Тема 3.3. Системы теплоснабжения и их элементы.
Система централизованного теплоснабжения - система, состоящая из одного или нескольких источников теплоты, тепловых сетей (независимо от диаметра, числа и протяженности наружных теплопроводов) и потребителей теплоты.
Системы теплоснабжения включают один или несколько источников теплоты (ТЭЦ, котельные), тепловые пункты (промежуточные тепловые станции), потребителей теплоты и трубопроводы для передачи теплоты от источников к тепловым пунктам и от тепловых пунктов к потребителям.
Потребители теплоты: системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения жилых, общественных, административных и производственных зданий, технологические теплопотребляющие установки производственного назначения.
Участки трубопроводов между источником теплоты и тепловым пунктом с необходимым оборудованием и сооружениями называют внешними тепловыми сетями. Участки трубопроводов между тепловым пунктом и зданиями, в которых расположены потребители теплоты, представляют внутриквартальные сети.
Тепловые сети подразделяются на магистральные, распределительные, квартальные и ответвления от магистральных и распределительных тепловых сетей к отдельным зданиям и сооружениям. Разделение тепловых сетей устанавливается проектом или эксплуатационной организацией.
Тепловые сети могут быть кольцевыми и тупиковыми (рис.1), резервированными и нерезервированными. Число и места размещения резервных трубопроводных соединений между смежными теплопроводами следует определять по критерию вероятности безотказной работы.
Рис. 1. а) радиальная и б) кольцевая сеть
На рис. 2 приводится пример схемы теплоснабжения городского микрорайона.
Рис. 2. Пример схемы теплоснабжения городского микрорайона.
Выбор варианта схемы теплоснабжения потребителя производится путем технико-экономического сравнения вариантов. Принятая к разработке в проекте схема теплоснабжения должна обеспечивать:
нормативный уровень теплоэнергосбережения;
нормативный уровень надежности, определяемый тремя критериями: вероятностью безотказной работы, готовностью (качеством) теплоснабжения и живучестью;
требования экологии;
безопасность эксплуатации.
Вероятность безотказной работы системы - способность системы не допускать отказов, приводящих к падению температуры в отапливаемых помещениях жилых и общественных зданий ниже +12 °С, в промышленных зданиях ниже +8 °С, более числа раз, установленного нормативами. Коэффициент готовности (качества) системы - вероятность работоспособного состояния системы в произвольный момент времени поддерживать в отапливаемых помещениях расчетную внутреннюю температуру, кроме периодов снижения температуры, допускаемых нормативами. Живучесть системы - способность системы сохранять свою работоспособность в аварийных (экстремальных) условиях, а также после длительных (более 54 ч) остановов.
В населенных пунктах для тепловых сетей предусматривается, как правило, подземная прокладка (бесканальная, в каналах или в городских и внутриквартальных тоннелях совместно с другими инженерными сетями).
При обосновании допускается надземная прокладка тепловых сетей, кроме территорий детских и лечебных учреждений.
Рис.3. Прокладка трубопроводов в пепроходных каналах.
1и 2 лотковые блоки, 3 соединительный элемент, 4- опорная плита, 5- песчаная подготовка.
Рис.4. Прокладка трубопроводов в типовом городском коллекторе.
1,2- подающий и обратный трубопроводы, 3- конденсатопровод, 4-тлефонные кабели, 5- силовые кабели, 6-паропровод, 8- водопровод
Рис. 5. Типы бесканальных теплопроводов. а) в сборной и монолитной оболочке, б) литые и сборно-литые в) в засыпке.
Наземные теплопроводы укладываются на отдельно стоящих опорах (низких или высоких), на вантовых конструкциях (рис.6,а), на эстакадах (рис. 6,б)
а)
Рис.6. Способы наземной прокладки трубопроводов. а) на вантовых конструкциях, б) на эстакадах.
