1、 本 科 毕 业 设 计 第 28 页 共69页1 引言1.1供热工程的发展概况在人类很长的历史时期中，如北京原始人化石发源地龙骨山以及欧洲尼安得塔尔人化石发源地都曾发现过烧火的遗迹，人们以火的形式利用能源。后来人们为了取得热量，开始用原始的炉灶获得热能以取暖、做饭和照明。这种局部的取暖装置至今还保留和使用着如火炉、火墙、火坑等。蒸汽机发明以后，促进了锅炉制造业的发展。十九世纪初期开始出现了以蒸汽或热水作为热媒的供暖系统。在供暖系统中，由一个锅炉产生的蒸汽或热水，通过管路供给一座建筑物各房间取暖。1877年在美国建成了区域供热系统，由一个锅炉房供给全区许多座建筑物和生产与生活所用的热能。二十世
2、纪初期一些工业发达的国家开始利用发电厂中汽轮机的废汽，供给生活与生产用热。其后逐渐发展为现代化的热电厂，联合生产电能与热能，显著地提高了燃料利用率。二次大战后，特别是六十年代，世界能源的消耗，随着城市工业的发展和城市人口的增加而迅速地增加，19501965年间，联邦德国、捷克斯洛伐克等国热能消耗量增长了2倍，日本增长了3.7倍。巨大的热能消耗，不仅要求有足够的供应能力，而且要求提高供热效率和降低成本。此外，锅炉房多建于城市人口稠密区，煤烟粉尘和锅炉排出的二氧化硫气体是造成城市环境污染的主要原因。在区域供热系统中采用大型现代化锅炉，燃烧效率高，尤其是综合生产热能与电能的热电厂可以大量节省能源、大
3、型区域供热系统供热半径长、热源可以远离城市中心人口稠密区，并可装设有效的排烟除硫和除尘设备以防止城市环境的污染。因此，近30年来区域供热事业的发展极为迅速。苏联和东欧各国的区域供热的热源以热电厂为主。 美国和西欧各国的区域供热的热源，多以区域锅炉房为主，早期以蒸汽作为主要热媒，二次世界大战以后，以高温水为热媒的区域供热系统发展很快。近年来，在法国、瑞士等国出现了一些城市区域供热锅炉，以城市垃圾作为主要燃料。1.2我国供热的发展历程 在旧中国，仅只是在一些大城市的个别建筑和特殊区域内设置有集中供热设备。以北京为例，当时的六国饭店（现北京饭店老楼）、清华大学图书馆、体育馆、东单的德国医院（现北京医
4、院）等都装有功能完善的暖汽系统。甚至冬季很短、气温不太低的上海的某些宾馆， 如国际饭店、沙逊大厦（现和平饭店）和个别高档公寓，如华山公寓、霞飞公寓等也装有可随气候调节温度的真空式蒸汽采暖系统。当时这些系统基本上由洋人设计，所用设备由国外运来。显然那时的集中供热只是达官贵人和显要们的专利，与广大老百姓无缘。 建国以来，随着经济建设的发展和人民生活水平的提高，我国的供热事业也得到迅速发展。北方地区的绝大多数公共建筑和工业企业都装设了集中供暖设备，居民住宅也陆续装设了供暖系统，居住的舒适、卫生与环境条件得到很大的改善。 建国初期，“三北”地区（东北、西北、华北）居民住宅以平房为主，冬季采用火炉、火炕
5、或火墙取暖。自1951年我国第一座城市热电站北京东郊热电站投入运行，到改革开放前，全国只有哈尔滨、沈阳等8个城市有集中供热。改革开放后发展迅速，1956年增加到151个城市， 到1961年这5年中有集中供热的城市猛增到516个，供热面积也从1956的年的91亿m2 猛增到5年的292亿m2。 此外，从80年代开始，我国已经能够自行设计大、中、小型的成套设备，各型锅炉，设计与制造多种铸铁、钢材和铝合金的散热设备。特别是近年来拓宽了国际技术交流的渠道，大量先进技术陆续引进，国内供热技术的开发力度也不断增强，城镇供热在设计标准、工艺水平和技术性能、自动化程度等方面都有长足的进步。毕业设计题目：某工业
