Виды теплоносителей, и их характеристики.

Задание №1

 

Виды теплоносителей, и  их характеристики.

 

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 (полифенолы 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.

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 при 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 притом 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 теплоаккумуляционной 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 теплоотдающей 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 с теплопотерями 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №2

 

Лучистое  отопление, преимущества и недостатки.

Панельно-лучистым называется отопление помещения панелями, при  котором средняя температура  всех поверхностей, обращенных в помещение, превышает температуру воздуха. Как видно из определения, отопление  относится к панельно-лучистому  по совокупности двух признаков. Первый признак — необходимый, но не достаточный  — система отопления должна быть панельной, т. е. с отопительными  приборами, имеющими сплошную гладкую  нагревательную поверхность. Второй признак  — панельное отопление должно создавать в помещении температурную  обстановку, характерную для лучистого  способа обогрева

Системы панельно-лучистого  отопления могут быть центральными и местными.

К местному относится отопление  высокотемпературными приборами (панелями и плафонами с отражательными экранами): Для нагревания приборов используются электрическая энергия  и горячие газы (температура поверхности  до 800—850° С).

Для центрального панельно-лучистого  отопления с теплоносителями  водой, паром и воздухом, рассматриваемого в данной главе, характерно использование  инфракрасного излучения при  сравнительно низкой температуре поверхности  панелей (обычно ниже 100°С).

При панельно-лучистом отоплении  помещение обогревается главным  образом за счет лучистого теплообмена  между греющей панелью и поверхностью ограждений. Излучение от панели, попадая  на поверхность ограждений и предметов, частично поглощается, частично отражается. При этом возникает так называемое вторичное излучение, в конце  концов, тоже поглощаемое предметами и ограждениями помещения.

интенсивность облучения  отопительной панелью различных  ограждений помещения характеризуется, полученными при замерах освещенности облучаемых поверхностей световой моделью  панели.

Из таблицы видно, что  ограждение, в плоскости которого установлена отопительная панель, получает путем вторичного излучения 9—12%' общего лучистого потока.

Благодаря лучистому теплообмену  повышается температура внутренней поверхности всех ограждений по сравнению  с температурой при конвективном отоплении, а температура поверхности  внутренних ограждений в большинстве  случаев превышает температуру  воздуха помещения.

Отопительная панель является составной частью ограждающих конструкций  и может быть размещена в потолке, полу, «внутренних или наружных стенах помещения. Поэтому система панельного отопления соответственно называется потолочной, напольной или Стековой. Местоположение панели выбирается на основании технологических, гигиенических  и технико-экономических соображений.

Передача тепла только излучением возможна лишь в безвоздушном пространстве. В помещении лучистый теплообмен всегда сопровождается конвективным. Теплоизлучения распределяются по поверхности ограждений неравномерно: пропорционально косинусу угла направления излучения к нормали излучающей поверхности. При этом вследствие различия температуры поверхностей возникает движение воздуха в помещении, которое усиливается благодаря развитию нисходящих потоков воздуха у охлаждающихся поверхностей. В результате отопительная панель часть тепла передает конвекцией воздуху, перемещающемуся у ге поверхности.

 

 

Размещение -отопительной панели в потолке затрудняет конвективный теплоперенос, и в теплопередаче панели теплообмен излучением составляет 70—75%. Греющая панель в полу активизирует теплоперенос конвекцией, и на долю теплообмена излучением приходится всего 30—40%. Вертикальная панель в стене в зависимости от высоты передает излучением 30—60% всего тепла, причем доля теплообмена излучением возрастает с увеличением высоты панели.

Лишь потолочное панельное  отопление, во всех случаях передающее в помещение излучением более 50% тепла, могло быть названо лучистым. При напольном отоплении, а также  почти всегда при стеновом в общей  теплопередаче панелей преобладает  конвективный теплоперенос. Однако способ отопления — лучистое оно или  конвективное — характеризуется  не доминирующим способом подачи тепла, а температурной обстановкой  в помещении 

Действительно, при низкотемпературных (25—35°С), а следовательно, развитых по площади потолочных и напольных панелях увеличивается температура поверхности ограждений помещения и способ обогревания всегда относится к лучистому. При стеновых же панелях в зависимости от их размеров и температуры поверхности способ отопления помещения может быть отнесен и к лучистому и к конвективному (если средняя поверхностная температура окажется ниже температуры воздуха). По общности конструктивной схемы и способа обогрева помещений потолочному, напольному и стеновому панельному отоплению дается общее наименование — панельно-лучистое.