|
Теплофикация и тепловые сети. И тепловые
|
Скачать 2.4 Mb. Название | И тепловые | Анкор | Теплофикация и тепловые сети | Дата | 27.03.2022 | Размер | 2.4 Mb. | Формат файла | | Имя файла | Теплофикация и тепловые сети.docx | Тип | Учебник #420164 | страница | 55 из 101 |
|
Рис. 8.21. Изменение температур но толщине стены здания
температура; Гс1 — температура внутренней поверхности стены; /'2 — температура наружной поверхности стены; /„ — наружная температура.
Количество теплоты, аккумулированной при этом режиме в наружной стене здания,
где F — сплошная поверхность наружной
стены (за исключением окон и дверей), м2; s — толщина стены, м; р — плотность материала стены, кг/м3; ср — теплоемкость материала стены, кДж/(кг- °C); Г' ср — средняя температура наружной стены, °C; /н — наружная температура, °C.
При режиме недогрева, когда подача теплоты на отопление ограничена, тепловые потери здания частично возмещаются за счет теплоты, аккумулированной в наружных стенах здания. При этом происходит снижение температуры стены: внутренней поверхности от /'j до Z*j, а наружной от <2 Д°'?2-
Снижение средней температуры наружной стены при режиме недогрева по сравнению с нормальным режимом
При условно принятом для упрощения задачи равенстве значений теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях наружной стены
— = ^с2 > (8.56а)
или, что то же,
+ — ^cl + 'с 2 _ ср ’ (8.566) где /сср — средняя температура наружной стены. Из дифференцирования уравнения (8.566) при /н = const следует
dtB — 2d/c Ср,
или
Из уравнения (8.57) следует, что дифференциал изменения средней температуры наружной стены здания равен половине дифференциала изменения внутренней температуры отапливаемых помещений.
При нарушении баланса между подачей теплоты на отопление и теплопотерей здания, например, когда подача теплоты на отопление меньше теплопотери здания, средняя температура наружных стен здания понижается на d/ccp. Это вызывает снижение внутренней температуры отапливаемых помещений на т.е. на удвоенное значение изменения средней температуры наружной стены.
Рассмотрим дифференциальное уравнение теплового баланса здания за бесконечно малый период времени dz:
= Qodz + ^d'c ср’ (8-58) где qQY — удельные теплопотери здания за единицу времени при разности температур (/в- /„) = 1 °C; Qo — количество теплоты, подводимой извне на отопление в единицу времени.
Уравнение (8.58) приводится к следующему виду:
чЛ'в-‘н№ = 20d-+ > или
откуда
n FSPCP
где p = —
аккумуляции здания.
Для каждого здания коэффициент аккумуляции 3 — постоянная величина.
Коэффициент аккумуляции здания 3 тем больше, чем больше масса наружных ограждений здания и их теплоемкость (Fspc) и чем меньше удельные теплопотери здания на 1 °C разности температур (q0V).
На основе интегрирования уравнения (8.59) автором выведено расчетное уравнение для определения значения изменения внутренней температуры отапливаемых зданий за конечный период времени, при заданных расходах теплоты на отопление Qo, с учетом аккумулирующей способности зданий
k/b-ZH-2o/9o’/
'в
где /в и /в — начальная и конечная внутренние температуры.
Следует учесть, что в зависимости (8.60) подынтегальная величина имеет отрицательный знак.
Действительно, когда расход теплоты на отопление здания Qo > q0l7(/B - /н), числитель подынтегральной величины d/B > 0, а знаменатель (/в - /н - Qol< 0.
Когда Qo < q0F(tR - /н), знаменатель меньше нуля, а числитель больше нуля. По этой причине в выражении (8.60) пределы интегрирования изменены на обратные, а именно при dz = 0, т.е. в начале процесса, внутренняя температура принята равной /в, а в конце процесса при dz = z принята равной / в — в начале процесса.
