Конструктивный расчет системы теплоснабжения от источника теплоты до жилого здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Северский технологический институт - филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Курсовой проект

по дисциплине Энергоснабжение

«Конструктивный расчет системы теплоснабжения от источника теплоты до жилого здания»

Северск 2014



Содержание

1. Исходные данные

2. Выбор толщины изоляции

3. Расчет энергетического КПД трубопровода

4. Расчет наружных тепловых потерь от квартиры в окружающую среду

5. Гидравлический расчет трубопровода от ТЭЦ до дома

6. Инженерные решения по энергосбережению тепловых потерь

Заключение

Литература



1. Исходные данные

Дано:

					N, МВт		L, м
21,0	550	0,004	17,075	3,1	25		8700

Марка топлива - А;

;

= 100 мм.

2. Выбор толщины изоляции

Внутренний диаметр заданного трубопровода . Наружный диаметр определяется по таблице №1 ГОСТ 8732-78 : . Температура наржного воздуха задана: . Температуру воды, протекающей в трубе, берем условно: . Температура стенки трубы: .

Скорость протекания воды определяется по формуле:

;

где - плотность воды при .

Определяющая температура рассчитывается по формуле:

.

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:



;

где - коэффициент кинематической вязкости при , определяется по таблице 11, стр. 260 , м²/с.

Для определения ламинарного режима рассчитывается произведение числа Грасгофа на число Прандтля:

;

где - температурный коэффициент при , определяется по таблице 11, стр. 260 ,;

- число Прандтля, характеризует теплофизические свойства жидкости, при , определяется по таблице 11, стр. 260 .

Так как , то естественная конвекция оказывает влияние на теплоотдачу; режим течения вязкостно - гравитационный.

При вязкостно - гравитационном режиме течения в горизонтальных трубах для расчета средней теплоотдачи можно воспользоваться следующей формулой:

;

где - определяется по формуле:

;

- определяется по таблице 11, стр. 260 , при ;

- определяется по таблице 11, стр. 260 , при .

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

;

где - определяется по таблице 11, стр. 260 , при

Формула для вычисления среднего коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости имеет вид:

;

где С и n зависят от режима свободного движения и условий обтекания поверхности. Они являются функциями .

Физические свойства жидкости выбираются соответственно при температуре жидкости tж вдали от поверхности теплообмена и температуры стенки tс. При движении вдоль горизонтального цилиндра за определяющий размер принимается его наружный диаметр. Определяющая температура .

При этой температуре для воздуха:

, определяется по таблице 9, стр. 259 ;

, определяется по таблице 9, стр. 259 ;

, определяется по таблице 9, стр. 259 ;

.

Вычисляем значение комплекса:

.

На странице 146 , определяем значения С и n: , .

Определяем число Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

.

Тепловые потери без изоляции определяются по формуле:

.

Потери на длине с 1 км от ТЭЦ:

.

Для изолированного трубопровода потери тепла с 1 м рассчитываются по формуле:

;

;

;

где - коэффициент теплопроводности для минеральной ваты.

;

- условие выполняется, значит, минеральная вата подходит для изоляции трубопровода.

.

3. Расчет энергетического КПД трубопровода

Вся энергия рабочего тела складывается из двух составляющих, одна часть энергии может быть превращена в работу (е).

Исходные данные для расчета берем из контрольной работы №1, а так же используем рисунок №1.

Рисунок 1 Цикл Ренкина в Т-S координатах

;

;

;

.

;

;

;

.

;

;

;

.

.

4. Расчет наружных тепловых потерь от квартиры в окружающую среду

В системах централизованного теплоснабжения теплота расходуется на отопление зданий, нагревание приточного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования, на горячее водоснабжение, а также на технологические процессы промышленных предприятий.

В системах отопления и вентиляции теплота расходуется не непрерывно в течение года, а только при сравнительно низких температурах наружного воздуха. Таких потребителей тепловой энергии принято называть сезонными, а их тепловые нагрузки - сезонными тепловыми нагрузками.

