Теплообменные аппараты и приборы в легкой промышленности

Экономия теплоты в системах вентиляции и горячего водоснабжения

Рассмотрим пути экономии теплоты в системах вентиляции и горячего водоснабжения.

Системы вентиляции. В системах вентиляции для экономии теплоты, потребляемой на подогрев приточного воздуха, следует использовать рециркуляцию воздуха, причем в нерабочее время количество рециркулирующего воздуха можно увеличить до 100 %. Рециркуляционная система воздушного отопления состоит из осевого или центробежного вентилятора, калорифера, воздухопроводов. Теплоносителем для калорифера служит вода или пар. Тепловая мощность агрегатов составляет 100—1200 МДж/ч. Эти агрегаты не рекомендуется устанавливать в запыленных помещениях.

Расход теплоты на вентиляцию определяется прежде всего производительностью приточной вентиляции. Исходными данными для расчета производительности являются: количество выделяемой теплоты и количество вредных выбросов, температурный режим помещения, температура окружающего воздуха, объем помещения, число работающих. В производственных помещениях с естественной циркуляцией количество воздуха, подаваемого приточной вентиляцией на одного работающего, должно составить не менее 30 м 3 /ч при объеме помещения менее 20 м 3 на 1 человека и не менее 20 м 3 /ч при объеме помещения более 20 м 3 на 1 человека.

На предприятиях легкой промышленности с вредными выбросами (пыль, пары органических растворителей и др.) вместо установки систем по очистке воздуха от пыли или систем рекуперации паров органических растворителей предпочитают увеличивать кратность воздухообмена, что приводит к повышению расхода теплоты, а следовательно, и топлива на вентиляцию.

Так же как и в системе отопления, в приточной вентиляционной системе можно использовать автоматическое регулирование расхода горячего теплоносителя. Автоматическая схема предусматривает регулирование расхода воды для поддержания температу-

ры отработанной воды в пределах 45 — 60 °С и отключение вентилятора при понижении температуры воды ниже 30 °С.

На рис. 53 представлена схема автоматического регулирования температуры воздуха в помещении изменением расхода горячей воды, подаваемой в калорифер 4. Если температура воды в обратном трубопроводе после калорифера снизится ниже 30 °С, то вентилятор 3 отключается, а регулирующий клапан 10 полностью открывается, обеспечивая подачу горячей воды в калорифер. Температура воздуха измеряется после фильтра 8, после вентилятора 3 и в помещении, температура воды — на входе и выходе калорифера. Температура обратной воды 50 °С. Регулирование температуры обратной воды осуществляется в течение отопительного сезона. Термодатчиком является прибор ТУДЕ-4 с пределами регулирования 0—150 °С и установочной температурой 48 — 55 °С. Термодатчик с помощью промежуточного реле отключает вентилятор и полностью открывает клапан 10, регулирующий подачу горячей воды в прямом трубопроводе. Для предупреждения гидроударов в системе электродвигатель 2 включается циклично: включается на 3 с и выключается на 6 с и т.д.

Системы горячего водоснабжения. К мероприятиям по экономии теплоты во внутризаводских системах горячего водоснабжения можно отнести снижение температуры воды (если система горячего водоснабжения отделена от основной системы теплоснабжения и системы нагрева технологической воды); использование автоматических кранов для подачи воды; применение тепловой изоляции оборудования и трубопроводов; внедрение систем использования теплоты вторичных энергоресурсов. Так, например, можно использовать теплоту моечных машин в теплообменных аппаратах-утилизаторах и в тепловых насосах. Схема теплоутилизационной установки с тепловым насосом для мойки посуды, разработанная фирмой «Милпро НВ» (Великобритания), представлена на рис. 54.

Вторичное использование теплоты из бака с моющим раствором осуществляют в обычном теплообменнике на конечной стадии мойки посуды. Эту теплоту применяют для нагрева воды предварительной мойки, для которой идет также часть воды из бака окончательной мойки (температура 30 °С) и из бака с моющим раствором (температура 45 °С). Добавляемая вода фильтруется. Моющий раствор проходит через испаритель теплового насоса и снова возвращается на стадию окончательной мойки и в баки (температура 30 °С). Часть этого потока отбирается, фильтруется и охлаждается до температуры 15 °С во втором испарителе и затем используется при окончательной мойке.

