Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdfконденсата, Н/м3; h - вертикальное расстояние между начальной и конечной точками конденсатопровода, м.
Детальный расчет проводят аналогично расчету теплопроводов систем водяного отопления.
Пример 9.9. Найдем диаметр конденсатопроводов ветви замкнутой системы парового отопления низкого давления (см. рис. 9.2) по условиям примера 9.8. По табл. 11.4 Справочника проектировщика [10] выбираем диаметр труб:
конденсатные подводки ко всем приборам (горизонтальные сухие) при тепловой нагрузке 4000 Вт - Dyl 5;
конденсатные стояки (вертикальные сухие) при тепловых нагрузках 8000 и 16000
Вт-Dy20;
сборный конденсатопровод горизонтальный сухой при тепловых нагрузках 16000
Вт - Dy20, при 32000 Вт- Dy25;
то же, мокрый при тепловой нагрузке 64000 Вт - Dy20 (для сравнения отметим, что паропровод при аналогичной нагрузке имеет Dy50 - см. пример 9.8).
Конденсатопроводы в системе парового отопления с закрытым конденсатным баком могут быть напорными и двухфазными.
Напорными называют конденсатопроводы, целиком заполненные конденсатом, движущимся под давлением пара за отопительным прибором, в баке или создаваемым насосом, двухфазными или эмульсионными - конденсатопроводы, по которым движутся одновременно и конденсат, и пар вторичного вскипания.
На рис. 9.11 показана схема прокладки конденсатопроводов. После конденсатоотводчика вследствие снижения давления при протекании кснденсата через суженное отверстие происходит вторичное его вскипание с образованием пара вторичного вскипания. Труба б является двухфазным конденсатопроводом. Вторичное вскипание приводит к тому, что по конденсатопроводу движется пароводяная смесь, плотность которой меньше плотности воды. Пар вторичного вскипания отделяется от конденсата в баке-сепараторе и направляется в систему теплоиспользования. Конденсат по напорному конденсатопроводу а направляется в конденсатный бак и далее к конденсатному насосу для перекачки на тепловую станцию.
281
Рис. 9.11. Схема конденсатопроводов: а - напорный; б - двухфазный; 1 - конденсатный бак; 2 - бак-сепаратор; 3 - конденсатоотводчик; 4 - отопительные приборы системы парового отопления высокого давления; 5 - паропровод
Расчетный расход конденсата Gк, кг/ч, определяют по формуле
где 1,25 - повышающий коэффициент для учета увеличения расхода конденсата в период прогревания системы при пуске; в скобках - максимальное количество пара в начале паропровода (см. формулы (9.15) и (9.16)).
Для конденсатопроводов характерно значительное увеличение шероховатости их внутренней поверхности. Потери давления на трение по меньшей мере в 1,3-1,4 раза больше потерь в трубах систем водяного отопления. Поэтому для гидравлического расчета напорных конденсатопроводов используют вспомогательную таблицу, составленную при эквивалентной шероховатости k3=0,0005 м (0,5 мм). В таблицу внесены расход G, кг/ч, и скорость движения w, м/с, конденсата. При выборе диаметра труб ориентируются на максимально возможную скорость движения конденсата (до 1... 1,5 м/с).
Потери давления руч на каждом участке напорного конденсатопровода определяют по формуле (9.20), прибавляя к действительной длине участка дополнительную, эквивалентную местным сопротивлениям длину по формуле (9.19).
Если потери давления на участках известны, то давление в начале конденсатопровода рнач находят с учетом разности геодезических отметок его конца и начала:
где Ркон - давление, необходимое в конце конденсатопровода; γ - удельный вес, Н/м3, при плотности пароконденсатной смеси, перемещаемой по конденсатопроводу; при определении диаметра труб удельный вес принимают равным 9,81 кН/м3 с учетом периода пуска системы, когда плотность конденсата ρ=1000 кг/м3; h - разность отметок конца и начала конденсатопровода, м (принимается со знаком плюс при движении конденсата вверх, со знаком минус - при движении по трубе вниз).
282
Например, давление в баке-сепараторе по схеме на рис. 9.11 составит Р4 = Ркон + ручл - γh2, а давление за конденсатоотводчиком Р3 = Р4 + руч б + γh1, где руч а и руч.б - соответственно потери давления в напорных конденсатопроводах соответственно от бакасепаратора до конденсатного бака (участок А-Б) и от конденсатоотводчика до бакасепаратора (участок В-Г). Высоту подъема конденсата h1 ограничивают 5 м. Можно также исходить из необходимого давления в баке-сепараторе.
При гидравлическом расчете разветвленных напорных конденсатопроводов следует обеспечивать одинаковое давление в каждом ответвлении перед слиянием конденсата в общий конденсатопровод (невязка потерь давления на параллельных участках не должна превышать 10 %), применяя в случаях необходимости дросселирующие диафрагмы.
По конденсатопроводам может двигаться пароконденсатная смесь вследствие образования пара вторичного вскипания или попадания "пролетного" пара. Тогда объем перемещаемой смеси будет больше, а плотность меньше, чем при движении только расчетного количества конденсата.
При гидравлическом расчете двухфазных конденсатопроводов диаметр труб определяют дважды. Сначала диаметр труб и потери давления находят как для напорных чисто водяных конденсатопроводов. Затем пересчитывают диаметр труб на каждом участке для того, чтобы оставить потери давления без изменения при пропуске действительного объема пароконденсатной смеси пониженной плотности: м
где dсм - диаметр двухфазного конденсатопровода; dк - расчетный диаметр напорного конденсатопровода, полученный при расходе конденсата Gк (по формуле (9.22)); μ - поправочный коэффициент, учитывающий увеличение объема и уменьшение плотности пароконденсатной смеси по сравнению с объемом и плотностью конденсата:
где ρсм - плотность пароконденсатной смеси, кг/м3, по таблице в справочной литературе.
§ 9.9. Последовательность расчета системы парового отопления
Последовательность гидравлического расчета системы парового отопления высокого давления разберем на примере.
Пример 9.10. Выполним гидравлический расчет одной из двух симметричных ветвей разомкнутой системы парового отопления высокого давления (рис. 9.12) с закрытым конденсатным баком, находящимся под избыточным давлением 0,04 МПа. Паро- и конденсатопроводы проложены по колоннам цеха на высоте 6 м. Отопительными приборами являются калориферы воздушно-отопительных агрегатов тепловой мощностью по 116 кВт каждый.
283
Рис. 9.12. Расчетная схема разомкнутой системы парового отопления высокого давления с закрытым конденсатным баком: 1 - калорифер воздушно-отопительного агрегата; 2 - конденсатный бак
Начальное давление пара не задано. Примем, что пар подходит к калориферам с давлением 0,17 МПа, при котором температура пара (130 °С) допустима для цеха, где горючая и взрывоопасная пыль не выделяется.
Расчет начинаем с конденсатопровода, который является двухфазным. Для определения общего расхода конденсата (с учетом попутного) зададимся диаметром участков паропровода: 1 - Dy50, 2 и 3 - Dy32, 4 - Dy25 (см. рис. 9.12). Тогда, например, для участка 3 попутные теплопотери по формуле (8.49) составят (с использованием таблицы 11.23 Справочника проектировщика [10]):
Попутные теплопотери проставлены на рис. 9.12 у номера каждого участка паропровода в знаменателе, а в числителе приведено количество теплоты, которое потребуется доставить в конец каждого участка.
Расчетный расход конденсата на участках 3' и 4' вычисляем по формуле (9.22):
причем на участке 4' добавляем попутный конденсат из участка 2.
Результаты расчета участков конденсатопровода (по таблице II.8 в Справочнике проектировщика [10]) вносим в табл. 9.2.
284
Таблица 9.2. Гидравлический расчет конденсатопровода системы парового отопления высокого давления
Общая приведенная длина участков 1прив в табл. 9.2 найдена путем добавления к действительной длине эквивалентной длины по формуле (9.19):
(учтены местные сопротивления: два отвода, тройник на проходе, внезапное расширение потока);
(четыре отвода, тройник на противотоке);
(вентиль, тройник на ответвлении, обратный клапан, отвод, тройник на проходе);
(вентиль, два тройника на ответвлении, обратный клапан).
Потери давления на участках конденсатопровода получены по формуле (9.20). Гидростатическое давление составляет: при движении конденсата вниз γh = 9,81(1 - 6) = - 49 кПа, при подъеме конденсата - 9,81(6 - 3) = 29,43 кПа. Давление в начале каждого участка
найдено по формуле (9.23). Например, для участка l: Рнач = 40 + 16,36 - 49 = 7,36 кПа. Полученное давление в начале участка 1' является конечным для участка 2'.
В результате расчета оказалось, что давление за конденсатоотводчиком после калорифера дальнего агрегата составляет 116,72 кПа или 116,72 /170 = 0,69 принятого давления перед калорифером (т.е. меньше рекомендуемого предела 0,7).
Значения поправочного коэффициента μ для диаметра участков двухфазного конденсатопровода найдены по таблице 11.7 в Справочнике проектировщика [10]. Они зависят от разности давления перед калориферами и в конце рассчитываемого участка конденсато-
285
провода (чем больше эта разность, тем больше значение коэффициента μ вследствие уменьшения плотности пароконденсатной смеси - см. формулу (9.25)). Окончательный диаметр участков двухфазного конденсатопровода определен на формуле (9.24). Как видно, диаметр участков пришлось увеличить на 3-4 типоразмера (например, на участке 1 - с Dy20 до Dy50).
Перейдем к расчету паропровода, имея в виду, что на участке 1 допустима предельная скорость движения пара 60 м/с, на остальных участках 80 м/с.
Расчетный расход пара на участках паропровода вычисляем по формуле (9-15):
Результаты расчета участков паропровода (с использованием таблицы П.6 в Справочнике проектировщика [10]) вносим в табл. 9.3.
Таблица 9.3. Гидравлический расчет паропровода системы парового отопления высокого давления
В табл. 9.3 действительные значения скорости движения пара w и удельной линейной потери давления R найдены по формуле (9.18) при плотности пара ρср.уч, вычисленной при среднем давлении на участках.
Общая приведенная длина участков 1прив получена с применением формулы (9.19):
(учтено местное сопротивление - тройник на ответвлении);
(тройник на проходе, отвод);
286
(тройник на растекании, четыре отвода);
(задвижка, отвод).
Потери давления на участках найдены по формуле (9.20). Полученное давление в начале участка 3 принято не только за конечное для участка 2, но и за начальное давление для участка 4, параллельно соединенного с участком 3. При гидравлическом расчете участка 4 получена невязка:
Для устранения излишка давления (30,1 кПа) предусматриваем установку на участке 4 дросселирующей диафрагмы. Диаметр диафрагмы по формуле (9.14)
Полученные потери давления в паропроводе и конденсатопроводе системы отопления (с учетом потерь давления в калорифере и конденсатоотводчике) позволяют установить необходимое начальное давление. Начальное давление пара в системе с запасом 10 % составит по формуле (9.12)
Пар при давлении 0,47 МПа имеет температуру около 157 °С и плотность 3 кг/м3.
§ 9.10. Использование пара вторичного вскипания
Пар вторичного вскипания, как известно, появляется в напорных конденсатопроводах систем высокого давления. Условием вскипания конденсата является значительное понижение давления (например, в конденсатоотводчике или при подъеме конденсата), когда фактическая температура конденсата становится выше температуры насыщенного пара при пониженном давлении. Появившийся излишек теплосодержания конденсата вызывает частичное превращение его в пар. Чем значительнее понижение давления, тем больше доля повторно испарившегося конденсата.
Удельное количество пара вторичного вскипания, получившегося из 1 кг конденсата (долю пара), определяют по формуле
где 1нач и 1кон - удельная энтальпия конденсата, кДж/кг, при давлении соответственно перед конденсатоотводчиком и в конце конденсатопровода ( за конденсатоотводчиком, в ба- ке-сепараторе или закрытом конденсатном баке); гкон - удельная теплота парообразования, кДж/кг, при давлении в конце конденсатопровода.
287
Полное количество пара вторичного вскипания GB п, кг/ч, в конденсатопроводах системы высокого давления
где Gк - расход конденсата в системе, кг/ч, определяемый по формуле (9.22) без учета коэффициента 1,25.
Пример 9.11. Найдем количество пара вторичного вскипания, получающегося в двухфазном конденсатопроводе системы парового отопления высокого давления по условиям примера 9.10.
Принимаем давление перед конденсатоотводчиком (с учетом пояснений к формуле (9.6))
Удельная энтальпия конденсата при этом давлении 1нач=541,7 кДж/кг. При давлении в конденсатном баке (40 кПа) 1кон=458,4 кДж/кг (удельная теплота парообразования г=2232,4 кДж/кг).
Удельное количество пара вторичного вскипания по формуле (9.26)
Расчетное количество конденсата в системе Gк = 1074 / 1,25 = 859 кг/ч (см. табл. 9.2).
Полное количество пара вторичного вскипания по формуле (9.27)
Этот пар может быть использован во вспомогательной системе отопления, имеющей тепловую мощность
288
Рис. 9.13. Схема системы парового отопления высокого давления с использованием пароконденсатной смеси в местных отопительных приборах: 1 - калорифер воздушноотопительного агрегата; 2 - конденсатоотводчик; 3 - местный отопительный прибор
Расчеты по примеру 9.11 справедливы для коротких конденсатопроводов, когда можно пренебречь теплопотерями через стенки труб. При значительном расстоянии между местами вскипания конденсата и отбора пара попутные теплопотери заметно сокращают количество теплоты, которое идет на образование вторичного пара.
Пар вторичного вскипания целесообразно также использовать для нагревания воды, применяемой в технологическом процессе, или в системе горячего водоснабжения, особенно при круглосуточной работе предприятия.
При желании избежать вторичного вскипания применяют "переохлаждение" конденсата до 90... 100 °С. Для этого напорный конденсатопровод прокладывают через второстепенные помещения, где устанавливают местные отопительные приборы (рис. 9.13). Переохлаждения конденсата можно достигнуть также непосредственно в местных отопительных приборах и калориферах воздушно-отопительных агрегатов, развивая площадь их нагревательной поверхности. Возможна подача пароконденсатной смеси в калориферы систем приточной вентиляции, где будет происходить конденсация вторичного пара с последующим охлаждением конденсата.
Применяя переохлаждение конденсата в системах отопления высокого давления, можно сократить расход пара и обеспечить нормальную работу конденсатных насосов.
§ 9.11. Система пароводяного отопления
Пароводяную систему отопления применяют при централизованном теплоснабжении промышленного предприятия паром и необходимости устройства в одном из зданий водяного отопления, отличающегося пониженной (и переменной в течение отопительного сезона) температурой теплоносителя.
Систему пароводяного отопления применяют также в верхней части высотных зданий, куда без больших затруднений может быть подан первичный теплоноситель - пар. При вертикальном подъеме пара - теплоносителя с малой плотностью - обеспечивают лишь от-
289
ведение попутно образующегося конденсата. Конденсат удаляется через конденсатоотводчики в конденсатопровод, по которому стекает конденсат из вышерасположенного теплообменника. Так устроено, в частности, отопление верхней (четвертой) зоны центральной части главного корпуса Московского государственного университета.
Подобная система пароводяного отопления называется централизованной. В централизованной системе вода может нагреваться в емкостном или скоростном теплообменнике.
В емкостном теплообменнике вода заполняет цилиндрический корпус, а пар поступает в двухходовой змеевик, находящийся в нижней части корпуса. Пар подается в верхний патрубок змеевика, в змеевике превращается в конденсат, который удаляется через нижний патрубок змеевика, не смешиваясь с водой, циркулирующей в системе отопления. Нагреваемая вода попадает в теплообменник снизу, нагретая более легкая вода через верхний патрубок попадает в систему отопления.
Емкостные теплообменники отличаются незначительным сопротивлением (ζ=2,0) движению через них воды, поэтому могут применяться в системе отопления с естественной циркуляцией воды. Система может быть выполнена по любой известной схеме с верхней разводкой подающей магистрали.
Существенным недостатком емкостных теплообменников является их громоздкость, связанная с тем, что коэффициент теплопередачи змеевиков не превышает при стальных трубах 700 Вт/(м2·К), при латунных или медных трубах - 840 Вт/(м2·К). Благодаря большому объему находящейся в теплообменниках воды пар в них может подаваться с большими или меньшими перерывами в зависимости от температуры наружного воздуха.
Существенно меньшие размеры имеют скоростные теплообменники, в которых нагреваемая вода движется последовательно через два пучка стальных или латунных трубок с большой скоростью (от 0,5 до 2,5 м/с). Теплоноситель пар подается сверху в межтрубное пространство цилиндрического корпуса, конденсат отводится снизу. Площадь нагревательной поверхности трубок скоростных теплообменников значительно меньше площади змеевика емкостных теплообменников в связи с повышением (примерно в три раза) коэффициента теплопередачи. Вместе с тем вследствие большого гидравлического сопротивления скоростные теплообменники могут применяться только в системе отопления с насосной циркуляцией воды. Для регулирования температуры воды, поступающей в систему отопления, вокруг теплообменников устраивают обводную линию с регулирующим клапаном.
Всистеме пароводяного отопления для обеспечения бесперебойной работы устанавливают два теплообменника, каждый из которых рассчитывается на половину тепловой мощности системы.
Вдецентрализованной системе пароводяного отопления вода нагревается паром непосредственно в отопительных приборах.
Водной из конструкций децентрализованной системы применяются стандартные чугунные радиаторы, в нижнюю часть которых закладываются перфорированные трубы (рис. 9.14, а) с заглушенным концом. С одной стороны в эти трубы подается пар, который через ряд мелких отверстий выходит в радиатор (см. § 9.4). Образующийся конденсат заполняет радиаторы, и во время работы системы отопления радиаторы всегда залиты конденсатом до уровня верхней сливной подводки.
290