Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdf
При выпуске воздуха в свободное пространство объемного помещения через регулирующий многостворчатый клапан агрегата образуется так называемая компактная струя. Воздушная струя превращается в неполную веерную в том случае, когда регулирующий клапан дополняют рассеивающей решеткой.
Подачу нагретого воздуха при использовании отопительных агрегатов осуществляют двумя способами: наклонными струями сверху в направлении рабочей зоны (рис. 10.5, а) или горизонтальными струями выше рабочей зоны (рис. 10.5, б).
Наклонной подаче отдается предпочтение, так как нагретый воздух попадает непосредственно в рабочую зону. Для этого воздух выпускается под углом 35° к горизонту, что обеспечивает наибольшую дальнобойность нагретых струй.
Рис. 10.4. Напольный воздушно-рециркуляционный отопительный агрегат: 1 - электродвигатель; 2 - воздуховыпускной патрубок; 3 - воздухонагреватель; 4 - корпус; 5 - клиноременная передача в защитном кожухе
Рис. 10.5. Схемы подачи нагретого воздуха отопительным агрегатом: а - наклонная подача; б - сосредоточенная подача; А - расчетная точка в рабочей зоне; В - вершина воздушной струи
Горизонтальную подачу, получившую название сосредоточенной, применяют, когда при наклонной подаче температура и скорость движения воздуха в рабочей зоне (в точке А на
301
рис. 10.5, а) превышают допустимые значения. Агрегаты для горизонтальной (или под малым углом к горизонту, как показано на рис. 10.5, б) подачи помещают на высоте от пола h = (0,35..Д65)Нп (Нп - высота помещения), т.е. в средней зоне по высоте помещения. Воздушные струи при этом получаются не настилающимися (настилаются они на потолок при h>0,85Hп, и это в высоких помещениях вызывает перегревание верхней зоны).
При сосредоточенной подаче под воздушной струей в нижней части помещения возникает обратный поток воздуха. В месте, где расширяющаяся воздушная струя наиболее близко проходит своей нижней границей к рабочей зоне, обратный поток движется с максимальной скоростью. В этом месте (точка А на рис. 10.5, б) и проверяют допустимость получающихся значений скорости движения и температуры воздуха.
В крупных помещениях отопительные агрегаты размещают так, чтобы получались несколько параллельных компактных или неполных веерных воздушных струй. При параллельных компактных струях (рис. 10.6, а) агрегаты располагают на расстоянии b≤ЗНп, при неполных веерных струях - до 10НП (рис. 10.6, б). В плане агрегаты устанавливают с учетом расположения колонн и крупногабаритного оборудования, которые могут нарушать свободное развитие воздушных струй в помещении.
Рис. 10.6. Схема расположения отопительных агрегатов в плане помещения: а - при параллельных воздушных струях; б - при неполных веерных воздушных струях
Выбор модели отопительных агрегатов для крупных помещений делают в предположении, что будет принята наклонная подача воздуха, исходя из длины 1 зоны обслуживания одним агрегатом, рекомендуемой в справочной литературе. Предварительно принимая ширину этой зоны b=1, сопоставляют теплопотери обслуживаемой части помещения (с повышающим коэффициентом 1,1) с тепловой мощностью агрегатов. Выбрав окончательно модель агрегата, уточняют объем части помещения, приходящийся на один агрегат, и число агрегатов.
При наклонной подаче воздуха допустимо получение размера b = (0,5...2,0)1.
Экономически выгоднее применять укрупненные отопительные агрегаты. При использовании крупных отопительных агрегатов температура воздуха в помещении может остаться довольно равномерной (отличаться от расчетной не более чем на 2-3 °С, что допустимо во многих производственных зданиях), особенно если там обеспечивается 2-3-кратный воздухообмен.
