Анализ теплового расчета теплообменных устройств с учетом коэффициента теплопередачи и уравнения теплового баланса Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

001: 10.12737/22544

Елистратова Ю.В., аспирант, Семиненко А.С., ст. преп.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ УСТРОЙСТВ С УЧЕТОМ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

tgv.bel@gmail.com

Настоящая статья посвящена анализу теплового расчета отопительных приборов, одного из обязательных расчетов систем отопления, обеспечивающего стабильную и эффективную работу систем отопления. Рассмотрен вариант однотрубной системы отопления со смещенными замыкающими участками и верхней разводкой подающий магистрали, показано расхождение в результатах расчета по уравнению теплового баланса отопительного прибора и расчету фактического теплового потока (коэффициента теплопередачи) с учетом отклонения от нормируемых (паспортных) условий эксплуатации. Приведен расчет теплового режима жилых помещений, показано отклонение температуры внутреннего воздуха с учетом расхождения результатов расчета по тепловой энергии.

Ключевые слова: система отопления, тепловой расчет отопительных приоров, уравнение теплового баланса, коэффициент теплопередачи отопительного прибора._

Введение. Проблема энергосбережения в частности систем теплоснабжения в последнее время отражается в целях и задачах ряда законопроектов и правительственных решениях страны. Так законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» прогнозируется значительное снижение энергопотребления системами отопления и вентиляции жилых зданий [1, 3-5, 9] на основании установленных целей данного документа.

На сегодняшний день жилые здания, в большинстве случаев, оборудованы вертикально-однотрубными системами отопления. Одним из мероприятий по повышению энергоэффективности таких систем является установка у нагревательных приборов термостатических клапанов, которые автоматически поддерживают в помещении постоянную температуру на заданном уровне [14-16]. При этом достигается до 20 % экономии тепла, прежде всего за счет снижения непроизводительных затрат теплоты (перетоп и т.п.) [6, 2]. Однако, индивидуальное регулирование с использованием термостатических клапанов имеют определенные недостатки, которые могут оказывать влияние на работу всей системы отопления в целом. В работе [9] рассмотрены некоторые ограничения и отрицательные моменты работы однотрубных систем, оснащенных термостатами.

Однако, для правильного подбора термостатических клапанов необходимо знать зависимость теплоотдачи отопительных приборов от внешних и внутренних факторов и уметь их учитывать.

Цель исследования: анализ теплового расчета отопительных приборов однотрубной системы отопления жилых помещений.

Целью исследования определены задачи исследования:

- аналитическое изучение факторов, влияющих на теплоотдачу отопительных приборов;

- произвести теоретические исследования влияния температурного напора на теплоотдачу радиаторов;

- определить значения температур внутреннего воздуха рассматриваемых помещений, методом численного моделирования с применением ЭВМ [11-121.

Методы исследования включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, сбор фактических данных по характеристикам жилого здания и функционирующей системы отопления в нем, численное моделирование изменения параметра температуры внутреннего воздуха с применением ЭВМ. [11-121

Соблюдение требуемой теплоотдачи отопительного прибора для каждого помещения с известными теплопотерями, обеспечивается подбором площади радиатора с учетом среднего температурного напора согласно формуле [2], Вт:

О=кпр (1)

где Кпр - коэффициент теплопередачи отопительного прибора, Вт/м °С; ^ - площадь отопительного прибора м2; - температурный напор,°С.

Основная часть. Произведем тепловой расчет приборов с учетом регулирования теплового потока для стояка, проходящего через жилые комнаты, однотипных квартир 14-ти этажного жилого дома с верхней подачей теплоносителя.

При этом: 4 - температура внутреннего воздуха, принимаем согласно ГОСТ 12.005-88 [13] и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений, 20 °С; 1н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [2] 1н = -23 °С; площадь наружной стены ^нс=19,8 м2, коэффициент теплопередачи наружной стены Кнс= 0,28 Вт/(м2- °С); площадь оконного проема ^ок=4,5 м2, коэффициент теплопередачи оконного проема Кок= 1,62 Вт/(м2- °С); ^„оЛ=23,4 м2.

Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление вентиляция и кондиционирование» [16] отопление проектируют для обеспечения равномерного нагревания и нормируемой температуры воздуха в помещениях, с учетом:

1. потерь теплоты через ограждающие конструкции;

2. расхода теплоты на нагревание инфиль-трующегося воздуха;

3. бытовых теплопоступлений Qб, поступающих регулярно от электрических приборов, освещения, трубопроводов, людей и других источников (следует принимать не менее 10 Вт на 1 м 2 пола).

Особенность расчета расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха, заключается в том, что его необходимо проводить для двух случаев: при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемой притоком подогретого воздуха Qи в, Вт и при действии теплового и ветрового давлений Qи тв, Вт [2]. При этом для определения Qи в расход удаляемого воздуха Ьн, м3/ч для жилых зданий принимается равным нормативному расходу 3 м3/ч на 1 м2 жилых помещений, а для

Qи тв расход нагреваемого воздуха Он, кг/ч приравнивается количеству инфильтрующегося воздуха, поступающего через неплотности наружных ограждающих конструкций Е Он, кг/ч [2, стр.97].

На основании полученных значений Qи в и Qи тв за расчетный показатель расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха принимается большее из этих значений. В связи с этим, добавочные теплопотери на инфильтрацию являются расчетными и в ряде случаев не равны действительным нуждам тепла на нагрев воздуха.

Расход теплоносителя в стояке - Ост, кг/ч определяется по формуле:

3,6 - Щрасч

С =

с - (г - г )

V вх вых /

(2)

где ЕQрасч, Вт - теплопотери помещений (которые обслуживает рассматриваемый стояк), с учетом того, что Qи =Qив, Вт; с - удельная теплоемкость воды, кДж/(кгК); (^вх-^вых) - температура теплоносителя на входе и выходе из прибора 95;70 °С, соответственно.

Теплопотери через наружные ограждения,

Вт:

Оно = ъ{Кно-¥но)\гв -гн), (3)

¥но- площадь наружных ограждений (световых проемов, наружных стен, пола или потолка подвального или чердачного перекрытия) соответственно, м2; Кно- коэффициент теплопередачи ограждений (световых проемов, наружных стен, пола или потолка подвального или чердачного перекрытия), Вт/(м2- °С).

Согласно [2, стр.96, ф.(9.12)] расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха для каждого помещения с 1 по 14 этажи составляет Qu=1018,8 Вт. При этом расчетные теплопотери для помещений ОРасч2-13 со 2 по 13 этаж и Qрасч1и14 для 1 и 14 этажей с учетом основных теплопотерь через наружные ограждения Оно и Qб, равны, Вт:

бр!3 = (Оно + О - Об )-12 = (785,8 +1018,8 - 234)-12 = 1571-12 = 18852,

(4)

6:14 = (бно + би -бб)-2 = (995,8 +1018,8-234)-2 = 2-1781 = 3561,2,

(5)

Тогда общие теплопотери однотипных помещений с 1 по 14 этаж ЕQрасч=22413 Вт. По формуле (2) расход теплоносителя в стояке Gсm=770 кг/ч.

Расход воды через прибор Опр, кг/ч зависит от коэффициента затекания теплоносителя в прибор а и Gсm, кг/ч:

Спр ^ ' Сст ^

По табл.51 [10, стр.95] для диаметра труб стояка dст=25 мм и Gст=770 кг/ч скорость воды ув =0,385 м/с, тогда по табл.38 [10, стр.62] а=0,312 в соответствии с условными диаметрами d1=25, ^=20, ^=20 мм (рис.1).

Gc.

