Системы отопления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Отопление зданий обеспечивает тепловой комфорт для людей или выполнение технологических требований по параметрам внутреннего воздуха в зависимости от назначения помещения и установленного оборудования.

В суровых климатических условиях холодных и продолжительных зим в России проживание людей в помещениях невозможно без работы системы отопления, обеспечивающей компенсацию теплопотерь через наружные ограждения и нагрев санитарной нормы наружного приточного воздуха. По результатам исследований для человека установлены следующие оптимальные нормы в обитаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений: температура воздуха 20-22°С; относительная влажность воздуха 30-45%, скорость движения воздуха не более 0.2 м/с.

Эти нормы установлены для людей, находящихся непрерывно в помещении более двух часов.

Состояние воздушной среды в помещениях определяется совокупностью тепловлажностного и воздушного режимов помещения.

На тепловой режим здания оказывают влияние параметры и процессы, определяющие тепловую обстановку в помещениях. Тепловая обстановка помещения зависит от ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха, наличия струйных течений, различия параметров воздуха в плане и по высоте помещения, лучистых тепловых потоков, зависящих от температуры, размеров, радиационных свойств поверхности и их расположения.

Воздушный режим здания представляет собой процессы воздухообмена между помещениями и наружным воздухом, включающие перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проёмы, воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха.

Для обеспечения требуемых внутренних условий в помещении служат системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления создают и поддерживают необходимые температуры воздуха в помещениях в холодный период года.

Системы вентиляции служат для подачи в помещения чистого воздуха и удаления из них загрязнённого. При этом температура внутреннего воздуха не должна изменяться.

Системы кондиционирования воздуха предназначены для создания и автоматического поддержания в помещениях температуры, относительной влажности, подвижности воздуха, а также его чистоты и определённого газового состава независимо от наружных

1. Система отопления

система отопление теплопередача

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым.

К конвективному относят отопление, при котором температура внутреннего воздуха поддерживается на более высоком уровне, чем радиационная температура помещения (), понимая под радиационной усредненную температуру поверхностей, обращенных в помещение, вычисленную относительно человека, находящегося в середине этого помещения. Это широко распространенный способ отопления.

Лучистым называют отопление, при котором радиационная температура помещения превышает температуру воздуха (> ). Лучистое отопление при несколько пониженной температуре воздуха более благоприятно для самочувствия человека в помещении.

Конвективное или лучистое отопление помещений осуществляется специальной технической установкой, называемой системой отопления. Система отопления - это совокупность конструктивных элементов со связями между ними, предназначенных для получения, переноса и передачи теплоты в обогреваемые помещения здания.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

· Теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) - элемент для получения теплоты;

· Теплопроводы - элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

· Отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость - антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.

Система отопления для выполнения возложенной на нее задачи должна обладать определенной тепловой мощностью. Расчетная тепловая мощность системы выявляется в результате составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха, называемой расчетной.

Текущие (сокращенные) теплозатраты на отопление имеют место в течение почти всего времени отопительного сезона, поэтому теплоперенос к отопительным приборам должен изменяться в широких пределах. Этого можно достичь путем изменения (регулирования) температуры и (или) количества перемещающегося в системе отопления теплоносителя.

К системе отопления предъявляются разнообразные требования. Все требования можно разделить на пять групп:

· санитарно-гигиенические: поддержание заданной температуры воздуха и внутренних поверхностей ограждений помещения во времени, в плане и по высоте при допустимой подвижности воздуха, ограничение температуры на поверхности отопительных приборов;

· экономические: оптимальные капитальные вложения, экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;

· архитектурно-строительные: соответствие интерьеру помещения, компактность, увязка со строительными конструкциями, согласование со сроком строительства здания;

· производственно-монтажные: минимальное число унифицированных узлов и деталей, механизация их изготовления, сокращение трудовых затрат и ручного труда при монтаже;

· эксплуатационные: эффективность действия в течение всего периода работы, надежность (безотказность, долговечность, ремонтопригодность) и техническое совершенство, безопасность и бесшумность действия.