Тепловая энергия в системах горячего водоснабжения и в технологических процессах промышленных предприятий расходуется непрерывно в течение года и мало зависит от температуры наружного воздуха.

Тепловые нагрузки на горячее водоснабжение и технологические нужды считаются круглогодовыми тепловыми нагрузками.

Ориентировочный расчет тепловых потерь от квартиры

Ориентировочный расчет тепловых потерь от квартиры, расположенной по ул. Калинина, д.80. Общая площадь здания принята по таблице 12, стр. 163 : микрорайон №2 (система теплоснабжения закрытая) 3244 м². Габаритные размеры:

Передняя стена - ; Площадь: ;

Расстояние от стенки до двери 84 см;

Ширина двери 83 см;

Высота двери 1,73 м;

Окон 2 шт., с размерами: и ;

Балкон - ;

Толщина стен не превышает 300 мм.

Определим коэффициент теплообмена при свободной конвекции.

;

Принимаем , .

Определяем число Нуссельта по формуле:

;

;

, определяется по таблице 9, стр. 259 ;

.

,

определяется по таблице 9, стр. 259 ;

;

- высота стенки.

Так как , то число Нуссельта определяется по формуле:

.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

;

где - определяется по таблице 9, стр. 259 .

.

;



Для расчета примем:

- толщина щтукатурки, ;

- красный кирпич, ;

- для города Северск;

;

.

По таблице 9, стр. 259 , определяем:

;

;

.

;

.

Так как , то число Нуссельта определяется по формуле:

.

.

.

;

Пересчитываем с учетом :



.

Упрощенный тепловой расчет отопительного прибора

Упрощенный тепловой расчет отопительного прибора (батарея центрального отопления).

Батарея из алюминия. Число секций - 8 и 6. Всего 2 отопительных прибора: . Поверхность: 1 отопительный прибор - ; 2 отопительный прибор - . Выота секции м - это определяющий размер.

;

;

.

Общая площадь:

.

По таблице 9, стр. 259 , при определяем:

;

;

.

;

.



Так как , то число Нуссельта определяется по формуле:

.

.

.

При грубом тепловом расчете, т.е. при отсутствии экспериментальных данных в первом приближении можно допустить, что тепловые потери не превышают 10%, при качественной установке пластиковых окон.

Тепловая нагрузка на отопление

Основная задача отопления заключается в поддержании внутренней температуры помещений на заданном уровне. Для этого необходимо сохранение равновесия между тепловыми потерями здания и теплопритоком. Условие теплового равновесия здания может быть выражено в виде равенства:

,

где - суммарные тепловые потери здания;

- теплопотери теплопередачей через наружные ограждения;

- теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение через неплотности наружных ограждений холодного воздуха;

- подвод теплоты в здание через отопительную систему;

- внутренние тепловыделения.

.

.



Теплопотери через наружние ограждения при отсутсвии проектных данных определяются по укрупненным показателям: общей площади «F» или наружному объему здания «V». Максимальный тепловой поток на отопление жилых и общественных зданий без учета инфильтрации:

;

;

где , - соответственно удельный тепловой поток Вт/м² на отопление 1 м² общей площади, удельная отопительная характеристика, Вт/(м³К), берем 87 Вт/м²;

- общая площадь жилых зданий, м², равна 53,28 м²;

- коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий, при отсутствии данных принимается равным 0,25;

- поправочный коэффициент, учитывающий климатические условия района, равен 1,29 для Томской области;

- наружный объем здания, м³ при длине 7,4; ширине 7,1 и высоте 2,3; равна: 120,8 м²;

- расчетная температура внутреннего воздуха отапливаемых зданий, равна 18⁰С;

- расчетная температура наружного воздуха для отопления, равна -35⁰С.

