Расчет систем вентиляционного отопления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет систем вентиляционного отопления



МЕСТНОЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Принципиальные схемы системы местного воздушного отопления даны на рис. IX.I. Система с полной рециркуляцией воздуха может быть бесканальной (рис.IX.I, а) и канальной (рис. IX.I, б). При бесканальной системе воздух нагревается в калорифере и перемещается и вентилятором. Наличие канала для горячего воздуха вызывает естественную циркуляцию воздуха через помещение и калорифер.

Для местного воздушного отопления помещения одновременно с его вентиляцией используют две другие схемы, изображенные на рис IX.I. По схеме с частичной рециркуляцией внутреннего воздуха (рис-. IX.I, в) помещение обогревается всем поступающим в него воздухом, а вентилируется только той его частью, которая забирается снаружи; по прямоточной схеме (рис. IX.I, г) наружный воздух в количестве, необходимом для вентиляции помещения, нагревается до требуемой для отопления температуры.

Массовое количество воздуха G_от кг/с, подаваемого только с целью отопления помещения с теплопотерями Qn:

(IX.I)

где: с - удельная теплоемкость воздуха, рапная 1005 Дж/(кгК)[0,24 ккал/(кг°С)|;

t_г и t_н - температура горячего воздуха и воздуха помещения (t_в =t_р.з по ГОСТ 12.1.005-76), ⁰C.

Для воздушного отопления помещений с постоянным или длительным (более 2 ч) пребыванием людей воздух можно нагревать до 70 ⁰С, если он свободно выпускается в верхнюю зону (выше 4 м от пола при горизонтальных или наклонных струях и 6 м при струях, направленных вертикально вниз). Температура воздуха, подаваемого в рабочую или обслуживаемую зону на расстоянии более 2 м от рабочих мест, не должна превышать 45 °С. Если человек подвергается длительному непосредственному влиянию струи нагретого воздуха, температуру этого воздуха рекомендуется понижать до 25 °С.

Если количество воздуха для отопления оказывается равным или превышает количество воздуха для вентиляции (G_от ? G_вент), то сохраняют количество и температуру отопительного воздуха, а систему выбирают прямоточной или с частичной рециркуляцией. Если же количество вентиляционного воздуха превышает расчетное количество воздуха для отопления (G_вент>G_от), то принимают количество воздуха для вентиляции, систему делают прямоточной, а температуру подаваемого воздуха вычисляют по формуле

(IX.2)

После уточнения воздухообмена определяют расход теплоты па нагревание воздуха по формулам:

для рециркуляционной системы воздушного отопления

Q = G_отc(t_г - t_в) (IX.3)

для частично рециркуляционной отопительно-вентиляционной системы

Q = с [G_от (t_г - t_в)+ G_вент (t_в - t_н) (IХ.4)

для прямоточной отопительно-вентиляционной системы



Q = G_вент с (t_г - t_н) (IХ.5)

где: t_н - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления.

В формуле (IХ.4) количество рециркуляционного воздуха G_p =G_от - G_{вент ,}так как G_от выражает количество смешанного воздуха, нагретого до t_г с целью отопления.

Пример IX. 1. Определим часовое количество воздуха, подаваемого в рабочую зону, для поддержания в помещении температуры 20 ⁰C, если его теплопотери составляют 2000 Вт (1720 ккал/ч). Количество подаваемого воздуха при t_г = 45°C по формуле (I.Х.1)

кг/ч или м³/ч.

Рис. IX.I. Принципиальные схемы системы местного воздушного отоплении.

а, б - полностью рециркуляционные; в - частично рециркульяционная; г - прямоточная; 1 - теплообменник - калорифер; 2 - капал горячего воздуха; 3 - канал вытяжной вентиляции.

Пример IХ.2. Вычислим часовой расход теплоты на нагревание воздуха по условиям примера IХ.1, если объем наружного воздуха, подаваемого для вентиляции помещения, L_вент = 100 м³/ч. Температура наружного воздуха t_н = - 15° С.

Расход теплоты в частично рециркуляционной отопителыю - вентиляционной системе по формуле (IХ.4)

Q = 1005 [287(45 - 20) +100 • l, 205 (20+15)] 10^-3 ==11 450 кДж/ч (2732 ккал/ч).

Объем рециркуляционного воздуха составляет

L_н - L_вент - (287: 1,205) - 100 = 138 м³/ч;

дополнительный, сверх теплопотерь помещения, расход теплоты

11450 - 2000 Х 3,6 = 4250 кДж /ч (1012 ккал/ч).

Прямоточная отопительно-вентиляционная система неприменима, так как температура горячего воздуха в этом случае превысит допустимую даже при подаче воздуха в верхнюю зону. В самом деле по формуле (IХ.2)

70 ⁰С

Рис.IX.2.Схема расположения отопительных агрегатов: компактные (а), веерной (б)

Местное воздушное отопление предусматривают в производственных, гражданских и сельскохозяйственных зданиях: в рабочее время при отсутствии центральной системы приточной вентиляции, причем система отопления может быть чисто отопительной и совмещенной с местной приточной вентиляцией; в нерабочее время при отсутствии, невозможности или экономической нецелесообразности использования для отопления имеющейся системы приточной вентиляции. В промышленных зданиях местное воздушное отопление предусматривают в помещениях с производствами категорий Г и Д, технологический процесс в которых не сопровождается выделением пыли и вредных веществ, возгоняющихся при соприкосновении с нагретыми поверхностями.

