Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Отопление

Д. А. Драпалюк







АВТОМАТИЗАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ОТОПЛЕНИЕ



Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 697:681.5
ББК 38.762.1
      Д72




Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой гидравлики, водоснабжения и водоотведения Воронежского государственного технического университета Журавлева Ирина Владимировна; кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского государственного технического университета КитаевДмитрий Николаевич





      Драпалюк, Д. А.
Д72 Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Отопление : учебное пособие / Д. А. Драпалюк. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 64 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1522-4

           Рассматриваются основные методы и способы автоматизации и регулирования систем отопления, используемые при монтаже и проектировании. Раскрывается суть и принципы работы основных устройств, применяемых в котельных, а также методы и способы автоматизации устройств, используемых для безопасной и долговечной работы теплогенерирующих установок.
           Для студентов направления 08.03.01 и 08.04.01 «Строительство» всех форм обучения.

УДК 697:681.5
ББК38.762.1











ISBN 978-5-9729-1522-4

     © Драпалюк Д. А., 2023
     © Воронежский государственный технический университет, 2023
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                Оглавление





Предисловие........................................................4
ГЛАВА 1............................................................4
  1.1. Основной вид топлива - природный газ для отопительных установок.......................................5
  1.2. Виды отопительных установок и основные принципы работы......7
  1.3. Котлы с открытой камерой сгорания и атмосферной горелкой..7
  1.4. Котлы с закрытой камерой сгорания и наддувной горелкой....9
  1.5. КПД газовых котлов.........................................11
  1.6. Газовые конвекционные котлы................................13
ГЛАВА2............................................................16
  2.1. Принципиальная схемаустройства котельной и работа основных элементов.....................................16
  2.2. Приготовление ГВС в котельных средней и большой мощности..25
  2.3. Приготовление ГВС в емкостном водонагревателе..............27
  2.4. Нагрев ГВС с помощью пластинчатого теплообменника на отопительном контуре........................................28
  2.5. Контур нагрева ГВС с помощью пластинчатого теплообменника и буферной емкости ГВС.........................................30
  2.6. Рециркуляция горячей воды через бойлер косвенного нагрева: особенности системы.........................34
  2.7. Сравнение косвенных и прямых систем горячего водоснабжения.35
ГЛАВА 3...........................................................39
  3.1. Системы управления и регулирования.........................39
  3.2. Регулирование с целью поддержания постоянных параметров теплоносителя.............................39
  3.3. Управление по температуре наружного воздуха, согласно климато-логике.........................................40
  3.4. Управление по температуре наружного воздуха................41
  3.5. Автоматика или блок управления котла.......................43
  3.6. Применение смесительных клапанов...........................47
  3.7. Многокотловая установка....................................49
  3.8. Использование модулей удаленного контроля за состоянием системы отопления.................................49
ГЛАВА 4...........................................................54
  4.1. Исходные данные для проектирования.........................54
  4.2. Проектирование автоматизации систем ТГВ....................54
  4.3. Состав и объем проекта.....................................57
Заключение........................................................59
Термины, определения и сокращения.................................60

3

                Предисловие





     В данном учебном пособии рассмотрены основные типы газовых теплогенерирующих установок, даны типовые решения проектов автоматизации технологических процессов систем ТГВ. Приведены наиболее распространенные схемы автоматизации с использованием современных технических средств автоматизации.
     В учебном пособии изложены основные подходы к расчету и проектированию автоматизации систем отопления с учетом того, что студенты знакомы с дисциплинами «Строительная теплофизика», «Отопление и вентиляция гражданских зданий», «Конструирование систем обеспечения микроклимата», «Энергосбережения при обеспечении микроклимата в помещениях здания».
     Пособие написано в соответствии с разделом программы СОМ к дисциплине «Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений».
     Автоматизация теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) является прикладной наукой, изучающей закономерности функционирования технических систем ТГВ без участия человека, но под его контролем. Цель курса состоит в формировании необходимых знаний, навыков и компетенций учащихся по проектированию автоматизации ТГВ.

4

                ГЛАВА 1





            1.1. Основной вид топлива - природный газ для отопительных установок


     Наиболее распространенным видом топлива для обогрева зданий является природный газ. Природный газ - это один из важнейших сырьевых ресурсов на Земле, который широко используется в быту и промышленности. Представляет собой концентрацию углеводородов, которые образовались в недрах нашей планеты.
     Природный газ находится в газообразном состоянии при нормальных условиях (0 градусов Цельсия и давление 760 мм ртутного столба). В таком случае он находится или в горных породах в виде залежей, или в месторождениях нефти в виде газовых шапок. Кроме того, он встречается в растворенном (в нефти и воде) и твердом (газовые гидранты, которые еще называют «горючий лед») состоянии.
     Поэтому добыча газа может стать достаточно нетривиальной задачей: приходится приложить немало усилий по его извлечению. Основным способом добычи газа являются скважины, которые необходимо равномерно размещать по территории месторождения. Делается это для уменьшения пластового давления.
     В химическом составе основу природного газа составляет метан (СНд) -третий по распространенности газ во Вселенной. Доля этого простейшего углеводорода составляет от 80 до 98 процентов. В состав также могут входить другие тяжелые углеводороды, доля которых может колебаться от единиц до сотых долей процента:
     • этан (С2Н6);
     • пропан (СзШ);
     • бутан (С4Н10);
     • пентан (С5Н12).
     Кроме того, могут входить и другие неуглеводородные вещества: водород, сероводород, углекислый газ, азот или гелий.

Физические свойства
     Метан (а следовательно, и природный газ) бесцветен и не имеет запаха. При концентрации более 4,4 % в воздухе - взрывоопасен, из-за своей высокой горючести. Именно по этим причинам проводят одоризацию газа перед подачей в квартиры: подмешивают специальное вещество (обычно это этантиол) с резким неприятным запахом. Утечку даже 1 % такой смеси можно определить по запаху. Особенно важно, что это абсолютно не сказывается на его горении: га

5

зовая смесь сжигается полностью, чистым голубым пламенем. Если кислорода для горения недостаточно, то пламя может окраситься в желтый или оранжевый цвет.
     Природный газ легче воздуха почти в два раза, поэтому при утечке скапливается вверху, а не около пола. Именно поэтому датчики утечки газа должны устанавливаться как можно выше.
     Ученые все еще не пришли к единому мнению насчет происхождения газа. Поэтому на сегодня существует две популярные теории.
     Сторонники минеральной теории утверждают, что все химические элементы уже находятся в мантии Земли. Поэтому из-за процесса дегазации углеводороды поднимаются ближе к поверхности, образуя залежи.
     Согласно биогенной теории, природный газ образовался в результате разложения живых организмов, под действием бактерий, высокого давления и температуры.
     Самое удивительное, что газу даже поклонялись! И хотя в IV веке до нашей эры его уже использовали в Китае для освещения и отопления, на территории современного Азербайджана в VII веке был воздвигнут храм Атешгях, где проходили служения для огнепоклонников вплоть до XIX века.
     Впервые в России газ начали использовать почти 210 лет назад. В 1811 году изобретатель Петр Соболевский представил общественности термоламп -прибор для получения газа. По указу Александра Первого изобретатель был награжден орденом. Ав 1819 году в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари на Аптекарском острове.
     Самая богатая страна в мире по запасам природного газа - Россия. Практически 25 % от всех запасов мира находятся на нашей территории. Самое крупное месторождение в мире находится в Персидском заливе на территории Катара и Ирана. Крупнейшее в России расположено в Ямало-Ненецком автономном округе около поселка Уренгой. Оно занимает третье место в мире и было открыто в 1966 году.
     Голубое топливо широко используется для отопления, нагрева воды и приготовления пищи. Все чаще автомобили и техника оборудуются газовыми баллонами. Кроме того, газ может использоваться для получения органических веществ, например, пластмассы.
     В отличие от других углеводородных ископаемых природный газ является самым чистым топливом. При его сгорании образуется только вода и углекислый газ, без образования копоти и золы. Но экологи бьют тревогу: выбросы большого количества СО2 могут привести к возникновению парникового эффекта и изменению климата. Однако, при сжигании природного газа этих выбросов существенно ниже, чем при использовании нефти.
     В настоящее время основным видом топлива для отопления зданий в Российской Федерации является природный газ.

6

            1.2. Виды отопительныхустановок и основные принципыработы


     Основными видами отопительных установок являются водогрейные котлы. Бытовые котлы, предназначенные для автономного обогрева жилых площадей, работающие на природном газу и твердом топливе.
     Существуют настенные и напольные типы водогрейных установок. Базовым и одним из первых типов установок стали установки с атмосферной горелкой.
     Атмосферные горелки имеют широкую область применения. Они завоевали прочные позиции в бытовых газовых приборах - плитах, водонагревателях в лабораторной практике и часто примени в чугунных отопительных котлах и сушилках. Топки, оборудованные атмосферными горелками, имеют положительные качества, к которым следует отнести:
     1) возможность работы на низком давлении газа;
     2) отсутствие необходимости в специальной дутьевой установке для подачи воздуха.
     К отрицательным сторонам можно отнести:
     1) диапазон колебания давления газа лимитируется устойчивостью горения;
     2) горелки с малым коэффициентом первичного воздуха работают с повышенными избытками воздуха в топке (коэффициент избытка воздуха в топке доходит до 1,4) и, как следствие, с пониженными температурами горения.
     Изменение теплотворной способности газа меньше сказывается на горелке атмосферного типа, чем на пламенной, так как в этом случае газ подсасывает только часть воздуха, а остальная часть его поступает в топку за счет тяги. Исходя из этого, можно заключить, что для небольших производственноотопительных котлов, особенно для чугунных.
     Еще один важный момент тип камеры сгорания - это один из основных критериев выбора газового котла отопления. Он не влияет на внешний вид и габариты модели, способ установки, лишь едва влияет на характеристики и стоимость, но определяет способ отведения продуктов сгорания, требования к помещению, уровень шума.


            1.3. Котлы с открытой камерой сгорания и атмосферной горелкой


     Бытовые котлы с открытой камерой сгорания - это наиболее простая, чаще напольная, чем настенная, конструкция, предполагающая лишь горелку, над которой находится теплообменник. Воздух для сжигания в таких моделях забирается из помещения, через отверстия в корпусе котла, а отвод продуктов

7

сгорания осуществляется через традиционный вертикальный дымоход. Их также называют атмосферными.
     В виду наиболее простой конструкции, котлы с открытой камерой сгорания более надежные и недорогие, просты в обслуживании, работают практически бесшумно, поскольку единственным источником звука является горелка и ее пламя. Однако такая конструкция имеет и недостатки:
     1. Для обеспечения должного количества кислорода, необходимого для нормального сжигания газа, котлу требуется хорошая вентиляция, иногда даже принудительная.
     2. Для отвода продуктов сгорания необходим традиционный вертикальный дымоход, от грамотности его проектирования зависит качество тяги. При ошибках в проектировании возможна и обратная тяга, когда пламя задувает при небольших или сильных порывах ветра.
     3. Атмосферные горелки, используемые в камерах сгорания открытого типа, более подвержены засорению и требуют более тщательного и частого ухода, хотя и в целом конструкция котла менее требовательна к обслуживанию (достаточно чистить и промывать теплообменник, очищать горелочный модуль).
     4. В сравнении с даже самыми простыми котлами с закрытой камерой сгорания, атмосферники уступают по характеристикам: по расходу газа, КПД, экологичности.


Атмосферная горелка

Рис. 1.1. Принцип действия классического напольного газового атмосферника

     Газовые с открытой камерой сгорания лучше устанавливать в относительно больших домах, имеющих отдельное помещение под котельную, а также при ограниченном бюджете и уже смонтированном хорошем традиционном дымоходе.


8

            1.4. Котлы с закрытой камерой сгорания и наддувной горелкой



     Это более современные и технологичные, в большинстве случаев настенные котлы, стоимость которых на 10-30 % выше абсолютно идентичных атмосферных аналогов. Закрытая камера сгорания предполагает изолированную зону горения, воздух в которую нагнетается вентилятором турбонаддува (турбиной). Скорость вращения вентилятора определяется автоматикой, в зависимости от количества сжигаемого топлива. Такой принцип работы позволяет достичь наиболее полного сжигания газа и меньших теплопотерь через конструкцию котла, что отражается на экономичности и КПД.


