§ 10.10. Особенности расчета воздуховодов центрального воздушного отопления

Аэродинамический расчет воздуховодов, расчет и подбор оборудования рассматриваются в дисциплине "Вентиляция". Здесь остановимся лишь на особенностях теплоаэродинами-ческого расчета воздуховодов, предназначенных для подачи нагретого воздуха в отапли-ваемые помещения.

• системах центрального воздушного отопления в отличие от систем центральной при-точной вентиляции перемещается воздух меньшей и переменной плотности по сравнению с плотностью воздуха, окружающего воздуховоды. В связи с этим можно отметить две особенности действия систем центрального воздушного отопления: нагретый воздух за-метно охлаждается по пути его движения и количество воздуха, поступающего в помеще-ния, изменяется в течение отопительного сезона, особенно при естественном движении.

• вентиляторных системах воздушного отопления ограниченной длины и высоты эти два фактора обычно во внимание не принимаются. В разветвленных протяженных системах воздушного отопления крупных зданий, особенно высоких, необходимо ограничивать как охлаждение воздуха в воздуховодах, так и перераспределение воздуха, поступающего в помещения, под влиянием изменяющегося естественного циркуляционного давления.

Для ограничения и учета охлаждения воздуха выполняют тепловой расчет воздуховодов, устанавливают начальную температуру воздуха и уточняют его расчетный расход.

Для ограничения отклонения расхода нагретого воздуха от расчетного, т.е. для повыше-ния тепловой устойчивости систем отопления, проверяют аэродинамический режим рабо-ты сети воздуховодов. При необходимости увеличивают потери давления в концевых от-ветвлениях сети. Помимо уменьшения диаметра ответвлений, на них устанавливают диа-фрагмы, а также увеличивают коэффициент местного сопротивления (КМС) воздухорас-пределительных клапанов. При этом имеют в виду, что при потере давления в клапане, равной всего 20 Па, повышение или понижение температуры наружного воздуха на 20 °С (от 0 °С) значительно отражается на пропускной способности клапанов. По эксперимен-тальным данным в 10-этажном здании с естественной вентиляцией такое изменение тем-пературы наружного воздуха вызывает изменение расхода воздуха в клапанах на 40 %. Дня того, чтобы сократить это изменение в тех же условиях до допустимых 7 % применя-ют клапаны с повышенным аэродинамическим сопротивлением, рассчитанные на потери давления, равные 160 Па.

1, Тепловой расчет воздуховодов

Тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 представим как

324

где q₁ - тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м, определяемый по формуле

R₁ - сопротивление теплопередаче от нагретого воздуха, имеющего среднюю температуру t_cp, через площадь A₁ стенок воздуховода длиной 1 м в помещение при температуре t_в.

Сопротивление теплопередаче находят с учетом дополнений, которые изложены в главе 11. Дополнения относятся к условиям теплопередачи через 1 м воздуховода, у которого внешняя поверхность может быть значительно больше внутренней и отделяется от по-следней промежуточными слоями. Величины, слагающие R₁, вычисляют по формулам

(11.33)-(11.37).

Тепловой поток через стенки воздуховода при установившемся состоянии соответствует степени охлаждения потока нагретого воздуха, перемещающегося по воздуховоду. По-этому можно написать уравнение теплового баланса, выражая q₁ в кДж/ч:

где G_от - количество воздуха для отопления помещения, кг/ч; t_нач и t_г - температура нагре-того воздуха соответственно в начале воздуховода и выпускаемого в помещение, °С; с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг°С).

Уравнение теплового баланса (10.50) дает возможность установить начальную температу-ру воздуха в воздуховоде по заданной конечной или, наоборот, уточнить температуру воз-духа, выпускаемого в помещение, и, при необходимости, расход воздуха.

Температура нагретого воздуха в начале воздуховода на основании формулы (10.4) равна

где η - доля от Q_охл, поступающая в отапливаемое помещение (Q_охл в первом приближении можно определять по формулам (10.48) и (10.49), подставляя известную температуру t_r вместо температуры t_cp).

Уточненный расход горячего воздуха в воздуховоде, кг/ч, с учетом формулы (10.1) соста-вит

Пример 10.13. Найдем начальную температуру воздуха в воздуховоде (R₁=0,23 м·°С/Вт) длиной 10м, проложенном вне отапливаемого помещения, в которое для возмещения теп-лопотерь, равных 6 кВт при t_в

Температуру воздуха для отопления помещения определяем по формуле (10.4)

Ориентировочный тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м по формуле (10.49), принимая tср = tг, составит

325

Предварительную температуру воздуха в начале воздуховода находим по формуле (10.51) при η=0

Уточненный тепловой поток через стенки воздуховода определяем по формуле (10.48) при tcp = 0,5(57,7 + 49,5) = 53,6 °С

Окончательная температура воздуха в начале воздуховода будет равна

349

Таким образом, получено, что горячий воздух в воздуховоде длиной 10 м при малом со-противлении теплопередаче его стенки охлаждается почти на 10 °С. Для уменьшения охлаждения теплоносителя воздуха, если теплопотери через стенки не используются для отопления, воздуховод вне отапливаемого помещения нужно покрывать тепловой изоля-цией.

2. Аэродинамический режим работы сети воздуховодов

В течение отопительного сезона в воздуховодах прямоточной механической системы цен-трального воздушного отопления и в помещениях отапливаемого ею здания непрерывно колеблется давление под влиянием изменения температуры наружного и горячего возду-ха, скорости и направления ветра, индивидуального регулирования воздухообмена. При этом возможно нарушение расчетного распределения горячего воздуха по помещениям, т.е. аэродинамическое разрегулирование, приводящее, в свою очередь, к тепловому разре-гулированию системы отопления.

Для сохранения теплового режима помещений с допустимой степенью отклонения от рас-четных условий, фактическое количество горячего воздуха G_ф, поступающего в каждое помещение, может быть больше, но должно быть достаточно близким к расчетному коли-честву воздуха G_от.

Это условие может быть выполнено путем ограничения изменения избыточного давления в воздуховодах. Напишем аэродинамическую зависимость между давлением в воздухово-де и количеством воздуха при его механическом перемещении в виде

где р - избыточное давление в воздуховоде по отношению к давлению в помещении, со-здаваемое вентилятором для подачи воздуха в количестве G_OT; р - дополнительное избы-точное давление в воздуховоде, возникающее под влиянием перечисленных выше факто-ров и вызывающее увеличение расхода воздуха до G_ф.

326

Отношение фактического расхода воздуха G_ф к расчетному G_от является показателем аэродинамического разрегулирования системы центрального воздушного отопления. Обо-значив его k_p, перепишем уравнение (10.53), решив его относительно избыточного давле-ния, создаваемого вентилятором,

Показатель разрегулирования k_p = G_ф / G_от в последней формуле выражает отклонение фактического расхода воздуха от расчетного под влиянием величины А_р при определен-ном давлении вентилятора. Очевидно, что k_p>l, и чем больше он отливается от единицы, тем значительнее будет аэродинамическое, а с ним и тепловое разрегулирование системы центрального воздушного отопления. Наоборот, чем ближе будет значение k_p к единице, тем более постоянным станет аэродинамический режим работы системы воздуховодов и воздухораспределение. Вместе с этим, будет уменьшаться отклонение температуры воз-духа в помещениях от расчетной. Для выражения показателя разрегулирования через тем-пературу используем формулу (10.1), написав ее в виде, отвечающем тепловому балансу в помещении при подаче горячего воздуха в количестве g_ф

где Δt_в - повышение температуры воздуха в помещении при увеличении расхода воздуха от G_OT до G_ф.

Придав аналогичный вид формуле для вычисления расчетного расхода воздуха G_OT, после преобразования получим

Из последней формулы видно, что показатель разрегулирования может быть распростра-нен на всю систему центрального воздушного отопления здания в конкретных климатиче-ских условиях, если ограничить повышение температуры воздуха против расчетной в по-мещениях, заведомо наиболее неблагоприятных в отношении разрегулирования воздуш-но-теплового режима. Это обеспечит воздушно-тепловой режим с меньшим отклонением от расчетного во всех остальных помещениях здания.

В системе центрального воздушного отопления многоэтажного здания такими неблаго-приятными помещениями являются помещения верхнего этажа. Именно в эти помещения под влиянием дополнительного избыточного давления в воздуховодах поступает относи-тельно большее количество горячего воздуха по сравнению с расчетным, чем в другие, ниже расположенные помещения.

Дополнительное избыточное давление в воздуховодах определяется главным образом климатическими особенностями местности и высотой здания. Максимальное дополни-тельное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для помещений верхнего эта-жа можно считать (с достаточной для данного расчета точностью) равным разности аэро-статического давления снаружи здания высотой Н_зд, м, и внутри воздуховодов в расчет-ных условиях, т.е.

327

где γ_н и γ_г - удельный вес воздуха, Н/м³, соответственно при температуре наружного и го-рячего воздуха.

Пример 10.14. Найдем избыточное давление, которое следует поддерживать вентилято-ром в вертикальных воздуховодах системы центрального воздушного отопления для по-дачи воздуха, нагретого до температуры 40 °С, в помещения здания высотой 25 м, если при t_H=-15 °C допускается увеличение t_B=20 °C в помещениях верхнего этажа на 2 °С.

Показатель разрегулирования системы воздушного отопления устанавливаем по формуле

(10.56)

Значение k_p=l,175 показывает, что для выполнения заданных условий количество горячего воздуха, поступающего в помещения верхнего этажа здания, не должно увеличиваться бо-лее чем на 17,5 % расчетного.

Дополнительное избыточное давление в вертикальных воздуховодах для этих помещений вычисляем по формуле (10.57)

Избыточное давление в этих воздуховодах, создаваемое вентилятором, определяем по формуле (10.54)

Следовательно, в заданных условиях требуется создание аэродинамического режима в вертикальных воздуховодах системы воздушного отопления, который характеризуется изменением избыточного давления в этих воздуховодах в течение отопительного сезона в пределах от 155 до (155 + 58,9) = 213,9 Па.

Поддержание значительного избыточного давления возможно при использовании доста-точно плотных воздуховодов (например, из листовой стали), а также воздухораспредели-тельных клапанов повышенного аэродинамического сопротивления с шумоглушителями, что отражается на стоимости системы воздушного отопления. Кроме того, при эксплуата-ции такой системы возрастает расход электрической энергии для создания повышенного давления в воздуховодах. Поэтому наряду с расчетами аэродинамического и теплового режимов, проводятся экономические расчеты, учитывающие как положительные, так и отрицательные показатели конкретной системы центрального воздушного отопления.