36

рп – давление пара в котле, МПа;

h – вертикальное расстояние между уровнями конденсата – верхним в котле и нижним в баке, м (с запасом 1 м).

9.4. Гидравлический расчет паропроводов низкого давления

При движении пара по участку паропровода его количество уменьшается вследствие попутной конденсации, снижается также его плотность из-за потери давления. Снижение плотности сопровождается увеличением, несмотря на частичную конденсацию, объема пара к концу участка, что приводит к возрастанию скорости его движения.

Всистеме низкого давления при давлении пара от 0,005 до 0,02 МПа эти сложные процессы вызывают практически незначительные изменения параметров пара. Поэтому принимают, что расход пара постоянен на каждом участке, а плотность пара постоянна на всех участках системы. При этих двух условиях гидравлический расчет паропроводов проводят по уже известному способу расчета по удельной линейной потере давления, исходя из тепловых нагрузок участков.

Расчет начинают с ветви паропровода, ведущего к наиболее неблагоприятно расположенному отопительному прибору, каковым является прибор, наиболее удаленный от котла.

Для гидравлического расчета паропроводов низкого давления используют

таблицы (табл. II.4 и II.5 Справочника проектировщика [6]), составленные при удельном весе 0,634 кг/м3, соответствующей среднему избыточному давлению пара 0,01 МПа, и эквивалентной шероховатости труб kэ = 0,0002 м (0,2 мм).

Всистемах низкого и повышенного давления установлена во избежание шума предельная скорость пара: 30 м/с при движении пара и попутного конденсата в трубе в одном и том же направлении и 20 м/с при встречном их движении.

Для ориентации при подборе диаметра паропроводов вычисляют, как и при расчете систем водяного отопления, среднее значение возможной удельной линейной потери давления Rср, Па/м, по формуле:

где рп – начальное избыточное давление пара, Па;

∑lпар – общая длина участков паропровода до наиболее удаленного отопительного прибора, м;

рпр – необходимое давление перед вентилем концевого прибора, Па.

Для преодоления сопротивлений, не учтенных при расчете или введенных в систему в процессе ее монтажа, оставляют запас давления до 10% расчетной разности давления, т.е. сумма линейных и местных потерь давления по основному расчетному направлению должна составлять около 0,9(рп– рпр).

После расчета ветви паропровода до наиболее неблагоприятно расположенного прибора переходят к расчету ветвей паропровода до других отопительных приборов. Этот расчет сводится к увязке потерь давления на парал-

37

лельно соединенных участках основной (уже рассчитанной) и второстепенной (подлежащей расчету) ветвях. При увязке потерь давления на параллельно соединенных участках паропроводов допустима невязка до 15%. В случае невозможности увязки потерь давления применяют дросселирующую диафрагму (шайбу). Диаметр отверстия дросселирующей диафрагмы dд, мм, определяют по формуле:

где Qуч – тепловая нагрузка участка, Вт;

рд – излишек давления, подлежащий дросселированию, Па.

9.5. Гидравлический расчет паропроводов высокого давления

Расчет паропроводов систем повышенного и высокого давления проводят с учетом изменения объема пара при изменении его давления и уменьшения расхода пара вследствие попутной конденсации. В случае, когда известно начальное давление пара рп и задано конечное давление перед отопительными приборами рпр, расчет паропроводов выполняют до расчета конденсатопроводов.

Гидравлический расчет выполняют по способу приведенных длин, который применяется, когда линейные потери давления являются основными (80% и более), а потери давления в местных сопротивлениях сравнительно малы.

При расчете линейных потерь давления в паропроводах используют вспомогательную таблицу, составленную для труб с эквивалентной шероховатостью внутренней поверхности kэ = 0,2 мм, по которым перемещается пар, имеющий условно постоянную плотность 1 кг/м3 (избыточное давление такого пара 0,076 МПа, температура 116,2оС, кинематическая вязкость 21 10-6 м2/с). В таблицу внесены расход G, кг/ч, и скорость движения w, м/с, пара. Для подбора диаметра труб по таблице вычисляют среднее условное значение удельной линейной потери давления по формуле:

где ρср – средняя плотность пара, кг/м3, при среднем его давлении в системе

0,5(рп + рпр).