Для местного воздушного отопления применяют: рециркуляционные отопительные агрегаты с механическим побуждением движения воздуха (см. рис. IХ.1, а): отопительно-вентиляционные агрегаты с частичной рециркуляцией воздуха и прямоточные, также с механическим побуждением движения воздуха (см. рис.IX.1, в, г); рециркуляционные воздухонагреватели с естественным движением воздуха (см. рис. IХ.1, б). При использовании отопительных агрегатов нагретый воздух может подаваться сверху наклонными струями в направлении рабочей зоны (наклонная подача) и горизонтальными струями выше рабочей зоны (сосредоточенная подача).

Для отопления помещений следует устанавливать не менее двух агрегатов (рис. IХ.2). Тепловую мощность выбираемого типа агрегата принимают равной теплопотерям ячейки помещения, обслуживаемой одним агрегатом:

(IX.6)

где: _t -- поправочный коэффициент, принимаемый равным 1,1 при наклонной подаче и 1,25 при сосредоточенной подаче (для агрегатов СТД-300 м _t = 1,1 во всех случаях);

q -- удельная тепловая характеристика помещения (см. п. III.5); V₁= blh_п -- объем обслуживаемой ячейки помещения, имеющего высоту h_п; bиl -- ширина и длина зоны эффективного обслуживания одним агрегатом: при наклонной подаче длина l = 1,58 h_п , ширина b = l (допустимо принимать ширину в пределах от 0,5 l до 2l ); при сосредоточенной подаче длина l ? 0,7mbh_п , ширина b ? Зh_п , (см. рис.IХ.2);

m -- аэродинамическая характеристика струи, выражающая интенсивность уменьшения скорости движении воздуха в струе (m = 4,5 при обычной регулирующей решетке, установленной в выходном патрубке агрегата).

При наклонной подаче наибольшая дальнобойность струи нагретого воздуха достигается в том случае, если выпускать воздух вниз под углом 35° к горизонту на высоте h, м, над уровнем пола помещения (по материалам ЦНИИ промзданий).

h=1+h_р.з+0,3h_п (IХ.7)

где: h_р.зи h_п -- высота соответственно рабочей зоны и помещения, м.

При истечении воздуха через регулирующую решетку агрегата (m= 4,5) образуется так называемая компактная струя. Воздушная струя превращается в неполную веерную в том случае, когда регулирующую решетку дополняют рассеивающей (m= 1,8).

Наибольшая скорость движения и наивысшая температура воздуха наблюдаются на верхней границе рабочей зоны на расстоянии х = 0,635h_п от отопительного агрегата, из которого подается наклонная компактная воздушная струя. Скорость движения воздуха v_р.з, м/с, на верхней границе рабочей зоны при аэродинамической характеристике струи m= 4,5 в помещениях высотой от 9 до 15 м может быть найдена по формуле

(IX.8)

где: k_h, -- экспериментальный коэффициент, зависящий от высоты помещения; при h_п = 9 м коэффициент k_h = 0,11; при 12 м - k_h = 0,18; при 15 м -k_h = 0,22; v_о -- начальная скорость движения воздуха при выходе из агрегата, м/с; F₀ -- площадь регулирующей решетки агрегата, м².

Для аналогичных помещений избыточная температура воздуха t_р.з, ° С, на верхней границе рабочей зоны при понижении температуры струи, выраженном тепловой характеристикой струи n = 3,8, составит

(IX.9)

где: t₀ =t_г-t_р.з -- начальная избыточная температура нагретого воздуха, ⁰С.

Скорость движения воздуха и температуру его в рабочей зоне проверяют по формулам (IХ.8) и (IХ.9) после выбора типа отопительного агрегата. Полученные по этим формулам скорость и температуру сопоставляют с нормативными значениями, имея в виду что по ГОСТ 12.1.005 -- 76 (см. табл. 11.1) t_р.з допустима до 6 ⁰С, а вне постоянных рабочих мест до 11°С.

Если при наклонной подаче нормативные параметры воздушной среды в рабочей зоне не обеспечиваются, то применяют сосредоточенную подачу нагретого воздуха. Отопительные агрегаты для сосредоточенной подачи устанавливают в средней по высоте помещения зоне, причем минимально допустимую высоту над уровнем пола определяют по формуле

(IX.10)

Отопительные агрегаты для сосредоточенной подачи воздуха размещают в плане помещения, как и для наклонной подачи (см. рис. IХ.2), причем при неполных веерных струях агрегаты могут отстоять друг от друга на расстоянии до 10h_п.

Начальные характерные параметры воздушной струи, т. е. условия истечения нагретого воздуха из агрегата, можно выразить линейным размером Н, м, названным геометрической характеристикой воздушной струи (воздушного фонтана).

Если при выпуске воздуха через регулирующую решетку агрегата создается компактная непастплающаяся струя (m= 4,5; n = 3,8), то геометрическая характеристика компактной струи составляет:

(IX.11)

Рис.I.Х.3. Схема развития по высоте нагретой свободной струи при сосредоточенной подаче воздуха в помещения;

1-- отопительный агрегат; 2 -- точка оси струи в «критическим» сечении.

Если при выпуске воздуха через рассеивающую решетку агрегата образуется веерная ненастилающаяся струя (т = 1,8; п -- 1,2), то геометрическая характеристика неполной веерной струи имеет вид:

(IX.12)

где: v₀ -- начальная скорость движения воздуха, м/с; F₀ -- площадь воздуховыпускного отверстия, м², t₀ -- избыточная температура нагретого воздуха, ⁰С.

В рабочей зоне помещения под приточной струей возникает обратный поток воздуха. В том месте, где расширяющаяся воздушная струя наиболее близко подходит своей нижней границей к рабочей зоне, обратный поток движется с максимальной скоростью. Нагретую струю следует рассчитать так, чтобы максимальные скорость движения и температура обратного потока, определяемые по приводимым ниже формулам, не превышали нормативов. Скорость v_обр , м/с, обратного потока



(IX.13)

где: k= 0,65 -- 1,30 (по табл. 8) или по формуле k = 1,34 -- 0.04N,

N -- число отопительных агрегатов в ряду).

