КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Тепловой поток от теплоносителя - воды или пара - передается в помещение через стенку отопительного прибора.

Интенсивность теплопередачи характеризуют коэффициентом теплопередачи k_пр, который выражает плотность теплового потока на внешней поверхности стенки, отнесенную к разности температуры разделенных стенкой теплоносителя и воздуха отапливаемого помещения. Термин "плотность" в данном случае применяется для теплового потока, передаваемого через единицу площади внешней поверхности отопительного прибора.

Коэффициент теплопередачи прибора k_пp, Вт/(м²°С), численно равен величине, обратной сопротивлению теплопередаче R_пp от теплоносителя через стенку прибора в помещение:

k_пp=l / R_пp

Величина R_np слагается из сопротивления теплообмену R_в на внутренней поверхности стенки прибора, термического сопротивления стенки R_ст и сопротивления теплообмену R_н на внешней поверхности прибора А_пр:

R_пр = R_в + R_ст + R_н

Процесс теплопереноса 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 теплопередачи основным явлением в большинстве случаев является конвекция.

Коэффициент конвективного теплообмена в слое воздуха (снаружи) значительно меньше, чем в слое воды или пара (внутри прибора), поэтому сопротивление внешнему теплообмену Rн для отопительного прибора сравнительно велико. Следовательно, для увеличения теплового потока необходимо развивать внешнюю поверхность отопительного прибора. В приборах это выполняют созданием специальных выступов, приливов и оребрения. Однако при этом уменьшается коэффициент теплопередачи.

Рассмотрим слагаемые выражения применительно к отопительному прибору с более развитой площадью внешней поверхности А по сравнению с площадью внутренней поверхности А_н.

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности, отнесенное к площади внешней поверхности прибора, т. е. к расчетному измерителю (отношение площадей равно А_пр/А_в), составляет

R_в = (I/?_в)(A_пр/A_в).

Коэффициент теплообмена на внутренней поверхности прибора ?_в изменяется в широких пределах в зависимости от вида теплоносителя. Наибольших значений он достигает при паре. При воде его значение зависит в основном от скорости движения воды и ее температуры.

Для конвекторов коэффициент теплообмена в прямых гладких трубах малого диаметра на внутренней поверхности стенки определяется прежде всего режимом течения воды. На рис. 4.13 представлена зависимость сопротивления теплообмену от расхода теплоносителя в трубах. Можно установить, что с увеличением расхода воды сопротивление заметно уменьшается (коэффициент внутреннего теплообмена ав возрастает), а затем при расходе воды более 200 кг/ч остается практически неизменным.

Зависимость сопротивления теплообмену на внутренней поверхности стенки трубы от расхода теплоносителя и внутреннего диаметра: 1 - dB = 21,2 мм; 2 - 15,7 мм; 3 - 12,6 мм

При движении воды в изогнутых трубах (отводах, змеевиках) возникает центробежная сила, вызывающая так называемую вторичную циркуляцию, вследствие чего теплоперенос усиливается. Поэтому значение коэффициента внутреннего теплообмена в изогнутых трубах выше, чем в прямых.

На численном примере для чугунного секционного радиатора с отношением А_пр/А_в=1,3 сопоставим значения сопротивлений, входящих в формулу R_пр = R_в + R_ст + R_н
.

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности стенки радиатора найдем при скорости движения воды около 0,001 м/с (ламинарный режим течения),
когда ?_в ? 60 Вт/(м² *°С), по формуле:

R_в = (1 / 60)1,3 = 0,022 м²*°С/Вт.

Термическое сопротивление стенки чугунного и стального отопительного прибора без учета загрязнения, окраски и специального оребрения его внешней поверхности составляет

R_ст = (?_ст/ ?_cт)(А_пр/А_в).

Термическое сопротивление стенки вместе с сопротивлением теплообмену на внутренней поверхности стенки обусловливают снижение температуры наружной поверхности отопительных приборов по сравнению с температурой теплоносителя. Из рисунка видно, что в средней по высоте части чугунного секционного радиатора температура поверхности отличается от температуры теплоносителя не менее, чем на 7...8 °С.

Изменение температуры воды (7) и наружной поверхности (2) по высоте чугунного секционного радиатора при движении теплоносителя по схеме "сверху-вниз" в двухтрубной системе отопления

Продолжая начатый пример, определим сопротивление стенки чугунного радиатора при ее средней толщине 4 мм но формуле (4.9)

R_ст - (0,004 / 50)*1,3 = 0,0001 м²*°С/Вт.

Видно, что термическое сопротивление металлической стенки пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением теплообмену на ее поверхности. Этот вывод не относится к бетонному панельному радиатору, где термическое сопротивление слоя бетона заметно увеличивает общее сопротивление теплопередаче прибора. Это сопротивление слоя бетона зависит от нескольких факторов: диаметра греющих труб d_в, расстояния между ними -шага труб s, глубины заложения труб в бетон h, теплопроводности массива бетона ?_м.

