Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

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

В качестве теплоносителя для рециркуляционных воздухонагревателей в первую очередь

используется высокотемпературная вода. Увеличение разности температуры греющей во-

ды и нагреваемого воздуха дает возможность сократить площадь поверхности нагревате-

ля.

8A. 10.10. Схемы присоединения воздухонагревателя к теплопроводам: а - последова- тельная схема; б - параллельная схема; 1 - воздухонагреватель; 2 - нормально закрытая за- движка на обводной трубе; 3 - подающая магистраль основной системы отопления; 4 - ре- гулятор 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 (пред- включение) воздухонагревателя с системой водяного отопления здания (рис. 10.10, а). Все

количество высокотемпературной воды, необходимой для отопления здания, предвари-

тельно пропускают через воздухонагреватель 1 (задвижка 2 нормально закрыта), и ее тем-

пература понижается от 11 до 1\ . Включение воздухонагревателя перед основной системой

отопления позволяет максимально увеличить в нем температурный напор и скорость дви-

жения воды, что способствует уменьшению его площади. Схему используют для присое-

динения постоянно действующего нерегулируемого рециркуляционного воздухонагрева-

теля.

Температура воды, выходящей из предвключенного нагревателя

()с - тепловая мощность основной системы водяного отопления.

311

По второй из основных схем автоматически управляемый воздухонагреватель соединяют

с системой водяного отопления здания параллельно (рис. 10.10, б). Регулирование и пол-

ное 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 воздухо-

нагревателе определяется по формуле (4.3).

Теплоаэродинамический расчет рециркуляционного воздухонагревателя заключается в выборе размеров канала и площади нагревателя, достаточных для необходимой теплопе-

редачи 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 ка-

нала, можно найти температуру и скорость движения горячего воздуха в канале.

Температура горячего воздуха 1г, °С, в канале глубиной Ь при расчетной высоте Н (см. рис.

фициент объемного расширения воздуха; - сумма коэффициентов местного сопротив- ления по пути движения воздуха в рециркуляционном воздухонагревателе.

В процессе конструирования рециркуляционного воздухонагревателя с выбором его раз- меров проводят аэродинамический расчет для уточнения расхода рециркулирующего воз- духа.

Аэродинамический расчет основан на равенстве естественного циркуляционного давле-

ния, возникающего при нагревании воздуха, аэродинамическим потерям давления в ре-

циркуляционном нагревателе

Равенство (10.29) аналогично выражению (7.5) для водяного отопления.

Естественное циркуляционное давление, создающее движение воздуха, находится в соот-

ветствии с формулой (7.4)

Плотность воздуха в интервале температуры от 15 до 60 °С уменьшается в среднем на 0,0036 кг/м3 при увеличении температуры на 1 °С. Принимая это значение для расчета, с

учетом формулы (10.1) получим

312

где 0от - расход рециркуляционного нагретого воздуха, кг/с, предназначенного для ото- пления помещения.

Аэродинамические потери давления в рециркуляционном воздухонагревателе слагаются из потерь давления в канале и нагревателе:

Пренебрегая весьма малыми потерями давления, возникающими при трении о стенки ка- нала воздуха, движущегося с низкой массовой скоростью (CA=1...1,5 :3/(A* <2)), найдем по-

тери давления в канале

где Ак - площадь поперечного сечения канала, м .

Потери давления в нагревателе описываются зависимостью, устанавливаемой в результате обработки экспериментальных данных

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

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

0,0036ёЬОрв / (сСт.) = / (2р))(0„ / Ак)2 + т(0от / АВ)Р. (10.36)

Последнее уравнение легко решается при р=2, в других случаях расход подбирается. Ре-

шение уравнения (10.36) возможно также относительно высоты Ь, если задаться темпера-

турой горячего воздуха и этим самым предопределить его расход.

Рассмотрим примеры расчета рециркуляционных воздухонагревателей для крупного по- мещения с нагревателем - калорифером и для лестничных клеток с нагревателем - ребри- стыми трубами.

Пример 10.8. Рассчитаем предвключенный рециркуляционный воздухонагреватель для

поддержания в помещении объемом 630 м3 температуры1в=18 °С, если тепловые мощно-

сти нагревателя 15 кВт, основной системы отопления 225 кВт, расчетная температура теп-

лоносителя воды 11=150 °С, 12=70 °С.

Расход греющей воды в воздухонагревателе находим по формуле (10.26)

С, = (15 + 225) / (4387(150 - 70)) -0.72 кг/с.

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

т,' = 150 - 15 / (4,187-0,72) = 150 - 5 = 145 °С,

313

Следовательно, средняя температура греющей воды в воздухонагревателе равняется

0,5(150 4- 145) = 147,5 ЭС.

Задаемся температурой нагретого воздуха 1Г=60 °С и массовой скоростью воздуха в канале

ур=1,2 кг/(с-м2). Тогда количество воздуха для отопления помещения по формуле (10.1)

будет равно

Оот = 15 / (1,005(60 - 18)) = 0,36 кг/с.

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

витк„ = 1_„ / V,, = Оот I (рвУп) = 0,36-3600 / (1,213-630) = 1,7

т.е. является приемлемой для воздушного отопления.

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

Выбираем по справочнику многоходовой пластинчатый калорифер типа КВС-П, имею-

щий 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 глу-

бина канала при его ширине 1155 мм (равной длине нагревателя) составит

Ь = Ак / 1 = 0,3 / 1 ,155 = 0,26 м.

Зная коэффициенты местного сопротивления при входе и выходе воздуха из канала (с по-

воротом потока), составляющие = 0,6 + 1,3 = 1,9, найдем потери давления в канале по

формуле (10.33) при средней плотности воздуха р=1,13 кг/мз

Др,= 4к(ур )21 (2р) = 1,9-1,22 ! (2-1,13) = 1,2 Па.

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

Дрк = 2, 1 б{у р)^ =, 2,1 Ь \,2 ['’62 = 2,9 Па.

Правильность выбора площади нагревательной поверхности калорифера можно проверить

по формуле (3.1).

Расчетную высоту канала (вертикальное расстояние между серединами калорифера и воз-

духовыпускного отверстия) определим из формулы (10.31) при условии, выраженном ра-

венствами (10.29) и (10.32)

314

Дрс = Лрк + Др„ “ 1 ,2 + 2,9 = 4, 1 Па;

Н -Дрс / (0,0036ё(1г - 1&)) -4, 1 / (0,0036-9,81(60 - 18)) = 2,8 м.

Температуру нагретого воздуха проверяем по формуле (10.27) при глубине канала Ь=0.26

м и расчетной высоте 11=2,8 м, учитывая, что тепловая мощность нагревателя приходится

на 1,155 м его длины

сг -18 ^(0,9- 15 / (1 ,О05- 1 ,044-0,26- 1,155))2'3(6,45-273 / (2-9,81 -2,8)) 1 /3 = = 18 + 39 = 57 °С.

Температура получилась достаточно близкой к первоначально принятому значению1г=60 °С. Сумма коэффициентов местного сопротивления рециркуляционного воздухонагрева- теля при расчете принята равной

и= ^+ ^=^+ 2рДр„ / (ур)2 = 1,9 + 2-!,13-2,9 / 1 ,22 = 1 ,9 + 4,55 = 6,45.

Скорость движения нагретого воздуха в канале по формуле (10.28)

C3 = (0,9-15-2-9,81 -2,8 / { 1 ,005- 1, 13-0,26 6,45-2731, 155))^ = 1 , 1 м/с

также близка к предварительно выбранной скорости. Следует отметить, что последние

проверки (температуры и скорости) не являются обязательными.

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 6=150 °С, 6=70 °С,1В=16 °С.

Высота канала воздухонагревателя 1,5 м.

*

? уV!I

0.-174

Рис. 10.11. Схема теплопроводов рециркуляционных воздухонагревателей для отопления

лестничных клеток жилого здания с элеваторной системой водяного отопления (к приме-

ру 10.9): 1 - 4 - рециркуляционные воздухонагреватели

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

О| = 200 / (4, 187( 150 - 70)) = 0,6 кг/с.

315

Выбираем попарно последовательное соединение теплопроводов воздухонагревателей по

схеме, приведенной на рис. 10.11. Тогда температура воды, выходящей из воздухонагре-

вателей 2 и 3. по формуле (10.25)

V = 1 5 0 - 6,5 / (4, 187-0,5 0,6) = 150 - 5,2 = 144,8 сС;

температура воды, выходящей из воздунагревателей 1 и 4

7^' = 150 - 5,2-2 = 139,6 °С.

