Водяное отопление
Водяное отопление - наиболее распространённая отопительная система, применяемая в современных жилых, общественных и промышленных зданиях. Тепло в отапливаемые помещения передаётся горячей водой через находящиеся в них отопительные приборы. Система «Водяное отопление» включает: водонагреватели, в которых вода подогревается сжигаемым топливом (котёл) или преобразуемой в тепло электроэнергией (электрокотёл), при централизованном теплоснабжении — паром и более горячей водой (теплообменный аппарат); отопительные приборы (радиаторы, конвекторы, панели, ребристые и гладкие трубы и т.п.); трубопроводы, по которым горячая вода от водонагревателя поступает в отопительные приборы и после остывания в них возвращается обратно в водонагреватель; расширительный сосуд для воды, объём которой увеличивается при нагревании; запорно-регулирующую арматуру, устанавливаемую на трубопроводе.
Различают системы Водяное отопление с естественным и механическим побуждением движения воды. В системах Водяное отопление с естественным побуждением (рис. 1), применяемых только в небольших зданиях, вода циркулирует за счёт разности температур и плотности нагретой в водонагревателе (более лёгкой) и остывшей в отопительных приборах и трубопроводах (более тяжёлой) воды. Циркуляция при всех прочих равных условиях усиливается по мере увеличения расстояния по вертикали между отопительными приборами и водонагревателем, в связи с чем последний стараются размещать возможно ниже. В системах Водяное отопление с механическим побуждением (рис. 2) циркуляция воды происходит в основном за счёт действия циркуляционного насоса, который устанавливают на трубопроводе, подводящем охлаждённую воду к водонагревателю. В таких системах водонагреватель может быть расположен на одном уровне с отопительными приборами и даже выше них, а диаметры трубопроводов меньше, чем в системах с естественным побуждением.
Рис. 1. Схема водяного отопления с естественным побуждением (двухтрубная с верхней разводкой):
1 — водонагреватель (котёл);
2 — главный стояк;
3 — горячий трубопровод:
4 — обратный трубопровод;
5 — горячие стояки;
6 — обратные стояки;
7 — отопительные приборы;
8 — регулирующие краны у отопительных приборов (обычно краны двойной регулировки);
9 — расширительный сосуд:
10 — сигнальная труба;
11 — запорный вентиль на сигнальной трубе;
12 — напорная водопроводная линия с установленным на ней запорным вентилем;
13 — спусковая линия в канализацию с установленным на ней запорным вентилем;
14 — запорно-регулирующие задвижки или краны на стояках;
тройники для спуска воды из системы.
В системах Водяное отопление применяют различные схемы разводки трубопроводов: с верхним и с нижним расположением горячей разводящей линии при вертикальных стояках, к которым присоединяются отопительные приборы; с поэтажной горизонтальной разводкой и др. По способу присоединения отопительных приборов различают двухтрубные, однотрубные (рис. 2,а) и проточные (рис. 2,б) схемы. В первом случае все отопительные приборы присоединены параллельно к двум трубам (горячему и обратному стоякам); во втором — каждый отопительный прибор присоединён к одной трубе (стояку), причём часть проходящей по нему воды идёт через прибор, а часть, минуя его, — через замыкающий участок. В проточной схеме вода проходит последовательно через все отопительные приборы, присоединённые к стояку. Для правильной эксплуатации системы Водяное отопление важно, чтобы из неё был удалён воздух. С этой целью, а также для полного опорожнения системы все трубопроводы прокладываются вертикально или с уклоном, причём в верхней точке системы делаются специальные устройства — воздухоотводчики.
