Учебник для вузов

Отопление

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Теплоносителем для отопления может быть любая жидкая или газообразная среда, обладающая способностью аккумулировать тепло и изменять свои основные теплотехнические показатели, а также достаточно подвижная и дешевая. Вместе с тем теплоноситель должен способствовать выполнению требований, предъявляемых к отопительной установке

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время используют воду, водяной пар, атмосферный воздух, горячие Газы. Органические теплоносители, температура кипения которых при атмосферном давлении превышает 250° С (полифенилы и др.), чаще применяются в специальных высокотемпературных установках.

Дадим сравнительную характеристику этим теплоносителям, которая отражает требования, предъявляемые к отопительной установке, а также свойства самих теплоносителей.

Газы, образующиеся при сгорании твердого, жидкого или газообразного 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. Из-за высокой температуры продуктов сгорания топлива возрастают бесполезные потери тепла при транспортировании.

Выпуск продуктов сгорания топлива в отапливаемые помещения ухудшает состояние их воздушной среды и в большинстве случаев недопустим, а удаление их наружу по каналам усложняет систему отопления.

Область использования продуктов сгорания как теплоносителя ограничена системами местного отопления с такими отопительными установками, как отопительные печи, газовые калориферы и т. п.

Наибольшее распространение в качестве теплоносителей в системах отопления имеют вода, пар и воздух.

Сопоставим эти теплоносители как по физическим свойствам, так и по технико-экономическим, санитарно-гигиеническим и эксплуатационным показателям, важным для выбора системы отопления.

Прежде всего перечислим физические свойства каждого из теплоносителей, отражающиеся на конструкции и действии системы отопления. Свойства воды: большие теплоемкость и плотность, несжимаемость, расширение прл нагревании с уменьшением плотности, повышение температуры кипения при увеличении давления, уменьшение абсорбции воздуха при нагревании и снижении давления. Свойства пара: высокая подвижность, малая плотность, повышение температуры и плотности при увеличении давления, большое теплосодержание за счет тепла фазового превращения. Свойства воздуха: малая теплоемкость и плотность, легкая подвижность, уменьшение плотности при нагревании.

Существенным технико-экономическим показателем является масса металла, расходуемого при том или ином теплоносителе на изготовление теплообменника, отопительных приборов и теплопроводов, влияющая на стоимость устройства и эксплуатации системы отопления.

При теплоносителе воздухе площадь нагревательной поверхности калорифера уменьшается по сравнению с площадью отопительных приборов при двух других теплоносителях. При теплоносителе паре площадь (и масса) отопительных приборов меньше, чем при теплоносителе воде, что объясняется более высокой температурой паровых приборов.

Если при паре температура теплоносителя в приборе равна температуре насыщенного пара (например, 150 °С), то при воде эта температура может быть равна полусумме температуры воды, входящей и выходящей из прибора [например, (150+70)0,5 = 110 °С]. В этом примере соотношение площадей нагревательной поверхности паровых и водяных приборов приблизительно равняется (110 — 20): (150 — 20) = 9 :13 (20 °С — температура воздуха в помещении).

Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением площади их поперечного сечения. Определим соотношение площадей поперечного сечения теплопроводов, по которым транспортируются вода, пар и воздух в объемах, необходимых для передачи помещению одинакового количества тепла. Примем, что для отопления используется вода, температура которой снижается от 150 до 70 °С, пар, имеющий избыточное давление 0,37 МПа или 3,8 кгс/см2 (см. табл. 1.2), и воздух, охлаждающийся от предельно допустимой нормами температуры 70 °С до температуры помещения 15 °С.

Аналогичные расчеты при использовании для отопления низкотемпературной воды (95 °С) и пара низкого избыточного давления 0,02 МПа (0,2 кгс/см2) выявляют подобную закономерность — для воздуха необходима площадь поперечного сечения теплопровода приблизительно в 100 раз большая, чем для воды или пара. Это связано со способностью воды аккумулировать значительное количество тепла в единице объема, свойством пара перемещаться с высокой скоростью и малой теплоакку-муляционной способностью воздуха.

Таким образом, по площади поперечного сечения теплопроводов воздух является наименее выгодным теплоносителем. При значительной длине воздуховодов, когда из-за малой теплоемкости и увеличенной теп-лоотдающей поверхности воздух заметно охлаждается в пути, применять его в качестве теплоносителя нецелесообразно. Поэтому для теплоснабжения используется не воздух, а вода или пар. Напомним, что в СССР наибольшее распространение получила водяная теплофикация на базе строительства теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).