§ 10.6. Расчет подачи воздуха, нагретого в отопительном агрегате
В высоком помещении нагретый воздух, подаваемый отопительными агрегатами, образует свободно развивающиеся, постепенно всплывающие круглые воздушные струи. В та-
302
кой воздушной струе, подаваемой как наклонно вниз, так и горизонтально, происходит теплоаэродинамический процесс затухания скорости ее движения и понижения температуры при подмешивании окружающего воздуха.
Рассмотрим методику расчета каждого из способов подачи нагретого воздуха в помещение.
1. Расчет наклонной подачи нагретого воздуха
Траектория и параметры круглой не изометрической воздушной струи зависят от расчетных показателей выбранной модели отопительного агрегата. Перечислим эти показатели: площадь воздухораспределяющего устройства А0, м2, начальная скорость подаваемого воздуха v0, м/с, избыточная температура воздуха (tг - tв), °C.
Расчет подачи начинается с определения геометрической характеристики воздушной струи Н, создаваемой агрегатом. Значение Н, м, круглой воздушной струи вычисляется по формуле
где m и n - скоростной и температурный коэффициенты воздушной струи, зависящие от конструкции воздухораспределительного устройства (принимаются по справочным данным).
Скоростной коэффициент характеризует интенсивность затухания скорости движения воздушной струи при применении воздухораспределительного устройства той или иной конструкции (клапана, решетки и т.п.), температурный - интенсивность понижения температуры воздуха в струе.
Пример 10.3. Найдем геометрическую характеристику круглой воздушной струи, создаваемой отопительным агрегатом при (tг - tв) = 35,8 °С. Принятая модель имеет следующие технические характеристики: А0=0,25 м2, v0=4,4 м/с, m=4,5, n=3,&.
По формуле (10.8)
По значению геометрической характеристики струи проверяется выбранная длина 1 зоны обслуживания отопительным агрегатом
Выражение (10.9) получено как среднее для соотношения х / 1 = 0,3...0,5, где х - координата вершины воздушной струи (точка В на рис. 10.5, а, определяемая по формуле
Вторую координату вершины струи находят по формуле
303
Тогда длина струи s от агрегата до ее вершины составит
Пример 10.4. Определим по условиям примера 10.3 длины зоны обслуживания агрегатом и воздушной струи от агрегата до ее вершины.
По формулам (10.9) - (10.12) найдем длину зоны обслуживания отопительным агрегатом 1 = 1,58-6,54 = 10,3 м, а также длину струи до ее вершины s = 0,70-6,54 = 4,6 м при х =
0,635-6,54 = 4,15 м и z = 0,307-6,54 = 2,0 м.
В вершине воздушной струи максимальная скорость ее движения vs, м/с, и избыточная температура Δtg, °C, определяются по формулам
Получаемые по формулам (10.13) и (10.14) значения скорости движения и температуры в вершине воздушной струи сопоставляют с соответствующими предельно допустимыми (нормативными) значениями для рабочей зоны помещения. Если они не превышают нормативных значений, то предварительно выбранную высоту установки отопительного агрегата (на z выше вершины струи) можно оставить без изменения. Если же вычисленные значения скорости vs и температуры Δts превышают нормируемые, то для их уменьшения следует поднять вершину воздушной струи над уровнем рабочей зоны помещения.
Пример 10.5. Вычислим скорость движения и избыточную температуру в вершине воздушной струи (в точке В на рис. 10.5, а) по условиям примеров 10.3 и 10.4.
По формулам (10.13) и (10.14) получим
Найденные значения скорости движения и избыточной температуры в вершине воздушной струи превышают предельно допустимые.