Рис. 2. Схема водяного отопления с механическим побуждением с нижним расположением горячей разводящей линии и присоединением отопительных приборов по однотрубной схеме (а), по проточной схеме (б):
| 1 — циркуляционные насосы; 2 — водонагреватель (котёл); 3 — отопительные приборы; 4 — главный стояк; 5 — горячий трубопровод; 6 — обратный трубопровод; | 7 — расширительный сосуд; 8 — расширительная труба; 9 — циркуляционная труба от расширителя; 10 — регулировочные краны; 11 — замыкающие участки; 12 — воздуховыпускные краны. |
При централизованном теплоснабжении горячая вода из наружной сети часто подаётся непосредственно в системы Водяное отопление и после охлаждения возвращается обратно. Если температура горячей воды в наружных сетях централизованного теплоснабжения выше температуры, соответствующей гигиеническим требованиям отопления (например, 85°С для больниц, 105°С для жилых домов), то к горячей воде с целью уменьшения её температуры подмешивают охлажденную воду из системы отопления. Для этого в месте присоединения системы Водяное отопление к наружным сетям централизованного теплоснабжения устанавливают водоструйные насосы (рис. 3). Изменение теплоотдачи Водяное отопление, необходимое в связи с колебаниями наружной температуры, достигается централизованным регулированием температуры воды в системе. Местное, покомнатное, регулирование производится обычно кранами у отопительных приборов. Летом в период бездействия системы отопления для сохранности трубопроводов воду из неё спускать не рекомендуется.
Рис. 3. Схема присоединения водяного отопления к централизованному теплоснабжению с установкой водоструйного насоса:
| 1 — воздухоотводчик (вантуз); 2 — отопительный прибор; 3 — манометры; | 4 — грязевики; 5 — тройник; 6 — водоструйный насос (элеватор). |
Лит.: Отопление и вентиляция, ч. 1 — Отопление, М., 1956; Ливчак И. Ф., Квартирное водяное отопление малоэтажных зданий, М. — Л., 1950. И. Ф. Ливчак.
Отопительные приборы, нагревательные приборы систем отопления, приборы, устанавливаемые в отапливаемых помещениях для их обогрева, чаще всего посредством передачи тепла от теплоносителя, циркулирующего в системе отопления. Тип Отопительные приборы зависит от системы отопления, например при воздушном отоплении, устанавливают калориферы и другие воздухонагреватели. В наиболее распространённых системах водяного отопления и парового отопления применяются радиаторы, конвекторы, приборы панельного и плинтусного типов, гладкие и ребристые трубы. В системах лучистого отопления и панельного отопления функции Отопительные приборы выполняют стены, потолок, пол или специально изготовленные панели приставного или подвесного типа. При этом поверхности нагрева создаются путём заделки в указанных конструкциях труб небольшого диаметра, прокладки электрического кабеля или устройства в них воздуховодов и каналов. См. также Газовое отопление, Электрическое отопление.
Отопление
Отопление, искусственный обогрев помещений в холодный период года с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта, а иногда и требованиям технологического процесса. Под Отопление понимают также устройства (системы), выполняющие эту функцию.
Тепловой комфорт чаще всего определяют температурой в помещениях. Так, например, в жилых помещениях наиболее благоприятной считается температура 18—20° С, в раздевальных помещениях бань 23 °С и т. д. При этом весьма важна равномерность распределения температур в помещении в горизонтальном и вертикальном направлениях; она зависит от вида отопительных приборов и их расположения, а также от теплозащитных свойств наружных ограждений и возможности проникновения через них в помещение наружного воздуха.
Мощность отопительной системы (по действующим в СССР нормам) должна обеспечить возмещение теплопотерь в помещениях при наружной температуре в отопительный период, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки в данном населённом пункте. Для Москвы, например, эта температура равна — 26° С, для Якутска — 52° С, для Ташкента — 13° С.
В производственных помещениях промышленных предприятий при постоянном выделении тепла от технологического оборудования мощность отопительного устройства может быть соответственно уменьшена. Физиологические процессы жизнедеятельности человеческого организма также связаны с образованием тепла и выделением его (преимущественно лучеиспусканием и конвекцией) в окружающую среду. Это тепло передаётся воздуху и ограждениям (стенам, полу, потолку), участвующим в создании микроклимата помещений. Все составляющие теплопотерь в помещениях, как и тепловыделение в них (от технологического оборудования, людей, электрического освещения, солнечной радиации и т. п.), непрерывно изменяются. Поэтому количество тепла (определяемое разностью между теплопотерями и тепловыделением), подаваемого в помещение системой Отопление, должно регулироваться. Наибольший эффект регулирования подачи тепла даёт автоматизация отопительной системы, при которой учитываются не только выделяемое тепло и теплопотери в помещении, но и тепловая инерция. Регулирование осуществляется также с помощью регулировочных кранов, устанавливаемых на отопительных приборах.
Различают системы Отопление центральные и местные. В системах центрального Отопление тепло вырабатывается за пределами отапливаемых помещений (котельная, ТЭЦ), а затем транспортируется по трубопроводам в отдельные помещения, здания. Центральные системы Отопление подразделяются по виду теплоносителя (водяное, воздушное, паровое Отопление и др.). Наибольшее распространение (преимущественно в жилых, общественных и в некоторой части промышленных зданий) получило водяное отопление с различными отопительными приборами. Широко применяется также (главным образом в общественных и промышленных зданиях) воздушное отопление, существенное преимущество которого перед другими видами. Отопление — возможность совмещения его действия с вентиляцией и кондиционированием воздуха. В жилых, общественных и некоторых видах промышленных зданий (с повышенными требованиями к чистоте воздуха) расширяется использование панельного отопления и лучистого отопления. Область применения парового отопления из-за присущих ему недостатков в современном строительстве значительно сократилась; при наличии пара как теплоносителя для Отопление чаще используется комбинированное (пароводяное) отопление, при котором вместо отопительного котла устанавливается работающий на пару водонагреватель.
В малоэтажных зданиях обычно применяются системы местного Отопление, особенностью которого является совмещение генератора тепла с отопительным прибором. Весьма распространённый вид местного Отопление— печное отопление. Однако оно постепенно вытесняется более совершенным и экономичным центральным Отопление, а также другими видами местного отопления: газовым отоплением, электрическим отоплением и так называемым квартирным отоплением. Последнее отличается от системы центрального Отопление тем, что в нём генератор тепла обеспечивает теплом одну квартиру, его размещают, как правило, в кухне квартиры, причём генератор тепла часто выполняется в виде одного агрегата, совмещенного с плитой для приготовления пищи.
Для СССР Отопление имеет существенное значение, так как климат на большей части его территории характеризуется низкими температурами, обусловливающими длительный отопительный период. На Отопление только жилых и гражданских зданий расходуется около 30% всего добываемого твёрдого и газообразного топлива. Стоимость устройства Отопление обычно составляет 4—6% от всех затрат на сооружение объекта в целом. Стоимость эксплуатации Отопление в значительной степени определяется расходами на топливо, которое используется более эффективно при централизованном теплоснабжении городов и промышленных районов.
Отопительная техника имеет многовековую историю. Первые отопительные устройства были известны ещё в каменном веке. В начале нашей эры появились отопительные печи с отводом продуктов горения через дымовые трубы. Совершенствуясь, эти печи долгое время были основным видом Отопление Важный этап в развитии отопительной техники связан с возникновением центральных систем Отопление Наиболее ранней явилась система Отопление, функционировавшая благодаря сети каналов, размещенных под полом, по которым пропускались дымовые газы из печи (см. Гипокауст). С 15 в. уже применялось воздушное Отопление с подачей в помещение воздуха, нагревавшегося при соприкосновении с поверхностями печи. Системы водяного и парового Отопление получили развитие в 19 в. К началу 20 в. относится создание лучистого и панельного Отопление, развитие систем центрального Отопление, теплофикации и централизованного теплоснабжения.
Лит.: Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел Г, гл. 7. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Нормы проектирования, М., 1964; Отопление и вентиляция, 2 изд., ч. 1, М., 1965; Семенов Л. А., Печное отопление, 3 изд., М., 1968.
И. Ф. Ливчак.
Воздухоотводчик, прибор для удаления воздуха, скапливающегося в системах водяного отопления. Различают Воздухоотводчик ручного и автоматического действия. Воздухоотводчик ручного действия представляет собой кран для периодического выпуска воздуха, иногда устанавливаемый вместе с бачком (ёмкостью), где накапливается воздух перед выпуском. Воздухоотводчик автоматического действия выпускает воздух по мере его появления с помощью поплавков, открывающих выпускные отверстия при понижении уровня жидкости в приборе. См. также Вантуз.
Вантуз (франц. ventouse, от лат. ventosus — ветреный), клапан, автоматически удаляющий воздух из водопроводных труб. Вантуз устанавливается в местах скопления воздуха, обычно в высших точках трубопроводной линии. Применяется также в отопительных системах и на линиях, отводящих воду из водонагревателей.
