ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ ДЛЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И НАГРЕВАЕМОЙ ВОДЫ При конструировании водонагревателей, а также расчете и подборе их важно знать характер теплопередачи от теплоносителя к нагреваемой воде. В общем виде передача теплоты определяется законом Фурье, по которому плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:
где λ – теплопроводность, Вт/(м.°С); п - направление теплового потока по нормали к теплопередающей поверхности; знак «—» свидетельствует о том, что векторы теплового потока и градиента температуры направлены в противоположные стороны. Согласно закону Фурье: теплопередача возможна только при наличии градиента температуры между теплоносителем и нагреваемой водой; чем тоньше теплопередающая стенка, тем выше ее тепловая проводимость λ/δ. Общее количество теплоты, Дж, переданное через поверхность теплопередающей стенки за период времени, равно , (11.2) где λ - теплопроводность; Δt - температурный градиент; q - плотность теплового потока; F - площадь теплопередающей поверхности. Теплообменные аппараты, применяемые в горячем водоснабжении, и в частности водонагреватели, относятся к рекуперативным аппаратам, т.е. таким, в которых теплота от теплоносителя передается через разделительную (обычно металлическую) стенку. Эти аппараты подразделяются на прямоточные и противоточные. В прямоточном теплообменнике теплоноситель и нагреваемая вода протекают параллельно в одном направлении (рис. 11.1,а), а в противоточном - тоже параллельно, но в противоположных направлениях (рис. 11.1,б). Водонагреватели широко распространены, так как имеют простую конструкцию, компактны и обеспечивают постоянство температур теплоносителя во времени. В теплотехническом отношении противоточные теплообменные аппараты выгоднее, чем прямоточные. Критерием для оценки их эффективности является средний температурный напор Δtm, т.е. средняя разность температур греющей и нагреваемой воды. В противоточной схеме Δtm почти всегда больше, чем в прямоточной, поэтому поверхность нагрева теплообменника с противотоком меньше. Все изложенные факторы влияют на выбор направления потока теплоносителя и нагреваемой воды, но в зависимости от вида теплоносителя. В водо-водяных нагревателях температура теплоносителя уменьшается, в пароводяных выбор направления теплоносителя и нагреваемой воды не имеет значения, так как пар в процессе теплопередачи должен иметь постоянную температуру насыщения при данном рабочем давлении (расчетная температура принимается равной 100 °С) (рис. 11.1.в).
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПАРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПРОТОЧНОГО ТИПА В системах централизованного горячего водоснабжения широко распространены водонагреватели проточного типа, которые отличаются большой теплопроизводительностью и малой теплоемкостью. Ввиду этих особенностей их применяют в случае большого и стабильного теплопотребления, а если из системы происходит залповое потребление теплоты (например, приемы душей после окончания смены в бытовых помещениях промышленных предприятий), их используют в сочетании с аккумуляторами теплоты. В промышленных зданиях, имеющих паросиловое хозяйство, используются пароводяные скоростные подогреватели(рис. 11.2). В них пар, подаваемый в корпус, проходит в межтрубном пространстве и нагревает воду. Нагреваемая вода поступает в переднюю водяную камеру, разделенную вертикальной перегородкой* и по теплообменным трубкам проходит в заднюю камеру. Пар может проходить дважды и четырежды в межтрубном пространстве корпуса водонагревателя (двухходовые и четырехходовые пароводонагреватели). Задняя камера их не закреплена в корпусе, что позволяет теплообменным трубкам свободно перемещаться вдоль оси, компенсируя температурное удлинение трубок. Для этого между днищем водонагревателя и днищем подвижной камеры имеется зазор, равный температурному удлинению теплообменных трубок. Для пароводяных нагревателей используются латунные трубки наружным диаметром 16 мм при толщине стенок 1 мм; корпус стальной. Рабочее давление греющего пара и воды должно быть соответственно не более 1 МПа при температуре не выше 300 СС и 1,6 МПа - при температуре 200 °С. Скоростные пароводяные водонагреватели выпускаются в соответствии с требованиями ОСТ 108.271.105—76 двухходовыми и четырехходовыми с плоским и выпуклым днищем. Нагреватели имеют поверхность нагрева площадью 6,3—53,9 м2. Основные технические данные пароводяных скоростных водонагревателей приведены в прил. 8.
