Система отопления с естественной циркуляцией воды. Квартирные системы водяного отопления. Система водяного отопления высотных зданий. 2 страница

Распространение стальных радиаторов ограничивается необходимостью применения коррозионностойкой холод­нокатаной листовой стали. При изготовлении из обычной листовой стали срок службы радиаторов сильно сокраща­ется из-за интенсивной внутренней коррозии. Область их применения ограничена системами со специально обрабо­танной (деаэрированной) водой. Их не разрешается также применять в помещениях с агрессивной воздушной сре­дой.

Стальные панельные радиаторы имеют относительно небольшую площадь нагревательной поверхности, из-за чего часто приходится прибегать к установке их в два ряда (на расстоянии 40 мм от одной панели до другой). При этом снижается теплоотдача (примерно на 15%) и затрудняется очистка межпанельного пространства от пыли.

Плоские блоки радиаторов делают также из тяжелого бетона (бетонные отопительные панели), применяя нагре­вательные элементы змеевиковойили реги­стровой формы из металлических и неметал­лических труб. Бетонные панели располагают в наружных ограждающих конструкциях помещений (совмещенные па­нели) или приставляют к ним (приставные панели).

Бетонные панели, особенно совмещенного типа, отве­чают строгим санитарно-гигиеническим, архитектурно-стро­ительным требованиям, отличаются высоким тепловым на­пряжением металла. К недостаткам совмещенных панелей относятся трудность ремонта, большая тепловая инерция, усложняющая регулирование теплоотдачи, увеличение теплопотерь через дополнительно прогреваемые наружные конструкции зданий.

Гладкотрубными называют конвективно-радиационный отопительный прибор, состоящий из нескольких соединен­ных вместе стальных труб, образующих каналы для теп­лоносителя змеевиковой или регистровой формы. В регистре при параллельном соеди­нении горизонтальных труб поток теплоносителя делится с уменьшением скорости его движения. В змеевике трубы соединены последовательно, и скорость движения теплоно­сителя не изменяется по всей длине прибора. Отопительные приборы сваривают из труб D_y=32— 100 мм, располагаемых одна от другой на расстоянии, на 50 мм превышающем их наружный диаметр, для увеличе­ния теплоотдачи излучением.

Гладкотрубные приборы характеризуются высокими значениями коэффициента теплопередачи, их пылесобирающая поверхность невелика и легко очищается от пыли.

Вместе с тем эти толстостенные стальные приборы тя­желы и громоздки, занимают много места, их внешний вид не соответствует современным требованиям, предъявляемым к интерьеру помещений. Их применяют в редких случаях, когда не могут быть использованы отопительные приборы других видов (например, для обогревания световых фона­рей, при значительном выделении пыли в помещении).

Конвектор состоит из двух элементов — трубчато-ребристого нагревателя и кожуха. Кожух декори­рует нагреватель и способствует повышению теплопередачи благодаря увеличению подвижности воздуха у поверхности нагревателя. Конвектор с кожухом передает в помещение конвекцией 90—95% общего теплового потока. Прибор, в котором функции кожуха выполняет оребрение нагревателя, называют конвектором без кожуха.Нагреватель выполняют из стали, чугуна, алюминия и других металлов, кожух — из листовых материалов (стали, асбестоцемента и др.). На рисунке показаны нагреватели со стальными трубами (обычно D_y 20 мм).

Конвекторы обладают сравнительно низкими тепло­техническими показателями, особенно при использовании в двухтрубных системах отопления Конвекторы — приборы малой тепловой инерции.

Ребристой трубой называют конвективный прибор, представляющий собой фланцевую чугунную трубу, наружная поверхность которой покрыта совместно отлитыми тонкими ребрами.

Площадь внешней поверхности ребристой трубы во много раз больше, чем площадь поверхности гладкой трубы таких же диаметра и длины. Это придает отопительному прибору компактность. Кроме того, пониженная темпера­тура поверхности ребер при использовании высокотемпера­турного теплоносителя, сравнительная простота изготов­ления и невысокая стоимость способствуют применению этого малоэффективного в теплотехническом отношении и многометалльного прибора. К не­достаткам ребристых труб относятся также неэстетичный внешний вид, малая механическая прочность ребер и труд­ность очистки от пыли.

