Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

лн

А- А

2

Ж

ШЩ Жуул

(6HC6;

ж

3

4

ш

ът

2

'

тй;

ж

ж

444

ж

ш Шг ж

/

<

У7л

м и

(0

А

5Л

А

5

Vи,

жшт

шУЖ

'АЗ/////////////// ш

ГМ

ж

м

,тШ

7ш

|б<рм!

Н\

7

-

ШГТТТТ +

2й

Й

1

8

; @

Д. д

1

6 ЬЛ

М

о-

*

1

%

и

2

2 2

/E

1

^

>

#/ ^ I

ьГ

' 510

C

//0// ///

// 7/0%

770

4

8A. 13.1. Газовая отопительная печь: 1 - рассекатель; 2 - заслонка; 3 - герметичная дверка;

4 - путь движения продуктов сгорания газа; 5 - сборные коллекторы; 6 - кирпичи насадки;

	7 - топливник; 8 - горелка
	ЯУ 12		4	А	А
Г\У- АН				-		7\	8
		Г)		5\6\
Т			I		^	: -	149
							I
			&				&
							8
	О		I				0
	' П
	о-		-				Й
		3					1 1011
			-				I
	* «г	7					I
							V
					5 3 3		&N

Рис. 13.2. Отопительная газовая печь заводского изготовления: 1 - корпус печи; 2 -

поддувало; 3 - горелка; 4 - выходной патрубок; 5 - тепловая изоляция из шлаковаты; 6 - за-

слонка; 7 - крышка; 8 - муфта; 9 - металлическая полая камера; 10 - съемная оправа; 11 -

смотровое стекло; 12 - терморегулятор

401

§13.4. Газовоздушные теплообменники

Всистемах воздушного отопления (см. гл. 10) воздух может нагреваться в газовоздушных теплообменниках, когда теплота продуктов сгорания газа частично или полностью пере-

дается холодному воздуху. При теплопередаче через стенку КПД прямоточных или ре-

циркуляционных газовоздушных теплообменников составляет 70...90 %,а при нагревании

воздуха в результате непосредственного смешения с продуктами сгорания газа КПД сме- сительных теплообменников возрастает до 100 %.

Особое значение такие воздухоподогреватели приобретают при отоплении объектов на

севере России, где при низкой температуре наружного воздуха возможны замерзание теп-

лоносителя и длительная остановка систем водяного отопления, что приносит большой экономический и социальный ущерб.

Прямоточные или рециркуляционные газовоздушные теплообменники могут быть

мощностью до 6 МВт (рис. 13.5). В этом теплогенераторе установлена вихревая газовая

горелка. Из камеры сгорания газы по радиальному каналу поступают в кольцевой тепло-

обменник, откуда через дымовую трубу удаляются в атмосферу. Стенки кольцевого теп- лообменника с обеих сторон омываются нагреваемым воздухом, нагнетаемым радиаль-

ным вентилятором. Воздух в количестве до 16000 м3/ч, не смешиваясь с продуктами сго-

рания, нагревается на 100...ПО °С и поступает в систему воздушного отопления. Теплоге-

нератор снабжен системой автоматики, которая обеспечивает двухступенчатое регулиро- вание тепловой мощности (50 и 100 % номинальной нагрузки). Автоматика безопасности предусматривает автоматический пуск теплогенератора и аварийное отключение газа.

		/\		продукты сгорания
		^		4
				5	6 7 8 9 ] 0
3			ч •/		т
ХТ Ёи
	"		/
.			фодукты				[цГ
/		^сгорания				^ 2
		4		'		ь	ГО
			I		I

1

Рис. 13.5. Газовоздушный теплообменник: 1 - газовая горелка; 2 - воздушный патрубок горелки; 3 - радиальный вентилятор; 4 - дымовая труба; 5 - камера сгорания; 6 - кольцевой теплообменник; 7 - винтообразная перегородка; 8 - проволочная сетка; 9 - экран; 10 - на- ружный кожух

Смесительные газовоздушные теплообменники (рис. 13.6) применяют для совместного

отопления и вентиляции производственных помещений, когда вентиляционная тепловая

нагрузка превышает отопительную, что характерно для большинства промышленных зда-

ний. Смесительные воздухонагреватели находят широкое применение в качестве децен-

402

трализованных теплоисточников. В помещения подают смесь наружного воздуха с про-

дуктами сгорания газа, причем рециркуляция воздуха исключается.