По вспомогательной таблице получают в зависимости от среднего расчетного расхода пара условные значения удельной линейной потери давления Rусл и скорости движения пара wусл. Переход от условных значений к действительным, соответствующим параметрам пара на каждом участке, делают по формулам:

где ρср.уч – действительное среднее значение плотности пара на участке, кг/м3, определяемое по его среднему давлению на том же участке.

Действительная скорость пара не должна превышать 80 м/с (30 м/с в системе повышенного давления) при движении пара и попутного конденсата в одном и том же направлении и 60 м/с (20 м/с в системе повышенного давления) при встречном их движении.

Таким образом, гидравлический расчет проводится с усреднением значе-

38

ний плотности пара на каждом участке, а не в целом для системы, как это делается при гидравлических расчетах систем водяного отопления и парового отопления низкого давления.

Потери давления в местных сопротивлениях, составляющие всего не более 20% общих потерь, определяют через эквивалентные им потери давления по длине труб. Эквивалентную местным сопротивлениям дополнительную длину трубы находят по формуле:

Значения dв /λ приведены в таблице II.7 Справочника проектировщика [6]. Видно, что эти значения должны возрастать с увеличением диаметра труб. Действительно, если, например, для трубы Dу = 15 мм dв /λ = 0,33 м, то для трубы Dу = 50 мм оно составляют 1,85 м. Эти цифры показывают длину трубы, при которой потеря давления на трение равна потере в местном сопротивлении с коэффициентом ξ = 1,0.

Общие потери давления руч на каждом участке паропровода с учетом эк-

где lприв = l + lэкв – расчетная приведенная длина участка, м, включающая фактическую и эквивалентную местным сопротивлениям длины участка.

Для преодоления сопротивлений, не учтенных при расчете по основным направлениям, оставляют запас не менее 10% расчетного перепада давления. При увязке потерь давления в параллельно соединенных участках допустима, как и при расчете паропроводов низкого давления, невязка до 15%.

В системах высокого давления в большинстве случаев гидравлический расчет паропроводов выполняют после расчета конденсатопроводов, в результате которого определяется давление перед отопительными приборами рпр (с проверкой его допустимости по температуре tп). Далее, если известно начальное давление пара рп в распределительном коллекторе, расчет паропроводов делают как указано выше. Если же давление рп не задано, то его находят, проводя расчет по предельно допустимой скорости движения пара.

9.6. Система пароводяного отопления

Пароводяную систему отопления применяют при централизованном теплоснабжении промышленного предприятия паром и необходимости устройства в одном из зданий водяного отопления.

Систему пароводяного отопления применяют также в верхней части высотных зданий, куда без больших затруднений может быть подан первичный теплоноситель – пар. При вертикальном подъеме пара – теплоносителя с малой плотностью – обеспечивают лишь отведение попутно образующегося конденсата. Конденсат удаляется через конденсатоотводчики в конденсатопровод, по которому стекает конденсат из вышерасположенного теплообменника. Так устроено, в частности, отопление верхней (четвертой) зоны центральной части главного корпуса Московского государственного университета.

39

Подобная система пароводяного отопления называется централизованной. В централизованной системе вода может нагреваться в емкостном или скоростном теплообменнике.

В емкостном теплообменнике вода заполняет цилиндрический корпус, а пар поступает в двухходовой змеевик, находящийся в нижней части корпуса. Пар подается в верхний патрубок змеевика, в змеевике превращается в конденсат, который удаляется через нижний патрубок змеевика, не смешиваясь с водой, циркулирующей в системе отопления. Нагреваемая вода попадает в теплообменник снизу, нагретая более легкая вода через верхний патрубок попадает в систему отопления.

Емкостные теплообменники отличаются незначительным сопротвилением (ξ = 2,0) движению через них воды, поэтому могут применяться в системе отопления с естественной циркуляцией воды. Система может быть выполнена по любой известной схеме с верхней разводкой подающей магистрали.

Существенным недостатком емкостных теплообменников является их громоздкость, связанная с тем, что коэффициент теплопередачи змеевиков не превышает при стальных трубах 700 Вт/(м2 К), при латунных или медных трубах - 840 Вт/(м2 К). Благодаря большому объему находящейся в теплообменниках воды пар в них может подаваться с большими или меньшими перерывами в зависимости от температуры наружного воздуха.

Существенно меньшие размеры имеют скоростные теплообменники, в которых нагреваемая вода движется последовательно через два пучка стальных или латунных трубок с большой скоростью (от 0,5 до 2,5 м/с). Теплоноситель пар подается сверху в межтрубное пространство цилиндрического корпуса, конденсат отводится снизу. Площадь нагревательной поверхности трубок скоростных теплообменников значительно меньше площади змеевика емкостных теплообменников в связи с повышением (примерно в три раза) коэффициента теплопередачи. Вследствие большого гидравлического сопротивления скоростные теплообменники могут применяться только в системе отопления с насосной циркуляцией воды. Для регулирования температуры воды, поступающей в систему отопления, вокруг теплообменников устраивают обводную линию с регулирующим клапаном.

Всистеме пароводяного отопления для обеспечения бесперебойной работы устанавливают два теплообменника, каждый из которых рассчитывается на половину тепловой мощности системы.

Вдецентрализованной системе пароводяного отопления вода нагревается паром непосредственно в отопительных приборах.

Водной из конструкций децентрализованной системы применяются стандартные чугунные радиаторы, в нижнюю часть которых закладываются перфорированные трубы (рис. 9.4, а) с заглушенным концом. С одной стороны в эти трубы подается пар, который через ряд мелких отверстий выходит в радиатор. Образующийся конденсат заполняет радиаторы, и во время работы системы отопления радиаторы всегда залиты конденсатом до уровня верхней сливной подводки.

40

Рис. 9.4. Отопительные приборы децентрализованной пароводяной системы отопления: а – стандартный чугунный радиатор; б – стальной безнапорный радиатор; 1 – паровой стояк; 2 – паровой вентиль; 3 – чугунный радиатор; 4 – конденсатный стояк; 5 – вентиль (нормально закрыт); 6 – перфорированная труба; 7 – стальной радиатор; 8 - водоналивной патрубок; 9 – водонагревательная труба

Необходимая температура воды в радиаторах поддерживается путем впуска в них большего или меньшего количества пара через подводку, начинающуюся от парового стояка несколько выше верха приборов. Излишек конденсата сливается в конденсатный бак.

Выпуск воды из радиаторов в случае необходимости осуществляется через нормально закрытый вентиль на нижней конденсатной подводке в конденсатный стояк.

В другой конструкции децентрализованной системы (рис. 9.4, б) пар из парового стояка подается в водонагревательную трубу (без отверстий), помещенную также в нижней части приборов. Стальные безнапорные приборы – радиаторы заполняются водой через специальный патрубок в их верхней части.

Вода в радиаторах нагревается при теплопередаче через стенки трубы в процессе конденсации пара. Конденсат удаляется через конденсатную подводку в стояк.

Достоинствами децентрализованной системы пароводяного отопления являются меньший расход металла по сравнению с обычными системами водяного отопления и пониженная температура поверхности радиаторов (в системе парового отопления даже низкого давления она составляет 100оС и выше).

Недостатки этой системы существенны. К ним относятся сложное регулирование, шум и вероятность гидравлических ударов в отопительных приборах. В связи с этим децентрализованная система пароводяного отопления широкого распространения не получила.