В этом случае определяют величину дополнительного превышения (hn на рис. 10.5, а) вершины воздушной струи над уровнем рабочей зоны. Дополнительное превышение hn вычисляют из двух нижеследующих формул (подставляя в них нормативные значения скорости vнорм и избыточной температуры Δtнорм)
Выбирая большее из полученных значений hn (но не более 2 м), устанавливают окончательно высоту установки отопительного агрегата над поверхностью пола
304
Во всех расчетах (h - hp 3) должно быть не менее 2 м. В развитие примера 10.5 расчетами по приведенным формулам получено, что при наклонной подаче нагретого воздуха отопительный агрегат, рассмотренной в примере модели, следует установить на высоте 4,7 м от уровня пола. При этом в рабочей зоне помещения (в точке А на рис. 10.5, а) скорость движения воздуха составит vp3=0,4 м/с, а его избыточная температура - Δtp3=6 °C. Если полученное по формулам (10.15) и (10.16) значение hn превышает 2 м, то рекомендуется либо уменьшить отклонение оси выпускаемой воздушной струи от горизонтали (угол =35° на рис. 10.5, а), либо понизить температуру подаваемого воздуха tn используя более общую формулу
Наконец, можно заменить наклонную подачу нагретого воздуха сосредоточенной.
2. Теплоаэродинамический расчет сосредоточенной подачи воздуха, нагретого в отопительном агрегате
При сосредоточенной подаче начальная температура струи нагретого воздуха во избежание быстрого ее "всплывания" не должна превышать полученной по формуле
где b - расстояние между отопительными агрегатами, м; Нп - высота помещения, м (остальные обозначения - см. формулу (10.8)).
Агрегаты устанавливают на высоте над поверхностью пола помещения, вычисляемой по формуле
Расчет сосредоточенной подачи воздуха сводится к определению максимальной скорости движения воздуха в рабочей зоне помещения, т.е. в обратном потоке воздуха (в точке А на рис. 10.5, б) по формуле
где k - поправочный коэффициент, учитывающий число отопительных агрегатов, устанавливаемых в один ряд (изменяется от 1,15 при двух агрегатах и 1,05 при четырех до 0,9 при десяти агрегатах в ряду).
Определяется также максимальная избыточная температура обратного потока в рабочей зоне по формуле
Скорость движения обратного потока воздуха в рабочей зоне не должна превышать 0,7 м/с, избыточная температура обратного потока - 2 °С.
305
При выборе тепловой мощности модели отопительных агрегатов, предназначенных для сосредоточенной подачи нагретого воздуха, к тепло-потерям помещения вводят повышающий коэффициент 1,25 (при наклонной подаче воздуха - 1,1). Это объясняется тем, что в горизонтальной нагретой воздушной струе действует сила, вызывающая ее подъем. При ускоренном (по сравнению с наклонной подачей) подъеме нагретого воздуха перегревается верхняя зона, вследствие чего увеличиваются теплопотери через покрытие помещения, и недогревается рабочая зона.
Равномерность температуры воздуха по площади и высоте связана с кратностью воздухообмена в помещении
где Ln - воздухообмен, м3/ч, в помещении объемом Vn, м3.
Температура воздуха по высоте помещения выравнивается с увеличением кратности воздухообмена от 1 до 3. Дальнейшее увеличение кратности воздухообмена практически не влияет на температуру воздуха в верхней зоне. При соблюдении описанных выше условий в отношении высоты выпуска воздуха и кратности воздухообмена сосредоточенная подача нагретого воздуха вызывает изменение температуры воздуха всего на 0,1...0,15 °С на 1 м высоты, и температура воздуха в верхней зоне высоких цехов отличается от температуры в рабочей зоне не более, чем на 3°С.
Длину обслуживаемого одним отопительным агрегатом объема помещения (так называемую дальнобойность воздушной струи) проверяют по выражению
Расчетами при bНп = 21 м2 применительно к ранее выбранной модели отопительного агрегата (см. примеры 10.3 - 10.5) получено, что для обеспечения примерно тех же параметров воздуха в рабочей зоне помещения как и при наклонной подаче, агрегат при сосредоточенной подаче воздуха следует установить на высоте 3,4 м от поверхности пола (на 1,3 м ниже), а дальнобойность воздушной струи составит 12... 15 м (на З м больше, чем при наклонной подаче).
Пример 10.6. Рассчитаем систему воздушного отопления агрегатами, обогреваемыми водой (температура 150-70 °С), с наклонной подачей воздуха в цехе длиной 50, шириной 20 и высотой 9 м, если теплопотери цеха 170 кВт, tв = 15 °С, vнорм = 0,5 м/с и Δtнорм = 3 °С.
