Расчет площади нагревательной поверхности приборов

Площадь теплоотдающей поверхности отопительного прибора определяется в зависимости от принятого вида прибора, его расположения в помещении и способа присоединения к нему труб. Задача расчета обычно заключается в выборе площади внешней нагревательной поверхности прибора, обеспечивающей в расчетных условиях необходимый тепловой поток от теплоносителя в помещение.

Расчет площади нагревательной поверхности приборов

Расчет площади нагревательной поверхности приборов производится после гидравлического расчета теплопроводов системы отопления, когда известна площадь нагревательной поверхности труб в помещениях. В частном случае, при скрытой прокладке труб в помещениях (в борозде стены, в подпольном канале) размер нагревательной поверхности отопительных приборов может определяться до гидравлического расчета теплопроводов. Правда, и в этом случае степень охлаждения теплоносителя воды в трубах до помещения не может быть установлена точно, так как еще неизвестна площадь внешней поверхности труб.

Площадь нагревательной поверхности отопительного прибора Fпр, м2, определяется по формуле:

Fпр=(Qпр/(kпр*(tт-tв)))*β1.

где Qпр - тепловая нагрузка прибора в расчетных условиях;

β1 - поправочный коэффициент, учитывающий бесполезное охлаждение воды в трубах стояка до рассматриваемого прибора. Коэффициент β1 возрастает по мере увеличения длины пути, проходимого водой в стояке, т. е. β1≥1 (при теплоносителе паре β1=1).

Бесполезным считается охлаждение воды в трубах стояка за счет передачи той части теплового потока, которая равняется дополнительной теплопотере через наружное ограждение в связи с прокладкой около или внутри него отопительных труб.

При скрытой прокладке труб по отношению к помещению тепловой поток от них в значительной части и даже весь может быть бесполезным. Охлаждение воды при этом сказывается на ее температуре и должно быть учтено при определении площади нагревательной поверхности прибора для отапливаемого помещения.

Преимуществом формулы является ее соответствие физической сущности расчета - выявлению необходимой площади внешней нагревательной поверхности. Однако так как в большинстве случаев нагревательной поверхностью в помещении служат и прибор и открытые трубы с различным коэффициентом теплопередачи, то даже при одинаковом температурном напоре (tт-tв) это обстоятельство затрудняет непосредственное использование формулы. Требуется предварительно определить тепловой поток от отопительных труб в пределах помещения Qтp и вычислить тепловую нагрузку отопительного прибора:

Для вычисления Qтp необходимо знать среднюю температуру теплоносителя в трубах, что дополнительно усложняет расчет.

Расчет общей площади нагревательной поверхности для отопления помещения можно унифицировать, используя известное уже понятие об эквивалентной нагревательной поверхности.

Общая площадь нагревательной поверхности (отопительных приборов и труб) Fэ, м2 знп (экм), для отопления помещения определяется при этом по формуле:

Fэ=(Qп/qэ)*β1;

При таких отопительных приборах, как колончатые радиаторы и стальные панели, формула приобретает вид:

Fэ=(Qп/q1)*(β1/α);

В формуле в явной форме через коэффициент а, зависящий от относительного расхода, выражается влияние расхода воды на плотность теплового потока.

Преобразуем выражение для практического определения относительного расхода воды в радиаторах и колончатых панелях:

G=Gпр/(17,4*Fр)≈(Gпр*q1)/(17,4*Fр)=(3,6*q1)/(17,4*с*(tвх-tвых));

или

G=(3,6*q1)/(17,4*с*Δtпр);

где q1 - плотность теплового потока при G=1, Вт/м2 энп [ккал/(ч экм)];

с - массовая теплоемкость воды, кДж/(кг К) [ккал/(кг ˚C)];

Δtпр=tвх-tвых - расчетный перепад температуры воды в приборе;

Gпр - массовый расход воды в приборе, кг/ч;

Fp - расчетная площадь нагревательной поверхности, м2 энп (экм).

Для выявления возможных значений относительного расхода воды в колончатых радиаторах и панелях рассмотрим два примера.

Пример 1: В двухтрубной системе отопления расчетная температура воды составляет tr=150°С, t0=70°C, а температура воздуха помещений tв=20°С. Определить относительный расход воды в радиаторах при схеме сверху - вниз.

1. По выражениям вверху:

Δt=tт-tв=((150+70)/2)-20=90°;

2. При G=1 находим q1=790 Вт/экм определяем:

G=(3,6*q1)/(17,4*с* Δtпр)=(3,6*790)/(17,4*4,187*(150-70))≈0,5<1;

Пример 2: В проточной вертикальной однотрубной системе отопления 17-этажного здания расчетная температура воды. tг=105°C, t0=70°С. Определить относительный расход воды в первом (по направлению движения воды в стояке) радиаторе при tв=15°C.

