Теплоносители в системах отопления

Движущаяся среда в системе отопления — теплоноситель - аккумули­рует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносите­лем для отопления может быть подвижная, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления.

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущест­венно используют воду или атмосферный воздух, реже водяной пар или на­гретые газы.

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 калориферами и другими подобными местными отопитель­ными установками.

В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются много­кратно в режиме циркуляции 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 сорбировать 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, плотностью 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.

По этому пока­зателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании нагретого воздуха - теплоносителя с низкой теплоинерцион- ностью - можно постоянно поддерживать равномерной температуру 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 равномерную температуру помещений, что достигается регу­лированием температуры, подаваемой в отопительные приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько от­клоняться от заданной (на 1-2 °С) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.

При использовании пара температура помещений неравномерна, что противоречит гигиеническим 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 отключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.

Другое санитарно-гигиеническое требование - ограничение темпе­ратуры наружной поверхности отопительных приборов - вызвано явлением разложения и сухой возгонки органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных веществ, 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 гигиенический предел. При отоплении го­рячей водой средняя температура нагретых поверхностей, как правило, ни­же, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьше­нии теплопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя тем­пература поверхности приборов в течение отопительного сезона практиче­ски не превышает гигиенического предела.

Важным экономическим показателем при применении различных теплоносителей является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.

Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением их попе­речного сечения. Вычислим 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, охлажда­ющийся с 60 °С до температуры помещения (например, 15 °С). Результаты расчетов, а также характерные параметры теплоносителей (плотность, теп­лоемкость, удельная теплота конденсации пара).

Видно, что площади поперечного сечения водоводов и паропроводов относительно близки, а сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объ­ясняется, с одной стороны, значительной теплоаккумуляционной способно

стью воды и свойством пара выделять большое количество теплоты при конденсации, с другой стороны - малыми плотностью и теплоемкостью воз­духа.

При сравнении расхода металла следует также учесть, что площадь поперечного сечения труб для отвода конденсата от приборов в паровой си­стеме - конденсатопроводов значительно 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 конденсатопроводы будет значительно меньшим, чем на воздухово­ды, даже если последние выполнить со значительно более тонкими стенка­ми. Кроме того, при большой длине металлических 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 высоких значениях температуры нагрева­ющей их среды. Конденсация пара в приборах происходит 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 поверхности приборов обратно пропорциональна темпера­турному напору (разности между средней 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 помещения - 20 °С) составит (110 - 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 системах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гидростатическое 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.

В суровых условиях российской зимы в некоторых случаях рекомен­дуется использовать в системе отопления специальный незамерзающии теплоноситель — антифриз. Антифризами являются водные растворы эти- ленгликоля, пропиленгликоля и других гликолей, а также растворы некото­рых неорганических солей. Любой антифриз является достаточно токсич­ным веществом, требующим особого с ним обращения. Его использование в системе отопления может привести к некоторым негативным последстви­ям (ускорение коррозионных процессов, снижение теплообмена, изменение гидравлических характеристик, завоздушивание и др.). В связи с этим, при­менение антифриза в качестве теплоносителя в каждом конкретном случае должно быть достаточно обоснованным.

В заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.

При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности ото­пительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителя­ми площадь поперечного сечения труб, достигается 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 конденсато- проводов, достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых по­мещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по срав­нению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает 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 отопление с вентиляцией помещений, дости­гать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные пло­щадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.