Выбираем подачу воздуха четырьмя отопительными агрегатами по схеме, изображенной на рис. 10.6, а, когда зона обслуживания 1=10 м.
Необходимая тепловая мощность одного отопительного агрегата
Принимаем к установке агрегаты тепловой мощностью по 47,7 кВт при подаче 4000 м3/ч воздуха.
Получающаяся кратность воздухообмена по формуле (10.23)
306
удовлетворяет условию равномерности температуры воздуха в цехе.
Найдем необходимую высоту установки отопительных агрегатов над поверхностью пола цеха, используя результаты расчетов в примерах 10.3 - 10.5.
Определим дополнительное превышение вершины воздушной струи над уровнем рабочей зоны по формулам (10.15) и (10.16).
Из формулы (10.15) при vs=2,15 м/с и s=4,6 м получим hn=0,65 м. Из формулы (10.16) при
Δtв=14,8 °С найдем hn=0,95 м.
Тогда при высоте рабочей зоны 2,0 м определим высоту установки отопительных агрегатов по формуле (10.17)
Пример 10.7. Проверим, можно ли использовать отопительные агрегаты, принятые к установке по условиям примера 10.6, для отопления того же цеха при сосредоточенной горизонтальной подаче нагретого воздуха.
Максимальная скорость движения воздуха в обратном потоке в рабочей зоне составит по формуле (10.21)
Максимальную избыточную температуру обратного потока воздуха в рабочей зоне найдем по формуле (10.22)
Однако тепловая мощность агрегатов принятой модели (47,7 кВт) недостаточна, так как при сосредоточенной подаче нагретого воздуха потребуются агрегаты, имеющие тепловую мощность не менее
Воздушное отопление с помощью отопительных агрегатов автоматизируется. Принципиальная схема автоматического регулирования их работы дана на рис. 10.7.
307
Рис. 10.7. Схема автоматического регулирования работы воздушного отопительного агрегата: 1 - калорифер; 2 - вентилятор; 3 - электродвигатель; 4 - магнитный пускатель; 5 - промежуточное реле; 6 - датчик температуры; 7 - исполнительный механизм; 8 - регулирующий орган
§ 10.7. Квартирная система воздушного отопления
Квартирным принято называть отопление группы помещений, предназначенных для проживания одной семьи и размещенных в индивидуальном жилом доме или, что реже, в отдельной квартире жилого многоквартирного дома. Квартирное воздушное отопление можно отнести к канальной системе местного воздушного отопления. Ее принципиальная схема близка к схеме, изображенной на рис. 10.1, в. Нагретый воздух подается в жилые комнаты, обеспечивая не только их отопление, но и, как правило, вентиляцию. Из жилых комнат воздух перетекает во вспомогательные помещения квартиры: в кухню, ванную и уборную, откуда он удаляется наружу с помощью системы вытяжной вентиляции. С целью экономии тепловой энергии в системе может использоваться частичная рециркуляция воздуха.
В качестве отопительно-вентиляционного агрегата квартирного воздушного отопления может быть использован подвесной (см. рис. 10.3, 5) или напольный (см. рис. 10.4) агрегат. Подвесной агрегат можно разместить в подшивке под потолком коридора или любого другого вспомогательного помещения. Для размещения напольного агрегата потребуется выделение в квартире специального помещения.
Для транспортировки воздуха в квартире прокладываются воздуховод наружного воздуха с воздухозаборной решеткой, рециркуляционный и приточные воздуховоды с регулирующим клапаном в каждой жилой комнате.
В жилые комнаты может подаваться только наружный воздух, воздух при частичной и полной рециркуляции (например, при отсутствии людей). При наличии хладоносителя данная система может также использоваться для летнего охлаждения воздуха комнат квартиры.
