Рассмотрим основные свойства горячих газов, воды, пара и воздуха, которые применяются в качестве теплоносителей в системах отопления.
Газы - продукты сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива имеют высокую температуру до 700 °С и более могут применяться для отопления только в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов. Горячие газы применяются в основном только в отопительных печах и в отдельных случаях в местных системах с использованием газовых воздухонагревателей и в других отопительных установках.
Наиболее широко в системах отопления в качестве теплоносителей применяют воду, водяной пар и воздух. Они используются многократно и не загрязняют окружающую среду здания в отличие от горячих газов.
Вода - легко доступная практически несжимаемая жидкость имеет высокую плотность (в 600-1500 раз больше пара и в 900 раз больше воздуха) и теплоемкость. При повышении температуры вода расширяется и уменьшается ее плотность, а при повышении давления растет температура кипения. Последнее свойство позволяет перемещать воду в тепловых сетях с температурой 150 °С и выше. Вода способна сорбировать (поглощать) и выделять газы, в том числе атмосферный воздух, при изменении температуры и давления.
Водяной пар - легко подвижная среда со сравнительно малой плотностью. С повышением давления растут температура и плотность пара, он имеет высокую энтальпию за счет скрытой теплоты фазового превращения.
Воздух - является также легко подвижной средой со сравнительно малой плотностью и теплоемкостью. При повышении температуры уменьшается плотность и растет его объем и наоборот. Сравнительная характеристика параметров теплоносителей для систем отопления приведена в табл. 5.1.
Таблица 5.1.
Сравнение основных теплоносителей для отопления
| Параметры | Теплоноситель | ||
| вода | пар | воздух | |
| Температура, разность температур, °С | 150-70=80 | 130 | 60-15=45 |
| Плотность, кг/м3 | 917 | 1,5 | 1,03 |
| Удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг-°С) | 4,31 | 1,84 | 1,0 |
| Удельная теплота конденсации, кДж/кг | - | 2175 | - |
| Количество теплоты для отопления в объеме 1 м3 теплоносителя, кДж | 316370 | 3263 | 46,4 |
| Скорость движения, м/с | 1,5 | 80 | 15 |
| Соотношение площади поперечного сечения теплопроводов | 1 | 1,8 | 680 |
5.4 Характеристика систем отопления. Область применения
В настоящее время в нашей стране чаще всего применяются центральные системы водяного и парового отопления, местные и центральные системы воздушного отопления, а в небольших малоэтажных зданиях печное отопление.
Приведем общую характеристику этих систем на основании рассмотренных свойств теплоносителей и требований предъявляем к ним.
Наиболее важны санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обуславливаются необходимостью поддержания заданной температуры помещения без значительных колебаний независимо от колебаний температуры наружного воздуха в течение отопительного периода и всего срока службы системы. Другое санитарно-гигиеническое требование - ограничение температуры поверхности отопительных приборов, которое вызвано разложением (сухой возгонкой) органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающееся выделением вредных веществ в том числе оксида углерода (угарного газа). Интенсивное разложение пыли происходит при температуре поверхности отопительных приборов 80 °С и выше.
Требования, предъявляемые системам отопления, их технико-экономические и санитарно-гигиенические преимущества и недостатки, а также свойства теплоносителей определяют область их применения.
Системы водяного отопления благодаря высоким санитарно-гигиеническим качествам, надежности и долговечности рекомендуется применять в жилых, общественных и производственных зданиях. Ограничивается область их применения высоким гидростатическим давлением не более 0,6-1 МПа, и в тех помещениях, где недопустимы колебания температуры, что характерно для водяных систем из за их тепловой инерционности.