Считая, что в каждом радиаторе вода охладится примерно на (105-70)/17≈2, найдем для первого прибора:

Δt=tт-tв=(105-1)-15=89°.

При q1=2,08*891,32=778 Вт/экм определяем:

G=(778*3,6)/(17,4*4,187*2)=19,2>1.

Как видно, относительный расход воды в колончатых радиаторах и панелях может быть меньше единицы, что характерно для двухтрубных систем при использовании высокотемпературной воды, и значительно больше единицы в однотрубных системах отопления многоэтажных зданий.

Относительный расход воды в ребристых трубах и конвекторах без кожуха типа КП и «Прогресс» определяют из выражения выше:

G=Gпр/35;

где 35 кг/ч - испытательный расход воды.

Змеевиковые панели и конвекторы типа «Комфорт» и «Аккорд» испытывают при расходе воды 300 кг/ч.

G=Gпр/300;

Следовательно, относительный расход воды в приборах может быть и меньше и больше единицы.

Изменение расхода воды отражается на площади нагревательной поверхности прибора. При равной разности температур tт-tв для получения равного теплового потока прибор в однотрубной системе отопления будет иметь меньшую площадь нагревательной поверхности, чем прибор в двухтрубной системе.

После определения общей площади нагревательной поверхности вычисляют расчетную площадь нагревательной поверхности отопительного прибора Fp:

а) при скрыто проложенных трубах Fр=Fэ;

б) при открыто проложенных трубах Fp=Fэ-Fэтp.

Площадь нагревательной поверхности отопительных труб Fэтp, открыто проложенных в помещении, вычисляют по формуле:

Fэтp=fэ.в*lв+fэ.г*lг.

где lв и lр - длина вертикальных и горизонтальных труб, м;

lэ.в и lэ.г - площадь нагревательной поверхности, м2 энп (экм), выражающая полезную теплопередачу в помещение 1 м соответственно вертикальных и горизонтальных труб.

Горизонтальные трубы имеют более высокий коэффициент теплопередачи, чем вертикальные, из-за более интенсивного конвективного теплообмена у их поверхности Воздух, нагревающийся у поверхности горизонтальной трубы, удаляется от этой трубы, а у вертикальных труб поднимается вдоль них, вследствие чего уменьшается температурный напор, а следовательно, и тепловой поток от теплоносителя в помещение.

Различие в физической и эквивалентной площади нагревательной поверхности вертикальных и горизонтальных труб приведено в таблице.

Площадь внешней поверхности 1 м вертикальных и горизонтальных труб стояков

dy, ммfтр, м2fэк, м2 энпfэг, м2 энп
150,0670,10,13
200,0840,1250,16
250,1050,1250,19

Число элементов отопительных приборов, подлежащих установке в помещении, определяют по найденной расчетной площади нагревательной поверхности приборов:

а) для радиаторов число секций составляет:

N=(Fр*fэ)(β23);

где fэ - площадь нагревательной поверхности одной секции радиатора, м2 энп;

β2 - поправочный коэффициент, учитывающий способ установки радиатора; при стандартной его установке β2=1;

β3 - поправочный коэффициент, учитывающий число секций в радиаторе.

Как уже отмечалось, для теплотехнических испытаний использовали эталонный радиатор H-136 с числом секций в нем, равным восьми. Поэтому полученные зависимости справедливы только для радиатора, имеющего определенные размеры. При числе секций меньше восьми передача тепла прибором относительно повышается под влиянием увеличения теплового потока крайних секций, торцы которых свободны для теплообмена излучением с помещением, и его размеры могут быть несколько уменьшены. При числе секций более восьми влияние крайних секций на тепловой поток прибора уменьшается и размеры прибора должны быть несколько увеличены. Следовательно, коэффициент β3 может быть и больше и меньше единицы.

При расчете удобно пользоваться формулой для вычисления коэффициента β3 без предварительного определения числа секций:

β3=0,92+0,16/Fр;

Следует иметь в виду, что при использовании формулы несколько (относительно незначительно) увеличивается число секций в связи с увеличением площади поверхности одной секции современных радиаторов по сравнению с эталонным.

