Принципы работы систем парового отопления

Если при кипении воды давление остается неизменным, температура воды будет постоянной. Тепло, подводимое к воде, расходуется на ее испарение (скрытая теплота парообразования).

Водяной пар, который находится в термодинамическом равновесии с водой, называется сухим насыщенным паром, а смесь сухого насыщенного пара с капельками воды во взвешенном состоянии – влажным насыщенным паром.

Энтальпия i" сухого насыщенного пара

i" = i' + r , кДж/кг, (4.42)

где i' – энтальпия воды при температуре кипения (теплота, затрачиваемая на подогрев жидкости до температуры кипения), кДж/кг; r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

При конденсации пара скрытая теплота парообразования выделяется. Температура конденсата в момент его образования равна температуре пара. Данные о температуре, плотности и энтальпии сухого насыщенного пара в зависимости от давления приведены в таблицах в справочной литературе.

В системах парового отопления применяется сухой насыщенный пар и используется свойство его при конденсации выделять скрытую теплоту парообразования. Пар из котлов по паропроводам поступает в нагревательные приборы, установленные в помещениях. В нагревательных приборах пар конденсируется, и тепло через стенки приборов передается в помещения. Конденсат отводится из приборов по трубопроводам в сборные конденсатные баки, откуда насосами перекачивается в котлы, а в отдельных случаях возвращается сразу в котлы самотеком).

Классификация систем парового отопления

Системы парового отопления в зависимости от абсолютного давления пара подразделяют на:

а) вакуум-паровые – при абсолютном давлении пара менее 0,1 МПа;

б) низкого давления – при давлении пара 0,1—0,12 МПа;

в) низкого (повышенного) давления – при давлении пара 0,12—0,17 МПа;

г) высокого давления – при давлении пара 0,17—0,27 МПа.

Предельное абсолютное давление 0,27 МПа указано применительно к местным отопительным приборам. Для калориферов, пароводяных подогревателей и другого теплоиспользующего оборудования внутренних санитарно-технических систем максимальное давление пара ограничивается заводскими паспортными данными на оборудование.

Системы низкого и высокого давления, в свою очередь, подразделяют:

1) по связи с атмосферой – на открытые, сообщающиеся с атмосферой, и закрытые, не сообщающиеся с атмосферой;

2) по способу возврата конденсата в котел – на замкнутые с непосредственным возвратом конденсата в котел и разомкнутые с возвратом конденсата в конденсатный бак и последующей перекачкой его из бака в котел;

3) по схеме расположения трубопроводов – на двухтрубные и однотрубные (те и другие могут быть с верхней, нижней и смешанной разводкой, с сухим и мокрым конденсатопроводом).

Сухим называют конденсатопровод, сечение которого при работе системы не полностью заполнено конденсатом, а при перерывах в работе системы свободно от воды. Мокрым называют конденсатопровод, всегда полностью заполненный водой.

Конденсатопровод может быть напорным, если конденсат перемещается при помощи насосов или избыточного давления пара, и самотечным, если конденсат перемещается самотеком. Уклон магистральных паропроводов по направлению движения пара принимают не менее 0,002, против движения – не менее 0,006; для конденсатопроводов – не менее 0,002. Уклон ответвлений к отопительным приборам должен составлять 10 мм на всю длину подводки.

Устройство систем парового отопления
низкого давления

Системы парового отопления низкого давления устраивают по открытой схеме. На рис. 4.18 приведена схема системы парового отопления низкого давления с верхней разводкой, двухтрубной, тупиковой, замкнутой, с сухим конденсатопроводом.

Рис. 4.18. Схема системы парового отопления низкого давления

с верхней разводкой, непосредственным возвратом

конденсата в котел, сухим конденсатопроводом

Перед пуском системы открывают вентиль 11 на водопроводной линии, и вода под давлением поступает в систему и заполняет ее до уровня I - I в паросборнике. Обратный клапан 12 предотвращает движение воды в обратном направлении (в водопроводную сеть). Вентиль закрывают 11, открывают вентиль 13 и начинают топить котел. Температура воды в котле поднимается, вода закипает. Пар из котла по главному стояку 1 поступает в магистральные паропроводы 2, паровые стояки 3 и через ответвления 4 в нагревательные приборы 5, где конденсируется. Конденсат по ответвлениям 6 из приборов поступает в конденсатный магистральный трубопровод 7 и из него в котел. Давление пара в котле уравновешивается со стороны конденсатной линии столбом воды h (при избыточном давлении пара в котле 0,01 МПа высота h = 1 м).

Воздух тяжелее пара, и поэтому он удаляется через конденсатную линию и воздушную трубу 10.

Точка присоединения воздушной трубы к конденсатному трубопроводу должна быть выше уровня воды в общем конденсатном стояке на 200—250 мм.

Перед нагревательными приборами для регулирования количества пара, поступающего в приборы, устанавливают вентили 8. Чтобы при регулировании системы убедиться, что пар не поступает из приборов в конденсатопровод, а полностью в них конденсируется, на ответвлениях от приборов рекомендуется устанавливать тройники 9 с пробкой.

В системах высокого давления, где используется пар высокого давления, дополнительно устанавливаются конденсатоотводчики (термические муфтовые и поплавковые муфтовые), поскольку пар не всегда успевает полностью сконденсироваться в нагревательных приборах.

Применение арматуры

В системах парового отопления предусматриваю следующую запорно-регулировочную (паровую) арматуру.

У местных нагревательных приборов (теплообменников) устанавливают:

а) в системах отопления высокого давления – вентиль на паровой подводке и термодинамический или термостатический конденсатоотводчик на конденсатной подводке;

б) в системах отопления низкого давления – вентиль на паровой подводке и тройник с пробкой на конденсатной подводке;

На вводах трубопроводов в здание и отдельных ветвях системы отопления устанавливают паровые вентили для полного или частичного ее выключения.

В горизонтальных однотрубных проточных системах отопления устанавливают вентили в начале и конце этажных веток.

На стояках, расположенных на лестничных клетках, вентили рекомендуется устанавливать независимо от количества этажей (в закрытых и открытых системах отопления).

Гидравлический расчет систем парового отопления низкого давления

Расчет паропроводов. Методика расчета паропроводов систем парового отопления низкого давления в основном аналогична методике расчета трубопроводов систем водяного отопления. Расчет диаметров паропровода ведется отдельно от расчета диаметров конденсатопровода. Избыточное давление пара в начале паровой магистрали (при выходе из котла) Р, МПа, принимают в зависимости от протяженности паропроводов l, м, см. табл. 4.13:

Таблица 4.13

Избыточное давление пара при выходе из котла

Паропроводы можно рассчитывать по удельным потерям давления на трение, пользуясь расчетными таблицами трубопроводов систем парового отопления из справочной литературы (Справочник проектировщика), аналогичными таблицам для расчета трубопроводов систем водяного отопления. Таблицы составлены для среднего значения плотности пара, поскольку его плотность при низких давлениях изменяется в незначительных пределах.

Расчет начинают с ветви паропровода наиболее неблагоприятно расположенного прибора, каким является прибор, наиболее удаленный от котла.

На преодоление сопротивлений трения и местных сопротивлений расходуется разность давлений пара при выходе из котла и перед нагревательным прибором.

Избыточное давление пара перед вентилем нагревательного прибора принимают от 0,0015 до 0,002 МПа.

При предварительном расчете паропроводов принимают, что на преодоление сопротивлений трения расходуется 65% разности давления пара при выходе из котла и перед нагревательным прибором. Затем находят ориентировочные удельные потери давления на трение R_ор, Па/м,

По расчетным таблицам, согласно значениям R_ор и тепловых нагрузок Q на расчетных участках, определяют их диаметры и соответствующие фактические значения R, Па/м, и W, м/с. Далее находят потери давления на преодоление сопротивлений трения Rl на участках и для всей расчетной ветви паропровода, Затем определяют сумму коэффициентов местных сопротивлений на отдельных участках и потери Z на преодоление местных сопротивлений. После этого находят величину потерь давления Σ(Rl + Z) для всей расчетной ветви паропровода.

Определив Σ(Rl + Z) в расчетной ветви, сравнивают полученную величину с располагаемым давлением в системе. Запас в располагаемом давлении допускаемся принимать в размере до 10% для преодоления возможных сопротивлений, не учтенных расчетом паропроводов. После определения диаметров ветви паропровода наиболее неблагоприятно расположенного прибора переходят к определению диаметров ветвей паропровода других нагревательных приборов. Расчет должен быть произведен так, чтобы потери давления во взаимосвязанных частях систем не отличались между собой более чем на 25%.

При выборе диаметров трубопроводов в системах парового отопления низкого давления во избежание возникновения шума следует ограничивать скорости движения пара: при попутном движении пара и конденсата — не более 30 м/с, при встречном движении их — не более 20 м/с.

Расчет конденсатопроводов.Диаметры конденсатопроводов подбирают по таблицам из справочной литературы (Справочник проектировщика) в зависимости от тепловых нагрузок участков, характера конденсатопровода (сухой или мокрый) и длины его.

Определение объема конденсатного бака и подбор насоса для перекачки конденсата. Объем конденсатного бака в системах парового отопления низкого давления с разомкнутой схемой возврата конденсата принимают равным одночасовому расходу V конденсата, если для перекачки его используется центробежный насос, одночасовая подача насоса:

, м³/ч, (4.44)

где Q – тепловая мощность системы отопления, кДж/ч; r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; ρ – плотность конденсата, кг/м³.

Для перекачки конденсата из конденсатного бака в паровые котлы низкого давления устанавливают один насос с подачей, равной двухчасовому расходу конденсата. Подача насоса, м³/ч:

, (4.45)

где Q – тепловая мощность системы отопления, кДж/ч; r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; ρ – плотность конденсата, кг/м³.

Устанавливать насос следует так, чтобы его ось была на 400—500 мм ниже дна конденсатного бака. Это требуется для обеспечения поступления конденсата в насос самотеком. В противном случае при создании разрежения во всасывающем трубопроводе может произойти вскипание горячего конденсата, и нормальная работа насоса нарушится.

Расчетное давление насоса P_н должно быть равно:

, Па, (4.46)

где Р_к – давление пара в котле, Па; Р_с = hgρ – давление столба воды высотой h от максимального уровня стояния воды в котле до оси насоса, Па; g – ускорение свободного падения, м/с²; ρ – плотность воды, кг/м³; – потери давления в питательном трубопроводе, Па (от конденсатного бака до котла); 10 000 – свободное давление на излив воды в котел, Па.

Мощность электродвигателя к насосу определяют по формуле:

, кВт, (4.47)

где V – объем воды, перемещаемой насосом, м³/ч; Р – давление, создаваемое насосом, Па; η_н – коэффициент полезного действия (КПД) насоса; η_п – КПД передачи (для клиноременной передачи КПД принимают равным 0,96).

При установке насоса на одном валу с электродвигателем установочная мощность электродвигателя определяется по формуле:

N_у = K₁ · N , кВт, (4.48)

где K₁ – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от мощности N электродвигателя, табл. 4.14.

Таблица 4.14

Значения коэффициента запаса K₁

Особенности гидравлического расчета систем парового отопления высокого давления

При движении пара в паропроводах систем парового отопления высокого давления от начальной точки (от ввода или от котла) к месту потребления значительно изменяется его давление, следовательно, его плотность. В связи с этим при расчете паропровода нельзя принимать среднюю плотность пара по всей его длине, как при расчете паропровода в системах низкого давления, поэтому для каждого участка паропровода следует принимать значение плотности, соответствующее среднему давлению пара на участке. При расчете паропроводов можно пользоваться таблицами или номограммами. Они отличаются от таблиц и номограмм для систем парового отопления низкого давления тем, что в них удельные потери давления R_усл, Па/м, и скорость движения W_усл, м/с, пара при различных диаметрах труб и расходах пара приведены к значению плотности ρ_усл = 1 кг/м³. Чтобы найти действительные значения удельных потерь давления R и скорости движения W пара, найденные по таблицам или номограммам значения R_усл и W_усл для каждого участка, приводят к фактической плотности ρ_факт пара, соответствующей давлению пара для каждого участка системы:

, Па/м; (4.49)

, м/с. (4.50)

Расчет ведут методом приведенных длин, т. е. местные сопротивления при расчете паропроводов высокого давления заменяют эквивалентными длинами.

Длина трубопровода, на которой потери на трение равны потерям в местном сопротивлении при коэффициенте местного сопротивления, равном 1, называется эквивалентной длиной, l_экв. При действительной длине расчетного участка l, м, общие потери давления ΔР, Па, составят:

ΔР = R·(l + l_экв · Σz), (4.51)

где R – фактические удельные потери давления на трение, Па/м; l_экв – значение эквивалентной длины, м, отвечающее диаметру участка; Σz – сумма коэффициентов местных сопротивлений участка. Примечание: в некоторых справочниках приведены таблицы для l_экв, сразу учитывающие Σz.

Скорости движения пара в системах отопления высокого давления ограничены из условия бесшумности их работы при попутном движении пара и конденсата 80 м/с, при встречном движении 60 м/с.

При расчете диаметров самотечных конденсатопроводов систем парового отопления высокого давления располагаемое давление ΔР_р определяется по формуле

ΔР_р = ρ·g·h·η , Па, (4.52)

где ρ – плотность конденсата, кг/м³; h – разность уровней в конце и начале конденсатной магистрали, м; η – коэффициент, учитывающий наличие в конденсатном трубопроводе эмульсии (примеси воздуха и пара); для конденсатопроводов систем отопления зданий η = 0,65, для конденсатопроводов наружных сетей η =0,75.

После определения располагаемого давления расчет ведут аналогично расчету трубопровода систем водяного отопления с применением тех же таблиц.

Диаметры напорных конденсатопроводов определяют исходя из давления, предусмотренного для перемещения конденсата, по таблицам из справочной литературы (Справочник проектировщика).