6、建筑供暖系统设计主要内容和要求：热负荷计算散热设备选择及计算管网水力计算制热设备及附件设计与选择绘制图纸若干张1.3设计任务和相应数据白山的设计条件；本设计是以吉林华能通化煤矸石火电厂三层锅炉房的供暖为设计对象。楼层高度为6.3米。建筑物的墙体为250复合钢板墙体。传热系数K=0.49W/。室内温度： 10。白山的地理位置为：北纬4168,东经12590。大气压力: 冬季974.5hpa.夏季960.7hpa.夏季室外日平均温度25；室外计算日较差8.5；室外干球温度29.4；室外湿球温度23.3；室外平均风速1.72.8m/s；采暖计算温度-25；空调计算温度-27；冬季室外风速3.32.8
7、m/s，2 房屋的供暖热负荷的计算2.1供暖热负荷的确定冬季，人们为了满足生活和生产的需要往往要求室内或者工作地区保持一定的温度，为了使房间内的空气温度，在某一段时间能达到要求的数值，必须有散热设备补给热量，此热量称为该房间的供暖热负荷。一个供暖系统往往要担负若干个房间的供暖，因而一个供暖系统的热负荷和各个房间的供暖热负荷有直接的关系。所以房间采暖热负荷是供暖设计中最基本的数据，这个数据计算的正确是否，将直接影响着供暖设备的大小、供暖方案的选择及供暖系统的使用效果。一般情况下，房间供暖热负荷应根据房间的热平衡来计算。供暖系统的设计热负荷，是指在设计室外温度tw下,为达到室内温度tn，供暖系统在
8、单位时间内向建筑物供给的热量Q。它是供暖系统的最基本依据。冬季供暖通风系统的热负荷，应根据建筑物或者房间的得、失热量确定。房间的失热量包括：1、围护结构传热耗热量Q1；2、加热由门、窗缝隙渗入室内的耗热量Q2，称冷风渗透耗热量；3、加热由门、孔洞及相邻房间侵入的冷空气的耗热量Q3，称冷风侵入耗热量；4、水分蒸发的耗热量Q4；5、加热由外部运入的冷物料和运输工具的耗热量Q5；6、通风耗热量。通风系统将空气从室内排到室外所带走的热量Q6；房间的得热量包括：1、生产车间最小负荷班的工艺设备散热量Q7；2、非供暖通风系统的其他管道和热表面的散热量Q8；3、热物料的散热量Q9；4、太阳辐射进入室内的热量
9、Q10。从得失热平衡式可以算出：房间供暖热负荷=房间是热量总和-房间得热量总和=房间内散热设备的散热量然而，在供暖工程设计时，并不逐项详细计算得热量和失热量，尤其对于一般民用建筑来说，通常只计算两类热损失：1、经过墙、屋顶、地面、门、窗和其他表面传出的热量；2、加热进入室内的冷空气耗热量。得热量只计算太阳辐射进入室内的热量。2.2围护结构的基本耗热量在工程设计中，围护结构的基本耗热量是按一维稳定传热过程进行计算的，即假设在计算时间内，室内、室外空气温度和其他传热过程参数都不随时间变化。实际上，室内散热设备散热不稳定，室外空气温度随季节和昼夜变化不断波动，这是一个不稳定传热过程。但不稳定传热计算
10、复杂，所以对室内温度容许有一定波动幅度的一般建筑物来说，采用稳定传热计算可以简化计算方法并能基本满足要求。围护结构基本耗热量，可按下式计算： Q=KF(tn-tw) W式中 K-围护结构的传热系数，W/m2； F- 围护结构的面具, m2； tn-冬季室内计算温度, ； tw-供暖室外计算温度, ； -维护结构的温差修正系数。温差修正系数。对供暖房间围护结构外侧不是与室外空气直接接触，而中间隔者不供暖房间或空间的场合，本设计卫生间不采暖。故有温差修正系数。根据文献1的附录1-2 知修正系数为。2.3围护结构的附加（修正）耗热量按稳定传热计算出的房间维护结构的基本耗热量，并不是该供暖房间的全部耗
