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

Предохранительный клапан, как и предохранительное устройство в системе низкого давления, предотвращает повышение давления в системе сверх расчетного. Предохранительные клапаны бывают пружинными и рычажными (с одним или двумя рычагами). У распространенных рычажных клапанов тарелка прижимается к седлу под действием силы, передаваемой через рычаг от груза. Чем больше длина рычага и масса груза, тем больше давление пара, при котором клапан остается закрытым. При увеличении давления избыток пара через приоткрывающийся клапан удаляется в атмосферу и заданное давление пара восстанавливается.

Конденсатный насос для перекачки конденсата из бака на тепловую станцию выбирают для подачи в 1 ч не менее, чем удвоенного количество накапливающегося конденсата (см. формулу (9.7)). Развиваемого насосом давления должно быть достаточно для подъема конденсата и преодоления конечного давления в точке, куда подается конденсат, с учетом потерь давления в трубах Арпот по пути от конденсатного бака.

Если конденсат подается из бака в котел, то давление насоса рн, Па, определяют по формуле

где γк - удельный вес конденсата, Н/м3; рп - давление пара в котле, МПа; h - вертикальное расстояние между уровнями конденсата - верхним в котле и нижним в баке, м (с запасом 1

м).

Мощность электродвигателя к насосу вычисляют по формуле (6.11).

Пример 9.6. Найдем подачу, давление и мощность насоса для перекачки конденсата из бака в котел по условиям примера 9.5, если рп=0,1 МПа, h=5 м, Рпот=5000 Па.

Примем подачу насоса Lн = 2-0,5 = 1,0 м3/ч. Давление, развиваемое насосом, по формуле

(9.9)

Мощность насоса (без запаса) по формуле (3.11)

§ 9.4. Системы вакуум-парового и субатмосферного отопления

Паровое отопление даже низкого давления обладает известным гигиеническим недостатком - высокой и практически неизменяемой температурой поверхности отопительных приборов в течение всего отопительного сезона. При этом понижается уровень теплового комфорта в помещениях по сравнению с водяным отоплением.

Можно несколько понизить температуру поверхности отопительных приборов, если создать в них смесь пара и воздуха. Температура внешней поверхности приборов понизится вследствие уменьшения коэффициента теплообмена на их внутренней поверхности. В этом случае пар нужно подавать в прибор снизу, так как воздух имеет плотность выше, чем пар при тех же давлении и температуре. Пар подается в отопительный прибор через вкладной патрон - перфорированный патрубок. Струйки пара, выходящие из мелких от-

273

верстий в патроне, равномерно перемешиваются с воздухом. Конденсат может выводиться из прибора как со стороны ввода пара (через кольцевое отверстие вокруг патрона), так и с противоположной стороны.

Однако, устанавливая таким образом температуру поверхности отопительных приборов ниже 100 °С, не устраняют все же еще один серьезный недостаток парового отопления, а именно - невозможность проведения качественного регулирования в системе в течение отопительного сезона.

Проведение качественного регулирования с получением температуры пара в приборах ниже 100 °С возможно, если понижать давление ниже атмосферного. Для этого используют вакуумный насос, создающий различной глубины разрежение в конденсатопроводах и приборах. Так, если, например, абсолютное давление пара понизить до 0,07 МПа, то температура пара составит 90 °С. Если же еще уменьшить абсолютное давление, например, до 0,03 МПа, то температура пара дойдет до 69,1 °С.

Следовательно, изменяя величину вакуума в системе, можно, как и в системе водяного отопления, изменять температуру пара в зависимости от температуры наружного воздуха, т.е. проводить качественное регулирование.

Различают два вида таких систем отопления - вакуум-паровую и субатмосферную.