Паровое отопление допускается в помещениях промышленных и ряде вестибюлях общественных зданий, обычно при наличии пара для технологическим нужд, при кратковременном пребывании в них людей, а также в лестничных клетках, пешеходных переходах и в тепловых пунктах. Чаще всего паровое отопление применяют в качестве периодического и дежурного. Последнее применяется в помещениях для поддержаниях минимально допустимой температуры, когда в них отсутствуют люди. Малое гидростатическое давление пара (из-за малой его плотности) делает целесообразным применять паровое отопление для высотных зданий в качестве первичного теплоносителя (паро-водяные системы отопления).
Ограничения применения паровых систем отопления обусловлено высокой температурой поверхности отопительных приборов до 100 - 130 °С, что не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, шумом при движении пара по паропроводам, и малым сроком службы этих систем (10 лет паропроводы, около 4 лет конденсатопроводы) из-за коррозии стальных труб.
Воздушное отопление обеспечивает быстрое изменение и равномерность температуры помещения, в большей степени, чем паровое удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям. В системах воздушного отопления отсутствуют отопительные приборы. Благодаря возможности сочетания отопления и вентиляции воздушное отопление применяют в помещениях промышленных зданий с выделением различных вредностей, а также в качестве дежурного и периодического отопления помещений большого объема производственных и общественных зданий. В местностях с мягким климатом воздушное отопление применяется в жилых зданиях. Ограничениями применения воздушного отопления являются: невысокая надежность из-за возможного нарушения распределения воздуха по помещениям; вероятность переноса вредностей в другие помещения; малая теплоаккумулирующая способность из-за малой плотности воздуха; во много раз больше, чем в системах водяного и парового отопления, поперечные сечения воздуховодов; малый радиус действия из-за значительного понижения температуры воздуха по длине воздуховодов.
Системы воздушного отопления не разрешается применять в детских садах, яслях, лечебных и других учреждениях, к которым предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования, из-за возможности переноса инфекций и других вредностей по помещениям всего здания.
В СНиПе 41-01-2003, приложение Б, даются подробные указания по применению различных систем отопления в зависимости от назначения зданий и помещений.
5.5 Вентиляция
5.5.1 Состав и физические свойства воздуха
Термин «вентиляция» происходит от латинского слов "ventilatio" -проветривание.
Человек в течение всей жизни находится в воздушной среде. От качества воздуха - его температуры, влажности, чистоты - зависит самочувствие, здоровье, работоспособность, сама жизнь людей.
Объектом обработки, перемещения, забора и распределения в системах вентиляции является воздух.
Рассмотрим состав и основные свойства атмосферного воздуха.
Атмосферный воздух можно рассматривать как состоящий из сухой части и водяных паров. Сухая часть воздуха является смесью газов. В него входят (% по объему): азот - 78,03, кислород - 20,95, инертные газы (главным образом, аргон) - 0,94, а также, в небольшом количестве, диоксид углерода (углекислый газ) и другие газы.
Содержание указанных компонентов в сухом воздухе более или менее стабильно. Количество же водяных паров в атмосферном воздухе изменяется в широких пределах и зависит от климатических условий и времени года. Поскольку в атмосферном воздухе всегда имеется то или иное количество водяных паров, он может рассматриваться как влажный воздух.
Все компоненты влажного воздуха находятся практически в перегретом состоянии, т.е. при температуре более высокой, чем температура парообразования. Поэтому на влажный воздух могут быть распространены законы идеальных газов.
Согласно закону Дальтона, атмосферное (барометрическое) давление может быть представлено как сумма давлений сухого воздуха и водяных паров:
Рб=рс.в.+рв.п. (4.1)
где Рсв - парциальное давление сухого воздуха, мм. рт. ст. ; Рвп- парциальное давление водяных паров, мм рт. ст.
Сухая часть воздуха и водяные пары, входящие в состав влажного воздуха, занимают весь объем и имеют одинаковую температуру.
Применяются следующие характеристики влажного воздуха.
Абсолютной влажностью D (г/м3) называется количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха.
Относительная влажность ср (%) показывает степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражает отношение абсолютной влажности D при данном состоянии к абсолютной влажности при его полном насыщении при тех же значениях температуры и давления Dmax: