Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

.pdf
Скачиваний:
5245
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
13.85 Mб
Скачать

Рис. 6.9. Схема водяного отопления высотного здания: 1 и II - зоны здания с водоводяным отоплением; III - зона здания с пароводяным отоплением; 1 - расширительный бак; 2 -циркуляционный насос; 3 - пароводяной теплообменник; 4 - водо-водяной теплообменник

Теплоноситель пар, отличающийся незначительным гидростатическим давлением, подается на технический этаж под верхней зоной, где оборудуют еще один тепловой пункт. В нем устанавливают пароводяной теплообменник, свои циркуляционный насос и расширительный бак, приборы для качественно-количественного регулирования.

В каждой зональной системе отопления имеется свой расширительный бак, оборудованный системой электрической сигнализации и управления подпиткой системы.

Описанный комплекс комбинированного отопления действует в центральной части главного корпуса Московского государственного университета: в нижних трех зонах устроено водо-водяное отопление с чугунными

радиаторами, в верхней четвертой зоне -пароводяное отопление. В зданиях высотой более 250 м предусматривают новые зоны пароводяного отопления или прибегают к электроводяному отоплению, если источника пара не имеется.

Для снижения стоимости и упрощения конструкции возможна замена комбинированного отопления высотного здания одной системой водяного отопления, при которой не требуется второй первичный теплоноситель (например, пар). На рис. 6.10 показано, что в здании может быть устроена гидравлически общая система с одним водо-водяным теплообменником, общими циркуляционным насосом и расширительным баком. Система по высоте здания по-прежнему делится на зональные части по приведенным выше правилам.

161

Вода в зону II и последующие зоны подается зональными циркуляционноповысительными насосами и возвращается из каждой зоны в общий расширительной бак. Необходимое гидростатическое давление в главном обратном стояке каждой зональной части поддерживается регулятором давления типа "до себя". Гидростатическое давление в оборудовании теплового пункта, в том числе и в повысительных насосах, ограничено высотой установки открытого расширительного бака и не превышает стандартного рабочего давления 1 МПа.

Рис. 6.10. Схема единой системы водо-водяного отопления высотного здания: 1 - водоводяной теплообменник; 2 - циркуляционный насос; 3 - зональный циркуляциейноповысительный насос; 4 - открытый расширительный бак; 5 - регулятор давления "до себя"

Для систем отопления высотных зданий характерны деление их в пределах каждой зоны по сторонам горизонта (по фасадам) и автоматизация регулирования температуры теплоносителя. Температура теплоносителя воды для зональной системы отопления устанавливается по заданной программе в зависимости от изменения температуры наружного воз-

162

духа (регулирование "по возмущению"). При этом для части системы, обогревающей помещения, обращенные на юг и запад, предусматривают дополнительное регулирование температуры теплоносителя (для экономии тепловой энергии) на случай, когда при инсоляции температура помещений повышается (регулирование "по отклонению").

Для опорожнения отдельных стояков или частей системы на технических этажах прокладываются дренажные линии. На время действия системы дренажную линию выключают во избежание неконтролируемой утечки воды общим вентилем перед разделительным водосточным бачком (см. рис. 5.20).

§ 6.4. Децентрализованная система водо-водяного отопления

Среди применяемых систем водяного отопления преобладают системы, в которых температура поверхности отопительных приборов ограничена. Выше рассматривались распространенные системы, где местный теплоноситель централизованно нагревается высокотемпературной водой (см. рис. 3.1, б, в), причем нагревается максимум до 95 °С в двухтрубных и до 105 °С в однотрубных системах. Между тем, система, в которой высокотемпературная вода подводилась бы как можно ближе к отопительным приборам, а температура их поверхности по гигиеническим требованиям сохранялась пониженной, имела бы определенное экономическое преимущество перед обычной системой. Это преимущество достигалось бы за счет уменьшения диаметра труб для перемещения сокращенного количества воды с повышенной скоростью под давлением циркуляционного насоса.

В такой комбинированной водо-водяной системе нагревание теплоносителя происходило бы децентрализованно. В тепловом пункте здания оборудования для нагревания и создания циркуляции воды не потребовалось. Там только контролировалось бы действие системы, и учитывался расход тепловой энергии (как в системе по схеме на рис. 3.1, г).

Разберем некоторые схемы системы децентрализованного нагревания местного теплоносителя высокотемпературной водой, разработанные российскими инженерами, разделив их на две группы - с независимым и зависимым присоединением системы к наружным теплопроводам.