Рис.1 Схема обвязки нагревательного прибора

Определим Gпр, кг/ч, с учетом значений а и , кг/ч:

О = а■О = 0,312-770,2 = 240,3 ^

пр ст 5 5 5 (1\

Теплопотери помещений через ограждающие конструкции рассчитаны согласно формуле (3) при условии -23 °С. Рассчитаем потери теплоты через наружные ограждения при -20; -10; -5; 0; +8 °С. Полученные данные сведем в табл. 1.

Изменение Qрaсч помещений в зависимости от °С

Таблица 1

Ш, °С -23 -20 -10 -5 0 +8

Qрасч , Вт 1571 1445 1025 816 606 270

Qрасч , Вт 1781 1655 1235 1026 816 480

Для однотрубных систем отопления температура выхода теплоносителя из прибора на верхнем 14 этаже вычисляется по формуле [20], °С:

-3,6^

= -

с■G,

пр

= 88,63

г = а-г + (1 -а)-г = 93,01

вых вых V ; вх ?

(8) (9)

Температура входа теплоносителя в прибор на 13 и последующих этажах равна температуре выхода воды из прибора расположенного на предыдущем этаже соответственно.

На основании формул [1, (4.26; 4.30)] количество секций в радиаторе, обеспечивающих требуемую теплоотдачу определяем по следующей зависимости:

оэ

п =

-- расч

а„

А

■Чф А

(10)

где Qрасч эт - расчетные теплопотери рассматриваемого этажа, равные требуемой теплоотдачи радиатора, Вт; асек - поверхность нагрева одной секции, для радиаторов МС-140 асек =0,244 м2; р4 - поправочный коэффициент, учитывающий способ установки радиатора [7, стр.47], согласно (рис.1) принимаем р4 = 1 [7, стр.47]; р3 - коэффициент, зависящий от количества секций в радиаторе согласно рекомендациям [8, стр.47]; qф -фактическая плотность теплового потока отопительного прибора для условий, отличных от стандартных [1, стр.158] , Вт/м2:

Чф = Чн,

(М Л

ср

1+п

70

(О У

пр

к 360 ,

(11)

qнoM - поверхностная плотность теплового потока отопительного прибора при стандартных

условиях работы, Вт/м2, для чугунных радиаторов МС-140 qнoM= 758 Вт/м2 [8, прил.9]; пир -экспериментальные значения показателей степени принимаем равными п=0,3 и р=0 [7, табл.9.2]; Дtср - средний температурный напор в отопительном приборе на 14 этаже, °С, равный:

М =

ср

г + г

- г =■

95 + 93,01

- 20 = 71,32, (12)

2 в 2 где Д^х и Д^ых - температуры теплоносителя, °С, на входе и выходе из отопительного прибора, расположенного на соответствующем этаже, °С.

Следовательно, дф радиатора на 14 этаже,

Вт:

ч 1+0,3 ^____ Л0

Чф

= 758'

71,32 70

240,3 360

= 783,7

, (13)

При этом количество секции отопительного прибора на 14 этаже принимаем согласно формуле (10) п=10. Для остальных этажей расчет по определению требуемого числа секций радиатора проводим аналогично расчету для 14 этажа.

Учитывая формулу (11), теплоотдача отопительного прибора зависит от коэффициента теплопередачи Кпр, Вт/(м°С). Значение данного коэффициента определяется типом выбранного радиатора и, как правило, приводится в справочной литературе. Так номинальное значение ^^ для чугунного радиатора МС-140 [7, табл. 9.7] составляет (10,83 Вт/м°С).

Следуя рекомендациям [8] коэффициент теплопередачи прибора Кф, Вт/(м2 °С), при условиях отличных от нормальных (когда Д^р=70 °С и Gпр=360 кг/ч), определяется по формуле:

К\4 = К

'ДТ Л _ср

V 70 У

С Лр

V 360у

= 10,83

71,32Л1+а3 Г240,4Ч°

70

360

= 11,2

, (14)

Результаты изменения фактического коэф- его с номинальным значением представим в ви-фициента теплопередачи по этажам и сравнение де диаграммы (рис. 2).