Водо-водяные скоростные секционные разъемные нагреватели применяются в системах централизованного теплоснабжения. Теплоносителем является вода из системы теплоснабжения (сетевая вода). Теплоноситель и нагреваемая вода движутся по изолированным контурам. По форме поверхности нагрева водонагреватели подразделяются на трубчатые (рис. 11.3) и кожуховые (рис. 11.4), которые могут быть выполнены однокорпусными и секционными. Наибольшее распространение получили трубчатые водонагреватели, которые состоят из стального цилиндрического корпуса с входными и выходными патрубками для теплоносителя и нагреваемой воды, трубной решетки и трубного пучка. Трубный пучок вставлен в корпус водонагревателя и состоит из трубок малого диаметра 16X1 мм, развальцованных в трубные решетки. Отдельные секции нагревателей соединяются с помощью трубчатых отводов, обычно называемых «калачами». Нагреваемая вода движется по теплообменным трубкам, а теплоноситель — по межтрубному пространству, так как прямые трубки позволяют удалять накипь с их внутренней поверхности. Кроме того, эта схема движения теплоносителя позволяет отказаться от устройства специальных компенсаторов для восприятия линейных удлинений трубок и корпуса при нагревании. В горизонтальных водонагревателях для устранения прогиба трубок устанавливают поддерживающие опорные перегородки с таким расчетом, чтобы пролет трубки между точками не превышал 100—120 мм. Опорные перегородки обеспечивают равномерное обтекание теплоносителя с внешней стороны теплообменных трубок и, следовательно, влияют на общую теплопроизводитель-ность. Если перегородки не поддерживают трубки, то они провисают, нарушается равномерное обтекание теплоносителем межтрубного пространства и теплопроизввди-тельность уменьшается в 2—3 раза. При монтаже водонагревателя необходимо следить за тем, чтобы полки
опорных перегородок располагались Горизонтально и разделяли не более чем два ряда трубок. Стандартная длина теплообменных трубок принимается равной 2 или 4 м. Для увеличения интенсивности теплообмена в водяных водонагревателях теплоноситель и нагреваемая вода должны иметь достаточно большие встречные скорости движения сред при противопотоке, чего наиболее легко достигнуть в секционных водонагревателях, состоящих именно из пучка мелких трубок или из секций типа «труба в трубе», выполненных из стальных труб (кожуховые водонагреватели). Кожуховые водонагреватели просты в изготовлении, но металлоемки. Водо-водяные нагреватели можно устанавливать как из отдельных, так и нескольких секций с последовательным и параллельно-последовательным их соединением по теплоносителю и по нагреваемой воде. Широко распространены секционные водо-водяные нагреватели конструкции ВТИ Мосэнерго (по ГОСТ 34588—68) 16 типоразмеров, наружный диаметр корпуса которых от 57 до 325 мм и поверхности нагрева бдной секции от 0,37 до 28 м2. Максимальное рабочее давление водо-водяных нагревателей 1 и 1,6 МПа (10 и 16 кг/см2) при температуре теплоносителя до 200 °С. Основные технические данные водо-водяных скоростных секционных водонагревателей приведены в прил. 9. § 40. ЕМКОСТНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ Емкостные водонагреватели функционально совмещают в одном теплообменном аппарате два аппарата — водонагреватель и аккумулятор теплоты и относятся к теплообменным аппаратам малой теплопроизводитель-ности и большой теплоемкости. В силу этих особенностей они применяются для систем с естественной циркуляцией или для систем, из которых происходит резкое, залповое водопотребление (рис. 11.5). Нагревательный элемент представляет собой гребенчатый змеевик, выполненный из ^-образных трубок или пучков прямых трубок, собранных с помощью замыкающих коллекторов. По контуру нагреваемой воды в силу незначительных скоростей движения воды имеется небольшое гидравлическое сопротивление, из-за чего теплообмен происходит конвективным путем и поэтому теп-лопроизводительность емкостных водонагревателей небольшая. Емкостные водонагреватели выпускаются промышленностью для использования в качестве теплоносителя не только пара, но и сетевой воды. Максимальное рабочее давление пара и нагреваемой воды не более 0,5 МПа. Рабочий объем водонагревателя (выше змеевика) составляет 90 % общего объема. Продолжительность нагрева рабочего объема воды до 75 °С при теплоносителе «пар» составляет около 1 ч. Основные технические данные емкостных водонагревателей приведены в прил. 10. Рис. 1 5. Емкостные водонагреватели /-патрубок выхода горячей воды; г-спускной пробковый кран; з-патру бок входа холодной воды; 4-змеевик; 5-выход конденсата; 6-вход пара § 41. РАСХОДЫ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ И ТЕПЛОТЫ Величина расчетных расходов горячей воды и теплоты зависит от потребления горячей воды, которую используют для смешения до требуемой температуры. Очевидно, что расход горячей воды зависит от ее температуры; чем ниже температура горячей воды у смесительного водоразборного крана, тем больше ее доля в составе смешанной воды. Расчетные расходы горячей воды для гидравлического расчета сетей горячего водопровода в режиме водо-потребления абсолютно одинаковы по методике вычисления с холодным водопроводом (см. гл. 7). Разница заключается в количественных параметрах: q% — расход горячей воды санитарно-техническим прибором, л/с; Уош— нормированный расход горячей воды прибором, л/с; qhhru — норма расхода горячей воды потребителем в час наибольшего водопотребления, л, qhum — то же, в средние сутки. Нормы расхода теплоты суточную [кДж (на 1 чел. в сут)] и часовую [кДж (на 1 чел. в сут)] вычисляют по формулам: Qhu-<&m&m = ti.mCp{t-f)> (И.З)
где Q^u и Q*— часовая и суточная нормы расхода теплоты; Ср {Рт — /с) — количество теплоты, требуемой для нагрева 1 л воды до расчетной температуры; С — теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); р — плотность воды, кг/дм3; tm — средняя температура горячей воды, "С, при которой определена норма (для закрытых систем ^=55°С); tc — расчетная температура холодной воды в зимний период (Р= = +5°С) Суточные расходы горячей воды, как уже говорилось, зависят от суточных норм потребления горячей воды q*: (11.5) *«**" 1000 * Тогда средний часовой расход воды: и 9сут (11.6) где Т — продолжительность потребления горячей воды, ч (для жилых зданий — 24 ч, в остальных — продолжительность смены). Максимальный часовой расход горячей воды qhm, л/ч, и секундный расход q% определяются по формулам (11.7) и (11.9) на основе норм потребления горячей воды на процедуру и на смесительный водоразборный кран. Суточные расходы теплоты, кДж/сут, вычисляют по формулам:
=«г сР (1+ам) (/m - <е)=о* «г о+*,.„). (и .7)
где Qftrm—суточные теплопотери в системе. Часовые расходы теплоты, кДж/ч, определяют по формуле: (1+*) где Q^frm— средние часовые теплопотери. Ориентировочно теплопотери определяются в долях суммарного теплопотребления. При этом правильнее суммарное теплопотребление считать на нужды горячего водоснабжения и на нужды отопления, но так как программой курса изучение отопления не предусмотрено, то придется ограничиться теплопотреблением, связанным только с горячим водоснабжением: где Лт.п — коэффициент теплопотерь в системе горячего водоснабжения (табл. 11.1), Таблица 11.1
