В начало
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.
|
