применяют, когда требуется вентиляция помещений в объеме не менее чем объем воздуха для отопления. Для уменьшения теплозатрат в прямоточной системе при сохранении ее основного преимущества - полной вентиляции помещений - используют схемы с рекуперацией, где применен дополнительный воздухо-воздушный теплообменник для предварительного нагревания наружного воздуха воздухом, удаляемым из помещений. Модуль 2 6 Вентиляция 6.1 Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи. Расчетный воздухообмен Воздух, находящийся внутри помещений, может изменять свой состав, температуру и влажность под действием самых разнообразных факторов: изменений параметров наружного (атмосферного) воздуха, выделения тепла, влаги, пыли и вредных газов от людей и технологического оборудования. В результате воздействия этих факторов воздух помещений может принимать состояния, неблагоприятные для самочувствия людей или препятствующие нормальному протеканию технологического процесса. Чтобы избежать чрезмерного ухудшения качества внутреннего воздуха, требуется осуществлять воздухообмен, то есть производить смену воздуха в помещении. При этом из помещения удаляется загрязненный внутренний воздух и взамен подается более чистый, как правило, наружный, воздух. Основной задачей вентиляции является обеспечение воздухообмена в помещении для поддержания расчетных параметров внутреннего воздуха. Вентиляцией называется совокупность мероприятий и устройств, обеспечивающих расчетный воздухообмен в помещениях. Вентиляция (BE) помещений обычно обеспечивается при помощи одной или нескольких специальных инженерных систем - систем вентиляции (СВЕ), которые состоят из различных технических устройств. Эти устройства предназначены для выполнения отдельных задач: • нагревание воздуха (воздухонагреватели); • очистка (фильтры); • транспортирование воздуха (воздуховоды); • побуждение движения (вентиляторы); • распределение воздуха в помещении (воздухораспределители); • открывание и закрывание каналов для движения воздуха (клапана и заслонки); • снижение уровня шума (шумоглушители); • снижение вибрации (виброизоляторы и гибкие вставки), и др. Кроме применения технических устройств для нормального функционирования вентиляции требуется реализация некоторых технических и организационных мероприятий. Так, для снижения уровня шума требуется соблюдение нормируемых скоростей воздуха в воздуховодах, для снижения утечек воздуха из воздуховодов качественное их изготовление и монтаж, а также использование герметизирующих материалов. Особо следует отметить, что BE должна обеспечивать не просто воздухообмен (ВО), а расчетный воздухообмен (РВО). Таким образом, устройство BE требует обязательного предварительного проектирования, в процессе которого определяется РВО, конструкция системы и режимы работы всех ее устройств. Поэтому BE не следует путать с проветриванием, которое представляет неорганизованный воздухообмен. Когда житель открывает форточку в жилой комнате, это еще не вентиляция, так как неизвестно, сколько воздуха требуется, и сколько его в действительности поступает в помещение. Если же выполнены специальные расчеты, и определено, сколько воздуха надо подать в данное помещение и на какой угол надо открыть форточку, чтобы именно такое количество его и поступало в помещение, то можно говорить об устройстве вентиляции с естественным побуждением движения воздуха. СВЕ относятся к системам обеспечения микроклимата помещений(СОМК). Общая иерархия СОМК выглядит следующим образом: 1) ограждающие конструкции зданий (НОК); 2) системы отопления (СО); 3) системы вентиляции (СВЕ); 4) системы кондиционирования воздуха (СКВ). Таким образом, в общей иерархии СОМК СВЕ занимают место между СО и СКВ. СВЕ является наиболее развитой инженерной системой. Она способна обеспечивать поддержание на требуемом уровне широкого набора параметров воздуха: • температура (не во всех случаях); • подвижность (скорость); • относительная влажность (не во всех случаях); • запыленность; • концентрация вредных веществ. СВЕ, как правило, не имеет устройства для охлаждения воздуха и осушения. Поэтому в теплое время года она не всегда способна обеспечить поддержание температуры и влажности в помещении на оптимальном уровне. Учитывая это, СВЕ обычно рассчитывается на поддержание не оптимальных, а допустимых параметров внутреннего воздуха. Тем не менее, при определенных состояниях наружного воздуха, СВЕ не способна обеспечить даже допустимые параметры. Например, летом при высокой влажности наружного воздуха (около 100%) невозможно обеспечить в помещении с избытками влаги относительную влажность внутреннего воздуха в пределах 75%. Четкой границы между СВЕ и СКВ нет. В традиционном понимании СКВ отличается от СВЕ только наличием источника искусственного холода (холодильная машина ХМ) и воздухоохладителя той или иной конструкции. Кроме того, системы СВЕ и СКВ часто выполняют роль систем воздушного отопления, подавая в помещение перегретый воздух. В этом случае говорят о воздушном отоплении, совмещенном с вентиляцией. При выполнение основной задачи BE - создание воздухообмена в помещениях здания - СВЕ связаны определенным образом с самим помещением и с наружным воздухом. Воздух при работе СВЕ перемещается из атмосферы снаружи здания внутрь его через отверстия и проемы в НОК, каналы и воздуховоды СВЕ, и поступает внутрь помещений через воздухораспределительные устройства (ВР), а затем аналогичным образом удаляется из помещения в атмосферу. Весь этот процесс объединяется понятием воздушный режим здания (ВРЗ). Вопросы, связанные с ВРЗ делят на 3 группы: внутреннюю (воздухообмен внутри здания), краевую (параметры воздуха при поступлении его из атмосферы через специальные приспособления внутрь здания) и внешнюю (параметры атмосферного воздуха вблизи здания). 6.2 Требования, предъявляемые к вентиляции Требования к СВЕ: 1) санитарно-гигиенические; 2) технологические; 3) энергетические; 4) экономические; 5) конструктивно-технологические; 6) эксплуатационные; 7) пожарной безопасности; 8) экологические; 9) архитектурно-строительные; 10) строительно-монтажные. Санитарно-гигиенические требования заключаются в том, что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее требованиям санитарных норм. В помещениях должны поддерживаться установленные значения температуры, влажности, концентрации вредных веществ. Особое внимание следует обратить на запыленность воздуха, так как многие СВЕ в нашей стране эксплуатируются без фильтров, состояние покрытий приточных камер, вентиляционных шахт и холодных камер не соответствуют современным требованиям. Современные конструкции установок предусматривают обязательную очистку воздуха. Специальные покрытия внутренней поверхности приточных камер допускают их влажную уборку, а иногда и полную промывку водой. Предпочтение отдается гладким металлическим и пластмассовым поверхностям. Современные фильтры позволяют производить очистку от любых пылей и микроорганизмов, производить озонирование и одорирование воздуха. Технологические требования заключаются в том, что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее требованиям протекающего технологического процесса. Типичным примером являются предприятия легкой (текстильные, прядильные и трикотажные фабрики, полиграфические предприятия и др.) и пищевой промышленности. В этом случае внутренние параметры назначаются, исходя из требований именно технологического процесса, а не комфортного ощущения людей. Во многих случаях для обеспечения требуемых параметров приходится использовать СКВ, а не СВЕ. Энергетические требования заключаются в том, что СВЕ должны выполнять возложенные на них функции при минимальном потреблении тепловой и электрической энергии. Выполнение данного требования обеспечивается внедрением современных методов конструирования оборудования и современных технологий его изготовления, правильным выбором размеров оборудования и вентиляционных каналов, использованием более эффективного и экономичного оборудования, использованием вторичных энергетических ресурсов (в первую очередь использованием теплоты удаляемого вентиляционного воздуха), применением современных цифровых систем автоматического регулирования (САР). Экономические требования заключаются в том, что стоимость самой СВЕ и стоимость ее эксплуатации должны быть как можно ниже. Стоимость качественного оборудования достаточно высока, стоимость тепловой и электрической энергии непрерывно растет - все это приводит к тому, что современные системы вентиляции недоступны малообеспеченному потребителю. Следует отметить, что стоимость СВЕ и затраты на нее - это разные вещи. Приведенные годовые затраты П складываются из капитальной стоимости К, деленной на срок эксплуатации системы Т, и эксплуатационных затрат Э (годовая стоимость тепловой и электрической энергии, ремонта оборудования, зарплата обслуживающего персонала): П = К/Т + Э При таком способе оценки изначально более дорогая система, но имеющая больший срок эксплуатации, меньшее энергопотребление и не нуждающаяся в ремонтах, будет иметь меньшие приведенные годовые затраты. Конструктивно-технологические требования заключаются в том, что конструкция СВЕ должна обеспечивать современные эффективные способы их производства. Элементы СВЕ должны изготавливаться на современном, уже достигнутом уровне технологии производства, с надлежащей степенью точности и соответствующим качеством. Эксплуатационные требования заключаются в том, что в процессе функционирования СВЕ ее эксплуатация должна быть минимально трудоемкой. Это достигается в первую очередь увеличением ресурса работы оборудования, что исключает необходимость частого обслуживания или ремонта. Доступ к обслуживаемым элементам оборудования должен быть максимально облегчен. Для этого в конструкции приточных установок предусматривают люки и дверцы. Компоновка агрегатов выполняется таким образом, чтобы замена приводных ремней, смена фильтров или их чистка, проверка работы клапанов и другие операции не вызывали затруднений. Требования пожарной безопасности заключаются в том, что должна быть исключена возможность возникновения пожара при эксплуатация СВЕ. Это достигается применением специальных защитных отключающих устройств на воздухонагревателях и двигателях вентиляторов, насосов и компрессоров. Воздуховоды и конструкция корпусов оборудования должны обладать требуемой степенью огнестойкости, что достигается использованием негорючих материалов для воздуховодов, тепловой изоляции, герметизирующих материалов. Экологические требования заключаются в том, что работа СВЕ не должна негативно сказываться на состоянии окружающей среды. Производится очистка выбрасываемого в атмосферу воздуха, чтобы избежать ее загрязнения. Снижение энергопотребления уменьшает тепловое загрязнение окружающей среды. Архитектурно-строительные требования заключаются в том, что отдельные элементы СВЕ, расположенные внутри помещений (воздухораспределители, решетки, воздуховоды, местные отсосы от оборудования), не должны нарушать их внутренний интерьер. Сама СВЕ должна органически вписываться в конструкцию здания. Нагрузка от оборудования на колонны и плиты перекрытий должна быть в допустимых пределах. Строительно-монтажные требования заключаются в том, что конструкция СВЕ должна предусматривать технологичные способы монтажа воздуховодов и оборудования на объекте, обеспечивающие надлежащее качество сборки системы. Элементы крепления к конструкциям не должны их повреждать, должны быть унифицированы, их изготовление должно быть организовано в массовом производстве. 6.3 Классификация систем вентиляции Вентиляционная система - это совокупность устройств для обработки, транспортирования, подачи и удаления воздуха. СВЕ можно классифицировать в зависимости от их функционального назначения и принципиальных конструктивных особенностей. 1) По назначению СВЕ делятся на приточные и вытяжные. Фактически это есть деление по направлению движения перемещаемого воздуха: приточные системы подают воздух в помещение, а вытяжные удаляют воздух из него. Приведенное деление достаточно условно, так как кроме чисто приточных и вытяжных систем, которые являются прямоточными, существуют смешанные системы с рециркуляцией воздуха, которые фактически являются приточно-вытяжными. Рециркуляционная система, работающая при 100% рециркуляции не подает и не удаляет воздух из помещения - она просто обеспечивает циркуляцию внутреннего воздуха. Тем не менее, систему относят к приточному или вытяжному типу в зависимости от того, подает или удаляет она воздух от обслуживаемого оборудования или зоны. 2) По обслуживаемой зоне СВЕ делятся на общеобменные и местные. Общеобменные СВЕ (как приточные, так и вытяжные) обслуживают весь объем помещения, а иногда и нескольких помещений. В отличие от них местные приточные системы предназначены для обслуживания лишь небольшой зоны помещения (воздушное душирование, воздушные оазисы), а местные вытяжные системы предназначены для удаления воздуха от конкретного оборудования для удаления выделяющихся в нем вредностей. Местные системы активно применятся в промышленных зданиях, где есть отдельные единицы оборудования и отдельные обслуживаемые рабочие зоны на большой площади цехов. В общественных зданиях используются практически только общеобменные СВЕ. 3) По способу побуждения движения воздуха СВЕ делятся на системы с механическим побуждением и системы с естественным побуждением. Естественное побуждение - это воздействие естественных сил гравитации (естественное гравитационное давление, создаваемое за счет разности температур и плотностей наружного и внутреннего воздуха) и ветра. Механическое побуждение создается обычно вентиляторами. 4) По наличию воздуховодов СВЕ делятся на канальные и бесканальные. Бесканальные системы не имеют воздуховодов для транспортирования воздуха, типичным примером является открытое окно для притока свежего воздуха, очевидно, что бесканальные системы могут применяться только для помещений, расположенных около НОК (наружных ограждающих конструкций). Отсутствие воздуховодов снижает стоимость систем. Канальные системы могут обслуживать удаленные помещения, расположенные в любой точке здания. Возможна рассредоточенная подача воздуха в помещение через несколько воздухораспределителей. Оборудование канальных систем может быть расположено на расстоянии от обслуживаемых помещений в удобном месте. На Рисунке 72 приведено несколько вариантов СВЕ с указанием их описание в соответствии с выше приведенной классификацией. Рисунок 72 - Классификация СВЕ 1 - приточная прямоточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха; 2 - вытяжная местная канальная система с механическим побуждением движения воздуха; 3 - вытяжная общеобменная канальная система с естественным побуждением движения воздуха; 4 - вытяжная общеобменная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха; 5 - вытяжная общеобменная бесканальная система с естественным побуждением движения воздуха; 6 - приточная общеобменная бесканальная система с естественным побуждением движения воздуха; 7 - приточная местная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха и 100 % рециркуляцией; 8 - приточная прямоточная общеобменная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха; 9 - приточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха и частичной рециркуляцией. 6.4 Расчетные параметры приточного воздуха для систем с естественным и механическим движением В общественных зданиях в теплый период года практически всегда имеются тепловые избытки. Поэтому температуру приточного воздуха принимают минимально возможной: а) для систем с естественным побуждением - равной температуре наружного воздуха (tпр = tн); б) для систем с механическим побуждением - на 0,5-1° выше температуры наружного воздуха, учитывая предполагаемый подогрев воздуха в вентиляторе и воздуховодах (tпр = tв + Δtнагр). Подогрев воздуха в вентиляторе зависит от развиваемого им давления и коэффициента полезного действия. Давление больших вентиляторов, как правило, больше, поэтому подогрев в них будет больше. При среднем давлении вентилятора 1000 Па, величина нагрева воздуха составит 0,25º. Подогрев воздуха в воздуховодах происходит особенно интенсивно, если воздуховоды проложены в невентилируемом пространстве за подшивным потолком, в котором воздух интенсивно нагревается за счет тепла, поступающего через покрытие, нагреваемое солнечными лучами. Поэтому рекомендуется хотя бы часть воздуха из зрительных залов удалять именно из подшивного пространства, чтобы уменьшить температуру в нем. В коридорах верхних этажей с подшивными потолками также рекомендуется осуществлять вытяжку из подшивного пространства. С учетом нагрева в воздуховодах минимальное значение нагрева воздуха рекомендуется принимать равным 0,5°. Для сухого и жаркого климата для теплого периода можно и рекомендуется использовать адиабатическое охлаждение наружного воздуха и принимать температуру притока на 0,3ºС выше температуры, соответствующей окончанию процесса адиабатического охлаждения в оросительной камере. В холодный период года при наличии тепловых избытков, что бывает наиболее часто, в помещение подается воздух, имеющий температуру ниже температуры внутреннего воздуха. Чтобы люди, находящиеся в помещении, не ощущали холодного дутья, температура воздуха в приточной струе должна быть не более чем на 1,5° ниже температуры внутреннего воздуха. Поэтому температуру приточного воздуха принимают всего на несколько градусов ниже расчетной температуры внутреннего воздуха в соответствии с рекомендациями Таблицы 1. Таблица 1 - Рекомендуемый перепад температур на притоке Период года и подача воздуха в помещение Перепад температур на притоке Δtпр, °С Теплый период на 0,5° выше расчетной температуры наружного воздуха Холодный и переходный периоды при подаче воздуха: а) непосредственно в рабочую зону б) на высоте от 2,5 м до 4 м от уровня пола в) на высоте более 4 м от уровня пола г) через потолочные плафоны эжекционного типа а) 2° б) 4-6° в) 6-8° г) 8-15° При наличии недостатков теплоты в холодный период года в помещение будет подаваться перегретый воздух, имеющий температуру выше температуры внутреннего воздуха. При этом допускаются примерно в два раза большие перепады температур между температурой в приточной струе и температурой внутреннего воздуха. Поэтому можно допустить примерно в два раза большие перепады температур и на притоке, по сравнению со значениями, указанными в Таблице 1. Согласно санитарным нормам, максимальное значение температуры приточного воздуха для помещений, в которых находятся люди, составляет 45 °С. Концентрации углекислого газа в приточном принимают равной концентрации в наружном воздухе с учетом пересчета по плотностям. 