Компенсация температурных деформаций
Компенсация температурных деформаций имеет важное значение в технике. Если не предусмотреть компенсацию при передаче теплоты по трубопроводам, то возникающие деформирующие напряжения разрушат трубопровод. По устройству компенсаторы делятся на осевые и радиальные. Осевые компенсаторы предназначены для компенсации температурных удлинений прямолинейных трубопроводов. Радиальные компенсаторы применяют при любой конфигурации трубопроводов. В качестве осевых применяют сальниковые и упругие компенсаторы.
Рис. 7. Односторонний сальниковый компенсатор.
1- стакан, 2-корпус, 3-набивка, 4-упорное кольцо, 5- грундбукса.
Тепловая изоляция
При транспортировке и распределении тепловой энергии теплопроводами имеют место тепловые потери в окружающую среду: наружный воздух при наземной прокладке теплопроводов, грунт ‑ при подземной бесканальной прокладке, воздух в каналах ‑ при подземной канальной прокладке теплопроводов. Стоит задача минимизации тепловых потерь теплопроводами. Эта задача решается путем обеспечения тепловой изоляции трубопроводов соответствующей толщины и теплоизолирующего качества, которое обеспечивается выбором тепловой изоляции с требуемым значением коэффициента теплопроводности.
Тепловой поток с поверхности изоляции теплопровода, Вт/м, передаваемый от теплоносителя в окружающую среду при наземной прокладке
| (1) |
,где t ‑ температура теплоносителя, 0С; tв‑ температура наружного воздуха; 
‑суммарный (конвективный и лучистый) коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изолированного трубопровода, Вт/(м2 0С); 
‑наружный диаметр изолированного трубопровода, м; 
‑диаметр слоя тепловой изоляции, м; 
‑толщина слоя тепловой изоляции, м; 
‑коэффициент теплопроводности слоя тепловой изоляции, Вт/(м 0С); 
‑ наружный диаметр трубы, м.. Для сравнения, тепловой поток с поверхности неизолированного трубопровода, Вт/м, передаваемый от теплоносителя в окружающую среду при наземной прокладке (
=0),
| (2) |
,Суммарный коэффициент теплоотдачи учитывает теплоотдачу конвекцией aк и излучением aл. Приближенно для теплопроводов, находящихся на открытом воздухе, aк (Вт/м2×К) можно оценить:
| (3) |
,где w – скорость ветра, м/с. Лучистый теплообмен между поверхностью трубопровода и окружающим пространством определяется уравнением
| (4) |
,где 
- приведенная степень черноты системы; с0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, с0= 5,7 Вт/(м2×К4); 
и 
- абсолютные температуры наружной поверхности теплопровода (для изолированного ‑ температура поверхности теплоизоляции) и окружающего воздуха.
Потери теплоты, Вт/м (ккал/м×ч), изолированным теплопроводом подземной бесканальной прокладки в определяются как
| (5) |
,где 
– коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м×0С, для влажных грунтов можно принимать =1,5 Вт/(м×0С); для грунтов средней влажности =1,0 Вт/(м×0С) и для сухих грунтов =0,5 Вт/(м×0С); tгр– температура грунта, 0С; dн –наружный диаметр трубопровода, м; Н – глубина заложения оси теплопровода от поверхности земли, м.
В таблице 1 приведены теплопроводности изоляционных материалов и диапазоны рабочих температур.
Теплоизолирующие свойства изоляции зависят от ее состояния. Известно, что непрерывно увлажняемая за счет поглощения влаги из окружающей среды изоляция теряет свои теплоизолирующие свойства. В результате через влажную тепловую изоляцию теряется в 3–4 раза больше энергии, чем через сухую, имеющую влагоизолирующий слой.