Результат интегрирования уравнения (8.60):
■; (8.61а)
откуда
ег/Р = -—-—@о/-— (8.616) 'b-'„-Co/VZ
на основе уравнений (8.61)
. Qo ^t,Qo^oy /о_
/ = t + + - , (8.62)
д0У е2/Р
где t в— начальная внутренняя температура. При г = °° или 3 = 0
Qo
При Qo = о
При Qo = 0 и г = 3
*в_/н
Из уравнения (8.62) следует
ег/Р = S (8.64а)
О20/(10Г)
При Qo = 0
При 2 = 3
С'н
'в-'н
На основе уравнений (8.64) физическое значение коэффициента тепловой аккумуляции зданий можно сформулировать так: коэффициент тепловой аккумуляции здания 3 — это период времени, в течение которого при выключенном отоплении, разность между внутренней температурой в здании и наружной температурой изменяется в е = = 2,72 раза.
ЗАЩИТА МЕСТНЫХ УСТАНОВОК ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ КОРРОЗИИ, ШЛАМА И НАКИПИ
В открытых системах теплоснабжения местные установки горячего водоснабжения, как правило, не нуждаются в защите от коррозии, шлама и накипи, так как они питаются умягченной деаэрированной водой.
В закрытых системах теплоснабжения в местные установки горячего водоснабжения поступает вода из водопровода, содержащая агрессивные газы, главным образом О2, СО2, соли временной жесткости и в ряде случаев агрессивные вещества — хлориды и сульфаты (Cl + SO4). Поэтому при определенных условиях возникает опасность коррозии и зашламления местных установок горячего водоснабжения и абонентских подогревательных установок.
Поскольку температура воды, используемой для горячего водоснабжения, невысока (около 60 °C), то для очень широкого диапазона естественных качеств природных вод защита установок горячего водоснабжения от коррозии и зашламления может проводиться сравнительно простыми средствами без сооружения сложных и дорогостоящих установок для умягчения и деаэрации воды, которые необходимы при высоких температурах подогрева воды.
Опасность зашламления зависит в первую очередь от карбонатной (временной) жесткости воды. При мягкой воде Жк<2 мг-экв/л (1 мг-экв/л = 28 мг/л СаО или 20 мг/л MgO) накипь и шлам в системе горячего водоснабжения, как правило, не выпадают. Поэтому при такой воде нет необходимости в защите установок горячего водоснабжения от накипи и зашламления.
При воде средней жесткости (2 мг-экв/л < <Жк < 4 мг-экв/л) в подогревателе и на внутренней поверхности трубопровода в процессе эксплуатации образуется тонкая пленка накипи, вызывающая незначительное увеличение термического сопротивления подогревательной установки и гидравлического сопротивления трубопроводов горячего водоснабжения. Как показывает опыт, такая пленка при отсутствии или малом содержании в воде агрессивной углекислоты, а также хлоридов и сульфатов (Cl + SO4) удовлетворительно защищает от коррозии трубопроводы горячего водоснабжения, выполненные из черных стальных труб.
При воде повышенной жесткости (4 мг-экв/л < Жк < 7 мг-экв/л) возникает опасность зашламления системы. Поэтому необходимо предусматривать установку на ГТП или МТП упрощенных защитных устройств против зашламления и накипеоб- разования.
Одним из таких устройств является аппарат для омагничивания воды. Такие аппараты строятся как с постоянными магнитами, так и с электромагнитами.
На рис. 8.22 показана принципиальная схема аппарата с электромагнитами [62].
Магнитные аппараты устанавливаются в вертикальном положении на трубопроводе холодной воды перед подогревателями горячего водоснабжения. Вода проходит через аппарат снизу вверх и равномерно заполняет все его проходное сечение; скорость воды составляет около 1 м/с.
В результате воздействия магнитного силового поля на воду способность воды выделять накипь уменьшается. После магнитной обработки вода не меняет своего цвета и не дает осадка. При воде большой жесткости (Жк > 7 мг-экв/л) по условиям качества горячего водоснабжения закрытые системы теплоснабжения применять не рекомендуется, так как такая вода из-за слабого «омыления» неудобна для бытового использования, а децентрализованные уста-
Рис. 8.22. Электромагнитный аппарат для обработки воды
I — корпус, 2 — кожух, 3 — электромагнит
новки для умягчения воды на ГТП и МТП дороги и сложны в эксплуатации.
Коррозионная активность горячей водопроводной воды характеризуется тремя основными показателями [62]:
индексом равновесного насыщения воды карбонатом кальция (индекс насыщения) J; концентрацией растворенного в воде кислорода, мг/л; суммой концентраций в воде хлоридов и сульфатов (Cl + SO4), мг/л.
Индекс насыщения определяется по формуле
J=pH-pH5, (8.65)
где pH — показатель концентрации ионов водорода (по анализу воды); рН5— значение pH воды в состоянии равновесного насыщения карбонатом кальция.
Если pH < рНг то содержание СО2 в воде превышает равновесную концентрацию. Такая вода является коррозионно-агрессивной. Она препятствует образованию на поверхности трубопроводов в процессе эксплуатации защитной карбонатной пленки.
При отсутствии защитной пленки вода имеет непосредственный контакт с металлом трубопровода. При наличии в воде кислорода происходит коррозия стальных труб. Диоксид углерода СО2, как видно из (7.17)—(7.19), способствует интенсификации кислородной коррозии.
Когда pH > pH то содержание СО2 в воде меньше равновесной концентрации. Такая вода является коррозионно-неагрессивной. При нагревании такой воды происходит распад бикарбонатных солей кальция и магния Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2, обеспечивающих временную жесткость воды, и на поверхности трубопроводов образуется защитная пленка.
Таким образом, отрицательное значение индекса насыщения J < 0 свидетельствует о коррозионной агрессивности воды, а положительное J> 0 — о ее неагрессивно- сти. Следует иметь в виду, что индексом насыщения J характеризуются не все агрессивные качества воды, а лишь те, которые зависят от наличия в ней углекислоты СО2.
Встречающийся диапазон концентраций хлоридов С1 и сульфатов SO4 в водопроводной воде очень широк — от нескольких миллиграммов до нескольких сот миллиграммов. Хлориды и сульфаты препятствуют образованию на поверхности трубопроводов защитных карбонатных пленок и этим способствуют интенсификации кислородной коррозии.
Так, если при наличии на поверхности трубы карбонатной пленки СаСО3 в воде имеется раствор сульфата, например Na2SO4, то происходит разрушение карбонатной пленки с образованием двуокиси углерода и едкого натра.
Реакция идет по формуле
СаСО3 + Na2SO4 + Н2О =
= CaSO4 + СО2 + 2NaOH. (8.66а)
Аналогично при наличии в воде раствора NaCl реакция разрушения пленки идет по формуле
СаСО3 + 2NaCl + Н2О =
= СаС12 + СО2 + 2NaOH. (8.666)
Кроме того, хлориды и сульфаты сами по себе корродируют металл (железо) или интенсифицируют эффект кислородной и углекислой коррозии.
При положительном индексе насыщения воды (J> 0) и суммарной концентрации сульфатов и хлоридов в воде (Cl + SO4) < 50 мг/л вода является практически неагрессивной. При такой воде местные установки горячего водоснабжения не нуждаются в защите от коррозии.
При J < 0 и концентрации в воде (Cl + SO4) > 50 мг/л вода является агрессивной и поэтому необходимо предусматривать защиту от коррозии местных установок горячего водоснабжения. Эта задача может решаться двумя принципиально различными путями [89]:
повышением антикоррозионной стойкости системы горячего водоснабжения, т.е. выполнением ее из элементов, устойчивых против коррозии; созданием на ГТГ1 и МТП специальных установок для снижения коррозионной активности воды.
Первый путь должен рассматриваться как основной метод повышения долговечности установок горячего водоснабжения. Он наиболее прост и наиболее экономичен по начальным затратам и эксплуатационным расходам.
Второй путь, заключающийся в децентрализованной обработке воды, требует повышенных начальных затрат и усложняет эксплуатацию. Характер требуемой обработки воды в зависимости от ее качества и материалов труб приведен в [130].