Избыточная температура t_обр, ° С, обратного потока

(IX.14)

Полученные значения, как и при наклонной подаче, проверяют по нормам, причем при сосредоточенной подаче, согласно ГОСТ 12.1.005-- 76, допускается повышение скорости движения воздуха до 0,7 м/сна постоянных рабочих местах при одновременном повышении температуры воздуха на 2° С.

Горизонтальная воздушная струя, не настилающаяся на поверхность ограждений при выпуске ее в среднюю зону по высоте помещений, на определенном расстоянии от места подачи развивается свободно. До поперечного сечения, называемого «критическим», такую струю считают свободной. Далее на развитие струи влияют ограждения помещения, и струю называют стесненной.

В горизонтальной нагретой воздушной струе действует архимедова сила, вызывающая ее подъем. Высота подъема оси свободно и воздушной струи, обозначенная у (рис. IX.3), связана огоризонтальным расстоянием х от отопительного агрегата и с геометрической характеристикой струи Н зависимостью.

(IX.I5)

При подъеме нагретого воздуха перегревается верхняя зона, вследствие чего увеличиваются теплопотери через покрытие помещения и переохлаждается рабочая зона. Температура воздуха по высоте помещения становится более ровной, если увеличить начальную скорость движения нагретой струи (или уменьшить избыточную температуру до 10--15° С).

Необходимую начальную скорость движения компактной воздушной струи, выпускаемой из отопительного агрегата, можно определить по формулам (IX.11) и (IX.15) при ограничении высоты подъема оси струи над местом ее подачи величиной у = 0,15h_п:

(IX.16)

Аналогично получают формулу для начальной скорости движения неполной веерной воздушной струи

(IX.17)

Равномерность температуры воздуха по площади и высоте связана с кратностью воздухообмена в помещении объемом V_п, м³:

к = L_п /Vп, (IX.18)

где: L_п -- воздухообмен в помещении, м³/ч,

С увеличением кратности воздухообмена от 1 до 3 температура воздуха по высоте помещения распределяется равномернее, дальнейшее же увеличение кратности воздухообмена практически не влияет на температуру воздуха в верхней зоне. При соблюдении описанных выше условий в отношении скорости, высоты выпуска и кратности воздухообмена сосредоточенная подача нагретого воздуха вызывает изменение температуры воздуха всего на 0,1--0,15 ⁰С на 1 м высоты, и температура воздуха в верхней зоне высоких цехов отличается от температуры в рабочей зоне не более чем на 3° С.

Наиболее выгодную кратность воздухообмена в помещении по наименьшему расходу электроэнергии в отопительных агрегатах находят при компактной воздушной струе по формуле:

(IX.I9)

где: l- длина, обслуживаемой агрегатом ячейки помещения, м; v_обр-максимальная скорость обратного потока, м/с.

Если кратность воздухообмена выбрана по формуле (IХ.19), то температуру нагретого воздуха t_г, °С, подаваемого отопительными агрегатами, вычисляют по преобразованной формуле (IХ.2):

(IX.20)

где: _l -- см, формулу (I.Х.6),

Эта температура не должна превышать температуры горячего воздуха, предельно допустимой для компактной воздушной струи при заданной циркуляции воздуха в помещении, определяемой по формуле

(IX.21)

Пример I.Х.З. Требуется рассчитать систему воздушного отопления агрегатами с сосредоточенном подачей воздуха в цехе длиной 70, шириной 50 и высотой 10 м, тепловой мощностью 764 кВт (657 тыс. ккал/ч) при t_В = 15 °С и v_норм= 0,4 м/с.

Принимаем подачу воздуха шестью отопительными агрегатами с параллельным направлением компактных воздушных струй по схеме, изображенной на рис. I.Х.2, а. Тогда тепловая мощность одного агрегата должна составить [см. формулу (IX.6)];

Q₁ =(1,25 •764) 6= 159 кВт(137 тыс. ккал/ч).

Выбираем шесть подвесных отопительных агрегатов типа АПВ-140, рассчитанных на подачу по 13 900 м³/ч воздуха со скоростью v₀=6,1 м/с (F₀ = 0, 63 м²) при избыточной температуре ?t₀ = 34,8° С.

Проверяем принятую длину зоны обслуживания агрегатом (l = 25 м) при ее ширине b = 70 3 = 23 м. Длина должна быть не более 0,7 m=0,7 • 4.5 = 48 м, что выполняется.

Определяем кратность воздухообмена в цехе по формуле (IX.18)

k =(13 900 6): (70 •50 • 10) =2, 4.

Кратность воздухообмена близка к наиболее выгодной, вычисляемом по формуле (IХ.19):

k' =300 •0, 4 ² 25 ? 2.

Находим максимальную скорость движения воздуха в рабочей зоне по формуле (IX.I3) при k = 1,34 - (0,04 •3) = 1,22;

v_обр=м/с,

что соответствует заданной нормативной скорости.

Определяем максимальное повышение температуры обратного потока в рабочей зоне по формуле (IX.14)

?t_обр=⁰C,

что допустимо (< 6 °С).

Высота установки агрегатов в цехе по формуле (IX.10)

h=2+0.3=6.5 м.

Начальную скорость компактной воздушной струи для получения необходимой ее траектории получаем по формуле (IX. 16)

м/с (6,1 м/с)

В связи с тем, что наклонную подачу нагретого воздуха применить нельзя, так как при этом скорость движения воздуха в рабочей зоне v_р.з = 0,146,10,63 = 0,68 м/с [ по формуле (IХ.8)] превысит нормативную (0,4 м/с), принимаем установку агрегатов на высоте 4,4 м, рекомендуемом для данного типа агрегатов.

Рис. IX.4. Принципиальная схема автоматизации воздушного отопительного агрегата.

1 -- калорифер: 2 -- вентилятор;

3 -- электродвигатель; 4 -- магнитный пускатель;

5 -- промежуточное реле; 6 -- датчик температуры;

7 -- исполнительный механизм; 8 -- регулирующий орган.

Управление воздушным отоплением крупных помещений автоматизируется. Принципиальная схема автоматизации работы отопительного агрегата дана на рис. IХ.4. Для регулирования применяют датчики двухпозиционного действия, что обеспечивает точность поддержания температуры воздуха в помещениях ± 1,5° С.

РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛИ

Рециркуляционный воздухонагреватель по способу отопления помещения, связанному с интенсивной циркуляцией воздуха при сосредоточенном его нагревании водой, считают прибором местного водовоздушного отопления.

Рециркуляционные воздухонагреватели по тепловой мощности занимают промежуточное место между обычными отопительными приборами водяного и парового отопления и отопительными агрегатами воздушного отопления: мощность составляет от 5 до 20--25 кВт (до 20-103 ккал/ч). Применяют их в жилых, общественных, вспомогательных и небольших промышленных зданиях (рис. IX.5) для отопления лестничных клеток многоэтажных зданий, для отопления отдельных помещений, не имеющих постоянных рабочих месту наружных ограждений и периодически используемых.

В лестничной клетке, отапливаемой рециркуляционным воздухонагревателем, размещаемым близ наружной входной двери (рис. IX.5, а), обеспечивается более ровная температура воздуха, чем при водяном отоплении несколькими отопительными приборами.

В общественных и вспомогательных помещениях (вестибюлях, холлах, торговых залах, складах и т. п.), имеющих значительную площадь при ограниченной высоте и сообщающихся с наружным воздухом, рециркуляционные воздухонагреватели устанавливают при входах (рис. IX.5, б).

Рециркуляционные воздухонагреватели применяют также для дежурного отопления периодически используемых помещений, окруженных по периметру постоянно отапли-ваемой частью здания и охлаждающихся в основном через покрытие (рис. IX.5, б). К таким помещениям относятся зрительные залы театров, концертные и другие залы, а также цехи.



Рис. IХ.5.Схемы установки рециркуляционных воздухонагревателей для отоплении лестничной клетки многоэтажного здания (а), низкого помещения (б) и высокого помещения (в) 1- воздухонагреватель; 2 -- обогреваемое помещение

Рециркуляционный воздухонагреватель состоит из двух элементов -- нагревателя и канала (рис. IX.б). Нагреватель делают из стандартных отопительных приборов -- ребристых труб, радиаторов или калориферов. Ребристые трубы и радиаторы используют для нагревателей меньшей мощности (до 8 кВт), калориферы -- для получения более мощных нагревателей. При равной площади, занимаемой в помещении, тепловая мощность рециркуляционных нагревателей с калориферами в 6--6,5 раз больше их тепловой мощности с нагревателями из ребристых труб и радиаторов. Калориферы выбирают пластинчатого типа для уменьшения аэродинамического сопротивления и многоходовые для увеличения скорости движения теплоносителя.

Рис.IХ.6. Рециркуляционный воздухонагреватель со встроенным каналом (а)

1 - нагреватель: 2 -- канал нагретого воздуха;

Рис.IХ.7. Последовательная (а) я параллельная (б) схемы присоединения воздухонагревателя к теплопроводам

1 - воздухонагреватель; 2 -- задвижка на обводной трубе (нормально закрыта); 3 -подающая магистраль основной системы отопления; 4 -- регулятор расхода воды.

Канал высотой 1,5--И м делают встроенным во внутреннюю стену (рис. IX.б, а) или приставным из строительных материалов (рис. Х.б, б) и металлическим (рис. IX.б, в).

Рециркуляционные воздухонагреватели при эксплуатации отличаются количественным саморегулированием, характерным для гравитационных систем водяного отопления. При изменении температуры греющей воды изменяются температура и количество циркулирующего воздуха, причем по мере похолодания усиливается теплопередача и возрастает кратность циркуляции воздуха в помещении. Это способствует улучшению прогревания помещения при низкой температуре наружного воздуха. Следует иметь в виду, что при отоплении рециркуляционными воздухонагревателями возможны (если не проведены необходимые расчеты) перегревание верхней зоны с возрастанием теплопотери через покрытие и недогревание рабочей зоны помещений.

Нагреватели присоединяют к теплопроводам систем отопления по двум различным схемам (рис. IХ.7). Первая из схем представляет собой последовательное соединение (предвключение) «воздухонагревателя о основной системой отопления (рис.IХ.7, а).

Все количество высокотемпературной воды, необходимое для основной системы отопления, предварительно пропускают через воздухонагреватель (задвижка 2 закрыта). Включение воздухонагревателя перед основной системой отопления позволяет при максимальном увеличении температурного напора и скорости движения воды сокращать его площадь. Схему используют для присоединения постоянно действующего нерегулируемого воздухонагревателя.

Температура воды, выходящей из предвключенного нагревателя:

(IX.22)

где: Q_p.в - тепловая мощность рециркуляционного воздухонагревателя G₁ - расход, кг/ч, высокотемпературной воды на вводе в здание и в воздухонагреватель, определяемый по формуле

(IX.23)

где: Q_с -тепловая мощность основной системы отопления.

По второй схеме автоматически управляемый воздухонагреватель соединяют с основной системой отопления параллельно (рис. IХ.7,б). Регулирование и полное выключение воздухонагревателя при этом не отражаются на действии основной системы отопления, по площадь нагревателя возрастает из-за уменьшения температурного напора и скорости движения воды.

Расчет рециркуляционного воздухонагревателя заключается в выборе размеров канала и площади нагревателя, достаточных для передачи необходимого количества теплоты и создания усиленной циркуляции воздуха в помещении (не менее однократной).

Зная тепловую нагрузку, расход и температуру греющей воды и задаваясь размерами канала, можно найти температуру и скорость движения нагретого воздуха в канале.

Температура t_г, ⁰С, нагретого воздуха в канале глубиной b_к при расчетной высоте h (см. рис.IХ.6, б), определяется по формуле

(IX.24)

а скорость v_г, м/с, движения нагретого воздуха -- по формуле

(IX.25)

где: q₁ - тепловая мощность, Вт, приходящаяся на единицу длины нагревателя;

- коэффициент объемного расширения воздуха (1/273);

-- сумма коэффициентов местных сопротивлений в рециркуляционной воздухонагревателе по пути движения воздуха.

В процессе выбора площади теплоотдающей поверхности воздухонагревателя проводят аэродинамический расчет для уточнения расхода циркулирующего воздуха. Аэродинамический расчет основывается па равенстве естественного циркуляционного давления, возникающего при нагревании воздуха, аэродинамическому сопротивлению рециркуляционного нагревателя;

?р_е=?р_р.в (IХ.26)

Естественное циркуляционное давление, создающее циркуляцию воздуха:



?р_е = gh (_в - _г) (IX.27)

или

(IX.28)

При этом считается, что в интервале температуры от 15 до 70 °С плотность воздуха уменьшается в среднем на 0,0036 кг/м³ при увеличении температуры на 1 ⁰С.

Аэродинамическое сопротивление рециркуляционного воздухонагревателя слагается из сопротивления канала и, нагревателя:

?р_р.в=?р_к + ?р_н (IХ.29)

Пренебрегая весьма малым сопротивлением, возникающим при трении о стенки канала воздуха, движущегося с низкой массовой скоростью [=11.5 кг/(см²)], сопротивление канала находят по формуле

(IX.30)

Сопротивление нагревателя описывается экспериментальной зависимостью

(IX.31)

где: m и р - эмпирические коэффициенты.

При использовании в качестве нагревателя, например, чугунного радиатора

(IX.31a)

По приведенным уравнениям можно определить расход рециркуляционного воздуха G_от, предназначенного для отопления помещения. Можно также найти высоту канала h, если задаться температурой горячего воздуха и этим самым предопределить его расход.

Пример IX.4. Требуется рассчитать предвключенный рециркуляционные воздухонагреватель для поддержания в помещении объемом 630 м³ температуры t_B = 18 ⁰С, если тепловые мощности нагревателя 15 кВт (12,910³ ккал/ч), основной системы отопления 225 кВт (19310³ ккал/ч), температура теплоносителя воды t₁=150⁰С, t₂ = 70⁰С.

Расход греющей коды в воздухонагревателе по формуле (IХ.23)

кг /ч.

Температура воды, выходящий из воздухонагревателя, по формуле (IХ.22)

⁰С.

Задаемся температурой горячего воздуха t_г = 65 °С и массовой скоростью воздуха в канале = 1,5 кг/(см²). Тогда количество воздуха для отопления помещения по формуле (IX.1)

Кратность воздухообмена в помещении при этом

т. е. является приемлемой для воздушного отопления.

Площадь поперечного сечения канала и живого сечения воздухонагревателя

Выбираем многоходовой пластинчатый калорифер типа KMС-5 длиной 710 мм, имеющий площадь живого сечения по воздуху F_н = 0,244 м³. Тогда глубина вертикального канала при его ширине 710 мм, равной длине нагревателя будет равна:

Если сумма коэффициентов местных сопротивлений при входе и выходе воздуха из канала (с поворотом потока) _к = 0,6+1,3 = 1,9, то сопротивление канала по формуле (IХ.30) при _ср = 1,13 кг/м³:

Па (0,19 кгс/м²)

Сопротивление воздухонагревателя по формуле (IX.31), выбранной для пластинчатого калорифера типа KMC:

Па (0,19 кгс/м²),

где: = 1150 (36000,244 =1,3 кг/(с.м²).

Расчетную высоту канала (вертикальное расстояние между серединами калорифера и

воздуховыпускного отверстия) определяем из формулы (IХ.28) при

(0,38 кгс/м²)

Температуру горячего воздуха проверяем по формуле (IХ.24) при глубине канала b_к = 0,3 м и расчетной высоте i = 2,3 м, учитывая, что тепловая мощность нагревателя приходится на 0.71 м его длины

⁰С

Температура получилась достаточно близкой к первоначально принятому

влечению t_г - 65°С. При расчете принята сумма коэффициентов местных сопротивлений рециркуляционного воздухонагревателя

Скорость движения горячего воздуха в канале по формуле (IX.25)

что почти соответствует предварительно выбранной скорости. Наконец, можно убедиться, что калорифер КМС-5 имеет достаточную для нагревания воздуха площадь (20,9 м²).

Пример IX.5. Требуется рассчитать предвключенные рециркуляционные воздухонагреватели для отопления четырех лестничных клеток 5-этажного жилого здания, если теплопотери здания, включая лестничные клетки, составляют 200 кВт (172 000 ккал/ч), отдельно одной лестничной клетки 6,5 кВт (5590 ккал/ч) температура воды t₁ = 150 ⁰С, t₂ = 70 ⁰С, t_в = 16 ⁰С. Высота канала воздухонагревателя 1,5 м.

Расход высокотемпературной воды на вводе в здание по формуле (IX. 23)

Выбираем попарно последовательное соединение теплопроводов воздухонагревателей по схеме, приведенной па рис. X. 8. Тогда температура воды, выходящей из воздухонагревателей 2 и 3, но формуле (IХ.22)

⁰С

температура воды, выходящей из воздухонагревателей 1 и 4:

t''₁ = 150 - 5,2 2 = 139,6° С.

Принимаем в качестве нагревателей круглые ребристые трубы, имеющие наружный диаметр 175 мм, диаметр канала для теплоносителя 70 мм. Скорость движения воды в канале ребристых труб

Расчет проведем для воздухонагревателей 1 и 4 при пониженной температуре греющей воды. Задаваясь скоростью движения воздуха в живом сечении ребристой трубы v=1м/с, определим коэффициент теплопередачи [31] k=10,7 Вт/(м²·К), вычисляем необходимую площадь нагревательной поверхности ребристых труб:

где: t_ср находим при t_ср.вз = 0,5 (144,8 + 139,6) = 142,2 ⁰С и t_ср.вз =0,5· (50 + 16) =33 ⁰С, принимая температуру горячего воздуха t_г =50 ⁰С.

Выбираем две ребристые трубы длиной 1,5 м для установки в два яруса общей площадью 6 м². Получаем площадь живого сечения нагревателя по воздуху F_Н =0,15м², воздушного канала F_K = 0,18·1,83 = 0,33м² (ширина канала b_к = 0,175+0,005 = 0,18м, длина 1,83м с учетом калача).

На основании равенства (Х.26) напишем, используя выражения (Х.28) и (Х.30), уравнение для определения расхода циркулирующего воздуха в воздухонагревателе с ребристыми трубами:

(IX.32)

где: _н -- коэффициент местного сопротивления нагревателя, определяемый для ребристых труб в зависимости от числа ярусов n по эмпирической формуле

(IX.33)

Подставляя в уравнение (IХ.32) значения _к=1+1,3=2,3 и _р.т= 2,3 ·2 -1,5=3,1, а также другие известные величины, найдем G_от= 613 кг/ч. Воздухообмен в лестничной клетке при этом получается близким к двукратному.

Действительные значения скорости движения воздуха в живом сечении ребристой трубы

и температуры горячего воздуха по формуле (IХ.2)

Фактическая тепловая мощность воздухонагревателей 1 и 4 при уточненном значении коэффициента теплопередачи k = 10,6 Вт/(м² К)

Q_р.в = 10,6· 6 [142,2 - 0,5 (16 + 54)]=6818 Вт (5862 ккал/ч),

т, е. больше заданной на 5%. Для воздухонагревателей 2 и 3 запас тепловой мощности составит 10%.



ЦЕНТРАЛЬНОЕ ВОЗДУШНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Центральное воздушное отопление применяют в помещениях производственных, гражданских и сельскохозяйственных зданий, при наличии центральной системы приточной вентиляции и осуществляют по трем основным схемам: с полной рециркуляцией (рис.IХ.8, а), с частичной - рециркуляцией (рис.IХ.8, б) и прямоточной (рис. IХ.8, в). Для уменьшения расход теплоты в прямоточной схеме при сохранении ее основного преимущества -- полноценной вентиляции помещений -- используют рекуперативную схему (рис.IХ.8, г) с дополнительным воздухо -воздушным теплообменником для некоторого нагревания наружного воздуха воздухом, удаляемым из помещений.

Рис.IХ.8. Принципиальные схемы систем центрального вентиля-циионное отопления.

а - полностью рециркуляционная;

б- частично рециркуляционная;

в - прямоточная; г- рекуперативная;

1 - калорифер; 2 - канал горячего воздуха; 3 - канал внутреннего воздуха; 4 - канал наружного воздуха; 5 - воздухо - воздушный теплообменник.

Полную рециркуляцию воздуха используют для дежурного отопления в нерабочее время, если это не противоречит требованиям гигиены, пожаро и взрывобезопасности помещении; при этом воздух забирают из отапливаемого помещения.

В рабочее время центральное воздушное отопление подчиняют условиям вентилирования помещений. Приточный воздух нагревают до температуры, более высокой, чем температура помещения, в зависимости от недостатка теплоты, выявленного при сведении теплового баланса.

Места подачи нагретого воздуха и типы воздухораспределителей в помещении обычно выбирают по условиям вентиляции. Однако возможно изменение места подачи воздуха по условиям отопления.

Если воздух подается сосредоточенно в среднюю зону по высоте помещения, то получающиеся компактные и неполные веерные воздушные струи рассчитывают так же, как и при воздушном отоплении местными отопительными агрегатами. Такой способ распределения нагретого приточного воздуха распространен в производственных, вспомогательных и коммунальных (гаражи, прачечные) зданиях.

В помещениях гражданских зданий, сравнительно низких, чаще встречается подача воздуха вдоль ограждений, при которой получаются настильные струи. При выпуске в таких условиях нагретого воздуха из щелевидного отверстии образуется плоская струя, настилающаяся на поверхность наружного ограждения - стены, потолка или стекла светового проема (струя настилается, например, на потолок при выпуске воздуха па расстоянии от пола h>0.85h_н).

При подаче воздуха из открытого щелевидного отверстия или из отверстия с параллельными направляющими лопатками геометрическая характеристика Н, м, плоской настильной струи (t_в = 20° С) имеет вид:

(IX.34)

Расчет плоской настильной струи заключается в определении начальной скорости движения и температуры воздуха в струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска. Для расстояния х ? 6l₀ (l₀ - длина отверстия щелевого воздухораспределителя) начальную скорость и плоской струи (m = 2,62) вычисляют по формуле:

(IX.35)

где v_x- максимальная скорость движения воздуха в расчетной точке помещения, м/с; k_с - поправочный коэффициент, учитывающий стеснение струи, зависящий от соотношения между расчетным расстоянием x и высотой помещения h_п; k_с = 1, при х <h_п ;k_c< 1

при х h_п .

