РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1. Расчет теплопотребления.

3.1.1. Расчет тепловой мощности на отопление.

Расчет производится на основе методики расчета нагрузок по [5].

Максимальный расход теплоты на отопление зданий:

;

- объем здания по наружному обмеру, м³;

- отопительная характеристика здания, Вт/м³К по П.1 МДС 41-4.2000 [7];

- относительные внутренние тепловыделения. Для жилых и административных зданий принимаются равными нулю;

- поправочный коэффициент:

;

- внутренняя расчетная температура воздуха в здании, ⁰С;

- расчетная температура наружного воздуха, для Екатеринбурга. =-35 ⁰С,

по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [8];

- коэффициент инфильтрации.

Для жилых зданий пренебрегают, для промышленных зданий:

коэффициент для здания из железобетона;

Н – высота административного здания (м);

м/с – расчетная скорость ветра для Екатеринбурга, по [8];

м/с² – ускорение свободного падения.

(1) Жилые дома:

= 20⁰С по СНиП 2.08.01-89/(1999) «Жилые здания» [9];

.

Результаты расчета тепловой мощности на отопление для жилых домов сведены в таблице 1.

Таблица 1. Тепловая мощность на отопление жилых домов

(2)Детский сад:

= 22⁰С – см. табл.19 СНиП 2.08.02-89/(1999) «Общественные здания и сооружения » [10];

; =8000 м³; = 0,40 Вт/м³К [7];

кВт.

(3) Библиотека:

= 18⁰С [10]; ; =1000 м³; = 0,45 Вт/м³К [7];

кВт.

(4) Медпункт:

= 20⁰С [10]; ; =1000 м³; = 0,46 Вт/м³К [7];

кВт.

(5) Узел связи:

= 18⁰С п.9.5 СНиП 31-05-20.03 «Общественные здания административного назначения» [11];

; =120 м³; = 0,5 Вт/м³К;

кВт.

(6) Административное здание:

= 18⁰С [11]; Н=9 м; ; =10000 м³; = 0,44 Вт/м³К;

=0,3;

кВт.

Суммарная тепловая мощность и расход теплоносителя на отопление:

кВт;

кг/с.

3.1.2. Расчет среднесуточной тепловой мощности на горячее водоснабжение

Производится по СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация» [12]. За расчетную нагрузку принимаем средний расход тепла на ГВС в сутки наибольшего водопотребления.

Среднесуточная тепловая мощность на горячее водоснабжение бытовых потребителей:

кВт;

- число жителей, чел.;

- норма расхода горячей воды на человека в сутки наибольшего водопотребления, кг/(сут. чел);

=1 – коэффициент охвата ванными;

- расчетная длительность подачи воды на горячее водоснабжение, ч/сут;

- температура воды на горячее водоснабжение;

- температура холодной воды.

(1) Жилые дома:

Результаты расчета тепловой мощности на ГВС жилых домов поселка сведены в таблице 2.

Таблица 2. Среднесуточная тепловая мощность на ГВС жилых домов

(1) Детский сад:

л/(сут. чел) = 35кг/(сут. чел), =25 чел;

кВт.

(2) Библиотека:

л/сут = 10кг/сут;

кВт.

(3) Медпункт:

= 6 л/(1 больной в сутки) = 6 кг/(1 больной в сутки), =10 больных в сутки;

кВт.

(4) Административный корпус:

В административно-бытовом корпусе (АБК) в максимальную смену работы 15 человек административного персонала и 30 человек, работающих в цехах, пользуются бытовыми помещениями корпуса. В корпусе имеется также столовая на 20 посадочных мест, работающая 2 часа в смену, число санитарных приборов в которых не известно. В АБК установлены следующие приборы с горячей водой: 8 раковин, 3 ножные ванны и 4 душевые сетки. Предприятие работает в одну смену. Так как в основе системы – проточный пластинчатый водоподогреватель ГВС, то за расчетную принимаем максимальную часовую нагрузку.

Расчетные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Максимальный часовой расход из раковин и ножных ванн, м³/ч:

.

Для определения коэффициента необходимо вычислить произведение , где N – количество приборов.

- вероятность использования приборов:

- вероятность действия приборов;

= 0.041 – вероятность действия приборов (раковин и ножных ванн) в АБК;

=0.316;

=(8+3)0.316 = 3.48

По приложению 4 к СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация» [12] определяем =2.029

= 0.47

Расчет максимального часового расхода горячей воды через душевые сетки, м3/ч.

Пользование душами на промышленном предприятии учитываем при 100% ( =1) одновременно работающих душевых сеток в течении часа после окончания смены.

;

= 4

По приложению 4 к СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация» [12] определяем =2.21.

=2.98;

Расчет максимального возможного расхода горячей воды в столовой, м³/ч:

;

Число потребляемых блюд:

, где =2 час – число часов реализации продукции;

=1.0 – число посадок в час;

=20 мест – число посадочных мест;

2.2 – коэффициент для предприятий общепита.

=88 блюд/смена, = 44 блюд/час

; =0.776;

; = 2.79;

=0.47;

= 0.47 м³/ч.

Общий расход горячей воды по зданию:

=0.47+2.98+0.47= 3.92.

Тепловой поток на ГВС определяется по формуле:

; ; ;

=210,2 кВт.

Средний расход тепла на ГВС в сутки наибольшего водопотребления:

кВт, где - коэффициент часовой неравномерности расхода воды. Для промышленных предприятий принимают согласно [12]: =1.

кВт.

Тепловая мощность и расход теплоносителя на ГВС:

кВт;

кг/с.

3.1.3. Суммарное теплопотребление:

кВт.

3.1.4. Теплопотери в тепловых сетях принимаем в размере 5% от суммарного теплопотребления:

кВт; = 122.3 кВт.

Собственные нужды котельной принимаем в размере 3% от суммарного теплопотребления:

кВт; = 73.36 кВт.

3.1.5. Расчет и построение графика годового теплопотребления (рис. 1)

В основе графика годового теплопотребления лежит следующая зависимость для отопительной нагрузки:

кВт, где кВт.

3.1.5.1. Расчет минимальных мощностей на отопление при =+8⁰С для Екатеринбурга по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [8]:

кВт.

(1) Жилые дома:

кВт.

(2) Детский сад:

кВт.

(3) Библиотека:

кВт.

(4) Медпункт:

кВт.

(5) Узел связи:

кВт.

(6) Административное здание:

кВт.

Суммарная минимальная нагрузка на отопление:

кВт.

3.1.5.2. Расчет годового отпуска теплоты на отопление:

кДж/год, где n_i - число часов в течении года с температурой наружного воздуха t_н.

Результаты расчетов сведены в таблице 4.

Таблица 4

ГДж/год.

3.1.5.3. Расчет годового отпуска теплоты на ГВС:

ГДж/год, где кВт {пп. 1.2};

часов на ремонт и опрессовку тепловых сетей;

=13645.735 ГДж/год.

3.1.5.4. Суммарный годовой отпуск теплоты потребителям:

= 17577,147+13645,735=31222,882 ГДж/год.

3.1.5.5. Суммарная выработка тепла котельной:

, где 1.05 – коэффициент, учитывающий потери тепла в тепловых сетях;

1.03 – коэффициент, учитывающий собственные нужды котельной.

= 33767,547 ГДж/год.

Годовой расход натурального топлива.

Котельная работает на газе северных месторождений.

Годовой расход топлива на отопление:

тыс. м³/год, где = 33,36 МДж/м³_.

=0,92 КПД котельной; = 0,93 КПД транспорта теплоты;

= 615,82 тыс. м³/год.

Годовой расход топлива на ГВС:

тыс. м³/год;

= 478, 079 тыс. м³/год.

Годовой расход топлива на котельную:

тыс. м³/год;

= 1183,1 тыс. м³/год.

3.2. Расчет тепловой схемы котельной

Расчетная тепловая схема котельной представлена на листе 1

Расчетный температурный график котельного контура постоянный и равен =105/85 ⁰С.

