§ 9.2. Схемы и устройство системы парового отопления

Система парового отопления изобретена в Англии в середине XVIII в. Наибольшее рас-пространение она получила в виде системы высокого давления в первой половине XIX в. С середины XIX в. стала применяться система низкого давления. В настоящее время паро-вое отопление используют ограничено (см. § 9.1) - в основном, когда технологический процесс связан с потреблением пара.

Пар для ведения технологического процесса подают, как правило, от внешних источников при сравнительно высоком давлении. В этих условиях для отопления используют так называемый "мятый" (отработанный) или редуцированный (с понижением давления) пар, предусматривая разомкнутые системы (см. рис. 1.6, б). Замкнутые системы (см. рис. 1.6, а) встречаются редко.

Паровое отопление основано на передаче в помещения скрытой теплоты парообразования, выделяющейся при конденсации насыщенного пара. Для отопления может быть использо-ван перегретый пар, но специальное перегревание пара экономически не оправдано, так

259

как дополнительно получаемое количество теплоты невелико (мала теплоемкость пара) сравнительно с тепловым эффектом фазового превращения пара в воду.

Расчеты в системах парового отопления проводят, как уже сказано, по показателям сухого насыщенного пара, давлению которого всегда соответствует определенная температура.

Удельная энтальпия сухого насыщенного пара i_п, кДж/кг, зависящая от давления, под ко-торым находится пар, определяется по формуле

где i_Ж - удельная энтальпия кипящей воды, полученная при нагревании 1 кг воды от тем-пературы замерзания (обычно от О °С) до температуры кипения, кДж/кг; г -удельная теп-лота парообразования, полученная в результате превращения 1 кг воды в пар при темпера-туре кипения, кДж/кг.

Пример 9.1. Найдем по таблицам удельную энтальпию сухого насыщенного пара при из-быточном (манометрическом) давлении 0,02 МПа. Удельная энтальпия пара [25]

В системе парового отопления применяются те же отопительные приборы, что и в системе водяного отопления. Вода, охлаждаясь в приборе, передает в современных расчетных условиях в отапливаемое помещение от 84 до 335 кДж/кг. Пар, конденсируясь в приборе, выделяет в расчете на 1 кг значительно большее количество теплоты (по примеру 9.1 вы-деляется удельная теплота парообразования г=2245 кДж/кг). При превращении пара в во-ду температура его, как известно, не изменяется, т.е. температура конденсата должна быть равна температуре насыщенного пара (t_к = t_нас; в примере 9.1 t_нас =105 °С). Объем пара

уменьшается в среднем в 1000 раз: 1 кг пара до превращения в 1 кг воды занимает объем около 1 м³.

Если в отопительный прибор поступает расчетное количество пара (см. формулу (4.4)) и обеспечено свободное удаление конденсата, прибор целиком заполняется паром. Конден-сат в виде пленки стекает по стенкам прибора вниз (рис. 9.1, а). Когда количество посту-пающего пара уменьшается, в нижней части прибора остается не вытесненный воздух (рис. 9.1, б). Если же при этом еще затруднен отвод конденсата, то он задерживается в приборе (рис. 9.1, в) и, соприкасаясь с более холодными поверхностями, "переохлаждает-ся", т.е. его температура становится ниже температуры пара (t_к < t_нас).

260

Рис. 9.1. Распределение пара, конденсата и воздуха в отопительном приборе: а - при пода-че пара в расчетном количестве; б, в - то же в уменьшенном количестве

Следовательно, при количественном регулировании (уменьшении расчетного расхода па-ра) теплопоступление в помещение от каждого килограмма пара, поступающего в прибор, увеличивается до однако в целом теплопередача прибора уменьшается.

Расширяя классификацию систем, приведенную в § 1.4, отнесем к системам низкого дав-ления системы при избыточном давлении пара 0,005...0,02 МПа, а системы при давлении пара 0,02...0,07 МПа назовем системами повышенного давления. Системы низкого дав-ления, как правило, устраивают замкнутыми, а системы повышенного и высокого давле-ния - разомкнутыми. В системах низкого давления во всех отопительных приборах давле-ние близко к атмосферному.

Разводка паропроводов в зависимости от места их прокладки относительно отопительных приборов бывает верхней (см. рис. 5.1, a), нижней (см. рис. 5.1, б) и средней, когда паро-провод размещают на промежуточном этаже здания (например, под перекрытием второго этажа трехэтажного здания). Магистральные паропроводы и конденсатопроводы могут быть, как и в системах водяного отопления, с тупиковым (встречным) и попутным движе-нием теплоносителя (см. рис. 5.1).

Схема замкнутой двухтрубной системы низкого давления с тупиковым движением пара и конденсата в магистралях изображена на рис. 9.2. Система проста по конструкции и удобна в эксплуатации. Перед пуском система заполняется водой до уровня I-L После нагревания воды до температуры кипения в котле образуется пар, собирающийся в паро-сборнике. Давление пара определяет высоту h, м (см. рисунок), на которую поднимается вода:

261

где р_изб - избыточное давление пара в котле, Па; γ_к - удельный вес конденсата, Н/м³.

Рис. 9.2. Замкнутая система парового отопления низкого давления со средней разводкой: 1

• котел; 2 - паросборник; 3 - предохранительное устройство; 4 - сухой конденсатопровод; 5

• паропровод; 6 - воздушная труба; 7 - паровой вентиль; 8 - тройник с пробкой; 9 - мокрый конденсатопровод; Т7 и Т8 - соответственно паропровод и конденсатопровод; в кружках - номера расчетных участков

Пример 9.2. Найдем высоту стояния конденсата h в конденсатопроводе над уровнем воды в паросборнике при давлении пара р_изб=0,02 МПа.

Уровень воды П-П в конденсатопроводе установится выше уровня воды I-I (см. рис. 9.2) округленно на

В примере 9.2 найдена высота столба воды, создающего гидростатическое давление, кото-рое уравновешивает давление пара в котле. При работе системы фактическая высота стол-ба воды несколько больше h, так как необходимо дополнительное давление, чтобы пре-одолеть сопротивление движению конденсата по "мокрому" (целиком заполненному во-дой) конденсатопроводу до котла. Поэтому над уровнем П-П во избежание затопления го-ризонтального "сухого" (частично заполненного водой) конденсатопровода оставляют еще не менее 0,25 м (см. рис. 9.2).

Для защиты системы от повышения давления пара сверх расчетного используют простое, но надежное автоматически действующее предохранительное устройство - гидравличе-ский затвор, дополненный бачком для сбора выбрасываемой паром воды и выпуска лиш-него пара в атмосферу (см. рис. 9.2).

262

Пар из котла поступает по паропроводам в отопительные приборы, давление пара в кото-рых близко к атмосферному. Распределение пара по приборам регулируют установленны-ми перед ними вентилями, контролируя полноту его конденсации в приборах при откры-тых отверстиях специальных тройников 8 (см. рис. 9.2).

При движении по паропроводу часть пара, как известно, конденсируется - в паропроводе появляется попутный конденсат. При средней разводке, показанной на рис. 9.2, попут-ный конденсат из горизонтального паропровода стекает в нижние отопительные приборы. Попутный конденсат в стояках для верхних приборов увлекается поднимающимся паром, при этом возникают щелчки, треск и даже гидравлические удары. Для ограничения ука-занного явления системы со средней или нижней разводкой проектируют таким образом, чтобы пар поднимался в стояках на высоту не более двух этажей. При нижней разводке предусматривают отведение попутного конденсата через гидравлический затвор в конце паропровода (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Схема системы осушки пара : а - при нижней разводке паропроводов; б - при верхней разводке паропроводов; 1 - паропровод; 2 - гидравлический затвор; 3 - конденса-топровод; 4 - калач; 5 - конденсатный стояк

Малошумная работа системы обеспечивается при верхней разводке, так как попутно обра-зующийся конденсат всюду перемещается по уклону (направление уклона трубы на ри-сунке показано значком < или >) в направлении движения пара. Для удаления попутного конденсата, минуя приборы (конденсат уменьшает теплопередачу), возможно присоеди-нение стояков к паропроводу через калачи с установкой гидравлического затвора в конце паропровода (рис. 9.3, б).

• паропроводах систем парового отопления воздух находится в свободном состоянии. Удельный вес воздуха больше приблизительно в 1,6 раза, чем удельный вес пара - при температуре 100 °С соотношение 9 Н/м³ (плотность 0,92 кг/м³) к 5,7 Н/м³ (плотность 0,58 кг/м³). Этим объясняется скопление воздуха в низких местах системы над поверхностью конденсата. Растворимость воздуха в конденсате незначительная (из-за высокой темпера-туры конденсата) и воздух остается в свободном состоянии.

• сухом конденсатопроводе воздух перемещается над стекающим по уклону конденсатом.

• самой низкой точке воздух удаляется в атмосферу по воздушной трубе через открыва-ющийся вентиль (см. рис. 9.2). Воздушная труба служит также для впуска воздуха с целью ликвидации разрежения, возникающего при конденсации пара в периоды прекращения работы системы.

263

При мокрых конденсатных трубах прокладывают специальные воздушные трубы для сбо-ра воздуха над поверхностью конденсата и последующего его удаления в атмосферу в од-ном месте (обычно около котла).

При прокладке сухого конденсатопровода над полом первого этажа трубу у проемов две-рей и ворот опускают в подпольный канал, изолируют, снабжают тройником с пробкой для опорожнения и прочистки и воздушной трубой D_y15 над проемом (рис. 9.4). При мок-ром конденсатопроводе вверху добавляют кран для выпуска воздуха.

Стояки устраивают, как правило, двухтрубными. При однотрубных стояках подводки к приборам делают снизу с установкой угловых запорно-регулирующих вентилей и воз-душных кранов посередине высоты каждого прибора. Работа вертикальных однотрубных систем сопровождается шумом и гидравлическим ударами. Поэтому их чаще устраивают горизонтальными проточного типа.

При давлении пара выше 0,02 МПа применяют вместо замкнутых разомкнутые системы (иногда делаются и при низком давлении). Схема разомкнутой двухтрубной системы с ту-пиковым движением пара и конденсата в магистралях приведена на рис. 9.5. Пар после сепарации в водоотделителе попутного конденсата, образовавшегося в наружном паро-проводе, проходит через редукционным клапан в распределительный коллектор. В редук-ционном клапане давление пара понижается и поддерживается на заданном уровне. Кол-лектор снабжен манометром и предохранительным клапаном.

Для спокойной и надежной работы системы при высоком давлении предпочтение отдают средней и особенно верхней разводке с уклоном паропроводов в направлении движения пара во избежание встречного движения попутно образующегося конденсата (см. § 5.2). На прямых участках магистралей для компенсации тепловых удлинений труб устанавли-вают П-образные компенсаторы между неподвижными опорами (Н.О на рис. 9.5).

Рис. 9.4. Обвод сухим конденсатопроводом дверного проема: 1 - воздушная труба; 2 - изо-лированная труба в подпольном канале; 3 - тройник с пробкой

264

Рис. 9.5. Разомкнутая система парового отопления высокого давления со средней развод-кой: 1 - водоотделитель; 2 - редукционный клапан; 3 - предохранительный клапан; 4 - кол-лектор; 5 - паровой вентиль; 6 - конденсатоотводчик; 7 - конденсатный бак; 8 - воздушная труба; 9 - конденсатный насос; н.о - неподвижная опора

На спускных трубах от водоотделителя и распределительного коллектора установлены конденсатоотводчики. Конденсатоотводчики помещены и после каждого отопительного прибора. Вентили для полного отключения приборов предусмотрены и на паровых, и на конденсатных подводках, так как при установке лишь одного вентиля пар может прони-кать в приборы из конденсатопроводов.

Конденсат собирается в конденсатный бак. Конденсатные баки делают открытыми, со-общающимися с атмосферой, и закрытыми, находящимися под небольшим избыточным давлением. Открытый бак применяют в системе низкого давления с самотечными конден-сатопроводами (недостаток - повышенная коррозия труб). В системе высокого давления в напорных конденсатопроводах появляется пар вторичного вскипания, образующийся при кипении высокотемпературного конденсата после понижения давления в конденсатоот-водчиках (§ 9.9). Использование открытого бака в этом случае привело бы к дополнитель-ным теплопотерям с паром вторичного вскипания, уходящим в атмосферу (10... 15 %). Для уменьшения теплопотерь в системе высокого давления применяют закрытый бак.

Воздух в напорных конденсатопроводах захватывается конденсатом, движущимся с высо-кой скоростью. Водовоздушная эмульсия по трубам попадает в закрытый конденсатный бак и только там воздух отделяется от конденсата и периодически отводится в атмосферу через специальную воздушную трубу.

Конденсат, собирающийся в бак, перекачивается насосом на тепловую станцию. Конден-сатные насосы (рабочий и резервный) устанавливают ниже уровня дна конденсатного бака (на 0,4...0,5 м), как говорят, "под залив". Это делается во избежание вскипания конденсата, нарушающего работу насоса.

Воздуховыпускные вентили помещают не только в местах сбора конденсата. В крупных системах их устанавливают и в самых удаленных от теплового пункта местах для "про-дувки" системы при пуске пара.

265