§ 42. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПОДБОРА ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ Водонагреватели рассчитывают в следующем порядке: определяют площадь поверхности нагрева; устанавливают основные конструктивные размеры и подбирают водонагреватель; производят гидравлический расчет, а при расчете емкостных водонагревателей кроме всего прочего определяют аккумулирующую емкость водонагревателя. Площадь поверхности нагрева водонагревателей рассчитывается по формуле: (11.10) где Qp — расчетное количество теплоты, кДж/ч; р — коэффициент запаса на неучтенные теплопотери (Р=1,1); Ц — коэффициент снижения теплопередачи через теплообменную поверхность из-за отложений на стенках ((х=0,7); k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С) (табл. 11.2); At — расчетная разность температур теплоносителя и нагреваемой воды. Разность температур теплоносителя и нагреваемой воды определяется в соответствии с § 38. Судя по формуле (11.10), чем больше разность температур между теплоносителем и нагреваемой водой, тем больше тепловая эффективность водонагревателя. Так, для противоточных скоростных водонагревателей средняя разность температур определяется по формуле: (11.11) ,31-lg где А^тах и Д<тш — наибольшая и наименьшая разность температур между теплоносителем и нагреваемой водой по концам теплообменника (в осях входного и выходного патрубков теплоносителя). Среднеарифметическую разность температур можно определить с помощью номограммы (рис. 11.6). Таблица 11.2
Ai8*C 20 15 W ,& 0 БОЛЬШАЯ РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР Atg°C Рис. 116. Номограмма для определения средней логарифмической разностн температур для расчета скоростных вротнвоточных водонагревателей
В емкостных водонагревателях в качестве расчетной разности температур теплоносителя и нагреваемой воды принимается ее среднеарифметическое значение: bt = (TH + TK)/2-(tH+tK)/2, (11.12) где Тв н Тк — начальная н конечная температуры теплоносителя; tB n tK — то же, нагреваемой воды. Обычно при расчете принимаются температуры теплоносителя летнего периода, когда они ижеют меньшие значения, тогда t±.t меньше, а Fen больше. В связи с тем, что работа водонагревателей в летние и зимние месяцы (вне отопительного и в отопительном сезонах года) значительно отличается друг от друга, а водонагреватели горячего водоснабжения подключаются по двухступенчатой схеме нагрева, расчеты поверхности нагрева необходимо проводить на два режима. Первый режим соответствует отопительному сезону и работе отопительной системы. В этот период расчетная начальная температура теплоносителя принимается равной Г„=130°С; в обратной — Г„ = 70°С. Второй режим соответствует летнему периоду, когда 7тн=706С и Гк = 30°С. Во время летнего периода водонагреватели подключаются к сети теплоснабжения по одноступенчатой схеме, а зимой — по двухступенчатой схеме, причем первая ступень подключается к обратной системе отопления. Водонагреватели подбираются по наибольшему значению требуемой площади нагрева с таким расчетом, чтобы скорость движения воды была равна 0,5—1,5 м/с, Число секций водонагревателя: ulh, (11.13) m- где /с — площадь теплообмена одной секции или гребенчатого змеевика, принимается по табл. 11.1 и 11.2. Конструктивные размеры (выбор номера водонагревателя) в значительной степени определяются гидравлическим расчетом. Потери напора в трубчатом водонагревателе (для воды, проходящей по трубкам) вычисляют по общей формуле для шероховатых труб: (11.14) порно-запасных баков систем холодного водопровода, т.е. путем совмещения графиков теплоотдачи и тепло-потребления. Если достоверных графиков теплопотребления для данной категории зданий нет, то требуемое аккумулирующее количество теплоты можно определить аналитически с помощью следующей закономерности:
где К — коэффициент трення, Х=0,03; /—общая длина пути воды, м; d— внутренний диаметр трубок, м; 2£— сумма коэффициентов местных потерь; v — скорость течения воды, м/с; у — плотность воды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2. При определении потерь напора в трубном пучке нового водонагревателя основная доля потерь напора приходится на линейные потери, т. е. на долю первого члена уравнения (11.14). Потери напора в новых трубках можно определить приближенно с помощью формулы: ДЯ«530у2. (11.15) Для водонагревателей с учетом различного рода отложений на внутренней