Что такое коэффициент теплоотдачи, его размерность, как его определить для выполнения расчетов?

В данной рублике представлены рекомендации по применению секционных радиаторов отопления ОАО Чебоксарского агрегатного завода

Тепловой расчет для приборов отопления

Метод теплового расчета являет собой определение площади поверхности каждого отдельного отопительного прибора, который отдает в помещение тепло. Расчет тепловой энергии на отопление в данном случае учитывает максимальный уровень температуры теплоносителя, который предназначен для тех отопительных элементов, для которых и проводится теплотехнический расчет системы отопления. То есть, в случае если теплоноситель – вода, то берется средняя ее температура в отопительной системе. При этом учитывается расход теплоносителя. Точно также, в случае если теплоносителем является пар, то расчет тепла на отопление использует значение высшей температуры пара при определенном уровне давления в отопительном приборе.

Тепловой расчёт отопления: общий порядок

Классический тепловой расчёт отопительной системы являет собой сводный технический документ, который включает в себя обязательные поэтапные стандартные методы вычислений.

Но перед изучением этих подсчётов основных параметров нужно определиться с понятием самой системы отопления.

Система отопления характеризуется принудительной подачей и непроизвольным отводом тепла в помещении.

Основные задачи расчёта и проектирования системы отопления:

• наиболее достоверно определить тепловые потери;
• определить количество и условия использования теплоносителя;
• максимально точно подобрать элементы генерации, перемещения и отдачи тепла.

При постройке системы отопления необходимо первоначально произвести сбор разнообразных данных о помещении/здании, где будет использоваться система отопления. После выполнить расчёт тепловых параметров системы, проанализировать результаты арифметических операций.

На основании полученных данных подобирают компоненты системы отопления с последующей закупкой, установкой и вводом в эксплуатацию.

Примечательно, что указанная методика теплового расчёта позволяет достаточно точно вычислить большое количество величин, которые конкретно описывают будущую систему отопления.

В результате теплового расчёта в наличии будет следующая информация:

• число тепловых потерь, мощность котла;
• количество и тип тепловых радиаторов для каждой комнаты отдельно;
• гидравлические характеристики трубопровода;
• объём, скорость теплоносителя, мощность теплового насоса.

Тепловой расчёт – это не теоретические наброски, а вполне точные и обоснованные итоги, которые рекомендуется использовать на практике при подборе компонентов системы отопления.

Расчет производится на основании 4 с учетом данных 19 методом удельныхлинейных потерь давления.

Гидравлический расчёт в
расчетном режиме.

Основной принцип
гидравлического расчёта: при установившемся движении воды действующий в системе
перепад давления (насосного и
естественного) полностью расходуется на преодоление
сопротивления движению.

Задача
гидравлического расчёта:

-подобрать диаметр
водопроводов исходя из оптимальных скоростей движения воды в них;

-определить
необходимый перепад давления в системе и подобрать насос;

-увязать потери
давления в параллельных участках между собой с допустимой невязкой.

Последовательность
выполнения гидравлического расчёта.

Расчёт начинают с выбора основного
циркуляционного кольца (ОЦК). В рассчитываемой двухтрубной системе ОЦК проходит
через самый дальний отопительный прибор наиболее нагруженной и дальней ветви. В
данном случае выбрана ветвь 7 этажа, ввиду того, что проектируется система с
тупиковым движением теплоносителя и потери давления в ОЦК, проходящем через
данную ветвь, будут наибольшими. Это утверждение справедливо даже с учетом того,
что в верхней ветви будет наибольшим значение естественного циркуляционного
давления, так как эта величина оказывается незначительной в сравнении с
относительно большими ( 3-7 кПа) перепадами давления в кольце в целом и на
автоматических терморегуляторах в частности. Далее:

1.
Находится тепловая нагрузка стояков, как сумма тепловых нагрузок всех отопительных
приборов этих стояков;

2.
Разбивается система на участки (участок – отрезок трубопровода с постоянным расходом)
с указанием их длин , мм;

3.
Находим тепловую нагрузку участков и определяем расход теплоносителя на них по
формуле:

,, где
– удельная теплоёмкость
теплоносителя (воды); с=4,19

4.
По приложению II определяется диаметр d, мм участков и удельные потери , в них по уже известному
расходу теплоносителя, исходя из оптимальных скоростей движения теплоносителя в
них.

5.
Находятся потери давления на участках по формуле:

,Па

6.
Определяются потери давления на местных сопротивлениях , Па;

7.
Суммируются значения и , ,

8.
Далее проводится расчет второстепенных циркуляционных колец.

