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

лом; б - приставной с каналом из строительных материалов; в - приставной металлический; 1 - нагреватель; 2 - канал горячего воздуха; Ан - площадь нагревателя; Ак - площадь поперечного сечения канала

333

Достоинствами рециркуляционных воздухонагревателей являются:

- создание сильного восходящего потока нагретого воздуха, вызывающего интенсивную циркуляцию воздуха с выравниванием температуры по площади и высоте помещения;

- простота устройства и эксплуатации, надежность действия без специального наблюдения;

- пониженные стоимость (например, для отопления лестничной клетки в 1,5 раза по сравнению с радиаторным отоплением) и расход металла (в том же примере - почти в 2 раза) на отопительную установку;

- количественное саморегулирование, характерное для системы отопления с естественной циркуляцией воды (см. § 8.7).

Количественное саморегулирование в данном случае заключается в изменении количества циркулирующего воздуха по мере изменения его температуры. Температура нагретого воздуха определяется температурой теплоносителя в нагревателе. Если этим теплоносителем является горячая вода, то изменение ее температуры (по графику регулирования в зависимости от температуры наружного воздуха) отражается в результате на интенсивности циркуляции воздуха в помещении. При этом по мере изменения температуры наружного воздуха усиливается теплопередача от теплоносителя к воздуху и возрастает кратность воздухообмена в помещении. Это ценное свойство улучшать прогревание помещений при низкой температуре наружного воздуха отличает рециркуляционные воздухонагреватели от отопительных установок с искусственной циркуляцией воздуха.

Наряду с этими достоинствами, при отоплении рециркуляционными воздухонагревателями возможно (если не проведены необходимые расчеты) перегревание верхней зоны и, как следствие, возрастание теплопотерь через покрытие помещения. В таком случае отмечается пониженная температура воздуха в рабочей зоне помещения.

В качестве теплоносителя для рециркуляционных воздухонагревателей в первую очередь используется высокотемпературная вода. Увеличение разности температуры греющей воды и нагреваемого воздуха дает возможность сократить площадь поверхности нагревателя.

Рис. 10.10. Схемы присоединения воздухонагревателя к теплопроводам: а - последовательная схема; б - параллельная схема; 1 - воздухонагреватель; 2 - нормально закрытая за-

311

движка на обводной трубе; 3 - подающая магистраль основной системы отопления; 4 - регулятор расхода воды

Нагреватели присоединяют к теплопроводам систем водяного отопления по различным схемам. Они могут быть присоединены как обычные отопительные приборы в пределах основной системы, но это приводит к значительному увеличению их площади вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Поэтому, прежде всего, применяются другие схемы (рис. 10.10) соединения воздухонагревателей с системой отопления.

По первой из двух основных схем осуществляется последовательное соединение (предвключение) воздухонагревателя с системой водяного отопления здания (рис. 10.10, а). Все количество высокотемпературной воды, необходимой для отопления здания, предварительно пропускают через воздухонагреватель 1 (задвижка 2 нормально закрыта), и ее температура понижается от t1 до t1'. Включение воздухонагревателя перед основной системой отопления позволяет максимально увеличить в нем температурный напор и скорость движения воды, что способствует уменьшению его площади. Схему используют для присоединения постоянно действующего нерегулируемого рециркуляционного воздухонагревателя.

Температура воды, выходящей из предвключенного нагревателя

где Qp в - тепловая мощность рециркуляционного воздухонагревателя; G1 - расход высокотемпературной воды на вводе в здание и в воздухонагревателе, определяемый по формуле

Qc - тепловая мощность основной системы водяного отопления.

По второй из основных схем автоматически управляемый воздухонагреватель соединяют с системой водяного отопления здания параллельно (рис. 10.10, б). Регулирование и полное выключение подачи воды в воздухонагреватель при этом не отражается на действии основной системы отопления, но площадь нагревателя возрастает вследствие понижения средней температуры и скорости движения воды. Расход греющей воды в таком воздухонагревателе определяется по формуле (4.3).

Теплоаэродинамический расчет рециркуляционного воздухонагревателя заключается в выборе размеров канала и площади нагревателя, достаточных для необходимой теплопередачи и создания усиленной циркуляции воздуха в помещении (не менее однократной по формуле (10.23)).

Зная тепловую нагрузку, расход и температуру греющей воды и задаваясь размерами канала, можно найти температуру и скорость движения горячего воздуха в канале.

Температура горячего воздуха tr, °C, в канале глубиной b при расчетной высоте h (см. рис. 10.9, б) определяется по формуле

скорость движения горячего воздуха vг м/с,

312

где Ан - площадь живого сечения нагревателя по воздуху, м2; m, p - экспериментальные численные показатели.

