Тепловой баланс помещений. Расчёт баланса тепла помещений и определение тепловой мощности системы отопления
Тепловой баланс помещений [1, с.103-106]
Система отопления предназначена для создания в холодный период года в помещениях здания заданной температуры воздуха, соответствующей комфортным условиям и отвечающей требованиям технологического процесса. Тепловой режим в зависимости от назначения помещений может быть как постоянным, так и переменным.
Постоянный тепловой режим должен поддерживаться круглосуточно в течение всего отопительного периода в зданиях: жилых, производственных с непрерывным режимом работы, детских и лечебных учреждений, гостиниц, санаториев и т.д. теплообмен фурье отопление вентиляция
Переменный тепловой режим характерен для производственных зданий с одно- и двухсменной работой, а также для ряда общественных зданий (административные, торговые, учебные и т.п.) и зданий предприятий обслуживания населения. В помещениях этих зданий необходимые тепловые условия поддерживают только в рабочее время. В нерабочее время используют либо имеющуюся систему отопления, либо устраивают
Для решения вопроса о необходимости устройства и мощности системы отопления сопоставляют величины теплопотерь (расхода теплоты) и теплопоступления в расчётном режиме (при максимальном дефиците теплоты). Если теплопотери окажутся больше тепловыделений, то требуется отопление помещений.
Тепловая мощность системы отопления для компенсации теплонедостатка в помещении определяется из выражения:
Qсо=Qпот—Qпост, (3.1)
где: Qсо – теплонедостаток, т.е. расчётная мощность системы отопления, Вт;
Qпот – суммарные тепловые потери помещениями, Вт;
Qпост – суммарные теплопоступления в помещения, Вт.
Если в здании (обычно производственном) Qпост>Qпот, то отапливать помещение не нужно, а теплоизбыток устраняется, например, работой приточной вентиляции.
В общем случае потери теплоты определяются следующим образом:
Qпот=Qогр+Qи+Qмат+Qпроч, (3.2)
где: Qогр – теплопотери через наружные ограждающие конструкции, Вт;
Qи – теплопотери на нагревание инфильтрующегося воздуха, Вт;
Qмат – теплопотери на нагревание материалов и транспорта, поступающих в помещение, и имеющих температуру ниже температуры воздуха в помещении, Вт;
Qпроч – прочие неучтённые теплопотери, Вт.
Теплопоступления в помещение в общем случае определяются по формуле:
Q
где: Qоб – теплопоступления от технологического оборудования, Вт;
Qмат – теплопоступления от материалов и транспорта, поступающих в помещение, и имеющих температуру выше температуры воздуха в помещении, Вт;
Qбыт – бытовые тепловыделения, Вт;
Qэл – теплопоступления от электрооборудования и освещения, Вт;
Qчел – теплопоступления от людей, Вт;
Qср – теплопоступления за счёт солнечной радиации, Вт;
Qпроч – прочие неучтённые теплопоступления, Вт.
Для помещений конкретных зданий выражения (3.2) и (3.3) упрощаются, так как не всегда имеются все виды теплопотерь и теплопоступлений, вошедших в эти выражения.
Так, для комнат и кухонь жилых зданий учитывают только теплопотери через ограждающие конструкции и потери, связанные с нагреванием инфильтрующегося воздуха, а также бытовые тепловыделения.
Определение тепловой мощности системы отопления [6, приложение 12]
В соответствии с требованиями приложения 12 [6] расчётная тепловая мощность, кВт, системы отопления должна определяться по формуле:
Q=Q1b1b2+Q2—
где: Q1 – расчётные тепловые потери здания, кВт, определяемые по формуле:
Q1=(Qа+Qв), (3.5)
где: Qа — тепловой поток, кВт, через ограждающие конструкции;
Qв — потери теплоты, кВт, на нагревание инфильтрующегося воздуха.
Величины Q
b1 – коэффициент учёта дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счёт округления сверх расчётной величины, принимаемый по таблице 1 приложения 12 [6];
b2 – коэффициент учёта дополнительных потерь теплоты отопительными приборами, расположенными у наружных ограждений при отсутствии теплозащитных экранов, принимаемый по таблице 2 приложения 12 [6];
Q2 – потери теплоты, кВт, трубопроводами, проходящими в не отапливаемых помещениях;
Q3 — тепловой поток, кВт, регулярно поступающий от освещения, оборудования и людей, который следует учитывать в целом на систему отопления здания. Для жилых домов величину следует учитывать из расчёта 0,01 кВт на 1м2 общей площади.