Таблица 1
Свойства некоторых теплоизоляционных материалов
Материал | Диапазон рабочих температур | Теплопроводность, Вт/(м°С) |
Пенополиуретан ППУ жесткий | -150...+145°С | 0,019-0,040 |
Пенополиуретан (ППУ) | от -40°С до +140 ºС | При 0ºС <0,028 |
Пенополиуретан марки "Изолан-345" "Изолан-350". | до 130°С до 150°С | не более 0,031 Вт/м °С |
Полиэтилена низкого давления марки 273-79. | 0,43 | |
Пенополистирол | -80...+80 | 0,043-0,064 |
Минеральная вата | -40...+120 | 0,052-0,058 |
Пробковая плита | 0,050-0,060 | -30...+90 |
Основным способом прокладки сих пор остается подземная канальная прокладка с теплоизоляцией из минеральной ваты, коэффициент теплопроводности которой выше, чем, например, у пенополиуретана, а срок годности - мал. Часто минеральная вата увлажняется, что приводит к значительному снижению ее теплоизоляционных свойств и созданию условий для интенсивной наружной коррозии трубопроводов. Изоляция из минеральной ваты, непрерывно увлажняемая, теряет в окружающее пространство энергии больше, чем полностью неизолированная поверхность, если температура поверхности трубы более 100 С. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что создавшуюся ситуацию можно изменить применением предварительно изолированных труб с теплоизоляцией из пенополиуретана. Впервые такие трубы были использованы для тепловых сетей в Европе в середине 60-х годов. До 90 процентов теплотрасс в странах Западной Европы, Скандинавии, США, Канады проложены именно по такой технологии. Применение тепловой изоляции из ППУ
• позволяет экономить до 5% тепловой энергии;
• дает возможность использовать теплопровод, не меняя изоляции, до 30 лет (минеральная вата служит 3 года);
• снижает расходы по обслуживанию сетей в 9 раз;
• сокращает сроки строительства теплосетей в 2-2,5 раза.
Тепловые пункты
Тепловые пункты предназначены для подачи, изменения и поддержания заданных значений параметров (температуры и давления) теплоносителя, регулирования и учета расхода теплоносителя и теплоты, отпускаемой в системы отопления, горячего водоснабжения и вентиляции зданий, а также в технологические установки предприятий.
Теплоноситель, подаваемый в системы отопления, вентиляции из теплового пункта, может забираться непосредственно из подающего трубопровода тепловой сети или смешиваться с теплоносителем из обратного трубопровода внешней теплосети. Такие схемы присоединения инженерных систем здания называются зависимыми (рис. 8) . Существуют независимые схемы присоединения систем отопления, вентиляции, в которых теплоноситель из внешней тепловой сети нагревает теплоноситель, циркулирующий во внутренних сетях систем отопления и вентиляции. во внутренних системах здания (рис. 9,10). Нагрев осуществляется в теплообменных аппаратах. Для поддержания циркуляции во внутренних сетях потребителей устанавливаются циркуляционные насосы.
Тепловые пункты подразделяются на:
-индивидуальные тепловые пункты (ИТП) - для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических теплоиспользующих установок одного здания или его части;
центральные тепловые пункты (ЦТП) - для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических теплоиспользующих установок двух зданий или более.
В тепловых пунктах предусматривается размещение оборудования, арматуры, приборов контроля, управления и автоматизации, посредством которых осуществляются:
-преобразование вида теплоносителя или его параметров;
-контроль параметров теплоносителя;
-учет тепловых нагрузок, расходов теплоносителя и конденсата;
-регулирование расхода теплоносителя и распределение по системам потребления теплоты (через распределительные сети в ЦТП или непосредственно в системы ИТП);
-защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя;
-заполнение и подпитка систем потребления теплоты;
-сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества;
-аккумулирование теплоты;
-водоподготовка для систем горячего водоснабжения.
В закрытых системах водоснабжения сетевая вода, циркулирующая в трубопроводах тепловой сети, используется только как теплоноситель и из тепловой сети потребителем не отбирается. В ЦТП сетевой водой подогревают воду водопроводную. Горячая вода по тепловым сетям от ЦТП до жилых, общественных или производственных здания и внутренним сетям горячего водоснабжения поступает к водоразборным приборам. Горячая вода нагревается в теплообменниках –водоподогревателях, присоединяемых к тепловой сети по одной из схем. Применяются несколько схем присоединения водоподогревателей системы горячего водоснабжения к тепловой сети: одноступенчатая параллельная, двухступенчатая последовательная и двухступенчатая со смешанным присоединением.