Для эталонного радиатора H-136 характерны следующие значения коэффициента β3:

N345678910-1112-1415-1819-25
β31,131,081,051,031,0110,990,980,970,960,95

Расчетное число секций по формуле редко получается целым. Если уменьшение площади нагревательной поверхности прибора принять в пределах до 5% (но не более 0,1 экм) с тем, чтобы ограничить отклонение от расчетной температуры в помещении (обычно допустимо понижение на 1° в гражданских и на 2° в производственных зданиях), то минимально допустимое число секций может быть определено:

Nм=(Fр2-0,05*N*fэ3)/(fэ3);

Подставляя в полученную формулу выражение для коэффициента β3, получим формулу для определения минимально допустимого числа секций радиатора:

Nм=(Fр2-0,168)/(0,966*fэ);

При вычислении принимается ближайшее большее число секций;

б) число панелей и конвекторов с кожухом, устанавливаемых обычно открыто:

N=Fр/fэ

где fэ - площадь нагревательной поверхности одной панели или конвектора, м2 энп;

в) число низких конвекторов без кожуха и ребристых труб:

N=(Fр/fэ)*β2;

где fэ - площадь нагревательной поверхности одного конвектора или одной ребристой трубы принятой длины, м2 энп;

β2- поправочный коэффициент, учитывающий число рядов по высоте (при открытой установке в один ряд β2=1);

г) для гладкотрубных приборов длина греющих труб, м:

l=(Fр/fэ.г)*β2;

где fэ.г - площадь нагревательной поверхности 1 м открытой горизонтальной трубы, м2 энп;

β2 - поправочный коэффициент, учитывающий число рядов груб (при открытой установке в один ряд β2=1).

При округлении дробного расчетного числа элементов отопительных приборов до целого числа допустимо уменьшать расчетную площадь нагревательной поверхности Fp не более чем на 5% (и не более чем на 0,1 экм); при этом имеется в виду ограничение возможного понижения расчетной температуры воздуха в помещении. Таким образом, фактическая площадь нагревательной поверхности отопительного прибора Fпp всегда несколько отличается от расчетной, но не должна быть меньше 0,95 Fp.

Пример 3. Определить число секций чугунного радиатора типа M-140-АО, устанавливаемого в нише глубиной 200 мм (расстояние от прибора до верха ниши 40 мм) на третьем этаже 5-этажного здания при скрытой прокладке труб двухтрубной системы водяного отопления с нижней прокладкой магистралей и насосной циркуляцией воды, если tг=95°, t0=70°C, tв=15°C, теплопотеря помещения Qп=1630 Вт (1400 ккал/ч).

1. Площадь нагревательной поверхности, необходимой для помещения, по формуле составит.

Fэ=(1630/534)*(1,03/1)=3,14 м2 энп (экм).

Здесь q1 определяется по формуле:

q1=2,08*[0,5*(95+70)-15]1,32=2,08*67,51,32=534 Вт/экм [459 ккал/(ч экм)];

α - поправочный коэффициент, равный единице, так как относительный расход воды в приборе по формуле:

G=(534*3,6)/(17,4*4,187*(95-70))=1,05≈1.

2. Расчетная площадь нагревательной поверхности радиатора:

Fр=Fэ=3,14 экм.

3. Минимально допустимое число секций радиатора:

Nм=(3,14*1,11-0,168)/(0,966*0,35)=9,8.

Принимаем к установке десять секций радиатора.

Пример 4. Определить число секций двух открыто устанавливаемых радиаторов типа M-140-АО на первом этаже (высота помещения 3 м) многоэтажного здания при одностороннем присоединении их к открыто прокладываемому П-образному однотрубному проточно-регулируемому стояку dv=20 мм системы водяного отопления с нижней прокладкой обеих магистралей, если массовый расход воды в стояке Gст=286 кг/ч, температура воды, входящей в первый прибор, 95° (по схеме снизу-вверх), во второй прибор - 74,6° (по схеме сверху - вниз), tв=18°С, теплопотеря помещения Qп=2230 Вт (1920 ккал/ч).

1 Средняя температура воды, если тепловые нагрузки приборов принять равными половине теплопотери помещения:

в первом приборе

tт=95-((0,5*2230*3,6)/(2*4,187*286))=95-0,5*3,4=93,3˚С;

во втором приборе

tт=74,6-0,5*3,4 =72,9˚С.

2. Плотность теплового потока при относительном расходе воды G=1: для первого прибора при Δt=tт-tв=93,3-18=75,3° q1=2,3*Δt1,24=2,3*75,31,24=488 Вт/экм [420 ккал/(ч экм)] - схема движения воды снизу - вверх; для второго прибора при Δt=72,9-18=54,9° q1=2,08*54,91,32=417 Вт/зкм [358 ккал/(ч экм)] - схема движения сверху - вниз.

3. Относительный расход воды:

в первом приборе

G=(488*3,6)/(17,4*4,187*3,4)≈7;

во втором приборе

G=(417*3,6)/(17,4*4,187*3,4)≈6.

4. Необходимая площадь нагревательной поверхности:

для первого прибора

Fэ=((0,5*2230)/488)*(1/1,17)=1,95.

для второго прибора

Fэ=((0,5*2230)/417)*(1,1/1,06)=2,78 м2 энп (экм).

5. Площадь нагревательной поверхности труб dy=20 мм - стояка (длина 3-0,5=2,5 м) и подводок к одному прибору (длина подводки 0,3 м) по формуле и таблице:

Fэ.тр=0,125*2,5+0,16*0,3*2=0,41 экм.