Для бетонных отопительных приборов с трубчатыми греющими элементами принято определять термическое сопротивление массива бетона R'_м, отнесенное к 1 м трубы, при теплопроводности бетона ?_м=1,0 Вт/(м*°С/Вт). На рисунке, а и б приведены для примера графики для получения R'_м, отнесенного к 1 м трубы, расположенной в ряду среди других (средняя труба).

Изменение термического сопротивления массива бетона R'м. отнесенного к 1 м средних труб бетонного панельного радиатора: а - при односторонней теплоотдаче; б - при двусторонней теплоотдаче; теплопроводность бетона ?=1,0 Вт/(м2*°С).

В специальной литературе даны также значения R'_м, отнесенные к 1 м крайней и одиночной трубы в бетонной панели. Термическое сопротивление массива прибора при теплопроводности бетона, отличающейся от единицы, вычисляют по формуле

R_м= (R'_м/?_м)*s,

где s - шаг труб, м, численно равный площади наружной поверхности, соответствующей 1 м средней трубы в приборе.
Сопротивление теплообмену на внешней поверхности прибора определяют но формуле
Rн = l / ?_н ,
где ?_н - коэффициент теплообмена на наружной поверхности, который может быть представлен в виде суммы коэффициентов конвективного ак и лучистого ал теплообмена,    т. е.

?_н = ?_к + ?_л.

Теплообмен конвекцией при свободном движении воздуха зависит от разности температуры нагретой поверхности и температуры окружающего воздуха, а также от общей подвижности воздуха в помещении.

В нашем примере при свободном движении воздуха (t_в = 20 °С) у гладкой вертикальной поверхности радиатора и температуре воды t_вх = 95 °С, t_вых = 70 °С:

?_к = l,66*(t_пов - t_в)^0,33 = 6,6 Вт/(м²*°С).

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

Для чугунного радиатора с гладкой поверхностью, принимая приведенный коэффициент излучения С_пр = 5,1 Вт/(м²*°С) и коэффициент облученности ф=0,5, получим
 

?_л = b*С_пр*? = 1,3*5,1*0,5 = 3,3 Вт/(м²*°С).

Коэффициент облученности ? здесь принят равным 0,5, так как для двухколончатых секционных радиаторов характерно, что в помещение попадает около 50 % излучения (остальное поглощается близко расположенными, взаимно закрывающими друг друга секциями).

В результате сопротивление теплообмену на внешней поверхности радиатора по формулам Rн = l / ?_н   и   ?_н = ?_к + ?_л   составит

R_н = 1 / (6,6 + 3,3) = 0,1 м²*°С/Вт.

Сравнивая полученное значение сопротивления со значением сопротивления теплообмену на внутренней поверхности радиатора (R_в = 0,022), убеждаемся, что R_н примерно в 4,5 раза превышает R_в. Несмотря на приблизительность проделанных расчетов (расчеты проделаны для плоской стенки), можно установить, что значение коэффициента теплопередачи k_пр для металлических отопительных приборов с гладкой поверхностью определяется в основном значением коэффициента теплообмена на их внешней поверхности ?_н. У неметаллических приборов k_пр зависит также от теплопроводности материала стенок и степени неравномерности температуры их поверхности.

Для металлических отопительных приборов со специально оребрённой внешней поверхностью - конвекторов, ребристых труб - доля теплоотдачи излучением составляет всего 5... 10 % общего теплового потока, попадающего в помещение. Поэтому значение коэффициента теплообмена на внешней поверхности ?_н таких отопительных приборов, а вслед за ним и значение коэффициента теплопередачи k_пр будут всегда существенно ниже значений аналогичных коэффициентов для приборов с гладкой поверхностью.

Для примера приведем средние значения коэффициента теплообмена на внешней поверхности ?_н, Вт/(м²*°С), в расчетных температурных условиях действия систем водяного отопления:

для вертикальных бетонных панельных радиаторов...........11,5
для чугунных секционных радиаторов..........................10
для конвекторов с кожухом...........................................7

Итак, величина теплового потока от теплоносителя в вертикальных отопительных приборах в помещение определяется в основном интенсивностью теплообмена на внешней их поверхности и прежде всего теплообмена конвективного. Этим объясняется, что значения коэффициента теплопередачи отопительных приборов относят к единице площади внешней их поверхности и к разности температуры теплоносителя t_г и температуры окружающего воздуха t_в (а не температуры помещения t_п).

Коэффициент теплопередачи каждого вновь разрабатываемого отопительного прибора не рассчитывают аналитически, а устанавливают опытным путем без разделения теплового потока на части, выражающие теплопередачу конвекцией и излучением. Так поступают, зная о наличии многих факторов, влияющих на коэффициент k_пр прямо или косвенно и затрудняющих точное его вычисление расчетным путем. Рассмотрим эти факторы, разделив их на основные, определяющие величину k_пр, и второстепенные, влияющие на его величину в сравнительно узких пределах.
 

Области значений коэффициента теплопередачи отопительных приборов: 1 - гладкотрубные приборы; 2 - радиаторы панельные; 3 - радиаторы секционные; 4 - конвекторы, ребристые трубы

Основными факторами, определяющими величину к являются:

- вид и конструктивные особенности, приданные типу прибора при его разработке;

- температурный напор при эксплуатации прибора.

Вид отопительного прибора позволяет заранее судить о возможной величине коэффициента теплопередачи. На рисунке для основных видов приборов показаны области значений коэффициента теплопередачи при одних и тех же температурных условиях (t_г - t_в = 70 °С). Как видим, для гладкотрубных приборов характерны сравнительно высокие, для секционных радиаторов - средние, для конвекторов и ребристых труб - низкие значения коэффициента теплопередачи.

В пределах каждой области значение коэффициента теплопередачи k_пp изменяется в зависимости от конструктивных особенностей прибора того или иного типа следующим образом.

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

Для бетонных отопительных панелей k_пр зависит от их положения (горизонтального или вертикального) в помещении и уменьшается по мере увеличения высоты и длины приборов.

Уменьшение k_пр ребристых труб по сравнению с гладкостенными приборами объясняется падением температуры поверхности по длине ребра и взаимным экранированием поверхности 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 радиаторов по тем же причинам на величину k_пр влияют форма и число колонок в секции, расстояние между смежными секциями, глубина и высота секции (чем выше секция, тем ниже k_пр), а также число секций.

У конвекторов k_пр зависит также от толщины, высоты и шага ребер нагревателя. Наибольшее значение k_пр получено, например, при расстоянии около 6 мм между ребрами размерами 50 x 100 мм.

Вторым основным фактором, определяющим величину k_пр в эксплуатационных условиях, является температурный напор ?t , т. е. разность температуры теплоносителя t,. и температуры окружающего отопительный прибор воздуха t_в.

?t = t_г - t_в

При этом наибольшему температурному напору соответствует наивысшее значение коэффициента теплопередачи

.
Температуру теплоносителя воды принято вычислять при экспериментах как среднеарифметическую между температурой воды, входящей и выходящей из прибора, т. е. t_г=t_ср, хотя в действительности средняя температура воды в приборе ниже среднеарифметической. Поэтому температурный напор, вычисляемый при среднеарифметическом значении температуры воды, т. е. ?t_cp = (t_cp - t_в) является относительной расчетной величиной, принимаемой при испытаниях, а затем и при определении необходимой площади нагревательной поверхности конкретного прибора.

Результаты экспериментов по определению коэффициента теплопередачи для каждого нового отопительного прибора обрабатывают в виде эмпирических зависимостей:

для теплоносителя - пара

k_пр = m*?t_нⁿ ;

для теплоносителя - воды

k_пр = m ?t_cpⁿ G_отн^p,

где m, n, р - экспериментальные числовые показатели, выражающие влияние конструктивных и гидравлических особенностей отопительного прибора на его коэффициент теплопередачи; ?t_н - разность температуры при теплоносителе паре, принимаемая в соответствии с формулой, исходя из температуры насыщенного пара t_нас в приборе:

?t_н = t_нас- t_в;

?t_cp - разность температуры при теплоносителе воде, принимаемая, как сказано выше, исходя из температуры воды, входящей t_вх и выходящей t_вых из прибора

?t_cp = t_cp - t_в = 0,5(t_вх + t_вых)-t_в;

G_отн - относительный расход воды в приборе, связывающий изменение коэффициента теплопередачи с гидравлическим режимом в приборе и степенью равномерности температурного поля на его внешней поверхности.

Относительный расход воды - это отношение действительного расхода воды в конкретном отопительном приборе к номинальному расходу, принятому при тепловых испытаниях образцов приборов. В настоящее время при испытании образцов приборов за такой расход принят расход воды    360 кг/ч (0,1 кг/с), поэтому

G_отн = G_np / 360.

Ранее испытания каждого вида приборов проводились при различном номинальном расходе воды (например, для радиаторов был принят расход 17,4 кг/(ч*м²), для конвекторов -
300 кг/ч).

Получаемые значения коэффициента теплопередачи при t_г - t_в = 70 °С, расходе воды 360 кг/ч (0,1 кг/с) и расчетном атмосферном давлении 1013,3 гПа называют номинальными. Для секционного радиатора, например, номинальный коэффициент теплопередачи равен
10,9 Вт/(м² °С).