Часто, особенно для отопления малоэтажных зданий, применяют чисто рециркуляционную квартирную систему воздушного отопления. Нагретый до 40...45 °С воздух выпускается, как правило, в нижнюю зону комнат - на высоте 0,3...0,5 м от пола. Возможна также
308
подача воздуха, нагретого до более высокой температуры, на высоте 1,5 м от пола и под потолком помещений.
В рециркуляционной квартирной системе воздух может забираться из отапливаемых комнат, а также из прилегающих к комнатам коридоров. В первом случае обеспечивается более ровная температура помещений.
Преимуществами квартирного воздушного отопления являются независимое отопление отдельных квартир, малая тепловая инерция и простое регулирование.
К его недостаткам относится шум, возникающий при действии электровентилятора, особенно ощутимый ночью, и необходимость разработки специальных мероприятий по звукоизоляции.
§ 10.8. Рециркуляционные воздухонагреватели
Рециркуляционный воздухонагреватель с естественным движением воздуха - это отопительный прибор типа высокого конвектора, обогреваемый теплоносителем - водой (см. рис. 4.11). По способу отопления помещения, связанному с интенсивной циркуляцией воздуха при сосредоточенном его нагревании, рециркуляционный воздухонагреватель считают прибором местного водовоздушного отопления.
Рециркуляционные воздухонагреватели по тепловой мощности занимают промежуточное место между обычными отопительными приборами систем водяного и парового отопления и отопительными агрегатами систем воздушного отопления. Их мощность составляет от 5 до 25 кВт. Применяют их для отопления отдельных помещений, не имеющих постоянных рабочих мест у наружных ограждений и периодически используемых людьми, в первую очередь, для отопления лестничных клеток многоэтажных зданий.
В лестничной клетке, отапливаемой рециркуляционным воздухонагревателем, помещенным близ наружной входной двери (рис. 10.8, а) обеспечивается более ровная температура воздуха, чем при водяном отоплении приборами, расположенными на нескольких лестничных площадках. Этому способствует усиленное прогревание наружного воздуха, проникающего через открываемую входную дверь.
Рис. 10.8. Применение рециркуляционного воздухонагревателя для отопления: а - лестничной клетки в многоэтажном здании; б - низкого помещения; в - высокого помещения
309
В общественных и вспомогательных помещениях (в вестибюлях, холлах, торговых залах, складах и т.п.), имеющих значительную площадь при ограниченной высоте и сообщающихся с наружным воздухом, рециркуляционные воздухонагреватели устанавливают при входах (рис. 10.8, б). Они поддерживают равномерную температуру, вовлекая в циркуляцию и нагревая как внутренний, так и холодный наружный воздух, поступающий в помещения.
Рециркуляционные воздухонагреватели применяют также для отопления помещений, окруженных по периметру постоянно отапливаемой частью здания и охлаждающихся в основном через покрытие (рис. 10.8, в). К таким помещениям относятся зрительные залы театров, концертные и другие залы, а также цехи.
Рециркуляционный воздухонагреватель состоит из двух элементов - нагревателя и канала. Нагреватель собирают из стандартных отопительных приборов - гладких или ребристых труб, радиаторов или калориферов. При равной площади, занимаемой в помещении, тепловая мощность рециркуляционных нагревателей с калориферами получается в несколько раз больше их тепловой мощности с другими нагревателями, что объясняется значительной площадью теплоотдающей поверхности калориферов. Калориферы выбирают пластинчатого типа для уменьшения их аэродинамического сопротивления и многоходовые для увеличения скорости движения теплоносителя.
Канал высотой 1,5...3 м выполняют встроенным во внутреннюю стену (рис. 10.9, a), или приставным из неметаллических (рис. 10.9, б) и металлических (рис. 10.9, в) строительных материалов. Ширина канала равняется длине нагревателя, а его глубина определяется в зависимости от количества циркулирующего воздуха или ширины нагревателя (как на рис. 10.9,6).
Рис. 10.9. Конструкции рециркуляционных воздухонагревателей: а - со встроенным кана-
310