Пары хладагента, образовавшиеся за счет вторично используемой теплоты, сжимаются в компрессоре и направляются при более высокой температуре в конденсатор для нагрева воды с моющим раствором из первого бака температурой от 55 до 65 °С, а

также во второй конденсатор, где вода нагревается до 80 °С. Чистую воду добавляют на стадии предварительной мойки.

Экономию теплоты можно получить и за счет использования изоляции оборудования и трубопроводов.

Стоимость единицы теплоты, теряемой в окружающее пространство, может быть рассчитана по стоимости топлива, сэкономленного вследствие применения изоляции.

Экономический эффект от применения изоляции можно получить, сравнивая приведенные затраты в вариантах без изоляции и с ее применением:

Стоимость единицы теплоты, теряемой через стенки оборудования,

Годовая стоимость сэкономленного топлива

Экономия топлива (кг/с)

Примеры расчета стоимости 1 кДж, теряемого в окружающее пространство, показывают, что величина S_T зависит от температуры внутри изолируемого аппарата, изоляции, температуры воздуха в производственных помещениях.

Водяной калорифер для приточной вентиляции: классификация, принцип работы, расчёт мощности

Калориферы для приточной вентиляции применяют в тех случаях, когда нужно обеспечить поступление во внутреннее помещение свежего воздуха извне при низких температурах. Летом наладить воздухообмен в жилых домах и на производственных предприятиях достаточно просто: при установке приточного вентилятора нужно только рассчитать его мощность для конкретной площади. Если же воздух снаружи холодный, то его прямое поступление внутрь здания ведёт к потере тепла.

Сбалансировать разницу температур, при этом освежая воздух, можно при помощи калорифера, который устанавливается непосредственно в системе вентиляции. Приходящий с улицы воздушный поток достигает необходимых параметров, проходя через систему фильтрации, нагревающие и охлаждающие элементы. Кроме этого, регулируется и содержание влаги.

Классификация

Для создания в здании оптимального микроклимата применяется система калориферного обогрева, то есть принудительного подогрева с помощью оборудования, которое устанавливается в воздушных каналах.

В зависимости от того, какой теплоноситель используется, выделяют 4 типа калориферов:

• Паровые – применяются чаще всего на промышленных предприятиях, где выработка пара предусмотрена технологическими процессами.
• Электрические – этот вариант самый простой в установке (нужен только источник питания для нагрева встроенных ТЭНов), но требует большого расхода электроэнергии. Использование электрокалорифера считается целесообразным только на объектах, площадь которых не превышает 150 м²
• Водяные – этот тип нагревателя работает на основе горячей воды и устанавливается в системах вентиляции с прямоугольным или круглым сечением на площадях свыше 150 м² Данный тип обогрева надёжен, практичен, прост в обслуживании и недорог.

Особенностью нагревателя является то, что состав поступающего с улицы воздушного потока не должен быть липким, волокнистым, содержать твёрдые частицы. Допустимая запылённость — не более 0,5 мг/м³. Минимальная температура забираемого воздуха -20 °C.

При выборе калорифера учитывают следующие факторы:

• площадь помещения;
• погодные условия в данном климатическом поясе;
• мощность вентиляции.

Нагреватель устанавливают во внутренней части вентиляционной шахты, поэтому он должен соответствовать её параметрам (конфигурации и размеру).

Если производительность будет низкой, то прибор не сможет прогреть воздушные массы.

Если нет возможности установить калорифер с нужными параметрами, то последовательно монтируются несколько механизмов, имеющих меньшую мощность.

Водяной калорифер: особенности конструкции

Водяной калорифер для приточной вентиляции экономичен в сравнении с электрическими аналогами: для того, чтобы нагреть одинаковый объём воздуха, используется энергии в 3 раза меньше, а производительность гораздо выше. Экономия достигается благодаря подключению к системе центрального отопления. С помощью термостата легко устанавливать необходимый температурный баланс.

Автоматическое управление повышает эффективность. Щит управления приточной вентиляцией с водяным калорифером не требует дополнительных модулей и представляет собою механизм управления и диагностирования аварийных ситуаций.

