§ 1.3. Теплоносители в системах отопления
Движущаяся среда в системе отопления - теплоноситель - аккумулирует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносителем для отопления может быть по-движная, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления (см. § 1.1).
Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют во-ду или атмосферный воздух, реже водяной пар или нагретые газы.
Сопоставим характерные свойства указанных видов теплоносителя при использовании их в системах отопления.
Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного органического топлива, имеют сравнительно высокую температуру и применимы в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. При транспортировании горячих газов имеют место значительные попутные теплопотери, обычно бесполезные для обогре-вания помещения.
Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещения или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает КПД отопительной установки. При этом возникает необходимость решения экологических проблем, связанных с возможным загрязнением атмосферного воздуха продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов.
Область использования горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми кало-риферами и другими подобными местными отопительными установками.
В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются многократно в режиме цир-куляции и без загрязнения окружающей здание среды.
Вода представляет собой жидкую, практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоемкостью. Вода изменяет плотность, объем и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения - в зависимости от давления, способна сорбиро-вать или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.
Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объем и энтальпию при фазовом превращении.
Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малыми вязкостью, плот-ностью и теплоемкостью, изменяющей плотность и объем в зависимости от температуры.
Сравним эти три теплоносителя по показателям, важным для выполнения требований, предъявляемых к системе отопления.
Одним из санитарно-гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры (см. § 1.1). По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании нагретого воздуха-теплоносителя с низкой теплоинерционностью - можно постоянно поддерживать равномерной температу-
20
ру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т.е. проводя так называемое эксплуатационное регулирование. При этом одновременно с отоплением можно обеспечить вентиляцию помещений.
Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равно-мерную температуру помещений, что достигается регулированием температуры, подавае-мой в отопительные приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько отклоняться от заданной (на 1 -2 °С) вследствие тепловой инер-ции масс воды, труб и приборов.
При использовании пара температура помещений неравномерна, что противоречит гигие-ническим требованиям. Неравномерность температуры возникает из-за несоответствия теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям помещения в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого в приборы пара и даже периодически от-ключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.
Другое санитарно-гигиеническое требование - ограничение температуры наружной по-верхности отопительных приборов - вызвано явлением разложения и сухой возгонки ор-ганической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных ве-ществ, в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65-70 °С и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.
При использовании пара в качестве теплоносителя температура поверхности большинства отопительных приборов и труб постоянна и близка или выше 100 °С, т.е. превышает гиги-енический предел. При отоплении горячей водой средняя температура нагретых поверх-ностей, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в си-стеме отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьшении теп-лопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического пре-дела.
Важным экономическим показателем при применении различных теплоносителей явля-ется расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.
Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением их поперечного сечения. Вы-числим соотношение площади поперечного сечения теплопроводов, по которым подаются различные теплоносители для передачи в помещение одинакового количества теплоты. Примем, что для отопления используется вода, температура которой понижается с 150 до 70 °С, пар избыточным давлением 0,17 МПа (температура 130 °С) и воздух, охлаждаю-щийся с 60 °С до температуры помещения (например, 15 °С). Результаты расчетов, а так-же характерные параметры теплоносителей (плотность, теплоемкость, удельная теплота конденсации пара) сведем в табл. 1.1.
21
Таблица 1.1. Сравнение основных теплоносителей для отопления
Видно, что площади поперечного сечения водоводов и паропроводов относительно близ-ки, а сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объясняется, с одной стороны, значи-тельной теплоаккумуляционной способностью воды и свойством пара выделять большое количество теплоты при конденсации, с другой стороны - малыми плотностью и теплоем-костью воздуха.
При сравнении расхода металла следует также учесть, что площадь поперечного сечения труб для отвода конденсата от приборов в паровой системе - конденсатопроводов значи-тельно меньше площади сечения паропроводов, так как объем конденсата примерно в 1000 раз меньше объема той же массы пара.
Можно сделать вывод, что расход металла как на водоводы, так и на паро- и конденсато-проводы будет значительно меньшим, чем на воздуховоды, даже если последние выпол-нить со значительно более тонкими стенками. Кроме того, при большой длине металличе-ских воздуховодов малотеплоемкий теплоноситель (воздух) сильно охлаждается по пути движения. Этим объясняется, что при дальнем теплоснабжении в качестве теплоносителя используют не воздух, а воду или пар.
Расход металла на отопительные приборы, обогреваемые паром, меньше, чем на приборы, нагреваемые горячей водой, вследствие уменьшения площади приборов при более высо-ких значениях температуры нагревающей их среды. Конденсация пара в приборах проис-ходит без изменения температуры насыщенного пара, а при охлаждении воды в приборах понижается средняя температура (например, до 110 °С при температуре воды, входящей в прибор, 150 °С и выходящей из прибора 70 °С). Так как площадь нагревательной поверх-ности приборов обратно пропорциональна температурному напору (разности между сред-ней температурой поверхности прибора и температурой окружающего его воздуха), то при температуре пара 130 °С (см. табл. 1.1) площадь паровых приборов приблизительно (считая коэффициенты теплопередачи приборов равными и принимая температуру поме-щения - 20 °С) составит (ПО - 20) / (130 - 20) = 0,82 площади водяных приборов.
В дополнение к известным эксплуатационным показателям следует отметить, что из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600-1500 раз и воздуха в 900 раз) в си-стемах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гидро-
22
статическое давление. В связи с этим в высотных зданиях в США применялись системы парового отопления.
Воздух и вода до определенной скорости движения могут перемещаться в теплопроводах бесшумно. Частичная конденсация пара вследствие попутных теплопотерь через стенки паропроводов и появления попутного конденсата вызывает шум (щелчки, стуки и удары) при движении пара.
суровых условиях российской зимы в некоторых случаях рекомендуется использовать в системе отопления специальный незамерзающий теплоноситель - антифриз. Антифриза-ми являются водные растворы этиленгликоля, пропиленгликоля и других гликолей, а так-же растворы некоторых неорганических солей. Любой антифриз является достаточно ток-сичным веществом, требующим особого с ним обращения. Его использование в системе отопления может привести к некоторым негативным последствиям (ускорение коррози-онных процессов, снижение теплообмена, изменение гидравлических характеристик, за-воздушивание и др.). В связи с этим, применение антифриза в качестве теплоносителя в каждом конкретном случае должно быть достаточно обоснованным.
заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.
При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помеще-ний, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигает-ся бесшумность движения в теплопроводах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.
При использовании пара сравнительно сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсатопроводов, достигается быстрое про-гревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в верти-кальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не от-вечает санитарно-гигиеническим требованиям, его температура высока и постоянна при данном давлении, что затрудняет регулирование теплопередачи приборов, движение его в трубах сопровождается шумом.
При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отоп-ление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значи-тельные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.