Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdf
При подаче воздуха из открытого щелевидного отверстия или из отверстия с параллельными направляющими лопатками коэффициенты тип в формуле (10.42) для плоской воздушной струи равны: m=3,5 и n=2,8. Тогда геометрическая характеристика плоской воздушной струи приобретает вид
Расчет плоской настилающейся струи заключается в проверке допустимости начальных и конечных параметров воздуха. Обычно определяется начальная скорость движения воздуха и температура воздуха в струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска (например, в точке входа струи в рабочую зону). Начальная скорость движения плоской воздушной струи v0, м/с, при условии, что х ≤ 610 (10 - длина отверстия щелевого воздухораспределителя), находят по формуле
где vx - скорость движения воздуха в расчетной точке помещения, м/с; kc - поправочный коэффициент учета стеснения струи, зависящий от соотношения между расчетным расстоянием х и высотой помещения Нп; kc=l при х<Нп; kc<l при х>Нп (см. рис. 10.13).
Объемное количество воздуха l1, м3/с, подаваемого из отверстия длиной 1 м щелевого воздухораспределителя, при известных ширине щели b0 и начальной скорости v0 составляет
Длина одного воздухораспределителя 10 и число воздухораспределителей в помещении определяются количеством подаваемого нагретого воздуха lот и необходимостью выполнить условие х ≤ 610.
В помещении возможно ограничение скорости выпуска воздуха из приточного отверстия по акустическим условиям, тогда ширина и длина щели могут увеличиваться.
Максимальная температура воздуха tx, °C, в плоской настилающейся струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска рассчитывается по формуле
В зоне прямого воздействия приточной струи допустимо отклонение температуры в струе от нормируемой для жилых, общественных и административно-бытовых помещений на 3 °С, для производственных помещений на 5 °С.
Пример 10.11. Рассчитаем подачу воздуха в объеме Lот=0,27 м3/с, нагретого до 35 °С, через плоский воздухораспределитель с щелью шириной b0=0,03 м, располагаемый под потолком общественного помещения (рис. 10.12, а) высотой Нп=3,5 м, для обеспечения на расстоянии х=8 м от места выпуска струи (6 м по горизонтали и 2 м по вертикали) скорости движения vx=0,5 м/с и температуры tx = tв + 3 = =18 + 3=21 °С.
321
Рис. 10.12. Центральное воздушное отопление помещения : а - с подачей нагретого воздуха через подпотолочный щелевой воздухораспределитель (к примеру 10.11); б - то же через напольный (к примеру 10.12); 1 - воздухораспределитель; 2 - граница настилающейся воздушной струи; 3 - граница рабочей зоны; 4 - наружное ограждение
Начальную скорость плоской настилающейся воздушной струи определяем по формуле
(10.43)
так как при х / Нп = 8 / 3,5 = 2,3 kc=0,77 (по специальной литературе).
Значение геометрической характеристики плоской воздушной струи по формуле (10.42, а) составит
Объемное количество воздуха, подаваемого из отверстия длиной 1 м щелевого воздухораспределителя, находим по уравнению (10.44)
Общая длина воздуховыпускной цели составит
Для обеспечения условия х ≤ 610 принимаем к установке два щелевых воздухораспределителя длиной по 10=1,5 м.
Проверяем температуру в воздушной струе на расстоянии х=8 м от щели по формуле
(10.45)
В системе центрального воздушного отопления нагретая струя, выпускаемая из сравнительно узкой щели, характеризуется числом Аг<0,001, т.е. относится к категории слабо неизотермических струй. На основном участке такой струи интенсивно падает скорость движения воздуха и относительно медленно снижается температура.
322
Температура воздуха понижается более заметно при движении нагретой струи вдоль наружного ограждения, особенно вдоль стекла светового проема. Понижение температуры воздушной струи ускоряется вследствие интенсификации конвективного теплообмена на внутренней поверхности ограждения. Это дополнительное понижение температуры в изложенном выше методе расчета нагретой плоской настилающейся струи во внимание не принималось.
Однако при усилении теплообмена на внутренней поверхности повышается ее температура и увеличиваются теплопотери через наружное ограждение. Для возмещения дополнительных теплопотерь следует соответственно повысить начальную температуру воздушной струи.
