ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ ДЛЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И НАГРЕВАЕМОЙ ВОДЫ

При конструировании водонагревателей, а также расчете и подборе их важно знать характер теплопередачи от теплоносителя к нагреваемой воде.

В общем виде передача теплоты определяется законом Фурье, по которому плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

где λ – теплопроводность, Вт/(м.°С); п - направление теплового потока по нормали к теплопередающей поверхности; знак «—» свидетельствует о том, что векторы теплового потока и градиента температуры направлены в противоположные стороны.

Согласно закону Фурье:

теплопередача возможна только при наличии градиента температуры между теплоносителем и нагреваемой водой;

чем тоньше теплопередающая стенка, тем выше ее тепловая проводимость λ/δ.

Общее количество теплоты, Дж, переданное через поверхность теплопередающей стенки за период времени, равно

, (11.2)

где λ - теплопроводность; Δt - температурный градиент; q - плотность теплового потока; F - площадь теплопередающей поверхности.

Теплообменные аппараты, применяемые в горячем водоснабжении, и в частности водонагреватели, относятся к рекуперативным аппаратам, т.е. таким, в которых теплота от теплоносителя передается через разделительную (обычно металлическую) стенку. Эти аппараты подразделяются на прямоточные и противоточные. В прямоточном теплообменнике теплоноситель и нагреваемая вода протекают параллельно в одном направлении (рис. 11.1,а), а в противоточном - тоже параллельно, но в противоположных направлениях (рис. 11.1,б).

Водонагреватели широко распространены, так как имеют простую конструкцию, компактны и обеспечивают постоянство температур теплоносителя во времени.

В теплотехническом отношении противоточные теплообменные аппараты выгоднее, чем прямоточные. Критерием для оценки их эффективности является средний температурный напор Δt_m, т.е. средняя разность температур греющей и нагреваемой воды. В противоточной схеме Δt_m почти всегда больше, чем в прямоточной, поэтому поверхность нагрева теплообменника с противотоком меньше. Все изложенные факторы влияют на выбор направления потока теплоносителя и нагреваемой воды, но в зависимости от вида теплоносителя. В водо-водяных нагревателях температура теплоносителя уменьшается, в пароводяных выбор направления теплоносителя и нагреваемой воды не имеет значения, так как пар в процессе теплопередачи должен иметь постоянную температуру насыщения при данном рабочем давлении (расчетная температура принимается равной 100 °С) (рис. 11.1.в).

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПАРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПРОТОЧНОГО ТИПА

В системах централизованного горячего водоснабжения широко распространены водонагреватели проточного типа, которые отличаются большой теплопроизводительностью и малой теплоемкостью. Ввиду этих особенностей их применяют в случае большого и стабильного теплопотребления, а если из системы происходит залповое потребление теплоты (например, приемы душей после окончания смены в бытовых помещениях промышленных предприятий), их используют в сочетании с аккумуляторами теплоты.

В промышленных зданиях, имеющих паросиловое хозяйство, используются пароводяные скоростные подогреватели(рис. 11.2). В них пар, подаваемый в корпус, проходит в межтрубном пространстве и нагревает воду. Нагреваемая вода поступает в переднюю водяную камеру, разделенную вертикальной перегородкой* и по теплообменным трубкам проходит в заднюю камеру. Пар может проходить дважды и четырежды в межтрубном пространстве корпуса водонагревателя (двухходовые и четырехходовые пароводонагреватели). Задняя камера их не закреплена в корпусе, что позволяет теплообменным трубкам свободно перемещаться вдоль оси, компенсируя температурное удлинение трубок. Для этого между днищем водонагревателя и днищем подвижной камеры имеется зазор, равный температурному удлинению теплообменных трубок. Для пароводяных нагревателей используются латунные трубки наружным диаметром 16 мм при толщине стенок 1 мм; корпус стальной. Рабочее давление греющего пара и воды должно быть соответственно не более 1 МПа при температуре не выше 300 ^СС и 1,6 МПа - при температуре 200 °С.

Скоростные пароводяные водонагреватели выпускаются в соответствии с требованиями ОСТ 108.271.105—76 двухходовыми и четырехходовыми с плоским и выпуклым днищем. Нагреватели имеют поверхность нагрева пло­щадью 6,3—53,9 м². Основные технические данные паро­водяных скоростных водонагревателей приведены в прил. 8.

Водо-водяные скоростные секционные разъемные на­греватели применяются в системах централизованного теплоснабжения. Теплоносителем является вода из си­стемы теплоснабжения (сетевая вода). Теплоноситель и нагреваемая вода движутся по изолированным кон­турам.

По форме поверхности нагрева водонагреватели под­разделяются на трубчатые (рис. 11.3) и кожуховые (рис. 11.4), которые могут быть выполнены однокорпусными и секционными.

Наибольшее распространение получили трубчатые водонагреватели, которые состоят из стального цилиндри­ческого корпуса с входными и выходными патрубками для теплоносителя и нагреваемой воды, трубной решет­ки и трубного пучка. Трубный пучок вставлен в корпус водонагревателя и состоит из трубок малого диаметра 16X1 мм, развальцованных в трубные решетки. Отдель­ные секции нагревателей соединяются с помощью труб­чатых отводов, обычно называемых «калачами».

Нагреваемая вода движется по теплообменным труб­кам, а теплоноситель — по межтрубному пространству, так как прямые трубки позволяют удалять накипь с их внутренней поверхности. Кроме того, эта схема движе­ния теплоносителя позволяет отказаться от устройства специальных компенсаторов для восприятия линейных удлинений трубок и корпуса при нагревании.

В горизонтальных водонагревателях для устранения прогиба трубок устанавливают поддерживающие опор­ные перегородки с таким расчетом, чтобы пролет трубки между точками не превышал 100—120 мм. Опорные пе­регородки обеспечивают равномерное обтекание тепло­носителя с внешней стороны теплообменных трубок и, следовательно, влияют на общую теплопроизводитель-ность. Если перегородки не поддерживают трубки, то они провисают, нарушается равномерное обтекание теплоно­сителем межтрубного пространства и теплопроизввди-тельность уменьшается в 2—3 раза. При монтаже водо­нагревателя необходимо следить за тем, чтобы полки

опорных перегородок располагались Горизонтально и разделяли не более чем два ряда трубок.

Стандартная длина теплообменных трубок принима­ется равной 2 или 4 м. Для увеличения интенсивности теплообмена в водяных водонагревателях теплоноситель и нагреваемая вода должны иметь достаточно большие встречные скорости движения сред при противопотоке, чего наиболее легко достигнуть в секционных водонагре­вателях, состоящих именно из пучка мелких трубок или из секций типа «труба в трубе», выполненных из сталь­ных труб (кожуховые водонагреватели). Кожуховые во­донагреватели просты в изготовлении, но металлоемки.

Водо-водяные нагреватели можно устанавливать как из отдельных, так и нескольких секций с последователь­ным и параллельно-последовательным их соединением по теплоносителю и по нагреваемой воде.

Широко распространены секционные водо-водяные нагреватели конструкции ВТИ Мосэнерго (по ГОСТ 34588—68) 16 типоразмеров, наружный диаметр корпу­са которых от 57 до 325 мм и поверхности нагрева бдной секции от 0,37 до 28 м².

Максимальное рабочее давление водо-водяных на­гревателей 1 и 1,6 МПа (10 и 16 кг/см²) при темпера­туре теплоносителя до 200 °С.

Основные технические данные водо-водяных скорост­ных секционных водонагревателей приведены в прил. 9.

§ 40. ЕМКОСТНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ

Емкостные водонагреватели функционально совмеща­ют в одном теплообменном аппарате два аппарата — водонагреватель и аккумулятор теплоты и относятся к теплообменным аппаратам малой теплопроизводитель-ности и большой теплоемкости. В силу этих особеннос­тей они применяются для систем с естественной цирку­ляцией или для систем, из которых происходит резкое, залповое водопотребление (рис. 11.5).

Нагревательный элемент представляет собой гребен­чатый змеевик, выполненный из ^-образных трубок или пучков прямых трубок, собранных с помощью замыкаю­щих коллекторов. По контуру нагреваемой воды в силу незначительных скоростей движения воды имеется не­большое гидравлическое сопротивление, из-за чего теп­лообмен происходит конвективным путем и поэтому теп-лопроизводительность емкостных водонагревателей не­большая.

Емкостные водонагреватели выпускаются промыш­ленностью для использования в качестве теплоносителя не только пара, но и сетевой воды. Максимальное рабо­чее давление пара и нагреваемой воды не более 0,5 МПа. Рабочий объем водонагревателя (выше змеевика) со­ставляет 90 % общего объема. Продолжительность на­грева рабочего объема воды до 75 °С при теплоносителе «пар» составляет около 1 ч.

Основные технические данные емкостных водонагре­вателей приведены в прил. 10.

Рис. 1 5. Емкостные водонагреватели

/-патрубок выхода горячей воды; г-спускной пробковый кран; з-патру бок входа холодной воды; 4-змеевик; 5-выход конденсата; 6-вход пара

§ 41. РАСХОДЫ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ И ТЕПЛОТЫ

Величина расчетных расходов горячей воды и тепло­ты зависит от потребления горячей воды, которую ис­пользуют для смешения до требуемой температуры. Очевидно, что расход горячей воды зависит от ее темпе­ратуры; чем ниже температура горячей воды у смеси­тельного водоразборного крана, тем больше ее доля в составе смешанной воды.

Расчетные расходы горячей воды для гидравличес­кого расчета сетей горячего водопровода в режиме водо-потребления абсолютно одинаковы по методике вычис­ления с холодным водопроводом (см. гл. 7). Разница заключается в количественных параметрах: q% — расход горячей воды санитарно-техническим прибором, л/с; Уош— нормированный расход горячей воды прибором, л/с; q^h_hru — норма расхода горячей воды потребителем в час наибольшего водопотребления, л, q^h_um — то же,

в средние сутки.

Нормы расхода теплоты суточную [кДж (на 1 чел. в сут)] и часовую [кДж (на 1 чел. в сут)] вычисляют по формулам:

Q^hu-<&_m&m = ti._mCp{t-f)> (И.З)

где Q^_u и Q*— часовая и суточная нормы расхода теплоты; Ср {Р_т — /^с) — количество теплоты, требуемой для нагрева 1 л воды до расчетной температуры; С — теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); р — плотность воды, кг/дм³; t_m — средняя температура горячей воды, "С, при которой определена норма (для закрытых систем ^=55°С); t^c — расчетная температура холодной воды в зимний период (Р= = +5°С)

Суточные расходы горячей воды, как уже говорилось, зависят от суточных норм потребления горячей воды q*:

(11.5)

*«**" 1000 * Тогда средний часовой расход воды:

и 9сут

(11.6)

где Т — продолжительность потребления горячей воды, ч (для жи­лых зданий — 24 ч, в остальных — продолжительность смены).

Максимальный часовой расход горячей воды q^h_m, л/ч, и секундный расход q% определяются по формулам (11.7) и (11.9) на основе норм потребления горячей во­ды на процедуру и на смесительный водоразборный кран.

Суточные расходы теплоты, кДж/сут, вычисляют по формулам:

=«г с_Р (1+а_м) (/_m - <^е)=о* «г о+*,.„). (и .7)

где Qftrm—суточные теплопотери в системе. Часовые расходы теплоты, кДж/ч, определяют по фор­муле:

(1+*)

где Q^f_rm— средние часовые теплопотери.

Ориентировочно теплопотери определяются в долях суммарного теплопотребления. При этом правильнее суммарное теплопотребление считать на нужды горяче­го водоснабжения и на нужды отопления, но так как программой курса изучение отопления не предусмотрено, то придется ограничиться теплопотреблением, связан­ным только с горячим водоснабжением:

где Лт.п — коэффициент теплопотерь в системе горячего водоснабже­ния (табл. 11.1),

Таблица 11.1

§ 42. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПОДБОРА ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Водонагреватели рассчитывают в следующем поряд­ке:

определяют площадь поверхности нагрева;

устанавливают основные конструктивные размеры и подбирают водонагреватель;

производят гидравлический расчет, а при расчете ем­костных водонагревателей кроме всего прочего опреде­ляют аккумулирующую емкость водонагревателя.

Площадь поверхности нагрева водонагревателей рас­считывается по формуле:

(11.10)

где Qp — расчетное количество теплоты, кДж/ч; р — коэффициент запаса на неучтенные теплопотери (Р=1,1); Ц — коэффициент сни­жения теплопередачи через теплообменную поверхность из-за отло­жений на стенках ((х=0,7); k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-°С) (табл. 11.2); At — расчетная разность температур тепло­носителя и нагреваемой воды.

Разность температур теплоносителя и нагреваемой воды определяется в соответствии с § 38. Судя по фор­муле (11.10), чем больше разность температур между теплоносителем и нагреваемой водой, тем больше тепло­вая эффективность водонагревателя. Так, для противоточных скоростных водонагревателей средняя разность температур определяется по формуле:

(11.11)

,31-lg

где А^тах и Д<_тш — наибольшая и наименьшая разность температур между теплоносителем и нагреваемой водой по концам теплообмен­ника (в осях входного и выходного патрубков теплоносителя). Сред­неарифметическую разность температур можно определить с по­мощью номограммы (рис. 11.6).

Таблица 11.2

Ai8*C 20 15 W ,& 0