Котельные установки

За длительность диффузии г уместно в качестве допустимого приближения принимать время холодного периода года в сутках, ограниченное датами, соответствующими среднесуточным температурам, равным нулю и устанавливающимся в осенний и весенний периоды. Длительность такого времени указана в нормах строительной климатологии СНиП (графа 23 табл. 1 гл. СНиП II-A.6—72).
Для центральных районов европейской части СССР длительность диффузии близка к четырем месяцам; в более холодных, но сухих районах (южные территории центральной Сибири и т. д.) увеличение длительности диффузии компенсируется меньшей влажностью воздуха в помещениях и относительной сухостью материалов ограждений; в ряде случаев условия конструирования ограждений в таких районах (с точки зрения требуемой вла-гоизоляции) облегчаются, поскольку толщина конструкций возрастает, а коэффициенты паропроницаемости для многих сухих материалов уменьшаются. В западных районах европейской части СССР, где длительность периода диффузии сокращается, но влажность материалов повышена, требования к сопротивлению влаго-изоляции также не изменяются.
Лишь во влажных северных районах (Кольский полуостров и т. д.) и в холодных районах Сибири, особенно подвергающихся океаническом влияниям, эти требования возрастают.
Наоборот, для южных сухих районов сопротивление необходимой влагоизоляции сильно уменьшается.
Температура в зоне возможной конденсации £ши соответствующее этой температуре насыщающее давление водяного пара должны быть установлены обычным теплотехническим расчетом *.
Расчет продолжительности времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения ограждающей конструкции, позволяет судить о целесообразности применения ее в помещениях с различным парциальным давлением водяного пара во внутреннем воздухе.

Кратко описанный выше графо-аналитический метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций разработан для установившихся условий диффузии водяного пара и игнорирует длительное (а для массивных конструкций отапливаемых зданий нереально длительное) время, необходимое для достижения таких условий.
Для сравнительно массивных конструкций длительность такого времени превышает продолжительность холодного периода года, а потому для этих конструкций графо-аналитический метод расчета вообще неприменим. Кроме того, этим методом не учитывается ни начальное влагосодержание материала конструкции, ни постепенные его изменения во времени.
Опыт эксплуатации ограждающих конструкций зданий и многочисленные исследования в лабораторных и натурных условиях показали, что действительные особенности влажностного состояния конструкций зависят от начального влагосодержания и его колебаний в холодный и теплый периоды года, связанных с климатом местности и температурно-влажностным режимом ограждаемого помещения. Эти факторы в некоторой мере учитываются изложенным выше приближенным инженерным методом расчета по предельно допустимому состоянию увлажнения, но более точным образом могут быть изучены только на основе численного решения соответствующих дифференциальных уравнений, в частности, уравнения (1,28).Для проведения расчета необходимо иметь изотерму сорбции того строительного материала, из которого выполнена рассматриваемая ограждающая конструкция.
В качестве исходного положения для расчета принимается начальное влагосодержание материала, соответствующее изучаемым реальным условиям; чаще всего такое начальное влагосодер-жение соответствует равновесному при ф = 50^80% по изотерме сорбции. Рассчитываемая конструкция разделяется на равные по толщине слои Ал: (например, на 5—6 слоев); плоскости, ограничивающие или разделяющие эти слои, нумеруются по направлению от теплой к холодной поверхности ограждения и являются расчетными плоскостями. Зная температуру и насыщающее парциальное давление в каждой из расчетных плоскостей, легко определить по начальному влагосодержанию и изотерме сорбции величину начального парциального давления в этих плоскостях, пользуясь формулой (VI.3).
Кинетика дальнейших изменений влагосодержания материала конструкции зависит от климатических условий рассматриваемой местности. Годовой цикл времени, состоящий из 12 месяцев, делится на характерные четыре периода (зима, весна, лето, осень); при этом к каждому периоду относят смежные месяцы с достаточно близкими значениями среднемесячных температур. За среднюю температуру наружного воздуха в каждом периоде принимается осредненная температура этих месяцев. Средние за каждый период значения температур на наружной поверхности ограждения вычисляются с учетом теплового действия осредненных значений солнечной радиации (формула 11.16). После этого на поперечном разрезе конструкции строится распределение температур для каждого периода года, определяя их значение и соответствующие им величины насыщающих парциальных давлений в расчетных плоскостях.
Имея в виду, что стационарные условия теплопередачи устанавливаются во много раз быстрее, чем такие же условия для диффузии, принимают, что распределение температуры в ограждающей конструкции постоянно в течение каждого из характерных периодов года и соответствует средним температурным условиям этого периода. Переход от температурных условий одного периода года (например, зимы) к другому (например, весне) условно считается мгновенным.