Для децентрализованного нагревания местной воды или масла по независимой схеме предложены стальные или керамические безнапорные отопительные приборы. Эти приборы, как открытые сосуды, заполняются водой (маслом), нагреваемой через стенки змеевика высокотемпературной водой. Испарение с поверхности воды в приборе способствует повышению влажности воздуха в помещении. Змеевик включен в однотрубную проточнорегулируемую систему с "опрокинутой" циркуляцией высокотемпературной воды (по рис. 6.3). Высокотемпературная вода может иметь температуру при керамических блоках 110 °С, при стальных приборах, заполненных минеральным маслом, 130 °С. При этом температура поверхности приборов не превышает 95 °С.

Децентрализованное смешение высоко- и низкотемпературной воды, т.е. нагревание местного теплоносителя по зависимой схеме может осуществляться в магистралях, стояках и непосредственно в отопительных приборах.

При смешении в магистралях система отопления делится на несколько последовательно соединенных частей (подсистем), каждая из которых состоит из нескольких однотрубных П-образных стояков (см. рис. 6.2). Попутное подмешивание высокотемпературной воды к охлажденной обратной воде из подсистем (для повышения температуры от 70 до 105 °С)

163

происходит через перемычки с диафрагмами в промежуточные магистрали между отдельными подсистемами.

В системе со смешением воды в основании однотрубных П-образных стояков магистраль с высокотемпературной (температура t1) водой делается, в отличие от известных систем отопления, также однотрубной (рис. 6.11, а). Вода в ней понижает температуру (например, от температуры t1 до температуры V) в точках смешения (в центрах охлаждения - черная точка на рисунке) и поступает, стояки с различной температурой. В вертикальных стояках возникает в основном естественная циркуляция воды, так как гидравлическое сопротивление замыкающих участков 1 сравнительно невелико.

Рис. 6.11. Узлы систем водяного отопления с децентрализованным смешением: а и б - в основании соответственно одно- и духтрубного стояков; в и г - в отопительных приборах соответственно одно- и двухтрубного стояков; 1 - замыкающий участок на магистрали; 2 - смеситель; 3 - диафрагма на замыкающем участке стояка; 4 - перфорированный коллектор

Для смешения воды в основании двухтрубных стояков (по рис. 6.4, б) используются специальные смесители (рис. 6.11, б). Вода в обеих магистралях перемещается под давлением сетевого насоса, в стояках происходит естественная циркуляция воды.

При децентрализованном смешении и однотрубных стояках система отопления делится на две части: в первой высокотемпературная вода движется в стояках снизу вверх (по рис. 6.3), охлаждаясь до температуры 95 °С, во второй - сверху вниз (по рис. 6.1). Для обеспечения затекания в приборы необходимого количества высокотемпературной воды на замыкающих участках устанавливаются диафрагмы (рис. 6.11, в).

При децентрализованном смешении в двухтрубных стояках высокотемпературная вода подается внутрь каждого отопительного прибора через перфорированный коллектор (рис. 6.11, г) или через сопло-смеситель, а охлажденная вода удаляется в таком же количестве в обратный стояк.

Описанные системы отопления не получили массового распространения из-за затруднений с прокладкой труб высокотемпературной воды в помещениях, сложности монтажного и эксплуатационного регулирования.

В настоящее время применяется прямоточная система отопления с децентрализованным нагреванием воды, возвращающейся из последовательно соединенных трех-четырех подсистем (групп стояков). В этой так называемой системе со ступенчатой регенерацией температуры (СРТ) (рис. 6.12) высокотемпературная вода нагревает охлажденную воду в двух-трех (между подсистемами) регенераторах температуры (РТ). Регенераторы температуры представляют собой противоточные теплообменники типа "труба в трубе" (например, труба Dy25 в корпусе Dy40). Вода дважды протекает через каждый РТ: сначала в виде высокотемпературной по межтрубному пространству, потом в виде охлажденной воды по внутренней трубе. Вода при возвращении из последней подсистемы нагревается высоко-

164

температурной водой до 95... 105 °С, затем поступает в предпоследнюю подсистему и т.д., пока из первой подсистемы она охлажденной не возвратится к точке ввода в здание высокотемпературной воды.

Рис. 6.12. Схема системы водяного отопления со ступенчатой регенерацией температуры: 1 - подсистема; 2 - регенератор температуры

Систему отопления СРТ выполняют однотрубной с односторонними унифицированными приборными узлами, с верхней или нижней разводкой подающей магистрали.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Проанализируйте показатели, приведенные в табл. 6.1, применительно к 17этажному жилому зданию.

2.Составьте ряд известных Вам схем присоединения теплопроводов к радиаторам и конвекторам.

3.Охарактеризуйте основные конструктивные различия насосной и гравитационной систем водяного отопления.

4.Опишите явление количественного саморегулирования в системе гравитационного водяного отопления.

5.Разработайте конструкцию местной системы водяного отопления для одноквартирного двухэтажного жилого дома с подвалом.