В каждом новом кольце рассчитываются только
дополнительные (параллельные и не общие с участками ОЦК) участки. При этом стремятся
к достижению равенства

,

с
максимальной невязкой (расхождением) значений двух частей не более 15 %.

Примечания:
— в условиях применения в системе автоматических терморегуляторов, основным
приемом увязки колец становится определение преднастроек регуляторов по данным рис
2.2 — 2.3 ;

— в современных
условиях предполагается возможность полностью исключить диафрагмирование
трубопроводов по данным как крайне нежелательный прием увязки при
конструировании систем.

Расчёт
и конструирование системы проводится в табличной форме

Простейший расчет тепловой мощности обогревателя

Существует общепринятый стандарт расчета тепловой мощности обогревателя при высоте помещения не более 3 м. На 10 метров квадратных площади устанавливается 1 кВт мощности прибора.

Эта формула неплохо работает при расчетах электрических отопительных приборов в помещениях с идеальными условиями — высокой теплоизоляцией, минимальной теплопотерей и одним окном с утепленным стеклопакетом. Но существует и примитивный вариант расчета, позволяющий учитывать и высоту комнат.

Простой расчет тепловой нагрузки (Q) помещения:

V (объем помещения/м3) х 40 Вт/1000 = Q (кВт/ч)

Эта формула не позволяет допустить ошибок, связанных с грубым расчетом по принципу 1 кВт на 10 м2 т.к., учитывает объем комнаты включая высоту потолков. Однако и при таком расчёте легко совершить оплошность и приобрести «слабый» прибор — не учтено много важных факторов.

Пример расчетов

Вводные данные: гостиная в частном доме, ВхШхД – 4х5х6 м.

По первой формуле мы выясняем площадь помещения – 5х6 = 30 м2 и умножаем на 1 кВт. Получается, что нам потребуется обогреватель на 3 кВт.

Но эти расчеты не гарантируют, что, купив обогреватель мощностью 3 кВт, вы получите комфортную температуру в помещении — в столь примитивном расчете даже не учитывается температура за окном. Если в средней полосе 3 кВт могут и справится с отоплением такой гостиной, но на севере с -35 за окном можете не сомневаться, разочарование от покупки и стучащие зубы вам обеспечены.

По второй формуле мы выясняем объем помещения – 4х5х6 = 120 м3.

V х 40 Вт/1000 = 120 х 40 / 1000 = 4,8 кВт

Как можно видеть вторая формула более точно отражает необходимую потребность помещения в тепле. Кроме того учитывайте, что эти расчеты обычно применяются в электрических обогревателях, а с прибором мощностью 5 кВт в час вы разоритесь на счетах за электроэнергию, да и далеко не вся проводка выдержит подобную нагрузку.

Определение и формула коэффициента теплоотдачи

Конвективный теплообмен — обмен теплотой между частями жидкости (газа), имеющими разную температуру или между жидкостью (газом) и твердым телом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквой . Коэффициент равен:

   

где — плотность теплового потока, — температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Иногда температурный напор находят, например, в случае обтекания тела потоком сжимаемой жидкостью, считают равным модулю разности температуры жидкости далеко от тела и температурой поверхности тела, которая была бы в отсутствии теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д. Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

Так, для условий свободной конвекции воздуха: (Вт/м2К), воды: (Вт/м2К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: (Вт/м2К), для воды: (Вт/м2К).

Коэффициент теплоотдачи[править | править код]

Коэффициент пропорциональности α {displaystyle alpha }  — коэффициент теплоотдачи (англ.) — плотность теплового потока при перепаде температур на 1 K, измеряется в Вт/(м²·К). В реальности он не всегда постоянен и может даже зависеть от разности температур, делая закон приблизительным. Если рассматривать тепловой поток как вектор, то он направлен перпендикулярно площадке поверхности, через которую протекает.

α {displaystyle alpha }  — количество теплоты, отдаваемое с 1 м² поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре. Он зависит:

• от вида теплоносителя и его температуры;
• от температуры напора, вида конвекции и режима течения;
• от состояния поверхности и направления обтекания;
• от геометрии тела.

Поэтому α {displaystyle alpha }  — функция процесса теплоотдачи; величина расчётная, а не табличная; определяется экспериментально.