Повышение антикоррозионной стойкости установок горячего водоснабжения. Опыт эксплуатации систем горячего водоснабжения показывает, что основным наиболее уязвимым для коррозии элементом являются отопительные приборы ванных комнат — полотенцесушители, присоединенные к трубопроводам горячего водоснабжения.
Горячая циркуляционная вода движется через полотенцесушители с малой скоростью. Возникают застойные зоны, в которых выпадают загрязнения и продукты коррозии, что создает особенно благоприятные условия для развития интенсивной локальной коррозии в полотенцесушителях, выполненных из черных стальных труб.
Коррозия наиболее уязвимого элемента системы горячего водоснабжения — полотенцесушителей может быть практически ликвидирована при изготовлении их из коррозионно-стойкого материала, имеющего электрохимические свойства, близкие к свойствам материала трубопроводов горячего водоснабжения, т.е. стали. Таким материалом является чугун. Одним из возможных решений является изготовление полотенцесушителей из секций отопительных чугунных радиаторов.
Второе мероприятие, повышающее антикоррозионную стойкость установок горячего водоснабжения, заключается в выполнении коммуникаций из труб, имеющих поверхностную антикоррозионную зашиту.
Проведенные исследования показывают, что при индексе насыщения воды J > - 0,5 и суммарной концентрации хлоридов и сульфатов в воде менее 50 мг/л стальные оцинкованные трубы имеют повышенную антикоррозионную стойкость по сравнению с черными стальными трубами. Скорость коррозии оцинкованных труб в такой воде в 3—4 раза меньше, чем черных стальных. Для сохранения оцинковки в местах соединения применяется полуавтоматическая электродуговая сварка оцинкованных труб в атмосфере инертного газа СО2.
Коррозия коммуникаций горячего водоснабжения может быть практически полностью устранена при применении труб из низколегированной стали, например Х18Н9Т. Однако эти трубы очень дороги, поэтому их сколько-нибудь широкое использование для установок горячего водоснабжения проблематично. Дальнейшее совершенствование установок горячего водоснабжения должно идти по пути разработки стойких, долговечных антикоррозионных покрытий, например эмалирования, а также применения трубопроводов из полимерных материалов. Долговечность местных систем горячего водоснабжения в значительной степени зависит также от схемы установки и условий эксплуатации, в первую очередь от теплового и гидравлического режимов.
Коррозионная активность растворенных газов возрастает с ростом температуры. Особенно она усиливается при температуре выше 60—65 °C. Поэтому необходимо все установки горячего водоснабжения оснашать регуляторами температуры, настроенными по минимальному пределу (55—60 °C).
Большое значение имеет также правильный гидравлический режим системы горячего водоснабжения. Основное требование заключается в том, чтобы при всех режимах, в том числе и в часы максимального водо- разбора, местная система горячего водоснабжения была полностью заполнена во
дой, что предупреждает подсос воздуха в систему.
Антикоррозионная обработка воды.
Коррозионно-агрессивная водопроводная вода, т.е. вода, имеющая отрицательный индекс насыщения (J < 0), вызывает коррозию не только трубопроводов горячего водоснабжения, но и холодных водопроводов[62].
Экономически более целесообразно снизить коррозионную активность такой воды путем централизованной ее обработки на водопроводных станциях. Известны способы обработки (стабилизации) таких вод, например, путем известкования. Известковое молоко, введенное в нестабилизирован- ную воду, связывает агрессивную углекислоту и устраняет агрессивность воды.
Для антикоррозионной обработки воды применяют вакуумную деаэрацию или силикатирование.
Вакуумная деаэрация является наиболее эффективной. В вакуум-деаэрационной установке можно снизить содержание основного коррозионного агента в воде — кислорода в 10—20 раз (до 1—0,5 мг/л).
Вакуум-деаэрация дает существенный эффект при водах различного состава, даже при наиболее агрессивных водах.
Недостатками этого метода являются:
разрыв потока воды в деаэраторе, что приводит к необходимости включения насоса для подачи воды из деаэратора в систему горячего водоснабжения; значительные габаритные размеры установки; зависимость эффективности обработки воды от воздушной плотности системы и в связи с этим необходимость квалифицированного обслуживания установки.
Вакуум-деаэрационная обработка применяется обычно в тех случаях, когда другие, более простые методы неэффективны. Это обычно вода с наиболее высокой коррозионной агрессивностью: J < -1,0; (Cl + SO4) > 50 мг/л; О2 10—14 мг/л.
На рис. 8.23 приведена схема вакуум-деаэрационной установки, предложенная Московским инженерно-строительным институтом. Водопроводная вода поступает в водо-водяной подогреватель 7, в котором подогревается сетевой водой до 60—65 °C. Подогретая водопроводная вода поступает в деаэрационную колонку 5, в которой поддерживается вакуум. Из деаэрационной колонки вода поступает в бак 6. Из него она забирается насосом I и подается в систему горячего водоснабжения. Отсос газов из деаэрационной колонки производится водо-
струйным эжектором 3 с помощью центробежного насоса 2.
Силикатирование воды. Для обработки силикатом натрия используется трисиликат натрия Na2O3SiO2 как в твердом (глыба или гранулы), так и в жидком виде. Более эффективно использование жидкого трисиликата натрия.
На рис. 8.24 показана принципиальная схема установки для обработки воды гранулированным трисиликатом натрия. Фильтр трисиликата натрия включен после подогревателя горячего водоснабжения параллельно с линией горячей воды, на которой установлена дозаторная диафрагма. Реакция взаимодействия трисиликата натрия с растворенной в воде свободной углекислотой происходит по формуле
Na2O3SiO2 + Н2О + 2СО2 =
= 2NaHCO3 + 3SiO2. (8.67)
Как видно из (8.67), Na2O связывает свободный диоксид углерода, растворенный в воде и, таким образом, снижает коррозионную агрессивность воды благодаря увеличению pH воды и соответственному увеличению индекса насыщения [см. (8.65)].
Кроме того, оксид силиция SiO2 образ ет на поверхности трубопроводов прочну защитную пленку и поэтому изолирует от непосредственного контакта с водой.
Из (8.67) следует, что 1 мг чисто Na2O3SiO2, введенный в воду, связыва 0,36 мг СО2, образуя при этом 0,7 : NaHCO3; кроме того, на поверхности труб провода в виде пленки откладывает 0,75 мг SiO2. По санитарным условиям и пускается норма концентрации диокси кремния SiO2 в воде, подаваемой для гор чего водоснабжения, до 25—30 мг/л, что з вивалентно 35—40 мг/л чистого трисилиь та натрия.
Основным преимуществом метода явт ется простота устройства установки и эксплуатации, но при этом требуется сан тарный контроль.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Наиболее целесообразным методом р гулирования отпуска теплоты в систем централизованного теплоснабжения совр менных городов с разнородной теплов' нагрузкой (отопление, горячее водоснаб» ние, вентиляция) является сочетание це трального качественного регулирования отопительной нагрузке или по суммарн' нагрузке отопления и горячего водоснаб» ния с групповым или местным количестве ным регулированием отдельных видов ь грузки [91, 97, 111].
Выбор основного импульса для местн го регулирования зависит от типа и режи, работы установки.
В установках горячего водоснабжен в качестве такого импульса обычно выбир ется температура воды после подогревате в закрытых системах или после смеситет ного устройства в открытых системг В вентиляционных установках в качест основного импульса обычно выбирает температура воздуха после калориферов.
Выбор импульса для регулирования отопительной нагрузки является более сложной задачей, так как температуры в отдельных помещениях отапливаемых зданий могут существенно различаться и зависят не только от количества теплоты, поданной в здание, но и от качества работы отопительной установки здания, условий эксплуатации отдельных помещений, бытовых тепловыделений, а также солнечной инсоляции и инфильтрации, которые, в свою очередь, зависят от размещения отдельных помещений здания по отношению к сторонам света и розе ветров. Поэтому для экономичного удовлетворения отопительной нагрузки необходимо в дополнение к групповому и (или) местному регулированию осуществлять индивидуальное регулирование отдельных помещений или отдельных зон каждого здания, подверженных различному влиянию солнечной инсоляции, ветровой инфильтрации, бытовых тепловыделений и других условий.
Для группового или местного регулирования отопительной нагрузки используются обычно следующие раздельные импульсы:
а) внутренняя температура представительного помещения или средняя внутренняя температура нескольких помещений;
б) внутренняя температура устройства, моделирующего температурный режим отапливаемых зданий;
в) температура наружного воздуха или интегральный метеорологический показатель, учитывающий наружную температуру и солнечную инсоляцию.
Это позволяет без нарушения качества теплоснабжения использовать аккумулирующую способность зданий для балансирования подачи теплоты на отопление за определенный период времени (например, за 12 ч или 1 сут) при неравномерной тепловой нагрузке системы в отдельные часы суток.
При использовании первых двух импульсов создается также возможность применять различные сочетания температур и расходов воды в подающем трубопроводе тепловой сети для удовлетворения отопительной нагрузки.
Необходимость в осуществлении таких режимов возникает обычно при каких-либо отказах на отдельных участках параллельно работающих сблокированных магистральных тепловых сетей.
При временном снижении пропускной способности сети по расходу воды можно сбалансировать подачу теплоты на отопление путем повышения температуры в подающем трубопроводе тепловой сети. При использовании третьего импульса, т.е. наружной температуры или интегрального метеорологического показателя, регулирование отопительной нагрузки осуществляется по расчетной программе, в которой заложены режимы теплопотребления, характеристики оборудования групповой или местной подстанции и теплотехнические характеристики ограждающих конструкций и аккумулирующей способности здания. Программой задается расход сетевой воды при разных наружных температурах. При этом исходят из условия постоянного соответствия температуры воды в подающем трубопроводе тепловой сети температуре наружного воздуха. При отклонении фактической температуры воды в тепловой сети от расчетной для данной температуры наружного воздуха возникает небаланс теплоты во всех отапливаемых зданиях [1, 39].
На рис. 8.1 показана принципиальная схема ГТП при закрытой системе теплоснабжения и независимом присоединении отопительных установок к тепловой сети. Регулирование отопительной нагрузки осуществляется по импульсу, получаемому от устройства 8, моделирующего внутренний тепловой режим здания с заданной характеристикой [117].
В крупных городских системах централизованного теплоснабжения обычно осуществляется центральное качественное регулирование по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения. При расчете температурного графика центрального регулирования учитывается некоторая средняя, так называемая типовая для данного района, относительная нагрузка горячего водоснабжения рт, представляющая собой характерное для данного района отношение средненедельной нагрузки горячего водоснабжения к расчетной нагрузке отопления
рт=есгрЖ-
Фактическая относительная нагрузка горячего водоснабжения конкретного здания или группы зданий может существенно отличаться от средней по району.
У абонентов с фактической относительной нагрузкой горячего водоснабжения больше типовой (Рф > рт) расход сетевой воды должен иметь максимальное значение при наружной температуре, соответствующей точке излома температурного графика /И||. Как при понижении наружной температуры, т.е. при z < flt н, так и при повышении наружной температуры, т.е. до /н > /н и, расход сетевой воды должен снижаться (см. рис. 4.22). У абонентов, фактическая относительная нагрузка горячего водоснабжения которых меньше типовой (Рф < рт), расход сетевой воды должен иметь максимальное значение при расчетной наружной температуре для отопления /но. При повышении наружной температуры до гн > гно расход сетевой воды должен снижаться (см. рис. 4.22). Только в том случае, когда Рф= рт, расход сетевой воды должен поддерживаться постоянным в диапазоне наружных температур от ZH0 до /|1И и уменьшаться при повышении наружной температуры выше /н и.
Современные методы расчета позволяют при заданном температурном графике центрального качественного регулирования определить для каждого здания или группы зданий требуемый расход сетевой воды при
2>2> |
|
|