Ввакуум-паровой системе пар до отопительных приборов движется под действием небольшого избыточного давления в котлах (0,005...0,01 МПа), а затем пар в приборах и конденсат перемещаются под влиянием пониженного давления, создаваемого специальным вакуум-насосом. Изменяя величину вакуума с помощью этого насоса, откачивающего из системы конденсат, а также воздух, можно централизованно регулировать температуру пара в отопительных приборах. Если это делать в зависимости от наружных атмосферных условий, то теплоотдача приборов может в течение длительного времени соответствовать теплопотерям помещений. Температуру пара для этого принято изменять в пределах от 90

до 60 °С.

Всубатмосферной системе парового отопления под влиянием разрежения, создаваемого вакуум-насосом, теплоноситель перемещается и по паропроводам, и по конденсатопроводам. В системе происходит не только качественное, но и количественное регулирование - одновременно изменяется и температура, и количество пара, поступающего в отопительные приборы. Для этого при средней, например, температуре отопительного сезона давление в системе должно быть ниже атмосферного, составляя по абсолютной величине около

0,06 МПа.

Централизованно регулируемые системы парового отопления возникли и применяются в США, особенно при отоплении высотных зданий (устраняя чрезмерное гидростатическое давление в системе, возникающее при водяном отоплении).

Системы вакуум-парового и субатмосферного отопления подлежат особо тщательному монтажу с обеспечением герметичности соединений. Недостатками являются необходимость применения специального оборудования и арматуры, а также трудность обнаружения мест подсоса воздуха, нарушающего их действие. К недостаткам относится также ускоренная внутренняя коррозия труб вследствие проникания воздуха через не плотности, значительное потребление электроэнергии вакуумными насосами.

274

В нашей стране вакуум-паровые и субатмосферные системы отопления не применяются. Известно лишь существование в прежние годы такой системы для отопления фабрики швейных машин, построенной в г. Подольске фирмой "Зингер".

§ 9.5. Выбор начального давления пара в системе

Давление пара в начале системы обусловливается допустимой температурой теплоносителя, схемой и радиусом действия системы, способом возвращения конденсата на тепловую станцию. При выборе давления исходят прежде всего из нормативного ограничения температуры пара в отопительных приборах. Как известно, максимальная температура не должна превышать 130 °С, а во взрыво- и пожароопасных помещениях - 110 °С.

В замкнутой системе с непосредственным возвращением конденсата в котел начальное давление пара рп, МПа, определяют исходя из высоты помещения котельной

где hпом - высота помещения котельной, м; hкот и D - соответственно высота котла и диаметр его паросборника, м.

Помещения котельных обычно имеют высоту 3,5...4 м. Начальное давление пара при этом не будет превышать 0,02 МПа.

Пример 9.7. Определим давление пара в котле замкнутой системы отопления с сухим конденсатопроводом при hпом = 4,0 м, hкот=l,7 м, D=0,5 м. Давление пара по формуле (9.10)

В разомкнутой системе с возвращением конденсата через сборный конденсатный бак начальное давление пара зависит от конечного давления и потерь давления в системе. При открытом конденсатном баке и самотечном конденсатопроводе начальное давление пара

где рпар - потери давления в паропроводе от теплового пункта до наиболее удаленного (концевого) отопительного прибора; рпр - необходимое давление перед вентилем концевого прибора, принимаемое равным 2000 Па при отсутствии конденсатоотводчика за прибором и 3500 Па при использовании термостатического конденсатоотводчика.

При закрытом конденсатном баке и напорном конденсатопроводе начальное давление пара

где рконд - потери давления в напорном конденсатопроводе (включая конденсатоотводчик); ркон - конечное избыточное давление в закрытом баке, принимаемое равным

0,02..0,05 МПа.

Потери давления в напорном конденсатопроводе равняются разности давления в концевом отопительном приборе и в конденсатном баке. При этом давление в отопительном

275

приборе предопределяется значением максимально допустимой температуры пара для конкретного помещения.

Потери давления в паропроводах зависят от параметров движущегося пара и характера внутренней поверхности труб. Формулы, используемые для гидравлического расчета, одинаковы для систем водяного и парового отопления.

§ 9.6. Гидравлический расчет паропроводов низкого давления

При движении пара по участку паропровода его количество уменьшается вследствие попутной конденсации, снижается также его плотность из-за потери давления. Снижение плотности сопровождается увеличением, несмотря на частичную конденсацию, объема пара к концу участка, что приводит к возрастанию скорости его движения.

В системе низкого давления при давлении пара от 0,005 до 0,02 МПа эти сложные процессы вызывают практически незначительные изменения параметров пара. Поэтому принимают, что расход пара постоянен на каждом участке, а плотность пара постоянна на всех участках системы. При этих двух условиях гидравлический расчет паропроводов проводят по уже известному способу расчета по удельной линейной потере давления (см. § 8.3), исходя из тепловых нагрузок участков.

Расчет начинают с ветви паропровода, ведущего к наиболее неблагоприятно расположенному отопительному прибору, каковым является прибор, наиболее удаленный от котла.

Для гидравлического расчета паропроводов низкого давления используют таблицы (табл. II.4 и П.5 Справочника проектировщика [10]), составленные при плотности 0,634 кг/м3, соответствующей среднему избыточному давлению пара 0,01 МПа, и эквивалентной шероховатости труб kэ=0,0002 м (0,2 мм). Эти таблицы, по структуре аналогичные табл. 8.1 и 8.2, отличаются величиной удельных потерь на трение, обусловленной иными значениями плотности и кинематической вязкости пара, а также коэффициента гидравлического трения X для труб. В таблицы внесены тепловые нагрузки Q, Вт, и скорость движения пара w, м/с.

В системах низкого и повышенного давления установлена во избежание шума предельная скорость пара: 30 м/с при движении пара и попутного конденсата в трубе в одном и том же направлении и 20 м/с при встречном их движении.

Для ориентации при подборе диаметра паропроводов вычисляют, как и при расчете систем водяного отопления, среднее значение возможной удельной линейной потери давления Rср, Па/м, по формуле

где рп - начальное избыточное давление пара, Па; Σlпap - общая длина участков паропровода до наиболее удаленного отопительного прибора, м.

Для преодоления сопротивлений, не учтенных при расчете или введенных в систему в процессе ее монтажа, оставляют запас давления до 10 % расчетной разности давления, т.е. сумма линейных и местных потерь давления по основному расчетному направлению должна составлять около 0,9(pп-pпр).

276

После расчета ветви паропровода до наиболее неблагоприятно расположенного прибора переходят к расчету ветвей паропровода до других отопительных приборов. Этот расчет сводится к увязке потерь давления на параллельно соединенных участках основной (уже рассчитанной) и второстепенной (подлежащей расчету) ветвях. При увязке потерь давления на параллельно соединенных участках паропроводов допустима невязка до 15 %. В случае невозможности увязки потерь давления применяют дросселирующую диафрагму (шайбу) (см. § 9.3). Диаметр отверстия дросселирующей диафрагмы dд, мм, определяют по формуле

где Qуч - тепловая нагрузка участка, Вт; рд - излишек давления, Па, подлежащий дросселированию.

Диафрагмы (шайбы) целесообразно применять для погашения излишнего давления, превышающего 300 Па.

Пример 9.8. Выполним гидравлический расчет одной из двух одинаковых частей паропроводов замкнутой системы отопления низкого давления (см. рис. 9.2).

Давление пара в котле 0,01 МПа. Тепловая нагрузка каждого из 16 приборов 4000 Вт. Длины участков приведены в табл. 9.1.

Средняя удельная линейная потеря давления по формуле (9.13)

Ориентируясь на значение Rср, по тепловым нагрузкам участков (нагрузку участка 1 принимаем равной удвоенной нагрузке участка 2) задаемся диаметром труб и определяем скорость движения пара и действительные значения R. Данные расчета сводим в табл. 9.1.

Потери давления на участках 6 и 7 должны быть равны потерям на участках 4 и 5 (1134 Па). В результате расчета получена невязка 18,9 %. Сократить ее путем уменьшения диаметра участка 6 до Dy15 нельзя, так как скорость движения пара при встречном движении попутного конденсата превысит допустимые 20 м/с. Дросселирующие диафрагмы не устанавливаем, так как разница в потерях давления меньше 300 Па.