В случае подачи нагретого воздуха плоской настилающейся струей снизу вверх значение коэффициента конвективного теплообмена αк, Вт/(м2·°С), между струей и внутренней поверхностью, среднее по высоте ограждения Нп (при Нп > 14,5b0), может быть найдено при температуре окружающего воздуха около 20 °С по формуле
При известном коэффициенте αк можно уточнить теплопотери через наружное ограждение и начальную температуру воздушной струи.
В этом же случае нагретая воздушная струя не только возмещает теплопотери помещения, но и защищает рабочую зону от ниспадающего потока воздуха, охлаждающегося у наружного ограждения. Струя должна лишь оставаться настилающейся по всей высоте помещения Нп (см. рис. 10.12,6).
Для выполнения этого условия начальная скорость нагретой струи, выпускаемой из щели в полу шириной b0, должна удовлетворять соотношению, полученному в результате исследований
где (tB - τв) - разность температуры при tB - 20 °C и температуре внутренней поверхности наружного ограждения τв, вычисленной для обычных условий естественной конвекции.
Пример 10.12. Найдем начальную скорость нагретой воздушной струи, выпускаемой из щели в полу шириной b0=0,01 м, препятствующей образованию ниспадающего потока воздуха у двойного стеклянного витража высотой 5 м, если температура воздуха tв = 18 °С, внутренней поверхности стекла 3,4 °С (см. рис. 10.12,6).
Начальную скорость движения воздушной струи при ts - тв = 18 - 3,4 = 14,6 °С определяем из уравнения (10.47):
Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена на поверхности внутреннего стекла витража по формуле (10.46) составит
323
Для данного примера коэффициент конвективного теплообмена получился приблизительно в 2 раза большим, чем при естественной конвекции. При этом коэффициент теплообмена в на внутренней поверхности ограждения повышается в 1,5 раза, и возрастает тепловой поток наружу. В рассмотренном случае тепловой поток через двойной витраж увеличивается на 13,3 %. Очевидно, что должна быть соответственно повышена и начальная температура воздушной струи.
§ 10.10. Особенности расчета воздуховодов центрального воздушного отопления
Аэродинамический расчет воздуховодов, расчет и подбор оборудования рассматриваются в дисциплине "Вентиляция". Здесь остановимся лишь на особенностях теплоаэродинамического расчета воздуховодов, предназначенных для подачи нагретого воздуха в отапливаемые помещения.
Всистемах центрального воздушного отопления в отличие от систем центральной приточной вентиляции перемещается воздух меньшей и переменной плотности по сравнению с плотностью воздуха, окружающего воздуховоды. В связи с этим можно отметить две особенности действия систем центрального воздушного отопления: нагретый воздух заметно охлаждается по пути его движения и количество воздуха, поступающего в помещения, изменяется в течение отопительного сезона, особенно при естественном движении.
Ввентиляторных системах воздушного отопления ограниченной длины и высоты эти два фактора обычно во внимание не принимаются. В разветвленных протяженных системах воздушного отопления крупных зданий, особенно высоких, необходимо ограничивать как охлаждение воздуха в воздуховодах, так и перераспределение воздуха, поступающего в помещения, под влиянием изменяющегося естественного циркуляционного давления.
Для ограничения и учета охлаждения воздуха выполняют тепловой расчет воздуховодов, устанавливают начальную температуру воздуха и уточняют его расчетный расход.
Для ограничения отклонения расхода нагретого воздуха от расчетного, т.е. для повышения тепловой устойчивости систем отопления, проверяют аэродинамический режим работы сети воздуховодов. При необходимости увеличивают потери давления в концевых ответвлениях сети. Помимо уменьшения диаметра ответвлений, на них устанавливают диафрагмы, а также увеличивают коэффициент местного сопротивления (КМС) воздухораспределительных клапанов. При этом имеют в виду, что при потере давления в клапане, равной всего 20 Па, повышение или понижение температуры наружного воздуха на 20 °С (от 0 °С) значительно отражается на пропускной способности клапанов. По экспериментальным данным в 10-этажном здании с естественной вентиляцией такое изменение температуры наружного воздуха вызывает изменение расхода воздуха в клапанах на 40 %. Дня того, чтобы сократить это изменение в тех же условиях до допустимых 7 % применяют клапаны с повышенным аэродинамическим сопротивлением, рассчитанные на потери давления, равные 160 Па.
