Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналитический расчет системы регулирования мощности теплоотдачи навесного конвектора отопления с пластинчатыми ребрами охлаждения

Дрон Юрий Иванович - инженер,

Балмаев Борис Григорьевич,

кандидат экономических наук

Появление новых разработок в области надежного энергосберегающего оборудования и ужесточение требований к экономии теплоэнергии предопределили широкое внедрение систем отопления с качественно-количественным регулированием теплоотдачи. Известно, что качественное регулирование обеспечивается за счет изменения температуры подаваемого в систему теплоносителя, а количественное - путем изменения количества теплоносителя, подаваемого в отопительные приборы. Приоритетом в реализации количественного регулирования пользуются системы индивидуального автоматического регулирования на базе терморегуляторов и термостатических вентилей, монтируемых на приборы отопления.

Однако не для всех приборов отопления может быть применено индивидуальное количественное регулирование теплоотдачи, т.к. не все приборы в принципе поддаются эффективному управлению с помощью термостатов или терморегуляторов. Кроме того, термостатические вентили или клапаны, как правило, рассчитаны на рабочее давление до 1,01Ч106Па, а в любых городских системах отопления возможны гидравлические удары и периоды эксплуатации с возникновением повышенного давления, например, в периоды проведения плановых проверок систем с целью выявления их слабых мест. Вместе с тем, индивидуальное регулирование тепловой мощности отопительных приборов можно использовать не во всех системах отопления. В однотрубных системах, например, такое регулирование не допускается без организации специальных обводок (байпасов) для отопительных приборов, т.к. любая регулировка влияет на поток теплоносителя во всем доме или подъезде.

Одним из существенных ограничений в применени индивидуального количественного регулирования путем установки терморегулирующих вентилей или клапанов является качество очистки теплоносителя в системе отопления. Это объясняется тем, что величина рабочего хода клапана, регулирующего площадь пропускного отверстия термостата, составляет всего 0,43-0,45мм (для жидкостных датчиков) или 0,56-0,58мм (для газоконденсатных датчиков) [1], т.е. для исключения засоров терморегуляторов в системе отопления должен использоваться хорошо очищенный теплоноситель.

Альтернативным способом регулирования теплоотдачи конвекторов является управление потоком воздуха, проходящего через нагревательный элемент прибора, с помощью воздушного клапана, что не оказывает никакого влияния на характер движения теплоносителя в теплопроводе и не зависит от качества его очистки. В конвекторах марки «Комфорт-20» и «Универсал», например, воздушный клапан позволяет без использования специальной запорно-регулирующей арматуры изменять создаваемый ими тепловой поток в диапазоне от 0 до 70%. Эти конвекторы можно применять как в проточных, так и в однотрубных системах.

Рис. 1 Общий вид навесного конвектора

Рис. 2 Навесной конвектор на трубе без кожуха

Принципиально новый способ регулирования мощности теплового потока заложен в конструкции навесного конвектора с регулируемой теплоотдачей, устройство и принцип работы которого описаны в [2], а фотография общего вида опытного образца, смонтированного на участке трубы, показана на рис.1. Этот конвектор содержит установленные на трубу теплопровода системы отопления съемные части (изображено на фотографии (рис.2)), каждая из которых выполнена в виде накладки с жестко закрепленными на ней ребрами охлаждения (фотография приведена на рис.3). Конвектор снабжен регулировочной системой (фотография дана на рис.4), с помощью которой изменяется положение съемных накладок относительно трубопровода. Регулирование величины теплоотдачи осуществляется посредством вращения специального регулировочного винта (рис.4), с помощью которого изменяется воздушный зазор между накладками и трубой теплопровода, от величины которого напрямую зависит эффективность передачи тепла от теплопровода к накладкам и далее - через пластины оребрения воздуху окружающей среды.

Рис. 3 Съемная накладка навесного конвектора с ребрами охлаждения

Рис. 4 Устройство крепления и регулирования теплоотдачи навесного конвектора

Благодаря тому, что конфигурация внутренней поверхности каждой накладки идентична конфигурации наружной поверхности трубопровода, на котором они закреплены, при полном сведении накладок между собой обеспечивается их плотное прилегание и прижатие к трубопроводу с теплоносителем, а, значит, - и максимальная теплоотдача конвектора. При максимальном разведении накладок относительно друг друга воздушные зазоры, выполняющие теплоизоляционную функцию между накладками и трубой теплопровода, которая является основанием нагревательного элемента навесного конвектора, становятся наибольшими, а его теплоотдача - минимальной и равной теплоотдаче только трубы нагревательного элемента.

Пользуясь методикой, изложенной в [3], проведем расчет максимальной мощности теплоотдачи навесного конвектора с регулируемой теплоотдачей, ребра охлаждения у которого выполнены из тонких металлических пластин прямоугольной формы. В качестве расчетной модели такого конвектора принят прибор, нагревательный элемент которого по конструкции полностью идентичен нагревательному элементу конвектора марки «Комфорт-20» модели КСК20-0,655 (выполнен в виде U-образной трубы с двумя горизонтально размещенными ветвями) и имеет следующие конструктивные параметры и характеристики: Lк - общая длина конвектора, Lк = 826,0мм; dтркн - наружный диаметр трубы нагревательного элемента, dтркн = 26,8мм; dтрквн - внутренний диаметр трубы нагревательного элемента, dтрквн = 21,2мм; dэ - эквивалентный диаметр трубы нагревательного элемента, dэ = 19,0мм (выбран с учетом зарастания трубы на основе данных, приведенных в [4]); Lрабк - длина оребренного участка трубы нагревательного элемента, Lрабк = 540,5мм; lпр - суммарная длина прямых участков неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектора, lпр = 447,20мм; lос - расстояние между осями соседних ветвей трубы нагревательного элемента, lос = 80,0мм; lзаг - длина загнутого участка (калача) трубы нагревательного элемента, lзаг = 125,66мм (определено расчетно при dтркн = 26,8мм и lос = 80,0мм); lпрвет - длина прямолинейного участка одной ветви трубы нагревательного элемента конвектора, lпрвет = 775,1мм; трк - теплопроводность материала трубы нагревательного элемента (стали), трк = 45Вт/(мЧєС); Lтрк - длина трубы нагревательного элемента конвектора,

Lтрк = 2Чlпрвет + lзаг = 2Ч775,10 + 125,66 = 1675,86мм.

Съемные накладки, размещенные на нагревательном элементе, выполнены из стальной трубы и имеют следующие параметры: dтрвстн - наружный диаметр накладки, dтрвстн = 33,5мм; dтрвствн - внутренний диаметр накладки, dтрвствн = 26,8мм (равен внешнему диаметру трубы нагревательного элемента); накл - толщина стенки накладки, накл = 3,5мм; lвсткприп - припуск на длину накладки, lвсткприп = 11мм (принято конструктивно по 5,5мм от крайних пластин; вод - кинематическая вязкость горячего теплоносителя, вод = 0,00000032с/м2 (при температуре 90єС); вод - теплопроводность горячего теплоносителя, вод = 0,58Вт/(мЧєС); вод - плотность горячего теплоносителя, вод = 1000кг/м3; Cвод - объемная теплоемкость горячего теплоносителя, Cвод = 4189кДж/(м3ЧєС); cвод - удельная теплоемкость горячего теплоносителя, cвод = 4220Дж/(кгЧєС).

Нагреваемый навесным конвектором воздух окружающей среды характеризуется следующими параметрами: tвоз - температура воздуха, tвоз = 20єС; воз - кинематическая вязкость воздуха, воз = 0,0000001506с/м2 (при температуре 20єС); воз - теплопроводность воздуха, воз = 0,034Вт/(мЧєС); воз - температурный коэффициент объёмного расширения воздуха, воз = 0,003665 єС-1.

Теплопровод системы отопления представляет собой стальную трубу, идентичную трубе нагревательного элемента навесного конвектора, и имеет следующие характеристики: dн - наружный диаметр трубы, dн = 26,8мм; dвн - внутренний диаметр трубы, dвн = 21,2мм; стен - толщина стенки трубы, стен = 2,8мм;cр - средняя скорость горячего теплоносителя,cр = 0,2833м/с; Wв - расход горячего теплоносителя, Wв = 0,100кг/с; тр - теплопроводность материала трубы (стали), тр = 45Вт/(мЧєС); tвх - температура горячего теплоносителя на входе в трубу длиной lтр = 2,5м, tвх = 90єС; tпад - средняя величина падения температуры горячего теплоносителя на один этаж здания, tпад = 1,211єС (принято в соответствии с нормативами [5] при высоте помещения h = 2,5м); tвых - температура горячего теплоносителя на выходе из трубы длиной lтр = 2,5м,

tвых = tвх - tпад = 88,789єС;

lтр - длина трубы, lтр = 2,50м (принято в соответствии с высотой h помещения). Алгоритм и результаты расчета основных тепловых характеристик принятой модели навесного конвектора с регулируемой теплоотдачей приведены в табл.1.

Расчет проведен для условия, при котором оребренные накладки максимально сдвинуты между собой, т.е. плотно прижаты к трубе нагревательного элемента конвектора и величина воздушного зазора пр1 между накладками и трубой нагревательного элемента равна нулю.

Таблица 1 Алгоритм и результаты расчета основных тепловых характеристик навесного конвектора

Результаты расчетов показывают, что теплоотдача с поверхности одного погонного метра неоребренной трубы нагревательного элемента конвектора составляет N1 = 103,83Вт/м (табл.1). При длине трубы нагревательного элемента Lтрк = 1675,86мм, мощность ее теплоотдачи составляет 174,02Вт, что соответствует тепловой мощности навесного конвектора при максимально разведенных оребренных накладках. Таким образом, мощность теплоотдачи навесного конвектора может регулироваться в интервале от 174,02Вт до 646,30Вт, т.е. - примерно от 26,9% до 100,0% его номинальной мощности. При установке в конвекторе воздушного клапана диапазон регулирования его теплоотдачи может быть значительно расширен. Выше уже отмечалось, что нижняя граница мощности теплоотдачи конвекторов при закрытом воздушном клапане уменьшается ориентировочно на 70%. Следовательно, интервал регулирования этой характеристики при наличии воздушного клапана может составлять от 52,21Вт до 646,30Вт, т.е. примерно от 8,1% до 100,0% номинальной мощности теплового потока конвектора.

Максимальная мощность теплоотдачи принятой к рассмотрению модели навесного конвектора составляет Nк = 646,30Вт (табл.1), что примерно на 1,33% ниже мощности теплоотдачи базовой модели конвектора марки «Комфорт-М» модели КСК20-0,655, полная номинальная мощность которого составляет Nном = 655Вт [3]. Это обусловлено необоснованно завышенной толщиной оребренных накладок, которые приняты в конструкции описанного выше и показанного на рис.1-4 опытного образца. Действительно, накладки навесного ковектора размещаются на трубе нагревательного элемента и не подвергаются разрушительному воздействию со стороны теплоносителя (коррозии, механическому разрушению, перепадам давления и т.д.) поэтому, толщину накладок можно значительно уменьшить. Кроме того, накладки и пластины оребрения могут быть изготовлены из металлов, обладающих более высокой теплопроводностью. В табл.2 для сравнения приведены расчетные значения основных тепловых характеристик и диапазоны регулирования теплоотдачи навесного конвектора, накладки и пластины ореберения которого выполнены из пяти различных по теплопроводности металлов. При этом толщина накладок принята равной 1,0мм, а труба нагревательного элемента выполнена из стали и имеет такие же конструктивные параметры, как в конвекторе марки «Комфорт-М» модели КСК20-0,655.

Таблица 2 Расчетные характеристики навесного конвектора с накладками и пластинами оребрения из разных металлов

Сравнивая результаты расчетов, приведенные в табл.1 и 2, становится очевидным, что использование в навесном конвекторе стальных накладок оребрения, например, толщиной 1,0мм вместо 2,8мм позволяет не только снизить его металлоемкость, но и повысить мощность теплоотдачи примерно на 1,0% (с 646,30Вт до 652,72Вт). Кроме того, применение накладок и пластин оребрения, изготовленных из металлов с более высокой теплопроводностью, позволяет достичь большей мощности теплоотдачи конвектора. Так, использование накладок и пластин оребрения, выполненных, например, из меди, увеличивает мощность теплоотдачи оребренного участка конвектора примерно на 11,59%, а всего прибора - на 10,53%.

На рис.5 показаны графики, отражающие характер изменения мощности теплоотдачи навесного оборудования (накладок и пластин оребрения) конвектора в зависимости от величины воздушного зазора между накладками и трубой его нагревательного элемента.

Рис. 5 Графики зависимости мощности теплоотдачи накладок и пластин оребрения от величины воздушного зазора между накладками и трубой конвектора

Здесь представлены зависимости Nк(рабу) от пр1 для пяти вариантов исполнения накладок и пластин оребрения из разных по теплопроводности металлов. Из графиков видно, что с увеличением теплопроводности металла, который используется для изготовления навесных элементов, возрастает диапазон изменения величины регулирования воздушного зазора dпр1. Однако, даже при изменении теплопроводности материала накладок и пластин оребрения от 45Вт/(мЧєС) до 390Вт/(мЧєС) (примерно в 8,7 раза), мощность теплоотдачи навесного оборудования изменяется от нуля до максимума в интервалах регулирования воздушного зазора между накладками и трубой нагревательного элемента от нуля до 0,070-0,080мм.

В заключение следует отметить, что навесной конвектор со съемными накладками и пластинами оребрения по своим тепловым, техническим и эксплуатационным характеристикам не только не уступает обычным конвекторам, но и превосходит их. Так, система регулирования теплоотдачи конвектора не требует использования дополнительной запорно-регулирующей арматуры и не оказывает никакого влияния на теплоноситель системы отопления. Кроме того, легкость в монтаже и демонтаже съемного оборудования позволяет практически без особых затруднений производить очистку накладок и пластин оребрения нагревательного элемента от пыли, что значительно облегчает уход за конвектором и улучшает его санитарно-гигиенические характеристики.

теплоотдача навесной конвектор пластинчатый

Список использованной литературы

1.Сасин В.И. Термостаты в российских системах отопления // АВОК. 2004. № 5. C. 64-68.

2.Pat. №2367850 RU. Патент на изобретение “Конвектор отопительный навесной с регулируемой теплоотдачей” / Ю.И.Дрон, Б.Г.Балмаев // Промышленная собственность. 2009. №26.

3.Дрон Ю.И., Балмаев Б.Г. Способ аналитического расчета тепловой мощности конвектора отопления с пластинчатыми ребрами охлаждения // Новости теплоснабжения, 2013, № 2. С. 46-48.

4.Гейнц В.Г., Шевелев А.Ф. О гидравлическом расчете трубопроводов горячего водоснабжения. Водоснабжение и санитарная техника. № 1, 1986, с. 5-6.

5.Гершкович В.Ф. Пособие по проектированию систем водяного отопления к СНиП 2.04.05-91 ”Отопление, вентиляция и кондиционирование”. - Киев: Укрархстройинформ, 2001.

Размещено на Allbest.r