Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова

Кафедра литейного производства и материаловеденья

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по дисциплине: «Основы инженерного творчества»

на тему: «Система отопления»

Магнитогорск, 2013

ЗАДАНИЕ

Найти решение по АРИЗ-85 задачи разработать систему отопления

ВВЕДЕНИЕ

Курсовое проектирование закрепляет, углубляет и обобщает знания, полученные во время лекционных или практических занятий, учит пользоваться справочной литературой, ГОСТами, таблицами, номограммами, нормами, умело, сочетая справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса.

Отопление -- искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровнетемпературы, отвечающей условиям теплового комфорта и/или требованиям технологического процесса.^[1] Под отоплением понимают также устройства и системы, выполняющие эту функцию.

Характеристики отопления

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым

Конвективное отопление

Вид отопления, при котором тепло передается благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии

Лучистое отопление

Вид отопления, когда тепло передается в основном излучением, и в меньшей степени - конвекция. Приборы для отопления размещаются непосредственно под или над обогреваемой зоной (вмонтированы в пол или потолок, также могут крепиться на стены или под потолком).

Система отопления -- это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

· теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) - элемент для получения теплоты;

· теплопроводы - элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

· отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость - антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.

Современные системы отопления имеют принципиально иной подход к регулированию в сравнении с «классическими» -- это не процесс наладки перед пуском, с последующей работой в постоянном гидравлическом режиме -- это системы с постоянно изменяющимся тепловым и гидравлическим режимами в процессе эксплуатации, что соответственно требует автоматизации систем для отслеживания этих изменений и реагирования на них. отопление система отливка конфигурация

К примеру, изменение теплового режима зависит от способности терморегулятора изменять расход тепловой энергии на нагревательные приборы в системе отопления путем изменения гидравлического режима, что вызывает цепную реакцию других систем (либо терморегуляторов, что может вызвать как разрегулировку системы, так и выход из строя циркуляционного насоса, либо перегрузку системы электроснабжения).

Также, изменилась классификация систем отопления. Во всяком случае, представляется логичным введение новых признаков систем, отличающих системы с терморегулирующим оборудованием от классических.

Системы отопления можно разделить:

· По типу источника нагрева -- газовые, геотермальные, дровяные, мазутные, солнечные, угольные, торфяные, пеллетные,электрические (кабельная) и пр..
См. Отопительный котёл

· По типу теплоносителя -- водяные (жидкостные), воздушные, паровые, комбинированные;

· По типу применяемых приборов -- лучистые, конвективно-лучистые,конвективные;

· По виду циркуляции теплоносителя -- с естественной и искусственной (механической, с использованием насосов);

А также:

· По радиусу действия -- местные и центральные;

· По режиму работы -- постоянно работающие на протяжении отопительного периода и периодические (в том числе и аккумуляционные) системы отопления.

· По гидравлическим режимам -- с постоянным и изменяемым режимом;

· По ходу движения теплоносителя в магистральных трубопроводах -- тупиковые и попутные;

для водяного отопления:

· По способу разводки -- с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной;

· По способу присоединения приборов -- однотрубные, двухтрубные;

Прим.: все эти признаки системы, в реальности, как правило, смешиваются -- например, водяная система с нижней разводкой, тупиковая, с изменяемой гидравликой, с нагревательными приборами -- конвекторами, электрическая -- прямого действия и воздушная или водяная системы отопления.

История и эволюция систем отопления

Воздушное отопление

Древнеримский гипокауст

Воздушное -- означает, что нагрев теплоносителя (воздуха) осуществляется с помощьюогня.

Первой огневоздушной, да и вовсе -- первой отопительной установкой считается костёр, разведённый внутри жилища.

В Древнем Риме в I веке до н. э. уже существовало развитое отопительное устройствогипокауст, где воздух в помещении получал теплоту от полов, которые нагревались печными дымовыми газами, проходящими в подпольных полостях. Такая система позволяла получать «чистую» теплоту, без контакта человека с продуктами сгорания. Кроме этого, каменный пол, обладая большой тепловой инерцией, долго ещё после потухания огня отдавал теплоту помещению. Гипокауст описывается Марком ВитрувиемПоллионом в трактате «Об архитектуре». Схожая система, ондоль, появившаяся предположительно в I в. до н. э. -- VII в. н. э., используется до сих пор в Корее. Аналогичная система обогреваемого пола известна и в северных районах Китая, где она известна как "дикан" (буквально, пол-кан. Впрочем, более распространённый тип китайского кана обогревал лишь широкую лежанку, где люди спали, сидели, сушили вещи и т.д.

Площадка системы ондоль (реконструкция), Южная Корея

Также ещё в Древнем Риме принял свой современный облик камин. Термин и происходит от латинскогоcaminus -- открытый очаг. Он устанавливался в центре помещения и максимально окружался теплоаккумулирующими материалами -- каменный портал, каменный дымоход, каменная противоложная стена. Таким образом удавалось избежать перегрева во время топки (камень «впитывал» теплоту) и резкого охлаждения после потухания огня (теперь камень «отдавал» тепло). Камин также осуществлял вентиляцию, создавая тягу в дымоходе.

