2.Оборудование для нагрева приточного воздуха.

Нагревание или охлаждение воздуха необходимо во всех случаях, когда температура наружного воздуха, подаваемого вентиляционными системами в помещения, меньше или больше требуемой температуры приточного воздуха, т.е. при или .

Тепловая обработка наружного воздуха производится в специальных теплообменных аппаратах, устанавливаемых в приточных вентиляционных системах. Аппараты для нагревания воздуха называются воздухонагревателями (ВН), для охлаждения – воздухоохладителями (ВО).

В системах промышленной вентиляции в качестве воздухонагревателей используются серийно выпускаемые водяные, паровые и электрические калориферы, в качестве воздухоохладителей – поверхностные воздухоохладители и камеры орошения. Для нагрева приточного воздуха, подаваемого в помещения свинарников, крупного рогатого скота, используются специальные воздухонагреватели – электрические и газовые теплогенераторы (ТГ).

Нагрев воздуха происходит при его контакте с горячими поверхностями трубок калорифера, по которым проходят горячая вода или пар или специальных электроподогревателей – ТЭНов. Для увеличения поверхности нагрева на трубки напрессовываются стальные пластины или накатываются алюминиевые ребра.

Калориферы водяные и паровые имеют штуцеры 1 и 6 (рис. 9.1), коллекторы 2 и 5 греющей и обратной воды, трубки 3 и пластины 4 на них. Водяные калориферы конструктивно делятся на одно (рис. 9.1, а) и многоходовые (рис. 9.1, б). В первых теплоноситель двигается по всем трубкам 3 сразу в одном направлении, во вторых – зигзагообразным путём. При одних и тех же размерах многоходовые калориферы обладают в 2-5 раз большей теплоотдачей чем одноходовые, и поэтому их применение в приточных вентиляционных системах предпочтительнее, особенно для районов с длительными и холодными зимами. У одноходовых калориферов штуцеры располагаются вертикально один вверху, другой внизу, у многоходовых – горизонтально оба на одной боковой стенке.

В зависимости от количества рядов греющих трубок (два, три и четыре) водяные и паровые калориферы делятся на модели: М (малая), С (средняя) и Б (большая) (рис. 9.1, в и г). Оребрение трубок выполняется стальными пластинами (у пластинчатых калориферов), накаткой рёбер из толстостенной алюминиевой трубы, надеваемой на стальную трубку калорифера (у биметаллических калориферов), навивкой спиралью стальной гофрированной ленты (у спирально-навивных калориферов). Шаг пластины – 5мм, рёбер – 4 мм. Калориферы оборудуются боковыми щитками для их соединения в группы.

По величине площади нагрева установлены 11 номеров калориферов, причём одинаковые номера разных моделей имеют одинаковые габаритные размеры. Отечественной промышленностью выпускались разные марки калориферов со сравнительно небольшими конструктивными отличиями. В настоящее время производятся только калориферы: для теплоносителя воды – многоходовые пластинчатые типов КВС-П и КВБ-П, многоходовые биметаллические с накатным оребрением типа КСк; при теплоносителе паре – одноходовые пластинчатые типов КПС-П-01УЗ и КПБ-П-01УЗ.

а) б)

в) г) д)

Рис. 9.1. Конструкции калориферов:

а – для воды и пара; б – для воды; в и г – модели Б и С; д – электрических.

Основные технические параметры калориферов: площадь поверхности нагрева , м², площади живого сечения прохода воздуха , м², и теплоносителя , м², коэффициент теплопередачи , кДж/(ч·м²·°С), сопротивления проходу воздуха и теплоносителя по трубкам, масса и габариты; расчётная величина – теплопроизводительность . Технические данные калориферов приводятся в соответствующей справочной литературе [6, 16].

Выбор и расчёт калориферов производятся в следующем порядке.

1. Количество теплоты (кДж/ч), необходимое для нагревания приточного воздуха, должно быть равно

, (9.1)

где – массовое количество нагреваемого воздуха, кг/ч;

– удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С);

– температуры воздуха соответственно до и после калорифера, °С.

2. Интенсивность нагрева воздуха зависит от массовой скорости его движения между пластинами калориферов (кг/с·м²), которая определяется так

, (9.2)

где – скорость движения воздуха в калорифере, м/с;

– площадь живого сечения калорифера проходу воздуха, м².

По технико-экономическим соображениям необходимо иметь значение в пределах 4-8 кг/(м²·с). Задаваясь значением определяют требуемую площадь живого сечения (м²) калорифера по воздуху

, (9.3)

По таблицам справочных данных выбирают для дальнейших расчётов все модели калориферов, действительная площадь живого сечения которых является ближайшей большей к и по (9.2) находят значение действительной для каждого из них. Величина последней должна быть в пределах экономичных значений, иначе калорифер не будет соответствовать расчётным температурным условиям.

3. Скорость движения теплоносителя в трубках калорифера (м/с) обусловливает надёжность работы теплообменника: чем она выше, тем меньше вероятность замерзания калорифера. Величина (м/с) подсчитывается по формуле

, (9.4)

где – соответственно плотность и удельная теплоёмкость воды, кг/м³ и кДж/(кг·К);

– площадь живого сечения трубок калориферов для прохода теплоносителя, м² (принимается из таблиц технических данных);

– температура теплоносителя в подающей магистрали, °С;

– то же, но после калорифера, °С.

С целью достижения большой теплоотдачи при умеренных гидравлических сопротивлениях скорость греющей воды в трубках калориферов должна соответствовать началу развитого турбулентного режима движения, т.е. быть в пределах 0,15-0,3 м/с. Если м/с, коэффициент теплопередачи уменьшается; при м/с он увеличивается, но и резко растут гидравлические потери. Требуемая величина может быть достигнута выбором калорифера с соответствующей площадью сечения трубок или определенной схемой обвязки калориферов.

4. Определяется необходимая площадь нагрева (м) калорифера

, (9.5)

где – коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/(м²·°C), принимаемый из таблиц технических данных калориферов;

– средняя разность температур °С, подсчитываемая по формуле

, (9.6)

где – средняя температура теплоносителя, °С. При давлениях пара до 29,4 кПа и больше принимается соответственно °С и .

5. По таблицам технических данных принимают калорифер с ближайшей большей площадью нагрева и соотношением (%)

, (9.7)

определяют запас площади нагрева, который принимается в 10-20 %. При запасе более 20 % выбираются другие модель или номер калорифера и производится повторный расчёт. Запас площади нагрева, т.е. теплоотдачи калориферов, необходим на случай наружных температур ниже расчётных, частичного запыления или физических повреждений теплоотдающих пластин и рёбер.

6. Количество теплоты для нагрева воздуха (кДж/ч)

, (9.8)

но оно также должно быть на 10-20 % больше расчётной величины .

7. Сопротивление калорифера проходу воздуха (Па) находится из таблиц справочных данных или определяется из выражения

, (9.9)

где – коэффициенты, зависящие от конструкции аппарата, принимаются по табличным данным.

При подборе калориферов принимается запас на сопротивление движению воздуха 10 %.

8. Сопротивление калорифера проходу воды (Па) определяется по графику [16], а для калориферов КСк из выражения

, (9.10)

где – коэффициент, учитывающий конструктивные особенности калорифера (принимается из таблицы в [16]).

К установке из всех рассчитанных принимается калорифер, соответствующий (9.7), но с наименьшими массой и сопротивлениями движению воздуха и теплоносителя.

В электрических калориферах (рис. 9.1, д) воздух нагревается при контакте его с алюминиевыми ребрами 8, накатываемыми на поверхности трубчатых электронагревателей 10 – ТЭНов. Такие калориферы просты конструктивно, в монтаже и в эксплуатации. Промышленность выпускает электрокалориферы типа СФО шести типоразмеров по величине номинальной потребляемой мощности: СФО-25/1Т-МО1, СФО-40/1Т-МО1, СФО-60/1Т-МО1, СФО-100/1Т-МО1, СФО-160/1Т-МО1, СФО-250/1Т-МО1 (мощностью соответственно 25, 40. 60, 100, 160, 250 кВт).

Выбор электрокалориферов производится на основе расчётов электрической мощности, обеспечивающей производство необходимого количества теплоты для нагрева приточного воздуха. Стоимость 1 Вт теплоты у электрокалориферов выше, чем у паровых и водяных нагревателей, поэтому они применяются реже, в основном там, где не имеется горячей воды, пара или в качестве временной меры. Технико-экономические данные электрокалориферов приведены в справочной литературе, в частности [6].

9.2. Воздухонагревательные установки

При больших количествах приточного воздуха или необходимости его нагрева до повышенной температуры может не хватить площади живого сечения и теплоотдачи одного калорифера. Тогда нагревательную установку комплектуют из нескольких калориферов.

Различают соединение по воздуху калориферов в нагревательной установке однорядное (параллельное), многорядное (последовательное) и комбинированное.

При однорядном (параллельном) соединении (рис. 9.2, а) калориферы присоединяются друг к другу боковыми стенками. Соединение применяется, если площади живого сечения одного калорифера недостаточно для пропуска всего нагреваемого воздуха, а требуемое приращение его температуры сравнительно невелико.

Многорядное (последовательное) соединение (рис. 9.2, б) выполняется постановкой калориферов по воздуху друг за другом. При этом достигается более глубокий нагрев одного и того же количества приточного воздуха.

Комбинированная установка калориферов (рис. 9.2, в) применяется при необходимости нагрева повышенных количеств воздуха на более высокую температуру. Она является обычной для больших типовых приточных камер типа ПК с числом рядов калориферов более одного.

а) б) в) г)

Рис. 9.2. Соединение калориферов по воздуху в нагревательных установках:

а – однорядное (параллельное); б – многорядное (последовательное); в – комбинированное; г – схема регулирования температуры нагреваемого воздуха; 1 – калорифер; 2 – обводной клапан.

Параметры нагревательных установок с различными соединениями калориферов приведены в табл. 9.1.

По теплоносителю воде калориферы соединяются параллельно и последовательно, причём имеются определенные отличия в обвязке между одноходовыми (рис. 9.3, а, б, д, е) и многоходовыми (рис. 9.3, в, г, ж, з) калориферами. При теплоносителе паре калориферы обвязываются только параллельно с обязательным использованием конденсатоотводчиков сети обратной магистрали.

Параллельная схема обвязки по теплоносителю обеспечивает одинаковую теплоотдачу и наиболее надежную работу каждого калорифера. При последовательной – расчётная температура теплоносителя обеспечивается только в первом калорифере, в каждом последующем – она всё ниже. Работа нагревательной установки с такой обвязкой калориферов становится недостаточно надёжной, склонной к замерзанию теплообменников.

Таблица 9.1

Параметры нагревательных установок с несколькими калориферами

Параметр установки	Соединение калориферов
	однорядное (параллельное)	многорядное (последовательное)	комбинированное
Общий объём нагреваемого воздуха, м3/ч
Общее живое сечение проходу воздуха, м2
Общая площадь нагрева, м2
Общее сопротивление проходу воздуха, Па
Общая теплопроизводительность, кДж/ч

Здесь – число соответственно рядов калориферов и калориферов в ряду.

Регулирование температуры приточного воздуха в нагревательных установках осуществляется с помощью обводных клапанов (рис. 9.2, г) при теплоносителях паре и воде иди качественно, т.е. температурой теплоносителя (при воде). При паре установка обводного клапана обязательна.

В нагревательной установке возможно применение как одинаковых, так и различных по номерам калориферов, что часто встречается на практике. Но в любом случае установка должна обеспечивать необходимую теплопроизводительность и соответствовать всем требованиям, касающимся видов и величин резервов.

а) б) в) г)

д) е) ж) з)

Рис. 9.3. Соединение калориферов в нагревательной установке по теплоносителю воде:

а, б, в, г – параллельное; д, е, ж, з – последовательное.

9.3. Мероприятия по предотвращению замерзания калориферов

Работа калориферов – основа высокой производительности труда и качества продукции, уменьшения потерь от невыходов на работу из-за простудных заболеваний. Поэтому для повышения надёжности работы нагревательных установок обязательны к применению все известные и любые меры, независимо от их стоимости.

Чтобы не заморозить калориферы, необходимо выполнять ряд условий.

Следует систематически контролировать и строго выдерживать параметры теплоносителя по температуре и количеству. Конструкция, модель и номер калорифера должны соответствовать параметрам наружной атмосферы и объёмам приточного воздуха.

В общем воздуховоде перед нагревательной установкой должен располагаться легко управляемый, плотно закрывающийся утеплённый клапан.

Теплоноситель в калориферы следует подводить в верхние штуцеры, причём скорость его движения в трубках калориферов должна быть не менее 0,12 м/с.

Обвязку калориферов ряда по теплоносителю следует производить по последовательной схеме, поскольку при этом увеличиваются скорость движения теплоносителя и общая теплоотдача установки.

Нельзя завышать площадь нагрева калорифера выше рекомендуемого запаса в 20 %.

В условиях длительных зим и низких температур наружного воздуха следует, как правило, применять многоходовые калориферы.