Теплопотери через ограждающие конструкции [1, с.106-112]
Тепловой поток Qа, кВт, рассчитывается для каждого элемента ограждающей конструкции по формуле:
Qа=(1/R)A
где: А – расчётная площадь ограждающей конструкции, м2.
Площади отдельных ограждений измеряются по планам и разрезам здания в соответствии с рис. 4.1 и 4.2.
Для
подсчёта площадей ограждающих конструкций
линейные размеры их принимаются с
погрешностью до 0,1
м, а величины площадей округляются с
погрешностью 0,1
м
R – сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м2С/Вт, которое определяется согласно требованиям СНиП II-3-79** (кроме полов на грунте). Для полов на грунте и стен, расположенных ниже уровня земли, сопротивление теплопередаче определяется согласно п.3 приложения 12 [6].
tв – расчётная температура внутреннего воздуха, С, принимаемая согласно требованиям норм проектирования зданий различного назначения с учётом повышения её в зависимости от высоты помещения;
tн – расчётная температура наружного воздуха, С, принимаемая по данным приложения 8 [6], или температура воздуха смежного помещения, если его температура более чем на 3С отличается от температуры помещения, для которого рассчитываются теплопотери;
n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху и определяемый по СНиП II-3-79**;
– добавочные потери теплоты в долях от основных потерь, учитываемые:
а) для наружных вертикальных и наклонных ограждений, ориентированных на направления, откуда в январе дует ветер со скоростью, превышающей 4,5 м/с с повторяемостью не менее 15% (согласно СНиП 2.01.01.-82) в размере 0,05 при скорости ветра до 5 м/с и в размере 0,10 при скорости 5 м/с и более; при типовом проектировании добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа;
б) для наружных вертикальных и наклонных ограждений многоэтажных зданий в размере 0,20 для первого и второго этажей; 0,15 – для третьего; 0,10 – для четвёртого этажа зданий с числом этажей 16 и более; для 10-15-этажных зданий добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа.
Теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха [1, с.112-114]
Потери тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха Qв, кВт, рассчитываются для каждого отапливаемого помещения, имеющего одно или большее количество окон или балконных дверей в наружных стенах, исходя из необходимости обеспечения подогрева отопительными приборами наружного воздуха в объёме однократного воздухообмена в час по формуле:
Qв=0,337Апh(tв—tн)10-3, (3.7)
где: Ап – площадь пола помещения, м2;
h – высота помещения от пола до потолка, м, но не более 3,5.
Потери тепла Qв, кВт, на нагревание наружного воздуха, проникающего во входные вестибюли (холлы) и лестничные клетки через открывающиеся в холодное время года наружные двери при отсутствии воздушно-тепловых завес следует рассчитывать по формуле:
Qв=0,7В(Н+0,8Р)(tв—tн)10-3, (3.8)
где: Н – высота здания, м;
P – количество людей, находящихся в здании;
B – коэффициент, учитывающий количество входных тамбуров. При одном тамбуре (две двери) B=1,0, при двух тамбурах (три двери) B=0,6.
Потери тепла Q2, кВт, трубопроводами, проходящими в не отапливаемых помещениях, следует определять по формуле:
Qв=ql10-3, (3.9)
где: l – длины участков теплоизолированных трубопроводов различных диаметров, прокладываемых в не отапливаемых помещениях, м;
q – нормированная линейная плотность теплового потока теплоизолированного трубопровода, принимаемая по п. 3.23 [6].
Лекция 5
Задание 13
Основные понятия термодинамики: термодинамическая система, термодинамические параметры, функции состояния. Классификация термодинамических систем. Понятие о внутренней энергии и энтальгии. Первый закон термодинамики. Классификация термодинамических процессов.
Термодинамика – наука, изучающая все виды энергии и процессы их взаимных превращений. Объект изучения – термодинамическая система.
Термодинамическая система – тело или группа тел, выбранных для изучения термодинамическими методами. Все тела, не входящие в термодинамическую систему, называют окружающей средой.
Поверхность раздела – реальная или воображаемая поверхность, отделяющая систему от окружающей среды.
Термодинамическими величинами называют физические величины, используемые для описания состояний и процессов в термодинамических системах. Термодинамика рассматривает эти величины как некоторые макроскопические параметры, присущие системе или процессу в системе, но не связывает их со свойствами системы на микроскопическом уровне рассмотрения.
Фу́нкциясостоя́ния — функция, определяющая состояние системы:
Классификация термодинамических систем:
По числу фаз (гомогенные (1 фаза): H2O; гетерогенные (несколько фаз): все живые организмы).
По возможности обмена с окружающей средой теплом и энергией (открытые (обмен массой и энергией): все живые организмы; закрытые (обмен энергией): запаянная ампула; изолированные (-): термос, сосуд Дюара.
Классификация ТД процессов: изотермический (температура – константа), изобарный (давление), изохорный (объем).
Внутренняя энергия – энергия системы, представляющая собой сумму всех энергий внутри и межмолекулярных взаимодействий. Она не включает кинетическую и потенциальную энергии.
Энтальпи́я — термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц.Проще говоря, энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.
Формулировка. Энергия не исчезает, а может быть преобразована из одной формы – другой.
.
Основной работой, совершенной системой – работа расширения (работа против внешнего мира).
Задание 14
Тепловые эффекты химических реакций. Первый закон Гесса и следствия из него. Термодинамические расчеты для энергетической характеристики биохимических процессов и оценки калорийности продуктов питания.
Термохимия изучает тепло ТД реакции.
СТО – теплота образования одного моля вещества в стандартных условиях из простых веществ.
СТЗ – теплота сгорания одного моль вещества при стандартных условиях, ведущих к образованию высших оксидов.
Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов. Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Qv(изохорный процесс), либо при постоянном давлении Qp( изобарный процесс).В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения.
Различают такие типы тепловых эффектов:
— Стандартная энтальпия образования (стандартная теплота образования)
— Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции
— Стандартная энтальпия сгорания
— Стандартная энтальпия растворения
— Стандартная энтальпия нейтрализации
Закон Гесса – основной закон термохимии, который формируется следующим образом. Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания. Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий. Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы.
Принципиально термодинамический расчет химических реакций можно проводить двумя путями. Конкретные термодинамические расчеты химических реакций требуют, естественно, знания в явном виде соответствующих термодинамических функций. Для большинства индивидуальных веществ термодинамические функции имеются в виде таблиц. Здесь не будут поясняться методы, используемые для их определения. Ограничимся поэтому только некоторыми общими замечаниями.
Изучение изменений внутренней энергии при химических превращениях имеет большое значение для развития теоретических основ химии, так как является одним из основных путей для изучения энергии отдельных химических связей в молекуле и количественного познания прочности этих связей и реакционной способности молекул. Кроме того, изменения внутренней энергии при реакции являются необходимыми исходными величинами для термодинамических расчетов химических реакций, имеющих большое значение для химических исследований и в химико-технологической практике.
тепловой баланс
Терморегуляция — это способность животных организмов поддерживать температуру тела в определённых границах, даже если температура внешней среды сильно отличается. Этот процесс представляет собой один из аспектов гомеостаза — динамически изменяющегося состояния равновесия между внутренней средой организма животного и его внешним окружением. Раздел науки, изучающий такие процессы в зоологии, называется экофизиологией или физиологической экологией. Если организм не может поддерживать температуру в нормальных для данного вида организмов границах, и температура повышается значительно выше верхней границы нормы, такое состояние называется гипертермией. Если же температура снижается значительно ниже нижней границы нормы, такое состояние называется гипотермией.
Тепловой баланс организма – это соотношение между получаемым и отдаваемым во внешнюю среду количеством тепла за определенный период времени.
Температура тела живых существ по-разному зависит от температуры окружающей среды. Баланс тепла в организме складывается из его прихода и расхода. Источники поступления тепловой энергии делятся на внешние и внутренние. Внешнее, или экзогенное, тепло организм получает от более нагретых воды, воздуха, окружающих предметов, прямой солнечной радиации. При этом большую роль играют площадь покровов и их теплопроводность. Внутреннее, или эндогенное, тепло вырабатывается как обязательный атрибут обмена веществ. Любой организм выделяет в окружающую среду тепло в результате своей жизнедеятельности.
Источником теплообразования в клетках являются два экзотермических процесса: окислительные реакции и расщепление АТФ. Энергия, освобождающаяся при втором процессе, идет, как известно, на осуществление всех рабочих функций клетки, а энергия окисления – на восстановление АТФ. Но и в том, и в другом случае, согласно второму закону термодинамики, часть энергии рассеивается в виде тепла. Тепло, вырабатываемое живыми организмами как побочный продукт биохимических реакций, может служить существенным источником повышения температуры их тела. Общий объем теплопродукции зависит от массы тела и интенсивности метаболизма.
Потери тепла происходят через поверхность тела за счет излучения и теплопроводности, а также за счет энергоемкого испарения воды организмами. По физическим законам на испарение 1 мл воды затрачивается около 539 кал. Соотношение всех этих теплообменных процессов определяет температуру живых существ и влияет на скорость метаболических реакций
Жизнедеятельность и активность большинства видов на Земле зависят прежде всего от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными. Этот термин обозначает изменчивость теплового режима организмов. Пойкилотермность свойственна всем микроорганизмам, грибам, растениям, беспозвоночным животным и значительной части хордовых.
Физиологическое описание пойкилотермных
Механизмы терморегуляции у холоднокровных несовершенны, что объясняется пониженным уровнем обмена веществ, который примерно в 20—30 раз медленнее, чем у гомойотермных животных, и особенностями их нервной системы. Температура тела обычно на 1—2 °C выше температуры окружающей среды или равна ей. Повышение температуры происходит в результате поглощения солнечного тепла, тепла нагретых поверхностей (поведенческая терморегуляция) или работы мышц.
На выход температуры внешней среды за пределы предпочтительного диапазона (оптимума) холоднокровные реагируют вхождением в состояние анабиоза, и за счет снижения энергозатрат переживают температурный стресс.
Недостатком пойкилотермности является медлительность животных при температуре ниже оптимума.
Две группы высших животных – птиц и млекопитающих относят к гомойотермным. Они способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.
Среди пойкилотермных организмов есть такие, которые всю жизнь проводят в условиях постоянных внешних температур (глубины океанов, пещеры и т. п.), в связи с чем температура их тела не меняется. Такое явление называют ложной гомойотермией . Она свойственна, например, ряду рыб и иглокожих. Среди истинно гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных. В нее входят виды, впадающие в спячку или временное оцепенение. Эти виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела на высоком уровне, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др. Таким образом, термины «пойкилотермия», «гомойотермия», «ложная гомойотермия» и «гетеротермия» отражают степень изменчивости температуры живых существ.
Гомойотермия
Различают истинную и инерциальную гомойотермию.
Истинная гомойотермия имеет место, когда живое существо обладает достаточным уровнем метаболизма, чтобы поддерживать температуру тела на постоянном уровне за счёт самостоятельного производства энергии из потребляемой пищи. Современные птицы и млекопитающие относятся к истинно гомойотермным существам. Помимо достаточных энергетических возможностей они имеют также различные механизмы, предназначенные для удержания тепла (перья, шерсть, подкожный слой жировой ткани) и для защиты от перегрева при высокой температуре окружающей среды (потоотделение). Недостаток у этого механизма в том, что для поддержания температуры тела необходимо много энергии, а соответственно и потребность в пище выше чем в любом другом случае.
Инерциальная гомойотермия — это поддержание постоянной температуры тела за счёт крупных размеров и большой массы тела, а также специфического поведения (например, греться на Солнце, охлаждаться в воде). Эффективность механизма инерциальной эндотермии зависит в первую очередь от соотношения теплоёмкости (упрощенно — массы) к среднему тепловому потоку через поверхность тела (упрощенно — площади тела), поэтому этот механизм может явно наблюдаться только лишь у крупных видов. Инерциально-гомойотермное существо в периоды повышения температуры медленно нагревается, а в периоды похолодания — медленно остывает, то есть за счёт большой теплоёмкости колебания температуры организма сглаживаются. Недостатком инерциальной гомойотермии является то, что она возможна только при определённом типе климата — когда средняя температура окружающей среды соответствует желаемой температуре тела и нет длительных периодов сильных похолоданий или потеплений. Из достоинств следует выделить небольшую потребность в пище, при достаточно высоком уровне активности.
Характерный пример инерциальной гомойотермии представляет собой крокодил. Кожа крокодила покрыта прямоугольными роговыми щитками, которые на спине и животе располагаются правильными рядами под ними в спинной и реже в брюшной части развиваются остеодермы, образующие панцирь. Остеодермы в дневное время аккумулируют тепло, поступающее вместе с солнечным светом. Благодаря этому температура тела крупного крокодила в течение суток может колебаться в пределах всего одного-двух градусов.
Для характеристики организмов по основным источникам используемого тепла используют термины эктотермный и эндотермный. Эктотермия – это жизнь преимущественно за счет нагревания из внешней среды, эндотермия – за счет тепла, вырабатываемого самим организмом.
Масштабы выработки тепла сильно отличаются у разных видов, проявляя зависимость от сложности организации группы, возможностей окислительных реакций, размеров и массы тела, условий среды и других причин.
Все живые организмы потенциально эндотермны, но сильно различаются по уровню обмена и возможностям сохранения тепла. Нарушения теплового баланса меняют температуру тела. Восстановить нарушенный баланс можно тремя путями: 1) изменением теплопродукции, 2) изменением теплоотдачи и 3) перемещением в пространстве в область предпочитаемых температур. Пойкилотермные и гомойотермные организмы по-разному реализуют возможности температурных адаптаций.
1.5. Решение уравнений теплового баланса для элементов тепловой схемы и определение относительных расходов рабочего тела.
Уравнения материального баланса
Составим уравнение материальных балансов для потоков тепловой схемы:
Принимаем, что доля расхода пара в голову турбины ( в относительных единицах): α0=1; доля расхода питательной воды:
αПВ =α0+ αУТ + αПРОД=1+0.02+0.01=1.03; доля расхода добавочной воды в конденсатор главной турбины: α.д.в..= αУТ + αПРОД=0.02+0.01=0.03
Регенеративные подогреватели высокого давления
Уравнение теплового баланса для ПВД1:
Принимаем согласно [3] КПД подогревателя ηПОД=0.99. Тогда:
Уравнение теплового баланса для ПВД2:
Уравнение теплового
баланса для ПВД3:
Деаэратор питательной воды:
Для
деаэратора составим систему из двух
уравнений: уравнение теплового и
материального балансов.
Решим систему из
2-х уравнений и определим относительные
расходы 
и
:
Регенеративные подогреватели низкого давления:
Уравнение теплового
баланса для ПНД4: 
Р
ассмотрим
ПНД5, ПНД6 и точку смешения:
Уравнение теплового баланса для ПНД5:
Уравнение теплового баланса для ПНД6:
Уравнение теплового баланса для точки смешения:
Уравнение материального баланса для точки смешения:
Решаем систему из четырех уравнений:
Уравнение теплового баланса для ПНД7:
1.6. Баланс рабочего тела в конденсаторе турбины:
Материальный баланс конденсатора сверху:
Материальный
баланс конденсатора снизу:
,
т.е. расчет выполнен правильно.
1.7. Решение энергетического уравнения турбины и определение абсолютного значения расхода пара в голову турбины d0.
,где NЭ=230*103 кВт, 
—приведенный
теплоперепад, где αj – доля пропуска пара через отсек, а Δhj – теплоперепад в отсеке.
Для определения 
составляем таблицу
1.2.
Таблица 1.2.
Определение приведенного теплоперепада.
Цилиндр | Отсек турбины | Доля пропуска пара через отсек αj | Теплоперепад пара в отсеке Δhj, кДж/кг | Внутренняя работа на 1 кг свежего пара αj∙Δhj, кДж/кг |
ЦВД | 0 -1 | α0 =1 | h0 — h1 =3444 — 3144= 300 | 300 |
1-2 | 1 — α1=1-0.0428 =0.9572 | h1 — h2 =3144 – 3062= 82 | 78.49 | |
ЦСД | ПП-3 | 1 — α1 — α2 = 0.9572— 0.0744= =0.8828 | hпп — h3 =3552- 3360= 192 | 169.5 |
3-4 | 1 — α1 — α2 — α3— αд = =0.8828- 0.0324-0.0177=0.8327 | h3 — h4 =3360 — 3132= 228 | 189.86 | |
4-5 | 1 — α1 — α2 — α3— αд – α4= =0.8327— 0.0452=0.7875 | h4 — h5 =3132 — 2944= 188 | 148.05 | |
ЦНД | 5—6 | 1 — α1 — α2 — α3— αд – α4 — α5= 0.7875— 0.0431=0.7444 | h5 – h6 =2944 – 2772 =172 | 128.04 |
6-7 | 1 — α1 — α2 — α3— αд – α4 — α5 — α6 =0.7444- 0.0355 = 0.7089 | h6 – h7 =2772 – 2604 = 168 | 119.1 | |
7-К | 1 — α1 — α2 — α3— αд– α4 — α5 — α6 — α7 =0.7089— 0.0412=0.6677 | h7— hК =2604 — 2393= 211 | 140.88 | |
| 1273.92 | |||
Расход пара в
голову турбины: 
кг/с, где
—
механический КПД турбины,-
КПД электрического генератора, принимаем
согласно [3].
Абсолютные расходы рабочего тела по элементам тепловой схемы:
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с;
кг/с
кг/с
кг/с
кг/с
кг/с
кг/с