Объем воздуха L_l, м³/с, подаваемого из отверстия длиной 1 м щелевого воздухораспределителя, при известных ширине щели b₀ и начальной скорости v_0:

L_l= b₀v₀ (IX.36)

Длина одного воздухораспределителя l₀ и число воздухораспределителей в помещении определяются объемом подаваемого нагретого воздуха L_OT и необходимостью выполнения условия х ?6l₀. В помещении возможно ограничение скорости выпуска воздуха из приточного отверстия по акустическим условиям; тогда ширина и длина щели могут увеличиться.

Максимальную температуру воздуха t_x, °С, в плоской настильной струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска рассчитывают по формуле

вентиляционное отопление воздуховод рециркуляционный

t_x=t_в +2,8? t₀ (b₀ / х)^0,5 (IХ.37)

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНОГО ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ОТОПЛЕНИЯ

В системах центрального воздушного отопления используют основные конструктивные элементы систем приточной вентиляции: фильтры, калориферы, вентиляторы, воздуховоды и пр. В воздуховодах в отличие от систем приточной вентиляции перемещается воздух меньшей плотности, чем плотность окружающего воздуха. Этим обусловлена следующие особенности действия систем центрального воздушного отопления: нагретый воздух охлаждается по пути движения и усиливается влияние силы гравитации на движение воздуха, в результате чего снижается устойчивость отопления.

В системах центрального воздушного отопления ограниченной длины и высоты эти два фактора обычно во внимание не принимают. В разветвленных протяженных системах воздушного отопления крупных зданий (особенно многоэтажных) следует учитывать как охлаждение воздуха в воздуховодах, так и влияние естественного, циркуляционного давления на расход воздуха. Для учета охлаждения воздуха выполняют тепловой расчет воздуховодов и уточняют начальную температуру и расход воздуха.

Для ограничения отклонения расхода воздуха от расчетного с целью повышения аэродинамической устойчивости системы отопления увеличивают аэродинамическое сопротивление концевых ответвлений воздуховодов путем уменьшения диаметра ответвлений, установки на них диафрагм, а также увеличения сопротивления воздухораспределительных клапанов. Так согласно шведским данным, при аэродинамическом сопротивлении клапана 20 Па (2 кгс/м²) повышение или понижение температуры наружного воздуха на 20 ⁰С (от 0°С) изменяет на 40% пропускную способность клапана в 10-этажном здании с естественной вентиляцией. Для того чтобы уменьшить это изменение в тех же условиях до 7% применяют клапаны с сопротивлением 157 Па (16 кгс/м²).

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОЗДУХОВОДОВ

Тепловой поток через стенки воздуховода длиной l, м:

Q_охл = q₁ t (IХ.38)

где: q₁-тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м, определяемый по формуле:

q₁=kF₁(t_cp-t_в) = (t_cp-t_в)/ R1 (IX.39)

где: R₁ -сопротивление теплопередаче от нагретого воздуха, имеющего среднюю температуру t_cp через стенки воздуховода длиной 1 м в помещение при температуре t_н.

Тепловой поток через стенки воздуховода при установившемся состоянии равен величине охлаждения потока нагретого воздуха, перемешающегося по воздуховоду:

q₁l = G_от (t_нач-t_г) (IХ.40)

где: G_от - расход воздуха для отопления помещения, кг/ч; t_нач - температура горячего воздуха в начале воздуховода; t_г - температура воздуха, выпускаемого в помещение.

Уравнение (IХ.40) позволяет установить начальную температуру воздуха в воздуховоде по заданной конечной или, наоборот, уточнить температуру воздуха, выпускаемого в помещение, а при необходимости и расход воздуха.

Из уравнения (IX.2) можно вывести выражение для температуры горячего воздуха в начале воздуховода

(IX.41)

где: - доля Q_охл, поступающая м отапливаемо помещение, причем Q_охл в первом приближении можно определять по формулам (Х.38) и (Х.39) при известной температуре t_г вместо температуры t_ср.

Уточненный расход горячего воздуха в воздуховоде

(IX.42)

Пример IX.6. Найдем начальную температуру воздуха в воздуховоде (R₁=0.23 Км/Вт) длиной 10 м, проложенном вне отапливаемого помещения, в которое для возмещения теплопотерь Q_п = 7 кВт при t_в = 16° С подается но воздуховоду 600 м³/ч нагретого воздуха.

Температура воздуха для отопления помещения по формуле (IX.2):

⁰С.

Ориентировочный тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м по формуле (IX.39) при t_ср = t_г будет равен:

=170 Вт/м [146 ккал/(чм)].

Предварительная температура воздуха в начале воздуховода по формуле (IХ.43) при = 0:

⁰С

Уточненный тепловой поток через стенки воздуховода по формуле (IХ.38) при t_ср = 0,5 (64,5 + 55) ? 60 °С:

Вт (1645 ккал/ч).

Окончательная температура воздуха в начале воздуховода

⁰C.

Таким образом, горячий воздух в воздуховоде длиной 10 м при заданном сопротивлении теплопередаче его стенок охлаждается на 11° C.