Состав системы выглядит следующим образом:

• Температурные датчики уличной и обратной воды, приточного воздуха и степени загрязнённости фильтров.
• Заслонки (для рециркуляции и воздушные).
• Клапан нагревателя.
• Циркуляционный насос.
• Капиллярный термостат защиты от замерзания.
• Вентиляторы (вытяжной и приточный) с механизмом контроля.
• Контроль вытяжного вентилятора.
• Пожарная сигнализация.

Водяной и паровой калориферы представлены в трёх разновидностях:

• Гладкотрубные: большое количество полых трубок расположены вблизи друг от друга; теплоотдача небольшая.
• Пластинчатые: ребристые трубки увеличивают площадь теплоотдачи.
• Биметаллические: патрубки и коллекторы сделаны из меди, алюминиевое оребрение. Наиболее эффективная модель.

Принцип работы

Вентилятор, теплообменник и конвектор – так в общих чертах выглядит водяное нагревательное устройство.

Принцип работы приточной вентиляции таков:

1. Воздушный поток поступает в специальные воздухозаборные решётки, предохраняющие от попадания в каналы вентиляции насекомых, мелких предметов, птиц, животных.
2. Фильтры очищают воздух от загрязнений, вредных веществ, пыли.
3. Калорифер при помощи тепла, поступающего от водяной магистрали, нагревает его до нужной температуры.
4. Рекуператор смешивает вновь поступающий воздух с нагретым.
5. Вентилятор подаёт прогретые воздушные массы в помещение, а диффузор распределяет их равномерно по всей площади.
6. Шумопоглотители снижают звуковую мощность работающей установки.
7. В случае отключения подачи воздуха срабатывают клапаны, не допускающие поступления холодного воздушного потока внутрь помещения.

Калорифер, не имеющий собственного нагревателя, состоит из двух основных элементов:

• Теплообменник, конструкция которого представлена системой трубок из металла – вода, поступающая из общей системы отопления, достигает здесь необходимой температуры.
• Встроенный вентилятор, разгоняющий прогретый воздушный поток по всей территории.

Подключение

Поступление воздушных масс может осуществляться в одном из двух вариантов:

• Левое выполнение: смесительный узел и автоматическое управление устанавливаются с левой стороны, подача воды производится сверху, отток — в нижней части.
• Правое выполнение: указанные механизмы находятся справа, трубка для подачи воды — внизу, «обратка» – в верхней части.

Трубки размещают на той стороне, где установлен воздушный клапан.

Водяные калориферы разделяются на 2 вида по типу вентиля:

• двухходовой – при подключении к общему теплоснабжению;
• трехходовой – при замкнутом способе снабжения теплом (к примеру, при подключении к котлу).

Вид вентиля определяется характеристиками системы, снабжающей теплом. К ним относятся:

• Вид системы.
• Температура воды в начале процесса и при оттоке.
• При центральном водоснабжении – разница между давлением в трубах подачи воды и её оттока.
• При автономном – наличие или отсутствие насоса, установленного на контуре притока.

Схема установки должна предусматривать недопустимость монтажа в следующих случаях:

• с вертикальным вводом и выводом трубы;
• с верхним забором воздуха.

Такие ограничения обусловлены возможностью попадания снежных масс в приток оборудования и дальнейшей протечки талой воды в электронный блок.

Чтобы избежать сбоев работы блока автоматики, датчик температуры должен находиться во внутренней части элемента выдува воздуха на расстоянии не менее 0,5 м от механизма притока.

Методы обвязки

Обвязка представляет собою каркас из арматуры, с помощью которого регулируется поступление горячей воды. Узел обвязки помогает контролировать производительность калорифера приточной вентиляции, управлять им и поддерживать в здании заданный температурный режим.
Расположение узлов обвязки определяется местом установки, схемой воздухообмена, техническими параметрами оборудования. Применяют 2 варианта монтажа:

• Рециркуляционные воздушные массы смешиваются с приточными.
• Осуществляется только рециркуляция воздуха внутри помещения по замкнутому принципу.

С учётом этого существуют 2 метода обвязки:

• 2-ходовыми вентилями – при неконтролируемом обратном расходе воды;
• 3-ходовыми вентилями – при контроле за расходом воды в бойлерной или котельной.

Некоторые производители — например, «Интеграция» — выпускают узлы обвязки различной модификации, представляющие собою целые комплекты, состоящие из клапанов (балансировочных и обратных, двух и трёхходовых), насосов, байпасов, шаровых кранов, манометров, очистительных фильтров.

