Отопление и вентиляция

Отопление предназначено для обеспечения нормируемых температурных условий в рабочих зонах производственных помещений.

Системой отопления называют комплекс конструктивных элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты во все обогреваемые помещения. В систему отопления входят отопительные (нагревательные) приборы, магистральные трубопроводы для подачи и отвода теплоносителя, стояки, соединительные трубы, регулирующая арматура, воздухосборники, котел или теплообменные и циркуляционные насосы.

Санитарно-гигиенические требования к отопительным системам направлены на поддержание в холодный период года нормируемой температуры воздуха в помещениях; ограничение температуры поверхности нагревательных приборов и обеспечение бесшумности их работы [1].

Системы отопления подразделяются на местные и центральные. В зависимости от используемого теплоносителя различают паровое, водяное, воздушное и электрическое отопление. Водяное отопление получило наибольшее распространение как наиболее гигиеническое, бесшумное, экономичное и совершенное в эксплуатации. В системах воздушного отопления в качестве теплоносителя используется воздух, нагретый до температуры более высокой, чем температура воздуха в помещении. Элементами воздушной системы отопления являются калорифер – источник тепла; вентилятор и воздухораспределительные устройства. Для воздушного отопления характерны меньшие стоимость и металлоемкость по сравнению с водяным и паровым отоплением, быстрый нагрев помещений, а также возможность совмещения с вентиляцией. Перечень систем отопления, допустимых к применению в различных зданиях, приведен в СНиП 2.04.05-86 [2].

Вентиляцией называется комплекс взаимосвязанных устройств, предназначенных для создания организованного воздухообмена, что позволяет обеспечить в рабочей зоне производственных помещений благоприятные условия воздушной среды, отвечающие требованиям ГОСТ12.1.005-88, СН 245-71 и технологических норм и регламентов.

Вентиляция обеспечивает воздухообмен в помещении, т.е. удаляет загрязненный и подает чистый воздух. По способу перемещения воздуха различают естественную (аэрацию) и искусственную (механическую) вентиляцию. Вентиляция называется естественной, если воздухообмен в помещении осуществляется за счет теплового или ветрового напоров.

При искусственной вентиляции воздухообмен осуществляется вентиляторами. Кроме того, вентиляция бывает приточной, вытяжной и приточно-вытяжной. Приточная предназначена для организованной подачи чистого воздуха в помещение, а вытяжная – для удаления из него загрязненного (отработанного) воздуха. По месту действия вентиляцию подразделяют на общеобменную, местную (локальную) и комбинированную.

Местная приточная вентиляция служит для подачи воздуха в рабочую зону помещений (воздушное душирование, воздушные и воздушно-тепловые завесы). Местная вытяжная вентиляция (местные отсосы) не дает вредным примесям распространяться по всему помещению и удаляет их непосредственно от мест выделения.

Аварийная вентиляция устраивается в производственных помещениях, в которых возможно внезапное поступление в воздух больших количеств вредных (токсичных) или взрывоопасных веществ. Выбор той или иной системы вентиляции определяется условиями обеспечения нормируемых параметров воздушной среды в помещениях [2].

Примеры решения задач

Задача 5.1. Определить затраты тепла S Q на отопление проектируемого здания локомотивного депо по его удельной тепловой характеристике, составляющей 0,7 Вт/м³ К.Объем отапливаемого здания равен 4000 м³. Температура воздуха в помещении составляет 18 ^оС. Температура наружного воздуха t_н = – 15 ^оС.

Решение.Расчет затрат тепла на отопление здания производим по формуле

(5.1)

где a – коэффициент учета района строительства здания, принимается по [3, табл. 11.7], a = 1,08; q_V – удельная тепловая характеристика здания, при отсутствии значения принимается по [3, прил. 6]; V_н – объем здания или отапливаемой его части, м³; t_в – средняя нормируемая температура воздуха в отапливаемых помещениях, ^оС,

кВт.

Задача 5.2. Для общественного здания определить величину удельной тепловой характеристики при следующих исходных данных: F = 500 м²; S = 120 м²; V_н = 1300 м³; d = 0,3.