11、热量。因为房间的耗热量还与它所处的地理位置及它的形状等因素（如高度、风向、风速等）有关。这些因素是很复杂的，不可能进行非常细致的计算。工程计算中，是根据多年经验按基本耗热量的百分率进行附加予以修正。其中包括：朝向修正、风力修正、高度修正。1、朝向修正不同朝向的围护结构所得的太阳辐射人是不同的。显然，受到日照的围护结构也就相应地减少了它的供暖耗热量。我国采暖通风设计规范给出的白山地区修正率如下： 南 - 13% 东、西 -5%北 0%2、风力修正外围护结构外表面的传热主要有对流和辐射两部分，其中对流换热与室外风速有关，即风速愈大，则传热愈快。计算围护结构基本耗热量时，所选用的传热系数Ko值。它是
12、对应欲某个固定室外风速值得来的。因为我国给地冬季平均风速相差不大，所以对传热的影响也不显著，故一般情况下可忽略。但是对于建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物，以及城镇、厂区内特别高出的建筑物，垂直的外围护结构应附加5-10%。3、高度修正计算基本耗热量中的室内计算温度是指房间内工作区的温度，即指地面上4m以下的空气平均温度。根据设计手册，对于一般的工业建筑，当净空高度在4m以上时，应取值为50%。本设计的房间高度为64.5m，高度修正为50%。2.4冷风渗透耗热量冬季，室外冷空气经常会通过门、窗的缝隙进入室内。这部分冷空气从室外温度被加热到室内温度所需的热量称为冷风渗透耗热量。此耗热
13、量与门窗的构造和朝向、室外风速和风向等因素有关。本设计采用缝隙法计算多层建筑的冷风渗透耗热量。暖通规范明确规定：建筑物门窗缝隙的长度分别按各朝向所有可开启的外门、窗缝隙丈量，在计算不同朝向的冷风渗透空气量时。引进一个渗透空气量的朝向修正系数。即 m3/h式中 -每米门、窗缝隙渗入室内的空气量，按当地冬季室外平均风速，采用文献1附录1-6数据。-门、窗缝隙的计算长度，m-渗透空气量的朝向修正系数。确定门、窗缝隙渗入空气量 后，冷风渗透耗热量，可以按下式计算： wcp（tp- tw） W式中 V经门、窗缝隙渗入室内的总空气量，m3/h w供暖室外计算温度下的空气密度，kg/m3 cp冷空气的定压比
14、热，c=1kJ/kg 0.278单位换算系数，1KJ/h=0.278W2.5地面温差传热计算贴土地面的温差传热采用近似计算法。即把地面划分成四类地带，各地带有确定的计算传热系数值。按下式房间地面的温差传热量。式中 各计算地带的面积，m2各计算地带的计算用传热系数值是：第一地带 =0.47W/m2.第二地带 =0.23 W/m2.第三地带 =0.12 W/m2.第四地带 =0.07 W/m2.查供暖通风设计算手册表6-2和表6-3可有直接查到结果。经计算可以得出该锅炉房的计算热负荷为1330 kW。把各房间的耗热量列于附表2-1。2.6非正常冷风侵入热负荷根据设计院的工程师介绍，由于锅炉房楼层高
15、度较高，在热压作用下，冷风渗透将远远大于设计值，并且在锅炉检修期间，为了方便工作人员进出或者运输大型设备，锅炉房的门都完全是敞开，这将进一步增大锅炉房的冷风侵入。据设计院工程师的经验计算，由于热压作用和非正常冷风侵入而增加的热负荷约为初步计算热负荷的3.15倍由此可以得出该锅炉房的总设计热负荷约为4200 Kw。3 散热器及暖风机的选择与计算3.1散热器的选择供暖散热器是室内建筑设备。它与室内装修和家具想配合，与房间使用者朝夕相处。因此，供暖散热器的选择，除了散热器本身的技术品质之外，还必须符合地区使用习惯、使用者爱好、热网及群体建筑物的环境条件等因素的制约。随着社会的进步和生活水平的提高，人
16、们会越来越愿意接受新、美、好的产品。并且，随着运行管理水平的提高和生活水平的提高，也会不断地改善和提高散热器的工作条件，开拓它们的适用范围。下面所谈的供暖散热器选用原则，系指一般而广泛的常用原则。对有特殊要求的工程项目，可以按各自的特殊要求进行选择。3.2散热器的选择原则 供暖散热器是建筑物供暖系统的末端装置，它与供暖系统的管道连为一体，构成热媒循环的系统。所以，在选择散热器时首先应当考虑热媒的种类、热媒的品质及输送方法。具体说来，应考虑以下儿方面：a 热媒品种供暖系统常用的热媒有高、低温热水，高、低压蒸汽，其余还有电、煤气等等，有时也有用地下热水(低温)及工业废热水的。蒸汽供暖系统由于停汽后
17、空气的浸入而对钢材的腐蚀较重，所以应选用铸铁和钢管制(如钢串片、钢排管)散热器，而不应选用钢板制散热器(如板型、扁管型、柱型散热器等)。当采用地下热水或工业废热水供暖时由于水质差别很大，腐蚀性很强，只能选用抗腐能力强的散热器(如铸铁、塑料散热器等)。PH值大于9的强碱性热水，不宜使用铝制散热器。而电暖和煤气供暖都有各自的专用散热器。b 工作压力散热器要根据本建筑物供暖系统的工作压力进行选择。包括系统的静水压力及动压(循环水泵杨程)。在集中供热区域内、与城市集中热阿直连的各建筑物的供暖系统，要按热网的工作压力进行散热器选择。具体说来，应按本建筑物供暖系统供水引入管的实际压力选用散热器。当进户供水
18、管上不设减压装置时，即为城市热网供水分支管处的实际压力(包括静压和动压)；当进户供水管上设减压装置时，应按减压后的实际限力选择散热器。间接(隔离式)连接者按各建筑物供暖系统的工作压力进行选择，温热水供暖系统应按我同现行的施工验收规范所规定的试压要求及相应的工作压力进行选择，用热水供暖系统，由于工作压力很低(一般仅为0.01003MPa)，应选用承压能力较低的散热器。3.3经济原则在工程建设中，经济问题是首先应当考虑的问题，尽管供暖散热器的造价在整个工程中造价所占比例甚小但因为它是一个独立而具体的项目，却很引人注目，设计从以下几个方面进行考虑：a初投资低包括散热器本身的价格低，运输、安装价格低，
19、以及所要求的热媒(特别是水处理)价格低等。尽管热媒及水处理是供热设计人员所应考虑的范围，但由于与散热器有关，所以供暖散热器选用者也应作相应的考虑。如是否要求水质处理(如软化)、是否要求除氧以及其他特殊处理，自会对整个工程的初投资有较大影响。在城市集中供热区域内，由于城市热网的热媒已定，直联的单体建筑物的供暖散热器就按集中供热的热媒进行选择。所以，对热媒品质要求较低、不需特殊处理的散热器(如铸铁、铝制、塑料散热器)就具有一定的选用优势。b运行及维护价格低运行费中自然应包括水质处理费用。维护费用包括油漆、检修运行费用低、维护简单、维护费用低的散热器。c有效寿命长、年折旧费用低就我国目前的现实情况说
20、来，有效寿命长还是散热器选用者非常重视的问题。尽管散热器是室内建筑设备，但在我国目前情况下，还不能像一般家具那样频繁更换。供暖散热器的有效、经济寿命的确定，对工程设计说来，虽是一个重要问题，但目前国家尚无明确规定只能相对而言。我们希望钢制或塑料散热器的有效寿命能接近或达到供暖系统中管道的等效寿命。自然，在其他条件大致相同的前提下，供暖散热器的有效寿命能长于管道，或接近建筑物其他设备和构配件的有效寿命，那就更具有竞争的优势。3.4安全原则安全可靠是对供暖系统(包括散热器在内)的基本要求。包括以下几个方面：a 散热器的工作压力应能满足供暖系统工作压力的要求，并且在长期运行过程中安全可靠。从降低工程
