Составление проекта и расчет воздушной системы отопления большой теплоемкости

Приступая к составлению проекта воздушной системы отопления, следует прежде всего наметить способ согревания помещений, то есть будет ли отопление производиться при помощи наружного воздуха или же циркуляциею комнатного воздуха (обратными каналами). Выбор той или другой системы зависит от назначения отапливаемых помещений: при отоплении жилых помещений, или же помещений, назначенных для более продолжительного пребывания людей, следует всегда устраивать ввод в них наружного воздуха для соблюдения должной чистоты воздуха в этих помещениях, в виду чего для них предпочтительно отопление при помощи наружного воздуха, хотя такой способ отопления и будет обходиться в эксплуатации дороже; помещения же, в которых пребывание людей бывает кратковременно, возможно отапливать и при помощи циркуляции внутреннего воздуха.

Избрав ту или иную систему, переходят к размещению калориферов в здании; каждый калорифер должен служить для отопления группы помещений, но, при размещении калориферов, следует иметь в виду, что расстояние их от отапливаемых помещений по горизонтальному направлению не может быть произвольным, так как чем больше это расстояние, тем больше будет сопротивление движению воздуха по жаровым каналам, соответствующим этим помещениям, при значительном же расстоянии сопротивление это может возрасти до того, что движение воздуха по длинным жаровым каналам совсем прекратится или будет крайне слабым. Расстояние отапливаемых помещений от калорифера по вертикальному направлению имеет обратное влияние, как это было указано в начале описания воздушной системы: чем больше это расстояние, то есть чем выше расположено отапливаемое помещение над калорифером, тем сильнее происходит движение воздуха по жаровому каналу, идущему в это помещение; сопоставляя влияние расстояния по горизонтальному и вертикальному направлениям, возможно допускать более длинные горизонтальные жаровые каналы лишь для верхних этажей, но и то до известных пределов. При размещении калориферов руководятся обыкновенно данными опыта, располагая их таким образом, чтобы протяжение жаровых каналов по горизонтальному направлению не превосходило 6 - 7 метров для помещений 1-го и 2-го этажей; для помещений же верхних этажей расстояние это может быть увеличено до 10 метров.

Расположив в зависимости от вышесказанного калориферы и наметив таким образом группы помещений, которые должны отапливаться от каждого калорифера. приступают к расчету системы отопления, который будет состоять из расчета нагревательного прибора, то есть калорифера, и расчета каналов, по которым будет происходить движение воздуха; для вышеозначенных расчетов должны быть определены следующие величины:

а) охлаждение каждого отапливаемого помещения;

б) общее количество тепла, которое должен выделять калорифер в течение каждого часа.

в) объемы воздуха, вводимого в помещения.

В виду однообразности подсчетов, которые приходится производить при этом для отдельных помещений - результаты их обыкновенно помещают в таблицу, образец которой приведен ниже.

Охлаждение помещений рассчитывается также, как это было указано при расчете печей, по формуле:

w₁=(F₁K₁+F₂K₂+F₃K₃)(T-t)+F₄K₄(T-t₁)+F₅K₅(T-t₂)

при чем наружная температура t принимается также, как и при печах большой теплоемкости, равною низшей наружной температуре, продолжающейся в данной местности в течение трех зимних дней (для Петрограда t = - 15° С.).

При определении количества тепла, которое должно быть выделяемое калорифером в течение каждого часа, и объемов протекающего через калорифер воздуха - может встретиться несколько разнородных случаев, которые мы и рассмотрим подробно ниже: 1) Если отопление должно производиться комнатным воздухом, то, для поддержания в помещениях равномерной температуры, калорифер должен постоянно выделять в них такое же количество тепла, какое теряется ими через охлаждение наружных поверхностей их, почему общее количество тепла W, выделяемое калорифером в течение каждого часа, должно быть равно сумме потерь тепла помещениями через охлаждение их в течение того же времени; следовательно:

W=EW₁

где W₁ есть охлаждение отдельного помещения, а знак E показывает, что надо взять сумму охлаждений всех помещений.

Для определения количества воздуха, который должен циркулировать по жаровым каналам для отопления помещений, задаются температурою Т₀, до которой должен быть согрет этот воздух в калорифере; температуру эту принимают в пределах от 40° до 60° С., имея в виду, что при более высокой температуре возможно уже начало разложения органической пыли, сопровождающееся порчею воздуха; количество воздуха, вводимое в каждое отдельное помещение, должно быть таково, чтобы он, охладившись от температуры Т₀ до комнатной температуры Т, выделил бы в помещение то количество тепла, которое теряется помещением через охлаждение; -следовательно, обозначая охлаждение одного из помещений через W₁ а объем потребного для него воздуха через L₁ куб. метр., получим:

L₁ x (T₀- T) x 0,306)=W₁

откуда искомый объем:

L₁=W₁/(T₀-T) x 0,306 куб. метр.

Для всякого другого помещения с охлаждением W_n - объем циркулирующего по жаровому и обратному каналу воздуха L_n должен быть:

L_n=W_n/(T₀-T) x 0,306 куб. метр.

таким образом объемы воздуха находятся в зависимости от охлаждения помещений и прямо пропорциональны им.

2) Если отопление должно производиться наружным воздухом, то количество тепла, которое должно выделяться калорифером в течение одного часа, зависит также и от количества этого воздуха; здесь могут встретиться следующие три случая:

а) Объемы вводимого в каждое помещение воздуха не заданы, остается лишь условие, что отопление должно производиться наружным воздухом.

Рассуждая как и в первом случае и задаваясь температурою Т₀ в пределах от 40° до 60° С., получим следующие объемы наружного воздуха, вводимого в отдельные помещения:

L₁=W₁/(T₀-T) x 0,306

Воздух этот должен быть согреваем калорифером от наружной температуры t до температуры Т₀, для чего калорифер дол жен выделять в час:

W=(T₀-t) x 0,306 x EL₁ ед. т.

подставляя в это выражение вместо Т₀ - ее величину, получим:

то есть искомое количество тепла, которое должен выделять калорифер в течение каждого часа, равно сумме охлаждений помещений, сложенной с расходом тепла, необходимого для согревания всего вводимого воздуха от наружной температуры до комнатной.

б) Объемы вводимого в помещения воздуха заданы точно в зависимости от потребностей вентиляции и не могут быть изменяемые.

Обозначая охлаждение одного из помещений через W₁ а соответствующий ему заданный объем вводимого воздуха через получим:

W₁=L₁(T₀-T) x 0,306 ед. т.;

в этом выражении известны W₁, L₁ и Т, неизвестною же остается температура вводимого воздуха Т₀; определяя ее, получим:

T₀=W₁/0,306L₁+T

аналогично для другого помещения с охлаждением W₁ и объемом вводимого воздуха L₁

Так как отношения W₁/L₁и W/L могут быть и не равны между собою, ибо объемы вентиляции заданы независимо от охлаждения помещений, то и температуры Т₀ и Т₀' будут не равны между собою и, таким образом, в различные помещения необходимо будет вводить воздух не при одинаковых температурах, как было в предыдущих случаях, а при различных; для удовлетворения этому условию калорифер должен иметь приспособления, дающие возможность изменять температуру вводимого воздуха (см. черт. 244 - 246).

В рассматриваемом случае объемы вводимого воздуха точно заданы и остается лишь определить общее количество тепла W, которое должно выделяться калорифером в 1 час; определяя это количество для каждого отдельного помещения, получим:

W₀=(T₀-t) x 0,306 x L₁

подставляя же в эти выражения вместо величин Т₀, Т₀' и т. д. их значения получим:

W₀=(W₁/0,306L₁+T-t) x 0,306L₁=W₁+(T-t) x 0,306L₁

Наконец, складывая между собою первые и вторые части этих уравнений, получим окончательно:

EW₀=W=EW₁+(T- t) x 0,306EL₁ ед. т.,

то есть и в этом случае расход тепла, выделяемого калорифером должен быть равен сумме расходов на охлаждение помещений, сложенной с расходом тепла, потребного для нагревания всего вводимого воздуха от наружной температуры до комнатной.

в) Объемы вводимого в помещения воздуха L и L₁ т. д. заданы в зависимости от потребностей вентиляции и не пропорциональны охлаждениям, температура же вводимого в помещения воздуха должна быть одинакова для всех помещений, так как в системе не предполагается иметь соответствующие приспособления для изменения этой температуры.

Очевидно, что в этом случае заданные объемы вводимого воздуха не могут быть сохранены и должны быть изменены в зависимости от охлаждения помещений, но так как уменьшение заданных объемов вентиляции, хотя бы и в части помещений, может повести к нежелательному ухудшению качества воздуха в них, то остается лишь соответственно увеличить эти объемы таким образом, чтобы они получались пропорциональными охлаждению; для этой: цели составляется ряд отношений. И наибольшее из этих отношений, положим в, принимается за нормальное для всех помещений; тогда искомые объемы будут:

L₀=вW₁

Общий же расход тепла, которое должно выделяться калорифером в течение 1 часа, получится, аналогично с предыдущими случаями, равным:

W=(T₀- t) x 0,306EL₀=EW₁+(T- t) x 0,306EL₀ ед. т.

Определив одним из вышеприведенных способов количество тепла W, переходят к детальному расчету калорифера расчет этот состоит в определении размеров топочной решетки, поддувала, топливника, поверхности нагрева и дымовой трубы.

Для определения размеров частей топливника необходимо прежде всего определить количество топлива, которое должно сжигаться в нем в течение 1 часа; при определении этого количества надо иметь в виду, что калориферы большой теплоемкости должны топиться ежедневно сравнительно непродолжительное время, выделение же ими тепла должно происходить все время; обычно расчет их ведется таким образом, чтобы при .наружной температуре до - 15° С. топка их производилась один раз в сутки, продолжительностью от 3 до 5 часов, в течение какового времени калорифер должен воспринять от продуктов горения все то количество тепла, которое он будет затем расходовать в течение суток .

Обозначая продолжительность топки через n часов, а продолжительность промежутка между топками через m часов, получим, что общее количество тепла, которое калорифер должен будет выделить в течение топки и промежутка, будет:

(n+m)W ед. т.

это количество тепла должно быть воспринято калорифером от продуктов горения в течение n часов, следовательно в 1 час топки калорифер должен получить от топлива:

W_n=(n+m)W/n ед. т.

На это количество тепла и должны быть рассчитаны все части топливника.

Количество топлива, которое должно быть сожжено в течение часа для передачи калориферу W_k единиц тепла, должно быть:

P=W_k /pf кг.

где f - теплопроизводительная способность топлива, определяемая по таблице № 2, а p - коэффициент полезного действия воздушной системы, принимаемый для калориферов, проектированных Лукашевичем, равным 0,7 - 0,8.

Площадь поддувала рассчитывается, как и при печах, на скорость движения воздуха через него в 1,25 метра в секунду; обозначая количество воздуха, практически необходимого для горения одного килограмма топлива, через u куб. метр., получим, что площадь поддувала должна быть:

A₁=Pu/1,25 x 3600 км. м.

Площадь топочной решетки:

A₂=P/K кв. м

где К - количество топлива, сгорающее на одном кв. метре решетки в течение 1 часа; в виду того, что топка калориферов бывает более продолжительною, нежели печей большой теплоемкости, величина K может быть здесь принята несколько больше, чем это было принято при расчете печей; для калориферов можно принять: для дров - К=160 кг., для каменного угля К=120 кг.

Количество топлива, сгорающее в течение всей топки = n Р кг., или nP/p куб. метр., где p - вес 1 куб. метра топлива; на этот объем и должны быть рассчитаны внутренние размеры топливника, но если при этом размеры его получатся слишком великими, то последний можно рассчитать и на половинное количество. предполагая делать две подкладки топлива в течение промежутка топки; добавляя к внутренним размерам топливника в плане по 6 - 9 вершков с каждой стороны на стенки, получим наружные размеры топливника.

Наконец дымовая труба должна быть рассчитана совершенно на тех же основаниях, как и поддувало, и на ту же скорость в 1,25 метра в секунду, почему площадь её получится равною площади поддувала.

Поверхность нагрева калорифера, передающая теплоту к воздуху, должна быть рассчитана на то количество тепла, которое калорифер должен выделять в течение каждого часа, то есть на W ед. тепла; для расчета этой поверхности принимают, на основании данных опыта, что 1 кв. метр ее, при одной топке в сутки, может выделять в среднем в 1 час:

при одиночных колодцах 220 ед. т.

при двойных  колодцах 240 ед. т.

при четверных  колодцах 310 ед. т.

Обозначая количество тепла, выделяемое 1 кв. метром поверхности нагрева в 1 час, через п₀, получим, что вся поверхность должна быть:

F=W/n₀ кв. м.

Обычно принимают, что эта поверхность должна быть равна боковой поверхности калорифера, почему, назначая высоту его в Н метр., получим, что периметр колодцев и топливника должен быть

P₁=F/H метр.

что же касается до верхней поверхности калорифера (перекрышки), то таковую не принимают в расчет, так как на ней располагаются увлажнительные сосуды и теплота, выделяемая ею, расходуется на испарение воды для увлажнения.

Определив таким образом размеры калорифера и наметив и разместив колодцы, добавляют на проходы вокруг них от 0,36 до 0,44 метр. (8 до 12 вершков) и получают размеры камеры калорифера.

Дальнейший расчет частей системы состоит в определении размеров каналов, служащих для движения воздуха; площадь каждого канала должна быть:

A₀=L/v x 3600 кв.м.

где L - объем воздуха, протекающего через канал, выраженный в куб. метрах, v - скорость движения воздуха в метрах в секунду.

Скорость v , на основании данных опыта, может быть принята следующая:

а) в воздухоприводных каналах - 0,9 метра при одноэтажном здании и от 1,1 до 1,2 метр. при многоэтажном здании;

б) в обратных каналах от 0,75 до 0,9 метр.;

в) в жаровых каналах, идущих в первый этаж - о,75 метр., для второго этажа - 0,9 м. и для верхних этажей от 1,2 до 1,4 метр.

г) в вытяжных каналах, идущих из верхних этажей, 0,75 метр., из ниже лежащих - от 0,9 до 1,4 метра.

Площадь жаровых душников следует рассчитывать на скорость не больше 0,6 метр., так как при большей скорости - движение выходящего из душника воздуха может беспокоить лиц, находящихся вблизи этих душников; площадь вытяжных душников рассчитывается на скорость в 0,9 метра в секунду.

Вышеприведенный расчет применяется при калориферах, назначенных для равномерной работы в течение целых суток, что обыкновенно и бывает, когда воздушная система назначена исключительно для отопления помещений; когда же она назначается также и для вентиляции помещений, то возможны и отклонения от вышеприведенного расчета, именно в тех случаях, когда вентиляция должна производиться не целые сутки, а лишь несколько часов в течение суток; подобные требования бывают, например, при отоплении и вентиляции церквей и школ, для которых собственно вентиляция требуется сравнительно непродолжительное время (от 4 до 6 часов), пока в этих помещениях бывают люди, во все же остальное время суток требуется лишь отопление.

Конечно и в этом случае расчет калорифера мог бы быть произведен, подобно только что указанному, по наибольшему расходу тепла в час, соответствующему одновременному действию отопления и вентиляции, при чем, очевидно, калориферы действовали бы вполне удовлетворительно и при меньшем расходе тепла, то есть в то время когда требуется только отопление; но при таком способе расчета размеры калориферов получились бы слишком великими, без действительной в том надобности: в подобных случаях возможно уменьшить несколько размеры калориферов, видоизменяя расчет, согласно ниже приводимым указаниям,

Очевидно, что расход тепла калорифером должен быть наибольший во время одновременного действия отопления и вентиляции, когда требуется добавочный расход на нагревание наружного воздуха; но здесь следует принять во внимание, что и выделение теплоты калорифером происходит в действительности не вполне равномерно, при чем наибольшее выделение соответствует времени, следующему непосредственно за окончанием топки, когда калорифер еще сильно прогрет, а затем, по мере остывания его в промежутке между топками, количество выделяемой им теплоты постепенно убывает. Следовательно, если в случаях, только что указанных, производить топку калориферов непосредственно пред тем временем, когда должна действовать вентиляция, то во время её действия будет получаться наиболее усиленное выделение тепла калориферами, при чем избыток тепла и будет расходоваться на подогревание вводимого воздуха. В зависимости от этого, при расчете калориферов в подобных случаях возможно допустить нижеследующие упрощения.

Если вентиляция и отопление действует одновременно в течение s часов в сутки то расход на них будет s w ед. т.; в остальное время будет действовать только отопление, почему расход в течение этого времени должен быть (m + n - S) ед. тепла, а общий расход в течение суток будет S W + (m + n - S) ед. т.; следовательно в течение каждого часа топки калорифер должен получить от продуктов горения:

W_k= SW+(m+n-S)W₁ /n ед. т.

на это количество тепла и должен быть рассчитан топливник и его части, при чем в вместо W_k должно быть подставлено W¹k .

Кроме того и количество тепла п₀, выделяемое 1 кв. метром поверхности нагрева на основании вышесказанного, может быть принято в этом случае больше, так как она будет соответствовать выделению тепла калорифером непосредственно после топки, когда выделение это происходит интенсивнее; поэтому в подобных случаях n₀ принимается при одиночной топке: 

для одиночных колодцев 330 ед. т.

для двойных колодцев    350 ед. т.

для четверных колодцев 440 ед. т.