6. Расчетная площадь нагревательной поверхности:

первого прибора

Fр=Fэ-Fэ.тр=1,95-0,41=1,54 экм;

второго прибора

Fр=2,78-0,41=2,37 экм.

7. Минимально допустимое число секций:

в первом приборе

Nм=((1,54*1)-0,168)/(0,966*0,35)=4,1;

во втором приборе

Nм=((2,37*1)-0,168)/(0,966*0,35)=6,5.

8. Число секций, принятое к установке: для первого радиатора - пять, для второго радиатора - семь.

В рассмотренном примере выявляется значение температурного напора при определении размера отопительного прибора - первый радиатор для передачи равного теплового потока в помещение состоит всего из пяти секций, хотя заданная схема движения воды в нем (снизу - вверх) не способствует повышению коэффициента теплопередачи, второй же радиатор даже при схеме сверху - вниз имеет на две секции больше.

Пример 5. Определить площадь нагревательной поверхности и марку двух открыто устанавливаемых колончатых стальных панелей типа МЗ-500 для отопления двух помещений на первом этаже (высота помещений 2,7 м) 3-этажного здания при одностороннем присоединении их к открыто прокладываемому однотрубному стояку dv=20 мм системы водяного отопления с верхней прокладкой подающей магистрали. Стояк размещен в первом помещении, длина подводки к первому проточному прибору 1 м; подводка ко второму прибору длиной также 1 м имеет замыкающий участок dy=15 мм. Температура воды в стояке до приборов 71,8°С, расход воды в приборе первого помещения 110 кг/ч, второго помещения - 70 кг/ч; теплопотери помещений при fв=20°C: первого - 930 Вт (800 ккал/ч), второго - 814 Вт (700 ккал/ч).

1. Средняя температура воды в приборах:

в первом приборе

tт=tвх-((3,6*Qп)/(2*с*Gпр))=71,8-((930*3,6)/2*4,187*110))=71,8-0,5*7,2=68,2˚С.

во втором приборе

tт=71,8-((814*3,6)/(2*4,187*70))=71,8-0,5*10=66,8˚С.

2. Плотность теплового потока при G=1:

для первого прибора

q1=2,08*Δt1,32=2,08*(68,2-20)1,32=354 Вт/экм [304ккал/(ч экм)];

для второго прибора

q1=2,08*(66,8-20)1,32=342 Вт/экм [294ккал/(ч экм)].

3. Относительный расход воды:

в первом приборе

G=((3,6*q1)/(17,4*с*Δtпр))=((354*3,6)/(17,4*4,187*7,2))=2,5;

во втором приборе

G=((342*3,6)/(17,4*4,187*10))=1,7.

4. Необходимая площадь нагревательной поверхности:

для первого помещения

Fэ=(Qп/q1)*(β1/α)=(930/354)*(1,04/1,025)=2,67;

для второго помещения

Fэ=(814/342)*(1,04/1,015)=2,43 м2 энп (экм).

5. Площадь нагревательной поверхности труб:

в первом помещении

Fэ.тр=0,125*(2,7-0,5)+0,16*1*2=0,595 экм;

во втором помещении

Fэ.тр=0,1*0,5 +0,16*1*2=0,37 экм.

6. Расчетная площадь нагревательной поверхности:

первого прибора

Fp=Fэ-Fэ.тp=2,67-0,595=2,075 экм;

принимаем к установке панель МЗ-500-4 (fэ=2,08 экм);

второго прибора

Fp=2,43-0,37=2,06 экм; панель МЗ-500-4 (fэ=2,08 экм).

Пример 6. Сконструировать конвекторный блок из низких плинтусных конвекторов без кожуха типа 20 КП-1 (длиной 1 м), устанавливаемых в три ряда в системе парового отопления низкого давления, если избыточное давление пара в приборе 0,02 МПа, Qп=2675 Вт (2300 ккал/ч), fв=15°C, Fэ.тp=0,5 экм.

1, Расчетная площадь нагревательной поверхности блока:

Fр=Fэ-Fэ.тр=(2675/639)*1-0,5=3,86-0,5=3,36 м2 энп (экм).

где при Δt=104,25-15=89,25˚.

qэ=2,95*(89,25)1,214=693 Вт/экм [596 ккал/(ч экм)].

при установке в три ряда по высоте.

2. Число конвекторов в блоке:

N=(Fр/fэ)*β2=(3,36/0,56)*1=6.

Конвекторный блок составляется из шести конвекторов 20 КП-1 в три ряда по два конвектора последовательно в ряду.


Похожие материалы:
Новые материалы:
Предыдущие материалы:

 

Вы можете добавить комментарий:


Поиск по сайту:
Чаще всего читают статьи:
Полезная информация:
Популярные статьи: