Источники и системы теплоснабжения / Литература источники / teplosnabzhenie_lek_dubinin_07 / Дубинин лекции

Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет – УПИ

А. М. Дубинин

ИСТОЧНИКИ И СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебное пособие для студентов всех форм обучения

Научный редактор - д-р техн. наук, проф. Н. Ф.Филипповский

Екатеринбург

2007

УДК 697.34(075.8) ББК 31.35 я 73 В 60

Рецензенты: доц., канд. техн. наук Ю. В. Кузнецов (Инженернопедагогический университет); доц., канд. Техн. Наук С.В.Звягин (Уральская лесотехническая академия).

Дубинин А. М.

Д 79 Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий: учеб. пособие / А. М. Дубинин. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2007. 161 с.

ISВN 5-274-00523-3

Учебное пособие составлено на основании ГОС специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика и 140106 – Энергообеспечение предприятий. Представляет собой краткое содержание курса лекций, который читается студентам на 6, 7 и 8 семестрах.

Подробно рассмотрены вопросы теплопотребления промышленными предприятиями, гидравлического и теплового расчета тепловых сетей. Приведены тепловые схемы производственных котельных и теплоэлектроцентралей, методика их расчета и выбора основного и вспомогательного оборудования, регулирования тепловой мощности, отпускаемой теплопотребителям. Рассмотрены вопросы энергосбережения в системах теплоснабжения.

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика и 140106 – Энергообеспечение предприятий.

Библиогр.: 36 назв. Табл. 4. Рис. 34.

Подготовлено кафедрой промышленной теплоэнергетики

	УДК 697.34(075.8)
	ББК 31.35 я 73
ISВN 5-274-00523-3	© Уральский государственный
	технический университет-УПИ, 2007
	©А. М. Дубинин, 2007

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..…5

1.КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ……………………………………………………..…6

2.СЕЗОННАЯ НАГРУЗКА ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ………………………..…7

2.1.Тепловые потери помещения.....…………………………..…………….…...7

2.2.Теплопотеря теплопередачей через наружные ограждения………….…....7

2.3.Теплопотеря инфильтрацией…………………………………………….…..9

2.4.Воздушные тепловые завесы…………………………………………….…..11

2.5.Внутренние тепловыделения в помещении………………………………..12

2.6.Расчет тепловой мощности на вентиляцию помещений………………….13

3.КРУГЛОГОДОВАЯ НАГРУЗКА ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ……………...…19

3.1.Расчет тепловой мощности на горячее водоснабжение бытовых теплопотребителей…………………………………………………………..19

3.2.Расчет тепловой мощности на горячее водоснабжение промышленными теплопотребителями…………………………………….20

3.3.Расчет тепловой мощности, отпускаемой промышленным паром…….....20

3.4.Расчет тепловой мощности, потребляемой системами кондиционирования воздуха (СКВ)…………………………………….…..21

4.РАСЧЕТ ГОДОВОГО ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ И РСХОДА ТОПЛИВА…...29

4.1.Годовое теплопотребление на отопление и вентиляцию…………………29

4.2.Годовой отпуск теплоты на горячее водоснабжение……………………...30

4.3.Годовой отпуск теплоты с промышленным паром………………………..31

4.4.Годовой расход натурального топлива источником….………………….31

5.ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ………………………..34

5.1.Расчет паропровода………………………………………………………….34

5.1.1.Предварительный расчет………………………………………………….35

5.1.2.Проверочный расчет……………………………………………………….36

5.2.Расчет водяных сетей………………………………………………...……...41

5.2.1.Предварительный расчет………………………………………………….45

5.2.2.Проверочный расчет……………………………………………………….46

5.3.Тепловой расчет магистральной тепловой сети…………………...………55

5.3.1.Расчет мощности тепловых потерь теплопроводом……………...……..55

5.3.2.Расчет толщины тепловой изоляции……………………………………..55

6.ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ВОДЯНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ………….56

7.РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ…….57

8.РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДЯНЫХ

ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ……………………………………………………………..59

8.1.Закрытые водяные тепловые сети…………………………………………..59

8.2.Открытые водяные тепловые сети……………………………………….....64

8.3.Расчет потокораспределения в сети, питаемой от нескольких источников………………………………………………………………..….65

3

9.ОБОРУДОВАНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ (ЦТП) И ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ (ИТП)………………………………………………………………...68

9.1.Закрытые системы теплоснабжения………………………………………..69

9.2.Открытые системы теплоснабжения…………………………...…………..71

10.РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ВНУТРИКВАРТАЛЬНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СЕТЯМИ………………….….72

11.СНБЖЕНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДОЙ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ………..…78

12.ИСТОЧНИКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ………………………………………………………84

12.1.Производственные и отопительные котельные…………………………..84

12.1.1.Котельные с паровыми котлами………………………………………...84

12.1.2.Водогрейная котельная…………………………………………………..91

12.1.3.Котельная с паровыми и водогрейными котлами……………………...97

12.1.4.Выбор основного и вспомогательного оборудования……...………….99

12.1.5.Энергетическая эффективность централизации теплоснабжения…..105

12.2.Промышленные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)…………………………107

13.РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ, ОТДАВАЕМОЙ ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЮ ОТ ИСТОЧНИКА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ……...135

14.ТОПЛИВОПОДАЧА И ЗОЛОШЛАКОУДАЛЕНИЕ……………………….139

15.МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКОНОМИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ……….143

Библиографический список………………………………………………………159

4

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий» предусматривает научить студента рассчитывать мощность тепловых потерь в окружающую среду зданиями и сооружениями теплопотребителей; прокладывать тепловые сети, по которым производится транспортирование тепловой энергии, необходимой для компенсации тепловых потерь зданиями теплопотребителей; рассчитывать тепловую изоляцию тепловых сетей; рассчитывать тепловые схемы источников теплоснабжения и выбирать оборудование; рассчитывать и выбирать оборудование центральных тепловых подстанций (ЦТП) и индивидуальных тепловых пунктов.

Принципиальная схема, включающая источники и системы теплоснабжения теплопотребителей показана на рис. 1.1.

Схема включает в себя

1 − теплопотребители. Это здания и сооружения, к которым требуется подводить тепловую мощность на отопление Qо, вентиляцию Qв, горячее водоснабжение Qгвс, промышленные цели Qп, кондиционирование воздуха Qконд; 2 – центральные тепловые подстанции и 2а – индивидуальные тепловые пункты, предназначенные для экономии затрат на привод сетевых насосов на источнике теплоснабжения; 3 – магистральные тепловые сети; 4 −

внутриквартальные тепловые сети; 5 – паровые тепловые сети; 6 − конденсатопровод для полного или частичного возврата конденсата от теплопотребителя к источнику теплоснабжения; 7 – источники теплоснабжения теплопотребителей.

К источникам теплоснабжения относятся котельные (паровые, водогрейные и пароводогрейные); теплоэлектроцентрали (ТЭЦ); теплоиспользующие установки вторичных энергетических ресурсов; тепловые насосы; геотермальные станции; гелиостанции.

5

Рис. 1.1. Принципиальная схема источников и систем теплоснабжения теплопотребителей.

1 – теплопотребители; 2, 2а – центральные тепловые подстанции и индивидуальные тепловые пункты; 3 – магистральные тепловые сети; 4 – внутриквартальные (распределительные) тепловые сети; 5 – паровые тепловые сети; 6 – конденсатопровод; 7 – источники теплоснабжения теплопотребителей (котельные, ТЭЦ и другие), где сжигается органическое топливо; 8 – ответвление от магистральной тепловой сети.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Тепловая нагрузка теплопотребителей делится на два вида: сезонная и круглогодовая.

К сезонной нагрузке относится отопительная и вентиляционная. Она переменна в течение отопительного сезона и зависит только от температуры наружного воздуха. Она начинается для бытовых потребителей тогда, когда

6

температура наружного воздуха становится ниже + 8°С в течение трех суток подряд и заканчивается, когда температура становится больше + 8°С в течение трех суток подряд.

Для промышленных предприятий отопительный сезон начинается тогда, когда мощность внутренних тепловыделений в цехах становится меньше мощности тепловых потерь в окружающую среду цехами, и заканчивается, когда мощность внутренних тепловыделений становится больше мощности тепловых потерь при некоторой температуре наружного воздуха.

К круглогодовой нагрузке относятся горячее водоснабжение, промышленное пароснабжение и кондиционирование воздуха. Перечисленные тепловые нагрузки обеспечиваются в течение всего года независимо от времени года.

2. СЕЗОННАЯ НАГРУЗКА ТЕПЛОПОТРЕБИТЕЛЕЙ

2.1. Тепловые потери помещения

Случай, когда известно назначение и объем помещения. Мощность тепловых потерь, кВт, в помещении рассчитывается так:

Qо =Qт + Qи ,

где Qт – мощность тепловыой потери через наружные ограждения теплопередачей, кВт; Qи – мощность тепловой потери, кВт, инфильтрацией (проникновение холодного воздуха в помещение через неплотности).

Разберем каждый член этой суммы по отдельности.

2.2. Теплопотеря теплопередачей через наружные ограждения

Ориентировочно мощность тепловой потери, кВт, теплопередачей через наружные ограждения можно определить так [6]:

Qтmax = qoβtV (tв − tн′)10−3 ,

7

где qo – удельная тепловая потеря здания, Вт / (м3 К), берется из таблицы [1, 6]

для расчетной температуры наружного воздуха tн = −30o С.

Если расчетная температура наружного воздуха tн′ отличается tн = −30o С,

то вводится поправочный коэффициент:

	βt	= 0,54 +		22
			tв	−tн′

V – объем помещения, м3, по наружному обмеру; t′н – расчетная температура наружного воздуха, °С. Она разная для различных климатических поясов. Это средняя температура наиболее холодных пятидневок из восьми наиболее холодных зим за пятидесятилетний период. Находится из таблицы [1, 33]. tв –

расчетная температура, °С, внутри помещений.

Согласно [31, 32] оптимальная (расчетная) температура внутри жилых,

общественных и административно-бытовых помещений принимается 20 - 22°С

(допускается принимать 18 - 22°С).

Оптимальная температура в производственных помещениях зависит от категории работ: при легкой работе принимается tв =21 - 24°С при средней тяжести от 17 до 20°С, при тяжелой работе 16 - 18°С (допускается от 13 до

19°С) [3].

При известных размерах помещения удельная тепловая потеря, Вт / (м3 К), рассчитывается из выражения [2]

qо	=1,08 P [K	н.с + d(Kо.к	+ Kн.с )]+	1	(0,9Kп.т	+ Kп.л )
	S			h

где Р, h – периметр (в плане) и высота помещения, м; S – площадь ( в плане), занимаемая помещением, м2; d – доля остекления помещения равна отношению площади оконных проемов к площади боковых стен; Кн.с; Ко.к; Кп.т; Кп.л – коэффициенты теплопередачи через наружные стены, оконные проемы,

потолок, пол, Вт / (м2 К), соответственно. В упомянутые коэффициенты теплопередачи входят термические сопротивления ограждающих конструкций

– / λ ( – толщина, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт / (м2 К),

8

материала ограждения. Следовательно, чем больше толщина стен и меньше коэффициент теплопроводности, тем меньше и тепловая потеря зданием в окружающую среду. Поэтому, наложение на стены зданий тепловой изоляции является эффективным способом уменьшения тепловой потери.

2.3. Теплопотеря инфильтрацией

Qи – мощность теплопотери инфильтрацией, кВт.

Инфильтрация – проникновение холодного воздуха в помещение через неплотности (щели). Qи – зависит от разности плотностей (температур) воздуха снаружи и внутри помещения, высоты помещения (или расстояния между этажами), площади щелей, динамического напора ветра.

Перепад давления, Па, создаваемый разностью плотностей ρн наружного

(холодного) и ρв внутреннего (теплого) воздуха и динамическим напором ветра – wв, м / с, равен:

(ρн −ρв )gh + wв2 ρн .

2

С другой стороны, этот перепад давления переходит в кинетическую энергию воздуха, попадаемого в помещение через неплотности:

ξwи2 ρн ,

2

где ρн, ρв – плотности наружного и внутреннего воздуха, кг / м3; g – ускорение свободного падения равно 9,8 м / с2; h – высота здания, м; ξ – коэффициент местного сопротивления щелей (открытых дверей); wи – скорость воздуха, попадающего в помещение, м / с, инфильтрацией.

Исходя из закона сохранения энергии, напишем равенство:

(ρн −ρв )gh + wв2 ρн = ξ wи2 ρн ,

2 2

из которого найдем wи:

9

w =	h2g(ρн −ρв )+ w2
и	ξρ	в
		н

Имея ввиду, что ρв / ρн = Тн / Тв запишем окончательное выражение для

wи, м/с:
		2gh			Т		2
wи	=			−		н		,
		ξ	1		Т		+ wв
						в
где Тн, Тв – температуры наружного				и	внутреннего воздуха, К;				1	=μ	–
									ξ

коэффициент расхода воздуха (μ = 0,1 - 0,05).

Запишем максимальную мощность тепловой потери, кВт, инфильтрацией:

Qиmax = wи ρн FщСв (tв −tн′),

где Fщ – площадь щелей в здании, м2; Св – удельная теплоемкость воздуха,

кДж / (кг К); tв и tн – температуры внутреннего и наружного воздуха, °С. Итак, максимальная мощность, кВт, тепловых потерь зданием:

Qо

=Qт

+ Qи

=Qт

+

max

,

1

Qтmax

max

max

max

max

Qи

ρн FщСв (tв −tн′)

1

max

ξ

Т

′

Qи

2

н

где

=

qo

βtV (tв

−tн′)10

−3 2gh 1

−

Т

+ wв

называется коэффициентом

max

Qт

в

инфильтрации и обозначается μ.

В последнем выражении коэффициент

1

ρн FщСв ξ qoβtV10−3

называется «постоянная инфильтрации», обозначается буквой «в» и измеряется в с / м.

Окончательно запишем:

μ= в 2gh 1 − Тн′ + wв2 .

Тв

10