книги / Отопление и вентиляция. Ч1 Отопление

За определяющую температуру здесь принята начальная температу­ ра воздуха tB, 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 прибо­ ров и поверхности ограждений помещения. По формуле (П.6) можно вы­ числить значение ал для таких металлических приборов с гладкой по­ верхностью, как чугунные радиаторы:

Коэффициент облученности ф1- д здесь принят равным 0,5, так как для двухколончатых радиаторов характерно частичное поглощение лу­ чистого потока близко расположенными, взаимно закрывающими друг друга секциями. Температурный коэффициент &1_в в данном случае со­ ставляет около 1,3.

Сопоставляя значение

/?н = — = ---------------= Ь О Ы О ^ К -м а /В т [1 ,1 7 .10~"1оС*ма«ч/ккал[

с ранее полученными значениями RBи Ret, можно сделать вывод, что ве­ личина коэффициента теплопередачи металлических отопительных при­ боров knp с гладкой поверхностью определяется в основном значением коэффициента теплообмена у их внешней поверхности. Для неметалли­ ческих отопительных приборов &Пр существенно зависит также и от теп­ лопроводности материала их стенок.

Внешняя поверхность некоторых металлических отопительных при­ боров — конвекторов, ребристых труб, калориферов — имеет специаль­ ное стальное или чугунное оребрение прямоугольными или круглыми пластинами. В сложном процессе теплообмена у их наружной поверх­ ности участвуют пластины-ребра и гладкие трубы.

Коэффициент теплообмена у внешней поверхности ребристой трубы может быть представлен уравнением

пластин и прибора в целом; причем в площадь прибора входит также свободная площадь поверхности трубы, несущей ребра {Fp+^Tp—^пр);

Е — коэффициент термической эффективности ребра, харак­ теризующий распределение температуры по поверхности ребра; причем Чем ближе средняя температура к температуре трубы, тем выше значение Е (для трубы без оребрения £ = 1).

Для отопительных приборов с сильно оребренной поверхностью до­ ля передачи тепла излучением со всей площади внешней поверхности, попадающая в помещение, составляет всего 5—10% общего теплового потока. Поэтому в уравнении (III.18) главным является конвективный теплообмен.

Коэффициент конвективного теплообмена ан для условий свободной

104 Г л а в а III. Элементы систем центрального отопления

конвекции воздуха может быть найден из уравнений подобия при зна­ чении числа Рг « 0,7:

для горизонтальной трубы

Существенное влияние на интенсивность конвективного теплообме­ на у поверхности вертикального ребра отопительного прибора оказыва­ ет взаимное направление теплового и воздушного потоков. При нагре­ вании, например, верхнего торца ребра теплообмен конвекцией по вы­ шеупомянутым исследованиям, проведенным в ЛИСИ, протекает на 30% активнее, чем при нагревании нижнего торца, и на 25% интенсив­ нее, чем при нагревании боковой кромки ребра. Это явление объясняет­ ся 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 при­ боров, а сам процесс конвективного теплообмена интенсифицируется (например, при увеличении расхода воды в радиаторах, см. рис. ШЛО).

Расчеты для оребренных отопительных приборов показывают, что у чугунных прямоугольных ребристых труб сопротивление теплопровод­ ности самих ребер толщиной 3—5 мм можно не учитывать. Допустимо также определять сопротивление /?ш отнесенное ко всей площади внеш­ ней поверхности прибора по формуле (Ш.12) при вы­ соте ребер, не превышающей 50—65 мм, т. е. практически для всех ре­ альных конструкций конвекторов и ребристых труб.

Исследования процесса теплопередачи в водяных конвекторах с ко­ жухом позволили установить, что практически коэффициент теплообме­ на у их внешней поверхности в условиях естественного движения воз­ духа может считаться близким к а н= 7 Вт/(м2-К) [6 ккал/(ч-м2-°С):

Среднее значение коэффициента теплообмена у внешней поверхности ан в расчетных температурных условиях действия систем водяного отоп­ ления составляет, Вт/(м2-К) или (в скобках) ккал/(ч-м2-°С);

для вертикальных бетонных отопительных пане­

Доля лучистого теплопереноса у конвекторов с кожухом наимень­ шая.

На основании изложенного следует повторить в более общем виде вывод, сделанный ранее, о преобладающем влиянии интенсивности теп­ лообмена 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 и

теплопроводности, выявляется опытным путем. Экспериментальный путь определения коэффициента теплопередачи выбирается в связи с наличи­ ем многих факторов, влияющих на величину коэффициента прямо или косвенно и затрудняющих точное его определение расчетным путем. При экспериментах в большинстве случаев не проводится разделения тепло­ вого потока на части, выражающие передачу тепла конвекцией и ради­ ацией.

Для дальнейшего рассмотрения практического способа вычисления коэффициента теплопередачи отопительного прибора следует разделить все факторы на основные, определяющие величину /гпр, и дополнитель­ ные, влияющие в некоторой степени на его величину.

Основные факторы, определяющие величину коэффициента теплопе­ редачи отопительного прибора, — это конструктивные особенности при­ бора и условия его эксплуатации.

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

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

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

У секционных отопительных приборов — радиаторов по тем же при­ чинам на величину &пр влияют форма и число колонок в секции, рассто­ яние между смежными секциями, глубина и высота секции (чем ниже секция, тем выше &цр), число секций, но в общем значение коэффициента теплопередачи радиаторов всегда выше, чем ребристых труб и конвек­

при толщине ребер 1 мм), увеличение &пр при увеличении высоты кожу­ ха, а также наличие определенных расстояния между ребрами (около 6 мм при ребрах 50ХЮ0 ъш) и толщины ребер для получения наивысше­ го значения knp.

Коэффициент теплопередачи бетонных отопительных панелей зависит от диаметра и глубины заложения греющих труб в массив бетона, рас­ стояния между смежными трубами, положения (горизонтального или вертикального) панелей и высоты вертикальных и размеров горизон­ тальных панелей. Увеличению &пр способствуют уменьшение глубины за­ делки и расстояния между трубами, уменьшение высоты панелей, а так­ же увеличение диаметра труб.

Области значений коэффициента теплопередачи для основных видов отопительных приборов представлены на рис. II 1.7.

Эксплуатационные условия. В эксплуатационных условиях коэффи­ циент теплопередачи теплообменных аппаратов изменяется под влияни­

ем таких переменных факторов, как температурный напор Дt, скорость теплоносителя w и скорость нагреваемой среды v:

Температурный напор изменяется в зависимости от уровня темпера­ туры двух сред, т. е. применительно к отопительным приборам — от тем­ пературы теплоносителя tTи температуры воздуха помещения tB

Рис III7. Области значений коэф­

фициента теплопередачи приборов

1 — гладкотрубных, 2 — панельных, ?—сек­ ционных радиаторов, 4 — ребристых

При этом наибольшему температурному напору соответствует наш высшее значение коэффициента теплопередачи.

Температуру наиболее распространенного теплоносителя — воды при­ нято вычислять при экспериментах как среднеарифметическую между температурой воды, входящей и выходящей из прибора, хотя в действи­ тельности средняя температура воды в приборе ниже среднеарифметиче­ ской. Поэтому температурный напор, вычисляемый при среднеарифмети­ ческом значении температуры воды, является относительной расчетной величиной, принимаемой при испытаниях, а затем и при определении необходимой площади нагревательной поверхности конкретного прибора.

Физическая неточность этой величины особенно проявляется тогда* когда фактическое количество воды, протекающей через прибор, отли­ чается of предполагаемого (например, при трубчатых приборах). Точно известна в таких случаях лишь температура воды, входящей в прибор.

Температура другого теплоносителя — пара определяется в зависи­ мости от давления пара в приборе как температура насыщенного пара, этой же температуре равна и температура конденсата в приборе.

Скорость движения воды в приборе w зависит от площади его внут­ реннего сечения и количества воды С?пр, протекающей в единицу времени через прибор, т. е. от расхода. Расход воды <?пр влияет на равномерность температурного поля на наружной поверхности прибора. Действительно, с увеличением расхода уменьшается степень охлаждения воды в при­ боре и различие в температуре его отдельных частей (особенно такого прибора, как радиатор емкостью около 5 л/м2 энп), средняя темпера­ тура поверхности прибора повышается, вследствие чего увеличивается коэффициент теплопередачи.

Повышенная скорость движения воздуха и у внешней поверхности (несколько метров в секунду) характерна для калориферов, обычно на­ ходящихся в вынужденном потоке воздуха, и их коэффициент теплопе­ редачи в значительной степени зависит от v. Для других отопительных приборов, даже для конвекторов, некоторое изменение подвижности ок­

ружающего воздуха (на десятые доли метра в секунду) является не оп­ ределяющим, а дополнительным фактором, влияющим на коэффициент теплопередачи.