Потери давления на участках 8 и 9 должны быть равны потерям на участках 3,4 и 5 (2860 Па). В результате расчета получен излишек давления 2860 - 1254 = 1606 Па. Для его устранения предусматриваем установку дросселирующих диафрагм в муфтах вентилей у обоих нижних приборов, имеющих тепловую нагрузку по 4000 Вт. Диаметр отверстия каждой диафрагмы по формуле (9.14)

277

Таблица 9.1. Гидравлический расчет паропроводов системы отопления низкого давления

§ 9.7. Гидравлический расчет паропроводов высокого давления

Расчет паропроводов систем повышенного и высокого давления проводят с учетом изменения объема пара при изменении его давления и уменьшения расхода пара вследствие попутной конденсации. В случае, когда известно начальное давление пара рп и задано конечное давление перед отопительными приборами рпр, расчет паропроводов выполняют до расчета конденсатопроводов.

Конечный расход пара Gкон находят по формуле (4.4) в зависимости от тепловой нагрузки и давления пара у прибора. Средний расчетный расход пара на участке определяют по транзитному расходу Gкон с прибавлением половины расхода пара, теряемого при попутной конденсации:

278

где Gп K - дополнительное количество пара в начале участка, определяемое по формуле

г - удельная теплота парообразования (конденсации) при давлении пара в конце участка; qtp - теплопередача через стенку трубы на участке, определяемая по формуле (8.49), когда уже известен диаметр труб (для ориентировочного расчета пользуются следующими зави-

симостями: при Dy15,20 Qтp = 0,116Qкон, при Dy25...50 Qтр = 0,035Qкон, при Dy65 и более

Qтp = 0,023Qкон, где Qкон - количество теплоты, которое требуется доставить в отопительный прибор или в конец участка паропровода).

Гидравлический расчет выполняют по способу приведенных длин, который применяется, когда линейные потери давления являются основными (около 80 %), а потери давления в местных сопротивлениях сравнительно малы. Исходная формула для определения потерь давления на каждом участке приведена в § 8.1 (формула (8.4)).

При расчете линейных потерь давления в паропроводах используют вспомогательную таблицу, составленную для труб с эквивалентной шероховатостью внутренней поверхности kэ = 0,2 мм, по которым перемещается пар, имеющий условно постоянную плотность 1 кг/м3 (избыточное давление такого пара 0,076 МПа, температура 116,2 °С, кинематическая вязкость 21·10-6 м2/с). В таблицу внесены расход G, кг/ч, и скорость движения w, м/с, пара. Для подбора диаметра труб по таблице вычисляют среднее условное значение удельной линейной потери давления по формуле

где ρср - средняя плотность пара, кг/м3, при среднем его давлении в системе 0,5(рп + + рпр); остальные пояснения даны к формулам (9.11) и (9.13).

По вспомогательной таблице получают в зависимости от среднего расчетного расхода пара условные значения удельной линейной потери давления Ryсл и скорости движения пара wycл. Переход от условных значений к действительным, соответствующим параметрам пара на каждом участке, делают по формулам

где ρср.уч - действительное среднее значение плотности пара на участке, кг/м3, определяемое по его среднему давлению на том же участке.

Действительная скорость пара не должна превышать 80 м/с (30 м/с в системе повышенного давления) при движении пара и попутного конденсата в одном и том же направлении и 60 м/с (20 м/с в системе повышенного давления) при встречном их движении.

Таким образом, гидравлический расчет проводится с усреднением значений плотности пара на каждом участке, а не в целом для системы, как это делается при гидравлических расчетах систем водяного отопления и парового отопления низкого давления.

Потери давления в местных сопротивлениях, составляющие всего около 20 % общих потерь, определяют через эквивалентные им потери давления по длине труб. Эквивалентную местным сопротивлениям, дополнительную длину трубы находят по формуле

279