Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdfучетом теплопотерь помещения и лучисто-конвективного теплообмена системы отопления с помещением.
При инфракрасном отоплении сельскохозяйственных помещений существенное значение имеет плотность облученности животных, растений, а также обслуживающего персонала, которая не должна превышать 348 Вт/м2. При превышении этого значения влияние радиационных теплоизбытков уменьшают воздушным душированием с подачей наружного воздуха на места постоянного пребывания работающих.
Размещение горелок (число рядов, расстояние между горелками в ряду, высоту их подвески над полом, угол наклона горелок) определяют исходя из норм облученности и в зависимости от типа горелок.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ
1.В помещениях, где установлены газовые приборы, необходима вытяжная вентиляция. Из какой зоны помещения (верхней или нижней) необходимо удалять больше воздуха при использовании природного газа или паров сжиженного газа?
2.Для повышения КПД агрегатов, в которых сжигается топливо, необходимо максимально снижать температуру уходящих газов. Почему для газовых нагревателей температура продуктов сгорания на выходе из аппарата должна быть: при эксплуатации в районах с умеренным климатом - не менее 110 °С, а в районах с холодным климатом - не менее 200 °С?
3.Зачем в нижней части двери помещения, где устанавливают газовые водонагреватели (например, кухни), нужно предусматривать решетку или зазор между дверью и полом с определенной площадью?
4.Исходя из стехнометрического уравнения реакции горения, определите теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 метана (V0, м3 воздуха/м3 газа), приняв состав воздуха: 79 % азота и 21 % кислорода.
5.Для смесительного газового воздухонагревателя, пренебрегая потерями в окружающую среду, можно считать, что теплота смеси нагретого наружного воздуха и
продуктов сгорания газа Qсм, равна сумме химической теплоты газа Qr и теплоты, вносимой наружным воздухом Qв. Следовательно, уравнение теплового баланса имеет вид: Qr + Qв = Qсм. Из этого уравнения получите выражение для коэффициента разбавления К - отношения объема нагреваемого воздуха к объему воздуха, необходимого для сжигания газа в стехиометрических условиях. При выводе можно принять, что объемные теплоемкости воздуха и смеси примерно равны.
6.Определите значение коэффициента разбавления (см. п. 5) для газовых воздухона-
гревателей, работающих в климатических условиях Москвы, Норильска, Новороссийска, при сжигании природного газа (QCн =36000 кДж/м3, V0=9,5 м3/м3). Температура смеси на выходе из нагревателя tсм=+25 °C, средняя теплоемкость воздуха и смеси с=1,25 кДж/(кг·°С).
7.Сколько выделяется водяных паров и СО2 (м3/ч) в помещение, где установлена одна горелка инфракрасного излучения, работающая на природном газе (метане)?
ГЛАВА 14. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОТОПЛЕНИЕ
§ 14.1. Общие сведения
При электрическом отоплении получение теплоты связано с преобразованием электрической энергии. По способу получения теплоты электрическое отопление может быть с
411
прямым преобразованием электрической энергии в тепловую и с трансформацией электричества в теплоту в тепловых насосах.
Системы электрического отопления подразделяются на местные, когда электроэнергия преобразуется в тепловую в обогреваемых помещениях или в непосредственной близости от них, и центральные, например, с электрокотлами.
По степени использования электроэнергии для отопления различают системы с полным покрытием отопительной нагрузки и с частичным ее покрытием (комбинированное отопление, § 14.5) в качестве как фоновой (базисной), так и догревающей частей системы.
Системы электрического отопления могут работать по свободному и вынужденному (например, только ночью) графикам.
Достоинствами систем электрического отопления являются высокие гигиенические показатели, малый расход металла, простота монтажа при сравнительно небольших капитальных вложениях, транспортабельность, управляемость в широких пределах с автоматизацией регулирования. Возможность гибкого управления процессом получения теплоты позволяет создавать системы отопления, быстро реагирующие на изменение теплопотребности помещений.
К недостаткам электрического отопления относят, в первую очередь, неэкономичное использование топлива, высокую температуру греющих элементов, повышенную пожарную опасность, хотя в последние годы у применяемых отопительных приборов и греющих кабелей значительно снижена опасность возгорания. Распространение электрического отопления в стране сдерживается также ограниченным уровнем выработки электроэнергии.
Отпускная стоимость энергии высокая из-за значительных капитальных вложений в электростанции и линии передач, потерь при транспортировании.
Полное электроотопление зданий требует значительного расхода электроэнергии. Годовой расход электроэнергии для отопления 100 м2 площади гражданского здания постройки до 90-х годов колеблется от 35 на юге страны до 125 ГДж на севере.
Для уменьшения расхода топлива целесообразно применять отопительные установки с использованием тепловых насосов. Так, коэффициент использования топлива при отпуске теплоты потребителю у различных источников теплоснабжения меняется в следующих пределах: от ТЭЦ 68...75 %, от котельных мощностью более 60 МВт 66...73 %, от котельных мощностью менее 60 МВт 58...70 %, от автономных котлов отечественных 65...75 %, от автономных котлов импортных 85...99 %, при электрическом отоплении с приборами прямого преобразования в теплоту 25...45 %, при электрическом отоплении с тепловыми насосами 65...75 %. То есть тепловые насосы имеют приблизительно такой же коэффициент использования топлива как отопление от ТЭЦ или отечественных автономных котельных.
Целесообразность применения электрического отопления в конкретном случае определяют путем сравнения технико-экономических показателей различных вариантов отопления здания. При сравнении исходят из стоимости топлива или электроэнергии с учетом их транспортирования и потерь при этом, коэффициента использования топлива, стоимости сооружения и эксплуатации систем отопления и теплоснабжения. Принимают также во внимание возможность регулирования теплоотдачи приборов и понижения температуры помещения в нерабочее время. Оценивают улучшение социально-гигиенических условий при применении электроотопления. Высокая транспортабельность создает условия для
412
использования электрической энергии в системах отопления зданий и сооружений в труднодоступных районах, не имеющих других источников теплоты, а отсутствие продуктов сгорания - в экологически чистых зонах. В современных условиях применение электрического отопления экономически целесообразно в районах расположения крупных гидростанций, а также при отсутствии местного топлива (отдаленные районы Восточной Сибири, Крайнего Севера). Используется электроэнергия для отопления рассредоточенных потребителей сельских районов страны.
В современных условиях сниженного потребления электроэнергии промышленностью электроотопление довольно часто применяется в городских зданиях для дополнительного отопления в межсезонье и при отсутствии газовых сетей в загородных коттеджах в качестве единственного источника теплоты.
Большое распространение получили электрические воздушно-тепловые завесы в общественных зданиях.
§ 14.2. Электрические отопительные приборы
Электрические приборы с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую, как и обычные отопительные приборы, подразделяют по преобладающему способу теплоотдачи на радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. При температуре греющей поверхности ниже 70 °С их относят к низкотемпературным, выше 100 °С - к высокотемпературным.
Электроотопительные приборы могут быть стационарными и переносными (напольными, настольными, настенными, потолочными); безынерционными и с аккумуляцией теплоты; нерегулируемыми и со ступенчатым, бесступенчатым и автоматическим регулированием. В зависимости от конструкции электрические отопительные приборы называют электроконвекторами, электрокалориферами, электротепловентиляторами. Выпускают также электрические печи, электрические воздушно-тепловые завесы, подвесные панели, греющие обои, панели с греющим кабелем.
Панели электрического отопления с греющим кабелем делают совмещенными со строительными конструкциями и приставными к ним.
По принципу тепловыделения нагревательные кабели, используемые в панельном отоплении, относятся к резистивным. У резистивных кабелей теплота выделяется нагревательной жилой, окруженной изоляцией, экранами и защитными оболочками. Они могут запитываться с двух или одного конца (двухжильные кабели). Преимуществами таких кабелей является простота конструкции, высокая технологичность (монтаж нагревательных секций на объекте занимает мало времени и несложен) и относительно низкая стоимость. Недостатком является необходимость использования секций строго заданной длины.
Исполнение нагревательных кабелей отличается наличием или отсутствием, а также материалом изоляции, защитного экрана и наружной оболочки. Исполнение кабеля определяет уровень защищенности кабеля от влияния окружающей среды и его рабочую температуру. Кабели, применяемые для панельного отопления, считаются низкотемпературными, так как температура греющей жилы в них не превышает 100 °С.
Нагревательная жила в зависимости от требуемого электрического сопротивления, состоящая из одной или нескольких проволок, изготавливается из специальных сплавов, оцинкованной стали, латуни, меди, алюминия. Электрическое сопротивление современных ка-
413
белей, использующихся в панельном отоплении, лежит в пределах 0,041...20 Ом·м. Обычно кабель имеет поверх нагревательной жилы один или два слоя изоляции из пластика, защитный экран в виде оплетки из медной проволоки сечением 1 мм2 и наружную оболочку из поливинилхлоридного пластика или полиэтилена. Сопротивление изоляции приблизительно равно 1×105 МОм·м. Для усиления механической защиты и снижения генерируемых электромагнитных полей применяется так называемый бронированный кабель, у которого оплетка выполнена из отожженной медной проволоки. Защитный экран кабелей должен быть подключен к заземляющему контуру здания (или к нулевому проводу). Одножильные кабели бывают круглыми диаметром от 5 до 7 мм, а двухжильные, как правило, овальными размерами около 5,3×7,6 мм.
Современные греющие кабели имеют токопроводящую жилу, выполненную из материалов, обладающих низким температурным коэффициентом сопротивления, что значительно упрощает тепловые расчеты. В настоящее время разработана принципиально новая конструкция кабеля, теплоотдача которого определяется только напряжением питания. В этих саморегулирующихся кабелях теплота выделяется в полупроводящей пластмассе, заполняющей пространство между двумя токопроводящими жилами.
При повышении температуры сопротивление пластмассы возрастает и тепловыделение падает, благодаря чему создается эффект саморегулирования. Конструкция окружена электроизолирующими и защитными оболочками и экранами и запитывается с одного конца. Большим преимуществом такого кабеля является возможность использования произвольными длинами, отрезаемыми по месту. При таких кабелях необходимая плотность теплового потока будет достигаться варьированием шага их раскладки. Саморегулирующиеся кабели не перегреваются и не перегорают. Недостатком кабеля следует считать большой стартовый ток, превышающий номинальный в 1,5...2 раза. Кроме того, к недостаткам относят невозможность обеспечить форсированный обогрев. Саморегулирующийся кабель довольно дорог. Но при серийном производстве цена возможно будет снижена.
Резистивные кабели имеют линейную мощность от 15 до 25 Вт/м. Рекомендуется устройство шага раскладки кабеля с таким расчетом, чтобы поверхностная мощность системы не превышала 150 Вт/м2 у малоинерционных панелей и 200 Вт/м2 у аккумулирующих теплоту. Шаг раскладки кабеля должен лежать в пределах 10...20 см. При этом, как правило, допускается минимальный радиус изгиба кабеля 150 мм. Нагревательные секции при изменении длины от 5 до 125 м увеличивают свою мощность приблизительно от 100 до 2500 Вт. Появились секции греющего кабеля, закрепленные на пластиковой сетке. Плоскостные секции на сетке выполняются различной длины шириной 0,5 м.
Сейчас наибольшее распространение получили напольные системы электроотопления, при которых кабель или провод закладывается в междуэтажное перекрытие. На рис. 14.1 показаны варианты такой конструкции.
414
Рис. 14.1. Греющий кабель в перекрытиях зданий: а - замоноличенный; б - в воздушной прослойке; в - замоноличенный под воздушной прослойкой; 1 - покрытие пола; 2 - стяжка толщиной 20...30 мм; 3 - монолитный слой толщиной 40...50 мм; 4 - греющий кабель; 5 - звуко-теплоизоляция; 6 - несущая железобетонная плита; 7 - воздушная прослойка толщиной 40...50 мм; 8 - лага 50×50 мм; 9 - настил пола толщиной 20 мм; 10 - монолитный слой толщиной 20 мм; 11 - воздушная прослойка толщиной 30 мм
Взданиях с бетонными перекрытиями применяют замоноличивание греющего кабеля в
конструкцию пола (рис. 14.1, а). Термическое сопротивление слоев, расположенных между кабелем и покрытием пола, принимают и пределах 0,045...0,2 м2·°С/Вт.
Взданиях с полами на лагах греющий кабель располагают в воздушной прослойке (рис. 14.1, б) для выравнивания температуры поверхности пола. При этом менее вероятно местное перегревание кабеля. Его укладывают на металлическую сетку таким образом, чтобы он не касался утеплителя, так как в противном случае может произойти перегрев кабеля или изоляции.
Для интенсификации конвективного теплообмена в воздушной прослойке в углах помещения оставляют вентиляционные отверстия, перекрытые решетками. Недостатком конструкции является перерасход кабеля из-за уменьшения его теплоотдачи.
В зданиях с полами на лагах применяют также замоноличивание кабеля и устройство воздушной прослойки над замоноличивающим слоем (рис. 14.1, в). Такая конструкция совмещает в себе преимущества первых двух: увеличенную теплоотдачу и предотвращение местного перегревания кабеля.
Регулирование теплоотдачи панели электрического отопления выполняют двухпозиционно.
Для отопления производственных помещений большого объема применяют подвесные электропанели. Тепловую мощность подвесных панелей рассчитывают по балансам теплоты в верхней (над панелью) и нижней (под панелью) частях помещения. При этом счи-
415
тают, что теплопотери верхней зоны компенсируются теплоотдачей панели вверх, а теплопотери нижней зоны - теплоотдачей вниз. На рис. 14.2 дана схема конструкции подвесной панели. При изолированном кабеле плотность теплового потока в них составляет около 460 Вт/м2 (теплоотдача вниз 85 %), при неизолированном кабеле - около 840 Вт/м2 (теплоотдача вниз около 88 %).
Рис. 14.2. Подвесная панель с греющим электрокабелем: 1 - стальной кожух; 2 - теплоизоляция; 3 - нагреватель в виде изолированного кабеля
Для отопления отдельных помещений используют электронагревательные печи ПЭТ (рис. 14.3). В печи под перфорированным кожухом помещены на фарфоровых колодках трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН) мощностью 0,5...1 кВт. Температура поверхности ТЭН на 130..150 °С выше температуры окружающего воздуха. При монтаже печи как в горизонтальном, так и вертикальном положении (с электропитанием снизу) к болту заземления присоединяют заземляющий провод.
Рис. 14.3. Электронагревательная печь (боковой вид): 1 - трубчатые электронагреватели; 2 - стальной кожух; 3 - крышки; 4 - контакт заземления; 5 - перемычки; 6 - токоведущие шпильки; 7 - дно; 8 - отверстие для ввода электропитания
Переносные электроотопительные приборы применяют для дополнительного отопле-
ния жилых и общественных зданий, садовых домиков.
Распространенным электроотопительным прибором является электрокамин, который по исполнению может быть настенным, напольным, универсальным. Нагревательные элементы бывают сосредоточенными или линейными с температурой 750...800 °С.
Выпускают электрокамины чисто функциональные, предназначенные только для отопления, и декоративно-функциональные, являющиеся, кроме того, частью интерьера. На рис. 14.4 показана конструкция функционального электрокамина со сферическим отражателем. Для изменения направления радиационного теплового потока отражатель может поворачиваться. В декоративно-функциональном электрокамине (рис. 14.5) имитируется горение дров. Теплый воздух вращает вертушку с прорезями, и на панель и экран падают блики света от красной лампы.
416
Рис. 14.4. Электрокамин со сферическим отражателем: 1 - декоративная защитная решетка; 2 - нагревательный элемент; 3 - отражатель; 4 - патрон; 5 - шнур электропитания; 6 - кронштейн; 7 - поворотный винт; 8 - подставка
Рис. 14.5. Декоративно-функциональный электрокамин: а - вид спереди; б - вид сбоку; 1 - декоративный внешний корпус; 2 - внутренний металлический корпус; 3 - панель имитации топлива; 4 - декоративно-защитная решетка; 5 - полупрозрачный экран; 6 - вертушка; 7 - кронштейн с иглой; 8 - красная лампа; 9 - отражатель; 10 - патрон; 11 - нагревательные элементы
Электрорадиаторы делают напольными (с промежуточным теплоносителем - минеральным маслом) мощностью 0,5...3 кВт. Они бывают панельными (рис. 14.6) и секционными, когда корпус собирается из отдельных секций, сваренных между собой.
417
Рис. 14.6. Панельный электрорадиатор: 1 - герметичный корпус, заполненный маслом; 2 - регулятор температуры; 3 - шнур электропитания; 4 - электронагреватель
Теплоотдача электрорадиатора излучением составляет 50 % общего теплового потока. Максимальная температура поверхности радиатора достигает 110 °С, а средняя - 85...95 °С. Электрорадиаторы, как правило, имеют термоограничитель, отключающий прибор при достижении температуры 130 °С на корпусе. Выносной терморегулятор, которым укомплектовано большинство электрорадиаторов, позволяет поддерживать необходимую температуру в обогреваемом помещении.
В электроконвекторах теплоотдача осуществляется преимущественно (90 %) естественной конвекцией. Наиболее распространенной является напольная модель (рис. 14.7).
Электроконвектор мощностью 0,5...3 кВт представляет собой корпус, внутри которого расположены нагревательные элементы - спираль из сплава высокого сопротивления (как правило, нихрома) или трубчатый электронагреватель. Температура открытой спирали 600...900 °С, трубчатого нагревателя - 450...500 °С. Температура выходящего из конвектора воздуха не превышает температуры окружающего воздуха более чем на 85 °С. Новые конструкции конвекторов оснащают терморегуляторами.
Электротепловентилятор - отопительный прибор с теплоотдачей при вынужденной конвекции, создаваемой встроенным вентилятором. Мощность прибора доходит до 9 кВт, поэтому тепловентилятор иногда называют тепловой пушкой, выбрасывающей мощную тепловую струю.
Нагревательные элементы в электротепловентиляторах такие же, как в электроконвекторах. Приборы имеют ступени регулирования мощности и, как правило, две частоты вращения вентилятора. Для защиты от перегрева в цепь нагревательных элементов включают термоограничитель.
Выпускают также комбинированные электроприборы: электрокамины-конвекторы и элек- трокамины-радиаторы.
418
В основе расчетов тепловой мощности Q, Вт, отопительных приборов с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую лежит закон Джоуля-Ленца, применительно к переменному току имеющий следующее выражение
где I - сила тока, проходящего по проводнику, А; г - активное сопротивление проводника, Ом; U - напряжение, подаваемое на проводник, В; k - коэффициент мощности проводника (при частоте тока 50 Гц k изменяется от 0,96 до 0,98 и его приравнивают к единице, но вводят некоторый запас мощности).
Рис. 14.7. Электроконвектор: 1 - корпус; 2 - нагревательный элемент в виде стальных пластин; 3 - выключатели; 4 - шнур электропитания
В расчетах количества теплоты, выделяемой греющим кабелем, учитывают зависимость активного сопротивления проводника от его температуры. Для металлических (из стали, алюминия, меди) токопроводящих жил греющих кабелей сопротивление г1, Ом, при температуре до 100 °С составляет
где ρо - удельное электрическое сопротивление провода или кабеля, Ом·м, при температуре О °С; 1К - длина греющего элемента, м; а - площадь поперечного сечения провода или кабеля, м2; tпр - температура греющего элемента, °С; α0 - температурный коэффициент сопротивления при О °С, 1/°С.
Расчет теплоотдачи панели при шаге раскладки кабелей 0,04...0,2 м выполняют в предположении равномерности температурного поля на поверхности. При этом для панели площадью Апан, м2, с шагом раскладки кабеля s, м, длину греющего кабеля 1К, м, определяют по формуле
419
После подстановки (14.2) и (14.3) в (14.1) получим уравнение с двумя неизвестными s и tпр. Поэтому в расчетах используют уравнение, в котором на основе экспериментальных данных температура на поверхности изоляции кабеля tK связывается с шагом раскладки кабеля s и теплоотдачей 1 м2 греющей панели qK.
Теплоотдачу qк, Вт/м2, складывают из теплоотдачи лицевой qлиц и тыльной qтылI сторон
При проектировании греющей панели электрического лучистого отопления может быть принят следующий порядок расчета.
1.Назначают площадь отопительной панели Апан, м2, и по заданной тепловой нагрузке определяют требуемую плотность теплового потока qлиц, Вт/м2, панели в сторону расчетного помещения.
2.Вычисляют температуру лицевой поверхности панели tп.лиц с проверкой допустимости ее как для панели водяного отопления и коэффициенты лучистого αп.лиц и конвективного
αк лиц теплообмена.
3. Находят требуемую среднюю температуру tcp, °C, на оси заложения греющего провода или кабеля
и плотность теплового потока qтыл, Вт/м2, с тыльной стороны панели
449
где tв.лиц, tв.тыл - температура воздуха с лицевой и тыльной сторон панели, °С; Rлиц, rтыл - сопротивления теплопередаче от оси источников к воздуху с лицевой и тыльной сторон
панели, м2 °С/Вт.
4.По вычисленному значению qтыл рассчитывают температуру поверхности панели с тыльной стороны tп.тыл и плотность теплового потока панели qк, Вт/м2.
5.Определяют шаг раскладки кабеля s и температуру на поверхности изоляции кабеля tK, используя уравнение (14.1), а также некоторые эмпирические зависимости.
6.Если tк оказалась ниже предельно допустимой, a s - больше минимально возможного (10...15Dк), то по формуле (14.3) находят длину кабеля. В противном случае делают перерасчет.
420