Для уменьшения охлаждения теплоносителя -- воздуха, если теряемая теплота не используется для отопления, воздуховод вне обогреваемого помещения нужно покрывать усиленной тепловой изоляцией.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОЗДУХОВОДОВ

В течение отопительного сезона в воздуховодах и в помещениях здания непрерывно колеблется давление под влиянием изменения температуры наружного и горячего воздуха, скорости и направления ветра, индивидуального регулирования воздухообмена. При этом нарушается расчетное распределение горячего воздуха по помещениям и происходит тепловое разрегулирование системы отопления.

Для обеспечения требуемого теплового режима фактическое количество горячего воздуха G_ф, поступающего в каждое помещение, может быть больше, но должно быть достаточно близким к расчетному количеству воздуха G_от. Для этого необходимо ограничить изменение избыточного давления в воздуховодах.

Напишем аэродинамическую зависимость между давлением в воздуховоде и количеством воздуха при его механическом перемещении в виде:

(IX.43)

где: р - избыточное давление в воздуховоде по отношению к давлению в помещении, создаваемое вентилятором для подачи воздуха в количестве G_от; ?р-дополнительное избыточное давление в воздуховоде, возникающее под влиянием перечисленных выше факторов и вызывающее увеличение расхода воздуха до G_ф.

Отношение фактического расхода воздуха G_ф к расчетному Gот является показателем аэродинамического разрегулирования системы центрального воздушного отопления. Обозначив его буквой k_p, решим уравнение (Х.43) относительно избыточного давления, создаваемого вентилятором:

(IX.44)

Показатель разрегулирования k_р=G_ф/G_от в формуле (IХ.44) выражает отклонение фактического расхода воздуха от расчетного под влиянием давления р при определенном давлении вентилятора. Очевидно, что чем ближе будет значение k_p к единице, тем более постоянным станет аэродинамический режим воздуховодов и воздухораспределение; вместе с тем будет уменьшаться отклонение температуры воздуха в помещениях от расчетной. Для выражения показателя разрегулирования k_p через температуру используем формулу (IX.1), записав ее в форме, отвечающей тепловому балансу в помещении при подаче горячего воздуха в количестве G_ф:

(IX.45)

где: k и F - коэффициент теплопередачи и площадь наружного ограждения; ?t_в - повышение температуры воздуха в помещении при увеличении расхода воздуха от G_от до G_ф.

Придав аналогичный вид формуле для вычисления расчетного расхода воздуха G_от, после преобразования получим

(IX.46)

Показатель разрегулирования /г„ может быть распространен на всю систему нейтрального воздушного отопления здания в конкретных климатических условиях, если ограничить повышение температуры воздуха против расчетной в помещениях, заведомо наиболее неблагоприятных в отношении разрегулирования. Это обеспечит воздушно-тепловой режим с меньшим отклонением от расчетного во всех остальных помещениях здания. В системе центрального воздушного отопления многоэтажного здания такими неблагоприятными являются помещения верхнего этажа. Именно в эти помещения под влиянием дополнительного избыточного давления в воздуховодах поступает относительно большее количество горячего воздуха по сравнению с расчетным, чем в другие, ниже расположенные помещения. Дополнительное избыточное давление в воздуховодах определяется главным образом климатическими особенностями местности и высотой здания. Максимальное дополнительное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для помещений верхнего этажа можно считать (с достаточной для данного расчета точностью) равным разности аэростатических давлений снаружи здания и внутри воздуховодов в расчетных условиях:

(IX.47)

Пример Х.7. Определим избыточное давление, которое следует поддерживать вентилятором в вертикальных воздуховодах системы центрального воздушного отопления для подачи воздуха, нагретого до температуры 40° С, и помещения здания высотой 25 м, если при t_н =-15°С допускается увеличение t_в = 20° С в помещениях верхнего этажа на 2° C.

Показатель разрегулирования системы отопления но формуле (IX.46)

Значение kp = 1,175 показывает, что для выполнения заданных условий количество горячего воздуха, поступающего в помещения верхнего этажа здания, не должно увеличиваться более чем на 17,5% расчетного.

Дополнительное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для этих помещений по формуле (IX.47)

p = 9.81 25 (1,368 -1,128) =59 Па (6 кгс/м²).

Избыточное давление в этих воздуховодах, создаваемое вентилятором, определяем по формуле (IX.44)

Па (15,8 кгс/м²).

Следовательно, в заданных условиях требуется создание аэродинамического режима в вертикальных воздуховодах системы воздушного отопления, который характеризуется изменением избыточного давления в этих воздуховодах в течение отопительного сезона в пределах от 155 до 214 Па (от 15,8 до 21,8 кгс/м²).

Поддержание значительного избыточного давления возможно при использовании достаточно плотных воздуховодов (например, из листовой стали), а также воздухораспределительных клапанов повышенного аэродинамического сопротивления с шумоглушителями, что отражается на стоимости системы воздушного отопления. Кроме того, при эксплуатации такой системы возрастает расход электрической энергии для создания повышенного давления в воздуховодах. Поэтому наряду с расчетами аэродинамического и теплового режимов проводят экономические расчеты, учитывающие как положительные, так и отрицательные показатели конкретной системы центрального воздушного отопления.



ЛИТЕРАТУРА

1. Андреевский А.К. Отопление Минск. Вышейшая школа, 1982.

2. Богословский В.И. Тепловой Режим здания М:Строй издат.,1979.

3. Отопление и вентиляция В.Н. Богословсий, В.П.Щеглов, Н.Н.Разумов. М.1980.

4. Пеклов А.А. Кондиционирование воздуха - Киев. Издат «Будивельник» 1987.

5. Сканави А.Н.Конструирование и расчет систем водяного и воздушног отопления зданий. М.Стройиздат, 1983.

6. Шекин Р.В., Березовский В.А., Потапов В.А. Расчет систем центральго отопления. Киев: Вищ. Школа. 1975.

Размещено на Allbest.ru

...