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

V/ = 0,5-0,6-4 / (950-3, 14-0,072) -0,082 м/с.

Расчет проведем для воздухонагревателей 1 и 4 при пониженной температуре греющей воды. Задаваясь скоростью движения воздуха в живом сечении ребристой трубы у=1 м/с,

определяем по графику в специальной литературе [37, рис. 59] коэффициент теплопереда-

чи кпр=10,7 Вт/(м2-°С). Вычисляем требуемую площадь нагревательной поверхности реб-

ристых труб

А - ОР-Ч ! (кпрД1ср) = 6,5-1000 / (10.7(142,2 - 33)) = 5.6 м\

где А1ср находим по формуле (4.17) при 1ср ад = 0,5(144,8 + 139,6) = 142,2 °С и 1сР;в3 = 0,5(50

+ 16) = 33 °С, принимая температуру нагретого воздуха 0=50 °С.

Выбираем две ребристые трубы длиной по 1,5 м для установки в два яруса общей площа-

дью 6 м2. Получаем площадь живого сечения нагревателя по воздуху Ан=0,15 м2, воздуш-

ного канала Ак = 0,18-1,83 = 0,33 м2 (ширина канала Ь = 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 циркули-

рующего воздуха в воздухонагревателе с ребристыми трубами

где 2н - коэффициент местного сопротивления нагревателя, определяемый для ребристых

труб в зависимости от числа ярусов п по эмпирической формуле

другие известные величины, найдем Оот=0,17 кг/с. Воздухообмен в лестничной клетке при

этом получается близким к двухкратному.

Определим действительные значения скорости движения воздуха в живом сечении ребри-

стой трубы

V = 0, 17 / ( 1 , 15-0, 15) -0,98 м/с

316

и температуры нагретого воздуха по формуле (10.4)

16 + 6,5 / (1,005*0,17) = 16 + 38 -54 °С.

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 венти-

ляции. Отопление осуществляют по трем описанным выше схемам: с полной рециркуля-

цией (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 де-

журного отопления или для нагревания помещений перед началом работы при прерыви-

стом 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).

Врабочее время центральное воздушное отопление подчиняется условиям вентилирова-

ния 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 эле- менты системы приточной вентиляции: фильтр, калориферы, электровентилятор, воздуховоды и пр. Тепловая мощность калориферов в совмещенной системе отопления и венти-

ляции повышается на величину тепловой мощности системы отопления. Другим отличием

является установка резервного вентилятора, электродвигатель которого должен автомати-

чески включаться при остановке основного вентилятора.

Если для крупного помещения предусмотрено несколько совмещенных систем отопления

и вентиляции, то резервные вентиляторы не устанавливаются, а головные участки возду-

ховодов отдельных систем соединяются перемычками - перепускными воздуховодами с

нормально закрытыми клапанами. Тепловая мощность таких систем подбирается в расче-

те 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 вы-

сокие помещения (высотой Нп более 8 м) воздух выпускается через воздухораспредели-

тельные устройства, размещаемые в средней зоне (0,35...0,65Нп) на высоте от поверхности

317

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 темпера-

туру воздуха Тп °С, для обеспечения такой подачи принимают не более получаемой по

формуле

где ш и п - скоростной и температурный коэффициенты воздушной струи, зависящие от

конструкции воздухораспределительного устройства.

Впомещениях при такой подаче образуются так называемые не настилающиеся воздуш-

ные струи.

Вслучаях, когда нагретый воздух выпускается под потолком помещений (Ь > 0,85Нп), на-

пример, 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 про-

емов.

Рассмотрим расчет воздушного отопления помещений в этих двух случаях: при образова-

нии не настилающихся и настилающихся воздушных струй.

При расчете центрального воздушного отопления с не настилающимися струями ус-

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

местного отопления агрегатами исходными являются тепловая мощность, начальные тем-

пература и скорость воздуха, выпускаемого из агрегатов, см. § 10.6). Определяют диаметр,

число воздухораспределителей и начальную скорость Уо воздушных струй для обеспече- ния скорости движения воздуха в рабочей зоне не более нормируемой уНОрм- Определяют

также начальную температуру воздуха 1Г, которая не должна превышать максимально до-

пустимой.

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

В формуле (10.39)1Р з и 1н - расчетная температура, °С, соответственно рабочей зоны и на-

ружного воздуха; С] - удельная тепловая характеристика помещения, Вт/(м3-°С); к - попра- вочный коэффициент (см. формулу (10.21)).

Затем устанавливают число воздухораспределителей Т4, исходя из длины помещения и по- лученного значения Ъ' (если соблюдается условие Ъ'<ЗНн).

318

Вычисляют площадь выходного отверстия Ао, м2, одного воздухораспределителя по фор-

муле

где Уо - начальная скорость воздушной струи, м/с, выбираемая с учетом акустических тре- бований, предъявляемых к помещению.

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

Наконец, определяют начальную температуру подаваемого воздуха по формуле

где СЬ - теплопотребность, Вт, для поддержания в помещении расчетной температуры ра-

бочей зоны 1рз; сир- соответственно теплоемкость, Дж/(кг°С), и плотность, кг/м3, воздуха

(при расчетах принимают ср=1200 Дж/ (мЗ-°С)).

Пример 10.10. Рассчитаем систему центрального воздушного отопления с сосредоточен-

ной подачей воздуха через цилиндрические трубы (т=6,8; п=4,8) по условиям примера

10.6, если удельная тепловая характеристика цеха 0,54 Вт/(м3-°С) при 1н=-20 °С.

Найдем предварительное значение шага размещения воздухораспределителей по формуле (10.39) при длине зоны обслуживания струи равной ширине цеха (1=20 м), т.е. при уста-

новке воздухораспределителей в один ряд вдоль продольной стены цеха

Ь' -( 1 ,58 / 9)(( 10б / С20 6,8 4,8 0,54( 15 ~ (~ 20))))(0,5 ! 1 ,05)3)2 = 13,4 м.

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

формуле (10.40)

А0 = 12,5-9(0,5 1 (123,05))2 = 0,18 м?,

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

Отсюда диаметр цилиндрической трубы каждого воздухораспределителя <1=0,48-0,5 м.

Принятая дальнобойность воздушной струи (20 м) меньше предельной по формуле (10.24)

] = 0, 7-6,8( 12,5-9)0,5 = 50 м.

Начальная температура подаваемого в цех воздуха по формуле (10.41)

1Г = 15 + 1 ,25' 170103 / (1200 0,18-12 4) = 15 + 20,5 = 35,5 °С

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

319

Кратность воздухообмена в цехе по формуле (10.23)

= 0В Е 8 12-4-3600 У (50 20 9) = 3 , 5

приемлема для воздушного отопления.

Рассмотренный способ распределения нагретого приточного воздуха не настилающимися

струями распространен в производственных и коммунальных (гаражи, прачечные) здани-

ях.

В сравнительно низких помещениях общественных и административно-бытовых зданий

чаще встречается подача воздуха вдоль ограждений, при которой получаются настилаю-

щиеся 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 огражде- ния благоприятно сказывается на самочувствии людей, хотя и вызывает увеличение на-

ружных теплопотерь.

Геометрическая характеристика плоской воздушной струи Н, м, определяется по форму-

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

Из формулы (10.42) можно установить, что между геометрической характеристикой пло- ской нагретой струи и числом Архимеда существует определенная связь: характеристика

Н пропорциональна

ш43Ъ0 / (пАг)2/3

При подаче воздуха из открытого щелевидного отверстия или из отверстия с параллель- ными направляющими лопатками коэффициенты тип в формуле (10.42) для плоской воз-

душной струи равны: ш=3,5 и п=2,8. Тогда геометрическая характеристика плоской воз- душной струи приобретает вид

Расчет плоской настилающейся струи заключается в проверке допустимости начальных и

конечных параметров воздуха. Обычно определяется начальная скорость движения возду-

ха и температура воздуха в струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска (напри-

мер, в точке входа струи в рабочую зону). Начальная скорость движения плоской воздуш-

ной струи C>, м/с, при условии, что х < 61о (1о - длина отверстия щелевого воздухораспре-

320