поверхности труб необходимо учитывать коэффициент загрязнения, величина которого зависит от местных условий и определяется по опыту эксплуатации (для Москвы /С3=4). Тогда выражение потерь напора с учетом зарастания трубок приобретает вид: АН « 750Л3 v2 гпъп, (11.16) где т — число секций водонагревателя в установке. Аккумулирующий объем емкостного водонагревателя может быть определен аналитически и графически. В первом случае объем аккумуляторов теплоты вычисляется по формуле: AQT где AQT— аккумулирующий запас теплоты, кДж; ^-—средняя температура горячей воды; tc — температура холодной воды. Аккумулирующий объем теплоты зависит от режимов потребления горячей воды и режимов работы водонагревателей. Величина его определяется по такой же методике, что и определение регулирующей емкости на- (11.18) где Qj— среднее часовое потребление теплоты системы горячего водоснабжения с учетом теплопотерь, определяется по формуле (11.7); Т — расчетный период потребления теплоты, ч, сут; V,e — относительная регулирующая емкость аккумулятора теплоты, %> Значение относительной регулирующей емкости аккумулятора теплоты определяется по принятой тепло-производительности водонагревателя и коэффициенту часовой неравномерности теплопотребления в системе: (П-19) Расчетная подача теплоты водонагревателем определяется по'формуле: QI.BH= 100-%-, (11.20) где Qg д1— теплопроизводительность установленного водонагревателя. Для графического анализа работы системы водонагреватель — аккумулятор теплоты необходимо иметь более или менее достоверные графики теплопотребления. Представим себе, что мы располагаем именно таким ступенчатым графиком (см. рис. 11.7). Интегральный график построен с 6ч (т.е. со времени начала потребления горячей воды). Если бы теплопотребление было равномерным в течение периода работы системы Т, расчетную теплоподачу в этих условиях было найти просто, так как Qln—Q?, но теплопотребление системы горячего водоснабжения всегда неравномерно (линия /), поэтому теплоподачу обычно определяют соединив крайние точки линии теплопотребления 6—5 и, сместив ее параллельно до точки А. Регулирующее количество теплоты QaK будет соответствовать наибольшим ординатам
Рис. И.7. Ступенчатыйграфик теплопотребления (а) нинтегральный график теплопотребления итепло' подачи (б) 1 — теплолотребление; 2 — тепло* подача; Г — продолжительность работы системы горячего водо-. снабжения врЕмд суток; между кривой теплопотребления и линией теплоотдачи (линия 2). Расчетная производительность водонагревателя выражается тангенсом угла наклона линии 2 (теплопода-чи) к оси абсцисс. Совмещение графиков теплопотребления и теплопо-дачи позволяет определить режим работы установки. Так, абсцисса на отрезке 2—6 отражает период предварительного разогрева установки с тем, чтобы можно было обеспечить подачу теплоты в пиковое время (точка А). Точка В показывает период от выключения установки до окончания потребления теплоты, иначе в системе будут наблюдаться нерациональные потери за счет сброса теплоты (ордината остывания Б—5). § 43. СХЕМА ПРИСОЕДИНЕНИЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ К ТЕПЛОВОЙ СЕТИ В начальный период развития теплофикации для приготовления горячей воды применялось только одноступенчатое параллельное (по отношению к системе отопления) включение водонагревателей (рис. 11.8,с). Преимуществом этой схемы является почти полная независимость расхода теплоты на отопление от расхода теплоты на горячее водоснабжение. Водонагреватель рассчитывают при наиболее неблагоприятных условиях при самой низкой температуре сетевой воды (Гн=70°С; Г„=30°С; *И = 5°С; *„=55— 60°С); перепад температур теплоносителя и нагреваемой воды составляет всего 10—15°С. При одноступенчатой схеме с предвключенными водонагревателями (рис. 11.8,6) они включаются перед Системой отопления, причем регулятор расхода воды системы отопления располагается