6.5 Расчетные параметры удаляемого воздуха. Понятие рабочей и верхней зон Если воздух удаляется из помещения непосредственно из рабочей или обслуживаемой зоны (РЗ), то параметры его соответствуют параметрам в РЗ. Однако чаще всего воздух удаляется из верхней зоны помещения, где параметры воздуха могут отличаться от параметров в РЗ. Условно считается, что помещение разделено на две зоны, рабочую зону (РЗ) и верхнюю зону. Приточный воздух, вбирая вначале тепло и влагу из РЗ, принимает параметры, соответствующие расчетным параметрам РЗ. Затем, условно поднимаясь из РЗ в верхнюю зону, он вбирает тепло и влагу из нее, принимает параметры, соответствующие расчетным параметрам воздуха в верхней зоне. Деление помещения на две зоны придумано для того, чтобы отразить тот факт, что главной заботой вентиляции и обслуживаемой ею зоной является именно РЗ, а также учесть подтвержденный на практике факт существования разности температур в РЗ и в верхней зоне помещения. Если считать помещение одним большим общим объемом, то пришлось бы принимать в расчетах одну среднюю температуру по всему объему помещения. Однако теплый воздух всегда стремится вверх, и в верхней зоне, как правило, температура воздуха выше, чем в РЗ. Это расслоение воздуха наблюдается в любом помещении, в котором имеются конвективные источники теплоты, причем даже при общих недостатках теплоты. Расслоение воздуха зависит именно от наличия конвективных струй в помещении, а не от средней температуры воздуха. Воздух из помещений удаляется чаще всего именно из верхней зоны, поэтому в расчеты желательно вводить более точное значение температуры воздуха в ней, определенное с учетом предполагаемого расслоения воздуха по высоте помещения. Таким образом, при делении объема помещения на две зоны расчетная модель помещения становится более корректной и больше соответствует реальным условиям. Температура удаляемого воздуха (верхней зоны) в общественных зданиях чаще всего определяется с использованием понятия градиента температуры в помещении. Предполагается, что в пределах высоты РЗ (2 метра от пола или 1,5 метра от пола, если люди находятся в сидячем положении) температура внутреннего воздуха остается постоянной, а выше рабочей зоны она линейно возрастает по высоте. Градиент температуры - изменение температуры на 1 метр высоты помещения выше рабочей зоны. Фактически понятие градиента температуры предполагает равномерное расслоение внутреннего воздуха по высоте, связанное с нагревом воздуха от источников теплоты в помещении - более нагретый воздух, как более легкий, поднимается к потолку помещения, поэтому температура в верхней зоне всегда будет выше, чем внизу, в рабочей зоне. Тогда температура воздуха под потолком помещения, откуда чаще всего воздух и удаляется, определится по формуле: , где Нпом - высота помещения, м. Величина градиента температуры зависит от избытков теплоты в помещении и интенсивности циркуляции воздуха в помещении. Если приточный воздух подается в помещение рассредоточено с малыми скоростями (Рисунок 73, а), то такая схема не нарушает естественного движения конвективных потоков около нагретых объектов в помещении. При этом нагретый воздух, поднявшийся вверх, так и остается там, так как отсутствуют силы стремящиеся вернуть его обратно в нижнюю зону. Из верхней зоны он постепенно удаляется через воздухоприемные отверстия или решетки вытяжных систем. Величина градиента температуры при такой схеме максимальна и зависит в основном от температуры источников и количества теплоты, поступающей от них. Если приточный воздух подается в помещение мощными сосредоточенными струями с высокими скоростями (Рисунок 73, б) (как правило, в верхнюю зону), то такая схема явно нарушает естественное движение конвективных потоков около нагретых объектов в помещении. При этом нагретый воздух, поднявшийся вверх, вовлекается приточными струями в общую циркуляцию воздуха в помещении, и поступает обратно в нижнюю зону. Приточные струи непрерывно размывают образующуюся вверху теплую подушку и способствуют выравниванию температуры по высоте помещения. Величина градиента температуры при такой схеме не может быть высокой, хотя тоже зависит от температуры источников и количества теплоты, поступающей от них. Наибольшие значения градиента наблюдаются при рассредоточенной подаче в нижнюю зону и наличии в помещении мощных локальных (отдельно стоящих) источников теплоты с высокой температурой, от которых создается мощная конвективная струя с высокой начальной температурой. Рисунок 73 - Схемы подачи приточного воздуха а) при рассредоточенной подаче воздуха в рабочую зону с малыми скоростями; б) при сосредоточенной подаче воздуха в верхнюю зону мощными приточными струями. Обычно величину градиента температуры рекомендуется определять, исходя из теплонапряженности помещения q, Вт/м3: q = Qизб.я./Vпом, где Qизб.я. - расчетные избытки явного тепла в помещении, Вт; Vпом - объем помещения, м3. Концентрация углекислого газа считается постоянной по всему помещению, поэтому концентрация углекислого газа в удаляемом воздухе принимается равной концентрации в рабочей зоне, то есть предельно допустимой концентрации в помещении. 6.6 Поступление вредностей в помещение. Понятие вредности. ПДК вредных веществ в РЗ Под термином «вредности» в вентиляции понимаются вредные вещества и теплота, поступающие в воздух помещений и негативно влияющие на самочувствие человека. Целью вентиляции является создание комфортных условий для пребывания людей в помещениях. На тепловой комфорт человека влияют температурно-влажностные условия в помещении и подвижность воздуха, а на процессы дыхания, обмена веществ и другие функции организма - газовый состав воздуха. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в рабочей зоне При наличии в воздухе некоторого количества вредных веществ они оказывают на организм негативное воздействие. Результат этого воздействия по отношению к некоторому среднему человеку в целом зависит от трех факторов: а) тип вредного вещества; б) концентрации его в воздухе, мг/м3; в) продолжительности воздействия. Путем специальных исследований медиками-гигиенистами установлены максимальные значения концентраций различных веществ, которые можно допустить в рабочей зоне помещений без ущерба для здоровья человека. Эти концентрации вредных веществ называются предельно-допустимыми концентрациями в рабочей зоне (ПДКрз). Предельно-допустимая концентрация вредного вещества в рабочей зоне - это такая концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или при другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Значения ПДКрз для большого количества вредных веществ приведены в ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Таким образом, ПДКрз, это максимальное значение концентрации вредного вещества, которое можно допустить в помещении. При этом должно соблюдаться соотношение Св < ПДКрз, или Св/ПДКрз < 1. Вредные вещества по опасности воздействия на организм человека подразделяются на четыре класса: I, II, III, IV. Класс I - это самые опасные вещества, а класс IV - наименее опасные. Вещества, отнесенные к каждому классу, имеют ПДКрз в следующих диапазонах: класс I - менее 0,1 мг/м3; класс II - от 0,1 до 1 мг/м3; класс III - от 1 до 10 мг/м3; класс IV - более 10 мг/м3. Кроме собственно значения ПДКрз при отнесении вещества к тому или иному классу опасности учитываются и дополнительные особенности воздействия его на человека (например, возможность накопления его в организме, что характерно для тяжелых металлов). В помещения общественных зданий поступают следующие вредности: а) углекислый газ; б) явное тепло; в) влага (и связанное с ней скрытое тепло). Поступление других вредностей маловероятно, так как связано с протеканием какого-либо технологического процесса. 6.7 Понятие требуемого воздухообмена и основные принципы его расчета Вентиляция (BE) предназначена для удаления вредностей из помещения путем создания воздухообмена (ВО). Желательно, чтобы эта цель BE обеспечивалась бы при минимальных расходах воздуха и, соответственно, минимальных затратах на обработку воздуха. Поэтому при проектировании BE одной из важнейших задач является определение минимального воздухообмена, при котором может быть достигнут требуемый результат с заданным коэффициентом обеспеченности. Этот минимально требуемый воздухообмен обычно называют просто требуемым воздухообменом (ТВО). Расчет ТВО для основных помещений производится для трех расчетных периодов: теплого (ТП), переходного (ПП) и холодного (ХП). Перед расчетом составляется расчетная схема помещения, вариант которой применительно к помещению общественного здания приведена на Рисунке 74. Рисунок 74 - Расчетная схема помещения Для расчета ТВО необходимо знать лишь условия в помещении и на его границе: параметры воздуха при выпуске его в помещение, внутри помещения и при удалении его из помещения, а также количество выделяющихся вредностей. При расчете ТВО предполагается стационарный режим вентиляции, при котором все выделяющиеся вредности удаляются из помещения вместе с удаляемым воздухом. При этом не происходит накапливания вредностей в помещении, и значения концентраций вредностей и температур имеют постоянное значение, не изменяющееся во времени. С понятием стационарного режима в любой области всегда связано понятие баланса, то есть равновесия, равенства. Это следует из законов сохранения вещества и энергии. Применительно к рассматриваемому вопросу можно говорить о балансе по воздуху и по выделяющимся вредностям. Баланс по воздуху описывается уравнением: ΣG = 0 При этом полагается, что суммирование ведется с учетом знака: приток воздуха (стрелка на расчетной схеме направлена внутрь помещения) считается положительной величиной, а вытяжка (стрелка на схеме направлена наружу, из помещения) считается отрицательной величиной. Баланс по той или иной вредности описывается аналогичными уравнениями: ΣQизб.я. = 0; ΣМw = 0; ΣVСО2 = 0. При этом суммирование также ведется с учетом знака. Затем записывают полные уравнения баланса по воздуху (Gп - Gу = 0) и по вредностям. Комбинируя одно из уравнений баланса по той или иной вредности с уравнением баланса по воздуху, получают систему двух уравнений, из которой можно определить два неизвестных: расход приточного воздуха Gп и расход удаляемого воздуха Gу. Требуемый воздухообмен по санитарной норме определяется в соответствии с количеством людей в помещении и минимальным расходом наружного воздуха, который требуется подавать в расчете на одного человека. Нормативные удельные воздухообмены приведены в Приложении 9 СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Go = LудρнNчел В помещениях общественных зданий без естественного проветривания этот расход равен 60 м3/(час∙чел), а для зрительных залов, залов совещаний и других помещений, в которых люди находятся до 3 ч непрерывно - 20 м3/(час∙чел). Для спортивных залов без зрителей минимальный расход наружного воздуха равен 60 м3/(чел∙час). Если имеются зрители, расчет ведется отдельно для зрителей и спортсменов, а итоговый расход определяют суммированием. 6.8 Расчет воздухообменов по кратности для вспомогательных помещений Для помещений вспомогательного назначения (санузлы, кладовые, склады, административные помещения, вестибюли и фойе и др.), в которых тепловой и воздушный режимы являются типовыми, не производят подробный расчет выделения вредностей и воздухообменов по вредностям. Для них требуемый воздухообмен определяется по нормативной кратности. Кратностью воздухообмена называется отношение объемного расхода подаваемого или удаляемого воздуха к объему помещения: К = L/Vпом По сути своей кратность воздухообмена - это удельный воздухообмен, то есть воздухообмен, отнесенный к 1 м3 объема помещения. Нормативной кратностью называется удельный воздухообмен, установленный нормативными документами на единицу объема помещения, или на одну единицу оборудования, одного посетителя, одну порцию горячей пищи, один санитарный прибор и так далее. Значения нормативных кратностей воздухообмена устанавливаются раздельно по притоку и вытяжке и приводятся в соответствующих главах СНиП и в справочной литературе. Расчет, таким образом, выполняется по формулам: Lпр = Кнорм∙Vпом или Lпр = Кнорм∙Nед, где Vпом - объем помещения, м3; Nед - число единиц чего-либо, по отношению к чему в справочной литературе указана нормативная кратность. Если не указана кратность по притоку, то это означает, что подавать организованный приток в это помещение не следует (санузлы, курительные, аккумуляторные, кладовые), и наоборот. 6.9 Сущность и назначение рециркуляции. Понятие рециркуляции воздуха Если брать весь приточный воздух из атмосферы при низкой температуре, то существенно возрастают затраты энергии на нагрев воздуха. Потребное же количество воздуха, как правило, существенно меньше, и определяется воздухообменом по углекислому газу или по санитарной норме. Чтобы избежать излишнего расхода энергии на нагрев воздуха, применяют рециркуляцию внутреннего воздуха. Рециркуляция воздуха - это повторное использование отработанного внутреннего воздуха. Рециркуляция производится в основном с целью экономии тепловой энергии в холодный и переходный периоды года, так как при этом приходится нагревать не весь приточный воздух, а только наружный воздух, необходимый для дыхания людей. Кроме того, использование рециркуляции позволяет стабилизировать режим распределения воздуха в помещении, так как система работает при постоянном расходе, и скорости приточных струй имеют постоянное значение во все периоды года. Следует подчеркнуть, что рециркуляция не является обязательной. Существуют системы с переменным расходом воздуха, подающие только наружный воздух, требуемое количество которого определяется по сигналам датчика углекислого газа или влажности. Чаще всего это системы кондиционирования специальных помещений, позволяющие за счет охлаждения получить низкие температуры приточного воздуха в летний период, и тем самым существенно сократить требуемый воздухообмен по тепловым избыткам. Для вентиляции же общественных зданий использование рециркуляции является почти обязательным. Чтобы можно было подавать только наружный воздух, необходимо иметь разницу температур приточного и удаляемого воздуха 9-10 °С, что достижимо в теплый период только при использовании охлаждения наружного воздуха и требует перехода к системе кондиционирования. Для холодного и переходного периодов расчетная температура составляет 18-20 °С. Учитывая низкую температуру наружного воздуха, можно существенно понизить и температуру приточного воздуха, однако слишком низкая температура при неудачном распределении воздуха может вызвать локальное переохлаждение отдельных зон помещения и ощущение холодного сквозняка у людей. Таким образом, даже для холодного и переходного периодов года трудно обеспечить работу только на наружном воздухе. Кроме того, снижение производительности системы допустимо только в том случае, если схема распределения воздуха позволяет при этом обеспечить необходимую подвижность в рабочей зоне. Рециркуляцию воздуха необходимо использовать в большинстве общественных зданий. 6.10 Схемы рециркуляции При проектировании систем с рециркуляцией следует четко представлять, что рециркулирующий воздух не может удалить вредности из помещения. При этом не имеет значения, в какую точку системы он подмешивается. В любом случае рециркуляция представляет перемешивание внутреннего воздуха, при котором он условно поступает в помещение с той же концентрацией и температурой, с какой удалялся из помещения. Удалить вредности может только наружный воздух. Однако если бы подавался только наружный воздух в том же количестве, то для удаления тепловых избытков его бы пришлось подавать с очень низкой температурой, что недопустимо для обеспечения комфорта людей. Подмешивание же внутреннего воздуха к приточному позволяет увеличить количество приточного воздуха, не затрачивая энергию на нагрев и подавая его в помещение с приемлемой температурой. На Рисунке 75 приведены различные варианты осуществления рециркуляции. а) б) в) г) Рисунок 75 - Варианты рециркуляции воздуха а) схема с рециркуляцией воздуха непосредственно внутри помещения потолочным вентилятором; б) схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал; в) схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал и подмешиванием наружного воздуха; г) схема с рециркуляцией воздуха через центральную приточную установку. Рециркуляция потолочным вентилятором по схеме а) осуществляется непосредственно в объеме помещения. Изменить параметры притока наружного воздуха она не может, если в конструкции нет теплообменника. Такая схема без теплообменника применяется в некоторых помещениях (магазины, кафе, административные помещения) только для увеличения подвижности воздуха в РЗ. Собственно рециркуляцией этот вариант обычно и не считается. Если же к вентилятору конструктивно присоединен теплообменник, то их совокупность, выполненная отдельным блоком, называется вентиляторным доводчиком, фенкойлом или фанкойлом. Теплообменник может обеспечивать охлаждение или нагрев рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков или недостатков в помещении, а наружный воздух подается без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности может удалить только наружный воздух. В кондиционировании системы с фенкойлами используются достаточно широко, в вентиляции значительно реже из-за того, что фенкойл не выполняет вентиляцию помещений, а изменяет и влияет лишь на температуру внутреннего воздуха. Рециркуляция через потолочный канал по схеме б) осуществляется чаще. Ее преимуществом является небольшая длина воздуховодов. В канале часто устанавливается теплообменник для нагрева или охлаждения воздуха, а также вентилятор для побуждения воздуха. Такая их совокупность, выполненная отдельным блоком, называется также фенкойлом. Изменить параметры притока она тоже не может, так как рециркуляционный воздух циркулирует отдельно от приточного. Такая схема широко применяется в помещениях малого и среднего объема. Температура притока наружного воздуха при этом варианте также очень низкая из-за необходимости подавить тепловые избытки в помещении только наружным воздухом, если нет теплообменника в рециркуляционном воздуховоде. Если же он есть, то он обеспечивает охлаждение рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков, а наружный воздух подается без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности могут быть удалены только наружным воздухом. Обычно конструкция фенкойлов и внутренних блоков сплит-кондиционеров предусматривает возможность подмешивания части наружного воздуха (схема в)). Ее преимуществом является то, что воздух подается в помещение через одну систему воздухораспределителей, и его температура на притоке соответствует требованиям норм. Такие схемы нашли широкое распространение в установках кондиционирования воздуха. Для больших помещений, типа зрительных залов, системы с фенкойлами не применяются, так как это относительно простые установки, не имеющие специальной камеры смешивания, клапанов, устройств утилизации теплоты и соответствующей автоматики. Кроме того, мощности фенкойлов ограничены и часто недостаточны для обслуживания очень крупных помещений. Их вентиляторы развивают небольшие давления, что позволяет получить более низкий уровень шума, однако не позволяет преодолевать сопротивление протяженных воздуховодов и дополнительных устройств. Для таких помещений вентиляцию осуществляют, как правило, при помощи достаточно крупных центральных установок, которые могут включать любой состав оборудования. Рециркуляцию при этом осуществляют через основную установку по схеме г). Это позволяет очень гибко управлять установкой и обеспечивать наиболее экономичные режимы эксплуатации, управляя в оптимальном режиме всеми устройствами. 