ГЛАВА 7. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Давление в каждой точке замкнутых циркуляционных колец системы отопления в течение отопительного сезона непрерывно изменяется вследствие непостоянства плотности воды и циркуляционного давления.

Исходное значение давления соответствует гидростатическому давлению в каждой точке системы в состоянии покоя. Наибольшие изменения давления в системе происходят при циркуляции максимального количества воды, температура которой достигает предельного значения при расчетной температуре наружного воздуха. Сравнивая крайние значения при этих двух гидравлических режимах, можно судить о динамике давления в каждой точке при действии системы отопления в течение отопительного сезона.

Изменение давления в системе отопления рассматривают с целью выявления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды или разрушение отдельных элементов системы. Это позволяет предусматривать мероприятия, обеспечивающие нормальное функционирование системы в течение всего отопительного сезона.

165

§ 7.1. Изменение давления при движении воды в трубах

Установим, как изменяется давление в горизонтальных и вертикальных трубах, заполненных движущейся водой, применительно к условиям работы вертикального циркуляционного кольца системы отопления.

Запишем значение давления в любой точке потока воды - капельной несжимаемой жидкости. При установившемся движении потока воды полное давление по уравнению Бернулли составит

где ρ - плотность воды, кг/м3 g - ускорение свободного падения, м/с2; h - вертикальное расстояние от оси потока воды до плоскости сравнения, м; р - дополнительное статическое давление воды, Па; w - средняя скорость движения потока воды, м/с.

По уравнению (7.1) полная энергия потока состоит из кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия движения потока воды измеряется гидродинамическим давлением. Среднее значение гидродинамического давления (порядок его величины) найдем при скорости движения воды 1,5 м/с, характерной для теплопроводов насосной системы отопления:

Потенциальная энергия потока воды складывается из энергии положения потока pgh и энергии давления р в потоке.

В каком-либо сечении потока воды энергия положения pgh зависит от положения этого сечения по отношению к плоскости сравнения. За плоскость сравнения примем свободную поверхность воды в открытом расширительном баке системы отопления, на которую действует атмосферное давление. При этом будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным. Тогда в каждом сечении потока будет определяться гидростатическое давление положения, как избыточное и пропорциональное вертикальному расстоянию h (высоте столба воды в состоянии покоя).

Энергия давления р определяется пьезометрической высотой, на которую может подняться вода над рассматриваемым сечением потока. В замкнутой системе отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидростатическое давление в каждом сечении теплопроводов, вызывающее циркуляцию воды.

Сопоставим возможное изменение гидродинамического и гидростатического давления в вертикальной системе отопления.

Гидростатическое давление в вертикальной трубе при изменении положения точки потока только на 1 м возрастает или убывает на

Очевидно, что изменение величины гидростатического давления по высоте системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимально возможное изменение значения гидродинамического давления (1091 Па). Поэтому в даль-

166

нейшем для характеристики изменения давления воды в системе отопления будем учитывать изменение только гидростатического давления (pgh + р), приближенно считая его равным полному, т.е. будем пренебрегать изменением гидродинамического давления (pw2

/ 2).

В горизонтальной трубе при движении воды происходит изменение давления в потоке только вследствие потерь давления на трение. На рис. 7.1 показано понижение давления в отрезке трубы при движении воды слева направо, причем плотность воды р принята постоянной.

Рис. 7.1. Изменение гидростатического давления в горизонтальной трубе при движении заполняющей ее воды с постоянной скоростью (эпюра давления над трубой): 1 и 2 - начальное и конечное сечения потока; h - вертикальное расстояние от оси потока до свободной поверхности воды (верхний уровень воды в открытом расширительном баке)

Так как вертикальное расстояние от оси потока до свободной поверхности воды h1 = h2, то гидростатическое давление положения потока составляет pgh1 = pgh2 (изображено на рисунке штрихпунктирной линией). При движении воды с постоянной скоростью w от начального сечения 1, где полное давление в потоке Р1, до конечного сечения 2 давление понижается до Р2. Разность давления равна потерям давления на трение: P1 - Р2 = рпот.

Вгоризонтальной трубе гидростатическое давление понижается в направлении движения воды.

Ввертикальной трубе при движении воды сверху вниз происходит изменение гидростатического давления не только из-за потерь давления на трение, но и вследствие изменения положения сечений потока по отношению к свободной поверхности воды. На рис. 7.2 при тех же условиях штрих-пунктирной линией изображено возрастание гидростатического давления а отрезке трубы, связанное с увеличением вертикального расстояния от h1 до h2,

т.е. ρgh2 > ρgh1. Показано, что, несмотря на потери давления на трение рпот = P1 - Р2, общее гидростатическое давление в сечении 2 возрастает: ρgh2 + p2>ρgh1+p1.

