Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Источники и системы теплоснабжения / Литература источники / 0595293_7A299_lyalikov_b_a_istochniki_i_sistemy_teplosnabzheniya_promyshle

.pdf
Скачиваний:
159
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
1.95 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Б. А. Ляликов

ИСТОЧНИКИ И СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Часть I

Учебное пособие

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использованиявкачествеучебногопособиядлястудентов, обучающихся понаправлениюподготовки140100 «Теплоэнергетика», специальностям 140101 «Тепловые электрические станции» и 140104 «Промышленная

теплоэнергетика»

Второе издание, стереотипное

Издательство ТПУ Томск 2008

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

УДК 536.24 Л97

Ляликов Б. А.

Л97 Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 155 с.

В учебном пособии на базе теоретических выкладок и решений инженерных задач раскрываются физико-технические основы теплоснабжения. Материал размещен в соответствии с учебной программой и максимально приближен к последовательности выполнения проектов по дисциплине «Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий». В каждой главе пособия, кроме теоретического материала, даются численные примеры расчета.

Пособие подготовлено на кафедре теоретической и промышленной теплотехники ТПУ и предназначено для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» Института дистанционного образования.

УДК 536.24

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета.

Рецензенты

Кандидат технических наук, заместитель директора некоммерческого партнерства «Региональный центр управления энергосбережением»

С. А. Косяков

Кандидат технических наук, начальник отдела эффективного, рационального использования

и учета ТЭР ФГУ ЭИ «Томскгосэнергонадзор»

Л. Г. Захарова

© Томский политехнический университет, 2008

2

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача систем теплоснабжения состоит в подаче тепла: промышленным потребителям – на технологические процессы и нужды отопления, приточной вентиляции и кондиционирования воздуха; коммунальным – на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Теплоснабжающие системы отвечают за подачу тепла до теплового пункта, к которому присоединяется местная система теплопотребления. Распределение же теплоносителя по внутренним системам отопления, вентиляции и горячего водоснабжения является обязанностью владельцев зданий.

В соответствии с этим порядком теплоснабжающие системы должны обеспечивать:

бесперебойную круглогодичную подачу тепла всем потребителям с минимальным перерывом для производства ремонтных работ

влетний период;

поддержание на вводах потребителей необходимых параметров теплоносителя;

соблюдение такого режима регулирования и обслуживания, при котором бы достигалась максимальная экономия тепла во всей системе теплоснабжения.

В последнее время в различных областях промышленности, а также при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения все больше внимания уделяется вопросам энергосбережения. Для правового обеспечения мероприятий, направленных на снижение расхода энергоресурсов, был принят закон РФ «Об энергосбережении» и постановление Правительства РФ «О неотложных мерах по энергосбережению» от

02.11.95 г. № 1087.

Основное содержание этих документов нацелено на решение вопросов ресурсо- и энергосбережения. Их реализация является первоочередной задачей администраций субъектов РФ, научно-исследовательских, строительных, проектных организаций. Энергосберегающие мероприятия разрабатываются и применяются с целью снижения расходов топлива, электроэнергии и тепла в системах теплоснабжения промышленных и жилищно-коммунальных объектов, строительстве (применение материалов с улучшенными теплоизоляционными свойствами), при реконструкции и эксплуатации зданий, оборудовании тепловых пунктов кон- трольно-измерительными приборами и приборами учета расхода теплоносителя и тепловой энергии и т. д.

Энергетическая стратегия России предусматривает рост потребления первичных энергоресурсов в период с 2000 по 2010 г. в основном за

3

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

счет энергосбережения, что, в свою очередь, позволит в эти сроки сократить на 30÷40 % выбросы вредных веществ в атмосферу, которые достигают в настоящее время около 20 млн т у. т. (тонн условного топлива) в год, и стабилизировать выбросы парниковых газов.