6.11 Рециркуляция в центральных приточных установках Принципиальные схемы вентиляции при помощи центральных приточных установок показаны ниже на Рисунке 76. а) б) в) г) д) Рисунок 76 - Принципиальные схемы вентиляции при помощи центральных приточных установок а) прямоточная схема без рециркуляции воздуха; б) схема с рециркуляцией воздуха до калорифера; в) схема с рециркуляцией воздуха после калорифера; г) двухвентиляторная схема со рециркуляцией воздуха до калорифера; д) двухвентиляторная схема со смешанной рециркуляцией воздуха. На Рисунке 76, а) приведена прямоточная система без рециркуляции - это самый простой вариант. Работа по такой схеме требует лишних затрат энергии в зимнее время. Она может применяться только в отдельных помещениях при соответствующем обосновании. Система б) с рециркуляцией до калорифера применяется наиболее часто. Ее основное преимущество в том, что она позволяет, закрыв клапан наружного воздуха, осуществлять 100 % рециркуляцию, используя вентиляционную систему в режиме воздушного отопления. Система в) с рециркуляцией после калорифера применяется в том случае, если непосредственное смешивание наружного воздуха и рециркуляционного приводит к выпадению конденсата. При некотором усложнении системы можно избежать образования конденсата, сохранив возможность работы системы в режиме 100 % рециркуляции. Для этого используют смешанный вариант рециркуляции (д)) с двухступенчатым нагревом воздуха: предварительный подогрев наружного воздуха (1-й подогрев) и окончательный нагрев смеси (2-й подогрев). Одновентиляторные системы с рециркуляцией обладают одним существенным недостатком: разрежение в смесительной камере приточной установки весьма незначительно, и при значительном удалении приточной камеры от обслуживаемого помещения его не хватает для преодоления потерь давления в рециркуляционном воздуховоде. Приходится существенно увеличивать сечение воздуховода, что усложняет его прокладку, а иногда делает ее вообще невозможной. В двухвентиляторных системах потери давления в рециркуляционном воздуховоде преодолевает отдельный вытяжной вентилятор, что обеспечивает устойчивую, хорошо регулируемую рециркуляцию воздуха при любой длине и сечении рециркуляционного воздуховода. Во всех системах для регулирования степени рециркуляции (доли рециркуляционного воздуха по отношению к общему количеству приточного воздуха) на рециркуляционном воздуховоде устанавливается регулирующий клапан. В некоторых ситуациях при соответствующем обосновании могут применяться и другие принципиальные схемы систем вентиляции. В частности, за рубежом распространены системы с переменным расходом приточного воздуха, что позволяет вообще отказаться от рециркуляции воздуха в холодный период, подавая только наружный воздух. Как правило, такие системы используют схему рассредоточенной подачи воздуха в нижнюю зону помещения, что позволяет избежать перемешивания воздуха по высоте помещения и более эффективно вентилировать нижнюю рабочую зону, где находятся люди. 7 Кондиционирование 7.1 Системы кондиционирования воздуха Кондиционирование воздуха - автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных его параметров (температуры, относительной влажности, чистоты, подвижности) на определенном уровне для обеспечения главным образом оптимальных метеорологических условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей, ведения технологического процесса и обеспечения сохранности оборудования, материалов и др. Кондиционирование воздуха осуществляется системой конди­ционирования воздуха (СКВ), т. е. комплексом технических средств и устройств для приготовления приточного воздуха с заданными автоматическими регулируемыми параметрами в целях поддержания в помещениях требуемого состояния воздуха независимо от изменения режима поступления вредных выделений и состояния наружного воздуха. Такая система в отличие от вентиляционной обеспечивает не только смену воздуха в помещении по принципу общеобменной вентиляции, но и автоматически поддерживает необходимые метеорологические условия в нем независимо от времени года и переменных поступлений теплоты и влаги в помещение. Система кондиционирования может обеспечить чистоту воздуха в помещении, его газовый состав, ароматические запахи, содержание легких ионов, а в ряде случаев определенное давление воздуха. В СКВ входит оборудование для всевозможных процессов обработки воздуха, его перемещения и распределения, источники тепло- и холодоснабжения, средства автоматического регулирования, дистанционного управления и контроля, насосы и трубопроводы для тепло- и холодоснабжения, местные доводчики (подогреватели, охладители и увлажнители), электрооборудование. Основное оборудование для приготовления и перемещения воздуха обычно агрегируется в аппарат, называемый кондиционером. По назначению СКВ подразделяют на системы комфортного и технологического кондиционирования. Комфортное кондиционирование применяют для создания и автоматического поддержания метеорологических условий и чистоты воздуха, установленных для помещений жилых, общественных и вспомогательных зданий предприятий. Технологическое кондиционирование применяют для обеспечения параметров воздуха, в максимальной степени отвечающих требованиям производства продукции, проведения технологических операций, хранения оборудования, техники, материалов и т. п. Технологическое кондиционирование воздуха в помещениях, где находятся люди, осуществляют с уче­том санитарно-гигиенических требований. Системы комфортного и технологического кондиционирования в зависимости от расположения кондиционеров по отношению к обслуживаемым помещениям делят на центральные и местные. Центральными называются СКВ, обслуживающие несколько помещений из одного центра, внешнего по отношению к обслуживаемым помещениям. Приготовленный в центральном кондиционере воздух подается в обслуживаемые помещения по сети воздуховодов. СКВ, кондиционеры которых установлены в обслуживаемых помещениях, называются местными. С помощью таких систем обеспечивается кондиционирование воздуха только для помещения, в котором располагается кондиционер. По способу тепло- и холодоснабжения кондиционеров системы кондиционирования воздуха подразделяют на неавтономные и автономные. Кондиционеры неавтономных СКВ снабжаются теплотой (доставляемой горячей водой или паром) и холодом (доставляемым холодной водой или рассолом) от внешних источников. Кондиционеры автономных СКВ (автономные кондиционеры) имеют встроенные агрегаты, являющиеся источниками теплоты (электронагреватели) и холода (холодильные машины). Центральные СКВ, получившие наибольшее распространение, имеют неавтономные кондиционеры. Местные СКВ могут иметь неавтономные и автономные кондиционеры. Во всех случаях кондиционеры снабжаются электроэнергией для привода вентиляторов и насосов от внешних источников. По степени использования наружного воздуха центральные СКВ подразделяют на прямоточные, рециркуляционные и с частичной рециркуляцией. В прямоточных СКВ, принципиальная схема которых представлена на Рисунке 77, используется только наружный воздух. Эти системы забирают наружный воздух, обрабатывают его до необходимых параметров и подают в обслуживаемые помещения. Из помещений воздух удаляется системами вытяжной вентиляции. Рисунок 77 - Принципиальная схема центральной прямоточной СКВ: 1 - воздухоприемная камера; 2 - центральный кондиционер; 3 - приточный вентилятор. Прямоточные СКВ применяют для помещений, в которых выделяются токсичные пары и газы, пыль и содержатся болезнетворные микроорганизмы, исключающие повторное использование удаляемого из помещения воздуха. Такие же системы применяют для помещений, в воздухе которых содержатся резко выраженные неприятные запахи, а также для помещений с выделениями взрывоопасных и пожароопасных веществ. В рециркуляционных (замкнутых) СКВ (Рисунок 78) многократно используется один и тот же воздух, который забирается из помещения, подвергается в кондиционере необходимой обработке и снова подается в помещение. Рисунок 78 - Принципиальная схема центральной рециркуляционной (замкнутой) СКВ: 1 - вытяжной вентилятор; 2 - воздухоприемная камера; 3 - центральный кондиционер; 4 - приточный вентилятор. Таким образом, осуществляется полная рециркуляция воздуха. Рециркуляционные системы применяют для помещений, в которых образуются только тепло- и влагоизбытки и в которых отсутствуют выделения вредных паров, газов и пыли. В СКВ с полной рециркуляцией осуществляются только очистка воздуха от пыли и тепловлажностная обработка, поэтому такие СКВ применяют для кондиционирования воздуха в помещениях, в которых требуется поддержание температурно-влажностных параметров воздуха, а потребность в наружном воздухе отсутствует или удовлетворяется другими системами. К числу таких помещений относятся многие технологические помещения с тепловыделяющим оборудованием (залы вычислительных машин, радиоцентры и т. п.). Наиболее распространенной является СКВ с частичной рецир­куляцией, в которой используется смесь наружного и рециркуляционного воздуха (Рисунок 79). Рисунок 79 - Принципиальная схема однозональной центральной СКВ с частичной рециркуляцией: 1 - воздухоприемная камера; 2 - вытяжной вентилятор; 3 - воздуховыбросная шахта; 4 - воздуховод вытяжной системы; 5 - приточный воздуховод; 6 - вентилятор; 7 - центральный кондиционер. Такие системы применяют при условии, что воздух, используемый для рециркуляции, не содержит токсичных паров и газов, а расчетное количество вентиляционного воздуха для удаления избытков теплоты и влаги превышает количество наружного воздуха, которое должно подаваться в помещение для ассимиляции вредных паров и газов. Кроме того, использование рециркуляционного воздуха должно приближать температурно-влажностные параметры наружного воздуха к требуемым параметрам приточного воздуха. СКВ с частичной рециркуляцией обычно предусматривается с подачей в помещения переменных объемов наружного и рециркуляционного воздуха в зависимости от параметров наружного воздуха. СКВ с частичной рециркуляцией являются наиболее гибкими: в зависимости от условий и состояния наружного воздуха они могут работать по прямоточной схеме, по схеме с частичной или полной рециркуляцией. В последнем случае при необходимости газовый состав воздуха по кислороду и углекислому газу в помещениях поддерживается иными средствами. В системах с частичной рециркуляцией рециркуляционный воздух смешивается с наружным до или после камеры орошения. В первом случае система называется СКВ с первой рециркуляцией, во втором - СКВ со второй рециркуляцией. Применение первой рециркуляции позволяет уменьшить расход теплоты на нагрев наружного воздуха в холодное время года и расход холода на охлаждение воздуха в теплое время. Центральные СКВ, принципиальные схемы которых представлены на Рисунках 77-79, являются однозональными и одноканальными. Приготовленный в центральном кондиционере таких систем воздух подается в помещения по одному воздуховоду без дополнительной обработки перед выпуском в помещения. Однозональные СКВ применяют для обслуживания одного или нескольких помещений с одинаковыми требуемыми параметрами воздуха. Существуют и двухканальные СКВ, в которых воздух двух различных состояний подается в помещения по двум самостоятельным каналам. Требуемые параметры приточного воздуха достигают смешением воздуха перед подачей в помещение. Если требуется подавать в помещения воздух с различными параметрами, то применяют многозональные СКВ (Рисунок 80). Рисунок 80 - Принципиальная схема многозональной СКВ: 1 - воздухоприемная камера; 2 - местный доводчик; 3 - воздуховод; 4 - вентилятор; 5 - центральный кондиционер. В многозональных СКВ приточный воздух доводится в центральном кондиционере до определенных параметров, по воздуховодам подается к помещениям, а перед выдачей в помещения подвергается дополнительной обработке в тепломассообменных аппаратах. В местных доводчиках воздух доводится до параметров, требуемых для каждого помещения. Многозональные СКВ могут быть прямоточными, рециркуля­ционными, с частичной рециркуляцией. Применение многозональных СКВ более экономично, чем устройства индивидуальных систем для каждого из обслуживаемых помещений. Однако эти системы могут поддерживать с заданной точностью только один из параметров воздуха: температуру или относительную влажность. Многозональные СКВ, применяемые для общественных зданий, обычно поддерживают температуру воздуха на заданном уровне, допуская отклонения относительной влажности от расчетных значений. Центральные СКВ способны эффективно поддерживать в помещениях заданную температуру и относительную влажность воздуха. Оборудование, требующее систематического обслуживания, сосредоточено в малом количестве мест или даже в одном месте. Центральные СКВ имеют устройства эффективного шумо- и виброгашения. К числу недостатков центральных систем относятся: • трудоемкость строительно-монтажных работ по установке кондиционеров, прокладке воздуховодов и трубопроводов; • осложнение акустической изоляции одних помещений от других при наличии разветвленной сети воздуховодов; • менее гибкое регулирование температуры и влажности в отдельных помещениях. Воздухозаборное устройство, воздуховоды, воздухораздаточные устройства центральных СКВ такие же, как в центральных системах вентиляции. Современные центральные СКВ оборудуются неавтономными кондиционерами в секционном и агрегатном использовании. Наиболее распространенными в центральных СКВ являются секционные горизонтальные типовые кондиционеры с форсуночной камерой. В настоящее время такие кондиционеры выпускают производительностью по воздуху от 10 до 250 тыс. м3/ч. Схема центрального секционного кондиционера представлена на Рисунке 81. Рисунок 81 - Центральный секционный кондиционер типа Кр: 1 - смесительная камера; 2 - утепленный клапан; 3 - регулирующий клапан; 4 - противопыльный фильтр; 5 - воздушная камера; 6 - секция первого подогрева; 7 - форсуночная камера орошения; 8 - секция второго подогрева; 9 - переходная секция; 10 - вентилятор; 11 – опоры. В состав центрального секционного кондиционера в общем случае входят рабочие секции (воздушный фильтр, воздухонагреватели первого и второго подогрева, воздухоохладители и камеры орошения, воздушные клапаны), а также камеры и секции корпуса кондиционера, необходимые для сборки и обслуживания рабочих секций (камеры присоединительные, смесительные, секции поворотные и др.). В центральном секционном кондиционере воздух проходит через следующие секции. Наружный воздух из воздухозаборного устройства поступает через открытый утепленный клапан в смесительную камеру. Клапан имеет пневматический или электрический привод, который через систему автоматического управления включается в схему пускателя электродвигателя вентилятора. При пуске вентилятора в работу привод открывает створки клапана, а при остановке - закрывает. Через регулирующий клапан по­ступает в смесительную камеру рециркуляционный воздух. Ре­циркуляционный и наружный воздух перемещается в смесительной камере, получившаяся смесь воздуха проходит далее через воздушный фильтр, предназначенный для очистки воздуха от пыли. Доступ для ревизии и об­служивания фильтра осуществляется через дверки в воздушных камерах. Из фильтра через воздушную камеру воздух поступает в теп­лообменники секции первого подогрева, в которых при необходимости воздух нагревается до требуемой температуры. Нагрев воздуха регулируется изменением температуры и расхода горячей воды, поступающей в теплообменники. Если в кондиционере используют теплообменники, обо­греваемые паром, то здесь предусмотрен обводной канал, расход воздуха через который регулируется секционным клапаном. Из секции первого подогрева через воздушную камеру воздух поступает в камеру орошения, в которой подвергается увлажнению, осушке, охлаждению. Иногда вместо камеры орошения используют поверхностные воздухоохладители или другие устройства, способные охладить воздух и изменять его влагосодержание. Далее воздух через воздушную камеру поступает к теплообменникам секции второго подогрева. К фланцам последней по ходу воздуха воздушной камеры присоединена переходная секция, посредством которой воздушный тракт секций соединяется с всасы­вающим патрубком вентилятора. Для обеспечения горизонтальной связки и установки секций и камер служат опоры. Нагревательное отверстие вентилятора соединяется с приточным воздуховодом, по которому подготовленный в кондиционере воздух подается в помещения непосредственно или через местные доводчики. Неавтономные агрегатные кондиционеры номинальной про­изводительностью по воздуху от 3,15 до 20,0 тыс. м3/ч поставляются заводом-изготовителем в собранном виде с комплексом приборов автоматического регулирования и управления. Кондиционеры имеют условный индекс КНБ (кондиционер неавтономный). Цифровое обозначение отвечает номинальной производительности по воздуху в тысячах кубических метров в час. Кондиционеры КНБ предназначены для круглогодичного поддержания в обслуживаемых помещениях заданных температуры и относительной влажности воздуха, необходимых по технологическим или санитарно-гигиеническим требованиям. Они могут работать как на одном наружном воздухе, так и с полной и частичной рециркуляцией воздуха. Кондиционеры могут применяться в системах кондиционирования с тепло- и холодоснабжением от центральных источников (ТЭЦ, центральная котельная, центральная холодильная станция, артскважина). Предельные значения температуры наружного воздуха, обрабатываемого в кондиционере, - от 40 до минус 45 °С и ниже. Кондиционеры оснащены электрической системой регулирования и обеспечивают автоматическое поддержание температуры воздуха в помещениях с точностью ±1 °С и относительной влажности с точностью ±7 %. Принципиальная схема агрегатного кондиционера КНБ-3,15 изображена на Рисунке 82. Рисунок 82 - Неавтономный кондиционер: 1 - каплеотделитель; 2 - воздухонагреватель второго подогрева; 3 - вентагрегат; 4 - клапан; 5 - фильтр противопыльный; 6 - воздухонагреватель; 7 - коллектор; 8 – насос. Кондиционер КНБ-3,15 выполнен в виде шкафа, внутренний объем которого разделен на три основных блока: воздухообрабатывающий, вентиляторный и водяной. В воздухообрабатывающем блоке находятся: поворотный клапан для регулирования количества наружного и рециркуляционного воздуха, фильтр для очистки воздуха от пыли, калорифер первого подогрева, два ряда форсунок для разбрызгивания воды. В вентиляторном блоке размещены вентилятор с электродвигателем, калорифер второго подогрева, сепаратор для улавливания капель воды, один ряд форсунок для разбрызгивания воды. В водяном блоке размещены бак для воды, насос, фильтр для очистки воды, набираемой насосом, поплавковый клапан для поддержания постоянного уровня воды в баке. Воздух в кондиционере подготавливается последовательно: наружный воздух или смесь его с рециркуляционным очищается от пыли в воздушном фильтре, при необходимости подогревается в калорифере первого подогрева, охлаждается или увлажняется в камере орошения, нагревается в калорифере второго подогрева и далее вентилятором подается в помещения. Рециркуляционный воздух подмешивается к наружному до камеры орошения. 7.2 Местные системы кондиционирования воздуха Системы с кондиционерами, установленными внутри обслуживаемых помещений, называются местными. К ним относятся системы, использующие местные кондиционеры. Автоматическое регулирование местных систем часто сводится к двухпозиционному включению или отключению кондиционера либо его теплообменников. Достоинствами местных СКВ являются: • приспособляемость к изменению планировки и назначения помещения; • возможность быстрой установки и ввода в эксплуатацию без производства большого объема строительно-монтажных работ; • возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в помещении; • автоматическое прекращение работы холодильной машины при падении тепловой нагрузки. Недостатками местных СКВ являются: • повышенный шум, связанный с работой вентиляторов и холодильных машин внутри помещений; • сравнительно короткий срок службы местных кондиционеров. В местных СКВ применяют неавтономные и автономные местные кондиционеры. На практике чаще всего используют автономные кондиционеры общего назначения с водным охлаждением конденсатора хо­лодильной машины, предназначенные для круглогодичного технологического и комфортного кондиционирования в помещениях производственных и общественных зданий. В кондиционере воздух очищается от пыли, охлаждается, нагревается и увлажняется. Принципиальная схема местного кондиционера с водяным охлаждением конденсатора показана на Рисунке 83. Рисунок 83 - Принципиальная схема местного автономного кондиционера: 1 - конденсатор холодильной машины; 2 - испаритель холодильной машины; 3 - электронагреватель; 4 – вентилятор; 5 - компрессор холодильной машины. При работе вентилятора в кондиционер поступает воздух из помещения, который охлаждается, проходя через испаритель холодильной ма­шины. При температуре поверхности испарителя ниже температуры точки росы воздуха водяной пар конденсируется, выпадает из воздуха в поддон, откуда отводится из кондиционера. При необходимости воздух может подогреваться в электронагревателе (при отключенной холодильной машине). Подготовленный воздух подается в помещение. 7.3 Тепло- и холодоснабжение систем кондиционирования воздуха Теплоснабжение. В качестве теплоносителя для снабжения теплотой воздухонагревателей систем кондиционирования воздуха, как правило, применяют воду. В отдельных случаях используют пар низкого давления, но при этом устанавливают в обводном канале воздухонагревателей воздушные каналы, регулирующие температуру подогреваемого воздуха. Воздухонагреватели первого подогрева присоединяют к водяным тепловым сетям по непосредственной схеме. Качественное регулирование теплоотдачи воздухонагревателей в зависимости от температуры наружного воздуха осуществляется в этом случае централизованно в соответствии с температурным графиком работы теплосети. Воздухонагреватели второго подогрева и местных или зональных доводчиков снабжаются водой с постоянной температурой. Для приготовления воды с постоянной температурой используют смесительные установки (Рисунок 84). Рисунок 84 - Принципиальная схема смесительной установки теплоснабжения воздухонагревателей второго подогрева: 1 - воздухосборник; 2 - воздухонагреватель второго подогрева; 3 - насос. По этой схеме вода из подающей линии теплосети проходит через автоматический клапан К2, смешивается с частью воды, возвращающейся из воздухонагревателей. Циркуляция воды в контуре создается насосом. Клапаном К2 управляет терморегулятор РТ, поддерживающий постоянную температуру воды перед воздухонагревателями. После воздухонагревателей вода частично отводится в обратную линию теплосети, а частично на рециркуляцию к насосу через обратный клапан OK1. Для регулирования теплоотдачи воздухонагревателей устанавливают клапаны К1, которыми управляет РТ2 системы кондиционирования воздуха. При частичном или полном закрытии этих клапанов вода также частично или полностью поступает по обводной линии с регулятором К3. В теплый период года, когда температура воды в теплосети поддерживается на постоянном уровне, смесительная установка отключается, и циркуляция воды через воздухонагреватели осуществляется по обводной линии у насоса. Холодоснабжение. Холодоносителем для системы кондиционирования воздуха, как правило, служит вода от холодильных установок и значительно реже от естественных источников холода. К естественным источникам холода относятся артезианская вода, вода холодных рек и озер и естественный лед. Артезианскую воду и воду из других естественных источников применяют, когда она имеется в требуемом количестве с достаточно низкой температурой и обеспечивает получение необходимых параметров воздуха при нагреве воды в кондиционере не менее чем на 3 °С. Для непосредственного контакта с воздухом вода должна быть питьевого качества. Артезианская вода имеет постоянную и достаточно низкую температуру, что делает ее хорошим, устойчивым и надежным источником холодоснабжения. Из артезианской скважины холодная вода подается в кондиционер (камеру орошения или поверхностный воздухоохладитель). Отепленная в кондиционере вода может использоваться для технических нужд, выбрасываться в канализацию или подаваться в так называемую диффузионную скважину, через которую поступает в толщу земных пород, где вновь приобретает качества артезианской. Вода холодных рек и озер по своим качествам и особенностям использования в системах кондиционирования воздуха приближается к артезианской, однако ее наличие определяется климатическими и географическими особенностями районов. Лед для систем кондиционирования воздуха намораживается в бунтах толщиной 2,5-3 м в зимний период и закрывается слоем теплоизоляции на теплое время года. При помощи льда охлаждается вода, подаваемая в кондиционер для охлаждения воздуха. Она охлаждается в специальных теплообменниках. Непосредственный контакт между льдом и воздухом, обрабатываемым в кондиционерах, не допускается по санитарно-гигиеническим соображениям. Вода в системах испарительного охлаждения (брызгальных бассейнах, градирнях, камерах орошения) охлаждается в результате подачи скрытой теплоты при испарении воды в воздухе и используется в системе кондиционирования. Холодоносителем в большинстве случаев является вода. При необходимости глубокого охлаждения воздуха в качестве холодоносителя используют рассолы хлористого кальция. В центральных кондиционерах небольшой производительности можно использовать испаритель компрессионной холодильной машины в качестве поверхностного воздухоохладителя. В качестве искусственных источников холодоснабжения систем кондиционирования воздуха используют компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные холодильные установки. Наиболее распространены компрессионные холодильные машины (Рисунок 85). Рисунок 85 - Принципиальная схема холодоснабжения системы кондиционирования воздуха: 1 - бак отепленной воды; 2 - камера орошения; 3 - регулирующий клапан; 4 - бак холодной воды; 5 - испарители холодильных машин; 6 - конденсаторы холодильных машин; 7 - брызгальный бассейн; 8 - насосы системы испарительного охлаждения; 9 - компрессоры холодильных машин; 10 - насос холодильной установки. Отепленная в кондиционерах вода поступает в бак отепленной воды, из которого насосами холодильной установки подается в испарители холодильных машин. Из них охлаждаемая вода направляется в бак холодной воды, являющейся аккумулятором холода, из которого по мере необходимости насосами кондиционеров подается в камеры орошения или в воздухоохладители для обработки воздуха. В системе холодоснабжения обычно используют несколько холодильных машин, что обеспечивает их работу на оптимальных режимах в зависимости от потребности холода в различные периоды, а также лучшие условия эксплуатации систем. Аккумулятор холода в системе холодоснабжения необходим для экономичной работы холодильных машин. Применение аккумулятора холода позволяет использовать холодильную станцию с меньшей часовой производительностью, чем максимальная часовая потребность в холоде. В этом случае холодильные машины могут работать периодически на наиболее оптимальных режимах, создавая запас холода в аккумуляторе на некоторый период работы кондиционеров. Управление работой системы хо­лодоснабжения осуществляется системой автоматики. 8 теплоснабжение Теплоснабжение имеет большое экономическое и социальное значение, обеспечивая нормальную жизнедеятельность населения. От надежной работы систем теплоснабжения зависит обеспечение комфортных условий труда и быта во всех жилых, общественных и производственных зданиях с постоянным и периодическим пребыванием людей. По своей значимости системы теплоснабжения не уступают другим системам инженерного оборудования - системам электроснабжения, топливоснабжения, водоснабжения, без которых невозможно нормальное функционирование ни промышленных предприятий, ни жилых районов. 8.1 Системы теплоснабжения Система теплоснабжения - комплекс устройств, предназначенных для выработки тепловой энергии, ее транспортирования к потребителям и распределения по зданиям и сооружениям. Основная задача теплоснабжения - обеспечение тепловой энергией всех потребителей, имеющих различные режимы работы и предъявляющих различные требования к виду, количеству и параметрам теплоносителя. Все системы можно объединить в группы по следующим признакам: по типу и мощности источника теплоснабжения, по режиму работы (круглогодичные и сезонные), по степени централизации, по виду вырабатываемого и отпускаемого теплоносителя, по дальности транспортирования тепловой энергии. Основным признаком, определяющим тот или иной способ теплоснабжения, является источник тепловой энергии. В системах теплоснабжения к источникам тепловой энергии относятся: тепловые и атомные электрические станции; районные, квартальные и групповые котельные, а также котлы поквартирного отопления, печи и другие огневые и электрические приборы. Теплогенераторы в этих системах различаются по назначению, конструктивному исполнению, мощности и потенциалу вырабатываемого теплоносителя. Классификация систем теплоснабжения в зависимости от размещения источника теплоты по отношению к потребителям: • децентрализованные; • централизованные. В децентрализованных системах источник теплоты и теплоприемники потребителей либо совмещены в одном агрегате, либо размещены столь близко, что передача теплоты от источника до теплоприемников может осуществляться практически без промежуточного звена - тепловой сети. В системах централизованного теплоснабжения источник теплоты и теплоприемники потребителей размещены раздельно, часто на значительном расстоянии, поэтому теплота от источника до потребителей передается по тепловым сетям. Классификация децентрализованных систем теплоснабжения: • индивидуальные; • местные. В индивидуальных системах теплоснабжение каждого помещения (участка цеха, комнаты, квартиры) обеспечивается от отдельного источника. К таким системам, в частности, относятся печное и поквартирное отопление. В местных системах теплоснабжение каждого здания обеспечивается от отдельного источника теплоты, обычно от местной или индивидуальной котельной. К такой системе, в частности, относится так называемое центральное отопление зданий. Классификация централизованных систем теплоснабжения: В зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения можно разделить на следующие четыре группы: • групповое - теплоснабжение от одного источника группы зданий; • районное - теплоснабжение от одного источника несколько групп зданий (района); • городское - теплоснабжение от одного источника нескольких районов; • межгородское - теплоснабжение от одного источника нескольких городов. 8.2 Централизованное теплоснабжение 8.2.1 Теплоснабжение от электростанций (теплофикация) Теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии от тепловых или атомных электростанций (ТЭЦ) или (АТЭЦ). При теплофикации обеспечиваются потребности как в электрической, так и в тепловой энергии. На ТЭЦ устанавливают мощные энергетические паровые котлы, вырабатывающие теплоноситель (водяной пар) высокого потенциала, например, давлением 24 или 13 МПа и температурой 565 °С. Рисунок 86 - Упрощенная схема тепловой электрической станции Тепловая электростанция (Рисунок 86) работает следующим образом. Пар из котла 1 давлением 24 или 13 МПа, проходя через пароперегреватель 2, подогревается до температуры 565 °С и поступает в турбину 3, состоящую из частей высокого (ЧВД), среднего (ЧСД) и низкого (ЧНД) давлений. В турбине происходит преобразование теплоты в механическую работу. Под действием давления пара турбина вращается, увлекая за собой генератор 4, соединенный с ней на одном валу. Генератор при вращении вырабатывает электрическую энергию, которая поступает в энергосистему. Отработавший пар давлением 0,004 МПа и температурой около 28° С из турбины направляется в специальный теплообменный аппарат - конденсатор 5, где превращается в конденсат, который затем подается в котлы для повторного использования. Чтобы обеспечить конденсацию пара, необходимо понизить его температуру. Для этого через конденсатор 5 пропускают охлаждающую воду, забираемую насосом 6 из открытых источников водоснабжения. Подогретая в конденсаторе вода сбрасывается в тот же источник. При отсутствии открытых источников водоснабжения вблизи тепловой электростанции охлаждающую воду забирают из водопровода, а затем (после конденсатора) ее используют повторно. На тепловых электростанциях образовавшийся конденсат перед входом в котел последовательно проходит целый ряд теплообменных аппаратов, где он подогревается до заданной температуры паром, специально отбираемым из различных ступеней турбины. Конденсат, образовавшийся в конденсаторе, предварительно подогревается в теплообменниках 19 паром, специально отбираемым из турбины. Конденсат из теплообменников 19 подается в колонку 23 деаэратора 22. Туда же подпиточными насосами 29 по трубопроводу 31 подается добавочная вода, прошедшая химическую очистку в оборудовании 28 и испарительную установку 25, а также конденсат 32 из подогревателей высокого давления 33 и 34. В испарительную установку пар поступает по трубопроводу 27. В колонке деаэратора происходит подогрев смеси добавочной воды и конденсата паром, отбираемым по трубопроводу 36 из турбины и прошедшим редукционный клапан 24. Подогретая смесь скапливается в баке деаэратора 22, откуда питательным насосом 30 подается для подогрева в подогреватели высокого давления 33 и 34, в которые по трубопроводам 35 и 36 подается пар из специальных отборов турбины. Окончательно подогретая вода направляется в котел. Этим заканчивается так называемый электрический цикл станции. Для выработки тепловой энергии из турбины 3 специально отбирают пар давлением 0,2-0,3 МПа и направляют его по трубопроводам в два последовательно установленных теплофикационных подогревателя 16 и 17 для нагрева воды, циркулирующей в тепловых сетях. Циркуляция осуществляется сетевыми насосами 15. Конденсат из подогревателей 16 и 17 перекачивается по трубопроводу в колонку 23 деаэратора 22. В подогревателе 17 сетевая вода нагревается до 120 °С, а до заданной температуры, например до 150 °С - в специальных пиковых котлах 13, имеющих рециркуляционный насос 11 на обводной магистрали. Пиковые котлы включаются в работу периодически при повышенной тепловой нагрузке в периоды стояния низкой наружной температуры. При этом задвижка 12 на второй обводной магистрали должна быть закрыта. Охлажденная вода возвращается из тепловой сети по трубопроводу 10 и проходит грязевик 9. Восполнение воды в тепловой сети производится из бака деаэратора 20 подпиточным насосом 18. Водопроводная вода, предназначенная для подпитки системы теплоснабжения, после химической обработки (умягчения) насосом 26 подается на дегазацию в колонку 21, также являющуюся специальным теплообменным аппаратом, где подогревается паром, отбираемым из турбины. Подпиточный насос включается автоматически с помощью регулятора подпитки 14, соединенного импульсными трубками с нагнетательным и всасывающим патрубками. Грязевик устанавливают перед насосами 8. Атомная электростанция (Рисунок 87), включающая оборудование для одновременной выработки тепловой и электрической энергии, работает следующим образом. В реакторе 1 (Рисунок 87, а)) происходит деление ядер тяжелых элементов, например изотопа урана; при этом выделяется большое количество теплоты, которое отводится промежуточным теплоносителем (например, водой; жидкими металлами, или газами и др.). Рисунок 87 - Схемы АЭС: а) двухконтурная схема; б) - трехконтурная схема. Теплоноситель первого контура - активный пар давлением 12,5 МПа, омывающий радиоактивные элементы реактора, становится радиоактивным, поэтому его направляют не в турбину, а в промежуточный парогенератор 2 для выработки вторичного пара из теплоносителя, циркулирующего во втором контуре. Из парогенератора теплоноситель насосом 3 возвращается снова в реактор. Вторичный пар давлением 4 МПа и температурой 250° С направляется в турбогенератор 4, где часть тепловой энергии превращается в электрическую. Пар из турбогенератора поступает в подогреватель 5, где нагревает сетевую воду, поступающую по трубам 6 и 7 системы теплоснабжения, затем насосом 8 перекачивается в парогенератор. В целях защиты от радиации установка первого контура отделяется специальной биологической защитой 9. В схеме трехконтурной атомной электростанции (Рисунок 87, б)) установлен дополнительно средний контур, по которому циркулирует промежуточный теплоноситель, соответственно с первым промежуточным теплообменником-парогенератором 10 и циркуляционным насосом 11. 