Эквивалентная запись:

d d t ∂ ∂ S Q = α Δ T . {displaystyle {frac {d}{dt}}{frac {partial }{partial S}}Q=alpha Delta T.}

Из вышеприведённой дифференциальной формулировки можно вывести интегральную:

Закон Ньютона служит одним из видов граничных условий (синоним — «условия третьего рода»), которые ставятся в задачах теплопроводности. В этом случае он записывается так (учтён также закон Фурье):

∂ T ∂ n = k ( T o u t − T i n ) . {displaystyle {frac {partial T}{partial n}}=k(T_{mathrm {out} }-T_{mathrm {in} }).}

Заметим, что данный закон описывает ситуацию только на границе тела, внутри же температура определяется температуропроводностью тела. Тепловой поток внутри тела определяется по закону Фурье, что позволяет найти распределение, решив уравнение теплопроводности.

Если внутренняя теплопроводность намного больше, чем коэффициент теплоотдачи (иначе: маленькое число Био), то внутри устанавливается почти однородная температура (если на всей поверхности также она одинакова) и тогда можно записать уравнение охлаждения тела в виде:

∂ T ∂ t = k ( T o u t − T ) . {displaystyle {frac {partial T}{partial t}}=k(T_{mathrm {out} }-T).}

Здесь коэффициент k = α S C {displaystyle k={frac {alpha S}{C}}} , где C {displaystyle C}  — теплоёмкость тела.

Из этого уравнения несложно получить, что температура тела в такой ситуации будет приближаться по экспоненте к температуре окружающей среды T o u t {displaystyle T_{mathrm {out} }} :

T ( t ) = T o u t + e − k t ( T 0 − T o u t ) . {displaystyle T(t)=T_{mathrm {out} }+e^{-kt}(T_{0}-T_{mathrm {out} }).}

Сравнение показателей: анализ и таблица

Помимо материала, из которого изготовлен прибор, на коэффициент мощности влияет межосевое расстояние – высота между осями верхнего и нижнего выходов. Также существенное влияние на КПД оказывает величина теплопроводности.

Тип радиатора	Межосевое расстояние (мм)	Теплоотдача (КВт)	Температура теплоносителя ( С)
Алюминиевые	350	0,139	130
500	0,183
Стальные	500	0,150	120
Биметаллические	350	0,136	135
500	0,2
Чугунные	300	0,14	130
500	0,16
Медные	500	0,38	150

Дополнительные коэффициенты для расчетов объема батарей

При вычислении количества радиаторов можно воспользоваться компьютерными программами, таблицами мощности чугунных радиаторов отопления и общепринятыми методами, с учетом метража.

Для обогрева комнат затрачивается порядка 100 Вт тепловой мощности на 1 квадратный метр. Для стандартных вычислений за основу можно взять параметры типовой застройки, включая низкие потолки – около 2,6 м. Обычно делается поправка на тепловую емкость металла, когда площадь умножается на общий метраж (с округлением).

У каждой комнаты свои особенности, именно они определяют расходы на отопление и поддержание тепла:

• Материал наружных стен и внутренних перегородок в доме.
• Количество окон и дверей, вентиляции, других конструктивных элементов, через которые идет потеря тепла.
• Количество внутренних стен и угловых стен, они более холодные, особенно северные и восточные стороны дома.
• Этажность – первый и последний с холодным чердаком дают дополнительный коэффициент при расчетах.
• Наличие смежного холодного балкона. Утепленная лоджия снижает потребность в дополнительных расходах, расчет батарей отопления на площадь комнаты при округлении уменьшают.
• Другие источники тепла (печь, СПЛИТ-система, теплый пол, работающая аппаратура или камин).
• Утепление поверхностей (пола стен и потолка).
• Погодно-климатические факторы. Северные широты, горные районы и побережье океана с пронзительными ветрами – это дополнительное утепление.
• Наличие эркера, панорамных и французских окон с низкими подоконниками.

Общая формула вычислений выглядит примерно так:

Количество секций = 100 Вт/кв. м* П*К1*К2*К3*К4*К5*К6*К7…

Количество секций лучше оставить с запасом, но установить на каждый радиатор терморегулирующий клапан, чтобы перекрывать поток теплоносителя при потеплении.

Если помещение достаточно теплое, общее количество сегментов можно снизить на 2-3, особенно когда предстоит покупка новых теплоемких моделей.

Если суммарные показатели дают дополнительный «холод», то к расчету количества батарей отопления добавляют 15-20% или умножают полученный показатель на коэффициент 1,3.

