Инженерные системы. Отопление

Требования к теплоносителям

Требования к теплоносителям можно разделить на пять групп: - санитарно-гигиенические: поддержание необходимой температуры в помещении 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" согласованность 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.

Теплоносителем для отопления может быть любая жидкая или газообразная среда" обладающая теплоаккумулирующей способностью" а также подвижная и дешевая. Теплоноситель должен соответствовать требованиям" предъявляемым к отопительным установкам. Для отопления зданий используют теплоносители: воду" водяной пар" атмосферный воздух и газы.

Газы" образующиеся при сгорании топлива" имеют сравнительно высокую температуру и применимы для отопления в тех случаях" когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов. Можно также выпускать высокотемпературные продукты сгорания топлива непосредственно в помещения" но этот эффективный способ отопления в большинстве случаев неприемлем из-за недопустимого ухудшения состояния воздушной среды помещений. Область использования горячих газов ограничена отопительными печами" газовыми калориферами и тому подобными местными отопительными установками.

Вода обладает следующими физическими свойствами (отметим лишь свойства воды — теплоносителя" отражающиеся на конструкции и действии систем отопления): большие теплоемкость" плотность и вязкость" несжимаемость" при нагревании расширяется с уменьшением плотности" выделяет растворенные газы при повышении температуры и уменьшении давления. Температура кипения воды зависит от давления. Температура воды понижается вследствие теплопередачи через стенки труб и приборов.

Пар обладает малой плотностью и высокой подвижностью; температура и плотность пара" зависящие от давления" повышаются при его увеличении. Пар отличается большим теплосодержанием за счет теплоты испарения (теплоты фазового превращения)" которая выделяется при конденсации пара в трубах и приборах и передается через их стенки в помещения. Воздух имеет малые теплоемкость и плотность" легкую подвижность" при нагревании расширяется с уменьшением плотности. Температура горячего воздуха понижается вследствие теплопередачи через стенки каналов и при смешении с воздухом отапливаемых помещений.

Одним из санитарно-гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры. По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании горячего воздуха — малотеплоинерционного теплоносителя — можно" во-первых" постоянно поддерживать равномерную температуру отдельного помещения" изменяя температуру подаваемого в него воздуха в зависимости от изменения теплопотерь при колебании температуры наружного воздуха (этот процесс называют регулированием)" во-вторых" одновременно вентилировать помещение.

Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равномерную температуру помещений" что достигается регулированием температуры подаваемой в приборы воды. Однако при этом теплоносителе температура помещений может несколько отклоняться от требуемой (на 1—2°С) вследствие тепловой инерции масс воды" труб и приборов. При отоплении паром температура помещений неравномерна" что противоречит гигиеническим требованиям. Колебания температуры возникают из-за неравенства теплоотдачи приборов при неизменной температуре пара {при данном давлении) теилопотерям в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого пара и даже периодически выключать приборы во избежание перегревания помещений при уменьшении теплопотерь. Регулирование давления пара незначительно изменяет его температуру" но нарушает установленное распределение пара по приборам и поэтому не применяется.

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

При использовании пара в качестве теплоносителя температура поверхности большинства отопительных приборов и труб составляет примерно 100 °С" т. е. превышает гигиенический предел. Это связано с тем" что при конденсации пара его температура не изменяется. При отоплении горячей водой температура нагревательной поверхности ниже" чем при применении пара" вследствие понижения температуры воды при теплопередаче. Кроме того" температуру воды в системе отопления регулируют — планомерно понижают по мере уменьшения теплопотерь помещений для снижения теплоотдачи приборов. Поэтому средняя температура поверхности приборов в течение основного времени отопительного сезона не превышает 70—80 °С. Важным экономическим показателем является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы. Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением площади их поперечного сечения. Вычислим соотношение площадей поперечного сечения теплопроводов" по которым подаются различные теплоносители для одинаковой теплопередачи в помещения. Примем" что для отопления используются вода" температура которой понижается со 150 до 70°С" пар давлением 0"17 МПа (1"7 кгс/см2) и воздух" охлаждающийся с 60 °С (предельно допустимая по санитарным нормам температура) до температуры помещения 15 °С. Видно" что площади поперечных сечений водоводов и паропроводов близки; сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объясняется" с одной стороны" значительной теплоаккумуляционной способностью воды и свойством пара перемещаться с высокой скоростью и выделять большое количество теплоты при конденсации" с другой стороны" — малой плотностью и теплоемкостью воздуха.

При сравнении расхода металла следует также учесть" что площадь поперечного сечения труб для отвода конденсата от приборов — конденсатопроводов 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 паропроводы и конденсатопроводы будет значительно меньшим" чем на воздуховоды" даже выполненные из тонколистовой стали. Кроме того" при большой длине воздуховодов малотеплоемкий теплоноситель сильно охлаждается по пути. Поэтому в этих случаях в качестве теплоносителя используют не воздух" а воду или пар.

Расход металла на отопительные приборы" обогреваемые паром" меньше" чем на приборы" нагреваемые горячей водой. Это связано с уменьшением площади приборов при более высокой температуре нагревающей их среды. Уже отмечалось" что коденсация пара в приборах происходит без изменения температуры насыщенного пара (например" при температуре пара 130 °С" если давление 0"17 МПа)" а при охлаждении воды в приборах понижается средняя температура (например" до 110°С при предельной температуре воды" входящей в прибор" 150 °С и выходящей из прибора 70 °С).

Эксплуатационные показатели. Из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600—1500 раз и воздуха в 900 раз) в системах водяного отопления высоких зданий может возникнуть опасное для их нормальной работы гидростатическое давление. Воздух и вода могут перемещаться в теплопроводах бесшумно (до определенной скорости движения). Частичная конденсация пара вследствие попутной теплопотери через стенки паропроводов (появление" как говорят" попутного конденсата) вызывает шум (щелчки" стуки и удары) при движении пара по трубам" особенно снизу вверх.

В заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления. При использовании воды обеспечивается довольно равномерная температура помещений" ограничивается температура поверхности отопительных приборов" сокращается площадь поперечного сечения труб" достигается бесшумность движения в трубах. К недостаткам применения воды относятся значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах; тепловая инерция воды замедляет регулирование теплоотдачи приборов.

При использовании пара сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсатопроводов" достигается быстрое прогревание приборов. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям" его температура высока и постоянна при данном давлении" что не обеспечивает регулирования теплоотдачи приборов" движение пара в трубах сопровождается шумом. При использовании воздуха обеспечивается быстрое изменение или равномерность температуры помещений" можно избежать установки отопительных приборов и осуществлять вентиляцию помещений" достигается бесшумность движения в каналах. К недостаткам применения воздуха относятся малая теплоаккумуляционная способность" значительные площади поперечного сечения и расход металла на воздуховоды" относительно большое понижение температуры по длине воздуховодов.