Рис. 1.2. Отличие закрытой камеры сгорания газового котла от открытой

      Основное отличие закрытой камеры от открытой в том, что воздух для сжигания газа забирается из улицы, на улицу отводятся и продукты сгорания. Осуществляется это через коаксиальный (боковой, двухтрубный) дымоход, в котором внутренняя труба служит для отвода дыма, а пространство между внутренней и внешней трубой - для забора воздуха. Поэтому такие котлы могут устанавливаться в любом соответствующем требованиям помещении, например, на кухне.
      Однако ощутимым недостатком такой конструкции является ее энергозависимость, т. е. работа от электросети. В среднем газовые котлы потребляют от 40 до 80 кВт электроэнергии в месяц отопительного сезона, при чем при любых, даже краткосрочных, сбоях в электроснабжении, горение прекращается. Решить проблему перебоев можно с помощью генератора.


9

      Если анализировать абсолютно все особенности котлов с закрытой камерой сгорания, выбор не так однозначен. В сравнении с более простыми атмо-сферниками они имеют как достаточно много преимуществ, так и немало недостатков.

         Преимущества                      Недостатки           
Более высокие в сравнение       Более высокая стоимость, разница
с атмосферными моделями         с атмосферными аналогами обычно 
характеристики:                 в пределах 10-30 %              
теплопроизводительность,                                        
КПД, меньший расход                                             
Стабильная постоянная тяга,     Необходимость в более           
отсутствие обратной тяги        тщательном обслуживании         
(задувания ветром)                                              
Более компактный коаксиальный   Теоретически, виду наличия      
дымоход, его монтаж гораздо     большего количества модулей,    
проще, чем в случае             такие котлы менее надежны.      
с традиционным вертикальным     На практике разница в количестве
                                сервисных обращений             
                                практически не видна, поскольку 
                                срок службы турбины             
                                и соответствующей автоматики    
                                гораздо выше наименее           
                                ресурсного элемента             
                                теплообменника                  
Возможность установки в любом   Существует вероятность          
соответствующем требованиям     обледенения дымохода            
помещении, нет необходимости    при температуре -15 “Си ниже    
в выделении помещения           в виду замерзания на оголовье   
под котельную                   дымохода конденсата. Может      
                                привести к срабатыванию         
                                защитных механизмов и затуханию 
Отсутствие серьезных требований Не столь ощутимая экономичность 
к вентиляции                    покрывается расходами           
                                на электроэнергию               
Более высокая экологичность     Вращение турбины создает        
выбросов                        дополнительный шум, хотя,       
                                согласно отзывам владельцев,    
                                он редко доставляет ощутимый    
                                дискомфорт                      

10

Рис. 1.3. Принцип действия коаксиального дымохода газового котла

     Несмотря на практически равные эксплуатационные расходы (газ, электроэнергия, обслуживание) и все недостатки, котлы с закрытой камерой сгорания являются более практичным и технологичным выбором. Требования к их установке ниже, необходимости в отдельном помещении нет, а сам монтаж проще и дешевле. Однако при ограниченном бюджете и уже смонтированном традиционном дымоходе оправдан и выбор атмосферного котла с камерой сгорания открытого типа.


            1.5. КПД газовых котлов


     Существует несколько методик расчета КПД газовых котлов, но все они так или иначе опираются на разницу между выделенным и потребленным теплом. При этом сравнивают:
     • расход газа;
     • температуру дыма на выходе из трубы;
     • температуру воды в котле;
     • температуру воды в обратной трубе.
     Затем все эти данные привязывают к какому-то «идеальному котлу», КПД которого составляет 100 % и в рекламе, а также документации на отопительный прибор указывают полученный результат. Те, кто поскромней, довольствуются коэффициентом полезного действия в 75-85 %, те, кто понаглей, указывают 90-98 %. Но, все эти данные основаны на КПД идеального котла такого же типа.
     В качестве примера такой манипуляции можно привести работу газового резака (автогена) в режиме резки металла. Сначала тепло выделяет только горящая смесь пропана/ацетилена и кислорода, поэтому можно соотношение расхода газа и выделения тепла принять за 100 %. Затем подают продувной кислород и, при той же подаче горючего газа выделение тепла резко возрастает, 11