В смесительных воздухонагревателях газ можно сжигать при небольшом коэффициенте

избытка воздуха (1,05... 1,2), а продукты сгорания далее смешивать с потоком холодного воздуха (рис. 13.6, а). Можно сжигать непосредственно в потоке нагреваемого воздуха,

при этом коэффициент разбавления продуктов сгорания воздухом определяется темпера-
турой нагреваемого воздуха (рис. 13.6, б .
				)
а) холодный воздух					б)
газ	\		4П	:>	X			I
		3			'7м)
воздух	1 >				о
				/	л		I
^у? /			г	/'' 7. '				/у
	*		^/ ^~< { /			I
	7		2		газ			нагретая
								смесь

Рис. 13.6. Принципиальные схемы смесительных газовоздушных теплообменников: а - с

разбавлением продуктов сгорания в специальной камере; б - со сжиганием газа непосред-

ственно в потоке воздуха; 1 - блок газовых горелок; 2 - камера смешения; 3 - радиальный

вентилятор

Чаще применяют теплообменники второго типа. Смесительные воздухонагреватели из-за

того, что температура наружного воздуха переменна, имеют широкий диапазон регулиро-

вания. В нагревателях установлены диффузионные горелки (без предварительного смеше- ния газа с воздухом). Все нагреватели оснащены автоматикой регулирования температуры

смеси, а также автоматикой безопасности.

Основные достоинства смесительных теплообменников - практически полное использова-

ние химической теплоты сжигания газа (КПД около 100 %), значительное снижение за-

трат на сооружение котельных и тепловых сетей из-за уменьшения их мощности и протя-

женности. Основной недостаток - повышенное содержание вредных веществ (в основном СО) в воздухе, подаваемом в помещение.

Впроизводственных и вспомогательных зданиях промышленных предприятий подобные теплообменники применяют также в качестве первой ступени нагревания воздуха (с по-

следующим догреванием его до требуемой температуры в водяных калориферах) или вто-

рой ступени нагревания воздуха после первичного нагревания в утилизаторах теплоты

выбросного вентиляционного воздуха.

§13.5. Газовоздушное лучистое отопление

Всистеме газовоздушного отопления с излучателями функцию отопительных приборов выполняют теплоизлучающие трубы, проложенные в верхней зоне (не ниже 5 м от по-

верхности пола) помещения (рис. 13.7). Внутри замкнутого контура теплоизлучающих труб циркулирует смесь нагретого воздуха с продуктами сгорания. Теплоотдача с поверх-

ности труб в помещение происходит преимущественно излучением (до 60 %).

403

I

31

г

г

2

Рис. 13.7. Система газовоздушного отопления с теплоизлучающими трубами в межфер-

менном пространстве цеха: 1 - теплоизлучающие трубы; 2 - теплогенератор; 3 - теплоизо-

ляция; 4 - козырьки

Излучатели собирают на фланцах из тонкостенных стальных труб (толщина стенки 0,7

мм) диаметром 400 мм и длиной 6 м. Для уменьшения теплопотерь в верхнюю зону по-

мещения теплоизлучающие трубы покрывают сверху теплоизоляцией, а сбоку устанавли-

вают продольные вертикальные стальные экраны (козырьки).

Смесь воздуха с продуктами сгорания газа проходит через теплогенератор. Принципиаль-

ная схема движения потоков в теплогенераторе показана на рис. 13.8. Охладившийся в системе отопления до температуры 80...90 °С теплоноситель в теплогенераторе разделяет-

ся на два потока. Основной смешивается с новой порцией продуктов сгорания газа. Газ сгорает в дутьевой горелке, которая может работать с переменным коэффициентом расхо-

да воздуха. Далее нагретая смесь с температурой до 340 °С поступает в систему отопле-

ния. Другая часть теплоносителя в объеме, равном объему продуктов сгорания, проходит

через теплоутилизатор (ТУ) и выбрасывается в атмосферу. В ТУ за счет теплоты теплоно-

сителя нагревается воздух, забираемый из помещения и направляемый в горелку для сжи-

гания газа. При этом несколько снижается расход газа и повышается КПД установки (до

96 %).

