سیستم حرارت مرکزی چیست + محاسبات گرمایش مرکزی
انواع سیستم حرارت مرکزی چیست؟ به چه سیستم‌هایی گرمایش مرکزی گفته میشود؟ اجزای سیستم گرمایش مرکزی چیست؟ چند نوع سیستم حرارت مرکزی با بخار و سیستم حرارت مرکزی با هوای گرم داریم؟ در چه ساختمان‌هایی از سیستم حرارت مرکزی استفاده میشود؟ موتورخانه حرارت مرکزی چیست؟ مکانیزم آبگرمکن مرکزی چگونه است؟ روش محاسبات و انواع فرمول ها در سیستم حرارت مرکزی چیست؟
سیستم حرارت مرکزی چیست؟
در ساختمانهای بزرگ برای اجرای تاسیسات مکانیکی به منظور کاهش شبکه گازرسانی، کاهش تعداد دودکش‌ها، سهولت نگهداری و تعمیرات و … از سیستم‌های حرارت مرکزی استفاده میشود. در این سیستم حرارت مورد نیاز ساختمان در طراحی موتورخانه تامین و توسط سیال عامل به فضاها منتقل شده و سپس توسط پایانه‌های حرارتی (رادیاتور، یونیت هیتر، فن کویل و …) به محیط می‌رسد.
انواع سیستم‌های حرارت مرکزی
انواع سیستم‌های حرارت مرکزی بر اساس سیال عامل شامل موارد ذیل می‌باشد:
- حرارت مرکزی با آب گرم
- حرارت مرکزی با بخار آب
- حرارت مرکزی با هوای گرم
حرارت مرکزی با آب گرم
گرمای تولید شده از مشعل به آب درون دیگ منتقل می‌گردد. آب گرم شده توسط پمپ و سیستم لوله‌کشی به پایانه‌های حرارتی می‌رسد.
نکته: تاسیسات حرارتی پایین‌تر از پایانه‌های حرارتی قرار می‌گیرند.
اجزا سیستم‌های حرارت مرکزی با آب گرم
سیستم‌های حرارت مرکزی با آب گرم از اجزا زیر تشکیل شده است:
- دستگاه مولد آب گرم: شامل مشعل و دیگ
- سیستم انتقال آب
- دستگاههای پخش کننده گرما
- کنترل کننده‌ها
- مخازن: شامل مخزن گازوییل، مخزن گازوییل روزانه، مخزن انبساط بسته، مخزن انبساط باز، مخزن آب گرم مصرفی
دیگ از مهمترین اجزای سیستم حرارت مرکزی آب گرم
وسیله‌ای که انرژی حرارتی آزاد شده از احتراق سوخت را به سیال درون آن منتقل می‌کند. دیگ‌ها به چهار روش دسته‌بندی می‌شوند:
١) از نظر سیال کاری: شامل دیگ‌های روغنی، آب گرم، آب داغ، بخار و …
٢) از نظر جنس: شامل چدنی و فولادی
٣) از نظر مسیر عبور دود: تعداد مسیری که محصولات احتراق طی می‌کنند تا به دودکش برسند. شامل دو پاسه
(تولید آب گرم)، سه پاسه (هم تولید آب گرم و هم بخار) و چهار پاسه
٤) از نظر تماس انتهای محفظه احتراق: وت بک (آب واسط بین محفظه و انتهای دیگ) و درای بک (دیوار نسوز به جای آب در انتهای دیگ)
انواع دیگ در سیستم حرارت مرکزی
دیگ‌های چدنی
بر اساس ظرفیت حرارتی از تعدادی پره چدنی ریخته‌گری تشکیل شده است که در فضای وسط پرهها مشعل قرار می‌گیرد. شعله مشعل نباید به طور مستقیم به دیواره دیگ برخورد نماید. با توجه به اینکه فراهم کردن چنین شرایطی مستلزم فضای زیاد است بنابراین در دیگ‌های خانگی به دلیل محدودیت فضا این امر امکانپذیر نبوده لذا در داخل دیگ آجرچینی انجام میشود.
مزایای دیگ چدنی:
- مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی
- حمل آسان و امکان افزایش یا کاهش ظرفیت به دلیل قابلیت جداسازی پرهها
- امکان تعویض بخشی از دیگ
- قیمت ارزان
معایب دیگ چدنی:
- ترك خوردن در اثر تنش‌های حرارتی
- ضعیف بودن نسبت به کنداس دود
- فشار کارکرد پایین حداکثر تا حدود ٥ بار (حداکثر تا ساختمانهای ٨ طبقه)
- مقاومت پایین در برابر برخورد مستقیم شعله و کارکرد بدون آب
- در ظرفیت برابر طول بیشتر نسبت به دیگ فولادی
- نامناسب برای مناطق سرد به دلیل شوكهای حرارتی
دیگ فولادی
این دیگ‌ها به صورت یکپارچه در کارخانه ساخته می‌شوند و بر اساس محل قرارگیری آب به دو نوع تقسیم می‌شوند:
١) لوله آب: آب درون لوله قرار دارد و توسط آتش مشعل که بیرون از لوله‌ها قرار دارد گرم میشود.
فشار کاری بسیار بالا (٦٠ بار) استفاده بیشتر در نیروگاهها
٢) لوله آتش: محصولات احتراق در پاسهای مختلف از داخل لوله‌های آتش‌خوار درون دیگ عبور می‌کنند و در
اطراف این لوله‌ها مخزن آب قرار گرفته است.
فشار کاری کم و متوسط (٤ تا ٢٥ بار) و دبی‌های زیاد (٣٠ تن در ساعت)
نحوه انتخاب دیگ برای راه اندازی سیستم حرارت مرکزی
برای انتخاب دیگ پس محاسبه بار حرارت گرمایی و آب گرم مصرفی ظرفیت دیگ از رابطه زیر محاسبه گردیده و سپس با مراجعه به کاتالوگ سازنده دیگ مناسب انتخاب می‌گردد.
H1 و H2 بار حرارتی کل ساختمان و بار حرارتی آب گرم مصرفی می‌باشند و ضریب 1/1 برای جبران تلفات حرارتی در مسیر لوله‌ها از موتورخانه تا محل پایانه‌های حرارتی است. این ضریب بسته به فاکتورهایی مثل فاصله موتورخانه تا پایانه‌ها، عایق‌کاری لوله‌ها، طول عبوری از فضای سرد و … می‌تواند به 1/2 یا 1/05 تغییر یابد.
نکته: تشکیل رسوب در دیگ سبب کاهش انتقال حرارت و پایین آمدن راندمان دیگ میشود. استفاده از سختی‌گیر برای مناطق با سختی آب بالا و سرویس دورهای دیگ برای استفاده بهینه ضروری است. همچنین تشکیل دوده بر روی سطح مجاور آتش سبب کاهش انتقال حرارت میشود. (لایه دوده به اندازه 0.8 میلیمتر سبب کاهش 9.5 درصدی و ضخامت 4.5 میلیمتری آن به اندازه 69 درصد نرخ انتقال حرارت را کاهش می‌دهد).
مشعل وسیله‌ای برای ایجاد احتراق و شعله در داخل دیگ است. هر مشعل می‌بایست سوخت را با یک عامل اکسید کننده به نسبتی مخلوط نماید که مخلوط حاصل در محدوده شعله‌وری قرار گیرد و احتراق یکنواخت ایجاد شود.
دوره های ویژه با قیمت استثنایی برای علاقه مندان، دانشجویان و مهندسین
دوره امادگی آزمون نظام مهندسی تاسیسات
تقسیم‌بندی مشعل‌ها در سیستم حرارت مرکزی
از نظر نحوه تغذیه هوا: بر اساس نحوه ورود هوا به داخل محفظه احتراق دو دسته اتمسفریک و فن دار تقسیم می‌شوند.
از نظر سوخت مصرفی: بر اساس سوخت مورد استفاده به سه دسته گازوییلی، گازی و مازوت تقسیم می‌شوند.
نحوه انتخاب مشعل در سیستم آبگرمکن مرکزی
برای تعیین نوع مشعل و میزان سوخت مصرفی ابتدا ظرفیت حرارتی دیگ و نوع سوخت مشعل تعیین گردیده و سپس بر اساس آنها ظرفیت حرارتی مشعل محاسبه و از کاتالوگ شرکت سازنده مدل مناسب انتخاب میشود.
ارزش حرارتی سوخت: مقدار حرارتی که از احتراق کامل یک لیتر (مایع-گاز) یا کیلوگرم سوخت (جامد) بدست می‌آید را ارزش حرارتی سوخت گویند و با حرف A نشان می‌دهند. شرکت‌های سازنده مشعل اطلاعات را به دو روش. ماکزیمم مصرف سوخت و یا ظرفیت حرارتی مشعل ارائه می‌دهند.
انتخاب مشعل بر اساس مصرف سوخت
در این روش ابتدا دبی سوخت محاسبه و سپس با مراجعه به کاتالوگ شرکت سازنده مدل مناسب انتخاب می‌گردد. برای محاسبه دبی سوخت از رابطه زیر استفاده میشود:
در این رابطه Q ظرفیت حرارتی دیگ بر حسب (KW)، A ارزش حرارتی سوخت بر حسب (KJ/Kg)، راندمان مشعل و G دبی سوخت مصرفی بر حسب (Kg/s) و برای گاز طبیعی بر حسب hr/٣(m) است.
انتخاب مشعل بر اساس ظرفیت حرارتی
در صورتی که شرکت سازنده اطلاعات ظرفیت حرارتی مشعل را ارائه نموده باشد از این روش برای انتخاب مدل استفاده میشود:
(3-6)
نکته: ظرفیت حرارتی مشعل‌ها بر مبنای شرایط استاندارد است. این ظرفیت با تغییر ارتفاع (تغییر چگالی هوا)، تغییر می‌نماید. به عنوان یک قاعده سرانگشتی ظرفیت حرارتی مشعل به ازای هر ١٠٠٠ متر ارتفاع ١٣% کاهش می‌یابد.
محاسبه ظرفیت مخزن سوخت روزانه
مقدار سوخت مصرفی در زمان ٢٤ ساعت با در نظر گرفتن ضریب انقطاع
در این رابطه a ضریب انقطاع بوده و معمولاً بین ٥/٠ و ٦/٠ در نظر گرفته میشود. در هر صورت به منظور ایمنی در برابر آتش‌سوزی ظرفیت مخزن سوخت روزانه نباید از ٢٤٠ لیتر بیشتر باشد. این مخزن باید لوله هواکش مستقل و لوله تخلیه با شیر قطع و وصل بدون نشت داشته باشد.
محاسبه ظرفیت مخزن سوخت اصلی
در این رابطه N تعداد روزهای بین دو پر کردن متوالی مخزن است.
منبع انبساط در سیستم حرارت مرکزی
با توجه به افزایش حجم آب داخل سیستم در هنگام افزایش دما، از منبع انبساط استفاده میشود. این منبع در واقع حجم اضافه آب در اثر افزایش دما را ذخیره می‌نماید تا از افزایش فشار جلوگیری نماید. همچنین کاهش حجم آب سیستم در هنگام کاهش دما را جبران می‌نماید. برخی دیگر از مزایای منبع انبساط عبارتند از:
- جبران قدرت اضافی پمپ
- جبران نشتی آب سیستم
- پر کردن سیستم در هنگام آب اندازی
منبع انبساط در دو نوع باز و بسته موجود است.
منبع انبساط باز
این منبع با هوای آزاد در ارتباط بوده و فشار داخل آن برابر با فشار جو است. محل نصب آن بالاتر از همه دستگاههای پخش حرارت ومعمولاً روی بام ساختمان است. این منبع باید در ترازی قرار گیرد که حداقل ١٢٠ سانتیمتر بالاتر از بالاترین سیستم گرمایی باشد. همچنین به منظور کاهش اتلاف حرارت بهتر است در کمترین فاصله افقی از دیگ باشد. لوله آب شهری توسط یک شیر قطع و وصل به شیر شناور متصل می‌گردد. منبع انبساط باز شامل قسمت‌های زیر است:
- لوله رفت
- لوله برگشت
- لوله آب تغذیه
- لوله آب سرریز
- لوله هواکش
اتصال کلیه لوله‌ها به منبع از طریق مهره ماسوره صورت می‌گیرد.
نحوه محاسبه حجم منبع انبساط
برای محاسبه حجم منبع انبساط، ابتدا حجم آب سیستم محاسبه می‌گردد و سپس مقدار افزایش حجم آن در اثر گرم شدن تا دمای کارکرد سیستم محاسبه میشود. حجم کل آب درون سیستم شامل موارد ذیل است:
- آب موجود در دیگ (بر اساس کاتالوگ سازنده)
- آب موجود در جدار بیرونی مخزن آب گرم دوجداره یا کویلی
- آب موجود در شبکه لوله‌کشی
- آب موجود در داخل پایانه‌های حرارتی (بر اساس کاتالوگ سازنده)
محاسبه قطر لوله‌های رفت و برگشت
برای محاسبه قطر لوله‌های رفت و برگشت منبع انبساط باز از روابط زیر استفاده می‌گردد:
ملاحظات منبع انبساط باز
- قطر لوله رفت منبع انبساط بزرگتر از قطر برگشت آن است.
- قطر لوله‌های هواکش و سرریز مخزن انبساط بایستی حداقل برابر با قطر لوله خروجی دیگ به منبع انبساط باشد.
- منبع انبساط باز باید دست‌کم ١٢٠ سانتیمتر بالاتر از بالاترین پایانه حرارتی قرار گیرد.
- حداقل قطر اسمی لوله سرریز ٢٥ میلیمتر (١ اینچ) است.
معایب منبع انبساط باز
- اتلاف انرژی در اثر انتقال حرارت زیاد با محیط
- خطر یخ‌زدگی
- طول زیاد لوله‌کشی
- عدم کارایی برای فشارهای بیش از ٣ بار
- امکان خوردگی در حضور اکسیژن و آب
منبع انبساط بسته
این منبع با هوای آزاد ارتباط نداشته و فشار سیستم را توسط بالشتک هوا تامین می‌نماید. حداکثر فشار به شرایط طرح بستگی دارد و جهت کنترل آن از شیر اطمینان استفاده میشود و حداقل فشار در منبع باید به اندازهای باشد که بالاترین پایانه حرارتی از آب پر شود. این نوع منبع نیازی به نصب در ارتفاع ندارد و می‌توان آن را در موتورخانه و در نزدیکی دیگ نصب نمود.
منبع انبساط بسته داخل موتورخانه روی قسمت مکش پمپ سیرکولاتور نصب میشود تا به مکش پمپ اجازه کار در فشار و یا نزدیک فشار ثابت را بدهد. قرارگیری منبع انبساط روی لوله دهش پمپ مناسب نیست زیرا تغییرات حاصل از مکش پمپ از فشار استاتیک و اولیه می‌کاهد و در صورتی که این کاهش فشار به اندازه کافی زیاد باشد فشار سیستم به نقطه جوش می‌رسد. همچنین در صورت کاهش فشار به زیر فشار اتمسفر هوا از طریق شیرهای هواگیری وارد سیستم میشود.
فشار آزمایش منبع انبساط بسته باید دست کم ٥/١ برابر حداکثر فشار کار سیستم باشد.
محاسبه حجم منبع انبساط
حداقل حجم منبع انبساط توسط رابطه زیر محاسبه می‌گردد:
Vt حداقل گنجایش مخزن (متر مکعب) Vs حجم آب سیستم بدون در نظر گرفتن حجم مخزن انبساط T دمای متوسط سیستم گرمایی در حال کار (سلسیوس) Pa فشار اتمسفر در محل نصب مخزن (کیلوپاسکال مطلق) Pf فشار سیستم در محل نصب مخزن پیش از راه اندازی (کیلوپاسکال مطلق) Po حداکثر فشار کار سیستم در محل نصب مخزن در کارکرد عادی (کیلوپاسکال مطلق)
مزایای منبع انبساط بسته
- امکان افزایش فشار سیستم به بالاتر از فشار اتمسفر و استفاده از آب داغ (بالاتر از ١٠٠ درجه سلسیوس)
- قابلیت نصب در موتورخانه
- امکان استفاده در مناطق سردسیر
- کاهش اتلاف حرارتی
- جلوگیری از تبخیر آب سیستم
- قابلیت استفاده در ساختمانهای بلند مرتبه
کلکتور در سیستم حرارت مرکزی
در هنگام اتصال یک انشعاب به چند انشعاب موازی، به منظور کاهش نوسانات فشار و اغتشاش از کلکتور استفاده میشود. برای محاسبه قطر کلکتور از رابطه زیر استفاده میشود:
( 9-6)
پمپ سیرکولاتور در سیستم گرمایش مرکزی
پمپ‌های سیرکولاتور برای گردش آب در پایانه‌های حرارتی- برودتی ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به اینکه سیستم‌های سرمایش و گرمایش دارای سیکل بسته می‌باشند، لذا وظیفه پمپ سیرکولاتور غلبه بر افت فشارهای طولی و محلی است. بنابراین برای محاسبه هد پمپ افت فشارهای طولی و محلی را برای بحرانی‌ترین مسیر (معمولاً دورترین مسیر) محاسبه می‌کنیم.
که در این رابطه طول مسیر رفت با برگشت آب به دورترین وسیله نسبت به پمپ نیز و هد پمپ بر حسب متر می‌باشند.
نکته: هد پمپ‌های سیرکولاتور مستقل از ارتفاع ساختمان بوده و فقط بسته به طول مسیر لوله‌کشی است.
دبی پمپ سیرکولاتور
محاسبه دبی پمپ سیرکولاتور به بار حرارتی ساختمان وابسته است و باید به اندازهای باشد که مقدار آب گرم مورد نیاز پایانه‌های حرارتی و مخزن آب گرم مصرفی به جریان درآورد. با مشخص بودن بار حرارتی، دبی پمپ سیرکولاتور قابل محاسبه است.
( 11-6)
محل نصب پمپ
در ساختمانهای بزرگ پمپ در مسیر رفت نصب میشود. ولی در ساختمانهای کوچک به منظور افزایش طول عمر و افزایش بازده و کاهش احتمال پدیده کاویتاسیون (با توجه به پایین‌تر بودن دمای آب برگشتی) آن را در مسیر برگشت نصب می‌کنند.
شیرها در سیستم گرمایش مرکزی
شیرها (ولو) وسایلی هستند که برای کنترل مسیر سیال درون لوله و یا مجرا به کار می‌روند.
وظایف اصلی شیرها عبارتند از:
- قطع و وصل کامل جریان
- جلوگیری از بازگشت مایعات و گازهای عبور کرده
- تنظیم عبور مقدار مورد نیاز مایعات و گازها
- تنظیم و کنترل مقدار و فشار مایعات و گازها
- کنترل و ایمن نگه داشتن دستگاه های تحت فشار
انواع شیرها
- شیر کشویی یا دروازهای :(Gate Valves) شیرهای صنعتی / قطع و وصل جریان / افت فشار اندك
- شیر کروی یا بشقابی :(Globe Valve) تنظیم جریان و فشار / افت فشار زیاد
- شیر پروانه‌ای :(Butterfly Valve) افت فشار کم
- شیر توپی :(Ball Valve) استفاده در صنعت گاز
- شیر سوزنی (Needle Valve)
- شیر سماوری (Plug Valve)
- شیر کنترلی :(Control Valve) شیر اطمینان، شیرهای سه‌راهی، کنترل جریان
محاسبه ضریب جریان برای انتخاب شیر در سیستم حرارت مرکزی
در شیرهای کنترلی میزان جریان عبوری از شیر در اختلاف فشار معین را ضریب جریان گویند.
در روابط فوق S.G، نسبت چگالی سیال به چگالی سیال پایه (آب) است.
مشخصه جریان شیرهای کروی
به نسبت بین درصد باز شدن شیر با درصد جریان عبوری مشخصه جریان گفته میشود. شیرهای کنترلی دارای سه نوع مشخصه جریان هستند:
- سریع بازشو :(Quick Opening) شیر سریع بازشو دارای دیسک مسطح است و با باز شدن تقریبی ٢٠ درصد، درصد زیادی بالایی از جریان را از خود عبور می‌دهد. یکی از مهمترین کاربرهای این نوع شیر روی خط آب گرم کویل پیش‌گرمکن است که لازم است حداکثر جریان در زمان کوتاهی به کویل برسد.