1, Тепловой расчет воздуховодов
Тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 представим как
324
где q1 - тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м, определяемый по формуле
R1 - сопротивление теплопередаче от нагретого воздуха, имеющего среднюю температуру tcp, через площадь A1 стенок воздуховода длиной 1 м в помещение при температуре tв.
Сопротивление теплопередаче находят с учетом дополнений, которые изложены в главе 11. Дополнения относятся к условиям теплопередачи через 1 м воздуховода, у которого внешняя поверхность может быть значительно больше внутренней и отделяется от последней промежуточными слоями. Величины, слагающие R1, вычисляют по формулам
(11.33)-(11.37).
Тепловой поток через стенки воздуховода при установившемся состоянии соответствует степени охлаждения потока нагретого воздуха, перемещающегося по воздуховоду. Поэтому можно написать уравнение теплового баланса, выражая q1 в кДж/ч:
где Gот - количество воздуха для отопления помещения, кг/ч; tнач и tг - температура нагретого воздуха соответственно в начале воздуховода и выпускаемого в помещение, °С; с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг°С).
Уравнение теплового баланса (10.50) дает возможность установить начальную температуру воздуха в воздуховоде по заданной конечной или, наоборот, уточнить температуру воздуха, выпускаемого в помещение, и, при необходимости, расход воздуха.
Температура нагретого воздуха в начале воздуховода на основании формулы (10.4) равна
где η - доля от Qохл, поступающая в отапливаемое помещение (Qохл в первом приближении можно определять по формулам (10.48) и (10.49), подставляя известную температуру tr вместо температуры tcp).
Уточненный расход горячего воздуха в воздуховоде, кг/ч, с учетом формулы (10.1) составит
Пример 10.13. Найдем начальную температуру воздуха в воздуховоде (R1=0,23 м·°С/Вт) длиной 10м, проложенном вне отапливаемого помещения, в которое для возмещения теплопотерь, равных 6 кВт при tв
Температуру воздуха для отопления помещения определяем по формуле (10.4)
Ориентировочный тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м по формуле (10.49), принимая tср = tг, составит
325
Предварительную температуру воздуха в начале воздуховода находим по формуле (10.51) при η=0
Уточненный тепловой поток через стенки воздуховода определяем по формуле (10.48) при tcp = 0,5(57,7 + 49,5) = 53,6 °С
Окончательная температура воздуха в начале воздуховода будет равна
349
Таким образом, получено, что горячий воздух в воздуховоде длиной 10 м при малом сопротивлении теплопередаче его стенки охлаждается почти на 10 °С. Для уменьшения охлаждения теплоносителя воздуха, если теплопотери через стенки не используются для отопления, воздуховод вне отапливаемого помещения нужно покрывать тепловой изоляцией.
2. Аэродинамический режим работы сети воздуховодов
В течение отопительного сезона в воздуховодах прямоточной механической системы центрального воздушного отопления и в помещениях отапливаемого ею здания непрерывно колеблется давление под влиянием изменения температуры наружного и горячего воздуха, скорости и направления ветра, индивидуального регулирования воздухообмена. При этом возможно нарушение расчетного распределения горячего воздуха по помещениям, т.е. аэродинамическое разрегулирование, приводящее, в свою очередь, к тепловому разрегулированию системы отопления.
Для сохранения теплового режима помещений с допустимой степенью отклонения от расчетных условий, фактическое количество горячего воздуха Gф, поступающего в каждое помещение, может быть больше, но должно быть достаточно близким к расчетному количеству воздуха Gот.
Это условие может быть выполнено путем ограничения изменения избыточного давления в воздуховодах. Напишем аэродинамическую зависимость между давлением в воздуховоде и количеством воздуха при его механическом перемещении в виде
где р - избыточное давление в воздуховоде по отношению к давлению в помещении, создаваемое вентилятором для подачи воздуха в количестве GOT; р - дополнительное избыточное давление в воздуховоде, возникающее под влиянием перечисленных выше факторов и вызывающее увеличение расхода воздуха до Gф.
