Системы центрального отопления промышленнных зданий

4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Системы центрального отопления, размещаемые в отапливаемых зданиях, как правило, получают теплоту из тепловых сетей центральных теплогенерирую-щих станций (источников тепла) и включают в свой состав отопительные приборы (устройства) для подогрева внутреннего воздуха; коммуникации для подвода теплоносителя к отопительным устройствам и отвода его от них в тепловую сеть; вентиляторы, струйные и центробежные насосы для смешения и перемещения теплоносителей; расходомеры, термометры и манометры для учета отпуска тепла; авторегуляторы, регулирующую и запорную арматуру для приведения в соответствие теплопритоков и теплопотерь помещения.

В практике отопления производственных цехов наибольшее распространение получили системы воздушного, водяного и парового отопления, которые выбирают исходя из назначения отапливаемого помещения, характера протекающих в нем технологических процессов, сопоставления технико-экономических показателей каждой из систем.

4.2. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Системы воздушного отопления (рис. 4.1) разделяются на центральные и местные. В центральных системах, используемых для отопления крупных цехов, воздух в количестве, L_o м³/ч из цеха мощными вентиляторами, устанавливаемыми в отопительных центрах за пределами отапливаемого помещения, отбирают через воздуховод и направляют в размещаемые в отопительном центре, группы паровых или водяных калориферов (при необходимости в отопительном центре воздух может проходить очистку в фильтрах). Проходя через калориферы, воздух нагревается до температуры t_в^п более высокой, чем требуется для рабочей зоны t_вр. Подогрев осуществляют за счет теплоты, подводимой к калориферам от внешнего источника паром или горячей водой. Подвод теплоносителя производится по подающему, а отвод - по обратному трубопроводу. Подогретый воздух поступает в цех через воздухораспределители, выполненные [10] в виде цилиндрической трубы, трубы с конфузором, сеткой и др. Воздухораспределители, как правило, позволяющие изменять угол подачи струи в вертикальной плоскости, размещаются на боковых или торцевых стенах цеха и выпускают воздух одной или несколькими компактными струями со скоростью w₀ = (6 -15), м/с.

Выпуск воздуха из воздухораспределителей осуществляется на высоте 0,85*Н, если Н<8 м, и на высоте (0,35 - 0,65)Н, если Н>8 м.

Рис 4.1. Схема системы воздушного отопления : а - центральная система ; б - местная система ; 1 - отапливаемое помещение; 2 - воздуховод для забора воздуха из помещения; 3 - вентилятор ; 4 - воздуховод для забора наружного воздуха; 5 - калорифер ; б - воздуховод подогретого воздуха; 7 - воздухораспределитель; 8 и 9 - трубопроводы для подвода и отвода теплоносителя ; 10 -воздуховод вытяжной вентиляции

В помещении подогретый воздух отдает свою теплоту Q^пр_о, внутреннему, компенсируя теплопотери цеха в окружающую среду. Охладившийся воздух вновь отводится для подогрева в отопительные центры.

Если из цеха через воздуховод вытяжной вентиляции отводится наружу загрязненный воздух в количестве L_вых, то в систему воздушного отопления забирается также наружный воздух в количестве L_пр=L_выт с температурой t_H, а забор в нее воздуха из помещения сокращается до L_pец=L_o-L_np. При L_np>L₀ воздух из помещения в систему воздушного отопления не поступает совсем, и она полностью совмещается с системой приточной вентиляции.

В местных системах воздушного отопления (рис. 4.1 б) в каждом производственном помещении устанавливают несколько (не менее двух) воздушно-отопительных агрегатов. Воздушно-отопительный агрегат включает в свой состав вентилятор с электроприводом и паровой или водяной калорифер. Агрегаты подвешивают на колоннах здания или же устанавливают на полу цеха. Вентилятор забирает воздух в количестве L_агр, непосредственно из рабочей зоны а через короткий воздухозаборный патрубок, прогоняет его через калорифер, где он нагревается до температуры t_в^п, и выбрасывает в цех через воздуховод и установленный на нем воздухораспределитель несколько выше верхней границы рабочей зоны. Теплоноситель к калориферу подводят от внешнего источника по подающему, а отводят по обратным трубопроводам.

Системы воздушного отопления малоинерционны и позволяют получать тепловой эффект сразу после включения в работу, а также быстро и точно регулировать количество отпускаемой теплоты. Обеспечивая интенсивное перемешивание воздуха в помещении, они позволяют поддерживать стабильные и равномерные значения температуры внутреннего воздуха по всей площади огромных производственных цехов. Затраты металла на изготовление калориферов для местного воздушного отопления в 3 - 4 раза ниже, чем для нагревательных приборов водяного. Удобства и простота совмещения систем центрального воздушного отопления и приточной вентиляции повышают их экономичность.

Перечисленные факторы привели к тому, что системы воздушного отопления являются доминирующими в производственных цехах промышленных предприятий с взрыво- и пожароопасными производствами, а также при больших объемах и площадях цехов. В цехах с повышенными требованиями к качеству воздуха в помещении или с выделением невзрывоопасной и невоспламеняющейся пыли используют системы воздушного отопления, совмещенные с системами приточной вентиляции.

При расчетах централизованных систем воздушного отопления, исходя из размеров цеха (рис. 4.2) и уровня требований к температурному режиму в его помещениях, выбирают тип воздухораспределителей и схему их установок (одностороннее расположение, встречные параллельные струи или какую-нибудь другую). Из [10] находят для принятой конструкции воздухораспределителей коэффициенты затухания скорости m_c и снижения температуры n_с при движении истекающей из них струи.

Соблюдая условие, что шаг расстановки воздухораспределителей на стене не должен превышать утроенной высоты цеха b_в<3*Н, определяют необходимое их количество М_в, и из [10] - значение относительной скорости w при принятом количестве воздухораспределителей. В соответствии с размерами цеха, принятой схемой и шагом установки воздухораспределителей определяют площадь сечения помещения, приходящуюся на каждую струю f_nc=b_B*H, м², и необходимую длину струи 1_С, м. Проводят проверку принятой длины струи на обеспечение необходимого снижения ее скорости и температуры. Для этого длина струи должна находиться в пределах

Рис. 4.2. Схема размещения воздухораспределителей или воздушно-отопительных агрегатов на плане помещения: а - параллельные воздушные струи; б - встречные струи; 1 - воздухораспределитель или воздушно-отопительный агрегат.

Если соотношение (4.1) не выполнено, то изменяют шаг или схему установки воздухораспределителей и расчет повторяют, а если выполнено, то определяют необходимую площадь выходного сечения каждого воздухораспределителя f_o, м²:

где w_вр - оптимальная скорость движения воздуха в рабочей зоне, м/с (табл. 2.1); w_о - скорость истечения струи из выходного сечения воздухораспределителя, м/с; w - относительная скорость воздуха в обратном потоке [10].

Количество воздуха, истекающего из воздухораспределителя L_вp=f_ow_o.

Максимальная температура подогрева воздуха f_в^пр °С, для компенсации теплопотерь цеха (Q^пр_ор, возникающих при расчетной по параметрам группы Б температуре наружного воздуха t^Б_нх и минимальных внутренних тепловыделениях, поступающих в помещение, Q^тв_min:

где а_в - коэффициент, принимаемый а_в=1,1, если воздух, направляемый в отопительный центр, отбирается из рабочей зоны помещения, и а_в= 1,3 - если он из верхней зоны;

- теплоемкость внутреннего воздуха при р_в- плотность внутреннего воздуха при t_cр кг/м³ .

При изменении температуры наружного воздуха t_H и величины внутренних тепловыделений Q_тв необходимую температуру подогрева воздуха в калориферах определяют по формуле

При t_H=t^Б_х по найденным значениям L_вр, М_в, t_в^пр и t_вр, принятым значениям расчетных температур горячей _1ор и охладившейся _2ор воды, ее теплоемкости с и расходу G_op, кг/с, вычисленному из соотношения (4.5) при использовании водяных калориферов

или по принятым расчетным значениям энтальпии греющего пара h_пр, кДж/кг, отводимого из калориферов конденсата h_K, кДж/кг, и подсчитанному по выражению (4.5 а) его расходу D_op, кг/с при использовании паровых калориферов

определяют [5,10] диаметры воздуховодов, потери давления в потоке движущегося через них воздуха, число и типоразмеры устанавливаемых вентиляторов, а также необходимую суммарную площадь поверхности нагрева F_кал, м², устанавливаемых калориферов:

где К_кр - расчетный коэффициент теплопередачи калориферов, , в водяных калориферах в паровых - расчетная разность температур между теплоносителями в калориферах, °С, в водяных и в паровых калориферах; - опытные коэффициенты и показатели, принимаемые по [4]; - массовая скорость движения воздуха через калорифер, кг/(м с); w - скорость движения воды по трубкам калорифера, м/с; t, - температура насыщенного пара, поступающего в калорифер, °С.

При расчетах местных систем воздушного отопления предварительно выбирают типоразмер устанавливаемых в цехе воздушно-отопительных агрегатов и по [10] определяют их расчетную теплопроизводительность Q^p_aгp и воздухопроизво-дительность L^р_агр а также конструкцию установленного воздухораспределителя и скорость выхода воздуха из воздухораспределителя w₀. Затем определяют необходимое число отопительных агрегатов М_агр, путем округления в сторону ближайшего целого числа значения М_агр, полученного как

Фактически необходимую расчетную тепловую нагрузку отопительного агрегата , кВт, определяется как

С учетом размеров отапливаемого помещения, числа устанавливаемых воздушно-отопительных агрегатов и принятой схемы их установки подсчитывают площадь сечения помещения, приходящуюся на каждый агрегат f_пс=b_в*H, м², и определяют максимальное значение температуры t_в^пр, ^оС, нагретого воздуха, подаваемого из отопительного агрегата в помещение:

Вычисленное значение t_в^пр сравнивают со значением максимально допустимой температуры t_в^{п max} воздуха,подаваемого отопительным агрегатом:

где - площадь выходного сечения воздухораспределителя, м².

Если ,то необходимо увеличить число воздушно-отопительных агрегатов, устанавливаемых в цехе, и повторить расчеты. При изменении температуры наружного воздуха t_H и количества теплоты, поступающей в цех за счет внутренних тепловыделений О_тв,температура подогретого воздуха t_в^п, ^оС, выходящего из отопительного агрегата в цех, должна быть

4.3. СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Системы водяного отопления (рис. 4.3) промышленных зданий получают теплоту от источников теплоснабжения с водой, нагретой до температуры _1о, и транспортируемой по подающей трубе внешней тепловой сети. Охлажденная вода температурой _2о возвращается к источнику теплоснабжения по обратной трубе тепловой сети. При необходимости для снижения температуры воды, подаваемой в отопительные приборы, до значений _3о, на вводе в здание, размещают центробежный или водоструйный насосы, которые смешивают воду из подающей и обратной трубы. Предельно допустимое максимальное значение _3ор (табл. 4.1) определяется уровнем санитарно-гигиенических требований к помещению, в котором установлены отопительные приборы.

Рис.4.3. Схемы систем водяного отопления: а - вертикальная однотрубная проточная с нижней разводкой; б-то же, но проточно - регулируемая с верхней разводкой; в - то же, но с замыкающим участком и верхней разводкой; г - горизонтальная однотрубная; д - вертикальная двухтрубная с верхней разводкой; la и 16- соответственно подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; 2 - отопительный прибор;3 -разводящая труба системы отопления здания; 4 - стояк; 5 - запорная и регулирующая арматура; 6 - водоструйный или центробежный насос; 7 -устройство для выпуска воздуха из системы отопления

В отопительные приборы, размещаемые в помещениях отапливаемого здания, горячая вода подводится от смесительных насосов через систему горизонтальных разводящих труб и вертикальных стояков. Для изменения расходов воды, проходящей через приборы, а следовательно, и для регулирования их тепловой мощности отопительная система включает в свой состав регулирующую арматуру. Выпуск воздуха, накапливающегося в отопительной системе, осуществляется чере: воздушники.

Таблица 4.1

Рекомендуемые максимальные значения температур греющей воды на входе и на выходе из отопительных приборов [4]

На промышленных предприятиях применяют системы отопления с искусственной циркуляцией теплоносителя. По схеме соединения между собой отопительных приборов, стояков и разводящих труб различают:

1) однотрубные (рис. 4.3 а, б, в, г) - это системы, в которых вода поступает в отопительный прибор и отводится из него по одному стояку, причем несколько приборов присоединяются к стояку последовательно, а стояки к разводящим трубам - параллельно друг другу. Однотрубные системы выполняют проточными, проточно-регулируемыми и с замыкающими участками. В этих системах средняя температура воды каждого k-го прибора индивидуальна [5]

где - понижение температуры воды на пути от смесительного насоса до точки подключения данного стояка, °С; - суммарная тепловая нагрузка приборов, расположенных до данного прибора по направлению движения воды, кВт; - сумма дополнительных потерь теплоты трубами стояка, подводок и отводок от приборов до рассматриваемого помещения, кВт; Q_прк - тепловая нагрузка рассматриваемого k-го отопительного прибора, кВт; а_пр- коэффициент затекания воды в данный прибор; G_ст - расход воды через рассматриваемый стояк, кг/с; теплоемкость воды;

2) двухтрубные (рис. 4.3д) - это системы, в которых вода поступает в прибор из одного стояка, а отводится в другой. Все пары стояков подключаются к разводящим линиям параллельно. И приборы включаются между ними тоже параллельно. В .двухтрубных системах средняя температура любого прибора _срк, °С, практически одинакова:

Как однотрубные, так и двухтрубные системы можно выполнять как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. Если разводящие трубы, по которым подводится горячая вода, подключены к стоякам выше места присоединения верхних приборов, то эта система с <верхней разводкой>, а если ниже нижних приборов, то это система с <нижней разводкой>. Однотрубные системы отопления требуют меньше труб, они проще в монтаже, обладают более устойчивым гидравлическим и тепловым режимом, но глубина и точность регулирования отпуска теплоты их отопительными приборами ниже, а площадь поверхности нагрева приборов выше, чем у двухтрубных. Наиболее просты и дешевы проточные однотрубные системы, однако регулировка их, особенно в протяженных системах, затруднена.

Системы проточно-регулируемые или с замыкающими участками обладают более гибкой регулировкой, но требуют большей площади поверхности отопительных приборов. Вертикальные однотрубные системы используют в зданиях с высотой более трех этажей.

Горизонтальные системы используют в протяженных зданиях, в зданиях с ленточным остеклением и там, где на каждом этаже требуется поддерживать индивидуальный тепловой режим.

Отопительные приборы размещают в помещении вдоль нижней части боковых наружных ограждений, предпочтительно под оконными проемами. Соприкасаясь с воздухом помещений, они за счет конвекции и излучения передают ему теплоту, отбираемую от горячей воды, проходящей через прибор. Потоки нагретого воздуха, поднимаясь от приборов вверх вдоль наружных ограждений, предохраняют помещение от проникновения в него холодных потоков воздуха и компенсируют его тепло потери. В качестве отопительных приборов наиболее широко используют:

- регистры, выполненные из нескольких гладких стальных труб диаметром от 100 до 200 мм, расположенных горизонтально друг над другом. Они просты в изготовлении, их легко очищают от пыли; они выдерживают давление воды до 1,5 - 2,0 МПа. Однако регистры дороги и занимают много места. Их широко используют в промышленных помещениях категории А, Б, В особенно при значительных выделениях пыли и применении греющей воды высокой температуры;

- ребристые чугунные трубы, используемые в качестве отопительных приборов, позволяющие разместить значительную поверхность в ограниченном пространстве и применить греющую воду повышенной температуры. Применение этих приборов оправдывается в помещениях с незначительными выделениями пыли, так как накапливающаяся между ребрами пыль, пригорая при высокой температуре воды, выделяет в помещение продукты своего разложения;

- чугунные радиаторы, собираемые из отдельных секций со сравнительно ровной наружной поверхностью, не собирающей пыль из воздуха. Каждая секция, помимо вертикальных полых колонн, внутри которых проходит греющая вода, имеет верхние и нижние головки с резьбовыми отверстиями. Используя резьбовые ниппели, из нескольких отдельных секций собирают единый радиатор необходимой поверхности. Чугунные радиаторы выдерживают давление до 0,6 МПа. Высокие санитарно-гигиенические свойства обусловили их широкое применение для отопления вспомогательных, административных и бытовых помещений предприятий, а также жилых и общественных зданий;

- конвекторы, выполняемые из стальных труб d=15-20 мм с оребрением из ленточной стали с шагом ребер 20 мм и высотой 80-100 мм. Обладая малыми габаритами и способностью выдерживать высокие давления, они успешно конкурируют и вытесняют чугунные радиаторы, в помещениях с малым выделением пыли.

На разводящих линиях, стояках и подводках к приборам отопительных систем устанавливают запорно-регулирующую арматуру.

На каждой ветви разводящих труб размещают проходные краны или задвижки, позволяющие отключать ветвь для ремонта При температуре теплоносителя выше 100 °С вместо кранов устанавливают клапаны.

В горизонтальных системах установка запорных кранов должна позволять отключить систему любого этажа от общей системы.

При высоте здания более трех этажей необходима установка проходных кранов или клапанов для отключения каждого этажа.

На подводках к отопительным приборам регулирующие, краны устанавливают в двухтрубных системах и однотрубных с замыкающим участком. У приборов одно-

трубных проточно-регулируемых систем устанавливают трехходовые краны, позволяющие при необходимости отключить прибор и пропускать греющую воду помимо него через замыкающий участок. В однотрубных проточных системах регулирующую арматуру перед приборами не устанавливают.

Водяные системы просты в обслуживании и бесшумны в работе, позволяют поддерживать умеренную температуру на поверхности отопительных приборов, исключающую пригорание пыли. Они разрешают осуществлять как центральное регулирование тепловой нагрузки сразу всех приборов путем изменения температуры греющей воды, так и местное - путем изменения расхода или отключения любого отопительного прибора. Вмещая значительную массу воды в разводящих трубах, стояках и приборах, водяные системы могут поддерживать температурный режим помещения за счет аккумулированной в ней теплоты, даже при непродолжительных прекращениях циркуляции.

Одновременно эта же масса создает значительную инерционность системы и не позволяет ей быстро реагировать на изменение внешних условий. Крупным недостатком водяных систем отопления является большое гидростатическое давление, создаваемое столбом воды в стояках.

С учетом перечисленных качеств, водяные системы отопления используют, как правило, во вспомогательных и бытовых помещениях или в производственных - небольшой и средний площади и с технологическими процессами без выделения пыли или с выделением невзрывоопасной, неядовитой, негорючей пыли.

Доминирующее положение занимают водяные системы при отоплении жилых и общественных зданий.

При проведении проектных расчетов водяных отопительных систем зданий и их помещений [4,5,10] вначале проводится гидравлический расчет системы, в ходе которого добиваются выравнивания величин потерь давления во всех кольцах. Выбрав по результатам указанных расчетов диаметры разводящих труб и стояков и определив теплопоступления от них в помещение, определяют величину необходимой площади поверхности нагревательных приборов каждого помещения.

В настоящее время все указанные расчеты проводят с использованием пакетов прикладных программ и ЭВМ.

4.4. СИСТЕМЫ ПАРОВОГО ОТОПЛЕНИЯ

Системы парового отопления (рис. 4.4) промышленных предприятий получают теплоту от источника теплоснабжения с паром, транспортируемым по паропроводу. На вводе в цех давление пара понижается редуктором до давления не выше 0,3 МПа, если применяется паровая система отопления <высокого давления>, или не выше 0,07 МПа, если система <низкого давления>. Редуцированный пар поступает в коллектор, а из него по .внутрицеховым паропроводам и стоякам подается в отопительные приборы. На входе и выходе из приборов устанавливают регулирующие клапаны.

Рис. 4.4. Схема вертикальной системы парового отопления высокого давления: 1 - внешний паропровод; 2 - отопительный прибор; 3 - внутрицеховой паропровод; 4 - стояк; 5 - регулирующий клапан; 6 - редукционный клапан; 7 - конденсатоотводчик; 8 - самотечный конденсатопро-вод; 9 - конденсатосборный бак; Ю- насос; 11 - напорный конденсато-провод; 12 - паровой коллектор; 13 - предохранительный клапан.

В отопительных приборах пар конденсируется, отдавая теплоту воздуху помещения. Конденсат через индивидуальные или групповые конденсатоотводчи-ки поступает в конденсатосборный трубопровод и через него в конденсатосборный бак (чаще закрытый с давлением 0,105 - 0,115 МПа). Из бака насосами по напорному конденсатопроводу он возвращается к источнику теплоты. Для предотвращения разрушения приборов при повышении давления на паровом коллекторе устанавливают предохранительный клапан. Все паро- и конденсатопроводы паровых систем отопления не должны быть связаны ни с какими трубопроводами технологических систем, воздушного отопления и т.п. Конструкции отопительных приборов и схемы их размещения в помещении в паровых системах мало отличаются от водяных. Коэффициент теплопередачи приборов

где - температурный напор в отопительных приборах, °С.

В вертикальных паровых системах используют только двухтрубные схемы подсоединения приборов к стоякам. По одному из стояков подводится пар, по второму- отводится конденсат. Горизонтальные паровые системы выполняются, как правило, однотрубными.

Паровые системы отопления по сравнению с водяными выполняются при меньшей (на 25 - 30%) площади поверхности отопительных приборов и меньших диаметрах трубопроводов. Их можно использовать в зданиях любой этажности. Эти системы малоинерционны и обеспечивают быстрый прогрев помещений и быстрое прекращение подачи теплоты.

Вместе с тем, более высокая температура паровых приборов способствует пригоранию и поступлению в отапливаемое помещение продуктов разложения пыли.

Паровые системы отопления высокого давления допускается применять в производственных помещениях категорий Г и Д при отсутствии выделения пыли или выделении негорючей и невзрывоопасной пыли, при значительных влаговыде-лениях, а также в бытовых помещениях.

Паровые системы низкого давления допускаются к применению во вспомогательных помещениях предприятий объемом до 1500 м3, а также в спортивных помещениях, банях, магазинах. Тепловой и гидравлический расчет паровых систем отопления изложен в [4,5,10].

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование материала настоящего пособия и изложенных в нем современных методов и методик расчета систем отопления позволяет:

- определять необходимую тепловую мощность системы отопления помещений, располагающихся в промышленных, общественных или жилых зданиях;

- обоснованно выбирать оптимальную для каждого из зданий, систему отопления;

- производить расчет и подбирать необходимое оборудование систем;

- вычислять годовую потребность в теплоте на цели отопления. Наряду с этим, материал пособия позволяет выбирать рациональные направления для повышения энергетической и экономической эффективности работы современных отопительных систем как за счет совершенствования строительных конструкций зданий с целью снижения тепловых потерь через его ограждения и затрат тепла на подогрев инфильтрующегося наружного воздуха, так и за счет рациональной эксплуатации систем отопления (применение дежурного отопления, использование индивидуальных для каждого здания значений температур начала и окончания отопительного периода и т.п.).

Вместе с тем, наступает период, когда проблемы дальнейшего повышения эффективности работы рассмотренных систем и снижения удельных затрат тепла на отопление единицы площади обслуживаемых помещений должны решаться с использованием заинтересованности каждого потребителя в снижении своих расходов на оплату расходуемого тепла.

Это, в свою очередь, потребует разработки и широкого внедрения:

- надежных и дешевых тепломеров, которые представляли бы каждому потребителю (семье, цеху и т.д.) возможности получать достоверную информацию о текущих (повседневных) и суммарных (за длительный отрезок времени) расходах тепла на отопление своих помещений;

- надежных, компактных и недорогих авторегуляторов, которые бы позволяли корректировать поступление тепла в систему отопления каждого потребителя в соответствии с его требованиям к уровню комфортности;

- новых схем отопительных систем зданий, которые позволят легко осуществлять учет расхода тепла и его изменение в каждом отдельном помещении.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на железнодорожном транспорте»

Автор: Зыков А.П., доктор технических наук, доцент