Водонагреватель, теплообменный аппарат для нагревания воды паром, горячей водой, горячими газами, электрическим током. Водонагреватель применяют в системах горячего водоснабжения, водяного отопления, нагрева питательной воды для котельных агрегатов, для бытовых и других нужд. Наиболее распространены Водонагреватель поверхностного типа, в которых тепло к нагреваемой воде передаётся через поверхность металлических трубок, обогреваемых паром или водой. Реже применяют контактные Водонагреватель, в которых нагреваемая вода непосредственно соприкасается с паром или горячими газами. Водонагреватель, устанавливаемые в котельных агрегатах для нагрева воды за счёт тепла отходящих газов, называются водяными экономайзерами. К местным Водонагреватель, работающим на газе или на твёрдом топливе, относятся ванные колонки, змеевики или водогрейные коробки, размещенные в плитах, кипятильники и др. Из местных Водонагреватель широко применяют ванные колонки. Они могут быть ёмкостными и проточными, работать на газообразном, твёрдом, жидком топливе и электричестве. Тепловая мощность ванных колонок — до 35 квт (30 тыс. ккал/ч)
Конвекция (от лат. convectio — принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную Конвекция
Естественная Конвекция возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы FA перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила FA = V ( — разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V — объём нагретого вещества). Направление силы FA, а следовательно, и Конвекция для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. Конвекция приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность Конвекция падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды Конвекция также оказывается ослабленной. На Конвекция ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная Конвекция невозможна.
При вынужденной Конвекция перемещение вещества происходит главным образом под воздействием какого-либо устройства (насоса, мешалки и т.п.). Интенсивность переноса теплоты здесь зависит не только от перечисленных выше факторов, но и от скорости вынужденного движения вещества.
Конвекция широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы (см. Конвекция в атмосфере), морях и океанах (см. Конвекция в океане), в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины ~20—30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью Конвекция осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах (см. Конвективный теплообмен).
Конвективный теплообмен, процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности. Таким образом, в случае Конвективный теплообмен, распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. В связи с тем, что для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса очень велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении играет роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды. Роль теплопроводности при Конвективный теплообмен, более значительна при движении электропроводных сред (например, жидких металлов). В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Участие теплопроводности в процессах Конвективный теплообмен, приводит к тому, что на эти процессы оказывают существенное влияние теплофизические свойства среды: коэффициент теплопроводности, теплоёмкость, плотность.
В связи с тем, что в процессах Конвективный теплообмен, важную роль играет конвективный перенос, эти процессы должны в значительной мере зависеть от характера движения жидкости, то есть от значения и направления скорости среды, от распределения скоростей в потоке, от режима движения жидкости (ламинарное течение либо турбулентное). При больших (сверхзвуковых) скоростях движения газа на процессы Конвективный теплообмен, начинает влиять распределение давления в потоке. Если движение жидкости обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса, вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют вынужденным, а происходящий при этом процесс Конвективный теплообмен, — вынужденной конвекцией. Если движение жидкости вызвано наличием неоднородного поля температуры, а следовательно, и неоднородной плотности в среде, то такое движение называют свободным или естественным, а процесс Конвективный теплообмен, — свободной или естественной конвекцией. На практике встречаются и такие случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию.
Наиболее интересным с точки зрения технических приложений случаем Конвективный теплообмен, является конвективная теплоотдача, то есть процесс двух Конвективный теплообмен,, протекающий на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной). При этом задача расчета состоит в нахождении плотности теплового потока на границе раздела фаз, то есть величины, показывающей, какое количество тепла получает или отдает единица поверхности раздела фаз за единицу времени. Помимо указанных выше факторов, влияющих на процесс Конвективный теплообмен,, плотность теплового потока зависит также от формы и размеров тела, от степени шероховатости поверхности, а также от температур поверхности и теплоотдающей или тепловоспринимающей среды.