8.2.2 Теплоснабжение от районных котельных Теплогенераторами при этой схеме теплоснабжения являются паровые и водогрейные котлы, устанавливаемые соответственно в паровых и водогрейных котельных. Выбор типа котлов зависит от характера тепловых потребителей и требований к виду теплоносителя. Теплоснабжение жилых и общественных зданий, как правило, осуществляется с помощью подогретой воды, для промышленных потребителей требуются как подогретая вода, так и водяной пар. Для удовлетворения тепловых потребностей городов и населенных пунктов теплоснабжение осуществляется по следующим схемам. Схема системы теплоснабжения от паровой котельной (Рисунок 88). Рисунок 88 - Схема паровой котельной Пар из котла 8 поступает в сборный коллектор 9, по трубопроводу 12 направляется к потребителям - подогревателям сетевой воды (водоподогревателю 11 и конденсатоохладителю 10) и по трубопроводу 4 в колонку 2 деаэратора 1. Конденсат от потребителей 19 и от подогревателя 10 собирается в баке 20, откуда перекачивается насосом 21 в колонку 2 деаэратора. Для питания котлов и восполнения потерь конденсата используют водопроводную воду 22, которая проходит предварительно подогреватель 23 и катионитовые фильтры 24, а затем по трубопроводу 3 направляется в деаэратор. Из деаэратора умягченная и деаэрированная вода питательными насосами 5 и 6, имеющими независимый электрический привод, подается в экономайзер 7, где она подогревается продуктами сгорания, и направляется в котел. Подогрев воды в деаэраторе происходит следующим образом. Умягченная вода подается в верхнюю часть колонки деаэратора. Пар для ее подогрева давлением 0,11-0,12 МПа поступает снизу колонки. Вода в колонке деаэратора стекает по тарелкам и вследствие непосредственного контакта с паром подогревается до 104 °С. Пар при этом почти полностью конденсируется, а из воды выделяются кислород и углекислый газ, которые вместе с оставшимся паром (около 3 %) удаляются в атмосферу. Пополнение сетевой воды осуществляется подпиточным насосом 18 в обратную магистраль 14 при помощи регулятора подпитки 16. Сетевая вода проходит грязевик 15 и подается насосом 17 в подогреватели и тепловые сети 13. Схема системы теплоснабжения от водогрейной котельной (Рисунок 89): Рисунок 89 - Схема системы теплоснабжения от водогрейной котельной Вода из тепловых сетей под давлением, создаваемым насосом 10, поступает в котлы 7, где подогревается до требуемой температуры, например 150 °С, и возвращается к потребителям. Утечка восполняется подпиточным насосом 11 водопроводной очищенной водой из деаэратора 4. По трубопроводу 1 водопроводная вода направляется в охладитель выпара 2, откуда поступает в оборудование для химической очистки от солей жесткости 3. Затем она проходит подогреватели 12 и 6, и направляется в колонку 5 вакуумного деаэратора 4. В баке деаэратора поддерживается температура воды 60-70 °С за счет расположенного в нем змеевика. В колонке деаэратора вследствие разрежения 0,02-0,035 МПа, создаваемого эжектором 17, при указанной температуре происходит кипение воды. Образовавшийся пар, содержащий кислород и углекислоту, из колонки деаэратора засасывается эжектором 17, проходит охладитель выпара 2, где подогревает водопроводную воду, и подается в расходный бак 14. Давление в эжекторе создает специальный насос 16. Выделившиеся кислород и углекислота из расходного бака удаляются в атмосферу через воздушную трубку 15, а вода поступает в колонку 5 деаэратора по трубопроводу 13 за счет разрежения. Для подогрева умягченной воды в нагревателе 6 и в баке деаэратора 4 используется горячая вода, забираемая непосредственно из котлов, которая затем направляется для подпитки тепловой сети. Во избежание выпадения конденсата из дымовых газов на поверхности нагрева котлов при низкой температуре обратной воды ее перед входом в котлы подогревают до температуры, превышающей температуру насыщения водяных паров, находящихся в дымовых газах. Подогрев осуществляется путем подмешивания горячей воды из подающей магистрали. Для этого на первой перемычке устанавливают специальный рециркуляционный насос 8, подающий горячую воду в обратную магистраль. По второй перемычке 9 вода из обратной магистрали в том же количестве поступает в подающую. При значительном расходе воды в котельных устанавливают более мощное оборудование для умягчения и дегазации питательной воды. В целях сокращения установочной мощности теплоподготовительного и вспомогательного оборудования предусматривают баки-аккумуляторы горячей воды 19 и перекачивающий насос 18. Баки-аккумуляторы наполняются при отсутствии разбора или при минимальном расходе воды. В районах, где отсутствует органическое топливо, но имеется дешевая электроэнергия, вырабатываемая гидравлическими станциями, для целей теплоснабжения целесообразно строить электрокотельные. Принцип работы электрокотельной (Рисунок 90) заключается в следующем. Рисунок 90 - Схема электрокотельной Водопроводная вода, поступающая в котельную, последовательно проходит охладитель выпара, оборудование для умягчения и поступает в теплообменник 12, где предварительно нагревается водой, выходящей из бака деаэратора 4. Кроме того, дополнительный подогрев происходит в теплообменнике 20 водой из магистрали 21 или при необходимости в электрокотле 22. Подогретая вода по трубопроводам 23 или 24 направляется в колонку деаэратора 5. Для подогрева воды в баке деаэратора в змеевик поступает горячая вода по магистрали 21 из основного электрокотла 25. Вода из бака деаэратора проходит нагреватель 12, где подогревает умягченную воду, и подпиточным насосом 26 перекачивается по трубопроводу 27 в тепловую сеть. Сюда также поступает охлажденная вода из змеевика, расположенного в баке 4, и нагревателя 20. Сетевая вода из обратной магистрали 28 проходит грязевик 29 и циркуляционными насосами 10 подается в электрокотлы 25. В котлах вода подогревается до заданной температуры и по магистрали 30 направляется в тепловую сеть. Электрокотельная имеет простую схему, требует минимальных капитальных вложений, отличается простотой монтажа, быстрым вводом в эксплуатацию и надежностью работы. 8.2.3 Системы централизованного теплоснабжения В зависимости от требований, предъявляемых к надежности и качеству теплоснабжения, а также к виду и параметрам теплоносителя, системы централизованного теплоснабжения подразделяются: а) по виду транспортируемого теплоносителя - паровые, водяные и смешанные; б) по числу параллельно проложенных теплопроводов - одно-, двух, трех- и многотрубные; в) по использованию теплоносителя в системах горячего водоснабжения и технологических потребителей - закрытые (замкнутые) и открытые (разомкнутые). Водяные двух- и четырехтрубные системы применяют для теплоснабжения жилых и общественных зданий. Двухтрубные системы могут быть как закрытыми, так и открытыми. Четырехтрубные системы, как правило, закрытые, причем до центральной тепловой подстанции тепловые сети выполняют двухтрубными, после ЦТП до зданий - четырехтрубными. Режим работы двухтрубных тепловых сетей устанавливается из условия обеспечения тепловой энергией всех потребителей. В четырехтрубных сетях к двум магистралям (подающей и обратной) подсоединяют системы отопления и к двум (подающей и циркуляционной) - системы горячего водоснабжения. Для теплоснабжения промышленных предприятий применяются системы всех типов: паровые одно- и многотрубные, водяные, как правило, трехтрубные, в которых первый трубопровод - подающий для отопления и вентиляции, второй - подающий с постоянной температурой теплоносителя в течение года для горячего водоснабжения и производственных нужд, а третий - обратный общий. В закрытой системе теплоснабжения система горячего водоснабжения и другие потребители присоединены к тепловым сетям через теплообменные аппараты, в которых подогревается водопроводная вода (или воздух), поступающая на водоразбор. Теплоноситель в этой системе отдает часть тепловой энергии и полностью возвращается к источнику. В открытой системе теплоснабжения вода, предназначенная для горячего водоснабжения и технологических нужд, забирается непосредственно из тепловой сети. Таким образом, в этой системе используется не только тепловая энергия теплоносителя, но и собственно теплоноситель. Часть теплоносителя, не использованная у потребителей (в системах отопления и вентиляции), возвращается в котельную. Однотрубные системы как водяные, так и паровые являются только открытыми. В них теплоноситель полностью используется у потребителя, удовлетворяя все тепловые нужды. При однотрубных системах требуются меньшие капитальные вложения на строительство тепловых сетей. Для теплоснабжения городов и жилых поселков наибольшее распространение получили водяные двухтрубные (открытые и закрытые) системы теплоснабжения. В открытых системах значительно упрощаются узлы присоединения систем горячего водоснабжения к тепловым сетям, упрощается схема автоматизации, а главное обеспечивается длительная эксплуатационная надежность трубопроводов системы горячего водоснабжения. Поступление в них воды, прошедшей умягчение и дегазацию в котельной, исключает коррозию внутренней поверхности стенок труб. К недостаткам этой системы следует отнести возможную повышенную цветность воды, особенно при присоединении радиаторных систем отопления к тепловым сетям по зависимой схеме, а также в случае ремонта тепловых вводов. В закрытых системах водопроводная вода, как правило, не подвергается химической обработке, необходимо сложное и дорогостоящее оборудование, требующее высококвалифицированного обслуживания и занимающее много места. Поэтому трубопроводы системы горячего водоснабжения подвержены коррозии из-за наличия в водопроводной воде кислорода и углекислоты. В них часто появляются свищи, а в водоподогревателях на стенках труб, по которым проходит водопроводная вода, откладывается накипь, резко снижающая эффективность и приводящая к быстрому выходу их из строя. Водяные тепловые сети как закрытых, так и открытых систем теплоснабжения (Рисунок 91) бывают магистральными и распределительными. Рисунок 91 - Принципиальная схема двухтрубной тепловой сети Магистральные сети 2 соединяют теплоцентраль 1 с крупными ответвлениями - распределительными сетями 4. В местах присоединения распределительных сетей к магистральным сооружаются секционирующие камеры 3, а на магистралях и ответвлениях устанавливают запорные устройства - секционирующие задвижки. По распределительным сетям теплоноситель поступает в ЦТП 5 или МТП 8 и затем к тепловым потребителям 6. В тепловых сетях 7, соединяющих местные системы с ЦТП, принимаются те же параметры теплоносителя, что и в местных системах абонентов 6. Между смежными крупными магистральными сетями (диаметром 800 мм и более) предусматривают блокировочные связи 9. 8.3 Местное и децентрализованное теплоснабжение Местное теплоснабжение предусматривают в населенных пунктах с тепловой потребностью не более 2,5 МВт, для отопления и горячего водоснабжения небольших групп жилых и производственных зданий, удаленных от города, или как временный теплоисточник до ввода основного во вновь застраивающихся районах. Котлы и оборудование котельных при местном теплоснабжении выбирают исходя из требований, предъявляемых к температуре и давлению теплоносителя. В качестве теплоносителя для отопления принимается, как правило, вода с температурой до 95 °С, для горячего водоснабжения - пар давлением до 0,17 МПа. Ряд производственных потребителей обеспечивается паром давлением до 0,9 МПа. Тепловые сети имеют минимальную протяженность. Параметры теплоносителя, а также тепловой и гидравлический режим работы тепловых сетей соответствуют режиму работы местных систем отопления и горячего водоснабжения. Достоинства такого теплоснабжения - небольшая стоимость котлов и тепловых сетей; простота монтажа и обслуживания; быстрый ввод в эксплуатацию; разнообразие типов чугунных секционных котлов с большим диапазоном по теплопроизводительности. Недостатки местного теплоснабжения: низкопотенциальный теплоноситель, вырабатываемый чугунными секционными и стальными котлами, в результате чего требуется устанавливать громоздкое оборудование в системах отопления и горячего водоснабжения, особенно у промышленных потребителей. Кроме того, местное теплоснабжение характеризуется недостаточной эксплуатационной надежностью. Чугунные котлы выходят из строя в результате появления трещин в стенках секций, обращенных в топку. Трещины возникают из-за неравномерности теплообмена в отдельных элементах секции, в результате чего происходит перегрев секций. Стальные сварные котлы выходят из строя в результате коррозии поверхности нагрева со стороны дымовых газов. Коррозийная активность дымовых газов определяется наличием в них водяных паров, содержащих кислород и углекислоту. При активном воздействии этих веществ на металл при конденсации водяных паров на отдельных элементах котла образуется серная кислота. При децентрализованном теплоснабжении отсутствуют наружные тепловые сети, а теплопроводы местных распределительных систем отопления и горячего водоснабжения имеют минимальную протяженность. Теплогенераторы обеспечивает потребности в тепловой энергии для отопления, а иногда, кроме того, и для горячего водоснабжения. В ряде случаев они совмещены с печами и плитами для приготовления пищи. Теплота от источника передается непосредственно в систему отопления или горячего водоснабжения. При местном теплоснабжении теплогенераторами являются котлы и котлы-плиты, работающие на всех видах топлива органического происхождения (твердом, жидком и газообразном); автономные калориферные установки воздушного отопления, работающие на газообразном топливе; электрокалориферы, электроизлучатели и электрорадиаторы, а также печи и плиты со встроенными змеевиками для горячего водоснабжения. Теплогенераторы устанавливают, как правило, в смежных с отапливаемыми помещениях или непосредственно в отапливаемых. По режиму работы теплогенераторы бывают периодического действия (печи, плиты) и непрерывного. Тепловой режим в помещениях с источниками отопления периодического действия характеризуется изменением температуры по часам суток. Источники непрерывного действия без автоматического регулирования работы требуют постоянного обслуживания. При децентрализованном теплоснабжении рекомендуется использовать электрическую энергию не только для приготовления пищи, но и для отопления и горячего водоснабжения. Особенно целесообразно использовать для снятия пиковых и тепловых нагрузок. При этом резко снижаются трудовые затраты на устройство и эксплуатацию систем, упрощается схема систем отопления, улучшается микроклимат помещений, представляется возможным использование наиболее простых схем автоматических устройств наиболее комфортного панельно-лучистого отопления с греющими кабелями, укладываемыми в строительные конструкции. Децентрализованное теплоснабжение на базе электроэнергии распространено в районах, где имеется сравнительно дешевая энергия и отсутствует органическое топливо. 