Р

гч

н и

а

12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

10,87

10,52

10,

ЗД7 9,851 ЦЛП

14 13 12 11 10 9

Кф, Вт/м -0С

Кном, Вт/м2 •"С

Рис. 2. Диаграмма изменения фактического коэффициента теплопередачи радиаторов по стояку при движении

теплоносителя «сверху-вниз»

Таким образом, согласно расчетным данным (рис.2) коэффициент теплопередачи прибора изменяется по пути движения теплоносителя и зависит от среднего температурного напора в отопительном приборе Л^р, °С и GпP, кг/ч.

Произведем расчет теплоотдачи отопительных приборов Оф, Вт по формуле (1), но с учетом изменения Кф, Вт/(м2°С), при условиях отличных от нормальных и сравним полученные данные с расчетными значениями теплоотдачи приборов Орасч, Вт (численно равными количеству тепловой энергии отопительным приборов в следствии охлаждения воды от до ^ых, при

2500

известном расходе воды). Результаты представим в виде диаграммы на (рис.3).

По данным диаграммы (рис.3) видно, что значения Оф отличаются от расчетных показателей Орасч, ввиду изменения коэффициента теплопередачи радиаторов по стояку. Таким образом, тепловой расчет радиаторов системы отопления следует проводить с учетом Кф, Вт/(м2°С), зависящего от изменения показателей Л^р, °С и GпP, кг/ч в приборе, что позволяет более точно определить требуемое количество секций радиатора и тем самым приблизится к оптимальному обеспечению благоприятных условий теплового комфорта в помещениях.

14

13

12

11

10

Орасч , Вт

I Цф , Вт

Рис. 3. Диаграмма сравнения расчетного значения теплоотдачи Орасч и теплоотдачи прибора Оф, с учетом изменения коэффициента теплопередачи радиаторов по стояку при движении теплоносителя «сверху-вниз»

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Результаты. Рассчитаем, согласно приведенным расчетным зависимостям, температуру внутреннего воздуха ф1в с реальным значением площади отопительных приборов по этажам,

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

обозначим ее «фактической», но с учетом «фактического» коэффициента теплопередачи радиаторов Кф, Вт/(м2°С), зависящего от изменения

Д^р, °С.

■ 1н=+8 °С

■ 1н=0 °С

■ 1н=-5 °С В1н=-10 °С В1н=-20 °С В1н=-23 °С

Рис. 4 Диаграмма расчетных данных фактической температуры внутреннего воздуха ф1в, °С в помещениях

с 1 по 14 этаж включительно.

Формулу определения фактической температуры внутреннего воздуха ф1в, выведем из уравнения теплового баланса, где количество теплопотерь помещения Q1, равно количеству теплопоступлений Q2, Вт:

01 = 02

о = о = о + о - о.

^ расч ^и

о = ^ -К, -М = п-а -К,-М

¿-■2 пр ф ср с ф ср

(16)

Qр

Вт зависят от ^

(17)

температуры воздуха

(15)

внутри помещения, поэтому приравняв Q1=Q2, получим формулу определения фактической температуры внутреннего воздуха, °С:

ф ^ =

п

''сек!сек1прКф + 1п (РокКок + РсшКсш + 0 28 - ^нф 'Ре^е )

инф

псеК1еЛф + (КкКк + + 0,228" ^нф -Рв )

рв ,св - плотность, кг/м и теплоемкость, кДж/кг0С, внутреннего воздуха соответственно.

Подставив соответствующие значения в формулу (18) для 14 этажа получаем значение ф1в14=22,26 °С, которое на 2,26 °С превышает расчетное значение ^=20°С. Рассчитаем ^в для 13-1 этажей аналогично ф1в14,°С при -23°С. Так же проведем расчет фактического значения температуры внутреннего воздуха для помещений 1-14 этажей при ^ =-20;-10;-5;0; и +8 °С результаты представим в виде диаграммы (рис. 4).

