10. Расчет водонагревателя

При закрытой схеме горячего водоснабжения первичный теплоноситель (пар, вода) из тепловой сети используется для подогрева водопроводной воды в водонагревателях, устанавливаемых в центральных тепловых пунктах (ЦТП) и обслуживающих, как правило, группу зданий. В отдельных случаях водонагреватели могут размещаться в специальных помещениях непосредственно в подвалах жилых зданий (ИТП). Схема горячего водоснабжения с ЦТП приведена на рис.11

 

Рис. 11. Схема ЦТП при закрытой схеме горячего водоснабжения:  1, 2 – подающий и обратный трубопроводы теплоносителя (пар или горячая вода не питьевого качества); 3– скоростной водонагреватель; 4 – трубопровод подачи холодной воды из наружной водопроводной сети или от гидропневматического бака при наличии насосной станции подкачки; 5,6 – подающий и циркуляционные трубопроводы системы горячего водоснабжения

Водонагреватели устанавливаются в закрытых схемах теплоснабжения. В этих схемах водонагреватель играет роль котла. В зависимости от вида первичного теплоносителя водонагреватели разделяются на пароводяные и водоводяные. В системах горячего водоснабжения традиционно применяются скоростные водоводяные горизонтальные секционные кожухотрубные водонагреватели. По конструкции теплообменник представляет собой пучок трубок в трубе-кожухе. В теплообменных трубках движется первичный теплоноситель – вода из тепловой сети, а в межтрубном пространстве – вторичный теплоноситель – нагреваемая вода из системы горячего водоснабжения.

 

Рис.12. Схема скоростного водонагревателя:

1 – подача холодной воды и циркуляционного расхода горячей воды;  2 – подача горячей воды в систему горячего водоснабжения здания; 3 – подача теплоносителя из внешней тепловой сети; 4 – возврат отработанного теплоносителя во внешнюю тепловую сеть; 5 – теплообменные трубки

Промышленность выпускает водонагреватели разных типов, отличающихся в основном поверхностью нагрева. Наружный диаметр корпуса их составляет от 57 до 325 мм, в корпусе одной секции располагается от 4 до 151 трубки.

В последние годы широкое применение находят пластинчатые водоподогреватели (рис. 2.8), в которых теплоноситель и нагреваемая вода движутся в каналах между пластинами толщиной менее 1 мм (зазор 4–5 мм). Пластины по контуру свариваются или уплотняются термостойкими прокладками. Теплообмен происходит по всей площади пластины (0,3 м2 и более). Такие нагреватели имеют высокий коэффициент теплопередачи и габариты намного меньшие, чем кожухотрубные нагреватели той же мощности.

 

 

Рис.13. Схема пластинчатого водонагревателя

Выбор водонагревателя производится в следующем порядке

Производится подбор и расчет скоростного водонагревателя, размещаемого в подвале жилого дома, рассчитывается на наихудший режим работы – при максимальном тепловом потоке /максимальном теплопотреблении/ и минимальной температуре нагреваемой /холодной/ воды.

Тепловой поток на нужды горячего водоснабжения в течение часа максимального водопотребления проектируемого здания определен в разделе «Расчетные расходы воды и тепла».

Расход греющей воды (теплоноситель) определяется по формуле:

= , м³/ч, где

и - начальная и конечная температуры греющей воды /в подающей и обратной линии теплосети, согласно заданию/;

- теплоемкость воды, = 4,19 кДж/кг град;

- плотность воды, = 1000 кг/м³.

Расход нагреваемой воды определяется по формуле:

= , м³/ч, где

и - температуры горячей и холодной воды в системах,

По рекомендуемой скорости движения нагреваемой воды Vр = 1 м/с определяется рекомендуемую площадь сечения трубок нагревателя, м²,

F_тр= , где

G – расход воды, кг/ч;

  1000 кг/м3 – плотность воды.

По таблицам подбирается марка водонагревателя с близким значением площади трубок. Для выбранной марки для одной секции водонагревателя находятся площадь нагрева f, площадь сечения трубок f_{тр.факт}.

Определяется фактическая скорость нагреваемой воды, м/с,

V=

Определяется коэффициент теплопередачи k, соответствующий фактической скорости нагреваемой воды V и рекомендуемой скорости движения греющей воды 1,0–1,5 м/с.

Таблица – Конструктивные характеристики секций скоростных водонагревателейпо ГОСТ 27590

Номер водонагревателя	Диаметр корпуса, мм	Длина, мм	Число трубок	Поверхность нагрева f, м2	Площадь живого сечения, м2
					трубокfтр	межтрубного пространства fм.п
1	57	2220	4	0,37	0,00062	0,00116
2	57	4220	4	0,75
3	76	2300	7	0,65	0,00108	0,00233
4	76	4300	7	1,31
5	89	2340	12	1,11	0,00185	0,00287
8	114	4424	19	3,54	0,00293	0,005
9	168	2620	37	3,4	0,0057	0,0122

  

Таблица – Значения коэффициентов теплопередачи k, Вт/м²°С 

Скорость нагреваемой воды, м/с	Скорость греющей воды, м/с
	0,5	0,75	1,0	1,5
0,5	1102	1276	1392	1508
0,75	1241	1450	1566	1740
1,0	1334	1566	1740	1972
1,5	1508	1798	2030	2320

Рассчитывается необходимая площадь поверхности нагрева водонагревателя, м²,

, где

Q – расчетный поток теплоты для нужд горячего водоснабжения, Вт, определяемый по формуле 11, [1];

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²°С);

t – средний температурный напор между греющей и нагреваемой водой, °С.

Для определения tсначала подсчитывают разности температур между греющей и нагреваемой водой на противоположных концах нагревателя при работе с противотоком:

Δt₁ = T₁ – t_г; Δt₂ = Т₂– t₀

где Т₁, Т₂ – температуры греющей и обратной воды в теплосети; t_г, t_о – то же горячей и охлажденной воды в системе горячего водоснабжения.

Большей из этих разностей присваивают индекс «б», меньшей – «м» и определяют средний температурный напор:

Число секций водонагревателя:

, где

f – поверхность нагрева одной секции.

Скорость движения воды в водонагревателе во избежание шума не должна превышать 1,5 м/с, если это условие не соблюдается, секции подогревателя соединяют параллельно. Характеристики некоторых нагревателей приведены в таблице.

Потери напора в водонагревателе определяются по формуле:

H = SAV²n (м),где

S – коэффициент сопротивления одной секции (при l = 4 м S = 0,75; при l = 2 м S = 0,40)

A – коэффициент, учитывающий сопротивление водонагревателя (А=4).