8.4 Выбор теплоносителя и системы теплоснабжения Выбор теплоносителя и системы теплоснабжения определяется техническими и экономическими соображениями и зависит главным образом от типа источника теплоты и вида тепловой нагрузки. Рекомендуется максимально упрощать систему теплоснабжения. Чем система проще, тем она дешевле в сооружении и надежнее в эксплуатации. Наиболее простые решения дает применение единого теплоносителя для всех видов тепловой нагрузки. Если тепловая нагрузка района состоит только из отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, то при теплофикации применяется обычно двухтрубная водяная система. В тех случаях, когда кроме отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в районе имеется также небольшая технологическая нагрузка, требующая теплоты повышенного потенциала, при теплофикации рационально применение трехтрубных водяных систем. Одна из подающих линий системы используется для удовлетворения нагрузки повышенного потенциала. В тех случаях, когда основной тепловой нагрузкой района является технологическая нагрузка повышенного потенциала, а сезонная тепловая нагрузка невелика, в качестве теплоносителя применяется пар. При выборе системы теплоснабжения и параметров теплоносителя учитываются технические и экономические показатели по всем элементам: источнику теплоты, сети, абонентским установкам. Энергетически вода выгоднее пара. Применение многоступенчатого подогрева воды на ТЭЦ позволяет повысить удельную комбинированную выработку электрической и тепловой энергии, благодаря чему возрастает экономия топлива. При использовании паровых систем вся тепловая нагрузка покрывается обычно отработавшим паром более высокого давления, отчего удельная комбинированная выработка электрической энергии снижается. Основные преимущества воды как теплоносителя по сравнению с паром: 1) большая удельная комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления; 2) сохранение конденсата на ТЭЦ, что имеет особенно важное значение для электростанций высокого давления; 3) возможность центрального регулирования однородной тепловой нагрузки или определенного сочетания разных видов нагрузки при одинаковом отношении расчетных нагрузок у абонентов, что упрощает местное регулирование; 4) более высокий КПД системы теплоснабжения вследствие отсутствия в абонентских установках потерь конденсата и пара, имеющих место в паровых системах; 5) повышенная аккумулирующая способность водяной системы. Основные недостатки воды как теплоносителя: 1) больший расход электроэнергии на перекачку сетевой воды по сравнению с ее расходом на перекачку конденсата в паровых системах; 2) большая «чувствительность» к авариям, так как утечки теплоносителя из паровых сетей вследствие значительных удельных объемов пара во много (примерно 20-40) раз меньше, чем в водяных системах (при небольших повреждениях паровые сети могут продолжительно оставаться в работе, в то время как водяные системы требуют остановки); 3) большая плотность теплоносителя и жесткая гидравлическая связь между всеми точками системы. По условиям удовлетворения теплового режима абонентских установок, определяемого средней температурой теплоносителя в абонентских теплообменниках, вода и пар могут считаться равноценными теплоносителями. Только в особых случаях, когда пар используется непосредственно для технологического процесса (обдувка, пропарка и т.д.), он не может быть заменен водой. При теплоснабжении от котельных пар применяется также при тепловых нагрузках низкого потенциала. Серьезное значение имеет правильный выбор параметров теплоносителя. При теплоснабжении от котельных рационально выбирать высокие параметры теплоносителя, допустимые по условиям техники транспортировки теплоты по сети и использования ее в абонентских установках. Повышение параметров теплоносителя приводит к уменьшению диаметров тепловой сети и снижению расходов по перекачке (при воде). При теплофикации необходимо учитывать влияние параметров теплоносителя на экономику ТЭЦ. Выбор водяной системы теплоснабжения закрытого или открытого типа зависит главным образом от условий водоснабжения ТЭЦ, качества водопроводной воды (жесткости, коррозионной активности, окисляемости) и располагаемых источников низкопотенциальной теплоты для горячего водоснабжения. Обязательным условием как для открытой, так и для закрытой систем теплоснабжения является обеспечение стабильного качества горячей воды у абонентов. В большинстве случаев качество исходной водопроводной воды предопределяет выбор системы теплоснабжения. По энергетическим показателям и по начальным затратам современные двухтрубные закрытые и открытые системы теплоснабжения являются равноценными. По начальным затратам открытые системы имеют некоторые экономические преимущества при наличии на ТЭЦ источников мягкой воды, не нуждающейся в водоподготовке и удовлетворяющей санитарным требованиям к питьевой воде. При использовании открытых систем вода для горячего водоснабжения отбирается из тепловой сети, что, с одной стороны, разгружает сеть холодного водопровода и создает в ряде случаев дополнительные экономические преимущества, а с другой - часто вынуждает подводить к ТЭЦ магистральные водоводы, что увеличивает капитальные затраты. По эксплуатационным расходам открытые системы несколько уступают закрытым в связи с дополнительными затратами на водоподготовку. В эксплуатации открытые системы сложнее закрытых из-за нестабильности гидравлического режима тепловой сети, усложнения санитарного контроля плотности системы. При дальней транспортировке теплоты в районах с относительно большой нагрузкой горячего водоснабжения при наличии вблизи ТЭЦ или котельной источников воды, удовлетворяющей санитарным требованиям, экономически оправдано применение открытой системы теплоснабжения с однотрубным (однонаправленным) транзитом и двухтрубной распределительной сетью. При сверхдальней транспортировке теплоты на расстояние порядка 100-150 км и более целесообразно проверить экономичность применения химотермической системы передачи теплоты, т.е. транспортировки теплоты в химически связанном состоянии. 8.5 Тепловое потребление Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, ее можно разбить на две группы по характеру протекания во времени: 1) сезонная; 2) круглогодовая. Изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий: • температуры наружного воздуха, • направления и скорости ветра, • солнечного излучения, • влажности воздуха и т.п. Основную роль играет наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. Ни один из указанных видов нагрузки не имеет круглогодового характера. Отопление и вентиляция являются зимними тепловыми нагрузками. Для кондиционирования воздуха в летний период требуется искусственный холод. Если этот искусственный холод вырабатывается абсорбционным или эжекционным методом, то ТЭЦ получает дополнительную летнюю тепловую нагрузку, что способствует повышению эффективности теплофикации. К круглогодовой нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение. График технологической нагрузки зависит от профиля производственных предприятий и режима их работы, а график нагрузки горячего водоснабжения - от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка его рабочего дня, а также от режима работы коммунальных предприятий - бань, прачечных. Эти нагрузки имеют переменный суточный график. Годовые графики технологической нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения также в определенной мере зависят от времени года. Как правило, летние нагрузки ниже зимних вследствие более высокой температуры перерабатываемого сырья и водопроводной воды, а также благодаря меньшим теплопотерям теплопроводов и производственных трубопроводов. Тепловые нагрузки на отопление Условие теплового равновесия здания можно выразить равенством: Q = Qт + Qи = Qо + Qтв, где Q - суммарные тепловые потери здания; Qт - теплопотери теплопередачей через наружные ограждения; Qи - теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение холодного воздуха через неплотности наружных ограждений; Qо - подвод теплоты в здание через отопительную систему; Qтв - внутренние тепловыделения. Суммарные теплопотери здания зависят в первую очередь от теплопотерь теплопередачей: Q = Qт∙(1+μ), где μ = Qи/Qт – коэффициент инфильтрации, равный отношению теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям теплопередачей. Внутренние тепловыделения в жилых зданиях (газовые, электрические и др. плиты, люди, осветительные приборы) носят случайный характер и обычно не поддаются никакому регулированию. Поэтому расчет жилых зданий производится при нулевых внутренних тепловыделениях. Для компенсации повышенных внутренних тепловыделений жилых зданий необходимо предусматривать периодическое уменьшение теплоподачи в них. Полное решение этой задачи возможно лишь при индивидуальной автоматизации отопительных приборов. Внутренние тепловыделения промышленных зданий весьма устойчивы. Они могут составлять существенную долю расчетной отопительной нагрузки. Поэтому их необходимо учитывать при расчете теплоснабжения промышленных зданий. Теплопотери через наружные ограждения для здания рассчитываются по уравнению: , где V – объем, м3; П – периметр, м; S – площадь в плане, м2; Н – высота, м; а = 1,06 ÷ 1,08 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери вертикальными стенами из-за обдува ветром; tвр, tнр – расчетные температуры воздуха внутри помещения и снаружи, оС; kс, kок, kпт, kпл – соответственно коэффициенты теплопередачи стен, окон, потолка верхнего этажа, пола нижнего этажа, Вт/(м2∙К); φ – коэффициент остекления, т.е. отношение площади окон к площади стен; ψпт, ψпл – поправочные коэффициенты на расчетный перепад температур для верхнего и нижнего ограждений зданий. Выражение, заключенное в фигурные скобки, представляет собой потери теплоты теплопередачей через наружные ограждения при разности внутренней и наружной температур 1 оС, отнесенные к 1 м3 наружного объема здания. Эта величина называется удельной теплопотерей здания qо, Вт/(м3∙К). Данное значение qо соответствует tно=-30 оС, для других расчетных температур вводится поправочный коэффициент. В этом случае теплопотери теплопередачей через наружные ограждения Под tно понимается средняя температура наружного воздуха наиболее холодных пятидневок, взятых из восьми наиболее холодных зим за 50-летний период. При определении теплопотерь средняя температура внутреннего воздуха tв принимается равной средней расчетной температуре внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях tвр. Данная температура принимается по справочникам в зависимости от назначения здания. Она может составлять от 14 оС для кинотеатров до 25 оС для бань. Полные теплопотери с учетом инфильтрации: Расчетный расход теплоты на отопление жилых зданий будет иметь вид: , где Qтв = 0 для жилых зданий. Расчетную часовую тепловую нагрузку отопления следует принимать по типовым или индивидуальным проектам зданий. В случае отличия принятого в проекте значения расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления от действующего нормативного значения для конкретной местности, необходимо произвести пересчет приведенной в проекте расчетной часовой тепловой нагрузки отапливаемого здания по формуле: , где Qo max - расчетная часовая тепловая нагрузка отопления здания, Гкал/ч; Qo max пр - то же, по типовому или индивидуальному проекту, Гкал/ч; tj - расчетная температура воздуха в отапливаемом здании, °С; to - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления в местности, где расположено здание, согласно СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», °С; to.пр - то же, по типовому или индивидуальному проекту, °С. При отсутствии проектной информации расчетную часовую тепловую нагрузку отопления отдельного здания можно определить по укрупненным показателям: , где  - поправочный коэффициент, учитывающий отличие расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления to от to = -30 °С, при которой определено соответствующее значение qo; V - объем здания по наружному обмеру, м3; qo - удельная отопительная характеристика здания при to = -30 °С, ккал/(м3∙ч∙°С); Kи.р - расчетный коэффициент инфильтрации, обусловленной тепловым и ветровым напором, т.е. соотношение тепловых потерь зданием с инфильтрацией и теплопередачей через наружные ограждения при температуре наружного воздуха, расчетной для проектирования отопления. Расход теплоты на вентиляцию предприятий, а также общественных зданий и культурных учреждений составляет значительную долю суммарного теплопотребления объекта. В производственных предприятиях расход теплоты на вентиляцию часто превышает расход на отопление. Расход теплоты на вентиляцию принимают по проектам местных систем вентиляции или по типовым проектам зданий, а для действующих установок - по эксплуатационным данным. Ориентировочный расчет расхода теплоты на вентиляцию, Дж/с или ккал/ч, можно проводить по формуле: , где Qв - расход теплоты на вентиляцию; m - кратность обмена воздуха, 1/с или 1/ч; Vв - вентилируемый объем здания, м; св - объемная теплоемкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м3·К) = 0,3 ккал/(м3·°С); tвп - температура нагретого воздуха, подаваемого в помещение, °С; tно - температура наружного воздуха для проектирования систем отопления и вентиляции, °С. Для удобства расчета приводят к виду: , где qв - удельный расход теплоты на вентиляцию, т.е. расход теплоты на 1 м3 вентилируемого здания по наружному обмеру и на 1 °С разности между усредненной расчетной температурой воздуха внутри вентилируемого помещения и температурой наружного воздуха; V - наружный объем вентилируемого здания; tв - усредненная внутренняя температура, °С. Суммарная сезонная тепловая нагрузка. Отопительная нагрузка имеет круглосуточный характер. При неизменных наружной температуре, скорости ветра и облачности отопительная нагрузка жилых зданий практически постоянна. Отопительная нагрузка общественных зданий и промышленных предприятий имеет непостоянный суточный, а часто и непостоянный недельный график, когда в целях экономии теплоты искусственно снижают подачу теплоты на отопление в нерабочие часы (ночной период и выходные дни). Значительно более резко изменяется как в течение суток, так и по дням недели вентиляционная нагрузка, так как в нерабочие часы промышленных предприятий и учреждений вентиляция, как правило, не работает. Круглогодичная тепловая нагрузка. Параметры и расход теплоты для технологических нужд зависят от характера технологического процесса, типа производственного оборудования, общей организации работ и т.д. Усовершенствование и рационализация технологического процесса могут вызвать коренные изменения в размере и характере тепловой нагрузки. Для экономии топливно-энергетических ресурсов следует совершенствовать технологические процессы, максимально использовать отработавшую теплоту для технологических целей, а при теплоснабжении от ТЭЦ максимально использовать теплоноситель более низкого потенциала. Как правило, тепловые нагрузки промышленных предприятий задаются технологами на основе соответствующих расчетов или данных тепловых испытаний. Горячее водоснабжение имеет весьма неравномерный характер, как в течение суток, так и в течение недели. Наибольшая нагрузка горячего водоснабжения в жилых районах имеет место в предвыходные дни (при 5-дневной рабочей неделе в первый выходной день - субботу). Расчет расходов теплоты на горячее водоснабжение в жилых и административно-общественных зданиях. В общем случае расчетный расход теплоты (средний расход за отопительный период), МВт, в соответствии со СНиП 2.04.07-86* определяется по формуле: , где ссрр - удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кг∙К); tх - температура холодной воды, оС; если эта температура неизвестна, то принимается равной 5 оС в зимний период, а в летний период 15 оС; а - норма расхода горячей воды с температурой tг = 55 °С, кг (л) на 1 чел. в сутки; b - расход горячей воды с температурой tг = 55 °С, кг (л) для общественных зданий, отнесенный к одному жителю района; при отсутствии данных рекомендуется принимать b = 25 кг (л) на 1 чел. в сутки; m -количество людей; nс - расчетная длительность подачи теплоты на горячее водоснабжение, с/сут; 1,2 - коэффициент, учитывающий выстывание горячей воды в абонентских системах горячего водоснабжения. При определении средненедельного расхода теплоты на горячее водоснабжение только жилых зданий без учета расхода горячей воды в общественных зданиях в данной формуле принимают b = 0. Температура горячей воды в местах водоразбора должна поддерживаться в следующих пределах: • в открытых системах теплоснабжения и в системах местного горячего водоснабжения не ниже 55 и не выше 80 °С; • в закрытых системах теплоснабжения не ниже 50 и не выше 75 °С. Нормы расхода горячей воды, приведенные в справочниках, относятся к определенной температуре, чаще всего - 55 °С. Это необходимо учитывать при расчетах. При использовании для бытового горячего водоснабжения воды с другой температурой tгi норма ее расхода определяется из условия подачи абонентам нормированного количества теплоты по формуле: При определении расчетной тепловой нагрузки горячего водоснабжения района централизованного теплоснабжения СНиП 2.04.07-86 рекомендуется учитывать нагрузку горячего водоснабжения всех существующих зданий, в том числе не имеющих централизованных систем горячего водоснабжения или оборудованных газовыми колонками. Средненедельный расход теплоты на горячее водоснабжение на одного жителя района qср.нг вычисляется при m = 1. Для зданий, не оборудованных централизованной системой горячего водоснабжения, а = 0. Средний расход теплоты на бытовое горячее водоснабжение за сутки наибольшего водопотребления: , где χн - коэффициент недельной неравномерности расхода теплоты. При отсутствии опытных данных рекомендуется принимать: • для жилых и общественных зданий χн = 1,2; • для промышленных зданий и предприятий χн = 1. Нагрузка горячего водоснабжения жилых домов имеет, как правило, в рабочие дни пики в утренние (около 8 часов утра) и вечерние часы (19-20 часов) и провалы в дневные и поздние ночные часы. В домах с ваннами пиковая нагрузка горячего водоснабжения превышает среднесуточную в 2-3 раза. В выходные дни суточный график горячего водоснабжения имеет более равномерное заполнение. Суточный график горячего водоснабжения района имеет более равномерный характер благодаря взаимному сглаживанию неравномерностей графиков отдельных зданий. Расчетный (максимально-часовой) расход теплоты на бытовое горячее водоснабжение (Дж/с или ккал/ч) равен среднечасовому расходу теплоты за сутки наибольшего недопотребления, умноженному на коэффициент суточной неравномерности: , где χс - коэффициент неравномерности расхода теплоты за сутки наибольшего водопотребления. При ориентировочных расчетах можно принимать: для городов и населенных пунктов χс = 1,7÷2; для промышленных предприятий χс = 1. В справочниках обычно приводятся следующие нормы расхода горячей воды: средненедельный, средний за сутки наибольшего водопотребления, максимально-часовой. Системы централизованного теплоснабжения имеют разнообразную тепловую нагрузку, причем одни из них являются сезонными и зависят от температуры наружного воздуха, а другие – круглогодичными и не зависящими от температуры наружного воздуха. Для определения расхода топлива, разработки режимов использования оборудования, графиков его ремонта и т.