Котельная работает по двухконтурной схеме – один контур на отопление, второй контур на ГВС поселка.

Система отопления - закрытая, двухтрубная, состоящая из прямого и обратного трубопроводов. Схема присоединения системы отопления к котельному контуру – независимая, с установкой разделительного теплообменника в котельной.

Теплоноситель для системы отопления – вода с расчетным температурным графиком =95/70⁰С.

Схема присоединения системы ГВС к котельному контуру – закрытый водоразбор через теплообменник, установленный в котельной. Температура воды на нужды ГВС 60⁰С.

Регулирование температуры прямой сетевой воды на отопление в зависимости от температуры наружного воздуха и поддержание требуемой температуры воды на выходе из теплообменника ГВС осуществляется автоматически контроллером ECL 300 с картой С66, производства фирмы «Danfoss».

3.2.1. Тепловая мощность котельной Q_к и расчетный расход воды через водогрейные котлы G_р

кВт;

кВт;

кВт; {пп. 1.1-1.3}

кВт;

кВт.

=2641,1 кВт.

Расчетный максимальный расход воды через котлы:

кг/с;

= 31,52 кг/с.

Котельный контур работает при постоянной температуре на выходе из котла 105⁰С, расчетная температура обратного теплоносителя составляет 85⁰С. Снижения температуры в обратном трубопроводе ниже 50⁰С в нормальном режиме работы котельной не предусматривается.

3.2.2. Расчет и построение температурного графика регулирования (рис.2).

Принимаем среднюю температуру внутри помещений =20⁰С.

3.2.2.1. Температура обратной сетевой воды

3.2.2.2. Температура прямой сетевой воды на выходе из теплообменника на отопление

3.2.2.3. Расход теплоносителя в котельном контуре в зависимости от температуры наружного воздуха. График приведен на рисунке 3.

кг/с, где 1.05 – коэффициент, учитывающий потери тепла в тепловых сетях;

1.03 – коэффициент, учитывающий собственные нужды котельной.

На основании формул для и строим температурный график регулирования. График приведен на рисунке 2.

Результаты расчета сведены в таблице 5.

Таблица 5

tн			Gк
	41,7	36,2	11,3
	53,0	43,9	15,14
-5	59,7	48,4	17,41
-10	66,2	52,6	19,79
-15	72,5	56,6	22,16
-20	79,8	60,5	25,63
tн			Gк
-25	84,7	64,3	26,82
-30	90,6	67,9	29,20
-35			31,52

Так как приготовление теплоносителя на ГВС осуществляется централизованно в котельной, теплообменник на ГВС подключен к котельному контуру с постоянной температурой, то срезка по температуре прямой сетевой воды на отметке 70⁰С не предусматривается.

3.3. Выбор основного и вспомогательного оборудования котельной.

3.3.1. Число котельных агрегатов n _вк.

Потребители котельной относятся ко второй категории по надежности теплоснабжения, поэтому согласно СНиП II-35-76 «Котельные установки» [6], принимаем количество котлов не менее двух без установки резервного котла.

Тепловые нагрузки для расчета и выбора основного оборудования определены для трех характерных режимов согласно СНиП II-35-76 с изм.1. Данные по расходам тепла приведены в таблице 6.

Таблица 6. Теплопроизводительность котельной

Для работы котельной в летний период с расчетными параметрами = 459,6 кВт. Принимаем к установке котел марки «REX-62», с расчетной теплопроизводительность при работе на газовом топливе Q' = 620 кВт.

Для повышения надежности и экономичности работы котельной установлено 2 котла на отопление «REX-100» производства «ICI Caldaie» (Италия).

=2.

Q' = 1020 кВт – расчетная теплопроизводительность одного котла «REX-100» при работе на газовом топливе.

В режиме наиболее холодного месяца для обеспечения нагрузки на отопление будет работать один котел «REX-100», в максимально- зимний режим - два котла «REX-100».

В котельной необходимо установить два водогрейных котла марки «REX-100» и один водогрейный котел марки «REX-62».