- خطی :(Linear) در شیرهای خطی، درصد باز شدن شیر و درصد جریان با هم متناسب است. از این نوع شیرها در سیستم آب سردکننده استفاده میشود.
- درصد مساوی :(Equal Percentage) در شیرهای درصد مساوی به ازای هر باز شدن شیر، جریان با درصد مساوی زیاد می‌شودمثلاً( با هر ١٠ درصد باز شدن شیر، دبی خروجی ٥/١ برابر افزایش می‌یابد). در تاسیسات گرمایی یا آب گرم مصرفی از این نوع شیرها استفاده میشود.
مشخصه جریان شیرهای کروی کنترلی
شیرهای سه‌راهه
شیرهای سه‌راهه ممکن است از نوع مخلوطکننده یا منحرفکننده باشند. شیرهای مخلوطکننده یک نشیمنی بیشتر متداول است. شیر مخلوطکن دو ورودی و یک خروجی دارد. شیرهای منحرفکننده یک ورودی و دو خروجی دارند. واژه « مخلوطکننده» یا «منحرفکننده» نشان دهنده کاربرد شیر نیست بلکه به ساختمان داخلی شیر اشاره دارد. انتخاب یکی از این دو برای یک کاربرد مشخص بستگی دارد که شیر چگونه نصب میشود تا دریچه آن بر ضد جریان بنشیند. هر یک از این شیرها برای کنترل جریان و یا کنترل دما قابل استفاده است.
موقعیت نصب شیر سه راهه نسبت به کویل
در سیستم‌های جریان سیال ثابت، کنترل ظرفیت کویل‌ها با تغییر گذر آب و توسط شیر سه راهه انجام میشود. نوع شیر استفاده شده محل موقعیت نصب نسبت به کویل را تعیین می‌نماید. شیر مخلوطکننده بعد از کویل قرار می‌گیرد و با کنترل دبی عبوری از مسیر کویل و کنارگذر، ظرفیت کویل را کنترل می‌نماید. جریان عبوری از مسیر کویل و کنارگذر در شیر سه‌راهه مخلوط می‌شوند. شیر منحرفکننده قبل از کویل قرار می‌گیرد و با کنترل دبی عبوری از مسیر کویل و کنارگذر، ظرفیت کویل را کنترل می‌نماید.
موتورخانه حرارت مرکزی چیست؟
سخن آخر در مورد سیستم گرمایش و حرارت مرکزی
تا اینجای این مقاله، در مورد حرارت مرکزی مطلبی خواندید و دانستید که منظور از سیستم گرمایش مرکزی چیست و چند نوع دارد. به عنوان جمع بندی باید بگوییم که سیستم حرارت مرکزی یکی از مهمترین وسایل تأمین گرمای مورد نیاز در ساختمان‌ها است. طراحی صحیح یک سیستم حرارت مرکزی علاوه بر کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های انرژی، به بهبود راحتی و سلامت کاربران نیز کمک می‌کند.برای طراحی سیستم گرمایش مرکزی مثل آبگرمکن مرکزی یا موتورخانه مرکزی نیاز است تا با فرمول و ها و روش های محاسباتی اشنا شد و اشراف کامل روی انواع سیستم های حرارت مرکزی به دست آورد.
مطالب مربوط به طراحی تاسیسات مکانیکی، فصل به فصل
فصل دوم: مباحث مربوط به انتقال حرارت
فصل سوم : انواع سیستم تهویه مطبوع
فصل چهارم: بررسی سیستم تهویه تبخیری
فصل پنجم : بررسی سیکل تبرید
فصل ششم: مفاهیم حرارت مرکزی
فصل هفتم :مباحث و محاسبات لوله کشی
فصل نهم : مباحث مربوط به فن و هوارسان
فصل دهم :مباحث مربوط به فشار
اصول طراحی و محاسبات بانک خازنی (بررسی و تحلیل جامع پیوست ۵ مبحث ۱۳)