Если естественная вентиляция налажена хорошо, то возможностей для успешной работы оборудования гораздо больше. Правильный выбор обвязки в таких случаях эффективен, как для нагрева больших площадей на производстве, так и для частных домов, коттеджей.

Калорифер, используемый для вентиляции, обычно подключают к системе отопления непосредственно в точке воздухозабора. Если действует принудительная вентиляция, то монтаж воздухонагревателя может быть проведён в любом месте.
Калориферы для приточной вентиляции позволяют создать комфортный температурный режим как в промышленных, так и в жилых помещениях. Важно только правильно определиться с выбором теплоносителя, который будет наиболее эффективным (с минимальными затратами при максимальной производительности) в определённых условиях. Автоматизированная система – как, например, щит управления приточной вентиляцией с водяным калорифером, — позволит сделать использование нагревательных приборов для приточной вентиляции удобным и безопасным.

Расчёт водяного калорифера

Расчёт мощности калорифера, необходимой для обогрева конкретного помещения, проводят с учётом таких данных, как:

1. Объём (масса) приточного воздуха, который необходимо нагреть.
2. Начальная (внешняя) температура воздушных масс.
3. Целевая температура, до которой необходимо разогреть воздух перед подачей в комнату.
4. Температурный режим теплоносителя.

Расчёт калорифера производят исходя из площади поверхности подогрева и нужной мощности. Для каждой операции применяется своя формула. Рассчитать мощность калорифера можно только с учётом реальных данных в конкретных условиях, среди которых наиболее важные:

• способ подключения (к центральной теплосети или котельной);
• метод обвязки.

Расчёт мощности калорифера

Q_т – тепловая мощность калорифера, Вт;
L – расход воздуха, м³/час
ρ_возд – плотность воздуха. Плотность сухого воздуха при 15 °C на уровне моря составляет 1,225 кг/м³;
с_возд – удельная теплоёмкость воздуха, равная 1 кДж/(кг∙К)=0,24 ккал/(кг∙°С);
t_вн – температура воздуха на выходе из калорифера, °C;
t_нар – температура наружного воздуха, °C (температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 согласно СП 131.13330.2012)

Калькулятор расчёта мощности калорифера

Расход теплоносителя на калорифер

G — расход воды на теплоснабжение калорифера, кг/ч;
3,6 — коэффициент перевода Вт в кДж/ч (для получения расхода в кг/ч);
Q_т – тепловая мощность калорифера, Вт;
с_в – удельная теплоёмкость воды, равная 4,187 кДж/(кг∙К)=1 ккал/(кг∙°C);
t_пр – температура теплоносителя (прямая линия), °C;
t_обр – температура теплоносителя (обратная линия), °C.

Калькулятор расхода теплоносителя на калорифер

Диаграмма процесса нагрева воздуха

Определить потребную мощность калорифера можно с помощью специальных диаграмм. Количество необходимой энергии (Джоулей) для нагрева 1 килограмма воздуха производится с помощью i–d диаграммы влажного воздуха. Расчёт производится при условии, что процесс нагрева воздуха протекает при d = const (при неизменном влагосодержании). Далее, с учётом расчётного расхода воздуха, перевода единиц (Дж/с в кВт), определяется мощность калорифера.

Для получения точных данных можно воспользоваться онлайн-калькуляторами, с помощью которых можно узнать показатель мощности, указав производительность и температуру. Так как производительность установки в результате постепенного износа может снижаться, рекомендуется заложить в расчёт запас мощности от 5 до 15%.

Достоинства и недостатки водяных калориферов

Калорифер водяной для приточной вентиляции имеет существенные минусы, ограничивающие его применение в жилых помещениях:

• большие габариты;
• сложность подключения к общей системе горячего водоснабжения;
• необходимость жёсткого контроля температуры теплоносителя в системе водоснабжения.

Однако, для создания комфортной температуры в больших помещениях (производственных цехах, теплицах, торговых центрах), применение таких нагревательных установок является наиболее удобным, эффективным, экономичным.

Водяной калорифер не нагружает электросеть, его поломка не спровоцирует возгорание – эти факторы делают использование оборудование безопасным.