167

Рис. 7.2. Изменение гидростатического давления в вертикальной трубе при движении заполняющей ее воды сверху вниз (эпюра давления справа от трубы): 1 и 2 - начальное и конечное сечения потока; h - вертикальное расстояние от сечения потока до свободной поверхности воды

Из практики известно, что в вертикальных трубах систем отопления давление положения изменяется сильнее, чем давление в потоке, связанное с попутными потерями давления. Поэтому можно сделать вывод, что в вертикальных трубах систем отопления при движении воды сверху вниз гидростатическое давление возрастает.

В вертикальной трубе при движении воды снизу вверх гидростатическое давление уменьшается в результате уменьшения как вертикального расстояния (от h1 до h2) сечений потока от свободной поверхности воды, так и потерь давления на трение рпот = P1 - Р2. На рис. 7.3 штрихпунктирной линией показано, что cgh2 < cgh1 (давление по-прежнему отложено справа от отрезка трубы), и сплошной линией, что р2 < p1. Таким образом, в этом случае

ρgh1 + р1 > ρgh2 + р2.

168

Рис. 7.3. Изменение гидростатического давления в вертикальной трубе при движении заполняющей ее воды снизу вверх (эпюра давления справа от трубы, обозначения - см. рис.

7.2)

Можно сделать вывод, что в вертикальных трубах при движении воды снизу вверх происходит наиболее интенсивное падение гидростатического давления.

Перейдем к рассмотрению процесса изменения давления - динамики давления в системе водяного отопления.

§ 7.2. Динамика давления в системе водяного отопления

Рассмотрение динамики давления проведем в системе водяного отопления с естественной и искусственной циркуляцией воды как при наличии расширительного бака (см. рис. 3.1, а, б), так и без расширительного бака (см. рис.3.1 в, г).

1. Динамика давления в системе водяного отопления с открытым расширительным баком

Примем, как и в § 7.1, свободную поверхность воды в открытом расширительном баке за плоскость отсчета для определения избыточного гидростатического давления. Будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным при определенных объеме и температуре воды в системе отопления. Тогда в потоке воды в каждой точке системы отопления можно определить избыточное гидростатическое давление в зависимости от высоты столба воды, расположенного над рассматриваемой точкой (в связи с изменением положения точки).

В системе отопления (ее замкнутый контур изображен двойными линиями на рис. 7.4) с не нагреваемой водой при бездействии насоса, то есть с водой равномерной плотности, находящейся в покое, избыточное гидростатическое давление в теплопроводах одинаково на любом рассматриваемом уровне. Например, на уровне I-I оно равно pghi, где hi - высота столба воды над уровнем I-I или глубина его погружения под уровень заполнения водой расширительного бака. Наименьшее гидростатическое давление ρgh1 действует в верхней

169

магистрали, наибольшее ρgh2 - в нижней. При этом бездействующий насос испытывает равное давление со стороны всасывающего и нагнетательного патрубков.

Рис. 7.4. Эпюра гидростатического давления в системе отопления с не нагреваемой водой при бездействии циркуляционного насоса: 1 - открытый расширительный бак; 2 - циркуляционный насос

Значения избыточного гидростатического давления в трубах системы отопления нанесены на рис. 7.4 штрихпунктирными линиями в прямой зависимости от высоты столба воды h. Для ясности изображения линии давления проведены над верхней магистралью, под нижней магистралью, слева и справа от вертикальных труб. Показанные на рисунке линии называются пьезометрическими, а их совокупность - эпюрой гидростатического давления в статическом режиме. В системе отопления при циркуляции воды (вязкой жидкости) с постоянной скоростью энергия давления изменяется по длине теплопроводов. Вязкость и деформации потока обусловливают сопротивление движению воды. Они вызывают потери давления в потоке движущейся воды, переходящего в результате трения (линейная потеря) и вихреобразования (местная потеря) в теплоту. При дальнейших построениях потери давления будем считать, как и в § 7.1, условно равномерными по длине труб.

Рассмотрим динамику гидростатического давления в системе отопления с нагреваемой водой при бездействии насоса (рис. 7.5). Подобные процессы происходят в гравитационной системе отопления. Представим, что вода в системе отопления, нагреваемая в одной точке (ц. н - центр нагревания), охлаждается в другой (ц. о - центр охлаждения). При этом плотность воды в левом стояке составит ρг, в правом - ρ0. В такой вертикальной системе отопления при неравномерном распределении плотности воды должна возникнуть неуравновешенность гидростатического давления и в результате естественная циркуляция воды.

Для определения значений гидростатического давления предположим, что вода в системе на какое-то мгновение неподвижна. Тогда максимальное гидростатическое давление в нижней точке правого стояка с охлажденной водой будет (см. рис. 7.5)

170