Установленная мощность котельной Q_уст = 2660 кВт.

Расход воды через один водогрейный котел марки «REX-100»:

кг/с.

Расход воды через водогрейный котел марки «REX-62»:

кг/с.

3.3.2. Теплообменный аппарат для приготовления воды на отопление

3.3.2.1. Исходные данные для расчета

Требуемая тепловая мощность подогревателя: Q_пто=2007,8*1,05=2108 кВт (1,05 – коэффициент, учитывающий потери в тепловой сети);

температура греющей воды на входе в т/о =105⁰С;

температура нагреваемой воды на входе в т/о =70⁰С;

температура греющей воды на выходе из т/о =85⁰С;

температура нагреваемой воды на выходе из т/о =95⁰С.

Теплофизические свойства греющей воды при средней температуре: =95⁰С

плотность =961,9 кг/м³;

удельная теплоемкость =4225 Дж/кг;

коэффициент теплопроводности =0,68 Вт/м*К;

кинематическая вязкость =0,328*10^-6м²/с.

Теплофизические свойства нагреваемой воды при средней температуре : =82,5⁰С;

плотность =970,2 кг/м³;

удельная теплоемкость =4200 Дж/кг;

коэффициент теплопроводности =0,671Вт/м*К;

кинематическая вязкость = 0,357*10^-6м²/с.

На основании требуемой мощности теплообменника задаемся типом пластин M10. Теплообменник с пластинами ленточно-проточного типа с горизонтальными гофрами треугольного профиля и следующими техническими характеристиками:

- материал пластин нержавеющая сталь марки ALLOY 316;

- поверхность теплопередачи одной пластины F₁=0,24 м²;

- эквивалентный диаметр межпластинного канала d _э=0,006 м;

- площадь поперечного сечения одного канала f ‘=0,00075 м²;

- длина канала (приведенная) L_п=0,8 м;

- диаметр патрубков т/о Dу=100 мм;

- коэффициент теплопроводности материала =65 Вт/м*К;

- толщина пластины =0,0005 м;

- площадь походного сечения патрубков f_D=0.00785 м² (Dу=100 мм).

3.3.2.2. Тепловой расчет

Расход греющей воды:

массовый

=24,95 кг/с;

объемный

=0,026 м³/с.

Расход нагреваемой воды:

массовый

=20,08 кг/с;

объемный

=0,021 м³/с.

Средний температурный напор при противоточном движении потоков:

⁰С – среднелогарифмический температурный напор.

⁰С; ⁰С;

; ⁰С.

Методика расчета пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ15518) основана на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи или при неизвестных располагаемых напорах по оптимальной скорости нагреваемой воды, как и при подборе кожухотрубных водоподогревателей. Оптимальная скорость принимается, согласно методике, исходя из получения потерь давления по нагреваемой воде 50 кПа. Для ориентировочного расчета скорости принимаем:

коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке =15000 Вт/м²*К;

среднюю температуру стенки ⁰С; =2,3. Тогда

=0,56 м/с.

По оптимальной скорости нагреваемой воды находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде:

=49,3;

Принимаем

Принимаем симметричную компоновку теплообменника, т.е = . Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды:

м².

Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды:

м/с; м/с;

Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке определяется по формуле:

Вт/м²*К, где А=0,492 – коэффициент зависящий от типа пластин.

Вт/м²*К.

Коэффициент теплоотдачи от нагреваемой воды к стенке:

Вт/м²*К;

=15720 Вт/м²*К.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

Вт/м²*К;

=65 Вт/м*К - коэффициент теплопроводности материала пластины;

=0,0005м - толщина пластины;

=0,85 – коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды.

= 7350 Вт/м²*К

Необходимая поверхность нагрева аппарата:

=23 м².

Количество ходов в теплообменнике:

; принимаем число ходов 1.

Действительная поверхность нагрева всего теплообменника:

м².

Количество пластин при этом:

шт.- рабочих пластин, 2 пластины концевые.

Схема компоновки пластин в аппарате:

.

