книги / Отопление и вентиляция. Отопление-1
.pdfТемпературу открытой теплоотдающей поверхности печи и сред ние коэффициенты теплоотдачи принимают по табл. VIII.5.
В заключение расчета проверяют фактическую величину ампли туды колебания температуры отапливаемых помещений за проме жуток времени от одной топки печи до другой.
Печное отопление можно запроектировать, минуя вышеприве денную методику расчета,, если применять в качестве генератора тепла печи из типовых альбомов.
В этих случаях расчет печей ведут в такой последовательности. Определяют теплопотери при той же температуре наружного воз духа, которая принята для центрального отопления. По типовым альбомам выбирают отопительную печь с теплоотдачей, соответст вующей тепловым потерям помещения.
Выбирать печь по теплоотдаче и проверять теплоустойчивость помещений, т. е. определять амплитуду колебания температуры по мещения, следует при топке печи 2 раза в сутки. В случае повы шения наружной температуры и уменьшения разности температур внутреннего и наружного воздуха до 60—65% от расчетной можно топить печь 1 раз в сутки. Теплотехнический расчет самой печи в этом случае не производится, так как печь выбирают типовую по альбому.
В случае необходимости проектирования самой печи следует иметь в виду, что до применения печи на практике ее нужно под вергнуть лабораторным испытаниям по стандартной методике.
При выборе печи учитывают санитарно-гигиенические требова ния помещений. Например, для отопления детских и лечебных уч реждений следует применять печи с умеренным прогревом стенок, т. е. с температурой поверхности даже в отдельных точках до 90° С.
ГЛАВА IX
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОТОПЛЕНИЕ
Электрическое, отопление имеет следующие преимущества: про стоту монтажа электропроводки, отсутствие продуктов сгорания, компактность нагревательных приборов, высокий коэффициент по лезного действия электрических приборов отопления; не требуются дорогостоящие наружные тепловые сети.
К недостаткам электрического отопления относятся высокая температура теплоотдающих элементов (витков проволоки) в эле ктрическом нагревательном приборе, опасность в пожарном отно шении и высокая стоимость электроэнергии.
В настоящее время электроэнергию применяют в технике тепло снабжения в виде следующих устройств:
прямого радиаторного^ отопления на базе электрорадиаторов (например, приборы рд-34, и рд-35 конструкции НИИ сантехники мощностью 0,5 и 1 кВт) ;
электротеплонасорного отопления на базе полупроводниковых тепловых насосов;
отопления с использованием греющих кабелей; теплоснабжения с применением электродных котлов; электроаккумуляционного отопления.
Перспективным является электроотопление с использованием полупроводниковых тепловых насосов, потребляющих электроэнер гии в 3—4 раза меньше, чем при прямом электроотоплении. Кроме того, систему электроотопления при помощи тепловых насосов мож но в летнее время переключать на охлаждение помещений.
Принцип получения тепла, а также холода из теплого окружа ющего воздуха или воды с использованием полупроводников в схе ме теплового насоса основан на эффекте Пельтье (1834). Это явле ние, научно объясненное русским ученым Ленцем в 1838 г., заклю чается в следующем. Если через разнородные соединенные друг с другом металлы (особенно полупроводники) пропустить постоянный электрический ток, то в месте контакта положительного полупро водника с отрицательным при направлении тока от «+ » к «—» вы деляется тепло, а при обратном направлении тока в месте контакта (спая) тепло поглощается.
Физический смысл этого явления заключается в том, что проис ходит перемещение тепла от холодной среды к горячей за счет элек трической энергии.
Теоретический отопительный коэффициент электрической систе мы отопления на полупроводниковых тепловых насосах /Сот
гг _ |
-, |
7Y |
> |
n ot— |
-, |
||
|
J2—' 1 |
|
|
где Г1 — абсолютная температура |
холодного спая, К; Гг — то же, |
||
горячего спая. |
|
|
|
Пример. При температуре горячего спая 300К (27° С) и холод ного 290К (17° С) отопительный коэффициент будет равен
К ОТ |
300 |
30. |
|
300 — 290 |
|||
|
|
Это означает, что на 1 кВт затраченной электрической мощности можно получить 30 кВт полезного тепла и 29 кВт холода (практи чески /Сот = 4—5 в зависимости от качества полупроводников).
В СССР выпускают полупроводниковые тепловые насосы типа «воздух — вода» и «воздух — воздух», характеристики которых при ведены в табл. IX. 1.
Преимущество тепловых насосов ПТН состоит в возможности регулировать в широких пределах теплопроизводительность за счет изменения силы тока. Однако системы отопления с применением тепловых насосов могут получить распространение в будущем толь ко в местностях с дешевым тарифом электроэнергии и при сниже нии стоимости тепловых насосов.
Понятие об электроаккумуляционном отоплении. В последние годы начали применять электроотопление с использованием внепи ковой электроэнергии. Себестоимость ее, по данным «Энергосетъ-
|
|
|
|
Т а б л и ц а IX. I |
Технические данные некоторых полупроводниковых тепловых насосов |
||||
|
|
|
Типоразмер ПТН |
|
|
|
Показатели |
ТН-3 |
ТН-5 |
|
|
|
||
Номинальная |
производительность; ккал/ч: |
3000 |
5Q00 |
|
по теплу |
|
. |
||
по холоду . |
2000 |
3300 |
||
Производительность по воздуху, м3/ч |
360 |
720 |
||
Расход воды, |
л/ч |
. . . . |
200 |
400 |
Потребляемая |
мощность при / =10 А, Вт |
1200 |
2000 |
проекта», в 1,7—2,3 раза ниже средней себестоимости электро энергии.
Использовать внепиковую электроэнергию для отопления можно при условии создания установок с материалами, аккумулирующими тепло. Аккумулирующие материалы должны обладать максималь ной теплоемкостью, высокой рабочей температурой, объемной мас сой, теплопроводностью и приемлемой стоимостью.
Основными способами аккумуляции тепла могут служить способ сохранения тепла в предварительно нагретом материале, использо вание скрытого тепла между двумя фазами материала и примене ние реакции обратимого химического процесса.
В центральных системах отопления аккумулирующим материа лом является вода.
Расчеты теплоаккумуляционного электрического отопления про изводят с учетом теплоаккумуляционной способности зданий, при боров электрического отопления, электрокотлов и других емкостей.
Коэффициент аккумуляции теоретически можно определить по формуле, используемой в трудах проф. Е. Я. Соколова
где F — поверхность стен, м2; ô — толщина стен, м; у — объемная масса стен, кг/м3; к — отопительная характеристика здания, ккал/м3•ч-град; V — объем здания, м3; с — теплоемкость огражде ний, ккал/кг-град.
Для жилых зданий р= 30—60 при водяном центральном отопле нии.
Зная коэффициент аккумуляции, можно найти предельное время отключения Z системы электроотопления:
где tB — внутренняя температура воздуха в помещении в момент прекращения подачи тепла; tz '— то же, через Z ч; /н — расчетная наружная температура.
Расчет нужно вести на те помещения, которые охлаждаются наи более быстро (например, угловые квартиры).
При отоплении помещений электропечами тепло аккумулируется в печах, интерес к установке которых наблюдается в ряде зару бежных стран.
Расчет электронагревательных приборов. Количественная сторо на преобразования электроэнергии в тепловую выражена законом Джоуля— Ленда: количество тепла Q, выделенного током на уча стке цепи, прямо пропорционально квадрату силы тока /, сопро тивлению участка R и времени прохождения тока t.
Q= PRt.
При расчете электронагревательных приборов следует иметь в виду, что количество тепла, выделяемого проводниками, зависит от способа их соединения: последовательного или параллельного.
При последовательном соединении проводников (потребителей) тока имеем
Q i = PRit\ Q2=
Разделив почленно эти равенства и сократив на I и получим
Qi = Ri
Q2 R2
Иными словами, количество тепла, выделенного током в от дельных участках цепи при последовательном соединении, прямо пропорционально сопротивлениям участков.
При параллельном соединении проводников одинаковы напря жения и на обеих ветвях:
иЧ
Qi Ri
После деления этих равенств почленно и сокращения на и и t по лучим
Qi _ R2
О2 R i ’
т. е. количество тепла, выделившегося в параллельно соединенных проводниках, обратно пропорционально сопротивлениям участков.
Расчет реостатных отопительных электроприборов. В основу расчета положено условие о том, что проводник при нагревании должен отдать в окружающее пространство требуемое проектом количество тепла. Для этого проводник должен иметь определенные геометрические параметры (/ — длину, d — диаметр) и температуру поверхностей /Пов. Эти условия выражены двумя уравнениями, при веденными ниже.
1. Количество тепла в ккал/ч, отдаваемое проводником, равно
a F |
andl |
где а — коэффициент теплоотдачи [а=/(йюв, d)], ккал/м2 • ч-град. По опытным данным, а принимают при 6юв=100°С и диаметрах проволоки от 0,5 до 2 мм в пределах 35—45 ккал/м2-ч • град; при этом меньшим диаметрам соответствуют большие значения a; F — поверхность проводника ndl, м2; £Пов— температура поверхности проводника (практически равна температуре проводника); /в — температура воздуха в помещении.
2. Количество тепла, выделяемое проводникам при переходе эле ктрической энергии в тепловую, определяют по формуле
Q = 9,86а2//?,
где 0,86=1 Вт*4= (0,86 ккал).
Сопротивление проводника R можно выразить отношением
Р _ c l_ 4cl Н~ / ~ я*2 ’
где с — удельное сопротивление проводника, ом*мм2/м; I и f — длина и площадь сечения.
Подставляя значение R, получим
Q=0,86
4cl
Из первого уравнения находим значение d
^1000Q
аяI (<г ов —tB)
После подстановки получим
Q= 0,86 |
-----ц2я-10002(?------ |
. |
|
4 с / я 2 /2 а 2 (^ 10в- ^ |
в)2 |
Отсюда получаем формулу для определения длины проводника в м:
1=41
u2Q
са2 (tnQB—^в)2 ’
ГЛАВА X
КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
Комбинированными системами отопления называют такие, в ко торых, как правило, имеются два теплоносителя: первый — грею щая среда, второй — нагреваемая среда или теплоноситель собст венно системы отопления.
К комбинированным системам относят: центральные пароводя ные системы, водоводяные, паро- и водовоздушные (рассмотренные выше), системы с использованием перегретой воды и пара. Рас смотрим некоторые из названных систем.
Центральная пароводяная система (рис. Х.1) применяется в тех случаях, когда генераторами тепла служат паровые котлы, выраба тывающие пар для технологических нужд предприятий.
Установка работает следующим образом. Пар из котла 1 посту пает в емкостный водонагреватель 2, в змеевике 3 которого пар кон денсируется, отдавая скрытое тепло парообразования (конденса ции) циркулирующему через водонагреватель теплоносителю (во де) системы отопления.
|
|
Рис. |
Х.2. |
Схема |
отопления |
|||
|
|
с |
водоводяным |
подогрева |
||||
/ — котел; 2 — емкостный водо- |
|
|
|
телем: |
|
|
|
|
подогреватель; |
3 — змеевик; 4 — |
1 — трубопроводы |
тепловой |
се |
||||
система водяного отопления с |
ти; |
2 — водоподогреватель; |
3 — |
|||||
естественной |
циркуляцией |
насос; |
4 — система |
водяного |
||||
|
|
отопления |
с насосной |
циркуля |
||||
|
|
|
|
цией; 5 — задвижка |
|
Ввиду относительно больших размеров водоподогревателя ско рость воды в нем мала. Следовательно, невелико и гидравлическое сопротивление водоподогревателя, вследствие чего можно приме нять систему пароводяного отопления с естественной циркуляцией, как показано на рис. Х.1. Относительно большая емкость водоподо гревателя, а следовательно, и большая его теплоаккумулирующая способность позволяют регулировать теплоотдачу системы отопле ния пропусками, т. е. подавать пар в водоподогреватель с переры вами.
Теплопроизводитёльность емкостного подогревателя зависит от величины поверхности змеевика, устраиваемого обычно из U-образ- ных трубок.
На рис. Х.2 показана система отопления с водоводяным подогре вателем, обычно называемым скоростным (рис. Х.З). В таком водоподогревателе первичным теплоносителем служит перегретая вода (150° С), получаемая из тепловых сетей ТЭЦ.
Вторичным теплоносителем здесь является вода собственно си стемы отопления. Вследствие относительно большого гидравличе ского сопротивления водоподогревателя системы отопления
(имеется в виду толщина материала стенки и слоя загрязнения); л — коэффициент теплопроводности слоя стенки (соответственно материала стенки, накипи, шлама).
Значения коэффициентов теплоотдачи ai и <х2 определяют по формулам, полученным на основе экспериментальных и теоретиче ских данных:
a = f ( v , d, дт),
где V — скорость движения жидкости, м/с; d — диаметр трубки (или эквивалентный гидравлический диаметр), м; Ат — разность темпе ратур стенки и воды, стенки и кипящей воды (или насыщенного пара).
Поверхность нагрева водоподогревателя должна составлять
F — ndcpln,
где rfCp — средний диаметр трубки, м; I — длина трубки, м; п — чис ло трубок.
Средняя разность температур теплоносителя определяется по формуле
At
A7*i - ДГ2
АГ1
In дг2
где ДT i = T 2—/ 1; АГ2=7’1—/2; Т\ и Т 2— начальная и конечная тем пература греющей жидкости (первичного теплоносителя); t\ и t2— начальная и конечная температура нагреваемой жидкости (вторич ного теплоносителя).
В водоводяных скоростных подогревателях коэффициент тепло передачи достигает 1000—2000 ккал/м2•ч-град при скорости воды 0,5—1,5 .м/с, в емкостных водоподогревателях — не выше 600 ккал/м2 • ч-град.
Г и д р а в л и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е в о д о п о д о г р е в а т е л я . Методика определения гидравлического сопротивления водоподогревателя не отличается от методики определения, гидрав
лических потерь трубопроводами |
(например, |
систем |
отопления). |
||
Гидравлическое сопротивление |
водоподогревателя |
определяют |
|||
в кг/м2 по формуле |
|
|
|
|
|
где %— коэффициент |
сопротивления трения |
труб, составляющих |
|||
поверхность нагрева |
водоподогревателя; |
— сумма |
коэффициен |
тов местных сопротивлений; d — диаметр трубы или эквивалентный диаметр сечения прохода теплоносителя, принимаемый равным 4//S; I — общая длина труб последовательно составляющих длину пути теплоносителя, м; v — скорость теплоносителя, м/с; у — объ
емная масса |
теплоносителя, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, |
|
равное 9,81 |
м/с2; f — площадь |
сечения прохода теплоносителя, м2; |
5 — периметр сечения прохода |
теплоносителя, м. |
Гидравлическое сопротивление в скоростных водоподогревателях может составлять 1000—9000 кг/м2.
Широко распространен способ присоединения местных систем отопления к тепловым сетям ТЭЦ через элеватор (рис. Х.4), пред ложенный проф. В. М. Чаплиным в 1903 г.
Элеватор предназначен для смешивания горячей и охлажден ной воды. Он состоит из следующих элементов (рис. Х.5): рабочего сопла 1, через которое под давлением поступает горячая вода ъз
Рис. Х.4. Присоединение системы водя-: |
Рис. Х.5. Водоструйный элеватор: |
ного отопления к тепловым сетям через |
1 — рабочее сопло; 2 — камера всасывания; |
элеватор: |
3 — смесительный конус; 4 — диффузор |
/ — тепловые сети; 2 — элеватор; 3 — система |
|
водяного отопления; 4 — воздухосборник |
|
тепловой сети; камеры всасывания 2, в которую поступает (подса сывается) охлажденная вода из местной системы; смесительного конуса 3, в котором горячая вода 'смешивается с охлажденной; диф фузора 4, в котором увеличивается статическое давление воды бла годаря конической форме диффузора по причине падения скорости.