Изложенные выше методы расчета влажностного состояния ограждающих конструкций при диффузии водяного пара относятся к конструкциям, эксплуатируемым уже в течение нескольких лет, в результате чего влагосодержание материала приблизилось к сорбционному.
Для многих ограждающих конструкций такая сравнительная стабилизация влажностного состояния наступает только после того, как завершается основная часть процесса естественной сушки, связанная с испарением избыточного количества начальной технологической влаги.
Наибольшая эффективность естественной сушки отмечается в теплое время года, когда температура наружного и внутреннего воздуха незначительно отличается друг от друга, в связи с чем можно считать, что процесс высыхания конструкции и перемещения влаги в ней происходит при постоянной температуре (в изотермических условиях). Для этих условий справедливо уравнение влагопроводности (1.9 и VI.19).
Из уравнения (1.9) методами теории подобия может быть установлен безразмерный критерий Фурье TV, характеризующий сравнимые условия перемещений влаги.Распределение влаги по толщине однородной высыхающей конструкции в течение преобладающего времени сушки неравномерно: в поверхностных слоях, непосредственно соприкасающихся с воздушной средой, влагосодержание мало, в средней части — более высоко (рис. VI.19). При значительной толщине однородных стен влажностное состояние материала в средних слоях конструкции изменяется медленно и в сравнительно незначительных пределах. Основная часть однородной массивной стены сохраняет в определенный период года относительное постоянство влагосодержания на уровне, отвечающем средним микроклиматическим условиям (внешним и внутренн-им), особенностям эксплуатации здания и физико-техническим свойствам материала, из которого выполнена конструкция.Колебания температуры и влажности, происходящие в наружной и внутренней воздушной среде, в наибольшей мере затухают во внешних слоях массивной ограждающей конструкции. С этим связано изменение физического состояния этих слоев конструкции: нагревание и охлаждение, высыхание и увлажнение.
Толщина поверхностных слоев ограждающей конструкции, в которых происходят резкие колебания влагосодержания в отдельные периоды года, зависит от свойств материалов и длительности периодов изменения внешних воздействий и может быть существенно различной. В известной мере толщина этих слоев конструкции близка к толщине слоя резких температурных колебаний, рассматриваемого в теории теплоустойчивости.