Подставляя найденные выражения в равенство (10.29), получим уравнение для определения расхода рециркуляционного нагретого воздуха

Последнее уравнение легко решается при р=2, в других случаях расход подбирается. Решение уравнения (10.36) возможно также относительно высоты h, если задаться температурой горячего воздуха и этим самым предопределить его расход.

Рассмотрим примеры расчета рециркуляционных воздухонагревателей для крупного помещения с нагревателем - калорифером и для лестничных клеток с нагревателем - ребристыми трубами.

Пример 10.8. Рассчитаем предвключенный рециркуляционный воздухонагреватель для поддержания в помещении объемом 630 м3 температуры tB=18 °C, если тепловые мощности нагревателя 15 кВт, основной системы отопления 225 кВт, расчетная температура теплоносителя воды t1=150 °C, t2=70 °C.

Расход греющей воды в воздухонагревателе находим по формуле (10.26)

Температуру воды, выходящей из воздухонагревателя, вычисляем по формуле (10.25)

Следовательно, средняя температура греющей воды в воздухонагревателе равняется

Задаемся температурой нагретого воздуха tr=60 °C и массовой скоростью воздуха в канале vρ=l,2 кг/(с·м2). Тогда количество воздуха для отопления помещения по формуле (10.1) будет равно

Кратность воздухообмена в помещении при этом с учетом формул (10.3) и (10.23) составит

т.е. является приемлемой для воздушного отопления.

Требуемая площадь поперечного сечения канала и живого сечения воздухонагревателя по воздуху при выбранной массовой скорости должна равняться

314

Выбираем по справочнику многоходовой пластинчатый калорифер типа КВС-П, имеющий необходимую площадь живого сечения по воздуху Ан=0,3033 м2, а именно калорифер КВС10-П площадью нагревательной поверхности 25,08 м2 и длиной 1155 мм. Тогда глубина канала при его ширине 1155 мм (равной длине нагревателя) составит

Зная коэффициенты местного сопротивления при входе и выходе воздуха из канала (с поворотом потока), составляющие ξ = 0,6 + 1,3 = 1,9, найдем потери давления в канале по формуле (10.33) при средней плотности воздуха ρ=1,13 кг/м3

Потери давления в воздухонагревателе вычислим по формуле вида (10.34), выбранной по справочнику для пластинчатого калорифера типа КВС-П

Правильность выбора площади нагревательной поверхности калорифера можно проверить по формуле (3.1).

Расчетную высоту канала (вертикальное расстояние между серединами калорифера и воздуховыпускного отверстия) определим из формулы (10.31) при условии, выраженном ра-

венствами (10.29) и (10.32)

Температуру нагретого воздуха проверяем по формуле (10.27) при глубине канала b=0,26 м и расчетной высоте h=2,8 м, учитывая, что тепловая мощность нагревателя приходится на 1,155 м его длины

Температура получилась достаточно близкой к первоначально принятому значению tг=60 °C. Сумма коэффициентов местного сопротивления рециркуляционного воздухонагревателя при расчете принята равной

Скорость движения нагретого воздуха в канале по формуле (10.28)

также близка к предварительно выбранной скорости. Следует отметить, что последние проверки (температуры и скорости) не являются обязательными.

338

315

Пример 10.9. Рассчитаем предвключенные рециркуляционные воздухонагреватели для отопления четырех лестничных клеток пятиэтажного жилого здания, если теплопотери здания, включая лестничные клетки, составляют 200 кВт, отдельно одной лестничной клетки 6,5 кВт, расчетная температура теплоносителя воды t1=150 °C, t2=70 °C, tв=16 °C. Высота канала воздухонагревателя 1,5 м.

Рис. 10.11. Схема теплопроводов рециркуляционных воздухонагревателей для отопления лестничных клеток жилого здания с элеваторной системой водяного отопления (к примеру 10.9): 1 - 4 - рециркуляционные воздухонагреватели

Расход высокотемпературной воды на вводе в здание находим по формуле (10.26)

Выбираем попарно последовательное соединение теплопроводов воздухонагревателей по схеме, приведенной на рис. 10.11. Тогда температура воды, выходящей из воздухонагревателей 2 и 3, по формуле (10.25)

температура воды, выходящей из воздунагревателей 1 и 4

Принимаем в качестве нагревателей круглые ребристые трубы (наружный диаметр ребер 175 мм, диаметр канала для теплоносителя 70 мм) - см. рис. 4.7. Скорость движения воды в канале ребристых труб

Расчет проведем для воздухонагревателей 1 и 4 при пониженной температуре греющей воды. Задаваясь скоростью движения воздуха в живом сечении ребристой трубы v=l м/с, определяем по графику в специальной литературе [37, рис. 59] коэффициент теплопередачи kпр=10,7 Вт/(м2·°С). Вычисляем требуемую площадь нагревательной поверхности ребристых труб

где Δtcp находим по формуле (4.17) при tcp.ад = 0,5(144,8 + 139,6) = 142,2 °С и tcp,B3 = 0,5(50

+ 16) = 33 °С, принимая температуру нагретого воздуха tr=50 °C.