Энергосбережение – одна из наиболее острых проблем развития топливно-энергетического комплекса страны. От ее успешного решения во многом зависит жизнеспособность экономики России. Проблема энергосбережения затрагивает все структуры федеральной собственности, в частности, высшие учебные заведения, организации здравоохранения и другие объекты, которые финансируются из бюджета. Приведенные в данном пособии методики и алгоритмы расчета тепловых нагрузок, тепловых потерь через наружные ограждения объектов, тепловой и гидравлический расчет элементов систем теплоснабжения позволяют выполнить количественную оценку нормативных расходов тепловой энергии и теплоносителя и сопоставить с фактическими расходами. Такой количественный анализ теплогидравлических режимов работы элементов системы теплоснабжения является основой для последующей разработки энергосберегающих мероприятий.

Каждая система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов: источника тепловой энергии, тепловой сети и тепловых потребителей (абонентских вводов и местных систем теплопотребления).

Источники теплоты вырабатывают тепловую энергию требуемых параметров, которая затем используется в промышленном и жилищнокоммунальном секторе. Источником теплоты может являться теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), паровая, водогрейная или смешанная котельная с паровыми и водогрейными котлами.

Тепловые сети обеспечивают транспорт теплоты от источника к тепловым потребителям и распределение теплоты между потребителями. Тепловые сети от ТЭЦ и крупных котельных имеют в своем составе центральные тепловые пункты (ЦТП), через которые осуществляется присоединение к тепловым сетям промышленных предприятий и жилых микрорайонов. Местные тепловые пункты (МТП) сооружаются для присоединения к тепловым сетям отдельных зданий. Контрольнораспределительные пункты (КРП) служат для повышения гибкости, маневренности и надежности теплоснабжения. КРП является переходным звеном между магистральными и распределительными тепловыми сетями и позволяют обеспечить управление гидравлическим и температурным режимом в распределительных сетях. В состав тепловых сетей входят также подкачивающие насосные станции (ПНС).

Тепловые потребители классифицируются по двум основным категориям:

4

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

а) потребление тепла для коммунально-бытовых нужд (для обеспечения комфортных условий труда и быта в жилых, общественных и производственных помещениях);

б) потребление тепла для технологических нужд (для обеспечения выпуска промышленной или сельскохозяйственной продукции заданного качества).

Внашей стране, основная территория которой расположена в суровой климатической зоне, большое значение имеет обеспечение потребителей тепловой энергией. Достаточно сказать, что средняя температура отопительного периода изменяется от +6 °С (г. Сочи) до –19,5 °С (г. Якутск). Расчетная температура для проектирования систем отопления от –3 °С (г. Сочи) до –59 °С (Верхоянск) с продолжительностью отопительного периода от 103 (Сочи) до 272 суток (Верхоянск).

На промышленном предприятии тепловая энергия распределяется на технологические процессы, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Современные промышленные предприятия требуют на ведение технологических процессов большое количество тепловой энергии, в ряде случаев значительно превосходящее другие потребности. Так, доля расходов тепла на технологические процессы в общем годовом расходе составляет: для нефтеперерабатывающей промышленности

90÷97 %, электротехнической – 50÷60 %.

Вжилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий. Удельный вес горячего водоснабжения составляет в среднем 20 %, достигая в южных районах страны 30÷40 %.

Каждая система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов:

источника тепловой энергии;

тепловой сети;

абонентских вводов;

местных систем потребителей тепла.

Работа всех этих элементов основана на ряде тесно сплетающихся явлений и законов физики, химии, механики, гидравлики, термодинамики и теплопередачи. Изучение всего комплекса теоретических, технических и экономических вопросов, связанных с конструированием, расчетом, монтажом и эксплуатацией устройств для производства и передачи тепловой энергии к потребителям, а также рациональным ее использованием, и составляет содержание учебной дисциплины «Источники и системы теплоснабжения».

5

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

При расчете и проектировании любой системы теплоснабжения часто требуется на основе существующих стандартных и нормативных методик:

оценить материальные и тепловые балансы объектов системы теплоснабжения;

определить расходы и необходимые параметры теплоносителей для всех присоединяемых к этой системе потребителей;

выполнить расчет принципиальных тепловых схем источников теплоснабжения;

произвести тепловой и гидравлический расчет элементов системы, гидравлические расчеты тепловых сетей и т. д.

Влитературе теплоэнергетического профиля излагаются методики

ипримеры тепловых и гидравлических расчетов элементов систем теплоснабжения, но редко приводятся варианты их реализации с применением вычислительной техники. Вследствие этого студенты не получают надлежащей практики использования вычислительной техники в теплотехнических расчетах теплоснабжающих систем.

Целью данного учебного пособия является привитие студентам навыков в применении вычислительной техники для решения вышеперечисленных задач.

Впособии соблюдается определенная последовательность в изложении материала:

даются основные теоретические сведения и описание изучаемого объекта или процесса в системе теплоснабжения;

формулируется постановка задачи;

приводится методика тепловых и гидравлических расчетов и их формализация в виде алгоритма или блок-схемы программы для ЭВМ;

приводится реализация численного решения поставленной задачи с применением вычислительной техники и анализом полученных результатов.

6

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

1.ПОТРЕБЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1.Виды тепловых нагрузок

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

Всистемах отопления и вентиляции тепло 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

втечение года и мало зависит от температуры наружного воздуха. Тепловые нагрузки на горячее водоснабжение и технологические

нужды считаются круглогодовыми тепловыми нагрузками.

При проектировании систем теплоснабжения для существующих городов и поселков расчетные данные о сезонных тепловых нагрузках следует принимать из проектов отопления и вентиляции. При перспективном строительстве расчетные расходы тепла рекомендуется принимать из типовых проектов с соответствующей корректировкой по климатическим условиям района строительства.

При отсутствии проектных данных отопительные тепловые нагрузки зданий определяются одним из следующих методов:

1)расчетом теплопотерь через элементы ограждающих конструкций и добавления потерь на нагрев инфильтрационного воздуха [6];

2)расчетом теплопотерь по укрупненным показателям [6, 26];

3)определением теплообмена установленного в здании отопительно- вентиляционного оборудования [10].

Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции выполняется при необходимости более точного определения тепловых потерь, например, при расчетах, требующих составления теплового баланса здания и отдельных его помещений.

При отсутствии проектных данных отопительные тепловые нагрузки, как правило, определяются по укрупненным показателям.

Конечной целью расчетов теплового потребления является определение тепловых нагрузок (максимальных, текущих) объектов системы теплоснабжения на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, расчет и построение графиков тепловых нагрузок (суточных, годовых

ипо продолжительности).

7

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

1.2. Сезонные тепловые нагрузки

Величина и характер изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и др. Основное влияние на величину тепловой нагрузки оказывает наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха.

Расчет тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение теплопотребителей, присоединенных к источникам (ТЭЦ, котельная), предшествует тепловому расчету источников систем теплоснабжения и гидравлическому расчету тепловых сетей. Расчет тепловых нагрузок может проводиться как по укрупненным показателям [6, 26], так и на основании расчета теплопотерь отапливаемых помещений [10, 16]. Точность расчета тепловых нагрузок будет определять достоверность результатов расчета системы теплоснабжения в целом.

1.2.1. 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 от системы отопления. Условие теплового равновесия здания может быть выражено в виде равенства

Qос = Qт +Qи = Qо +Qтв, МВт (Гкал/ч),

(1.1)

где Qос – суммарные тепловые потери здания;

Qт – теплопотери теплопередачей через наружные ограждения; Qи – теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение

через неплотности наружных ограждений холодного воздуха; Qо – подвод тепла в здание через отопительную систему; Qтв – внутренние тепловыделения.

Суммарные тепловые потери здания можно представить в виде

Qос = Qт(1), МВт (Гкал/ч),

(1.2)

8

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

где μ = Qи – коэффициент инфильтрации, представляющий собой от-

Qт

ношение теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям теплопередачей через наружные ограждения.

Коэффициент инфильтрации μ зависит от типа зданий, герметичности наружных ограждений, свободной высоты здания (не разделенной между этажами перекрытиями), внутренней и наружной температуры воздуха и скорости ветра.

Коэффициент инфильтрации определяется по формуле

 

 

2

 

 

 

Tн

,

(1.3)

μ = b 2gL 1

T

+ wв

 

в

 

 

 

где L – свободная высота здания (для жилых и общественных зданий – высота этажа), м;

tв, tн – внутренняя и наружная температура воздуха, °С; g – ускорение свободного падения, м/с2;

wв – скорость ветра, м/с;

b – постоянная инфильтрации, c/м.

Постоянная инфильтрации b представляет собой долю увеличения теплопотерь здания на 1 м/с скорости инфильтрации. При отсутствии опытных данных можно для ориентировочных расчетов принимать значения из табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения постоянных коэффициентов b

Тип зданий

1Для отдельно стоящих промышленных зданий с большими световыми проемами

2Для жилых и общественных зданий с двойным остеклением при сплошной застройке кварталов

b, c/м

35.10–3÷40.10–3

8.10–3÷10.10–3

Основную величину тепловых потерь представляет первое слагаемое в формуле (1.1) – Qт, которое определяется по формуле [6]

Qт = (tв tн)V ×

 

(1.4)

× P [kc + ϕ(k ок kс)]+

1

[ψ1kпт + ψ2 kпл] , МВт(Гкал ч),

L

S

 

где V – объем здания по наружному обмеру, м3;

9

Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

P – периметр здания в плане, м;

S – площадь здания в плане, м2; L – высота здания, м;

kc, tок, kпт, tпл – соответственно коэффициенты теплопередачи стен, окон, потолкаверхнегоэтажа, поланижнегоэтажа, Вт/м2·°С(ккал/м2·ч·°С); ϕ – коэффициент остекления, т. е. отношение площади окон к пло-

щади вертикальных ограждений; ψ1, ψ2 – поправочные коэффициенты на расчетный перепад темпе-

ратур для верхнего (ψ1 = 0,75÷0,9) и нижнего (ψ2 = 0,5÷0,7) горизонтальных ограждений здания.

Выражение, взятое в формуле (1.4) в фигурные скобки, называется удельной теплопотерей здания и обозначается qo Вт/(м3·°С) (ккал/м3·ч·°С). С учетом инфильтрации выражение (1.4) для определения Qт записывается в виде

Qт = (1)qоV (tвр tн), МВт (Гкал/ч),

(1.5)

Для жилых и общественных зданий максимальное значение коэффициента инфильтрации в большинстве случаев не превосходит 3÷6 %, что лежит в пределах точности расчета тепловых потерь. В некоторых случаях для упрощения инфильтрацию не вводят в расчет, т. е. принимают μ = 0. Для учета инфильтрации принимают величину удельных тепловых потерь qо с небольшим запасом.

Тепловые потери инфильтрацией промышленных зданий составляют заметную величину, нередко достигающую 25÷30 % тепловых потерь через наружные ограждения, и ее необходимо учитывать при расчете. Подробные методики расчета тепловых потерь через наружные ограждения приводятся в [10, 16].

Тепловые потери Qт через наружные ограждения при отсутствии проектных данных определяются по укрупненным показателям: общей площади F [26] или наружному объему здания Vн [6, 16], соответственно по формулам (1.6) и (1.7). Максимальный тепловой поток на отопление жилых и общественных зданий без учета инфильтрации

Qорf =qof F(1+ K1 )106 , МВт (Гкал/ч);

(1.6)

Qорv qоvV н(tвр tор)106 , МВт (Гкал/ч),

(1.7)

где qof , qov – соответственноудельныйтепловойпоток, Вт/ м2 (ккал/ч·м2),

на отопление 1 м2 общей площади, удельная отопительная характеристика, Вт/( м3· К ), (ккал/(м3 · ч ·°С));

10