Преимущества газовоздушного лучистого отопления по сравнению с воздушным отопле-

нием: экономия тепловой энергии за счет уменьшения градиента температуры по высоте

помещения, возможность снижения температуры воздуха в рабочей зоне при сохранении

условий теплового комфорта, автономность, не замерзаемость, удобство регулирования.

404

л-*СнСТеччы	продукты	в систему
отопления	егорання	отопления
		П	—
*			*
			*
	I
*			*
*

газ

! / Г

	воздух	3
	К1 цеха

ПрОЛук-ТЬ! сгорания

. , п атмосферу

Рис. 13.8. Принципиальная схема движения газовоздушных потоков в теплогенераторе: 1 -

газовая горелка; 2 - дутьевой радиальный вентилятор; 3 - теплоутилизатор

§ 13.6. Газовое лучистое отопление

Отопительными приборами в этой системе отопления являются горелки инфракрасного излучения. Систему лучистого отопления наиболее целесообразно применять в больших

помещениях со значительными тепло-потерями. Особенно эффективна она при обогрева-

нии частично или полностью открытых рабочих площадок (монтажных, сборочных, от- крытых стоянок автомобилей и т.д.). Небольшие размеры и масса инфракрасных горелок делают их удобными для размещения в отапливаемых помещениях. Их теплопередающая

поверхность по площади почти в 10 раз меньше, чем площадь нагревательной поверхно-

сти отопительных приборов водяного отопления. Газовое лучистое отопление применяет-

ся также в различных сельскохозяйственных и складских помещениях. Существуют сис- темы газолучистого отопления крупных сборочных, прокатных и литейных цехов маши-

ностроительных заводов.

На рис. 13.9 показана унифицированная газовая горелка инфракрасного излучения тепло-

вой мощностью 3,7...4,4 кВт. Излучающая огнеупорная огневая насадка горелки собрана

из 10 керамических плиток размером 65x45x12 мм каждая. В каждой плитке имеется

большое количество (около 1000) цилиндрических каналов диаметром 1,5 мм.

Применяется горелка эжекционного типа для газа низкого давления с полным предвари-

тельным смешиванием газа и воздуха. Газ, выходя из сопла, засасывает окружающий воз-

дух в количестве, необходимом для полного сжигания, и перемешивается с ним в смеси-

теле.

Газовая смесь после диффузора смесителя поступает в распределительную камеру отно-

сительного большого объема. Скорость потока смеси значительно уменьшается, чем обес-

печивается почти одинаковое статическое давление на внутреннюю поверхность плиток.

При этом газовоздушная смесь движется с примерно равной скоростью во всех огневых

цилиндрических каналах и, следовательно, создает факелы одинаковой длины.

405

При работе горелки керамические плитки прогреваются на некоторую глубину и подогре-

вают газовоздушную смесь в огневых каналах. Газовоздушная смесь сгорает в тонком

слое над наружной поверхностью плиток, которая разогревается примерно до 850 °С. Ме-

таллическая сетка, расположенная над керамическим излучателем, при работе горелки на-

гревателя становится сама дополнительным излучателем и, кроме того, служит стабилиза-

тором горения, предотвращая отрыв пламени.

ж	2
	ТГЩ ЛТТТ ТПЛ'1'1>~ ттг'~ '"' н и -1 --УгТТтТТ ЛX

*** 1 1 1 1 у оо

ХШ7

5	4	3	*

	275	газ
у.		1

Гч	9 Г	V
	сМ ,5
		о*
	,	45
		*	Г’
			оС

Рис. 13.9. Газовая горелка инфракрасного излучения: 1 - излучатель; 2 -сетка; 3 - сопло; 4 - смеситель; 5 - кронштейн

При температуре излучающей поверхности 850 °С около 60 % теплоты, выделившейся

при сгорании газа, передается излучением, в основном, в виде инфракрасных лучей с дли-

ной волны 2,5...2,7 мкм.

Расчеты систем отопления с излучающими -горелками для помещений различного назна-

чения могут значительно отличаться. Так, для помещений с мало- или не теплоемкими ог-

раждающими конструкциями, а также для отопления рабочих мест на открытом воздухе или в случае зонного обогрева отопительную нагрузку можно определить по условию

комфортной облученности человека. В остальных случаях нагрузку следует определять с учетом теплопотерь помещения и лучисто-конвективного теплообмена системы отопле- ния с помещением.

При инфракрасном отоплении сельскохозяйственных помещений существенное значение имеет плотность облученности животных, растений, а также обслуживающего персонала,

которая не должна превышать 348 Вт/м2. При превышении этого значения влияние радиа-

406

ционных теплоизбытков уменьшают воздушным душированием с подачей наружного воз-

духа на места постоянного пребывания работающих.

Размещение горелок (число рядов, расстояние между горелками в ряду, высоту их подвес-

ки над полом, угол наклона горелок) определяют исходя из норм облученности и в зави-

симости от типа горелок.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1. В помещениях, где установлены газовые приборы, необходима вытяжная вентиля-

ция. Из какой зоны помещения (верхней или нижней) необходимо удалять больше воздуха при использовании природного газа или паров сжиженного газа?

2. Для повышения КПД агрегатов, в которых сжигается топливо, необходимо макси-

мально снижать температуру уходящих газов. Почему для газовых нагревателей

температура продуктов сгорания на выходе из аппарата должна быть: при эксплуа-

тации в районах с умеренным климатом - не менее 110 °С, а в районах с холодным

климатом - не менее 200 °С?

3. Зачем в нижней части двери помещения, где устанавливают газовые водонагрева-

тели (например, кухни), нужно предусматривать решетку или зазор между дверью

и полом с определенной площадью?

4. Исходя из стехиометрического уравнения реакции горения, определите теоретиче-

ски необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 метана (Уо, м3 воздуха/м3

газа), приняв состав воздуха: 79 % азота и 21 % кислорода.

5. Для смесительного газового воздухонагревателя, пренебрегая потерями в окру-

жающую среду, можно считать, что теплота смеси нагретого наружного воздуха и

продуктов сгорания газа ()см, равна сумме химической теплоты газа ()г и теплоты,

вносимой наружным воздухом ()в. Следовательно, уравнение теплового баланса

имеет вид: <3Г + <3В = Сем- Из этого уравнения получите выражение для коэффици-

ента разбавления К - отношения объема нагреваемого воздуха к объему воздуха,

необходимого для сжигания газа в стехиометрических условиях. При выводе мож-

но принять, что объемные теплоемкости воздуха и смеси примерно равны.

6. Определите значение коэффициента разбавления (см. и. 5) для газовых воздухонаг- ревателей, работающих в климатических условиях Москвы, Норильска, Новорос- сийска, при сжигании природного газа (0СН =36000 кДж/м3, Уо=9,5 м3/м3). Темпе-

ратура смеси на выходе из нагревателя 1см=+25 °С, средняя теплоемкость воздуха и

смеси с=1,25 кДж/(кг-°С).

7. Сколько выделяется водяных паров и СО2 (м3/ч) в помещение, где установлена од- на горелка инфракрасного излучения, работающая на природном газе (метане)?

ГЛАВА 14. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОТОПЛЕНИЕ

§ 14.1. Общие сведения

При электрическом отоплении получение теплоты связано с преобразованием электриче-

ской энергии. По способу получения теплоты электрическое отопление может быть с

прямым преобразованием электрической энергии в тепловую и с трансформацией элек-

тричества в теплоту в тепловых насосах.

Системы электрического отопления подразделяются на местные, когда электроэнергия преобразуется в тепловую в обогреваемых помещениях или в непосредственной близости от них, и центральные, например, с электрокотлами.

407

По степени использования электроэнергии для отопления различают системы с полным

покрытием отопительной нагрузки и с частичным ее покрытием (комбинированное ото-

пление, § 14.5) в качестве как фоновой (базисной), так и догревающей частей системы.

Системы электрического отопления могут работать по свободному и вынужденному (на-

пример, только ночью) графикам.

Достоинствами систем электрического отопления являются высокие гигиенические пока-

затели, малый расход металла, простота монтажа при сравнительно небольших капиталь-

ных вложениях, транспортабельность, управляемость в широких пределах с автоматиза-

цией регулирования. Возможность гибкого управления процессом получения теплоты по-

зволяет создавать системы отопления, быстро реагирующие на изменение теплопотребно-

сти помещений.

К недостаткам электрического отопления относят, в первую очередь, неэкономичное ис-

пользование топлива, высокую температуру греющих элементов, повышенную пожарную

опасность, хотя в последние годы у применяемых отопительных приборов и греющих ка-

белей значительно снижена опасность возгорания. Распространение электрического ото-

пления в стране сдерживается также ограниченным уровнем выработки электроэнергии.

Отпускная стоимость энергии высокая из-за значительных капитальных вложений в элек-

тростанции и линии передач, потерь при транспортировании.

Полное электроотопление зданий требует значительного расхода электроэнергии. Годовой расход электроэнергии для отопления 100 м2 площади гражданского здания постройки до 90-х годов колеблется от 35 на юге страны до 125 ГДж на севере.

Для уменьшения расхода топлива целесообразно применять отопительные установки с использованием тепловых насосов. Так, коэффициент использования топлива при отпуске

теплоты потребителю у различных источников теплоснабжения меняется в следующих

пределах: от ТЭЦ 68...75 %, от котельных мощностью более 60 МВт 66...73 %, от котель-

ных мощностью менее 60 МВт 58...70 %, от автономных котлов отечественных 65...75 %,

от автономных котлов импортных 85...99 %, при электрическом отоплении с приборами

прямого преобразования в теплоту 25...45 %, при электрическом отоплении с тепловыми

насосами 65...75 %. То есть тепловые насосы имеют приблизительно такой же коэффици-

ент использования топлива как отопление от ТЭЦ или отечественных автономных котель- ных.

Целесообразность применения электрического отопления в конкретном случае определя-

ют путем сравнения технико-экономических показателей различных вариантов отопления здания. При сравнении исходят из стоимости топлива или электроэнергии с учетом их

транспортирования и потерь при этом, коэффициента использования топлива, стоимости

сооружения и эксплуатации систем отопления и теплоснабжения. Принимают также во

внимание возможность регулирования теплоотдачи приборов и понижения температуры

помещения в нерабочее время. Оценивают улучшение социально-гигиенических условий

при применении электроотопления. Высокая транспортабельность создает условия для использования электрической энергии в системах отопления зданий и сооружений в труд-

нодоступных районах, не имеющих других источников теплоты, а отсутствие продуктов

сгорания - в экологически чистых зонах. В современных условиях применение электриче-

ского отопления экономически целесообразно в районах расположения крупных гидро-

станций, а также при отсутствии местного топлива (отдаленные районы Восточной Сиби-

ри, Крайнего Севера). Используется электроэнергия для отопления рассредоточенных по- требителей сельских районов страны.

408

В современных условиях сниженного потребления электроэнергии промышленностью электроотопление довольно часто применяется в городских зданиях для дополнительного отопления в межсезонье и при отсутствии газовых сетей в загородных коттеджах в каче- стве единственного источника теплоты.

Большое распространение получили электрические воздушно-тепловые завесы в общест- венных зданиях.

§ 14.2. Электрические отопительные приборы

Электрические приборы с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую,

как и обычные отопительные приборы, подразделяют по преобладающему способу тепло-

отдачи на радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. При температуре греющей поверхности ниже 70 °С их относят к низкотемпературным, выше 100 °С - к вы-

сокотемпературным.

Электроотопительные приборы могут быть стационарными и переносными (напольными, настольными, настенными, потолочными); безынерционными и с аккумуляцией теплоты; нерегулируемыми и со ступенчатым, бесступенчатым и автоматическим регулированием. В зависимости от конструкции электрические отопительные приборы называют электро- конвекторами, электрокалориферами, электротепловентиляторами. Выпускают также электрические печи, электрические воздушно-тепловые завесы, подвесные панели, грею- щие обои, панели с греющим кабелем.

Панели электрического отопления с греющим кабелем делают совмещенными со строительными конструкциями и приставными к ним.

По принципу тепловыделения нагревательные кабели, используемые в панельном отопле- нии, относятся к резистивным. У резистивных кабелей теплота выделяется нагреватель-

ной жилой, окруженной изоляцией, экранами и защитными оболочками. Они могут запи-

тываться с двух или одного конца (двухжильные кабели). Преимуществами таких кабелей является простота конструкции, высокая технологичность (монтаж нагревательных сек- ций на объекте занимает мало времени и несложен) и относительно низкая стоимость. Не-

достатком является необходимость использования секций строго заданной длины.

Исполнение нагревательных кабелей отличается наличием или отсутствием, а также мате- риалом изоляции, защитного экрана и наружной оболочки. Исполнение кабеля определяет

уровень защищенности кабеля от влияния окружающей среды и его рабочую температуру.

Кабели, применяемые для панельного отопления, считаются низкотемпературными, так

как температура греющей жилы в них не превышает 100 °С.

Нагревательная жила в зависимости от требуемого электрического сопротивления, со-

стоящая из одной или нескольких проволок, изготавливается из специальных сплавов,

оцинкованной стали, латуни, меди, алюминия. Электрическое сопротивление современ-

ных кабелей, использующихся в панельном отоплении, лежит в пределах 0,041...20 Ом* м. Обычно кабель имеет поверх нагревательной жилы один или два слоя изоляции из пла- стика, защитный экран в виде оплетки из медной проволоки сечением 1 мм2 и наружную оболочку из поливинилхлоридного пластика или полиэтилена. Сопротивление изоляции приблизительно равно 1>< 105 МОм* м. Для усиления механической защиты и снижения ге- нерируемых электромагнитных полей применяется так называемый бронированный ка- бель, у которого оплетка выполнена из отожженной медной проволоки. Защитный экран

кабелей должен быть подключен к заземляющему контуру здания (или к нулевому прово-

409

ду). Одножильные кабели бывают круглыми диаметром от 5 до 7 мм, а двухжильные, как

правило, овальными размерами около 5,3Х 7,6 мм.

Современные греющие кабели имеют токопроводящую жилу, выполненную из материа-

лов, обладающих низким температурным коэффициентом сопротивления, что значитель-

но упрощает тепловые расчеты. В настоящее время разработана принципиально новая

конструкция кабеля, теплоотдача которого определяется только напряжением питания. В

этих саморегулирующихся кабелях теплота выделяется в полупроводящей пластмассе, за-

полняющей пространство между двумя токопроводящими жилами.

При повышении температуры сопротивление пластмассы возрастает и тепловыделение падает, благодаря чему создается эффект саморегулирования. Конструкция окружена

электроизолирующими и защитными оболочками и экранами и запитывается с одного конца. Большим преимуществом такого кабеля является возможность использования про-

извольными длинами, отрезаемыми по месту. При таких кабелях необходимая плотность

теплового потока будет достигаться варьированием шага их раскладки. Саморегулирую-

щиеся кабели не перегреваются и не перегорают. Недостатком кабеля следует считать большой стартовый ток, превышающий номинальный в 1,5...2 раза. Кроме того, к недос-

таткам относят невозможность обеспечить форсированный обогрев. Саморегулирующий- ся кабель довольно дорог. Но при серийном производстве цена возможно будет снижена.

Резистивные кабели имеют линейную мощность от 15 до 25 Вт/м. Рекомендуется устрой-

ство шага раскладки кабеля с таким расчетом, чтобы поверхностная мощность системы не

превышала 150 Вт/м2 у малоинерционных панелей и 200 Вт/м2 у аккумулирующих тепло-

ту. Шаг раскладки кабеля должен лежать в пределах 10...20 см. При этом, как правило,

допускается минимальный радиус изгиба кабеля 150 мм. Нагревательные секции при из-

менении длины от 5 до 125 м увеличивают свою мощность приблизительно от 100 до 2500 Вт. Появились секции греющего кабеля, закрепленные на пластиковой сетке. Плоскост-

ные секции на сетке выполняются различной длины шириной 0,5 м.

Сейчас наибольшее распространение получили напольные системы электроотопления,

при которых кабель или провод закладывается в междуэтажное перекрытие. На рис. 14.1

показаны варианты такой конструкции.

410