Пример №1

Необходимо определить правильное количество секций для радиатора М140-А, который будет установлен в помещении, расположенном на верхнем этаже. При этом стена наружная, под подоконником ниша отсутствует. А расстояние от него до радиатора составляет всего 4 см. Высота помещения 2,7 м. Qn=1410 Вт, а tв=18 °С. Условия подключения радиатора: подсоединения к однотрубному стояку проточно-регулируемого типа (Dy20, кран КРТ с подводкой 0,4 м); разводка отопительной системы верхняя, tг = 105°С, а расход теплоносителя по стояку составляет Gст = 300 кг/ч. Разница температуры теплоносителя подающего стояка и рассматриваемого составляет 2°С.

Определяем средний показатель температуры в радиаторе:

tср = (105 — 2) — 0,5х1410х1,06х1,02х3,6 / (4,187х300) = 100,8 °С.

Опираясь на полученные данные, вычисляем плотность теплового потока:

tср = 100,8 — 18 = 82,8 °С

При этом следует отметить, что произошло незначительное изменение уровня расхода воды (360 до 300 кг/ч). Данный параметр практически никак не влияет на qnp.

Qпр =650(82,8/70)1+0,3=809Вт/м2.

Далее определяем уровень теплоотдачи горизонтально (1г = 0,8 м) и вертикально (1в = 2,7 — 0,5 = 2,2 м) расположенных труб. Для этого следует воспользоваться формулой Qтр =qвхlв + qгхlг.

Получаем:

Qтр = 93х2,2 + 115х0,8 = 296 Вт.

Рассчитываем площадь требуемого радиатора по формуле Ap = Qnp/qnp  и  Qпp = Qп — µ трхQтр:

Ар =(1410-0,9х296)/809=1,41м2.

Рассчитываем необходимое количество секций радиатора М140-А, учитывая, что площадь одной секции составляет 0,254 м2:

м2 (µ4=1,05, µ 3 = 0,97 + 0,06 / 1,41= 1,01, воспользуемся формулой µ 3 = 0,97 + 0,06 / Ар  и определяем:

N=(1,41/0,254)х(1,05/1,01)=5,8.
То есть, расчет потребления тепла на отопление показал, что в помещении для достижения максимально комфортной температуры следует установить радиатор, состоящий из 6 секций.

Факторы, которые влияют на показатели

Материал изготовления

Наибольшей теплоотдачей обладают медные и алюминиевые конвекторы. Самый низкий коэффициент мощности наблюдается у чугунных батарей, но он компенсируется их способностью сохранять тепло длительное время.

На эффективность КПД влияет правильный монтаж теплоприборов:

• Оптимальное расстояние между полом и батареей – 70-120 мм, между подоконником – не менее 80 мм.
• Обязательно предусматривается установка воздуховыпускника (крана Маевского).
• Горизонтальное положение теплоприбора.

Радиаторы с лучшей теплоотдачей:

Материал	Модель, производитель	Номинальный тепловой поток (КВт)	Стоимость за секцию (руб)
Алюминий	Royal Thermo Indigo 500	0,195	700,00
Rifar Alum 500	0,183	700,00
Elsotherm AL N 500х85	0,181	500,00
Чугун	STI Нова 500 (секционного типа)	0,120	750,00
Биметалл	Rifar Base Ventil 500	0,204	1100,00
Royal Thermo PianoForte 500	0,185	1500,00
Sira RS Bimetal 500	0,201	1000,00
Сталь	Kermi FTV(FKV) 22 500	2,123 (панель)	8200,00 (панель)

Какие радиаторы выбрать для частного дома наша статья, поможет сделать выбор.

Какие лучше выбрать биметаллические радиаторы, читайте в нашей статье.

Размещение радиаторов

Выделяют следующие типы подключения:

• Диагональное. Подающая труба монтируется к конвектору слева сверху, а выводящая снизу справа.
• Боковое (одностороннее). Подающая и обратная труба крепятся к теплоприбору с одной стороны.
• Нижнее. Обе трубы подводятся к батарее снизу, с противоположных сторон.
• Верхнее. Трубы монтируются к верхним выходам теплоприбора, с обеих сторон.

Самым эффективным способом является диагональное подключение, которое позволяет равномерно нагреться прибору. При небольшом количестве секций, можно повысить мощность посредством бокового подключения.

Если секций одного радиатора более 15, то данная схема будет неэффективной, так как дальняя боковая сторона не будет прогреваться в данной мере.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплоотдачи в системе СИ является:

=Вт/м2К