Работа элеватора состоит в следующем. Горячая вода, проходя по соплу, приобретает при выходе из него большую скорость. Дав ление при.этом в камере всасывания снижается до величины мень шей, чем в патрубке, через который поступает охлажденная вода. Вследствие этого охлажденная вода подсасывается в камеру всасы вания и смешивается с горячей водой из сопла.
Главной характеристикой элеватора является коэффициент под мешивания U, т. е. отношение веса подмешиваемой охлажденной G2 (обратной) воды к весу горячей воды Gь поступающей из теп ловой сети:
U = G 2:GU
Значение U можно определить из теплового баланса при смеше нии горячей и охлажденной воды:
(С?!+ G2) ch = G \d\+ G2ct2, |
(a) |
где t\ — температура горячей воды из тепловой сети; h — темпера тура охлажденной воды местной системы; U — температура сме шанной воды, поступающей в местную систему; с — теплоемкость
воды, принимаемая равной 1 ккал/кг-град. |
|
Из уравнения теплового баланса |
(а) находят значение U |
ц _ ^ 2 _ 11— ^3 |
|
G\ |
—Н |
Расчет элеватора заключается в определении размеров основ ных его элементов.
Гидравлическое сопротивление местной системы, определяемое при расчете трубопроводов, представляет собой разность давлений у входных патрубков элеватора. Ее можно найти путем практиче
ских измерений |
|
Pc—Р2 Р» |
|
где рс — гидравлическое сопротивление |
системы отопления, кг/м2; |
Р2 — давление воды после элеватора; |
/?3 — давление в обратной |
системе отопления (в .месте присоединения перемычки). Потери давления в элеваторе составляют (в кг/м2):
Рэ— Р\ /?2»
где Р \ — давление до элеватора, кг/м2;рг — давление после элева тора.
Расчет элеватора ведут по формулам, полученным на основании теоретических и экспериментальных последований.
На рис. Х.4 представлена схема установки элеватора в узле уп равления системы отопления.
П р и м е р . П о д о б р а т ь э л е в а то р (с м . р и с . Х .5 ) д л я с л е д у ю щ и х у с л о в и й : т е п л о - м о щ н о с т ь м е с тн о й с и с те м ы о т о п л е н и я — 4 0 0 00 0 к к а л /ч ; т е м п е р а т у р а го р я ч е й в о д ы в т е п л о в о й с е ти — / i = 1 5 0 ° C , о х л а ж д е н н о й — ^ = 7 0 ° С ; т е м п е р а т у р а г о р я чей в о д ы в м е с тн о й с и с те м е о т о п л е н и я / 3 = 9 5 ° С , о х л а ж д е н н о й — / 2= 70° С ; г и д р а в л и ч е с ко е с о п р о т и в л е н и е м е с тн о й с и с те м ы о т о п л е н и я — р с = Ю 0 0 к г / м 2.
Р е ш е н и е . 1. К о л и ч е с т в о в о д ы G 3, ц и р к у л и р у ю щ е й в м е с тн о й с и с те м е о т о п л е н и я , о п р е д е л я е м п о ф о р м у л е
G 3 = G х + G 2 ,
гд е G 2 — к о л и ч е с т в о в о д ы , п о с т у п а ю щ е й и з го р я ч е й м а ги с т р а л и т е п л о в о й с е ти ; G 3 — ко л и ч е с т в о в о д ы , п о д м е ш и в а е м о й и з о б р а т н о й с и с те м ы о т о п л е н и я .
О
С3 = *3-*2
4 0 0 000
16 000 кг/ч.
9 5 . - 7 0
2 . О п р е д е л я е м ко э ф ф и ц и е н т п о д м е ш и в а н и я
<?2 |
_ h — h |
G\ |
h — h |
Q |
400 000 |
GY |
^ = 5 0 0 0 к г / ч ; |
t i - t i |
150 — 70 |