на подающей тепло-Снабжения между присоединениями (подающего и обратного) водонагревателя горячего водоснабжения. По этой схеме в часы максимального водоразбора в горячем водопроводе система отопления недополучает необходимое количество теплоносителя, а в часы потребления горячей воды ниже средних значений она, наоборот, получает теплоты больше необходимого. В це-Лом за сутки система отопления получает свою норму расхода и, как показали исследования, выполненные во ВТИ и МНИТЭПе, колебания температуры в отапливаемых помещениях незначительны за счет теплорегулиру-ющей способности здания в целом и системы отопления В частности. Однако расход теплоносителя, сохраняемый в течение всего отопительного периода, будет недостаточным в более теплые месяцы отопительного сезона при более низких температурах теплоносителя. В результате получилась странная теплотехническая ситуация;-при более высоких температурах наружного воздуха (например, в апреле) был зафиксирован недогрев отапливаемых помещений, а при низких наружных температурах (январь) — их перегрев. К тому же, ввиду присоединения к общей тепловой сети зданий разного назначения, а следовательно, с разными относительными расходами теплоты на горячее водоснабжение, такой способ присоединения водонагревателей горячего водоснабжения ока-аался практически непригодным и был заменен двухступенчатой последовательной схемой присоединения (рис. 11.8,г), которая применяется при независимом регулировании тепловых нагрузок отопления и горячего водоснабжения. В первой ступени вода подогревается обратной водой отопительной системы. При расчетной наружной температуре, когда температура обратной воды
Рис. 11.8. Параллельная одноступенчатая схема включения водонагревателей горячего водоснабжения (а), одноступенчатая схема с предвключеннем водонагревателей горячего водоснабжения (б), двухступенчатая схема со смешанным (о) н последовательным включением водонагревателей (г) из отопительной системы является максимальной, водонагреватель первой ступени обеспечивает нагрев горячей воды до требуемой температуры при среднем часовом расходе. При нагрузке на систему горячего водоснабжения выше средних значений, а также при повышении температуры наружного воздуха и соответствующем снижении температуры теплоносителя нагрев горячей воды оказывается недостаточным, поэтому она подогревается во второй ступени которая включена параллельно системе отопления. К преимуществам этой системы следует отнести независимость системы отопления от нагрузки горячего водоснабжения, однако при работе тепловых пунктов, смонтированных по этой схеме, наблюдается повышенный расход теплоносителя. Двухступенчатая схема с последовательным включением водонагревателей обеспечивает нагрев холодной воды в водонагревателе первой ступени, в котором теплоносителем служит вода из обратной магистрали системы теплоснабжения после системы отопления. Во второй ступени водонагревателя теплоносителем служит подающая сетевая вода теплоснабжения перед подачей ее в элеватор. Вторая ступень водонагревателя рассчитывается на средний часовой расход горячей воды при максимальной температуре сетевой воды по выходе из системы отопления. Вторая ступень служит для догрева воды до 60°С при расходах больших, чем средние значения, и температурах обратной воды менее 70 °С. К преимуществам двухступенчатой последовательной схемы надо отнести наименьший, по сравнению со всеми схемами установки водонагревателей, расход теплоносителя. К недостаткам подобной схемы относятся завышение площади поверхностей нагрева и то, что работа теплового узла, собранного по ней, невозможна без автоматического регулирования. Эта схема присоединения водонагревателей получила преимущественное распространение в Советском Союзе.
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (2493)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |