Рекомендации по выбору систем отопления. 2 страница

Систему отопления с проточными стояками применяют при расположении их в одном помещении (вестибюль, зал, цех, лестничная клетка). Регулировочную арматуру в этом случае у отопительных приборов не ставят.

В зданиях с четко выраженными поэтажными технологиями наиболее часто применяют системы отопления с горизонтальными стояками (см. рис.3.4, в).

Рассмотрим более подробно каждую классификацию системы.

Системы отопления с естественной циркуляцией. Для таких системхарактерна небольшая протяженность трубопроводов и малыегидравлические потери. Располагаемое давление для циркуляции воды определяется разностью массовых плотностей охлажденной и горячей воды. Патент на изобретение этой системы был выдан в 1832 г. русскому инженеру-металлургу, члену-корреспонденту Российской академии наук П.Г.Соболевскому

На рис.4.1 представлена схема вертикального циркуляционного кольца отопительной системы при местном нагреве воды в теплогенераторе (например, в отечественном водонагревателе типа “АВГ”).

Из местного нагревателя 1 горячая вода с температурой twг1 и массовой плотностью ρwг1 поднимается по вертикальной трубе 2 до расширительного бака 3. Далее вода по горизонтальному наклонному трубопроводу 4 поступает к вертикальному стояку 5. По стояку 5 горячая вода распределяется по отопительным приборам 6, где отдается теплота на нагрев воздуха в помещении, а охладившаяся вода по обратному трубопроводу 7 с температурой поступает к нагревателю 1. К обратному трубопроводу через патрубок присоединены трубопроводы подпитки 8 и опорожнения системы 9. В верхней части расширительного бака 3 собирается воздух, который по трубопроводу 10 удаляется в раковину 11.

В системе отопления развиваемй напор вычисляется по формуле:

Не.ц. = g· h · (ρwоб. - ρwг.1), Па

Примем, что в квартирной системе отопления высота расположения расширительного бака h = 3 м. Из местного нагревателя выходит вода с twг1 = 90˚С при ρwг.1 =965 кг/м³. После охлаждения в трубах и отопительных приборах обратная вода имеет tw.об. = 60˚С при ρwоб = 983 кг/м ³. По формуле вычислим развиваемый напор естественной циркуляции воды в системе комнатного отопления:

Не.ц. = 9,8 · 3 · (983 – 965) = 529 Па.

Малое располагаемое давление для преодоления потерь на трение и местное сопротивление в контуре циркуляции воды в трубопроводах ограничивает применение систем отопления с естественной циркуляцией в квартирах и односемейных домах с автономными водонагревателями.

Системы водяного отопления с принудительным побуждением получили более широкое распространение. Они позволяют обогревать большое количество помещений от одного центрального источника теплоты. В системах такого типа теплоноситель (вода) перемещается циркуляционным насосом или водоструйным эжектором (элеватором). В системах водяного отопления, работающих от домовых и квартальных котельных, устанавливают расширительные баки объемом, равным увеличению объема воды в процессе ее расширения.

Двухтрубные системы следует применять в малоэтажных зданиях, имеющих один-два этажа. В сязи с современными требованиями индивидуального учета расхода теплоты духтрубные системы получили широкое применение в квартирных системах отопления.

Системы с верхней разводкой применяются в зданиях с отапливаемыми чердачными помещениями или с верхними техническими этажами.

Системы с нижней разводкой применяются в бесчердачных зданиях с техническими подпольями и подвалами.

Системы с тупиковым движением воды применяются для сокращения протяженности и диаметра магистралей.

Системы с попутным движением воды применяются в насосных системах значительной протяженности при малой тепловой нагрузке стояков.

С вертикальным расположением стояков. Вертикальные стояки присоединяют к горизонтальным магистралям и устраивают однотрубными и двухтрубными. Сравнивая однотрубные стояки с двухтрубными в системе водяного отопления, можно установить экономическое и производственное преимущества однотрубных стояков (особенно проточных), возрастающие по мере увеличения высоты здания. Эксплуатационное достоинство однотрубных стояков – их тепловая надежность объясняет их преимущественное использование в современной насосной системе водяного отопления. Вертикальные однотрубные стояки при верхней разводке подающих магистралей применяют в многоэтажных зданиях, имеющих четыре-девять и более этажей.

Вертикальные однотрубные стояки при нижней прокладке обеих магистралей. Так называемые П-образные стояки стали применяться с 1960г., в связи с массовым строительством бесчердачных зданий. На рис.3.5, а приведена общеупотребительская схема П-образного стояка для 3-х этажного здания. В нижнем этаже показано проточное движение воды через отопительные приборы, в среднем этаже изображены узлы со смещенными замыкающими участками и в верхнем - проточно-регулируемые узлы с трехходовыми кранами. На отопительных приборах верхнего этажа устанавливают воздушные краны (рис.3.6).

На рис. 3.6 показана схема вертикального бифилярного П-образного стояка, который получил распространение в панельном строительстве жилых домов. В этом стояке отопительный прибор каждого помещения делится на две части – одна (слева) с количественным регулированием теплопередачи, другая (справа) нерегулируемая проточная. В верхнем этаже предусматривается воздушное регулирование теплопередачи проточного отопительного прибора.

В схеме П-образного однотрубного стояка, изображенной на рис.3.6, в, сочетаются преимущества движения воды в отопительном приборе сверху вниз и нижней прокладки обеих магистралей.

Вертикальные П-образные однотрубные стояки применяют в бесчердачных многоэтажных (три-семь этажей) зданиях, имеющих техническое подполье или подвал. Бифилярные стояки преимущественно используют в полносборном строительстве при внедрении бетонных отопительных панелей, совмещенных со строительными конструкциями, и пофасадного автоматического количественного регулирования их теплопередачи. При строительстве здания в зимнее время система отопления с П-образными стояками может включаться постепенно – поэтажно по мере начала внутренних отделочных работ.

Вертикальные однотрубные стояки при нижней разводке подающей магистрали и верхней прокладке обратной, так называемые стояки с “опрокинутой” циркуляцией воды, стали применяться с 1965г. в зданиях повышенной этажности (девять и более этажей). На рис. 3.7 показана схема однотрубного стояка с “опрокинутой” циркуляцией воды с проточным узлом в нижнем этаже, со смещенным замыкающим участком во втором этаже и с проточно-регулируемым узлом в верхнем этаже. Преимуществом применения этой схемы является улучшение теплового режима высоких зданий и возможность стандартизации размеров отопительных приборов (когда темп охлаждения воды в стояке соответствует степени уменьшения теплопотерь однотипных помещений по вертикали). Недостатком является некоторое увеличение площади поверхности отопительных приборов при движении воды в них снизу вверх по сравнению с площадью при подаче воды сверху, а также возможность нарушения циркуляции воды при незначительном сопротивлении стояков (под влиянием различного естественного циркуляционного давления в стояках).

Для большинства рассмотренных схем вертикальных однотрубных стояков характерно одностороннее присоединение отопительных приборов к стояку. Хотя при этом и увеличивается количество стояков, однако это позволяет унифицировать узлы обвязки отопительных приборов как по диаметру, так и по длине труб, что необходимо при массовом изготовлении. Кроме того, при увеличении открыто проложенных стояков уменьшаются размеры основных отопительных приборов.

Вертикальные двухтрубные стояки при верхней разводке подающей магистрали применяют в основном при естественной циркуляции воды в системе отопления. При насосной циркуляции воды из-за тепловой ненадежности их используют в системе отопления малоэтажных зданий (два-три этажа).

С горизонтальным расположением стояков. Горизонтальные ветви, устраивают как и вертикальные стояки однотрубные и двухтрубные. Горизонтальные однотрубные системы рекомендуется применять в протяженных зданиях, в зданиях с ленточным остеклением, в зданиях, где каждый этаж имеет различное технологическое назначение и режим, особенно при значительном расходе воды в отопительных приборах.

Горизонтальное двухтрубное распределение воды по отопительным приборам в каждом этаже применяется в многоэтажных зданиях лишь в тех случаях, когда использование однотрубной схемы невозможно или нецелесообразно. Горизонтальная двухтрубная система отопления чаще предусматривается в одноэтажных зданиях, причем тогда магистрали и стояки фукционально совмещаются. Присоединение труб к отопительным приборам выполняется преимущественно разносторонним, движение воды в приборах предусматривается по схемам сверхк-вниз или снизу-вниз. При нижней разводке греющей воды в верхней части отопительных приборов устанавливают воздушные краны. Горизонтальная двухтрубная система с насосной циркуляцией воды применяется при значительной протяженности и тепловой нагрузке. При этом гидравлическое сопротивление приборов по возможноси увеличивают, используя краны повышенного сопротивления.

На основании вышеизложенного можно установить следующие положения для выбора конструкции системы отопления.

В многоэтажных зданиях, имеющих более трех этажей, проектируются преимущественно вертикальные однотрубные системы отопления. В бесчердачных зданиях средней этажности используются однотрубные системы с нижней прокладкой обеих магистралей. В зданиях повышенной этажности применяются однотрубные системы с нижней разводкой подающей магистрали для создания “опрокинутой “ циркуляции воды в стояках.

В зданиях массового строительства предпочтение отдается однотрубному стояку унифицированной конструкции, имеющему один диаметр и повторяющуюся длину его элементов.

В зданиях ограниченного объема, имеющих разноэтажные части, устраиваются двухтрубные системы с нижней прокладкой обеих магистралей. В одноэтажных зданиях, в двух-трехэтажных пристройках к главному зданию используются в основном горизонтальные однотрубные системы, могут применяться и двухтрубные системы с верхней разводкой подающей магистрали.

Чем выше здание, тем меньше должно быть гидравлическое сопротивление узла каждого отопительного прибора вертикального однотрубного стояка, и, наоборот,тем больше должно быть сопротивление каждого приборного узла двухтрубного стояка или горизонтальной однотрубной ветви.

При установке счетчиков учета потребителями расходов теплоты на отопление устраиваются квартирные двухтрубные системы с нижней разводкой трубопроводов.

По способу присоединения циркуляционной системы отопления к источнику теплоснабжения (теплогенератору) и организации гидравлического, циркуляционного режима в ней можно выделить две основные разновидности:

· насосные системы отопления с зависимым присоединением к источнику теплоснабжения;

· насосные системы отопления с независимым (гидравлически изолированным) от источника теплоснабжения присоединением.

Отличительной особенностью систем с зависимым присоединением

является общий с источником теплоснабжения гидравлический режим, устанавливаемый и управляемый, как правило, на источнике теплоснабжения – котельной, РТС,ТЭЦ. В этом случае циркуляция воды в системе отопления и подпитка ее осуществляется насосами, установленными на источнике. Подача теплоты в отапливаемое здание производится непосредственно из сети централизованного теплоснабжения по трубопроводам (тепловым сетям), соединяющим источник с системой отопления здания. Изменение температуры горячей воды, подаваемой в систему отопления достигается путем смешения подаваемой из системы теплоснабжения сетевой воды с температурой Тw.г.1 и обратной воды, выходящей из системы отопления, с температурой Тw.г.2 = tw.г.2.

На рис3.13 показана принципиальная схема применения водоструйного элеватора для получения начальной температуры воды tw.г.1. в системе отопления и создания необходимой циркуляции в ней.

Элеватор состоит из сопла 1, обратной трубы 2, смесительной камеры (смесителя) 3 и диффузора 4. Работаэлеватора основана на использовании энергии воды, вытекающей с высокой скоростью из сопла 1 для подсоса охлажденной воды из обратного трубопровода системы. Поток смешанной воды поступает в камеру 3, где происходит выравнивание скорости воды по сечению. За счет плавного снижения скорости в диффузоре 4 происходит повышение статического давления; в результате разности давлений в конце диффузора и в обратном трубопроводе обеспечивается циркуляция воды в системе отопления. Для элеватора основной расчетной характеристикой является коэффициент смешения и, представляющий собой отношение расходов подсасываемой Gn и сетевой воды Gc, поступающей в сопло:

Gn

и = -----------

Gc

Расчет элеватора сводится к определению диаметров смесительной горловины dг. и сопла dс. Диаметр горловины находят по формуле:

dг. = 0,874 · √ Gnр.

где Gnр. - приведенный расход воды с учетом расчетной потери напора в отопительной системе.

По вычисленному диаметру горловины подбирают соответствующий серийный элеватор.

Серийные элеваторы имеют следующие диаметры горловины:

Номер элеватора…………...1 2 3 4 5 6 7

dг, мм ……………………15 20 25 30 35 47 59

Минимальный диаметр сопла во избежание засорения принимают равным 4мм.

Необходимое давление сетевой воды перед элеватором, кПа, определяют по формуле:

Рс = 14 · (1 + и)² ·∆ h

где ·∆ h - расчетная потеря напора в отопительной системе (по данным гидравлического расчета).

Элеватор можно подбирать по номограмме (рис. 3.14).

Температура горячей воды в системах отопления с зависимым присоединением будет изменяться по графику теплоснабжения от ТЭЦ для большого числа зданий без учета особенностей формирования теплового режима в каждом здании. Это приводит к перетопам зданий,,перерасходам теплоты и поэтому от схем обеспечения циркуляции воды в системмах отопления с помощью гидроэлеваторов постепенно отказываются.

В своде правил по проектированию и строительству “Проектирование тепловых пунктов. СП 41-101-95” схемы присоединения зависимых систем теплоснабжения рекомендуется выполнять со смесительными насосами.

От работы насоса 6 обеспечивается приготовление горячей воды для системы отопления. Насос 6 производит смешение потоков воды и не влияет на циркуляционное давление в системе отопления, которое определяется автоматическим контролем перепада давлений воды в подающем 7 и обратном 8 трубопроводах с помощью регулятора перепада давлений 5. Обратный клапан 4 препятствует поступлению горячей воды в перемычку 3 при остановке насоса 6.

Схема циркуляции со смесительным насосом позволяет изменять температуру горячей воды tw.г.1., поступающей по трубопроводу 7 в систему отопления здания. Наличие автоматического клапана 2 на подающем трубопроводе горчей воды от ТЭЦ позволяет изменять количество теплоты, подаваемой к зданию. При повышении температуры обратной воды tw.г.2. или температуры наружного воздуха от микропроцессора регулятора последует команда на закрытие клапана 2 на трубопроводе 1 подачи горячей воды от ТЭЦ. Это вызовет изменение давления воды в трубопроводе 7 и регуляторе 5 контроля постоянства перепада давления в трубопроводах 7 и 8, что обеспечит увеличение сечения для прохода воды по перемычке 3. Соответственно смесительный насос 6 будет подавать большее количество обратной воды Gw.об.см., проходящей по перемычке 3. Температура смеси понизится и соответственно понизится тепловая мощность системы отопления.

Наибольшей гидравлической и тепловой устойчивостью обладают системы отопления, включенные в систему ценрализованного теплоснабжения по независимой схеме присоединения, показанная на рис. 4.22.

Подающий трубопровод 1 от теплосети присоединен к водоводяному пластинчатому теплообменнику 2. Через стенки гофрированных пластинчатых каналов теплота от горячей сетевой воды (первичной) G т.с.w.г.

передается на нагрев (вторичной) воды Gw.г., циркулирующей по системе отопления здания от работы циркуляционного насоса 9. Для экономии электроэнергии рационально применить насос 9 с электронным регулированием частоты вращения электродвигателя по датчикам замера перепада давления в подающем 5 и обратном 7 трубопроводах системы отопления.

Для экономии теплоты на отопление помещений у нагревательных приборов имеются терморегуляторы 6, изменяющие расход горячей воды в зависимости от контролируемого значения температуры воздуха в помещении. Изменение расхода воды через отопительный прибор с терморегулятором 6 повышает давление воды в подающем трубопроводе 5. Повышение давления воды в трубопроводе 13 перед регуляторами 6 отопительных приборов в помещениях, где тепловой режим отвечает условиям теплового комфорта, приведет к возрастанию прохода горячей воды в отопительные приборы в этих помещениях. Соответственно температура воздуха в этих помещениях повысится выше комфортного уровня. Произойдет перегрев помещения и перерасход теплоты. Для избежания перерасхода теплоты и нарушения комфортного теплового режима в помещениях в подающем 5 и обратном 7 трубопроводахсохраняется постоянное давление благодаря применению насоса 9 сэлектронным автоматическим регулированием.

Начальную температуру воды tw.г.1 энергетически рационально снижать с повышением температуры наружного воздуха, что достигается регулятором, контролирующим температуру наружного воздуха и температуру обратной воды Тw.об. в обратном трубопроводе 4 теплосети, воздействием на автоматический клапан 3.

В процессе эксплуатации системы отопления возможны утечки циркулирующей воды. Снижение уровня воды в верхней части системы отопления контролируется датчиком, связанным с автоматическим устройством в герметичном баке 12. При понижении уровня воды в системе отопления ниже контролируемого уровня автоматический регулятор в баке 12 включает в работу один из сдвоенных насосов 11, при работе которого в систему отопления по соединительному трубопроводу 10 будет добавляться сетевая химически подготовленная вода из системы теплоснабжения. При повышении уровня воды в системе отопления до верхнего контролируемого уровня от регулятора в баке 12 последуеткомандана остановку подпиточного насоса 11.

Представленная на рис.4.22 схема циркуляции воды в системе отопления называется двухтрубной с нижней горизонтальной разводкой магистральных подающих 5 и обратных 7 трубопроводов и вертикальными подающими 13 и обратными 14 стояками.

Вертикальное расположение стояков при нижнем размещении магистральных трубопроводов требует устройства воздухоотводчиков в верхних точках стояков. Воздухоотводчики могут быть выполнены в форме спускных кранов ручного управления или это могут быть автоматические воздухоотводчики.

Показанная на рис. 4.22 двухтрубная система отопления с независимым присоединением к тепловым сетям ТЭЦ является гидравлически и теплотехнически наиболее устойчивой, а следовательно, наиболее надежной.

Автоматическое изменение расходов горячей воды через пластинчатый теплообменник 2 и отопительные приборы с терморегуляторами 6 не вызывает гидравлической разрегулировки системы циркуляции и не ведет к перерасходу теплоты на нагрев помещений. Применение в схеме циркуляции горячей воды в системе отопления насосов с электронным регулированием обеспечивает снижение до 60% годового расхода электроэнергии на работу циркуляционных насосов.

Нагрев воды для независимо присоединенной системы отопления происходит в водо-водяных пластинчатых (или кожухотрубных) теплообменниках, требуемая теплотехническая эффективность которых вычисляется по выражению:

Тw.г.1 - Тw.об.

Өw.г. = ----------------------- (2. 1)

Тw.г.1 - tw.г.2

В расчетных условиях холодного периода года (при параметрах Б) от ТЭЦ перегретая вода должна поступать с температурой Тw.г.1 = +150ºС. Как правило, из-за тепловых потерь в тепловых сетях к зданиям перегретая вода имеет температуру не выше Тw.г.1 = +130ºС, которую и рекомендуется использовать в формуле. Начальная температура горячей воды в системах отопления жилых и общественных зданий рекомендуется в двухтрубных системах tw.г.1 = + 95ºС, а в однотрубных tw.г.1 = +105ºС.

По нормативным правилам централизованного теплоснабжения от ТЭЦ потребитель обязан возвратить обратную воду с температурой не выше

Тw.об. = +70ºС.

В зависимо присоединеных системах отопления расчетная температура обратной воды принимается равной tw.г.1 = Тw.об. = +70ºС. Если потребитель теплоты не выполняет это условие, то на него накладываются значительные штрафные санкции. В этих системах при выборе поверхности отопительного прибора расчетный перепад температур принимается ∆ tw.г. = 95 – 70 = 25˚С.

Условие сохранения рабочего перепада в отопительном приборе равным

∆ tw.г. = 25˚С нельзя выполнить в независимо присоединенных системах отопления.

Если в теплообменнике 2 (см. рис.4.22) поступит на нагрев обратная вода после системы отопления с температурой tw.г.2 = 70ºС, то температура горячей воды от системы теплоснабжения на выходе из теплообменника 2 Тw.об. будет выше 70ºС (Тw.об. > 70ºС).

При равенстве температур Тw.об. = tw.г.2 = 70ºС числитель и знаменатель при вычислении по формуле (2.1) будут равны, а численное значение требуемого показателя теплотехнической эффективности будет Өw.г. = 1, чего невозможно достичь.

Действительная теплотехническая эффективность пластинчатых теплообменников может достигать значений Өw.г. = 0,8 – 0,85.

Для избежания штрафных санкций от поставщиков теплоты и выполнения нормативных правил теплоснабжения необходимо рабочий перепад температур в системах отпления с независимым присоединением принимать большим для достижения температуры обратной воды ниже 70ºС (tw.г.2 = 70ºС).

Покажем это на следующем примере.

Примем Тw.г.1 = +130ºС, Тw.об. = 70ºС и показатель эффективности водо-водяного теплообменника Өw.г. = 0,8. Преобразуем формулу (2. 1) относительно нахождения возможной температуры обратной воды в расчетном режиме теплоснабжения:

Тw.г.1 - Тw.об

tw.г.2 = Тw.г.1 - ----------------------, ºС

Өw.г.

Вычислим по этому выражению возможную температуру обратной воды в принятом температурном режиме независимо присоединенной системы отопления:

130 - 70

tw.г.2 = 130 - -------------- = 55 ºС

0,8

Подбор требуемой поверхности отопительных приборов в независимо присоединенной системе отопления проводим на температурный перепад:

∆ tw.г. = 95 – 55 = 40ºС.

На рис. 4.24 показана принципиальная схема движения греющей и нагреваемой жидкостей по поверхности пластин по выштампованным каналам.

Из схемы движения потоков видно: со стороны пластины 5 для движения нагреваемой жидкости гофры каналов имеют направление снизу вверх, а со стороны пластины 6 они направляют греющую жидкость сверху вниз. Это создает энергетически наиболее рациональную схему противоточного движения потоков теплообменивающих жидкостей. Форма каналов гофрированных пластин создает условия для турбулизации потоков жидкостей при скоростях движения по каналам не менее 0,1 м/с. Путем увеличения числа пластин в теплообменнике можно изменять поверхность теплообменника. В общем случае требуемая поверхность теплообменника вычисляется по формуле:

Qт

Fт = ----------------, м² (2. 2)

∆ tср. · k

где Qт - требуемый поток теплоты на нагрев жидкости, Вт;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²ºС).

Средняя температура теплообменивающихся жидкостей в теплообменнике может вычисляться по формуле:

Тw.г.1 + Тw.об tw.г.1 + tw.г.2

∆ tср = ------------------------ - ----------------------, ºС

2 2

Из табл. 4.3 видно, что благодаря наличию в пластинах профильных выштампованных каналов обеспечиваются очень высокие коэффициенты теплопередачи при условии сохранения паспортного расхода жидкости, указанного в этой таблице. Если по расчету системы теплоснабжения выбирается меньший расход жидкости, чем это указано в табл. 4.3, то необходимо учитывать снижение коэффициентов теплопередачи.

При увеличении расхода жидкости по сравнению с паспортным значением коэффициент теплопередачи очень мало возрастает, но почти в квадратичной зависимости увеличивается гидравлическое сопротивление проходу жидкости через теплообменник. Практический расчет поверхности пластинчатого теплообменника и выбор его типа по табл. 4.3 приведен в практическом занятии № 3.

Дата добавления: 2014-12-08