Учитывая значения для стойкости бетона величины разности коэффициентов термического расширения вяжущего и крупного заполнителя, можно ожидать, что, например, шлакобетон на цементном вяжущем с заполнителем из топливных шлаков окажется недостаточно стойким и склонным к образованию трещин при колебаниях температуры. Опыт эксплуатации конструкций из шлакобетона этого вида, а также данные по исследованиям воздухопроницаемости подобных материалов подтверждают возникновение в них микротрещин. Шлакобетоны с заполнителем из металлургических шлаков отличаются гораздо более высокой стойкостью, что объясняется возникновением нерастворимых соединений на границе вяжущее—крупный заполнитель и более высоким сцеплением.
Мелкозернистые бетоны на карбонатном песке, применяемые для фактурных слоев крупных панелей и блоков, оказываются гораздо более стойкими по сравнению с мелкозернистыми бетонами па кварцевом песке; одной из причин этого является общность химического состава компонентов вяжущего и мелкого заполнителя (СаО), а также примерно одинаковые коэффициенты их термического расширения (аг~9,0-К)-6).Повышение физико-химической активности поверхности заполнителя ведет к увеличению сцепления и существенному улучшению структурных свойств композиционного материала. В этом отношении предварительное дробление заполнителей, т. е. обнажение новых поверхностей с высокой физико-химической активностью, является целесообразным технологическим приемом, обеспечивающим повышение любых видов стойкости производимых материалов (высокая стойкость бетона с дробленым гравием и щебнем, ячеистых бетонов с наполнителем из дробленого песка и т. д.). Увеличение сцепления на поверхности заполнителя является одним из наиболее доступных в технологическом отношении приемов, обеспечивающих формирование более совершенной макроструктуры с повышенным запасом внутренней энергии в объеме материала.
Наиболее явно выраженное разрушающее действие колебаний температур отмечается для ограждающих конструкций производственных зданий с наличием интенсивных выделений лучистого тепла, где температура поверхности железобетонных конструкций может достигать свыше 100°, в результате чего отмечается значительное ослабление сцепления бетона с арматурой и постепенное нарушение сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей.

В капиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бетоне, природном камне), находящихся в естественной воздушной среде, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец материала до постоянного веса.Если температура или влажность окружающего воздуха изменились, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащееся в материале. При этом можно полагать, что приближенная продолжительность времени, необходимого для установления равновесного гигротермического состояния материала, прямо пропорциональна интенсивности диффузионных перемещений влаги и обратно пропорциональна квадрату максимального расстояния этих перемещений внутри материала (т. е. квадрату характерного размера образца) *.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в воздушную среду с постоянной относительной влажностью, называется сор бцией, а процесс уменьшения влагосодержания — избыточно-влажного материала в воздушной среде — десорбцией.
Закономерность изменений равновесного влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но последовательно возрастающей относительной влажностью, выражается и з о т ер м о й сорбции.
Последовательные значения равновесной влажности материала, возрастающие при увеличении относительной влажности среды и располагающиеся на кривой изотермы сорбции, а также форма этой кривой зависят от природы и структуры материала.
Для капиллярно-пористых материалов, хорошо смачиваемых влагой (такие материалы в строительстве распространены), характерны S-образные изотермы, выпуклые в области малой относительной влажности воздуха и вогнутые при высокой влажности (изотермы I и II на рис. VI.6).
Выпуклая часть изотерм Г указывает на присутствие внутри материала только адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя простых или сложных молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров адсорбционными силами (мономолекулярная адсорбция).
Средняя часть изотерм Я, близкая к прямой линии, соответствует образованию на внутренней поверхости капиллярно-пористого материала пленок адсорбированной влаги, состоящих из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция).
При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких кайилля-ров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.

1. Влага, химически связываемая, необходимая для возникновения и завершения химических реакций, образования нового вещества и формирования физико-механических свойств материала в изделии или конструкции.
Эта влага входит в состав структурной решетки материала в виде вновь возникших химических соединений и кристаллогидратов и отличается высоким энергетическим уровнем ионной и молекулярной связи с веществом.
Естественные колебания температуры, происходящие в течение года на поверхности ограждающих конструкций, не в состоянии нарушить эту связь и выделить химически связанную влагу; из физических методов воздействий она частично может быть удалена только прокаливанием.
2. Влага физико-химической связи, адсорбированная на внутренней поверхности пор и капилляров сформировавшейся структурной решетки материала.
Адсорбированная влага может быть подразделена на влагу первичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энергетическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, постепенно переходящую в пленку объемной воды, удерживаемой капиллярными силами. Адсорбированная влага мономолекулярных и частично полимолекулярных слоев не может быть удалена путем естественной сушки материала ограждающих конструкций, поскольку для ее отрыва от гидрофильных поверхностей необходима высокая температура и малая относительная влажность окружающей воздушной среды, которые не могут быть достигнуты в условиях внешнего климата и микроклимата помещений с отсутствием больших выделений тепла.При естественных колебаниях температуры и влагосодержания наружных ограждающих конструкций, выполненных из гидрофильных материалов, часть влаги физико-химической связи может переходить в химически связанную влагу, результатом чего является повышение прочности бетонов и других гидрофильных неорганических материалов в первые годы эксплуатации зданий.
Для древесины и других органических материалов растительного происхождения характерно, кроме адсорбированной, присутствие в растительных клетках осмотически связанной влаги, постепенно удаляемой в процессе естественной сушки строительных конструкций в воздушной среде с изменяющейся температурой и низкой относительной влажностью. Следствием этого является усушка и изменение геометрических размеров изделий и деталей, отмечаемые, ■например, в первые годы эксплуатации зданий для элементов деревянных конструкций, даже в том случае, если они выполнены из древесины, считающейся, в соответствии со строительными правилами, воздушно-сухой (18—20% повесу).