Калорифер — компактный прибор значительной пло­щади (от 10 до 140 м2), образованной несколькими рядами оребренных труб. Трубы заключены в кожух с отверстиями для входа и выхода нагреваемого воздуха. В отличие от других отопительных приборов калорифер предназначен в первую очередь для теплопередачи при вынужденной конвекции воздуха, создаваемой вентилятором

Выбор и размещение отопительных приборов

При выборе вида и типа отопительного прибора учиты­вают ряд факторов: назначение, архитектурно-технологи­ческую планировку и особенности теплового режима поме­щения, место и продолжительность пребывания людей, вид системы отопления, технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели прибора. Прежде всего, исходят из основной области применения, а также из соответствия санитарно-гигиенических показателей предъ­являемым требованиям.

В отдельных случаях отопительный прибор выбирается на основании специального технико-экономического сопо­ставления нескольких видов; иногда выбор обусловлен наличием прибора определенного типа.

При повышенных санитарно-гигиенических, а также противопожарных и противовзрывных требованиях, предъя­вляемых к помещению, выбирают приборы с гладкой по­верхностью. Как уже известно, это радиаторы и гладкотрубные приборы. Бетонные панельные радиаторы в этом случае, особенно совмещенные со строительными конструк­циями, наилучшим образом способствуют содержанию помещения в чистоте. Стальные панельные радиаторы и гладкотрубные приборы могут быть рекомендованы при менее строгом отношении к гигиене и внешнему виду поме­щения. Чугунные радиаторы допускаются лишь с секциями простой формы (например, типа МС — с гладкими ко­лонками).

При обычных санитарно-гигиенических требованиях, предъявляемых к помещению, можно использовать при­боры с гладкой и ребристой поверхностью. В гражданских зданиях чаще применяют радиаторы и конвекторы, в про­изводственных — радиаторы и ребристые трубы (несколько труб друг над другом) как более компактные приборы, обеспечивающие повышенную теплоотдачу на единицу их длины.

В помещениях, предназначенных для кратковременного пребывания людей (менее 2 ч), можно использовать приборы любого типа, отдавая предпочтение приборам с высокими технико-экономическими показателями.

Благоприятным с точки зрения создания теплового комфорта для людей является обогревание помещения через пол. Теплый пол, равномерно нагретый до темпера­туры, допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям (например, в жилой комнате до 26 °С), обеспечивает ровную температуру и слабую циркуляцию воздуха, устраняет перегревание верхней зоны в помещении.

Размещение вертикального отопительного прибора в помещении возможно как у наружной, так и у внутренней стены. На первый взгляд целесообразна установ­ка прибора у внутренней стены помещения — сокращается длина труб, подающих и отводящих теплоноси­тель от прибора (требуется один стояк на два прибора). Кроме того, увеличивается теплопередача такого прибора-радиатора в помещение (примерно на 7% в равных темпе­ратурных условиях) вследствие интенсификации внешнего теплообмена и устранения дополнительной теплопотери через наружную стену. Все же подобное размещение при­бора допустимо лишь в южных районах с короткой и теп­лой зимой, так как оно сопровождается неблагоприятным для здоровья людей движением воздуха с пониженной тем­пературой у пола помещений.

В средней полосе и северных районах целесообразно устанавливать отопительный прибор вдоль наружной стены помещения и особенно под окном.При таком размещении прибора возрастает температура внутренней поверхности в нижней части наружной стены и окна, что повышает тепловой комфорт помещения, уменьшая радиа­ционное охлаждение людей. Поток теплого воздуха при расположении прибора под окном препятствует образова­нию ниспадающего потока холодного воздуха, если нет подоконника, перекрывающего прибори дви­жению воздуха с пониженной температурой у пола помеще­ния. Длина прибора для этого должна быть не менее трех четвертей ширины оконного проема.