Можно установить, что в процессе эксплуатации значение коэффици­ ента теплопередачи водяного отопительного прибора (за исключением калорифера) обусловливается прежде всего величиной среднего темпера­ турного напора (см. пунктирные линии на рис. III.7) и, кроме того, количеством протекающей через него воды:

Коэффициент теплопередачи парового отопительного прибора за­ висит только от температурного напора, который постоянен при опре­ деленном давлении пара:

* n p .n = f(A 0* (III. 24)

Следует еще раз подчеркнуть, что для водяного прибора, особенно

влияния на а в) на температуре воды, выходящей из приборов. В данном случае с расходом воды связывается равномерность внешнего темпера­ турного поля приборов.

Результаты экспериментов по определению коэффициента теплопере­ дачи для каждого нового отопительного прибора приводятся к указан­ ным) выше зависимостям и могут быть выражены следующими эмпири­ ческими формулами:

где a, b, m — экспериментальные численные коэффициенты;

п— показатель степени, устанавливаемый при испытаниях но­ вой конструкции отопительного прибора (получается в пре­

делах от 0,14 до 0,45).

Первая из приведенных формул несколько проще для вычислений, однако вторая дает совпадение с экспериментальными данными в боль­ шем диапазоне температурного напора, более наглядна и удобна для расчетов на ЭВМ и построения графиков центрального качественного регулирования систем отопления.

где G— относительный расход воды в отопительном приборе (отноше­ ние действительного расхода воды к испытательному, приня­ тому при экспериментальных исследованиях);

р — показатель степени по экспериментальным данным.

При теплоносителе паре используется формула (III.26).

Кроме рассмотренных двух основных факторов, на коэффициент теп­ лопередачи отопительных приборов влияют другие факторы, названные выше дополнительными.

108 Г л а в а III. Элементы систем центрального отопления

Среди многочисленных дополнительных факторов можно выделить следующие:

а) место установки отопительного прибора в помещении и конструк­ ция ограждения прибора.

При установке прибора у внутреннего ограждения коэффициент теп­ лопередачи повышается за счет усиления циркуляции воздуха в помеще­ нии. Точно также &Пр увеличивается при свободной установке по срав­ нению с установкой приборов в нишах стен. Декоративное ограждение прибора, выполненное без учета теплотехнических требований, может значительно понизить величину &np‘,

б) способ присоединения отопительного прибора к трубам системы водяного отопления.

Характер циркуляции воды в приборе, связанный с местом ее подвода

иотвода (вверху или внизу прибора), отражается на равномерности температурного поля на внешней поверхности прибора, а следовательно,

ина величине коэффициента теплопередачи;

в) окраска отопительного прибора.

Состав и цвет краски могут несколько изменять коэффициент тепло­ передачи. Краски, обладающие повышенной излучательной способно­ стью, увеличивают теплоотдачу прибора, и наоборот. Например, окраска цинковыми белилами повышает теплопередачу чугунного радиатора на 2,2%, нанесение алюминиевой краски, растворенной в нитролаке, умень­ шает ее на 8,5%. Терракотовая краска, растворенная в бензине (матовая поверхность), увеличивает теплопередачу радиатора на 0,9%, эта же краска, разведенная на натуральной олифе (блестящая поверхность), уменьшает ее на 1,7%.

Влияние окраски связано также с конструкцией прибора. Нанесение алюминиевой краски на поверхность отопительной панели — прибора с повышенным излучением — снижает теплопередачу на 13%. Окраска конвекторов и ребристых труб незначительно влияет на их теплопере­ дачу.

На значении коэффициента теплопередачи сказываются также ка­ чество обработки внешней поверхности, загрязненность внутренней по­ верхности, наличие воздуха в приборах и другие эксплуатационные факторы.

§ 24. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПРИБОРА_________________

При разработке новой конструкции отопительного прибора и при из­ готовлении прибора на заводе всегда проявлялось стремление, с одной стороны, всемерно повысить коэффициент теплопередачи, с другой — увеличить площадь внешней поверхности каждого элемента как изме­ рителя, определяющего объем выпускаемой продукции (даже в ущерб величине коэффициента теплопередачи).

С целью получения единого теплотехнического и производственного показателя в нашей стране в 1957 г. было введено измерение теплоотда­ ющей поверхности всех отопительных приборов в условных единицах пло­ щади. За условную единицу площади был принят квадратный метр экви­ валентной нагревательной поверхности (м2 энп) или, короче, эквивалент­ ный квадратный метр (экм). Такое измерение площади нагревательной поверхности стимулирует выпуск совершенных в теплотехническомотношении приборов,

Эквивалентным квадратным метром называется такая площадь теп­ лоотдающей поверхности стандартно установленного отопительного при­ бора, через которую при средней температуре теплоносителя в приборе 82,5° С в воздух с температурой 18° С передается тепловой поток, рав­ ный 506 Вт (435 ккал/ч). За стандартную принимается открытая уста­ новка прибора у наружной стены с односторонним присоединением к трубам.