Сравним также теплоносители воду, пар и воздух по санитарно-гигиеническим показателям и в первую очередь по температурным условиям, создающимся в помещении при использовании того или иного теплоносителя. Воздух как малотеплоемкий теплоноситель полностью отвечает требованию постоянно поддерживать в помещении определенную температуру независимо от колебания температуры наружного воздуха. Температура воды, как и теплоносителя воздуха, также может изменяться в широких пределах, однако из-за тепловой инерции отопительных приборов с водой возможно некоторое изменение температуры помещения даже при автоматическом регулировании теплопередачи приборов.

Планомерное изменение температуры теплоносителей воздуха и воды в зависимости от температуры наружного воздуха (с которой связаны теилопотери помещений), называемое качественным регулированием, практически невозможно при теплоносителе паре. Температура насыщенного пара определяется, как известно, его давлением. При значительном изменении давления пара в системе отопления не происходит заметного изменения его температуры, а следовательно, теплопередачи отопительных приборов. Например, при снижении избыточного давления с 0,05 до 0,005 МПа, т. е. в 10 раз, температура пара понижается с 110,8 до 100,4 °С, т. е. только на 10%. Для уменьшения теплопередачи приборов приходится периодически их выключать, что вызывает колебание температуры помещений, противоречащее гигиеническому требованию.

Другое санитарно-гигиеническое требование ограничивать температуру поверхности отопительных приборов обусловлено явлением разложения и сухой возгонки органической пыли, сопровождающимся выделением вредных веществ, в частности окиси  углерода.  Разложение пыли начинается при температуре 65—70° и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.

При использовании воды температура поверхности отопительных приборов постоянно ниже, чем при применении пара с одинаковой начальной температурой. Это, как уже известно, связано с понижением температуры воды в приборах при теплопередаче, а также в системе в целом — при повышении температуры наружного воздуха. Следовательно, применение воды позволяет поддерживать среднюю температуру поверхности приборов почти весь отопительный сезон на уровне не выше 80 °С. При теплоносителе паре температура поверхности большинства отопительных приборов превышает гигиенический предел.

В центральных системах воздушного отопления возможна очистка нагреваемого воздуха от пыли, и такие системы будут гигиеничными. В местных системах разложение пыли на поверхности теплообменника зависит от вида первичного теплоносителя: оно неизбежно при паре и связано с температурой воды.

Эксплуатационные показатели трех сопоставляемых теплоносителей частично уже рассмотрены при их технико-экономической и санитарно-гигиенической оценке. Можно еще отметить различие в их плотности. Плотность воды существенно отличается от плотности пара (в 400—1500 раз) и воздуха (в 900 раз), что вызывает значительное гидростатическое давление в отопительных приборах систем водяного отопления многоэтажных зданий и ограничивает высоту систем.

Воздух и вода могут перемещаться в теплопроводах бесшумно (до определенной скорости движения). Частичная конденсация пара из-за попутной потери тепла паропроводами (появление, как говорят, попутного конденсата) вызывает шум (пощелкивание, стук и удары) при движении пара.

Подытожим сравнительные достоинства и недостатки теплоносителей — воды, водяного пара и атмосферного воздуха.

При использовании воды, как теплоемкого теплоносителя, изменяющего в широких пределах температуру, сокращается площадь поперечного сечения труб, ограничивается температура поверхности отопительных приборов, обеспечивается равномерность температуры помещений, уменьшаются бесполезные потери тепла, обеспечиваются бесшумность действия и сравнительная долговечность систем отопления. К недостаткам применения воды относятся значительные гидростатическое давление и расход металла в системах; тепловая инерция воды в отопительных приборах, что снижает качество регулирования их теплопередачи.

При использовании пара сокращаются площади поверхности отопительных приборов и поперечного сечения конденсатопроводов. Пар — легкоподвижный теплоноситель, быстро прогревающий помещения, обладающий малой тепловой инерцией и незначительным гидростатическим давлением. Однако пар не способствует требуемому регулированию температуры теплоносителя, повышает температуру поверхности приборов до 100 °С и более, вызывает ускоренную коррозию труб. При применении пара увеличиваются эксплуатационные затраты на отопление, создаются затруднения при его использовании, перегреваются помещения, возникает шум при действии, увеличиваются бесполезные потери тепла и расход топлива.

Воздух — малотеплоемкий, легкоподвижный, хорошо регулируемый (по температуре и количеству) теплоноситель, обеспечивающий быстрое изменение   или   равномерность   температуры   помещений,   безопасный в пожарном отношении. При использовании воздуха возможно устранение отопительных приборов из помещений и осуществление вентиляции помещений. К недостаткам применения воздуха в качестве теплоносителя относятся существенное увеличение площади поперечного сечения и массы воздуховодов, возрастание бесполезных потерь тепла, расхода теплоизоляционного материала и топлива, заметное понижение его температуры по длине воздуховодов.