Среди второстепенных факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи приборов систем водяного отопления, прежде всего, укажем на расход воды G_пр, включенный в формулу
k_пр = m ?t_cpⁿ G_отн^p. В зависимости от расхода воды изменяются скорость движения w и режим течения воды в приборе, т. е. условия теплообмена на его внутренней поверхности. Кроме того, изменяется равномерность температурного поля на внешней поверхности прибора.

На равномерность температурного поля на внешней поверхности отопительных приборов отражается также направление движения воды внутри прибора, связанное с местами ее подвода и отведения, т. е. способ соединения приборов с теплопроводами.

Способ соединения приборов или их нагревательных элементов с трубами, изменяющий условия подачи, растекания, внутренней циркуляции, слияния и отведения потоков теплоносителя, называют схемой присоединения.

Все схемы присоединения отопительных приборов к трубам систем отопления разделены на три группы. Радиаторы чугунные секционные и стальные панельные выделены в первую группу, конвекторы с кожухом - в третью, остальные приборы с трубчатыми нагревательными элементами отнесены ко второй группе.

На рисунке представлены три основные схемы присоединения секционных и панельных радиаторов. Наиболее равномерной и высокой температура поверхности радиаторов получается при схеме присоединения "сверху-вниз" (схема 1), когда нагретая вода подводится к верхней пробке радиатора, а охлажденная вода отводится от нижней пробки. Поэтому значение коэффициента теплопередачи будет в этом случае всегда выше, чем при движении воды ""снизу-вниз" (схема 2) и особенно "снизу-вверх" (схема 3).

Основные схемы присоединения радиаторов к теплопроводам систем водяного отопления

Для схем присоединения конвекторов без кожуха, ребристых и гладких труб характерны параллельное и последовательное по движению воды соединение отдельных нагревательных элементов при расположении их в один-четыре яруса по высоте и в один-два ряда по глубине. Две из них показаны на рисунке: с последовательным соединением (а) и с попарным параллельно-последовательным соединением нагревательных элементов (б) при расположении их в четыре яруса.

Гладкотрубный отопительный прибор (змеевиковая форма соединения труб)	Змеевиковая форма соединения труб в гладкотрубном отопительном приборе	Регистровая форма соединения труб в гладкотрубном отопительном приборе
	1 - нитки; 2 - колонка; 3 - калачи; 4 - заглушка

В схемах присоединения для конвекторов с кожухом возможны горизонтальное и вертикальное расположение труб нагревателя, а также последовательное и параллельное движение воды по трубам. На рисунке ниже, а показан, например, нагреватель с горизонтально расположенными трубами в конвекторе «Комфорт-20». В более современной конструкции конвектора «Универсал-20» малой глубины (100 мм) трубы в нагревателе помещены по вертикали, что вызывает понижение номинального коэффициента теплопередачи до 5,1 Вт/(м²*°С). В конвекторе «Универсал-С» средней глубины (160 мм) греющие трубы расположены по две в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что приводит к дальнейшему уменьшению значения номинального коэффициента теплопередачи до 4,93 Вт/(м²*°С).

Конструкция конвекторов: а - с кожухом; б - без кожуха; 1 - канал для теплоносителя; 2 - оребрение; 3 - кожух; 4 - решётка; 5 - воздушный клапан.

На коэффициент теплопередачи влияют также следующие второстепенные факторы.

Скорость движения воздуха у внешней поверхности прибора. При установке прибора у внутреннего ограждения k_пр повышается за счет усиления циркуляции воздуха в помещении. Также повышается к при увеличении высоты кожуха конвекторов.

Конструкция ограждения прибора. Коэффициент теплопередачи уменьшается при переносе свободно установленного прибора в нишу стены. Декоративное ограждение отопительного прибора, выполненное без учета теплотехнических требований, может значительно уменьшить k_пp.

Расчетное значение атмосферного давления, установленное для места расположения здания. При пониженном давлении но сравнению с номинальным (1013,3 гПа) коэффициент теплопередачи также понижается вследствие уменьшения плотности воздуха. Так, при расчетном давлении 970 гПа поправочный коэффициент к k_пр составит 0,98.

Окраска отопительного прибора. Состав и цвет краски могут несколько изменять коэффициент теплопередачи. Краски, обладающие высокой излучательной способностью, увеличивают теплоотдачу прибора, и наоборот. Например, окраска цинковыми белилами повышает теплопередачу чугунного секционного радиатора на 2,2 %, нанесение алюминиевой краски, растворенной в нитролаке, уменьшает ее на 8,5 %. Влияние окраски связано также с конструкцией прибора. Нанесение алюминиевой краски на поверхность панельного радиатора - прибора с повышенным излучением - снижает теплопередачу на 13 %. Окраска конвекторов и ребристых труб незначительно влияет на их теплопередачу.

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