Деление требований на пять групп условно, так как в них входят требования, относящиеся как к периоду проектирования и строительства, так и эксплуатации здания.

Наиболее важны санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обусловливаются необходимостью поддерживать заданную температуру в помещениях в течение отопительною сезона и всего срока службы системы отопления здания.

2. Классификация систем отопления

Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на местные и центральные.

В местных системах для отопления, как правило, одного помещения все три основных элемента конструктивно объединяются в одной установке, непосредственно в которой происходит получение, перенос и передача теплоты в помещение. Теплопереносящая рабочая среда нагревается горячей водой, паром, электричеством или при сжигании какого-либо топлива.

Примером местной системы является газовоздушный отопительный агрегат, применяемый, в частности, для отопления производственных помещений большого объема. Тепловая энергия, получаемая при сжигании газообразного топлива в горелке, передается в поверхностном теплообменнике теплоносителю - воздуху, нагнетаемому вентилятором. Горячий воздух по теплопроводам (каналам) выпускается в помещение после очистки в фильтре. Охлаждающиеся продукты сгорания газа удаляются через дымоход в атмосферу.

В местной системе отопления с использованием электрической энергии теплопередача может осуществляться с помощью жидкого или газообразного теплоносителя либо без него непосредственно от разогретого твердого элемента.

Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из единого теплового центра. В тепловом центре находятся теплогенераторы (котлы) или теплообменники. Они могут размещаться непосредственно в обогреваемом здании (в котельной или местном тепловом пункте) либо вне здания - в центральном тепловом пункте (ЦТП), на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ.

Теплопроводы центральных систем подразделяют на магистрали (подающие, по которым подается теплоноситель, и обратные, по которым отводится охладившийся теплоноситель), стояки (вертикальные трубы или каналы) и ветви (горизонтальные трубы или каналы), связывающие магистрали с подводками к отопительным приборам (с ответвлениями к помещениям при теплоносителе воздухе).

Центральная система отопления называется районной, когда группа зданий отапливается из отдельно стоящей центральной тепловой станции. Теплогенераторы, теплообменники и отопительные приборы системы здесь также разделены: теплоноситель (например, вода) нагревается на тепловой станции, перемещается по наружным (с температурой ,) и внутренним (внутри здания, с температурой ? t₁) теплопроводам в отдельные помещения каждого здания к отопительным приборам и, охладившись, возвращается на тепловую станцию.

В современных системах теплоснабжения зданий от ТЭЦ или крупных тепловых станций используются два теплоносителя. Первичный высокотемпературный теплоноситель перемещается от ТЭЦ или тепловой станции по городским распределительным теплопроводам к ЦТП или непосредственно к местным тепловым пунктам зданий и обратно. Вторичный теплоноситель после нагревания в теплообменниках (или смешения с первичным) поступает по наружным (внутриквартальным) и внутренним теплопроводам к отопительным приборам обогреваемых помещений зданий и затем возвращается в ЦТП или местный тепловой пункт.

Первичным теплоносителем обычно служит вода, реже пар или газообразные продукты сгорания топлива. Если, например, первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такая центральная система отопления именуется водоводяной. Аналогично могут существовать водовоздушная, пароводяная, паровоздушная, газовоздушная и другие системы центрального отопления.

По виду основного (вторичного) теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами водяного, парового, воздушного или газового отопления.

3. Теплоносители в системах отопления

Движущаяся среда в системе отопления - теплоноситель - аккумулирует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносителем для отопления может быть подвижная, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления.

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют воду или атмосферный воздух, реже водяной пар или нагретые газы.

Сопоставим характерные свойства указанных видов теплоносителя при использовании их в системах отопления.

Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного органического топлива, имеют сравнительно высокую температуру и применимы в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. При транспортировании горячих газов имеют место значительные попутные теплопотери, обычно бесполезные для обогревания помещения.

Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещения или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает КПД отопительной установки. При этом возникает необходимость решения экологических проблем, связанных с возможным загрязнением атмосферного воздуха продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов.