Схема присоединения водоподогревателей горячего водоснабжения в закрытых системах теплоснабжения выбирается в зависимости от соотношения максимального потока теплоты на горячее водоснабжение 
и максимального потока теплоты на отопление 
Если 
, то применяется одноступенчатая схема присоединения (Рис. 8). Если 
, то применяется двухступенчатая схема (рис. 9,10).
Рис. 8. Одноступенчатая система с параллельным присоединением водоподогревателей горячего водоснабжения с автоматическим регулированием расхода теплоты на отопление и зависимым присоединением систем отопления в ЦТП и ИТП. 1 — водоподогреватель горячего водоснабжения, 2 — повысительно-циркуляционный насос горячего водоснабжения (пунктиром — циркуляционный насос), 3 — регулирующий клапан с электроприводом, 4 — регулятор перепада давлений (прямого действия), 5 — водомер для холодной воды, 6 — регулятор подачи теплоты на отопление, горячее водоснабжение и ограничения максимального расхода сетевой воды на ввод, 7 — обратный клапан, 8 — корректирующий подмешивающий насос, 9 — теплосчетчик, 10 — датчик температуры, 11 — датчик расхода воды, 12 — сигнал ограничений максимального расхода воды из тепловой сети на ввод, 13— датчик давления воды в трубопроводе.
Рис. 9. Двухступенчатая система с последовательным присоединения водоподогревателей горячего водоснабжения и независимым присоединением отопления ЦТП и ИТП.
Рис. 10. Двухступенчатая схема присоединения водоподогревателей горячего водоснабжения для жилых и общественных зданий и жилых микрорайонов с независимым присоединением систем отопления в ЦТП и ИТП
см. рис. 8, 20 — водоподогреватель отопления, 21 —расходомер горячее воды, 22 — подпиточный насос отопления, 23 — регулятор подпитки, 24 — предохранительный клапан, 25 — циркуляционный насос отопления
Теплообменное оборудование тепловых пунктов
Теплообменное оборудование тепловых пунктов представлено водо - водяными подогревателями систем подготовки горячей воды и систем отопления, присоединяемых к сети по независимой схеме. На тепловых пунктах обычно применяют секционные трубчатые (рис. 11) или пластинчатые теплообменники (рис.12).
Корпуса секционных водоподогревателей игзготавливают из стальных труб, а теплообменные поверхности ‑ из латунных трубок диаметром 16 мм. Трубки собираются в трубные пучки при помощи трубных решеток, которые крепятся к корпусу аппарата. Нагреваемая вода проходит внутри латунных трубок, а греющий теплоноситель‑ сетевая вода проходит в межтрубном пространстве. Подогреватели воды собирают из отдельных секций Между собой секции объединяются по греющему теплоносителю патрубками, а по нагреваемому теплоносителю – калачами. Используется противоточная схема движения теплоносителей,
Рис. 11. Секционный теплообменник -водоподогреватель.
Рис. 12. Пластинчатый теплообменник - водоподогреватель.
Рис. 13. Схема движения теплоносителей в пластинчатом теплообменнике - водоподогревателе.
Другой тип теплообменников, применяемых на тепловых пунктах для подготовки горячей воды и воды, подаваемой в систему отопления, ‑ пластинчатые теплообменники. Теплопередача от греющего теплоносителя к нагреваемому осуществляется через профилированные стальные пластины (рис. 12,14). Каналы для циркуляции теплоносителей образуются рядами пластин с герметизирующими прокладками (рис. 13). Пакет из пластин стягивается с помощью шпилек между двумя стальными плитами. Такая конструкция полностью разборная. Применяются также полуразборные и сварные теплообменники. Преимущества пластинчатых теплообменников:
-повышенная теплопередача;
-компактность;
-высокая плотность;
-легкая разборка.