А в средней Европе, судя по археологическим раскопкам, и в IX веке жилища отапливались печами-каменками и курными печами. Печь-каменка представляла собой очаг, сложенный из булыжников и валунов, курная печь -- вырытую в земле яму с глиняным сводом. Это было уже большим шагом после костра -- такая печь аккумулировала теплоту и продолжала отдавать её долгое время после прогорания топлива, что позволяло тратить меньше дров и сил. Но всё равно эти печи ещё топились «по чёрному» -- продукты сгорания выходили сперва прямо в жилище и уже после в атмосферу через специальное отверстие в потолке, а то и вовсе через дверь. В XV веке существовали печи сдымоходными трубами, тогда деревянными -- «дымницами».

К этому времени в Европе система гипокауста была практически утрачена (за исключением Испании, где изменённая версия, называемая «глорией», существовала до начала XX века), а потому появление огневоздушной системы, называемой «русской системой», произвело небольшую революцию. Устройство отопления было такое: холодный воздух через воздухозаборнуюшахту подводился к установленной на первом или цокольном этаже печи, где, касаясь её раскалённой поверхности, нагревался, а после по горизонтальным и вертикальным кирпичным воздухораспределяющим каналам подводился в обогреваемые помещения. Оттуда через вытяжные каналы отдавший теплоту воздух выводился обратно в атмосферу. Циркуляция воздуха была естественной, за счёт разности плотностей горячего и холодного.

Такая система не только обеспечивала жильё «чистой» теплотой, но и осуществляла вентиляцию. «Русской системой» была оборудована, к примеру, Грановитая палата в Кремле^[5].

Печи в XV--XVIII веках были глиняные, кирпичные или даже изразцовые, что было большой роскошью -- изразцовую печь можно было встретить только в богато украшенных дворцовых помещениях и изредка у зажиточных горожан. Также на Тульском заводе выпускались чугунные и стальные нетеплоёмкие печи. В 1709 году по указу Петра первого были созданы первые десять «шведских» печей с более дешёвыми изразцами (синяя роспись по гладкому белому основанию). «Шведская» печь популярна и до сих пор, бывает различных конструкций -- К. Я. Буслаева, Г. Резника, В. А. Потапова, Жирнова, но по сути представляет собой печь с оснащённой вытяжкой варочной камерой в «теле» печи и «кухонной плитой» на ней. В 1736 году в Петербурге были широко распространены «дровосберегающие» печи, оснащённые горизонтальным змеевиком дымохода, в 1742 её уже успешно вытесняла печь с «колодцами» -- вертикальным змеевиком.

Российский инженер и архитектор Н. А. Львов в 1795 году издал первую оригинальную русскую работу по отоплению, свою книгу «Русская пиростатика». В издании Львов с резкой критикой отозвался о модном увлечении иностранными фигурными печами, которые были крайне неэффективны, а также представил изобретённые им усовершенствования отопительных установок, а также основы конструирования и расчёты систем огневоздушного отопления.

Схема «русской» системы отопления

В это время всё больше распространялись многоэтажные здания, поэтому появляется тенденция к централизованному отоплению. Тут и пригодится «русская система», выполняемая раньше в основном для двухэтажных зданий. Тогда же в 1799 году Николай Львов опубликовал свою вторую книгу «Русская пиростатика, или употребление испытанных ъкаминовъ и печей», где есть раздел «О духовыхъ печахъ верхнiя или соседственные комнаты нагревающiхъ». Там он предложил конструкцию наподобиекалорифера, но малоэффективную.

В 1821 году в Вене была издана книга немецкого профессора Мейснера «Руководство к отоплению зданий гретым воздухом» -- также сделавшая значительный вклад в развитие огневоздушного отопления^[6].

В 20-х годах XIX в. быстро приобрели и потеряли популярность т. н. печи Уттермарка. Оригинальная печь Ивана^[7] Уттермарка была круглой и выкладывалась очень плотно особым кирпичом, сделанным по лекалам. Также имела в своей конструкции изогнутые медные трубы с коленами, проходя через которые, нагревался комнатный воздух^[8]. То есть, набор деталей был не из общедоступных. Поэтому только упрощённый вариант, где печь была из обычного кирпича и снабжалась металлической «рубашкой», и получил популярность, которая быстро схлынула из-за плохих санитарно-гигиенических характеристик (при контакте с раскалённой печью воздушная пыль пригорала, издавая неприятный запах)^[9].

И тут Николай Аммосов, обобщив идеи Львова и Мейснера, представил в 1835 году первый в мире эффективный калорифер -- свою систему «пневматического» отопления, позже и названную «аммосовской печью». Работала система вполне аналогично «русской» -- нагретый печью воздух под действием разности плотностей поднимался по «жаровым» металлическим каналам в парадные залы и жилые комнаты. Представление печи было не простое -- её впервые установили в помещениях Императорской Академии художеств, где система хорошо себя показала. В 1838 году, после трёхдневного пожара вЗимнем дворце, печное отопление заменили на аммосовскиепневмопечи^[10]. К 1841 году «аммосовские печи» были установлены в зданиях Эрмитажа, Придворном Манеже -- в общей сложности в 100 крупных зданий в Петербурге и других крупных городах России, насчитывалось в общей сложности свыше 420 «больших и малых пневматических печей».