При расчетной разности температуры воды 95—70° С и температур-

95+70

ном напоре, равном — ------ 18—82,5—18=64,5° С, для передачи в по­

мещение 506 Вт или 506-3,6 кДж/ч (435 ккал/ч) необходимо в расчете на 1 м2 энп пропустить через отопительный прибор воды в количестве [по формуле (I1I.2)]:

(III. 28)

Это, в частности, испытательный расход воды для 1 м2 энп секционного радиатора, на который делалась ссылка в пояснении к формуле (III.27).

Выпускавшийся в 1957 г. секционный радиатор типа Н-136 (его стро­ ительная глубина 136 мм, монтажная высота 500 мм) был принят за эталон. Через один квадратный метр внешней физической поверхности эталонного радиатора Н-136 (площадь поверхности четырех секций) при испытании в стандартных условиях (испытывался радиатор, состо­ ящий из восьми секций) передавался в помещение тепловой поток, рав­ ный как раз 506 Вт (435 ккал/ч). Следовательно, восемь секций радиа­ тора Н-136 име^ш площадь теплоотдающей поверхности, равную 2 м2 или 2 м2 энп (экм).

Исчисление площади внешней поверхности любого отопительного прибора в условных единицах и определение для одного и того же эле­ мента прибора (Секции, ребристой трубы, конвектора, панели) отноше­ ния площади эквивалентной нагревательной поверхности /э к площади ею физической внешней поверхности /ф (см. § 22) есть сравнение кон­ кретного прибора с эталонным.

Для каждого отопительного прибора площадь внешней поверхности в м2 энп (экм) является таким же характерным показателем, как и пло­ щадь поверхности в м2. Любой отопительный прибор будет совершеннее в теплотехническом отношении эталонного радиатора, если его эквива­ лентная площадь F3 в экм будет больше площади внешней физической поверхности F$ в м2. Например, если прибор имеет F3= 6 экм и F<j,=

= 5 м2, то его 1 экм = — м2 и тепловой поток в 506 Вт (435 ккал/ч) пере- 6

5

дается прибором в стандартных условиях с — м2 его внешней поверхно-

6

g

сти или его 1 м2= — экм и теплопередача с 1 м2 поверхности составляет

5605

506 ” =607 Вт/м2 [522 ккал/(ч • м2) ].

5

Сопоставление площади поверхности одного элемента отопительного прибора в м2 энп (экм) с площадью его поверхности в м2 дает возмож­ ность судить о совершенстве прибора в теплотехническом отношении (см. §-2i)„

1 м2. Прибор на рис. III.8, а имеет эквивалентную площадь нагреватель­ ной поверхности в экм /^ > 3 , что свидетельствует о высоком коэффици­ енте теплопередачи. Поэтому часть длины этого прибора, соответствую­ щая площади поверхности в 1 экм (на чертеже заштрихована), меньше длины одного элемента —h<.t. Прибор на рис. 111.8,6 имеет площадь эквивалентной нагревательной поверхности в экм F3<z3 и, следователь­ но, обладает низким коэффициентом теплопередачи. Поэтому часть его длины, соответствующая 1 экм, больше длины одного элемента, т. е.

Рис. III8 Схематическое изображение площади эквивалентной нагревательной поверхности в 1 экм (заштрихована) двух отопительных при­ боров в сравнении с их физической площадью по­ верхности в 1 м2, соответствующей длине I

а и б — соответственно для приборов с высоким и низ­ ким коэффициентом теплопередачи

Следует сделать вывод: чем совершеннее в теплотехническом отно­ шении отопительный прибор, тем меньше площадь его физической по­ верхности, передающая тепловой поток, равный 506 Вт (435 ккал/ч). Можно, например, измерить выпущенные заводом 1000 м2 стальных па­ нелей примерно 1400 экм и 1000 м2 ребристых труб — только 690 экм.

Измерение поверхности отопительных приборов в м2 энп не изменяет формы уравнений (III.25)—(III.27); изменяются лишь численные коэф­ фициенты а, b и m (при сохранении значений п и р ).

Уравнение (III.27) для водяных отопительных приборов примет вид:

Аэл = т . Д ^ р6 р. (III.29)

ной нагревательной поверхности прибора; т! — экспериментальный численный коэффициент.

На основании уравнений (III.29) и (III.30) можно написать фор­ мулы для определения плотности теплового потока, передаваемого через 1 м2 эквивалентной нагревательной поверхности (через 1 экм) любого отопительного прибора.

При теплоносителе воде

[ккал/(ч-м2 энп)].

В этих формулах и в приведенных выше уравнениях температурный