21、造价的角度考虑，散热器的工作压力只要能满足(保证)供暖系统运行时的工作压力即可，并不是越高越好。但对同一类型的散热器而言，如其他条件均相同，那么，承压能力高就是优点之一。因为并未以成本的增加或金属的增加去换取承压能力的提高。我国目供暖散热器的工作压力多为0.58MPa。也有的大型集中供热系统要求更高的工作压力。在高层建筑中，由于供暖系统多按40m上下的高度分区设置、所以对散热器本身的承压能力并没有更高的要求。小型家用热水供暖装置的散热器只要在系统灌满水后不渗不漏即可，可以选取壁薄、价低、承压能力低的散热器。值得强调的是，散热器要在有效使用期内长期工作的条件下都具有稳定的承压能力，保证长期运行的
22、安全可靠。有的散热器因材质或其他原因不能保证这一要求，那就很值得注意。b 漏水(汽)的可能少。主要是指散热器的接口要少及其本身腐蚀漏水的可能性少。铸铁散热器由于弱环节往往在片与片组合的接口处，所以接口越少，漏水的可能性越少。钢板散热器，也因型式不同，其腐蚀漏水的严重性不同。c 耐腐蚀。包括散热器外腐蚀和内腐蚀。对潮湿房间，或有腐蚀性气体的房间，应选用防腐能力亦较高的产品。d 无划伤或碰伤人体的尖角棱刃，壳应有一定的强度和刚度。f 无毒、无害、无爆炸可能。包括散热器的专用工质及外表面处理。这一问题，对目前还在研究的热管型散热器(亦称相变换热散热器)以及电热、煤气散热器等，就是一个值得注意的问题。
23、3.5散热器的计算目前，散热器热工性能测试已有了攻击标准（1975年由国际标准化组织颁布）。它的基本原理是，首先测出被测试散热器在稳定传热条件之下的散热量，即 W式中 被测试散热器的散热量，W；通过被测试散热器的热媒流量，kg/h;被测散热器进口的热媒焓值，KJ/Kg；被测散热器出口的热媒焓值，KJ/Kg。如通过被测试散热器热媒为普通温水是，其散热量为： 式中 被测散热器进口水温，； 被测散热器出口水温，； C水的比热，4.19KJ/kg。因为第一章已经求得每个房间所需的散热量，所以散热器流量的计算公式如下： 3.6计算各层散热器内平均温度ts本设计采用上进下出双管连接， 下面以6.3m起居室
24、1计算为例： Qs=32709.6W 则有流量： G= kg/h 该层的散热器的平均温度：ts= 该房间散热器温度与室内温度差： T=90-10=80 该房间采用的散热器的每片的散热量：0.350801.247 =82.6W 则该房间应该采用的暖气片的片数为： 片 取396片3.7散热器布置在房间的位置代表房间供暖质量的温度是人的舒适线（距地0.75m）处的温度。如果房间内竖直温度梯度很大，下部冷，上部热，对于人活动区的供热量就相对较少，使供暖效果降低。采用对流型散热器会加大竖直温度变化的差异；而采用辐射型散热器辐射供暖可使温度梯度减小。 影响供暖效果的另一个因素是人体获得或散发的辐射热量的多
25、少以及强弱。一般地，因人的体温高于室内四周的温度，人将发出一定的辐射热，如果得不到辐射热量的及时补充，人会感到不舒服。反之，人体如果受到过高的辐射热也会感到不舒服。因此，从位置较低的部位发出一定量的低温辐射热，既可以节省能量，又可以提高人们的舒适感，采用低矮的辐射式散热器效果要好得多；而采用顶棚向下传热的散热器效果会差得多。 供暖散热器的安装就一般工程而言，尽量安装在沿外墙的窗台下面。使从窗口渗入的冷空气能够尽快受热上升，使室内形成一个好的空气循环环境。此外，散热器沿外墙、窗下设置时，受热气流也在一定程度上阻滞室外冷风的渗入，并且外墙冷表面传热面积的减少对提高房间的供暖效果也是有帮助的。当然，