316

Выбираем две ребристые трубы длиной по 1,5 м для установки в два яруса общей площадью 6 м2. Получаем площадь живого сечения нагревателя по воздуху Ан=0,15 м2, воздушного канала Ак = 0,18-1,83 = 0,33 м2 (ширина канала b = 0,175 + 0,005 = 0,18 м - см. рис.

10.9, б, длина 1,83 м с учетом калача).

Напишем, используя выражение (10.35), уравнение дня определения расхода циркулирующего воздуха в воздухонагревателе с ребристыми трубами

где ξн - коэффициент местного сопротивления нагревателя, определяемый для ребристых труб в зависимости от числа ярусов п по эмпирической формуле

Подставляя в уравнение (10.36) значения ξк = 1 + 1,3 - 2,3 и ξр.т = 2,3-2 - 1,5 = 3,1, а также другие известные величины, найдем Gот=0,17 кг/с. Воздухообмен в лестничной клетке при этом получается близким к двухкратному.

Определим действительные значения скорости движения воздуха в живом сечении ребристой трубы

и температуры нагретого воздуха по формуле (10.4)

Фактическая тепловая мощность воздухонагревателей 1 и 4 при уточненном значении коэффициента теплопередачи kпр=10,6 Вт/(м2·°С) составит

т.е. больше заданной на 5 %. Для воздухонагревателей 2 и 3 запас тепловой мощности увеличивается до 10 %.

§ 10.9. Центральное воздушное отопление

Центральное воздушное отопление применяет в помещениях производственных, гражданских и агропромышленных зданий при наличии центральной системы приточной вентиляции. Отопление осуществляют по трем описанным выше схемам: с полной рециркуляцией (см. рис. 10.2, а) с частичной рециркуляцией (рис. 10.2, б) и прямоточной (рис. 10.2,

в).

Полную рециркуляцию воздуха применяют главным образом в нерабочее время для дежурного отопления или для нагревания помещений перед началом работы при прерывистом отоплении. Так поступают, если полная рециркуляция не противоречит требованиям гигиены, пожаро- и взрывобезопасности помещений. При этом используется имеющаяся центральная система приточной вентиляции, но воздух забирается не снаружи, а из отапливаемых помещений и нагревается до температуры, определяемой по формуле (10.4).

317

Врабочее время центральное воздушное отопление подчиняется условиям вентилирования помещений. Приточный воздух нагревается до температуры более высокой, чем температура помещений в зависимости от теплопотребности, выявленной при составлении теплового баланса этих помещений.

Всистеме центрального воздушного отопления используются все конструктивные элементы системы приточной вентиляции: фильтр, калориферы, электровентилятор, воздуховоды и пр. Тепловая мощность калориферов в совмещенной системе отопления и вентиляции повышается на величину тепловой мощности системы отопления. Другим отличием является установка резервного вентилятора, электродвигатель которого должен автоматически включаться при остановке основного вентилятора.

Если для крупного помещения предусмотрено несколько совмещенных систем отопления и вентиляции, то резервные вентиляторы не устанавливаются, а головные участки воздуховодов отдельных систем соединяются перемычками - перепускными воздуховодами с нормально закрытыми клапанами. Тепловая мощность таких систем подбирается в расчете на поддержание в помещении режима дежурного отопления при выходе одной из них из строя.

Нагретый воздух может подаваться в обогреваемые помещения одной или несколькими горизонтальными струями, т.е. уже известным способом сосредоточенной подачи. В высокие помещения (высотой Нп более 8 м) воздух выпускается через воздухораспределительные устройства, размещаемые в средней зоне (0,35...0,65НП) на высоте от поверхности пола, определяемой но формуле (10.20). Предельное значение начальной температуры струи нагретого воздуха вычисляется по формуле (10.19).

Нагретый воздух может также подаваться вертикально сверху вниз. Начальную температуру воздуха tn °C, для обеспечения такой подачи принимают не более получаемой по формуле

где m и п - скоростной и температурный коэффициенты воздушной струи, зависящие от конструкции воздухораспределительного устройства.

Впомещениях при такой подаче образуются так называемые не настилающиеся воздушные струи.

Вслучаях, когда нагретый воздух выпускается под потолком помещений (h > 0,85НП), например, в относительно низких помещениях (при высоте Нп менее 8 м), воздушные струи становятся настилающимися.

Настилающиеся воздушные струи получаются также при подаче нагретого воздуха снизу вдоль вертикальных наружных ограждений, особенно вдоль стекла световых проемов. Так поступают в холодных районах, если рабочие места людей расположены близ этих проемов.

Рассмотрим расчет воздушного отопления помещений в этих двух случаях: при образовании не настилающихся и настилающихся воздушных струй.

При расчете центрального воздушного отопления с не настилающимися струями

устанавливают начальные параметры и число воздушных струй в помещении (при расчете

318

местного отопления агрегатами исходными являются тепловая мощность, начальные температура и скорость воздуха, выпускаемого из агрегатов, см. § 10.6). Определяют диаметр, число воздухораспределителей и начальную скорость v0 воздушных струй для обеспечения скорости движения воздуха в рабочей зоне не более нормируемой vнорм. Определяют также начальную температуру воздуха tr, которая не должна превышать максимально допустимой.

Расчет начинают с вычисления предварительного значения шага b', м, размещения воздухораспределителей в помещении по формуле

при условии, что длина обогреваемого одной воздушной струей объема помещения 1, м, соответствует выражению (10.24).

В формуле (10.39) tp 3 и tн - расчетная температура, °С, соответственно рабочей зоны и наружного воздуха; q - удельная тепловая характеристика помещения, Вт/(м3-°С); k - поправочный коэффициент (см. формулу (10.21)).

Затем устанавливают число воздухораспределителей N, исходя из длины помещения и полученного значения b' (если соблюдается условие b'<ЗНн).

Вычисляют площадь выходного отверстия А0, м2, одного воздухораспределителя по формуле

где v0 - начальная скорость воздушной струи, м/с, выбираемая с учетом акустических требований, предъявляемых к помещению.

В формулу (10.40) подставляют уточненный размер b в зависимости от выбранного числа воздухораспределителей.

Наконец, определяют начальную температуру подаваемого воздуха по формуле

где Qп - теплопотребность, Вт, для поддержания в помещении расчетной температуры рабочей зоны tp 3; сирсоответственно теплоемкость, Дж/(кг°С), и плотность, кг/м3, воздуха (при расчетах принимают ср=1200 Дж/ (м3-°С)).

Пример 10.10. Рассчитаем систему центрального воздушного отопления с сосредоточенной подачей воздуха через цилиндрические трубы (m=6,8; n=4,8) по условиям примера 10.6, если удельная тепловая характеристика цеха 0,54 Вт/(м3·°С) при tн=-20 °C.

Найдем предварительное значение шага размещения воздухораспределителей по формуле (10.39) при длине зоны обслуживания струи равной ширине цеха (1=20 м), т.е. при установке воздухораспределителей в один ряд вдоль продольной стены цеха

319

Принимая к установке четыре воздухораспределителя с шагом b = 50 / 4 = 12,5 м (< ЗНп = 3-9 = 21 м), определим площадь выходного отверстия одного воздухораспределителя по формуле (10.40)

где начальная скорость воздушной струи принята равной 12 м/с.

Отсюда диаметр цилиндрической трубы каждого воздухораспределителя d=0,48≈0,5 м. Принятая дальнобойность воздушной струи (20 м) меньше предельной по формуле (10.24)

Начальная температура подаваемого в цех воздуха по формуле (10.41)

меньше предельно допустимой (36,6 °С), полученной по формуле (10.19).

Кратность воздухообмена в цехе по формуле (10.23)

приемлема для воздушного отопления.

Рассмотренный способ распределения нагретого приточного воздуха не настилающимися струями распространен в производственных и коммунальных (гаражи, прачечные) зданиях.

В сравнительно низких помещениях общественных и административно-бытовых зданий чаще встречается подача воздуха вдоль ограждений, при которой получаются настилающиеся струи. При выпуске в таких условиях нагретого воздуха из щелевидного отверстия воздухораспределителя образуется плоская неизотермическая струя, настилающаяся на поверхность наружного ограждения - стены, потолка или стекла светового проема.

Связанное с этим повышение температуры внутренней поверхности наружного ограждения благоприятно сказывается на самочувствии людей, хотя и вызывает увеличение наружных теплопотерь.

Геометрическая характеристика плоской воздушной струи Н, м, определяется по формуле

где b0 - ширина воздуховыпускного отверстия, м. Остальные обозначения приведены к формуле (10.8).

Из формулы (10.42) можно установить, что между геометрической характеристикой плоской нагретой струи и числом Архимеда существует определенная связь: характеристика Н пропорциональна

320