п. необходимо знать годовой расход теплоты на теплоснабжение, а также его распределение по сезонам (зима, лето) или по отдельным месяцам. Годовой расход теплоты потребителями района определяется по формуле: , где Qгодо, Qгодв, Qгодгвс, Qгодт - годовые расходы теплоты на отопление, вентиляцию и технологические нужды. Расчет суммарного годового потребления теплоты в жилых и общественных зданиях, ГДж/год: а) на отопление: ; б) на вентиляцию: , где z – усредненное за отопительный период число часов работы системы вентиляции общественных зданий в течение суток (при отсутствии данных принимается равным 16 ч); nо – продолжительность отопительного периода в сутках, соответствующая периоду со средней температурой наружного воздуха 8 оС и ниже; в) на горячее водоснабжение: , где nу – расчетное число суток в году работы системы горячего водоснабжения. При отсутствии данных следует принимать 350 суток. В теплый период года несколько снижается расход теплоты на горячее водоснабжение за счет увеличения температуры холодной воды, а также снижения потребления горячей воды в этот период по сравнению с отопительным периодом, что учитывается коэффициентом β = 0,8 для жилищно-коммунального сектора всех районов, кроме курортных и южных городов; β = 1,5 для жилищно-коммунального сектора курортных и южных городов; β = 1 для промышленных предприятий. . График Россандера Для установления экономичного режима работы теплофикационного оборудования, выбора наивыгоднейших параметров теплоносителя, а также для других плановых и технико-экономических исследований необходимо знать длительность работы системы теплоснабжения при различных режимах в течение года. Для этой цели строится график продолжительности тепловой нагрузки (график Россандера): Рисунок 92 - График Россандера Построение ведется в четырех квадрантах. В левом верхнем квадранте построены графики зависимости от наружной температуры tн, тепловой нагрузки отопления Qo, вентиляции Qв и суммарной сезонной нагрузки (Qo + Qв). В нижнем левом квадранте приведена кривая длительности стояния n в течение отопительного периода наружных температур tн, равных данной температуре или ниже. В нижнем правом квадранте проведена прямая линия под углом 45° к вертикальной и горизонтальной осям, используемая для переноса значений шкалы n из нижнего левого квадранта в верхний правый квадрант. График продолжительности тепловой нагрузки 5 строится для разных наружных температур tн по точкам пересечения штриховых линий, определяющих тепловую нагрузку и длительность стояния нагрузок, равных или больше данной. Площадь под кривой 5 продолжительности тепловой нагрузки равна расходу теплоты на отопление и вентиляцию за отопительный сезон Qc. Если по оси абсцисс графика 5 продолжительности сезонной тепловой нагрузки построить равновеликий прямоугольник 0bcd0 площадью, равной площади под графиком продолжительности, то высота этого прямоугольника будет равна среднему расходу теплоты за отопительный сезон: где n0 - длительность отопительного сезона, с/год или ч/год. Если на оси ординат графика 5 продолжительности тепловой нагрузки построить равновеликий прямоугольник 0kln0 площадью, равной площади под графиком продолжительности, то основание этого прямоугольника будет равно длительности использования расчетной сезонной тепловой нагрузки за отопительный сезон. Годовой расход теплоты на отопление можно вычислять с небольшой погрешностью без точного учета повторяемости температур наружного воздуха за отопительный сезон, приняв средний расход теплоты на отопление за сезон равной 50 % расхода теплоты на отопление при расчетной наружной температуре tно. Если известен годовой расход теплоты на отопление, то, зная длительность отопительного сезона, легко определить средний расход теплоты. Максимальный расход теплоты на отопление можно для ориентировочных расчетов принимать равным удвоенному среднему расходу. 9 Тепловые сети Тепловая сеть - это система прочно и плотно соединенных между собой участков теплопроводов, по которым теплота с помощью теплоносителя (пара или горячей воды) транспортируется от источников к тепловым потребителям. Направление теплопроводов (трасса) выбирается по тепловой карте района с учетом материалов геодезической съемки, плана существующих и намечаемых надземных и подземных сооружений, данных о характеристике грунтов, высоте стояния грунтовых вод и т.п. Вопрос о выборе типа теплопровода (надземный или подземный) решается с учетом местных условий и технико-экономических обоснований. При высоком уровне грунтовых и внешних вод, большой густоте существующих подземных сооружений на трассе проектируемого теплопровода в большинстве случаев отдается предпочтение надземным теплопроводам. Они обычно также применяются на территориях промышленных предприятий при совместной прокладке энергетических и технологических трубопроводов на общих эстакадах или высоких опорах. В жилых районах из архитектурных соображений обычно применяется подземная прокладка тепловых сетей. Надземные теплопроводы долговечнее и более ремонтопригодны по сравнению с подземными. В особо тяжелых грунтовых условиях (вечномерзлые грунты) должны применяться надземные теплопроводы. При выборе трассы теплопровода следует руководствоваться в первую очередь условиями надежности теплоснабжения, безопасности работы обслуживающего персонала и населения, возможностью быстрой ликвидации неполадок и аварий. 9.1 Конструкция теплопроводов В общем случае теплопровод состоит из трех основных элементов: • рабочего трубопровода, по которому транспортируется теплоноситель и который в современных условиях обычно выполняется из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки; • изоляционной конструкции, предназначенной для защиты наружной поверхности стального трубопровода от коррозии и теплопровода в целом от тепловых потерь; • несущей конструкции, воспринимающей весовую нагрузку теплопровода и другие усилия, возникающие при его работе, а также разгружающей стальной трубопровод и его изоляционную конструкцию от нагрузки окружающей среды (веса грунта, движущегося наземного транспорта, ветра и т.д.). Конструктивное выполнение указанных элементов зависит от типа теплопровода и используемых материалов. В некоторых типах теплопроводов, например в бесканальном теплопроводе с монолитной изоляцией, функции изоляционной и несущей конструкции совмещены в одном общем элементе. В зависимости от используемых материалов изоляционная конструкция теплопровода может выполняться как в виде одного элемента, так и в виде нескольких последовательно соединенных элементов, например нескольких наложенных друг на друга слоев изоляции, каждый из которых выполняет отдельную задачу (антикоррозионную защиту, тепловую защиту, защиту изоляции от влаги). Современные теплопроводы должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1. прочность и герметичность трубопроводов и установленной на них арматуры при ожидаемых в эксплуатационных условиях давлениях и температурах теплоносителя, 2. высокое и устойчивое в эксплуатационных условиях тепло- и электросопротивление, а также низкие воздухопроницаемость и водопоглощение изоляционной конструкции; 3. индустриальность и сборность; возможность изготовления в заводских условиях всех основных элементов теплопровода; сборка теплопроводов на трассе из готовых элементов; 4. возможность механизации всех трудоемких процессов строительства и монтажа; 5. ремонтопригодность, т.е. возможность быстрого обнаружения причин возникновения отказов или повреждений и устранение их и их последствий путем проведения ремонта в заданное время; 6. экономичность при строительстве и эксплуатации. 9.2 Подземные теплопроводы Конструкции подземных теплопроводов можно разделить на две группы: канальные и бесканальные. В канальных теплопроводах изоляционная конструкция разгружена от внешних нагрузок грунта стенками канала. В бесканальных теплопроводах изоляционная конструкция испытывает нагрузку грунта. Каналы сооружаются проходными, полупроходными и непроходными. В настоящее время большинство каналов для теплопроводов сооружается из сборных железобетонных элементов, заранее изготовленных на заводах или специальных полигонах. Сборка этих элементов на трассе выполняется при помощи транспортно-подъемных механизмов. Устройство в грунте траншей для сооружения подземных теплопроводов, как правило, осуществляется экскаваторами. Все это позволяет значительно ускорить строительство тепловых сетей и снизить их стоимость. Из всех подземных теплопроводов наиболее надежными, зато и наиболее дорогими по начальным затратам являются теплопроводы в проходных каналах. Основное преимущество проходных каналов - постоянный доступ к трубопроводам. Проходные каналы позволяют заменять и добавлять трубопроводы, проводить ревизию, ремонт и ликвидацию аварий на трубопроводах без разрушения дорожных покрытий. В крупных городах целесообразно сооружать проходные каналы (коллекторы) под основными проездами до устройства дорожного покрытия. В таких коллекторах прокладывается большинство подземных городских коммуникаций: теплопроводы, водопроводы, силовые и осветительные кабели, кабели связи и др. Рисунок 93 - Городской коллектор из объемных элементов: 1,2 - обратный и подающий теплопроводы; 3 - водопровод; 4 - кабели связи; 5 - силовые кабели; 6 - железобетонный объемный элемент Габаритные размеры проходных каналов выбирают из условия обеспечения достаточного прохода для обслуживающего персонала и свободного доступа ко всем элементам оборудования, требующим постоянного обслуживания (задвижки, сальниковые компенсаторы, дренажные устройства и т.п.). Проходные каналы должны быть оборудованы естественной вентиляцией для поддержания температуры воздуха не выше 30 °С, электрическим освещением низкого напряжения (до 30 В), устройством для быстрого отвода воды из канала. Изоляция выполняется из гидрофобного рулонного материала (полиэтилена). В тех случаях, когда количество параллельно прокладываемых трубопроводов невелико (два-четыре), но постоянный доступ к ним необходим, теплопроводы сооружаются в полупроходных каналах (Рисунок 94). Рисунок 94 - Сборный полупроходной канал из железобетонных блоков: 1 - ребристый блок перекрытия; 2 - стеновой блок; 3 - блок днища; 4 - бетонная подготовка; 5 - щебенчатая подготовка; 6 - опорные плиты Габаритные размеры полупроходных каналов выбирают из условия прохода по ним человека в полусогнутом состоянии. Высота в свету полупроходных каналов выбирается не менее 1400 мм. По удобству обслуживания полупроходные каналы значительно уступают проходным. В полупроходных каналах можно проводить осмотр трубопроводов и мелкий ремонт тепловой изоляции при выведенной из работы тепловой сети. Выполнять серьезный ремонт, связанный со слесарными и сварочными работами, в полупроходных каналах практически невозможно. Большинство теплопроводов прокладывается в непроходных каналах или бесканально. Теплопроводы в непроходных каналах. Каналы собираются из унифицированных железобетонных элементов разных размеров (Рисунок 95). Рисунок 95 - Теплопровод в непроходном канале с воздушным зазором: 1 - трубопровод; 2 - антикоррозионное покрытие; 3 - теплоизоляционный слой; 4 - защитное механическое покрытие Нижнее основание канала должно быть выше максимального уровня грунтовых вод. Для защиты от поверхностных вод наружная поверхность канала (стены и перекрытия) покрывается оклеечной гидроизоляцией из битумных материалов. Антикоррозионный защитный слой выполняют в виде наложенных в заводских условиях на стальной трубопровод нескольких слоев эмали или изола, имеющих достаточную механическую прочность и обладающих высоким электросопротивлением и необходимой температуростойкостью. Теплоизоляционный слой выполняют из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например минеральной ваты или пеностекла, в виде мягких матов или твердых блоков, укладываемых поверх защитного антикоррозионного слоя. Защитное механическое покрытие выполняют в виде металлической сетки, исполняющей роль несущей конструкции для теплоизоляционного слоя. Для увеличения долговечности теплопровода несущая конструкция изоляции (металлическая сетка) покрывается сверху оболочкой из некорродирующих материалов или асбоцементной штукатуркой. Бесканальные теплопроводы. Все конструкции бесканальных теплопроводов можно разделить на три группы: в монолитных оболочках, засыпные, литые. В бесканальных теплопроводах в монолитных оболочках на стальной трубопровод наложена в заводских условиях оболочка, совмещающая тепло- и гидроизоляционные конструкции (из ячеистого полимерного материала типа пенополиуретана с замкнутыми порами и интегральной структурой). Бесканальные теплопроводы в засыпных порошках находят применение главным образом при трубопроводах малого диаметра - до 300 мм. Преимущество бесканальных теплопроводов в засыпных порошках заключается в простоте изготовления изоляционного слоя. Рисунок 96 - Разрез бесканального теплопровода в самоспекающемся асфальтоизоле: 1 - плотный слой; 2 - пористый слой; 3 - порошкообразный слой Литые конструкции бесканальных теплопроводов выполняют в пенобетонном массиве (Рисунок 97). а) б) Рисунок 97 - Разрез бесканального теплопровода в литом пенобетонном массиве а - сборно-литая конструкция; б - литая конструкция Смонтированные в траншее стальные трубопроводы заливаются жидкой композицией, приготовленной непосредственно на трассе или доставленной в контейнере с производственной базы. После схватывания пенобетонный или перлитобетонный массив засыпается грунтом. Конструкция имеет низкое влаго- и воздухосопротивление. Для повышения ее антикоррозионной стойкости необходимо надежно защитить от коррозии наружную поверхность стальных трубопроводов, например, путем предварительного эмалирования или наложения на нее другого защитного слоя. Ограничение максимального диаметра бесканальных теплопроводов. Территория, прилегающая к трассе бесканального теплопровода, более уязвима для размыва и образования опасных каверн при нарушении плотности стального трубопровода по сравнению с трубопроводом в канале. Поэтому в зависимости от надежности применяемых конструкций ограничивают максимальный диаметр бесканальных теплопроводов. При изготовлении изоляционных конструкций из битумных материалов с различными наполнителями, а также при применении засыпных и литых конструкций максимальный диаметр бесканальных теплопроводов ограничивают 400 мм. Максимальный диаметр бесканальных теплопроводов в монолитных изоляционных оболочках из армопенобетона, а также в монолитных оболочках из фенольного поропласта с наружной гидрозащитой из полиэтилена ограничен обычно 800 мм. 9.3 Надземные теплопроводы Надземные теплопроводы обычно укладываются на отдельно стоящих опорах (низких или высоких), на вантовых конструкциях, подвешенных к пилонам мачт, на эстакадах. При прокладке теплопроводов на низких опорах расстояние между нижней образующей изоляционной оболочки трубопровода и поверхностью земли принимается не менее 0,35 м при ширине группы труб до 1,5 м и не менее 0,5 м при ширине группы труб более 1,5 м. Высокие отдельно стоящие опоры могут выполняться жесткими, гибкими и качающимися. Рисунок 98 - Виды отдельно стоящих промежуточных опор а - жесткая опора; б - гибкая опора; в - двухшарнирная (качающаяся) опора; 1 - трубопровод; 2 - промежуточные опоры; 3 - температурная деформация; 4 - положение промежуточных опор при температурной деформации; 5 - анкерная опора 9.4 Опоры Опоры являются ответственными деталями теплопровода. Они воспринимают усилия от трубопроводов и передают их на несущие конструкции или грунт. При сооружении теплопроводов применяют опоры двух типов: свободные и неподвижные. Свободные опоры воспринимают вес трубопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях. Неподвижные опоры фиксируют положение трубопровода в определенных точках и воспринимают усилия, возникающие в местах фиксации под действием температурных деформаций и внутреннего давления. По принципу работы свободные опоры делятся на скользящие, роликовые, катковые и подвесные. Рисунок 99 - Скользящая опора: 1 - тепловая изоляция; 2 - опорный полуцилиндр; 3 - стальная скоба; 4 - бетонный камень; 5 - цементно-песчаный раствор Рисунок 100 - Роликовая опора Рисунок 101 - Катковая опора С увеличением диаметров трубопроводов резко возрастают силы трения на опорах. Это требует усиления строительных конструкций, воспринимающих реакции опор. В случаях, когда по условиям размещения трубопроводов относительно несущих конструкций скользящие и катящие опоры не могут быть установлены, применяют подвесные опоры. Рисунок 102 - Подвесные опоры а - простая опора; б - пружинная; в - с контргрузом Недостатком простых подвесных опор является деформация (перекосы и изгибы) труб вследствие различной амплитуды подвесок, находящихся на различном расстоянии от неподвижной опоры, из-за разных углов их поворота. По мере удаления от неподвижной опоры возрастают температурная деформация трубопровода и угол поворота подвесок. Для уменьшения перекосов трубопровода желательно длину подвески выбирать возможно большей. При недопустимости перекосов трубы и невозможности применения скользящих опор следует применять пружинные подвесные опоры или опоры с противовесом. 9.5 Компенсация температурных деформаций Компенсация температурных деформаций стальных трубопроводов имеет исключительно важное значение в технике транспорта теплоты. Если в трубопроводе отсутствует компенсация температурных деформаций, то при сильном нагревании в стенке трубопровода могут возникнуть большие разрушающие напряжения. По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на две группы: осевые и радиальные. Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений прямолинейных участков трубопровода. Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода. Радиальная компенсация широко применяется на теплопроводах, прокладываемых на территориях промышленных предприятий, а при небольших диаметрах теплопроводов (до 200 мм) - также и в городских тепловых сетях. На теплопроводах большого диаметра, прокладываемых под городскими проездами, устанавливаются главным образом осевые компенсаторы. Осевая компенсация. На практике находят применение осевые компенсаторы двух типов: сальниковые и упругие. На Рисунке 103 показан односторонний сальниковый компенсатор. Рисунок 103 - Односторонний сальниковый компенсатор: 1 - стакан; 2 - корпус; 3 - набивка; 4 - упорное кольцо; 5 - грундбукса Между стаканом и корпусом компенсатора располагается сальниковое уплотнение. Сальниковая набивка, обеспечивающая плотность, зажимается между упорным кольцом и грундбуксой. Обычно набивка выполняется из асбестовых колец квадратного сечения, пропитанных графитом. Компенсатор вваривается в трубопровод, поэтому установка его на линии не приводит к увеличению количества фланцевых соединений. Недостатком сальниковых компенсаторов является сальник, требующий систематического и тщательного ухода в эксплуатации. Набивка в сальниковом компенсаторе изнашивается, теряет со временем упругость и начинает пропускать теплоноситель. Подтяжка сальника в этих случаях не дает положительных результатов, поэтому через определенные периоды времени сальники приходится перебивать. От этого недостатка свободны все типы упругих компенсаторов. На Рисунке 104 показана секция трехволнового сильфонного компенсатора. Для уменьшения гидравлического сопротивления внутри сильфонной секции вварена гладкая труба. Сильфонные секции выполняются обычно из легированных сталей или сплавов. Рисунок 104 - Трехволновой сильфонный компенсатор Радиальная компенсация. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается изгибами специальных эластичных вставок или естественными поворотами (изгибами) трассы отдельных участков самого трубопровода. Преимущества естественной компенсации над другими видами: простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток естественной компенсации - поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода, требующее увеличения ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций и бесканальных конструкций. Компенсаторы могут быть П-образные (Рисунок 105, а), Ω-образные (Рисунок 105, б) и S-образные (Рисунок 105, в). а) б) в) Рисунок 105 - Виды радиальных компенсаторов 10 Газоснабжение Наиболее крупные месторождения сосредоточены в Тюменской области, Якутии, Оренбургской области и Ставропольском крае. Система газоснабжения города природным газом (Рисунок 106) включает в себя газовый промысел (ГП), магистральный газопровод (МГ), компрессорные станции (КС), газораспределительную станцию (ГРС) и газопроводы города: высокого давления (ГВД), среднего давления (ГСД) и низкого давления (ГНД), а также газораспределительные пункты (ГРП). Рисунок 106 - Система газоснабжения города природным газом: 1 - газовый промысел; 2 - компрессорные станции; 3 - газораспределительная станция (ГРС); 4 - газопровод высокого давления (ГВД); 5 - газовые регу-ляторные пункты (ГРП); 6 - газопровод среднего давления (ГСД); 7 - сеть газопроводов низкого давления (ГНД); 8 - магистральный газопровод; 9 - газовые скважины на газовом промысле На газовых промыслах (ГП) производится очистка газа от песка и капельной влаги (сепараторы), осушка газа от избыточного содержания водных паров, очистка газа от H2S и СО2 (сероводорода и углекислоты), одоризация газа этилмеркаптаном. На магистральных газопроводах компрессорные станции размещаются одна от другой на расстоянии 180-200 км и сжимают газ от 2,5-3,0 МПа до 7,0-7,5 МПа. Магистральные газопроводы заканчиваются газораспределительными станциями, которые монтируются перед входом каждого газопровода в город. 10.1 Краткие сведения о природных газах Природные газы представляют собой смесь, состоящую из горючих газов, балластных газов и примесей. Горючие газы состоят из метана (СН4), предельных углеводородов (СnН2n+2) и непредельных углеводородов (CnH2n). В сумме предельные и непредельные углеводороды называются тяжелыми углеводородами. Водород (Н2) и оксид углерода (СО) в природных газах отсутствуют. Балластные газы состоят из азота N2, углекислого газа СО2 и кислорода О2. Примеси, входящие в состав природных газов, состоят в основном из водяных паров (Н2О), сероводорода (H2S) и пыли. Рассмотрим свойства горючих газов. Метан (СН4) - горючий газ без цвета, запаха и вкуса. Не токсичен, но при большой концентрации в воздухе вызывает удушье. Низшая теплота сгорания Q = 35840 кДж/м3, плотность ρ = 0,717 кг/м3, молекулярная масса μ = 16 кг/моль. К тяжелым углеводородным газам, имеющим формулу СnН2n+2 относятся: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (C4H10). Все эти газы, как и метан, не имеют цвета, запаха и вкуса, не токсичны. Их физические свойства зависят от величины молекулярной массы. К непредельным тяжелым углеводородным газам (CnH2n) относятся: этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6), бутилен (С4Н8). Балластные газы: 1. Азот (N2) - инертный газ, без цвета, запаха и вкуса. На долю азота в воздухе приходится 79%. 2. Диоксид углерода (СО2) является инертным газом со слегка кисловатым запахом и вкусом. 3. Кислород (О2) - входит в состав атмосферного воздуха в виде второй составляющей в количестве 21%. Во всех процессах горения кислород играет роль окислителя. Содержание кислорода в природном газе не допускается более 1%, исходя из соображений взрывобезопасности и защиты газового оборудования от коррозии. Примеси. В виде примесей природный газ в основном содержит водяные пары, сероводород и пыль. Концентрация водяных паров (Н2О) в природном газе, подаваемом бытовым и промышленным потребителям, не должна превышать 500-1000 г на 100 м3 природного газа. Сероводород Н2S - бесцветный газ, имеющий запах испорченных яиц, является ядом и оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и глаза. Предельно допустимая концентрация H2S в воздухе помещений равна 0,1 мг/л. H2S - коррозионно-агрессивный газ. Содержание H2S в природном газе после очистки на газовых промыслах не должно превышать 2 г на 100 м3 природного газа. Содержание пыли не должно превышать 0,1 г на 100 м3 природного газа. 10.2 Сжиженные газы Сжиженные газы, состоящие в основном из пропана (С3Н8) и бутана (С4Н10), получают на газобензиновых и нефтеперерабатывающих заводах. Сжиженный газ широко используют для газоснабжения сельской местности и районов, не подключенных к магистральным газопроводам. Хранятся жидкие газы в баллонах и емкостях, перевозятся в цистернах. Мелкие потребители (одно- и двухэтажные жилые строения, дачи) имеют для хранения жидкого газа баллоны, емкостью до 50 л каждый. Крупные потребители (3-4-этажные жилые дома, столовые, рестораны, коммунальные предприятия, оздоровительные лагеря, дома отдыха) имеют для хранения жидкого газа емкости объемом 2,2 и 4 м3, которые устанавливаются ниже уровня земли. Запас жидкого газа в баллонах и емкостях должен обеспечивать нормальное газоснабжение потребителей в течение 7-10 дней. В емкостях и баллонах жидкий газ представляет собой двухфазную систему. В верхней зоне емкости или баллона находится паровая фаза пропан-бутановой смеси, а в нижней зоне жидкая фракция, которая испаряется по мере отбора потребителями паровой фазы. Паровая фракция всегда представляет собой насыщенную смесь из С3Н8 и С4Н10. Сжиженные газы должны содержать H2S не более 5 г на 100 м3 паровой фазы, а запах их должен ощущаться при содержании паров H2S в воздухе в размере 0,5%. 10.3 Воспламенение газов Воспламенение газов может происходить только в том случае, если их содержание в газовоздушной смеси находится в определенных пределах, которые называются пределами воспламеняемости или взрываемости. Существуют верхний и нижний пределы воспламеняемости. Например, для метана нижний предел равен ~5% содержания его в газовоздушной смеси, а верхний ~ 15%. Вне этих пределов метановоздушные смеси не горят и не взрываются. При чрезмерно малом содержании горючего газа в газовоздушной смеси, например, метана менее ~5% теплоты от запального устройства оказывается недостаточно для доведения соседних слоев газовоздушной смеси до температуры воспламенения. В данном случае смесь оказывается «бедной». Она слишком разбавлена балластными компонентами (азотом и кислородом) и вообще не способна к воспламенению. Аналогичное явление происходит в газовоздушной смеси, когда имеется избыточное количество метана (более 15%). Здесь газовоздушная смесь получается «богатой», и для ее воспламенения не хватает О2, который является окислителем. 10.4 Газораспределительные сети в городах От газораспределительной станции природный газ подается в город. В городах распределительные газопроводы делятся на: а) газопроводы низкого давления, р до 3 кПа; б) газопроводы среднего давления, 3 кПа < р < 0,3 МПа; в) газопроводы высокого давления, 0,3 < р < 0,6 МПа - I ступени, 0,6 < р <1,2 МПа - II ступени. Газопроводы низкого давления используются для газоснабжения жилых домов, общественных зданий и мелких коммунально-бытовых предприятий. Газопроводы среднего и высокого давления (I ступени) служат для питания средних промышленных предприятий, коммунально-бытовых предприятий (бани, механические прачечные, хлебозаводы, крупные столовые и рестораны). Газопроводы высокого давления (II ступени) снабжают газом в основном ТЭЦ, крупные промышленные предприятия. 10.5 Устройство наружных газопроводов На территории городов и населенных пунктов газопроводы прокладываются ниже поверхности земли. Исключение составляют территории промышленных предприятий, где их можно прокладывать по эстакадам и различным переходам сверху проезжей части заводской автотрассы. Надземную прокладку газопроводов производят по наружным несгораемым стенам жилых и общественных зданий. По стенам жилых и общественных зданий допустима прокладка газопроводов с давлением не более 0,3 МПа. Газопроводы высокого давления можно прокладывать только по сплошным стенам или над окнами верхних этажей производственных зданий. При пересечении надземных газопроводов с воздушными линиями электропередачи они должны проходить ниже линий электропередачи. Возможна прокладка газопроводов на эстакадах совместно с линиями водопроводов, паропроводов, но при условии обеспечения свободного осмотра и ремонта каждой из названных выше коммуникаций. Расстояния между газопроводом и другими коммуникациями при их совместной прокладке принимают в свете от 100 до 300 мм в зависимости от диаметра. Совместная прокладка газопроводов с электролиниями недопустима, кроме электролиний, проложенных в стальных трубах и бронированных кабелей. Надземные газопроводы прокладываются с учетом компенсации температурных удлинений, которые зависят от расчетной температуры воздуха. 10.6Устройство подземных газопроводов Газопроводы прокладываются главным образом по городским проездам, а также в зоне зеленых насаждений. Газопроводы выполняют из стальных труб, соединяя их электросваркой. В местах установки газовых приборов, арматуры и другого оборудования применяют фланцевые и резьбовые соединения. Для защиты стальных труб от коррозии перед укладкой в землю их изолируют. Глубина заложения газопроводов зависит от состава транспортируемого газа. При влажном газе глубину заложения труб принимают ниже средней глубины промерзания грунта для данной местности. Газопроводы осушенного газа можно укладывать в зоне промерзания грунта, но заглубление должно быть не менее 0,8 м от поверхности земли. Газопроводы прокладывают с уклоном не менее 1,5 мм/пог. м, что обеспечивает отвод конденсата из газа в конденсатосборники и предотвращает образование водяных пробок. При изменениях температурных условий на газопроводе появляются растягивающие усилия, которые могут разорвать сварной стык или задвижку. Чтобы избежать этого, на газовых сетях и, в особенности у задвижек устанавливают линзовые компенсаторы, воспринимающие эти усилия. Кроме восприятия температурных деформаций компенсаторы позволяют легко демонтировать и заменять задвижки и прокладки, так как компенсатор при помощи особых приспособлений можно сжать или растянуть. Линзовые компенсаторы устанавливают в одном колодце с задвижками, причем располагают их после задвижек, считая по ходу газа (Рисунок 107). Рисунок 107 - Линзовый компенсатор: 1 - патрубок; 2 - фланец; 3 - рубашка; 4 - полулинза; 5 - ребро; 6 - лапа; 7 - гайка; 8 - тяга 10.7 Газопроводы низкого давления Газопроводы низкого давления (до 5 кПа) можно прокладывать в подземных коллекторах совместно с другими коммуникациями. Их можно прокладывать также в полупроходных каналах между жилыми и общественными зданиями. Проходные и полупроходные каналы должны быть оборудованы постоянно действующей естественной вентиляцией. Прокладка газопроводов в непроходных каналах совместно с другими трубопроводами и кабелями недопустима. При прокладке нескольких газопроводов в одной траншее расстояние между ними в свете должно быть не менее 0,4 м при диаметре труб до 300 мм и не менее 0,5 м при диаметрах более 300 мм. Глубина заложения газопровода на проездах с асфальтобетонным или бетонным покрытием должна быть не менее 0,8 м, а на участках без покрытий - не менее 0,9 м до верха трубы. В местах, где нет движения транспорта, она может быть уменьшена до 0,7 м. 10.8 Отключающие устройства на газопроводах Отключающие устройства на газопроводах устанавливают в следующих случаях: • на распределительных газопроводах низкого давления для отключения отдельных микрорайонов и газопроводах среднего и высокого давления, проложенных на отдельных участках; • на ответвлениях от распределительных газопроводов всех давлений к предприятиям и группам жилых и общественных зданий; отключающие устройства на ответвлениях от распределительных газопроводов устанавливают вне территории объекта ближе к распределительному газопроводу и не ближе двух метров от стены здания или ограждения. Отключающие устройства устанавливают в удобном и доступном для обслуживания месте, например, они монтируются на вводах и выводах газопровода из газорегуляторных пунктов не ближе 5 м, но не далее 100 м. Для газо-регуляторных пунктов, размещаемых в пристройках к зданиям, а также в шкафах, возможна установка отключающего устройства на наружном надземном газопроводе и удобном для обслуживания месте, но на расстоянии не менее 5 м. Отключающие устройства обязательно устанавливаются на пересечении газопроводами водных преград, железнодорожных путей, магистральных автомобильных дорог, при прокладке газопроводов в коллекторах (на входе и выходе из него), на вводах газопроводов в отдельные жилые, общественные и производственные здания; на подземных газопроводах в колодцах с линзовыми компенсаторами. Для удобства эксплуатации и ремонта газовых сетей на них монтируют специальную арматуру: компенсаторы, конденсатосборники, контрольные трубки, задвижки. В связи с тем, что в грунте температурные колебания незначительны, компенсаторы фактически способствуют только удобству монтажа и демонтажа задвижек. На газопроводах диаметром 100 мм и менее в колодцах устанавливаются гибкие компенсаторы. При скоплении конденсата в газопроводах в них нарушается нормальное движение газа. Для отвода конденсата из пониженных точек газовой сети применяют конденсатосборники, которые устанавливают в сетях низкого, среднего и высокого давления. В первом случае конденсат выкачивают насосом, во втором случае удаляют под давлением газа. 10.9 Устройство внутридомовых газопроводов Внутридомовые газопроводы служат для передачи газа от газорегуляторных пунктов к газовым приборам жилых домов (газовые плиты, быстродействующие или емкостные водонагреватели). Ответвления и дворовые разводки всегда рассматриваются как составная часть газооборудования жилых комплексов. В этих газопроводах поддерживается всегда низкое давление газа до 3 кПа. Газоснабжение жилых домов осуществляется от уличных газопроводов низкого давления. Цокольный ввод газопровода в здание показан на Рисунке 108. Рисунок 108 - Цокольный ввод газопровода в здание: 1 - цокольный отвод; 2 - отвод 90º; 3 - пробка; 4 - футляр; 5 - контргайка; 6 - кран; 7 - муфта; 8 - сгон; 9 - просмоленная пакля; 10 - битум Основными элементами системы газоснабжения дома является ответвления от городских (уличных) газопроводов, дворовые газопроводы, вводы, стояки, квартирные газопроводы. Ответвления служат для подачи газа из уличного газопровода к дому. На тротуаре или у линии застройки домов на ответвлении обычно монтируется отключающее устройство. Если по ответвлению подача газа должна осуществляться в несколько точек подъездов или корпусов, то ответвление образует дворовую разводку. От цокольного ввода по наружной стене здания проводят кольцевой газопровод, от которого он отпочковывается в лестничные клетки. Вводы могут устраиваться непосредственно в кухнях. Газовые стояки служат в жилых домах для подачи газа в квартирные разводки. Стояки проходят через все этажи вертикально. Они выполняются только из стальных труб на сварке. Прокладка стояков в жилых домах производится в кухнях. Все газовые стояки в верхней части должны заканчиваться пробками, после вывертывания которых через шланг производится продувка системы для удаления газовоздушной смеси при первичном пуске газа. Если стояк обслуживает два этажа и более, то у основания стояка должен быть установлен отключающий кран. В целях предотвращения повреждения газопроводов при осадке зданий, а также защиты стояков от коррозии в местах пересечения трубами междуэтажных перекрытий и лестничных площадок их необходимо прокладывать в футлярах (гильзах) большего диаметра. Нижний обрез футляра устанавливается заподлицо, снизу перекрытия, а верхний конец выводится на 5 см выше пола или лестничной площадки. Пространство между газопроводом и футляром заделывается просмоленной прядью с битумом, а сам футляр - цементом. 10.10 Квартирная разводка Квартирная разводка служит для подачи газа от стояков к газовым приборам. Рисунок 109 - Квартирная разводка газопровода: 1 - дверка для чистки газохода; 2 - ввод газохода в дымовой канал; 3 - стояк газопровода; 4 - кран; 5 - сгон; 6 - газовая плита; 7 - ванна; 8 - быстродействующий газовый водонагреватель Она состоит из квартирных вводов (при расположении стояков в лестничных клетках), разводящих газопроводов и опусков к приборам. Все разводящие линии прокладываются с уклоном не менее 0,001 к стояку и приборам. Опуски к приборам должны выполняться отвесно. Газопроводы разрешается прокладывать только по нежилым помещениям (кухни, коридоры). Перед каждым газовым прибором на опуске должен быть установлен кран. При открытой прокладке внутри помещения должны соблюдаться определенные расстояния от строительных конструкций. Газопроводы не должны пересекать оконные и дверные проемы. В жилых зданиях газопроводы крепят к стенам с помощью крюков, вбитых в стену. При диаметре трубы более 40 мм крепление газопроводов выполняют с помощью кронштейнов. Расстояние между опорами принимают примерно 2,5 м при диаметре трубы 15 мм; 3,5 м при диаметре трубы 25 мм; 5 м при диаметре трубы 50 мм. Зазор между трубами и стеной выполняют 2 см.