Средний тепловой поток на отопление для средней за отопительный сезон температуры наружного воздуха:

трубопровод тепловой нагрузка энергосбережение



;

где - средняя температура наружного воздуха за отопительный период равна -8,4⁰С, таблица 3.1 .

Расход теплоты на вентиляцию жилых зданий невелик. Он обычно не превышает 5 - 10% от

Ориентировочно максимальный тепловой поток на вентиляцию общественных зданий определяется по укрупненным показателям: общей площади или наружному объему здания:

;

;

где - коэффициент учитывающий тепловой поток на вентиляцию общественных зданий, принимается 0,6;

- удельная вентиляционная характеристика, принимается 0,82 Вт/(м³К);

- расчетная температура наружного воздуха для вентиляции, принимается -25 ⁰С.

Средний тепловой поток на вентиляцию для средней температуры воздуха за отопительный сезон:

.

Тепловая нагрузка на горячее водоснабжение

Тепловое потребление для целей горячего водоснабжения в течение отопительного периода изменяется сравнительно мало, но отличается большой неравномерностью по часам суток. Летом расход теплоты в системах горячего водоснабжения жилых зданий по сравнению с зимой уменьшается на 30 - 35%. Это объясняется тем, что в летнее время температура воды в холодном водопроводе на 10 - 120С выше, чем в зимний период.

По своему значению во многих жилых районах крупных городов нагрузка на ГВС делается сопоставимой отопительной нагрузке. В ряде районов годовой отпуск теплоты на горячее водоснабжение достигает 40% суммарного отпуска тепла по жилому району.

Средний тепловой поток на горячее водоснабжение (ГВС) определяется по формуле:

;

.

где - расчетное число потребителей горячей воды, в моем случае 2 человека;

- норма расхода воды на ГВС при температуре 55⁰С на одного человека в сутки, проживающего в здании с горячим водоснабжением, принимаемая в зависимости от степени комфортности, 106,4 л (данные взяты из жировки за декабрь 2013 года - 3,192 м³/мес.);

- норма расхода воды на ГВС, потребляемой в общественных зданиях при температуре 55⁰С, принимаемая в размере 25 л/с на 1 чел.;

- удельная теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг);

- температура холодной водопроводной воды в отопительный период, принимается равной 5⁰С;

- укрупненный показатель среднего теплового ппотока на горячее водоснабжение на одного человека, принимаем 270 Вт, по приложению 3 .

Максимальный тепловой поток на ГВС жилых и общественных зданий:

.

Средний тепловой поток на ГВС в неотопительный (летний) период:

.

где , - соответсвенно температура холодной (водопроводной) воды в отопительный период, принимается равной 5⁰С и неотопительный (летний) период, принимается равной 15⁰С;

- коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на горячее водоснабжение в неотопительный период по отношению к отопительному периоду, принимаемый равным 0,8.

Определение расходов сетевой воды у потребителей систем отопления и вентиляции

Расчетный часовой расход сетевой воды (максимальный при расчетной температуре наружного воздуха на отопление) для определения диаметра труб в водяных тепловых сетях при качественном регулировании отпуска теплоты определяется отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Расчетный расход воды на отопление:

.

где - соответственно температура воды в подающем и обратном трубопроводе тепловой сети при расчетной температуре наружного воздуха на отопление .

Расчетный расход воды на вентиляцию:

.

Расход воды на горячее водоснабжение в открытых системах теплоснабжения

В открытых системах теплоснабжения разбор воды на горячее водоснабжение осуществляется в зависимости от температуры воды в сети. При температуре воды в подающем трубопроводе, равной 60⁰С, водозабор ведется только из подающей линии. С повышением температуры воды (t1 > 60⁰C) водозабор осуществляется одновременно из обоих трубопроводов в таком соотношении, чтобы температура воды, поступающей на горячее водоснабжение, была равна 60⁰С. В холодный период отопительного сезона при разбор воды происходит только из обратной магистрали. Температура горячей воды в системах горячего водоснабжения у потребителей для открытых систем должна быть не менее 60⁰С, для закрытых не менее 70⁰С.