Повышенная теплопередача достигается за счет высокой скорости течения теплоносителей и повышенной теплоотдачи теплоносителей.
Потребители теплоты в зданиях
Рис. 14. Двухтрубная система отопления. 1 - главный подающий трубопровод системы, 2- расширительный бак, 3 - горизонтальный подающий трубопровод. 4- подающие стояки, 5- краны двойной регулировки, 6- отопительные приборы, 7- обратные стояки, 8- главный обратный трубопровод системы, 9 – трубопроводы для удаления воздуха.
Системы отопления в зданиях подразделяются на двухтрубные (рис. 14) и однотрубные (рис. 15).
Рис. 15. Однотрубная система отопления. 1 - главный подающий трубопровод системы, 2-подъемные стояки, 3- опускные стояки, 4- замыкающие участки, 5- отопительные приборы, 6- трехходовой кран, 7- горизонтальный подающий трубопровод, 8- обратный трубопровод системы, 9- воздушные краны
В двухтрубных системах имеет место:
-примерно одинаковый перепад температур в отопительных приборах;
-малый расход воды через отопительные приборы;
-малое гидравлическое сопротивление циркуляционных колен;
Двухтрубные системы применяются в домах небольшой этажности и в системах с естественной циркуляцией.
Для однотрубных систем характерен скользящий перепад температур по последовательно соединенным отопительным приборам. Отопительные приборы имеют разную поверхность при одинаковых тепловых потерях помещений. Однотрубные системы просты в монтаже и имеют наименьшую протяженность трубопроводов. Поэтому однотрубные системы нашли широкое применение.
Другими потребителями теплоты в зданиях являются приточные установки вентиляционных систем. Вентиляция предназначена для подачи свежего воздуха и удаления отработанного воздуха из помещений здания. Путем подачи определенного количества воздуха регулируется его газовый состав, удаляются избытки теплоты и влаги, снижается до предельно допустимой концентрация вредных веществ, поступающих в воздух помещений. В холодное время года подаваемый в здание воздух необходимо подогревать до комнатной температуры. Нагрев приточного воздуха осуществляется в калориферах (рис. 16), представляющих собой трубчатые теплообменники, в трубках которых циркулирует греющий теплоноситель‑ сетевая вода, а снаружи трубки обдуваются нагреваемым воздухом. Снаружи трубки предусмотреггы ребра для увеличения поверхности теплоотдачи. Калориферы изготавливают многоходовыми по греющему теплоносителю.
Рис. 16. Общий вид водяного многоходового водяного воздухонагревателя 1‑ теплообменная трубка, 2‑ теплопередающая пластина (ребро), 3‑ трубная решетка, 4‑ крышка, 5‑ патрубок для подвода и отвода теплоносителя, 6‑ прокладка, 7‑ боковой щиток, 8—присоединительный фланец,
ССЫЛКИ
1. Свод правил СП . Проектирование тепловых пунктов
2. СНиП « Тепловые сети
3. Соколов и тепловые сети: учебник для вузов.‑ 7-е изд. стереот. – М.: Издательство МЭИ, 2001.
4. Теплоснабжение: учебник для вузов / , , и др.. Под ред. . М.: Стройиздат, 1982.
5. Шубин вопросы проектирования систем теплоснабжения городов/. М.: Энергия, 1979.
6. Громов устройства водяных тепловых сетей (Проектирование и эксплуатация).‑2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1979.
1. Что входит в состав систем теплоснабжения?
2. Какие существуют тепловые сети?
3. Каким условиям должна удовлетворять тепловая сеть?
4. Какие способы прокладки теплопроводов Вам известны?
5. Каким условиям должна удовлетворять тепловая изоляция теплопроводов?
6. Назначение тепловых пунктов.
7. Какие существуют схемы присоединения водоподогревателей систем горячего водоснабжения к тепловой сети?
8. Какое теплообменное оборудование применяется в тепловых пунктах?
9. В чем заключаются преимущества и недостатки двухтрубных и однотрубных систем отопления?