Для описания конвективной теплоотдачи используется формула:
qcт = (Т0—Тст),
где qcт — плотность теплового потока на поверхности, вт/м2; — коэффициент теплоотдачи, вт/(м2°С); T0 и Тст — температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину T0 —Тстчасто обозначают Т и называется температурным напором. Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэффициент теплоотдачи сильное влияние оказывает массообмен на поверхности.
Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи . Современные методы описания процесса Конвективный теплообмен,, основанные на теории пограничного слоя, позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методами подобия теории и представляются обычно в следующем безразмерном виде: Nu = f (Re, Pr) — для вынужденной конвекции и Nu = f (Gr, Pr) — для свободной конвекции,
где Nu = 
— Нуссельта число,— безразмерный коэффициент теплоотдачи (L — характерный размер потока, — коэффициент теплопроводности); Re = — Рейнольдса число, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке (u — характерная скорость движения среды, — кинематический коэффициент вязкости); Pr = — Прандтля число, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов ( — коэффициент температуропроводности); Gr = Грассхофа число, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g — ускорение свободного падения, — термический коэффициент объёмного расширения).
Процессы Конвективный теплообмен, чрезвычайно широко распространены в технике (энергетике, холодильной технике, ракетной технике, металлургии, химической технологии), а также в природе (перенос тепла в атмосфере, в морях и океанах).
Лит.: Эккерт Э.-Р., Дрейк Р.-М., Теория теплои массообмена, пер. с англ., М. — Л., 1961; Гухман А. А., Применение теории подобия к исследованию процессов теплои массообмена (Процессы переноса в движущейся среде), М., 1967; Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С., Теплопередача, М., 1969.
В. А. Арутюнов.
Турбулентное течение (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа (см. Турбулентность). Наиболее детально изучены Турбулентное течение в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твёрдых тел, а также так называемых свободные Турбулентное течение — струи, следы за движущимися относительно жидкости или газа твёрдыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделёнными какими-либо твёрдыми стенками. Турбулентное течение отличаются от соответствующих ламинарных течений как своей сложной внутренней структурой (рис. 1), так и распределением осреднённой скорости по сечению потока и интегральными характеристиками — зависимостью средней по сечению или максимальной скорости, расхода, а также коэффициента сопротивления от Рейнольдса числа Re. Профиль осреднённой скорости Турбулентное течение в трубах или каналах отличается от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения (рис. 2). За исключением тонкого слоя около стенки профиль скорости описывается логарифмическим законом (то есть скорость линейно зависит от логарифма расстояния до стенки). Коэффициент сопротивления = 8w /v2cp (где w — напряжение трения на стенке, — плотность жидкости, vcp — её скорость, средняя по сечению потока) связан с Re соотношением –1/2=(1/ x8) In (1/2 Re) + B,
где x и В — числовые постоянные.
В отличие от ламинарных пограничных слоев, турбулентный пограничный слой обычно имеет отчётливую границу, беспорядочно колеблющуюся со временем (в пределах 0,4 — 1,2 , где — расстояние от стенки, на котором осреднённая скорость равна 0,99 v, a v — скорость вне пограничного слоя). Профиль осреднённой скорости в пристенной части турбулентного пограничного слоя описывается логарифмическим законом, а во внешней части скорость растет с удалением от стенки быстрее, чем по логарифмическому закону. Зависимость от Re здесь имеет вид, аналогичный указанному выше.
Струи, следы и зоны перемешивания обладают приблизительно автомодельностью: в каждом сечении х = const любого из этих Турбулентное течение на не слишком малых расстояниях х от начального сечения можно ввести такие масштабы длины и скорости L (x) и v (x), что безразмерные статистические характеристики гидродинамических полей (в частности, профили осреднённой скорости), полученные при применении этих масштабов, будут одинаковыми во всех сечениях.
В случае свободных Турбулентное течение область пространства, занятая завихренным Турбулентное течение, в каждый момент времени имеет чёткую, но очень неправильную форму границ, вне которых течение потенциально. Зона перемежающейся турбулентности оказывается здесь значительно более широкой, чем в пограничных слоях.
Лит. см. при ст. Турбулентность.
А. С. Монин.
Рис. 1. Турбулентное течение.
Рис. 2. Профиль осреднённой скорости: а — при ламинарном, б — при турбулентном течении.