3.3.2.3. Гидравлический расчет.

Потери давления в пластинчатых водоподогревателях определяют по формулам:

для греющей воды кПа;

для нагреваемой воды кПа, где Б=3,0 – коэффициент, зависящий от типа пластины;

- коэффициент учитывающий накипеобразование, для греющей воды равен 1, для нагреваемой принимается 1 (так как сетевая вода подвергается обработке дозированием реагента, предотвращающим образование накипи).

кПа; кПа.

Скорости движения воды в патрубках при Dу=100 мм и f _D = 0,00785 м²:

м/с; м/с.

Гидравлическое сопротивление патрубка, принимая =1,5.

кПа;

кПа.

Общее гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата:

кПа - для тракта греющей воды;

кПа - для тракта нагреваемой воды.

Принимаем к установке ПТО М10-BFM, 99 пластин, производства «Аlfa-Laval».

3.3.3. Теплообменный аппарат для приготовления воды на нужды горячего водоснабжения

3.3.3.1. Исходные данные для расчета

Требуемая тепловая мощность подогревателя: Q_пто=Q_гвс*1,05=437,7*1,05=459,6 кВт (с учетом потерь в тепловой сети);

температура греющей воды на входе в т/о =105⁰С;

температура нагреваемой воды на входе в т/о =70⁰С.

температура греющей воды на выходе из т/о =5⁰С.

температура нагреваемой воды на выходе из т/о =60⁰С.

Теплофизические свойства греющей воды при средней температуре =95⁰С:

плотность =961,9 кг/м³; удельная теплоемкость =4225 Дж/кг; коэффициент теплопроводности =0,68 Вт/м*К; кинематическая вязкость =0,328*10^-6м²/с.

Теплофизические свойства нагреваемой воды при средней температуре =32,5⁰С:

плотность =992,2 кг/м³; удельная теплоемкость =4200 Дж/кг; коэффициент теплопроводности =0,618Вт/м*К; кинематическая вязкость = 0,804*10^-6м²/с.

На основании требуемой мощности теплообменника задаемся типом пластин M6. Теплообменник с пластинами ленточно-проточного типа с горизонтальными гофрами треугольного профиля и следующими техническими характеристиками:

материал пластин нержавеющая сталь марки ALLOY 316;

поверхность теплопередачи одной пластины F₁=0,14 м²;

эквивалентный диаметр межпластинного канала d_э=0,005 м;

площадь поперечного сечения одного канала f ‘=0,00075 м²;

длина канала (приведенная) L_п=0,7 м;

диаметр патрубков D_у=50 мм;

коэффициент теплопроводности материала =65Вт/м*К;

толщина пластины =0,0005 м;

площадь походного сечения патрубков f_D=0.00196 м² (Dу=50 мм).

3.3.3.2. Тепловой расчет

Расход греющей воды:

массовый

=5,47 кг/с;

объемный

=0,0057, м³/с.

Расход нагреваемой воды:

массовый

=2 кг/с;

объемный

=0,002, м³/с.

Средний температурный напор при противоточном движении потоков:

⁰С – среднелогарифмический температурный напор.

⁰С; ⁰С;

⁰С.

Методика расчета пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ15518) основана на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи. Для того, чтобы напор водопроводной воды обеспечивал работу системы ГВС без установки повышения давления, допустимые потери давления в теплообменнике по нагреваемой воде должны определены следующим образом:

м. вод. ст.;

=25 м. вод. ст. – минимальное давление воды в водопроводе;

=9 м. вод. ст - геодезическая разность давлений;

=14 м. вод. ст - потери системы ГВС и давление свободного излива;

= 2 м. вод. ст.

Для ориентировочного расчета скорости принимаем:

коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке =8000 Вт/м²*К;

среднюю температуру стенки ⁰С;

=2,0. Тогда

=0,45 м/с.

По оптимальной скорости нагреваемой воды находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде:

= 6,3

Принимаем .

Принимаем симметричную компоновку теплообменника, т.е = . Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды:

м ².

Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды:

м/с;