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденсация на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные значения величин Е в мм рт. ст. и F в г/ж3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t= 16° С они равны друг другу.
С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха величины е и f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением температуры. Температура, при которой воздух достигает полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы.При отрицательных температурах следует иметь в виду, что давление насыщенного водяного пара над льдом меньше давления над переохлажденной водой. Это видно из рис. VI.3, на котором представлена зависимость парциального давления насыщенного водяного пара Е от температуры.
В точке О, которая называется тройной, пересекаются границы трех фаз: льда, воды и пара.
Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.
Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается относительным парциальным давлением или относительной влажностью.Относительная влажность ф является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при данной температуре.

В атмосферном воздухе, а следовательно, и в воздухе помещений всегда содержится определенное количество водяного пара.
Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха, называется объемной концентрацией пара или абсолютной влажностью f в г/ж3. Водяной пар, входящий в состав паровоздушной смеси занимает тот же объем v, что и сама смесь; температура Т пара и смеси одинакова.Физическая размерность парциального давления зависит от того, в каких единицах выражены давление и объем, входящие в универсальную газовую постоянную.
Если давление измеряется в кГ/м2, то парциальное давление имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт, ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.
В строительной теплофизике для парциального давления водяного пара обычно принимается размерность, выраженная в мм рт. ст.
Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы используются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление .о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося в воздухе; количество это выражается в единицах, измеряющих давление или энергию пара.Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмосферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.
Предельное значение парциального давления Ев мм рт. ст. соответствует полному насыщению воздуха водяным паром FMRKC в г/м3 и возникновению его конденсации, происходящей обычно на материальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешенном состоянии.

Регулирование расхода удаляемых дымовых газов обычно ведется по разрежению в топочной камере. При нескольких котлоагрегатах устанавливается главный регулятор, который подает корректирующие импульсы на регуляторы топлива или воздуха каждого из котлоагрегатов. Кроме процесса горения в котлоагрегатах, дающих пар, обязательно регулируется автоматически подача воды в барабан; ее осуществляют по импульсам от уровня воды, расхода пара и часто по расходу питательной воды.
Стальные водогрейные котлы также имеют автоматическое регулирование процесса горения и температуры воды за котлом, здесь одним из импульсов является температура наружного воздуха.
С помощью выпускаемых регуляторов или из отдельных его элементов можно собрать также регуляторы нагрузки водогрейных котлов разного типа, регуляторы деаэраторов, теплообменных, редукционно-охладительных и других установок котельных.
Устройства автоматической защиты подразделяются на отключающие и локализующие: первые переводят агрегат в неработающее состояние, вторые проводят действия, препятствующие выходу за допустимые параметры.
Для выполнения различных операций большинство защит использует электроэнергию, обеспечивающую быстроту переключений. Часто отключающие защиты имеют две ступени действия: первую восстанавливающую и вторую отключающую. Последняя ступень действия срабатывает только при невозможности восстановления процесса.
С действием защит от частичного нарушения процессов в котель^ ных агрегатах связано и применение блокировок, которые всегда работают автоматически. Этот вид автоматизации осуществляет определенную внешнюю связь между элементами установки или агрегата, приводящую к изменению состояния всех связанных между собой элементов при изменении состояния одного из них. Существуют также автоматические блокировки замещения, кроме запретно-разрешающих и аварийных блокировок, которые включают резервное оборудование установки (вместо действовавшего) через автоматы включения резерва й повторного включения.
При наличии глубоко автоматизированных установок с защитами и блокировками иногда применяют телемеханизацию — процесс автоматического пуска, регулирования и остановки объекта, осуществляемый дистанционно с помощью приборов, аппаратов или других устройств без участия человека. При телемеханизации на центральный пульт управления выносят показания главных приборов, контролирующих работу основного оборудования теплоснабжающих установок, расположенных на расстоянии в несколько километров от пульта управления, и часть ключей для пуска и остановки этого оборудования. Автоматизация работы котельных агрегатов позволяет получить, кроме повышения надежности и облегчения труда, как показал опыт, определенную экономию топлива: при автоматизации регулирования процесса горения топлива и питания агрегата на 1—2%; при регулировании работы вспомогательного котельного оборудования — еще на 0,2—0,3% и при; регулировании температуры перегрева пара на 0,4—0,6%.

Котельные принято подразделять на закрытые, полуоткрытые и открытые: в закрытых котельных все оборудование размещено в здании; в полуоткрытых вспомогательное оборудование — деаэраторы* баки, золоуловители, дымососы и вентиляторы — установлены вне здания; в открытых котельных на основном оборудовании—котлоагре-гатах — выполняются укрытия мест постоянного обслуживания, а в здании размещаются только щиты управления, насосы и фильтры химво-доочистки.
Основное оборудование котельных открытого типа должно быть специально приспособлено к работе при минусовых температурах окружающего воздуха.
Котельные, располагаемые на территории населенных мест, должны быть, как правило, закрытого типа, на территории промышленных, предприятий могут быть любого типа, если это позволяют климатические условия и оборудование.
Здания котельных можно выполнять отдельно стоящими или примыкающими к другим зданиям —сблокированными.
Блокирование помещений котельных с производственными цехами применяется на некоторых предприятиях, в коммунально-бытовых (кроме бань) и в хозяйственных корпусах лечебных учреждений. Котельная отделяется от других помещений специальной капитальной противопожарной стеной; непосредственно над котлоагрегатами не размещают никаких помещений. Иногда котельные размещают внутри производственных, общественных, жилых зданий, выделяя для них часть Помещений; такие котельные называют встроенными.
Установка котлоагрегатов всех типов и видов внутри производственных помещений осуществляется выделением для котельной с несгораемыми перегородками, полом и потолком помещения с высотой не менее 2 м.
Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агреграты могут быть отделены от производственного помещения вместе с технологическими агрегатами. Наиболее распространены для котельных отдельно стоящие здания.
Современные здания котельных, как правило, выполняются каркасными, одноэтажными, с пролетами одного направления, одинаковой ширины и высоты. При необходимости размещать оборудование в несколько этажей применяются здания павильонного типа со встроенными этажерками. Размеры пролетов зданий принимают равными 12, 18, 24 й 30 м; для небольших котельных допускаются пролеты в 6 й 9 м. Несущими элементами здания, кроме колонн, при малых пролетах (6, 9 и 1&м), небольшой высоте (до 7,2 м) и отсутствии опирания на стены грузоподъемных механизмов могут являться наружные стены с пилястрами. При пролете 12 м и более используются только колонны, шаг которых принимают равным 6 или 12 м. Для многоэтажной части здания котельной, например со стороны постоянного торца, надлежит использовать сетки колонн с размером 6 на 7 и 6 на 9 м. Высота зданий котельных зависит от величины пролета и выполняется кратной размерам от 0,6 до 1,8 м.