Задачи теплового и гидравлического расчетов в системах отопления

Задачей теплового расчета является определение необходимой площади поверхности нагрева водоподогревателя при заданной тепловой производительности, конструкции и известных температурах греющей и нагреваемой сред на входе в водоподогреватель и на выходе из него.

Площадь поверхности нагрева, м², определяют по формуле:

,

где Q -тепловая производительность, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт; t_cp средняя разность температур греющего и нагреваемого теплоносителя, °С.

В процессе эксплуатации подогревателя происходит отложение накипи на трубках. Особенно интенсивно откладывается накипь на внутренней поверхности трубок подогревателей, нагревающих воду для системы горячего водоснабжения. Водопроводная вода, проходящая по трубкам, не подвергается, как правило, химической очистке от солей жесткости. В процессе нагрева водопроводной воды соли жесткости выпадают в осадок, образуя слой накипи. При этом значение коэффициента теплопередачи снижается по сравнению с расчетным значением.

По данным ОРГРЭС, значение коэффициента, учитывающего термическое сопротивление слоя накипи, следует принимать равным 0,85. Количество циркулирующего теплоносителя определяется по формуле:

где ∆t- расчетная разность температур, которая принимается в зависимости от принятого температурного графика отпуска теплоты и вида подключенной нагрузки. Так, например, при графике 150/70 °С расчетная разность температур для отопительной нагрузки ∆t₀= 150 - 70 = 80 °С, вентиляции ∆t_B = 80 °С, горячего водоснабжения при закрытой независимой схеме ∆t_ГB= 65 - 25 = 40 °С.

В задачу гидравлического расчета тепловых сетей входит:

- определение диаметров трубопроводов, потерь давления и конечных параметров теплоносителя в различных точках сети при заданных расходах и начальных параметрах теплоносителя;

- определение пропускной способности трубопроводов, падения давления в сети при известном диаметре трубопроводов и заданной потере давления.

Гидравлический расчет радиальных тупиковых сетей выполняется при помощи номограмм и таблиц, а сложных и кольцевых - на ЭВМ по специальным программам. Критерием для определения оптимального диаметра тепловых сетей являются удельные потери давления и скорость движения воды в трубопроводах.

Полное гидравлическое сопротивление тепловых сетей состоит из суммы линейных и местных потерь давления:

где ∆Н_тр , ∆Н_м - потери давления на трение и в местных сопротивлениях, определяемые следующим образом

Удельные потери давления (∆h) определяют по формуле

или

где λ- коэффициент сопротивления трения; V- скорость теплоносителя, м/с; ускорение свободного падения g= 9,8 м/с²; D- внутренний диаметр трубы, м; γ - удельная плотность теплоносителя кг/м³.

Приведенная длина трубопровода

или

где l_э - эквивалентная длина местных сопротивлений, ξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений;α - поправочный коэффициент на длину трубопровода для учета местных сопротивлений.

Скорость движения теплоносителя определяется по формуле:

Здесь G- суммарный расход теплоносителя на расчетном участке. Гидравлический расчет выполняется в следующей последовательности:

· выбирается основная расчетная магистраль до наиболее удаленного потребителя;

· принимаются удельные потери давления на трение для магистральных сетей ∆h< 0,8 МПа (8 кгс/см²);

· по таблицам (номограммам) для гидравлическою расчета определяются диаметры трубопроводов и уточняются действительные удельные потери давления на трение и скорость по участкам основной расчетной магистрали, которая не должна превышать V= 2,5... 3 м/с.

· Результаты гидравлического расчета представляются в табличной форме, на расчетной схеме и в виде пьезометрического графика. Они являются исходной базой для:

· определения объема работ и капитальных вложений в тепловые сети;

· выяснения условий и режимов эксплуатации тепловых сетей;

· установления характеристик и выбора сетевых и подпиточных насосов;

· определения схем подключения индивидуальных тепловых пунктов потребителей.

· Тепловой расчет выполняется с целью определения тепловых потерь, падения температуры теплоносителя и выбора конструкции тепловой изоляции теплопровода. При расчете потерь теплоты необходимо учитывать: способ прокладки, глубину заложения, температуру и свойства грунта, расстояние между трубопроводами, температуру теплоносителя.

Удельные потери теплоты можно определить по формуле

где к - коэффициент теплопередачи - определяется по выражению

где R_из, R_тр, R_об, R_мт - термическое сопротивление соответственно изоляции, трубы, оболочки, грунта и взаимного теплообмена.

Термическое сопротивление отдельных элементов тепловой сети определяется следующим образом:

– изоляции

– трубы

– оболочки

– грунта

– взаимного теплообмена труб

где D₁ и D- внутренний и внешний диаметры оболочки, м; d₁ и d- внутренний и внешний диаметры трубы, м; λ_из, λ_тр, λ_об, λ_мт- теплопроводность материалов изоляции, труб, оболочки и грунта, Вт/(м°С); z- глубина укладки труб по осевой линии, м; С-расстояние между осевыми линиями двух смежных труб, м.

Для ускорения расчетов в специально разработанных справочных таблицах приводятся значения коэффициента теплопередачи или удельных тепловых потерь. Тогда суммарные потери теплоты определяются следующим образом:

где к_мп -коэффициент учитывающий местные теплопотери; l_i - длина i-го участка тепловой сети, м; q_i - удельные тепловые потери на i-м участке теплопровода, Вт/м.

Системы вентиляции

Вентиляцией называется совокупность мероприятий и устройств, используемых при организации воздухообмена для обеспечения заданного состояния воздушной среды в помещениях и на рабочих местах в соответствии со СНиП. Системы вентиляции обеспечивают поддержание допустимых метеорологических параметров в помещениях различного назначения. При всём многообразии систем вентиляции, обусловленном назначением помещений, характером технологического процесса, видом вредных выделений и т. п., их можно классифицировать по следующим характерным признакам:

По способу создания давления для перемещения воздуха: с естественным и искусственным (механическим) побуждением.

По назначению: приточные и вытяжные.

По зоне обслуживания: местные и общеобменные.

По конструктивному исполнению: канальные и бесканальные.

Естественная вентиляция. Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит: вследствие разности температур наружного (атмосферного) воздуха и воздуха в помещении, так называемой аэрации; вследствие разности давлений «воздушного столба» между нижним уровнем (обслуживаемым помещением) и верхним уровнем - вытяжным устройством (дефлектором), установленным на кровле здания; в результате воздействия так называемого ветрового давления.

Аэрацию применяют в цехах со значительными тепловыделениями, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30% предельно допустимой в рабочей зоне. Аэрацию не применяют, если по условиям технологии производства требуется предварительная обработка приточного воздуха или если приток наружного воздуха вызывает образование тумана или конденсата.

В помещениях с большими избытками тепла воздух всегда теплее наружного. Более тяжёлый наружный воздух, поступая в здание, вытесняет из него менее плотный тёплый воздух. При этом в замкнутом пространстве помещения возникает циркуляция воздуха, вызываемая источником тепла, подобная той, которую вызывает вентилятор.

В системах естественной вентиляции, в которых перемещение воздуха создаётся за счёт разности давлений воздушного столба, минимальный перепад по высоте между уровнем забора воздуха из помещения и его выбросом через дефлектор должен быть не менее 3 м. При этом рекомендуемая длина горизонтальных участков воздуховодов не должна быть более 3 м, а скорость воздуха в воздуховодах - не превышать 1 м/с.

Воздействие ветрового давления выражается в том, что на наветренных (обращённых к ветру) сторонах здания образуется повышенное, а на подветренных сторонах (а иногда и на кровле) - пониженное давление (разрежение).

Если в ограждениях здания имеются проёмы, то с наветренной стороны атмосферный воздух поступает в помещение, а с заветренной — выходит из него, причём скорость движения воздуха в проёмах зависит от скорости ветра, обдувающего здание, и соответственно от величин возникающих разностей давлений.

Системы естественной вентиляции просты и не требуют сложного дорогостоящего оборудования и расхода электрической энергии. Однако зависимость эффективности этих систем от переменных факторов (температуры воздуха, направления и скорости ветра), а также небольшое располагаемое давление не позволяют решать с их помощью все сложные и многообразные задачи в области вентиляции.

Механическая вентиляция. В механических системах вентиляции используются оборудование и приборы (вентиляторы, электродвигатели, воздухонагреватели, пылеуловители, автоматика и др.), позволяющие перемещать воздух на значительные расстояния. Затраты электроэнергии на их работу могут быть довольно большими. Такие системы могут подавать и удалять воздух из локальных зон помещения в требуемом количестве, независимо от изменяющихся условий окружающей воздушной среды. При необходимости воздух подвергают различным видам обработки (очистке, нагреванию, увлажнению и т. д.), что практически невозможно в системах с естественным побуждением. Следует отметить, что в практике часто предусматривают так называемую смешанную вентиляцию, т. е. одновременно естественную и механическую вентиляцию. В каждом конкретном проекте определяется, какой тип вентиляции является наилучшим в санитарно-гигиеническом отношении, а также экономически и технически более рациональным.

Приточная вентиляция. Приточные системы служат для подачи в вентилируемые помещения чистого воздуха взамен удалённого. Приточный воздух в необходимых случаях подвергается специальной обработке (очистке, нагреванию, увлажнению и т. д.).

Вытяжная вентиляция. Вытяжная вентиляция удаляет из помещения (цеха, корпуса) загрязнённый или нагретый отработанный воздух. В общем случае в помещении предусматриваются как приточные, так и вытяжные системы. Их производительность должна быть сбалансирована с учётом возможности поступления воздуха в смежные помещения или из смежных помещений. В помещениях может быть также предусмотрена только вытяжная или только приточная система. В этом случае воздух поступает в данное помещение снаружи или из смежных помещений через специальные проёмы или удаляется из данного помещения наружу, или перетекает в смежные помещения. Как приточная, так и вытяжная вентиляция может устраиваться на рабочем месте (местная) или для всего помещения (общеобменная).

Местная вентиляция. Местной вентиляцией называется такая, при которой воздух подают на определённые места (местная приточная вентиляция) и загрязнённый воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция) (рис. 14.5, 14.6).

Местная приточная вентиляция. К местной приточной вентиляции относятся воздушные души (сосредоточенный приток воздуха с повышенной скоростью). Они должны подавать чистый воздух к постоянным рабочим местам, снижать в их зоне температуру окружающего воздуха и обдувать рабочих, подвергающихся интенсивному тепловому облучению. К местной приточной вентиляции относятся воздушные оазисы — участки помещений, отгороженные от остального помещения передвижными перегородками высотой 2-2,5 м, в которые нагнетается воздух с пониженной температурой.

Рис. 14. 5. Схема местной вытяжной вентиляции

Местную приточную вентиляцию применяют также в виде воздушных завес (у ворот, печей и пр.), которые создают как бы воздушные перегородки или изменяют направление потоков воздуха. Местная вентиляция требует меньших затрат, чем общеобменная. В производственных помещениях при выделении вредностей (газов, влаги, теплоты и т. п.) обычно применяют смешанную систему вентиляции — общую для устранения вредностей во всём объёме помещения и местную (местные отсосы и приток) для обслуживания рабочих мест.

Местная вытяжная вентиляция. Местную вытяжную вентиляцию применяют, когда места выделений вредностей в помещении локализованы и можно не допустить их распространение по всему помещению. Местная вытяжная вентиляция в производственных помещениях обеспечивает улавливание и отвод вредных выделений: газов, дыма, пыли и частично выделяющегося от оборудования тепла. Для удаления вредностей применяют местные отсосы (укрытия в виде шкафов, зонты, бортовые отсосы (рис. 14.7), завесы, укрытия в виде кожухов у станков и др.).

Рис. 14.6. Простейшие схемы вытяжной вентиляции: 1 — утеплённый клапан; 2 — вентилятор; 3 — лопасти вентилятора; 4 — вытяжная шахта; 5 — шибер; 6 — электродвигатель; 7 — вытяжная сеть

Рис. 14.7. Бортовые отсосы

Основные требования, которым должны удовлетворять местные отсосы (рис. 14.8):

Место образования вредных выделений по возможности должно быть полностью укрыто. Конструкция местного отсоса должна быть такой, чтобы отсос не мешал нормальной работе и не снижал производительность труда. Вредные выделения необходимо удалять от места их образования в направлении их естественного движения (горячие газы и пары надо удалять вверх, холодные тяжелые газы и пыль - вниз). Конструкции местных отсосов условно делят на три группы:

Рис. 14.8. Местные отсосы

Полуоткрытые отсосы (вытяжные шкафы, зонты (рис. 14.9). Объёмы воздуха определяются расчётом.

Открытого типа (бортовые отсосы). Отвод вредных выделений достигается лишь при больших объёмах отсасываемого воздуха (см. рис. 14.7).

При устройстве местной вытяжной вентиляции для улавливания пылевыделений удаляемый из цеха воздух, перед выбросом его в атмосферу, должен быть предварительно очищен от пыли. Наиболее сложными вытяжными системами являются такие, в которых предусматривают очень высокую степень очистки воздуха от пыли с установкой последовательно двух или даже трёх пылеуловителей (фильтров).

Рис. 14.9.Зонты-козырьки у нагревательных печей: а - у щелевого отверстия при выпуске через него продуктов горения; б - у отверстия, снабжённого дверкой при выпуске продуктов горения через газовые окна

Местные вытяжные системы, как правило, весьма эффективны, так как позволяют удалять вредные вещества непосредственно от места их образования или выделения, не давая им распространиться в помещении. Благодаря значительной концентрации вредных веществ (паров, газов, пыли), обычно удаётся достичь хорошего санитарно-гигиенического эффекта при небольшом объёме удаляемого воздуха.

Однако местные системы не могут решить всех задач, стоящих перед вентиляцией. Не все вредные выделения могут быть локализованы этими системами. Например, когда вредные выделения рассредоточены на значительной площади или в объёме; подача воздуха в отдельные зоны помещения не может обеспечить необходимые условия воздушной среды, то же самое, если работа производится на всей площади помещения или её характер связан с перемещением и т. д. Общеобменные системы вентиляции - как приточные, так и вытяжные, - предназначены для осуществления вентиляции в помещении в целом или в значительной его части. Общеобменные вытяжные системы относительно равномерно удаляют воздух из всего обслуживаемого помещения, а общеобменные приточные системы подают воздух и распределяют его по всему объёму вентилируемого помещения.

Общеобменная приточная вентиляция. Общеобменная приточная вентиляция устраивается для ассимиляции избыточного тепла и влаги, разбавления вредных концентраций паров и газов, не удалённых местной и общеобменной вытяжной вентиляцией, а также для обеспечения расчётных санитарно-гигиенических норм и свободного дыхания человека в рабочей зоне. При отрицательном тепловом балансе, т. е. при недостатке тепла, общеобменную приточную вентиляцию устраивают с механическим побуждением и с подогревом всего объёма приточного воздуха. Как правило, перед подачей воздух очищают от пыли. При поступлении вредных выделений в воздух цеха количество приточного воздуха должно полностью компенсировать общеобменную и местную вытяжную вентиляцию.

Общеобменная вытяжная вентиляция. Простейшим типом общеобменной вытяжной вентиляции является отдельный вентилятор (обычно осевого типа) с электродвигателем на одной оси, расположенный в окне или в отверстии стены. Такая установка удаляет воздух из ближайшей к вентилятору зоны помещения, осуществляя лишь общий воздухообмен. Когда вредными выделениями в цехе являются тяжёлые газы или пыль и нет тепловыделений от оборудования, вытяжные воздуховоды прокладывают по полу цеха или выполняют в виде подпольных каналов. В промышленных зданиях, где имеются разнородные вредные выделения (теплота, влага, газы, пары, пыль и т. п.) и их поступление в помещение происходит в различных условиях (сосредоточено, рассредоточено, на различных уровнях и т. п.), часто невозможно обойтись какой-либо одной системой, например, местной или общеобменной.

В некоторых случаях установка имеет протяжённый вытяжной воздуховод. Если длина вытяжного воздуховода превышает 30-40 м и соответственно потери давления в сети составляют более 30-40 кг/м², то вместо осевого вентилятора устанавливается вентилятор центробежного типа. В таких помещениях для удаления вредных выделений, которые не могут быть локализованы и поступают в воздух помещения, применяют общеобменные вытяжные системы. В определённых случаях в производственных помещениях, наряду с механическими системами вентиляции, используют системы с естественным побуждением, например, системы аэрации.

Канальная и бесканальная вентиляция. Системы вентиляции имеют разветвлённую сеть воздуховодов для перемещения воздуха (канальные системы), либо каналы (воздуховоды) могут отсутствовать, например, при установке вентиляторов в стене, в перекрытии, при естественной вентиляции и т. д. (бесканальные системы). Таким образом, любая система вентиляции может быть охарактеризована по указанным выше четырём признакам: по назначению, зоне обслуживания, способу перемешивания воздуха и конструктивному исполнению.

Максимальные тепловые потоки на отопление Q_omax, вентиляцию Q_vmax и горячее водоснабжение Q_hmax жилых, общественных и производственных зданий следует принимать при проектировании тепловых сетей по соответствующим проектам. Тепловые потоки при отсутствии проектов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения определяются:

- для предприятий – по укрупненным ведомственным нормам, утвержденным в установленном порядке, либо по проектам аналогичных предприятий;

- для жилых районов городов и других населенных пунктов – по формулам:

а) максимальный тепловой поток на отопление жилых и общественных зданий, Вт

б) максимальный тепловой поток на вентиляцию общественных зданий, Вт

в) средний тепловой поток на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий, Вт:

г) максимальный тепловой поток, Вт, на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий

Здесь К₁– коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий; при отсутствии данных K₁ следует принимать равным 0,25; K₂ – коэффициент, учитывающий тепловой поток на вентиляцию общественных зданий; при отсутствии данных K₂ следует принимать равным: для общественных зданий, построенных до 1985 г., 0,4, после 1985 г. – 0,6.