Средний расход воды на горячее водоснабжение:

.

Максимальный расход воды на горячее водоснабжение:

.

5. Гидравлический расчет трубопровода от ТЭЦ до дома

Основной задачей гидравлического расчета является определение потерь на участках трубопровода водяной сети и располагаемых напорах на тепловых вводах потребителей. Если напора воды не достаточно, то устанавливают насос.

При проектировании тепловых сетей необходимо выбрать внешний диаметр трубопровода.

Падение давления в трубопроводе может быть представлено как сумма двух слагаемых: линейного падения и падения в местных сопротивлениях:

;

где - падение давления вследствии трения на участках трубопровода, Па;

- падение давления в арматуре (вентилях, задвижках, кранах и т.д.) и других элементах оборудования, (коленах, шайбах, переходах и т.п.).

Суммарные потери давления в трубопроводах на трение и в местных сопротивлениях:

;

где - приведенная длина трубопровода, определяется по формуле:

м;

где - длина участка трубопровода, по заданию 8700 м.

Эквивалентная длина местных сопротивлений определяется по формуле:

;

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

- внутренний диаметр, по заданию 100 мм = 0,1 м;

- коэффициент гидравлического трения, примем равным 10.

Удельные потери давления на трение определяются по формуле:

.

где - суммарный расчетный расход сетевой воды:

;

- средняя плотность теплоносителя на рассчитываемом участке, 1 кг/м³.

Коэффициент гидравлического трения:

.

где - коэффициент эквивалентной шероховатости, 0,5 мм;

Предельное число Рейнольдса определяется по формуле:

.

Скорость воды была определена в 1 разделе: .

Потери напора на участке трубопровода определяются по формуле:

;

где - поправочный коэффициент, применяемый при коэффициенте эквивалентной шероховатости отличном от ;

- длина трубопровода, 8700 м.

Удельные линейные потери напора на трение определяются по формуле:

;

где - внутренний диаметр трубопровода, 100 мм.

Потери напора в местных сопротивлениях определяются по формуле:

.

6. Инженерные решения по энергосбережению тепловых потерь

Любую теплоэнергетическую систему с целью анализа можно условно разбить на три основных участка:

1. участок производства тепловой энергии (котельная);

2. участок транспортировки тепловой энергии потребителю (трубопроводы тепловых сетей);

3. участок потребления тепловой энергии (отапливаемый объект).

Каждый из приведенных участков обладает характерными непроизводительными потерями, снижение которых и является основной функцией энергосбережения. Рассмотрим каждый участок в отдельности.

Котельная.

Алгоритм повышения экономичности работы уже существующего котлоагрегата в общем случае можно представить как последовательность определенных действий (в порядке эффективности):

· Провести комплексное обследование котлоагрегатов, включая газовый анализ продуктов сгорания. Оценить качество работы периферийного оборудования котельной;

· Провести режимную наладку котлов с инвентаризацией вредных выбросов. Разработать режимные карты работы котлоагрегатов на различных нагрузках и мероприятия, которые обеспечат работу котлоагрегатов только в экономичном режиме;

· Произвести чистку наружных и внутренних поверхностей котлоагрегатов;

· Оборудовать котельную рабочими приборами контроля и регулирования, оптимально настроить автоматику котлоагрегатов;

· Восстановить теплоизоляцию котлоагрегата, обнаружив и устранив неконтролируемые источники присосов воздух в топку;

· Проверить и возможно модернизировать систему ХВО котельной;

· Произвести перерасчет сопел горелок под реальную нагрузку;

· Оборудовать котельную эффективным и экономичным насосным оборудованием, надежной трубопроводной запорно-регулирующей арматурой.

Участок транспортировки.

Обычно потери тепловой энергии в теплотрассах не должны превышать 5-7%. Но фактически они могут достигать величины в 25% и выше.

Алгоритм повышения экономичности работы теплотрассы в общем случае также можно представить как последовательность определенных действий:

· Провести комплексное обследование теплотрасс от котельной к объектам теплоснабжения и выявить основные каналы появления в них тепловых потерь;

· Провести гидравлическую наладку теплотрасс с шайбированием потребителей по фактически потребляемой ими тепловой нагрузке;

· Восстановить или усилить теплоизоляцию теплотрассы или при экономической целесообразности переложить существующие трубопроводы использовав для замены предварительно изолированные трубопроводы;

· Для систем ГВС обеспечить циркуляционную схему включения. По возможности оборудовать теплопункты потребителей тепла пластинчатыми теплообменниками для нужд ГВС;

· Заменить низкоэффективные отечественные сетевые насосы на современные импортные с более высоким КПД. При экономической целесообразности (большой мощности электродвигателей насосов) использовать устройства частотного регулирования скорости вращения асинхронных двигателей;

· Произвести замену запорной арматуры на трассе с использованием современных надежных поворотных заслонок, что значительно снизит тепловые потери в нештатных и аварийных ситуациях, а также исключит варианты появления утечек теплоносителя через сальники задвижек.

Участок потребления энергии.

В общем случае алгоритм улучшения энергопотребления в зданиях выглядит так:

· Установить приборы учета тепловой энергии на объектах потребления тепла. Появление картины потребления тепла зданием во времени даст возможность провести анализ сложившейся ситуации и выбрать наиболее эффективный способ использования тепловой энергии;

· Настроить гидравлику внутренней системы отопления с помощью шайбирования или балансировочных клапанов, циркуляционных насосов внутреннего контура. При необходимости - внести изменение в схему подключения отопительных приборов, а возможно - использовать более экономичные радиаторы;

· Установить автоматическую систему регулирования тепловой нагрузки здания по погодным условиям. Использование "погодного" регулирования способно до 30% снизить потребление тепла зданием при одновременном повышении комфортности в его помещениях;

· По возможности оборудовать отопительные приборы радиаторными регуляторами температуры в помещениях, что дает возможность снижения тепловой нагрузки здания до 20%;

· Провести ревизию существующих бойлеров ГВС и при необходимости - заменить их на высокоэффективные пластинчатые теплообменники;

· Обеспечить надежную работу рециркуляции ГВС внутри объекта, что позволит сэкономить до 25% тепловой энергии, затрачиваемой на нагрев воды;

· Обеспечить эффективную работу регуляторов температуры на бойлерах ГВС. Работоспособный регулятор температуры на бойлере экономит порядка 15% тепла, идущего на нужды ГВС;

· Оборудовать теплопункты надежной и современной запорно-регулирующей арматурой;

· В случае необходимости провести комплекс работ по утеплению здания.



Заключение

1. В результате расчетов определили толщину изоляции трубопровода равную , изоляция выполнена из минеральной ваты;

2. Нашли энергетический КПД трубопровода;

3. Произвели ориентировочный расчет тепловых потерь, упрощенный тепловой расчет отопительного прибора. Определили тепловую нагрузку на отопление; суммарные тепловые потери здания: . Рассчитали максимальный тепловой поток на ГВС: . Рассчитали расход воды на отопление ; на вентиляцию ; максимальный расход воды на ГВС: ;

4. Произвели гидравлический расчет трубопровода;

5. Привели инженерные решения по энергосбережению для трех участков теплоэнергетической системы.



Литература

1. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975. 200 с.

2. ГОСТ 8732-78 Трубы стальные бесшовные.

3. Захаревич А.В. Практикум по гидравлике и теплотехнике в теплоэнергетике: учебное пособие; Томский политехнический университет - Томск: Из-во Томского политехнического университете, 2011. - 180 с.

4. Тепловая защита жилых и общественных зданий. Нормативы по теплозащите. TCH 23-316-2000 Томской области. Ссылка:

5. СНиП 2.04.07-86* Строительные нормы и правила тепловые сети

Размещено на Allbest.ru

...