И только теперь стали заметны существенные недостатки. То, что система издавала низкий гул при топке, пересушивала воздух, потрескивала во время грозы, было заметно сразу и терпимо (впрочем, именно поэтому Александр II в 1860-х добавил ей «в помощь» локальные системы водяного отопления^[10], но главный недостаток заключался в раскалённых «жаровых» воздуховодах, которые перегревали оказавшиеся рядом стены, уничтожая драгоценные росписи, а пыль на них пригорала, издавая неприятный запах, или, хуже, взлетала и покрывала понемногу сажей стены, картины -- словом, весь интерьер^[11].

Сам Аммосов же ни в коем случае не соглашался с недостатками своего изобретения и приписывал их «лени и неряшеству истопников»^[8].

Водяное отопление

В 1777 году французский инженер М. Боннеман изобрёл и применил для обогрева инкубаторовпервую водную систему отопления с естественной циркуляцией, основные принципы и инженерные решения которой нашли применение в отоплении жилищ тогда и применяются до сих пор.

В 1834 первой в России системой водяного отопления с естественной циркуляцией стала система горного инженера, профессора П. Г. Соболевского. В 1875 году появилась первая не только в России, но и в Западной Европе квартира с отдельной системой водяного отопления с использованием плоских отопительных приборов, сделанных в виде пилястр. Подогрев воды происходил в небольшом нагревателе, установленном в кухонном очаге.

Паровое отопление

Грядущий XIX век дал широкое распространение водяным и паровым системам отопления. Собственно, толчок паровым системам отопления дало повсеместные применение паровых машин. Промышленные помещения были велики, и отапливать их было сложно, так что отработанный пар пришёлся кстати.

В 1802 году в Российской империи впервые появились статьи о возможности отопления паром, а в 1816 г. в Петербурге уже существовала теплица, отапливаемая таким способом.

XX век дал начало системам отопления с принудительной циркуляцией, осуществляемой с помощью насосов. Это осуществилось с промышленным выпуском электродвигателей.

1. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

Формулировка задачи

Водяное радиаторное отопление получило в настоящее время наибольшее распространение. Опыт эксплуатации водяных радиаторных систем показал их высокие гигиенические и эксплуатационные показатели. Радиаторные системы водяного отопления обладают высокой надежностью, бесшумны, просты и удобны в эксплуатации, могут иметь значительный радиус действия по горизонтали. По вертикали радиус действия системы определяется гидростатическим давлением. Особое значение получило водяное отопление с развитием централизованного теплоснабжения и теплофикации.

Рассмотрим систему отопления с естественной циркуляцией с нагревательными горизонтальными однотрубными приборами системы водяного отопления. В системах с естественной циркуляцией движение воды осуществляется за счет разности плотностей горячей воды, поступающей в систему, и охлажденной воды после нагревательных приборов.

1.1 Условия мини-задачи

Техническая система отопления включает всебя стояк; нагревательные приборы; выпуск воздуха; магистраль обратной воды. ТП-1: если вода циркулирует плохо, то помещение отапливается медленно и не сохраняет тепло, но затраты на нагрев воды минимальны. ТП-2: если вода циркулирует хорошо, то помещение отапливается быстро и сохраняет тепло, но затраты на нагрев воды максимальны.

1.2 Выделить и записать конфликтующую пару элементов

Конфликтной парой являются: изделие - система отопления; инструмент - вода (хорошо циркулирует, плохо циркулирует).

1.3 Графические схемы ТП-1 и ТП-2

ТП-1Вода циркулирует плохо: расход на нагрев воды незначителен, нопомещение отапливается медленно и не сохраняет тепло (рис 1.).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1-Схема ТП-1

ТП-2. Вода циркулирует хорошо: помещение отапливается быстро и сохраняет тепло, но большойрасход на нагрев воды(рис 2 .).

Рисунок 2-Схема ТП-2

На схеме показано сплошной линией - полезное действие, волнистой линией - вредное действие.

Полезное действие: ТП-1 - затраты на нагрев воды минимальны;

ТП-2 - вода циркулирует хорошо, помещение отапливается быстро и хорошо сохраняет тепло.

Вредное действие: ТП-1 -вода циркулирует плохо, не обогревает помещение; ТП-2 -большие затраты на нагрев воды.

1.4 Выбрать из двух схем ТП одну

Главная функция системы - сделать хорошуюсистему отопления, поэтому выбираем ТП-2. В этом случае вода циркулирует хорошо, помещение отапливается быстро и сохраняет тепло, но большие затраты на нагрев воды.

1.5 Усиление конфликта

Затраты на нагрев большие, но хорошая циркуляция воды.

1.6 Записать формулировку модели задачи

Даны циркуляция воды и нагревательный элемент. Циркуляция воды хорошая, но большие затраты на нагрев воды. Необходимо ввести такой Х-элемент, который, сохраняя способность хорошей циркуляции воды, обеспечит минимальные затраты на нагрев.

2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