Решение.Расчет q_V производим по формуле (5.2), учитывающей степень остекления,

, (5.2)

где d – степень остекления наружных стен здания в долях единицы; F – площадь наружных стен, м²; S – площадь здания в плане, м²; V_н – объем здания, м³,

Вт/м^{3? о}С.

Полученное значение q_V не отличается от приведенного в [3, прил. 6], т.е. здание считается отвечающим теплотехническим требованиям.

Задача 5.3. Определить тепловую мощность отопительной системы пассажирского купейного вагона с 36 пассажирами, если площадь ограждений составляет F = 220 м². Приведенный коэффициент теплопередачи через ограждения вагона k = 2,5 Вт/м² К. Температура воздуха в вагоне t_в = 20 ^оС; температура наружного воздуха t_н = –30 ^оС. Принять количество теплоты, выделяемой одним пассажиром, q_пас = 100 Вт/чел.

Решение.Тепловую мощность отопительной установки вагона Q_от для компенсации дефицита теплоты находим из уравнения теплового баланса:

, (5.3)

где Q_пот и Q_выд – соответственно теплопотери и тепловыделения, Вт.

Теплопотери через ограждающие конструкции вагона определяем по формуле

(5.4)

где k – коэффициент теплопередачи ограждений, Вт/м² К; F – площадь ограждений, м²; (t_в – t_н) – разность температур воздуха, К.

Расчет теплоты, выделяемой пассажирами в вагоне, производим по формуле

(5.5)

где N – количество пассажиров в вагоне.

Тогда

кВт.

Задача 5.4. Пассажирский купейный вагон имеет площадь ограждения F = 200 м². Приведенный коэффициент теплопередачи составляет 2,5 Вт/м² К. Температура наружного воздуха t_н = – 40 ^оС; температура воздуха в вагоне t_в = 20 ^оС. Коэффициент теплопередачи нагревательных приборов k_н = 10 Вт/м² К, при этом температура воды на входе в приборы t₂ = 90 ^оС, а на выходе t₁ = 70 ^оС. Определить площадь теплообменной поверхности отопительной системы вагона.

Решение.Необходимая поверхность нагревательных приборов определяется по аналогии с предыдущей задачей из уравнения теплового баланса теплопотерь и теплопоступлений:

(5.6)

Откуда

. (5.7)

Подставляя исходные данные, получим:

= 150 м².

Задача 5.5.Рассчитать калориферную установку в системе воздушного отопления производственного помещения для нагревания воздуха L = 28000 м³/ч с начальной температурой t_н = –18 ^оС до конечной t_к = 20 ^оС. Теплоноситель: вода с параметрами t_r = 130 ^оС и t_о = 70 ^оС.

Решение. Определяем плотность (объемная масса) воздуха при t_к = +20 ^оС:

кг/м³.

Расход тепла на нагревание воздуха, ккал/ч,

ккал/ч.

Задаемся массовой скоростью   = 8 кг/(м^2 с), при которой живое сечение, м², калориферной установки по воздуху

м².

По [3, прил. 17] принимаем калориферы модели КФС-9 с установкой их параллельно по воздуху

м².

Определяем фактическую массовую скорость, кг/(м² с), при параллельной установке калориферов:

кг/(м² с).

Скорость теплоносителя в трубках калориферов, м/с, при последовательном присоединении трубопровода

м/с.

По [3, прил. 19] для   = 9,6 кг/(м² с),  _mp = 0,137 м/с, коэффициент теплопередачи калорифера к = 20,8 ккал/(ч м^{2 о}С).

Определим требуемую поверхность нагрева, м², калориферной установки

где – средняя температура теплоносителя; t_СР – средняя температура воздуха,

м².

Находим количество подлежащих установке калориферов при поверхности нагрева одного калорифера КФС-9 F_к = 41,6 м²:

шт.

Принимаем к установке четыре калорифера, запас поверхности нагрева 11 %, что вполне допустимо.

Задача 5.7. В моечном отделении депо испаряются водяные пары в количестве 10 кг/ч. Температура наружного воздуха – 12 ^оС, внутреннего – 18 ^оС, относительная влажность – 80 %. Требуется определить необходимый воздухообмен для помещения.

Решение.По I – d диаграмме влажного воздуха [4] находим влагосодержание в наружном воздухе и внутри помещения: d_н = 7 г/кг и d_вн = 10,3 г/кг.

Из полученных данных определяем необходимый воздухообмен по формуле

,

кг/ч.

Задача 5.8. В цехе выделяется хлор. При нормальной работе оборудования кратность воздухообмена К_Рн = 14 ч ^–1. В случае нарушения технологического режима выделение хлора увеличивается в 10 раз, т.е. m = 10. Определить через какое время после устранения аварии концентрация хлора снизится до ПДК, если кратность воздухообмена аварийной вентиляции равна 6 ч^–1.

Решение.Определяем общую кратность воздухообмена во время аварии:

ч^–1.

Находим отношение:

Определяем время, за которое концентрация хлора снижается до ПДК по формуле [4]

(5.8)

где m – отношение количества вредных газов (паров), выделяющихся при аварии к их количеству при нормальном процессе; n – отношение кратности аварийной вентиляции к кратности при нормальной работе:

ч = 9,1 мин.

Следовательно, за 9,1 мин после аварии концентрация хлора будет снижена до ПДК при работе вентиляции.

Задача 5.9. По психрометру Ассмана t_c = 17 °C, t_м = 12 °C, р_б = 101325 Па, V = 0,2 м/с. Определить относительную влажность воздуха.

Решение.По таблице физических свойств воздуха находим парциальные давления насыщенных паров: при t_м = 12 ° C, р_нас = 1400 Па, при t_c = 17 °C, р_п.в. = 1920 Па [4]. Определяем парциальное давление, Па, паров воды в воздухе:

Па.

Находим относительную влажность воздуха по [4, формула (1.6)]:

На основании аналогичных расчетов составлены психрометрические таблицы для определения относительной влажности воздуха по показаниям температур сухого и мокрого термометра.

Задача 5.10. В помещении для кратковременного пребывания людей собралось 50 человек. Объем помещения V = 1000 м³. Определить, через какое время t после начала собрания нужно включить в работу приточно-вытяжную вентиляцию при следующих данных: количество СО₂, выделяемое одном человеком, 23 л/ч; допустимое содержание СО₂ в воздухе помещения х₂ = 2 л/м³; концентрация СО₂ в наружном (приточном) воздухе х₁ = 0,6 л/м³.

Решение. Определяем общее количество СО₂, выделяющегося в помещении от людей:

л/ч.

Находим по [4, формула (II.7)] t = V (х₂ – х₁)/G время включения в работу вентиляционной системы:

ч.

Следовательно, вентиляцию можно включить в работу через 1,21 ч (73 мин) после начала производственного собрания.

Задача 5.11. В помещении испытаний топливной аппаратуры депо требуется переместить 3000 м³/ч воздуха при полном расчетном давлении 35 кг/м². Подобрать тип вентилятора и определить мощность электродвигателя.

Решение.По исходным данным характеристики вентиляторов Ц4-70 в соответствии с [4] находим, что требуемые параметры могут быть обеспечены вентилятором № 5. На его характеристике находим пересечение вертикальной прямой, соответствующей производительности 3000 м³/ч, и горизонтальной прямой, соответствующей давлению 35 кг/м². Точка пересечения соответствует кпд вентилятора h _в = 0,69.

Мощность электродвигателя определяется по формуле

где L – производительность вентилятора, м³/ч; Р – давление, создаваемое вентилятором, кг/м²; h _в – кпд вентилятора; h _п – кпд передачи (при размещении вентилятора на одном валу с двигателем h _п = 1).

Подставляя исходные данные, получим:

кВт.

Задача 5.12. Воздухообмен, обеспечивающий удаление избытков теплоты в цехе локомотивного депо, составляет 185000 кг/ч. Определить площади приточных и вытяжных фрамуг, если расстояние между центрами фрамуг Н = 8 м, t_в = 23,3 ° С, t_ух = 31,3 ° С, t_н = 20,3 ° С. Соотношение площадей приточных F₁ и вытяжных F₂ фрамуг составляет 1,25.

Решение. По [4, формула (IХ.19)] определяем расстояние от нейтральной зоны до центра вытяжных фрамуг, для чего предварительно по известным температурам находим r _в = r _ух = 1,16 кг/м³ и r _н = 1,204 кг/м³

м.

Находим t_ср:

° С и кг/м³.

Вычисляем расстояние от нейтральной зоны до центра приточных отверстий

м.

По [4, формулы (IХ.16) и (IХ.17)] определяем величины площадей фрамуг:

м²;

м².

Задача 5.13. Рассчитать воздушную завесу у ворот локомотивного депо, выполненную по схеме с забором внутреннего воздуха и подачей его в завесу без подогрева. Размеры ворот: ширина В = 3,5 м, высота Н = 2,5 м. Расчетные температуры наружного и внутреннего воздуха соответственно составляют t_н = –20 ° С; t_в = –10 ° С;

Решение.По [4, формула (ХII.7)] находим максимальную скорость, м/с, у пола, принимая высоту расположения нейтральной зоны Z = 4 м:

м/с.

Вычисляем расход наружного воздуха, м³/ч, при бездействии завесы:

м³/ч.

Задаемся геометрическими размерами завесы: шириной щели в = 0,1 м; углом наклона струи к плоскости ворот a = 30° (при этом коэффициент a = 0,2).

По [4, график (ХII.5)] при а = 0,2, a = 30° и подаче воздуха через щель снизу j = 0,41.

Определяем характеристику завесы:

Задавшись кпд завесы ŋ = 0,6; находим расход воздуха на завесу, м³/ч,

м³/ч.

Определяем начальную скорость струи:

м/с.

Находим количество воздуха, входящего в помещение, м³/ч,

м³/ч.

Определяем температуру смеси, если воздух завесы не подогревается:

° С.

Повысим температуру завесы до t_см = 0 ° С путем подогрева воздуха и определим начальную температуру воздуха:

° С.

Расход теплоты на подогрев воздуха калориферами составит

ккал/ч.

Определим расход воздуха при t_см = 0 ° С:

м³/ч.

Найдем кпд завесы при новых условиях:

Задача 5.14. Рассчитать воздушно-тепловую завесу для административного здания локомотивного депо при заборе внутреннего воздуха на завесу. Исходные данные: t_н = –26 ° С; r _н = 1,43 кг/м³; h_л.к = 9 м; t_в = 16 °С; r _в = 1,22 кг/м³; h_эт = 3 м; Н_дв = 2,5 м; F_вх = 2 м²; количество проходящих людей n = 1000 чел/ч; К = 0,38; m _вх = 0,1 для входных вращающихся дверей; t_у = 50° С.

Решение. Определяем количество наружного воздуха, поступающего через вход в здание по формуле

кг/ч.

Находим расход воздуха на завесу, кг/ч,

кг/ч.

Определяем расход теплоты, Вт, на воздушно-тепловую завесу:

Вт.

Задача 5.15. Рассчитать очистку запыленного воздуха в рукавных фильтрах, если объем воздуха Q составляет 35000 м³/ч. Подобрать марку рукавного фильтра, определить их необходимое число и воздушную нагрузку.

Решение. Задаемся удельной воздушной нагрузкой на ткань фильтра q= 50 м³/м² ч.

Определяем необходимую величину фильтрующей поверхности, м²,

м².

По [5, табл. ХI.6] принимаем к установке рукавный фильтр марки ФВК-90, рабочая фильтрующая поверхность которого составляет 75 м², и тогда потребное число фильтров составит

шт.

Принимаем к установке 10 рукавных фильтров с общей фильтрующей поверхностью 900 м² и рабочей поверхностью

м².

Фактическая воздушная нагрузка на ткань фильтра составит

м³/м² ч,

т.е. очень близка к заданной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.04.05-86. Отопление, вентиляция и кондиционирование.