Вертикальный отопительный прибор следует размещать, возможно ближе к полу помещения (но не ближе 60 мм от пола для удобства очистки подприборного пространства от пыли).

При значительном подъеме прибора над полом в поме­щении создается охлажденная зона, так как циркуляцион­ные потоки нагреваемого воздуха, замыкаясь на уровне установки прибора, не захватывают и не прогревают в этом случае нижнюю часть помещения.

Чем ниже и длиннее сам по себе отопительный прибор, тем ровнее температура помещения и лучше прогревается его рабочая зона. Примером такого отопительного прибора, улучшающего тепловой режим рабочей зоны помещения, может служить низкий конвектор без кожуха, который из-за малой теплоотдачи на единицу длины размещается фактически по всей длине наружной стены.

Высокий и относительно короткий отопительный при­бор вызывает активный подъем струи теплого воздуха, что приводит к перегреванию верхней зоны помещения и опусканию охлажденного воздуха по обеим сторонам та­кого прибора в рабочую зону.

Способность вертикального отопительного прибора вы­зывать активный восходящий поток теплого воздуха можно использовать для отопления помещений увеличенной вы­соты. Обычно в помещении высотой более 6 м, особенно со световыми проемами наверху, часть отопительных приборов (от 1/4 до 1/3 общей площади) размещают в верхней зоне. Однако при использовании высоких отопительных прибо­ров, например, конвекторов типа КВ-20 или рециркуляционных воздухонагревателей, иногда достаточ­на установка их только в рабочей зоне помещения.

Правило установки отопительного прибора под окном может не соблюдаться в помещении, периодически посе­щаемом людьми на короткое время, или если рабочие места людей в нем удалены от наружного ограждения. Это откло­нение от правила может допускаться, например, в произ­водственном помещении с широким (более 2 м) проходом у окон, в вестибюле и лестничной клетке гражданского зда­ния, складе и тому подобных помещениях. Указанное правило вообще теряет смысл при дежурном отоплении поме­щения в отсутствии людей.

Особое размещение отопительных приборов требуется в лестничных клетках — вертикальных шахтах снизу до­верху здания. Естественное движение воздуха в лестничных клетках в зимний период, усиливающееся с увеличением высоты, способствует теплопереносу в верхнюю их часть и вместе с тем вызывает переохлаждение нижней части, приле­гающей к открывающимся наружным дверям. Частота от­крывания наружных дверей и, следовательно, охлаждение прилегающей части лестницы косвенно связаны с размера­ми здания, и в многоэтажном здании в большинстве случаев выше, чем в малоэтажном. Очевидно, при равномерном раз­мещении отопительных приборов по высоте будет происхо­дить перегревание средней и верхней частей лестничной клетки и переохлаждение нижней части. Таким образом, в лестничных клетках целесообразно располагать отопительные приборы в нижней их части, рядом с входными дверями.

Установка отопительного прибора во входном тамбуре с наружной дверью нежелательна во избежание замерзания воды в нем или в отводной трубе в том случае, если наруж­ная дверь длительное время остается открытой.

Все отопительные приборы располагают так, чтобы были обеспечены их осмотр, очистка и ремонт. Вместе с тем вертикальные металлические приборы редко устанавли­вают открыто у глухой стены (положение, принятое при лабораторных испытаниях образцов новых приборов). Их размещают под подоконниками, в стенных нишах, специаль­но ограждают или декорируют. Если по технологическим, противопожарным или эстетическим требованиям огражде­ние или декорирование прибора необходимо, то теплоотдача укрытых приборов по возможности не должна уменьшаться (или уменьшаться не более чем на 10%). Поэтому конст­рукция укрытия прибора, вызывающая сокращение теплоот­дачи излучением, должна способствовать увеличению кон­вективной теплоотдачи.

Лекция 4

Основные принципы теплотехнического расчета отопительных приборов.

После выбора вида нагревательных приборов, определения мест их установки и способа присоединения к трубопроводам системы отопления выполняют теплотехнический расчет отопительных приборов.

Теплотехнический расчет приборов заключается в определении площади внешней нагревательной поверхности каждого прибора, обеспечивающий необходимый тепловой поток от теплоносителя в помещение.

Для поддержания в отапливаемом помещении нужной температуры надо, чтобы количество тепла, отдаваемого нагревательными приборами, равнялось теплопотерям помещения.

Т.е. тепловая мощность прибора (его расчетная теплоотдача) определяется теплопотребностью помещения за вычетом теплоотдачи теплопроводов, проложенных в этом помещении.

где, - теплопотребность помещения, т.е. теплопотери, Вт;

- поправочный коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи трубопроводы полезную для поддержания заданной температуры воздуха в
помещении;

- при открытой прокладке трубопровода =0,9

- при скрытой прокладке трубопровода = 0,5

- теплоотдача трубопроводов, Вт

определяют по формуле:

где, - теплоотдача 1 м горизонтально и вертикально проложенных труб, Вт/м;

- длина вертикальных и горизонтальных трубопроводов, проложенных в пределах помещения, м.

Теплоотдача (тепловая мощность прибора) пропорциональна его площади нагревательной поверхности, т.е.

Отсюда, площадь нагревательной поверхности прибора, м²

где, - поверхностная плотность теплового потока прибора, Вт/м².

Для теплоносителя пар:

Для теплоносителя вода:

где, - коэффициент теплопередачи прибора, зависит от вида теплоносителя и разности температур
определяется экспериментальным путем и для
каждого вида прибора имеет свое значение.

- температурный напор, 0С

- коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи в зависимости от принятого способа установки прибора (у стены в нише, , под подоконником , у стены с экраном и т.д.)

- коэффициент, учитывающий снижение температуры воды относительно расчетного значения вследствие остывания в трубопроводах.

Поверхность нагрева прибора удобнее вычислять в ЭКМ по формуле:

для водяной системы

, экм

где, - теплоотдача 1 экм прибора, принимается по таблице, в зависимости от , Вт/экм

или рассчитывается по формуле:

Вт/экм

для паровых систем

экм

, напр. коэффициент

- коэффициент, зависящий от схемы подачи воды в приборы.

Температурный напор рассчитывается:

в двух трубных системах отопления:

т.к. температурный перепад в каждом приборе в двухтрубных системах отопления одинаков и равен:

где, - температура воздуха в помещении

- температура на входе в прибор

- температура на выходе из прибора

в однотрубных системах отопления:

ведется расчет при const перепаде в стояках и при варианте, когда учитываются теплопотери трубопровода по длине.

⁰С

где, - коэффициент затекания.

и определяется по формуле:

где, - суммарная теплоотдача нагревательных приборов до расч.

- количество воды, проходящее через стояк.

; и т.д.

Количество секций в приборе рассчитывается:

, шт.

, кг/г

где, - тепловая нагрузка стояка.

Коэффициент теплопередачи отопительного прибора.

Передача тепла от теплоносителя — воды или пара — в помещение происходит через стенку отопительного прибора. Интенсивность теплового потока характеризуется коэффициентом теплопередач. Величина коэффициента теплопередачи выражается плотностью теплового потока на внешней поверхности стенки, отнесенного к разности температуры теплоносителя и воздуха, разделенных стенкой. Термин «плотность» в данном случае применен к количеству тепла, переносимого в единицу времени через единицу площади внешней поверхности отопительного прибора.

Коэффициент теплопередачи отопительного прибора численно равен величине, обратной общему сопротивлению Rпp тепловому потоку от теплоносителя через стенку прибора в помещение

Процесс переноса тепла от теплоносителя в помещение осуществляется: от теплоносителя к стенке прибора — конвекцией и теплопроводностью, через стенку — только теплопроводностью, а от стенки в помещение — конвекцией, радиацией и теплопроводностью. В сложном случае передачи тепла основным явлением, как будет выяснено ниже, преимущественно является конвекция.

Известно также, что коэффициент конвективного теплопереноса в слое воздуха значительно меньше такового в слое воды или пара и поэтому сопротивление внешнему теплообмену у стенки отопительного прибора сравнительно велико. Следовательно, для увеличения теплового потока необходимо развивать площадь внешней поверхности отопительного прибора. В отопительных приборах это выполняется путем создания специальных выступов, приливов и оребрения.

Рассмотрим слагаемые выражения применительно к отопительному прибору с несколько развитой площадью внешней поверхности Fnp по сравнению с площадью внутренней поверхности Fв.

Сопротивление теплообмену у внутренней поверхности, отнесенное к площади внешней поверхности прибора.

Коэффициент теплообмена у внутренней поверхности прибора αв изменяется в широких пределах в зависимости от вида теплоносителя: наибольших значений он достигает при паре; при воде его величина порядка сотен и десятков Вт/(м2-К) определяется в основном скоростью движения и температурой воды.

В емких чугунных и стальных радиаторах передача тепла через пограничный слой часто происходит при незначительной скорости движения воды — около 0,001 м/с.

Коэффициент теплообмена в пограничном слое воды у внутренней поверхности стенки радиатора при этом определяется по уравнению подобия

За определяющую температуру здесь принята средняя температура воды, а за определяющий размер — эквивалентный диаметр. Теплообмен зависит не только от режима течения, который определяется числом Re, и физических свойств воды, характеризуемых числом Рr, но и от естественной конвекции воды (число Gr) и направления теплового потока.

В прямых гладких трубах конвекторов и панелей теплообмен у внутренней поверхности стенки определяется, прежде всего, режимом движения воды.

При движении воды в изогнутых трубах (отводах, змеевиках) возникающий центробежный эффект вызывает так называемую вторичную циркуляцию, и вследствие этого перенос тепла усиливается. Поэтому, значение коэффициента внутреннего теплообмена в изогнутых трубах выше, чем в прямых.

В бетонных отопительных панелях сопротивление теплопроводности слоя бетона заметно отражается на общем сопротивлении теплопередаче прибора. Это сопротивление зависит от диаметра труб d, расстояния между ними — шага труб s, глубины заложения труб h, теплопроводности массива бетона λм, а также различно для панелей с односторонней и двухсторонней теплоотдачей.

У бетонных отопительных панелей неравномерность температурного поля, зависящая от шага греющих труб в массиве панели, влияет на интенсивность конвективного теплообмена на поверхности панели. В частности, для вертикальной греющей панели, по данным исследований, проведенных в ЛИСИ, процесс внешнего конвективного теплообмена может характеризоваться тем же уравнением с введением поправочного коэффициента.

За определяющую температуру здесь принята начальная температура воздуха tв, а за определяющий размер — длина стенки отопительного прибора по направлению потока воздуха или эквивалентный диаметр трубы.

Теплоперенос излучением зависит от материала и формы приборов, размеров, температуры и взаимного расположения отопительных приборов и поверхности ограждений помещения.

Внешняя поверхность некоторых металлических отопительных приборов — конвекторов, ребристых труб, калориферов — имеет специальное стальное или чугунное оребрение прямоугольными или круглыми пластинами. В сложном процессе теплообмена у их наружной поверхности участвуют пластины-ребра и гладкие трубы.

Для отопительных приборов с сильно оребренной поверхностью доля передачи тепла излучением со всей площади внешней поверхности, попадающая в помещение, составляет всего 5—10% общего теплового потока. Поэтому в уравнении главным является конвективный теплообмен.

Существенное влияние на интенсивность конвективного теплообмена у поверхности вертикального ребра отопительного прибора оказывает взаимное направление теплового и воздушного потоков. При нагревании, например, верхнего торца ребра теплообмен конвекцией по вышеупомянутым исследованиям, проведенным в ЛИСИ, протекает на 30% активнее, чем при нагревании нижнего торца, и на 25% интенсивнее, чем при нагревании боковой кромки ребра. Это явление объясняется различием значений температурного напора по высоте ребра.