Область использования горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми калориферами и другими подобными местными отопительными установками.

В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются многократно в режиме циркуляции и без загрязнения окружающей здание среды.

Вода представляет собой жидкую, практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоемкостью. Вода изменяет плотность, объем и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения - в зависимости от давления, способна сорбировать или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.

Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объем и энтальпию при фазовом превращении.

Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малыми вязкостью, плотностью и теплоемкостью, изменяющей плотность и объем в зависимости от температуры.

Сравним эти три теплоносителя по показателям, важным для выполнения требований, предъявляемых к системе отопления.

Одним из санитарно-гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры. По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании нагретого воздуха - теплоносителя с низкой теплоинерцион- ностью - можно постоянно поддерживать равномерной температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т. е. проводя так называемое эксплуатационное регулирование. При этом одновременно с отоплением можно обеспечить вентиляцию помещений.

Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равномерную температуру помещений, что достигается регулированием температуры, подаваемой в отопительные приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько отклоняться от заданной (на 1-2 °С) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.

При использовании пара температура помещений неравномерна, что противоречит гигиеническим требованиям. Неравномерность температуры возникает из-за несоответствия теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям помещения в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого в приборы пара и даже периодически отключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.

Другое санитарно-гигиеническое требование - ограничение температуры наружной поверхности отопительных приборов -- вызвано явлением разложения и сухой возгонки органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных веществ, в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65-70 °С и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.

При использовании пара в качестве теплоносителя температура поверхности большинства отопительных приборов и труб постоянна и близка или выше 100 °С, т. е. превышает гигиенический предел. При отоплении горячей водой средняя температура нагретых поверхностей, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьшении теплопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического предела.

Важным экономическим показателем при применении различных теплоносителей является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.

Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением их поперечного сечения. Вычислим соотношение площади поперечного сечения теплопроводов, по которым подаются различные теплоносители для передачи в помещение одинакового количества теплоты. Примем, что для отопления используется вода, температура которой понижается с 150 до 70 °С, пар избыточным давлением 0,17 МПа (температура 130 °С) и воздух, охлаждающийся с 60 °С до температуры помещения (например, 15 °С). Результаты расчетов, а также характерные параметры теплоносителей (плотность, теплоемкость, удельная теплота конденсации пара) сведем в таблице.

Видно, что площади поперечного сечения водоводов и паропроводов относительно близки, а сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объясняется, с одной стороны, значительной теплоаккумуляционной способностью воды и свойством пара выделять большое количество теплоты при конденсации, с другой стороны -- малыми плотностью и теплоемкостью воздуха.

При сравнении расхода металла следует также учесть, что площадь поперечного сечения труб для отвода конденсата от приборов в паровой системе - конденсатопроводов значительно меньше площади сечения паропроводов, так как объем конденсата примерно в 1000 раз меньше объема той же массы пара.

Можно сделать вывод, что расход металла как на водоводы, так и на паро и конденсатопроводы будет значительно меньшим, чем на воздуховоды, даже если последние выполнить со значительно более тонкими стенками. Кроме того, при большой длине металлических воздуховодов малотеплоемкий теплоноситель (воздух) сильно охлаждается по пути движения. Этим объясняется, что при дальнем теплоснабжении в качестве теплоносителя используют не воздух, а воду или пар.

Расход металла на отопительные приборы, обогреваемые паром, меньше, чем на приборы, нагреваемые горячей водой, вследствие уменьшения площади приборов при более высоких значениях температуры нагревающей их среды. Конденсация пара в приборах происходит без изменения температуры насыщенного пара, а при охлаждении воды в приборах понижается средняя температура (например, до 110 °С при температуре воды, входящей в прибор, 150 °С и выходящей из прибора 70 °С). Так как площадь нагревательной поверхности приборов обратно пропорциональна температурному напору (разности между средней температурой поверхности прибора и температурой окружающего его воздуха), то при температуре пара 130 °С (см. табл. 1.1) площадь паровых приборов приблизительно (считая коэффициенты теплопередачи приборов равными и принимая температуру помещения - 20 °С) составит (110 - 20) / (130 - 20) = 0,82 площади водяных приборов.

В дополнение к известным эксплуатационным показателям следует отметить, что из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600- 1500 раз и воздуха в 900 раз) в системах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гидростатическое давление. В связи с этим в высотных зданиях в США применялись системы парового отопления.

Воздух и вода до определенной скорости движения могут перемещаться в теплопроводах бесшумно. Частичная конденсация пара вследствие попутных теплопотерь через стенки паропроводов и появления попутного конденсата вызывает шум (щелчки, стуки и удары) при движении пара.

В суровых условиях российской зимы в некоторых случаях рекоменуется использовать в системе отопления специальный незамерзающий теплоноситель -- антифриз. Антифризами являются водные растворы эти- ленгликоля, пропиленгликоля и других гликолей, а также растворы некоторых неорганических солей. Любой антифриз является достаточно токсичным веществом, требующим особого с ним обращения. Его использование в системе отопления может привести к некоторым негативным последствиям (ускорение коррозионных процессов, снижение теплообмена, изменение гидравлических характеристик, завоздушивание и др.). В связи с этим, применение антифриза в качестве теплоносителя в каждом конкретном случае должно быть достаточно обоснованным.

В заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.

При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в теплопроводах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.

При использовании пара сравнительно сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсато- проводов, достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, его температура высока и постоянна при данном давлении, что затрудняет регулирование теплопередачи приборов, движение его в трубах сопровождается шумом.

При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.

4. Основные виды систем отопления

В настоящее время в России применяют центральные системы в основном водяного и, значительно реже, парового отопления, местные и центральные системы воздушного отопления, а также печное отопление в сельской местности. Приведем общую характеристику этих систем (кроме печного отопления) с детальной классификацией на основании рассмотренных свойств теплоносителей.

При водяном отоплении циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается к теплоисточнику для последующего нагревания.

Системы водяного отопления по способу создания циркуляции воды разделяются на системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насоса (насосные). В гравитационной (лат. gravitas - тяжесть) системе используется свойство воды изменять свою плотность при изменении температуры. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационного поля Земли возникает естественное движение воды.

В насосной системе используется насос с электрическим приводом для создания разности давления, вызывающей циркуляцию, и в системе создается вынужденное движение воды.

Схемы системы водяного отопления: а - с естественной циркуляцией (гравитационная); б - с механическим побуждением циркуляции воды (насосная); I - теплообменник; 2 - подающий теплопровод (Т1); 3 - расширительный бак; 4 - отопительный прибор; 5 - обратный теплопровод (Т2); б - циркуляционный насос; 7 - устройство для выпуска воздуха из системы

По температуре теплоносителя различаются системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды t_r<70 °С, среднетемпературные при t_r от 70 до 100 °С и высокотемпературные при t_r> 100 °С. Максимальное значение температуры воды ограничено в настоящее время 150 °С.

По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, системы делятся на вертикальные и горизонтальные.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы бывают однотрубные и двухтрубные.

В каждом стояке или ветви однотрубной системы отопительные приборы соединяются одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. Если каждый прибор разделен условно на две части (“а” и “б”), в которых вода движется в противоположных направлениях и теплоноситель последовательно проходит сначала через все части “а”, а затем через все части “б”, то такая однотрубная система носит название бифилярной (двухпоточной).

В двухтрубной системе каждый отопительный прибор присоединяется отдельно к двум трубам - подающей и обратной, и вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов.

При паровом отоплении в приборах выделяется теплота фазового превращения в результате конденсации пара. Конденсат удаляется из приборов и возвращается в паровой котел.

Системы парового отопления по способу возвращения конденсата в котел разделяются на замкнутые (рис. 1.6, а) с самотечным возвращением конденсата и разомкнутые (рис. 1.6, б) с перекачкой конденсата насосом.

Схемы системы парового отопления: а - замкнутая схема; б - разомкнутая схема; I - паровой котел с паросборником; 2 - паропровод (Т7); 3 - отопительный прибор; 4 и б - самотечный и напорный конденсатопроводы (Т8); 5 - воздуховыпускная труба; 7 - конденсатный бак; 8 - конденсатный насос; 9 - парораспределительный коллектор.

В замкнутой системе конденсат непрерывно поступает в котел под действием разности давления, выраженного столбом конденсата высотой h ( а) и давления пара в паросборнике котла. В связи с этим отопительные приборы должны находиться достаточно высоко над паросборником (в зависимости от давления пара в нем).

В разомкнутой системе парового отопления конденсат из отопительных приборов самотеком непрерывно поступает в конденсатный бак и по мере накопления периодически перекачивается конденсатным насосом в котел. В такой системе расположение бака должно обеспечивать стекание конденсата из нижнего отопительного прибора в бак, а давление пара в котле преодолевается давлением насоса.

В зависимости от давления пара системы парового отопления подразделяются на субатмосферные, вакуум-паровые, низкого и высокого давления.

Параметры насыщенного пара в системах парового отопления

Максимальное давление пара ограничено допустимым пределом длительно поддерживаемой температуры поверхности отопительных приборов и труб в помещениях (избыточному давлению 0,17 МПа соответствует температура пара приблизительно 130 °С).

В системах субатмосферного и вакуум-парового отопления давление в приборах меньше атмосферного и температура пара ниже 100 °С. В этих системах можно, изменяя величину вакуума (разрежения), регулировать температуру пара.

Теплопроводы систем парового отопления делятся на паропроводы, по которым перемещается пар, и конденсатопроводы для отвода конденсата.

По паропроводам пар перемещается под давлением р_п в паросборнике котла или в парораспределительном коллекторе к отопительным приборам.

Конденсатопроводы могут быть самотечными и напорными. Самотечные трубы прокладывают ниже отопительных приборов с уклоном в сторону движения конденсата. В напорных трубах конденсат перемещается под действием разности давления, создаваемой насосом или остаточным давлением пара в приборах.

В системах парового отопления преимущественно используются двухтрубные стояки, но могут применяться и однотрубные.

При воздушном отоплении циркулирующий нагретый воздух охлаждается, передавая теплоту при смешении с воздухом обогреваемых помещений и иногда через их внутренние ограждения. Охлажденный воздух возвращается к нагревателю.

Системы воздушного отопления по способу создания циркуляции воздуха разделяются на системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с механическим побуждением движения воздуха с помощью вентилятора.

В гравитационной системе используется различие в плотности нагретого и окружающего отопительную установку воздуха. Как и в водяной вертикальной гравитационной системе, при различной плотности воздуха в вертикальных частях возникает естественное движение воздуха в системе. При применении вентилятора в системе создается вынужденное движение воздуха.

Воздух, используемый в системах отопления, нагревается до температуры, обычно не превышающей 60°С, в специальных теплообменниках -- калориферах. Калориферы могут обогреваться водой, паром, электричеством или горячими газами. Система воздушного отопления при этом соответственно называется водовоздушной, паровоздушной, электровоздушной или газовоздушной.

Воздушное отопление может быть местным или центральным

Схемы системы воздушного отопления: а - местная система; б - центральная система; I - отопительный агрегат; 2 - обогреваемое помещение (помещения на рис. б); 3 - рабочая (обслуживаемая) зона помещения; 4 - обратный воздуховод; J - вентилятор; 6 - теплообменник (калорифер); 7 - подающий воздуховод

В местной системе воздух нагревается в отопительной установке с теплообменником (калорифером или другим отопительным прибором), находящимся в обогреваемом помещении.

В центральной системе теплообменник (калорифер) размещается в отдельном помещении (камере). Воздух при температуре t_B подводится к калориферу по обратному (рециркуляционному) воздуховоду. Горячий воздух при температуре t_г перемещается вентилятором в обогреваемые помещения по подающим воздуховодам.

Размещено на Allbest.ru