26、设计者出于居室美观和使用方便的考虑，将散热器置于内墙处也是可行的。散热器在安装时，应当距地面和墙面均有一定的距离，以保持受热气流流动通畅，能将热量尽快地散发到房间里去。一般到墙离为3050毫米，到地距离为100140毫米。3.8暖风机的选择工业暖风机是一款需要固定在墙壁或棚顶上使用的电取暖产品，适合厂房、车库、商店、烘干室等场所使用。 通过风机工作，强制空气循环，有利于空气加热及温度均衡，适合间断采暖的场所使用。 设备上配开关，但如果改装高温度，直接在设备上操作不方便，订货时可选择开关安装在墙壁上的线控机型。 需要新风换气的场所，可以将设备与新风管道进行连执接，通过风的调节新风量。固定在墙壁或
27、者硼顶上使用，凶节约地面空间，选择吊挂在棚顶上的安装方式。3.9暖风机的计算 在暖风机的设计中主要是确定暖风机的型号、台数、平面布置及安装高度等。各种暖风机的性能，即热媒参数（压力、温度等）、散热量、送风量、出口风速和温度、射程等均可以从有关设计手册或样本查出。暖风机的台数n可以按下式计算： 台式中Q暖风机热风供暖所要求的耗热量；W：选用暖风机附加的富裕系数，宜采用=1.21.3：Qd每台暖风机热风的实际散热量；W：需要指出：产品样本中给出的暖风机空气进气口温度都是等于15时散热量，若空气进口不等于15时散热量也随之改变。此时可按下式进行修正：式中Q0产品样本中给出当进口空气温度为15的散热量
28、，W； tpj热媒平均温度，； tn设计条件下的进风温度，；在本设计中，暖风机的实际散热量：=63 kW暖风机的台数：=80 台选用暖风机的给定散热量为59 kW，气流射程为7m,台数为80台。4 系统的水力计算和水泵的选择4.1水力计算原理设计热水供暖系统，为使系统中各管段的水流量符合设计要求，以保证流进各散热器的水流量符合需要，就要进行管路的水力计算。 当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间的摩擦就要损失能量；而当流体流过管道的一些附件(如阀门、弯头、三通、散热器等)时，由于流动方向或速度的改变产生局部旋涡和撞击，也要损失能量。前者成为沿程损失，后者称为局部损失。因此，热水供暖系统
29、个计算管段的阻力损失可用下式表示： P =Py+Pj=Rl+Pj式中：P计算管段的阻力损失，Py计算管段的沿程损失， R每米管长酌沿程损失， l管段长度，m,Pj管段的局部损失，Pa。在管路的水力计算中，通常把管路中水流量和管径都没有的一段管子称为一个计算管段。任何一个热水供暖系统的管路都是由许多串联或并联的计算管段所组成的。 每米管长的沿程损失(比摩阻)可用流体力学的达西维期巴赫公式来计算：供热介质在管内流动的摩阻系数取决于管内供热介质流动状态和管壁粗糙度。对于流动状态,目前专业书中都认为室内供暖系统管内流动状态处于过渡区,室外热水管网管内流动状态处于阻力平方区。 4.2管段的局部损失管段的局部损失，可按下式计算： Pa式中 管段中总的局部阻力系数。 水流过热水供暖系统管路的附件(如三通、弯头、阀门等)的局部阻力系数值可查阅文献1-2。表中所给出的数值都是用实验方法确定的。文献1中4-3给出热水供暖系统局部阻力系数l时的局部损失值。 利用上述公式可分别确定系统中备管段的沿程损失Pj和局部损失Pd，两者之和就是该管段的阻力损失。在实际设计中，为了简化计算， 也有采用所谓“当量阻力法”或“当量长度法”来进行管路的水力计算。4.3管段的局部损失 管段的局部损失计算如下：Py= R Pa4.4当量局部阻力法（动压头法） 当量局部阻力法的基本原理是将管段的沿程损失转变为局部损失来计算。