Подобное же явление отмечается в теплопередаче радиаторов при различных схемах движения воды в них. Однако влияние направления распространения теплового и воздушного потоков сглаживается по мере выравнивания температурного поля на поверхности отопительных приборов, а сам процесс конвективного теплообмена интенсифицируется.

Расчеты для оребренных отопительных приборов показывают, что у чугунных прямоугольных ребристых труб сопротивление теплопроводности самих ребер толщиной 3—5 мм можно не учитывать.

Исследования процесса теплопередачи в водяных конвекторах с кожухом позволили установить, что практически коэффициент теплообмена у их внешней поверхности в условиях естественного движения воздуха может считаться близким к αн=7 Вт/(м2-К) [6 ккал/(ч-м2-°С)].

Доля лучистого теплопереноса у конвекторов с кожухом наименьшая.

На основании изложенного следует повторить в более общем виде вывод, сделанный ранее, о преобладающем влиянии интенсивности теплообмена у внешней поверхности отопительных приборов на величину теплового потока от теплоносителя в помещение и об определяющем значении внешней конвекции в этом процессе для гладких и особенно для оребренных вертикальных приборов.

Коэффициент теплопередачи каждого нового отопительного прибора, помимо предварительного аналитического исследования по приведенным выше зависимостям процессов внутреннего и внешнего теплопереноса теплопроводности, выявляется опытным путем. Экспериментальный путь определения коэффициента теплопередачи выбирается в связи с наличием многих факторов, влияющих на величину коэффициента прямо или косвенно и затрудняющих точное его определение расчетным путем. При экспериментах в большинстве случаев не проводится разделения теплового потока на части, выражающие передачу тепла конвекцией и радиацией.

Основные факторы, определяющие величину коэффициента теплопередачи отопительного прибора, — это конструктивные особенности прибора и условия его эксплуатации.

Конструктивные особенности отопительных приборов, влияющие на внешние условия теплопередачи от теплоносителя в помещение.

Для гладкотрубных приборов коэффициент теплопередачи при уменьшается при увеличении диаметра и числа параллельных труб. Это объясняется уменьшением интенсивности конвективного теплообмена на поверхности верхней части прибора, омываемой воздухом, подогревшимся внизу, и взаимным экранированием поверхностей труб, расположенных близко друг к другу, вследствие чего в помещение попадает только часть излучения.

Уменьшение коэффициента теплопередачи ребристых труб по сравнению с гладкостенными приборами объясняется падением температуры по длине ребра и взаимным экранированием поверхностей смежных ребер, обращенных друг к другу. Коэффициент теплопередачи уменьшается также с увеличением числа ребристых труб, помещенных одна над другой (как и для гладких труб).

У секционных отопительных приборов — радиаторов по тем же причинам на величину Кпр влияют форма и число колонок в секции, расстояние между смежными секциями, глубина и высота секции (чем ниже секция, тем выше Кпр), число секций, но, в общем, значение коэффициента теплопередачи радиаторов всегда выше, чем ребристых труб и конвекторов.

Для конвекторов, кроме отмеченного выше, можно констатировать возрастание интенсивности теплообмена у их внешней поверхности с увеличением высоты ребер до определенного предела (около 130 мм при толщине ребер 1 мм), увеличение Кпр при увеличении высоты кожуха, а также наличие определенных расстояния между ребрами (около 6 мм при ребрах 50X100 мм) и толщины ребер для получения наивысшего значения Кпр.

Коэффициент теплопередачи бетонных отопительных панелей зависит от диаметра и глубины заложения греющих труб в массив бетона, расстояния между смежными трубами, положения (горизонтального или вертикального) панелей и высоты вертикальных и размеров горизонтальных панелей. Увеличению Кпр способствуют уменьшение глубины заделки и расстояния между трубами, уменьшение высоты панелей, а так же увеличение диаметра труб.

Дата добавления: 2014-12-16