326
Отношение фактического расхода воздуха Gф к расчетному Gот является показателем аэродинамического разрегулирования системы центрального воздушного отопления. Обозначив его kp, перепишем уравнение (10.53), решив его относительно избыточного давления, создаваемого вентилятором,
Показатель разрегулирования kp = Gф / Gот в последней формуле выражает отклонение фактического расхода воздуха от расчетного под влиянием величины Ар при определенном давлении вентилятора. Очевидно, что kp>l, и чем больше он отливается от единицы, тем значительнее будет аэродинамическое, а с ним и тепловое разрегулирование системы центрального воздушного отопления. Наоборот, чем ближе будет значение kp к единице, тем более постоянным станет аэродинамический режим работы системы воздуховодов и воздухораспределение. Вместе с этим, будет уменьшаться отклонение температуры воздуха в помещениях от расчетной. Для выражения показателя разрегулирования через температуру используем формулу (10.1), написав ее в виде, отвечающем тепловому балансу в помещении при подаче горячего воздуха в количестве gф
где Δtв - повышение температуры воздуха в помещении при увеличении расхода воздуха от GOT до Gф.
Придав аналогичный вид формуле для вычисления расчетного расхода воздуха GOT, после преобразования получим
Из последней формулы видно, что показатель разрегулирования может быть распространен на всю систему центрального воздушного отопления здания в конкретных климатических условиях, если ограничить повышение температуры воздуха против расчетной в помещениях, заведомо наиболее неблагоприятных в отношении разрегулирования воздуш- но-теплового режима. Это обеспечит воздушно-тепловой режим с меньшим отклонением от расчетного во всех остальных помещениях здания.
В системе центрального воздушного отопления многоэтажного здания такими неблагоприятными помещениями являются помещения верхнего этажа. Именно в эти помещения под влиянием дополнительного избыточного давления в воздуховодах поступает относительно большее количество горячего воздуха по сравнению с расчетным, чем в другие, ниже расположенные помещения.
Дополнительное избыточное давление в воздуховодах определяется главным образом климатическими особенностями местности и высотой здания. Максимальное дополнительное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для помещений верхнего этажа можно считать (с достаточной для данного расчета точностью) равным разности аэростатического давления снаружи здания высотой Нзд, м, и внутри воздуховодов в расчетных условиях, т.е.
327
где γн и γг - удельный вес воздуха, Н/м3, соответственно при температуре наружного и горячего воздуха.
Пример 10.14. Найдем избыточное давление, которое следует поддерживать вентилятором в вертикальных воздуховодах системы центрального воздушного отопления для подачи воздуха, нагретого до температуры 40 °С, в помещения здания высотой 25 м, если при tH=-15 °C допускается увеличение tB=20 °C в помещениях верхнего этажа на 2 °С.
Показатель разрегулирования системы воздушного отопления устанавливаем по формуле
(10.56)
Значение kp=l,175 показывает, что для выполнения заданных условий количество горячего воздуха, поступающего в помещения верхнего этажа здания, не должно увеличиваться более чем на 17,5 % расчетного.
Дополнительное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для этих помещений вычисляем по формуле (10.57)
Избыточное давление в этих воздуховодах, создаваемое вентилятором, определяем по формуле (10.54)
Следовательно, в заданных условиях требуется создание аэродинамического режима в вертикальных воздуховодах системы воздушного отопления, который характеризуется изменением избыточного давления в этих воздуховодах в течение отопительного сезона в пределах от 155 до (155 + 58,9) = 213,9 Па.
Поддержание значительного избыточного давления возможно при использовании достаточно плотных воздуховодов (например, из листовой стали), а также воздухораспределительных клапанов повышенного аэродинамического сопротивления с шумоглушителями, что отражается на стоимости системы воздушного отопления. Кроме того, при эксплуатации такой системы возрастает расход электрической энергии для создания повышенного давления в воздуховодах. Поэтому наряду с расчетами аэродинамического и теплового режимов, проводятся экономические расчеты, учитывающие как положительные, так и отрицательные показатели конкретной системы центрального воздушного отопления.
§ 10.11. Смесительные воздушно-тепловые завесы
При движении людей или транспорта через входные двери и ворота, материалов через открытые технологические проемы в здание поступает холодный наружный воздух. Частое открывание дверей и ворот приводит к чрезмерному охлаждению прилегающих к ним помещений, если не осуществляются мероприятия по ограничению количества и нагреванию проникающего наружного воздуха. Одним из таких мероприятий является создание воздушной или воздушно-тепловой завесы в открытом проеме входа.
328
В воротах, открытых технологических проемах производственных зданий создаются высокоскоростные (скорость выпуска воздуха до 25 м/с) воздушные завесы шиберующего типа, выполняющие роль шибера, ограничивающего и даже предотвращающего врывание холодного воздуха. Такие воздушные завесы рассматриваются в дисциплине "Вентиляция".
Во входах общественных и административно-бытовых зданий устраивают низкоскоростные (скорость выпуска воздуха не более 8 м/с) воздушно-тепловые завесы смесительного типа, рассчитанные на нагревание холодного воздуха, проникающего снаружи. Ограничение поступления наружного воздуха достигают, изменяя конструкцию входа, в результате чего повышается сопротивление воздухопроницанию.
Воздушно-тепловые завесы смесительного типа применяют в холодных районах страны, где расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления ниже -15 °С, при значительном числе проходящих людей [1]. Так, например, воздушно-тепловые завесы предусматривают у входных дверей при расчетной температуре от -26 до -40 °С, если через двери проходят в течение 1 ч 250 человек и более, или у входов в предприятия общественного питания, имеющие не менее 100 посадочных мест в залах. Завесы предусматривают также у наружных дверей зданий, если к вестибюлю примыкают помещения без тамбура, оборудованные системами кондиционирования воздуха, или помещения с мокрым режимом.
Воздушно-тепловая завеса создается рециркуляционной установкой местного (см. схему на рис. 10.1, а) или центрального (рис. 10.2, а) воздушного отопления. Внутренний воздух забирается обычно из вестибюля в верхней зоне и подогревается до температуры не выше 50 °С, так как он непосредственно воздействует на проходящих людей.
На рис. 10.13 на разрезе по подвальному и первому этажам здания показана примерная конструкция канальной системы воздушно-тепловой завесы. Внутренний воздух через отверстие 1 и канал 2 попадает в приемную камеру 3 с внутренней звукопоглощающей облицовкой. После нагревания в калорифере 4 воздух радиальным вентилятором 5 по воздуховоду 6 направляется в воздухораспределительную камеру 7 также со звукопоглощающей облицовкой. Из камеры воздух выпускается в нижнюю зону (до 1,5 м от поверхности пола) тамбура 9 сбоку от входных дверей. Воздуховыпускные решетки 8 конструируют так, чтобы нагретый воздух для лучшего перемешивания с холодным подавался параллельно полу по направлению к наружной двери.
329
Рис. 10.13. Смесительная воздушно-тепловая завеса у наружного входа в здание с двойными дверями, разделенными тамбуром: 1 - воздухозаборное отверстие; 2 - канал; 3 - приемная камера; 4 - калорифер; 5 -радиальный вентилятор; 6 - воздуховод; 7 - воздухораспределительная камера; 8 - воздуховыпускные решетки; 9 - тамбур
Нагретый воздух иногда выпускается у внутренних дверей тамбура со стороны вестибюля. При таком способе его подачи устраняется усиленное движение воздуха через внутренние двери тамбура, однако, увеличивается зона пониженной температуры в вестибюле.
Количество воздуха G3, кг/ч, нагретого до температуры tr для создания воздушнотепловой завесы, определяют по формуле
где Qвх - теплозатраты на нагревание наружного воздуха, проникающего через вход:
Подставляя выражение (10.59) в формулу (10.58), получим
где Gвх - количество холодного наружного воздуха, поступающего в здание через вход, кг/ч.
Количество холодного воздуха, проникающего в здание, зависит от разности давления воздуха снаружи и внутри и от сопротивления воздухо-проницанию ограждающей конструкции, в данном случае, сопротивления конструкции входа.
Разность аэростатического давления на наружной поверхности ограждения и внутри помещения возникает, как известно, под совместным действием сил гравитации и ветра. Кроме того, на аэростатическое давление внутри помещения может влиять воздушный дебаланс, возникающий при действии вентиляции.
330