Выводы. Принимая во внимание расчетные данные фактической температуры внутреннего воздуха ф1в, °С при различных условиях можно наблюдать зависимость данного параметра не только от величины ^,°С, но и от условий и точности теплового расчета приборов отопления. Теплофизические свойства теплоносителя и приборов отопления так же определяют показатель площади поверхности нагрева, поэтому их отклонение от номинальных коэффициентов, применяемых в типовых тепловых расчетах си-

инф в / (18)

стем, приводит к неверному решению по установлению требуемой площади радиаторов, что может послужить причиной несоответствия фактической температуры внутри помещения принятым нормам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: уч. для вузов. М.: Стройиздат, 1991. 735 с

2. Еремкин А.И. Королева Т.И. Тепловой режим зданий: учебное пособие /// Ростов н/Д.: Феникс, 2008.

3. Карпов В.Н. О проектировании современных систем отопления в многоэтажных зданиях жилого и общественного назначе-ния//АВОК. 2008. №1. С.74-83.

4. Ливчак. В.И. Автоматизация однотрубных систем отопления по технологии термоста-тирования стояков // Энергосбережение: специализированный журнал. АВОК. М., 2011. № 7. С.28-31

2

1

5. Кущев Л.А., Дронова Г.Л. Пути снижения энергозатрат в жилищно-коммунальном хозяйстве // Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. 2008. №2. С. 24-25.

6. Лопина Е.А., Елистратова Ю.В., Гунько И.В., Семиненко А.С. Об эффективности систем отопления // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3. С. 96.

7. Лобаев Б.Н. Расчет систем отопления. К. «Будiвельник», 1966, С.207.

8. Научно-производственная фирма 000 «ВИТАТЕРМ» Федеральное государственное унитарное предприятие «НИИсантехники». Рекомендации по применению чугунных секционных радиаторов. М.: изд-во «Тайм», 2000.

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

10.Староверов И.Г. Внутренние санитарно-технические устройства в 3 ч. Ч. I. Отопление / В.Н. Богословский, Б.А. Купнов, А.Н. Сканави и др.; Под.ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1990.344с.

1LMinko V.A., Seminenko A.S., Alifanova A.I., Elistratova J.V., Tkach L.V. Assumptions and premises of heating systems hydraulic calculation methods: part 1 // Ecology, Environment and Conservation Paper Vol 21, Issue 1, 2015; Page No.(55-60)

12.Minko V.A., Seminenko A.S., Alifanova A.I., Elistratova J.V., Tkach L.V. Assumptions and premises of heating systems hydraulic calculation methods: part 2 // Ecology, Environment and Conservation Paper Vol 21, Issue 2, 2015; Page No.(1075-1080)

13.ГОСТ 12.005-88 Общие Санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.- М.: ИПК издательство стандартов, 1989.

14. ГОСТ Р 51617-2000 «Жилищно-коммунальные услуги. Общие технические условия», (ГОСТ Р 51617-2014

15.Услуги жилищно-коммунального хозяйства и управления многоквартирными домами. Коммунальные услуги. Общие требования).

16.СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха / Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

Elistratova J.V., Seminenko A.S.

ANALYSIS OF THERMAL CALCULATION OF THE HEATING DEVICES BASED HEAT TRANSFER COEFFICIENT AND THE HEAT BALANCE EQUATION

This article is devoted to the analysis of thermal calculation of the heating devices, one of the required calculations of heating systems, ensuring stable and efficient operation of heating systems. A variant of one-pipe heating system with offset marginal portions and the top layout flow line, shows the difference in calculation results by the equation of heat balance of the heater and calculate the actual heat flow (heat transfer coefficient) taking into account the deviation from the rated (nameplate) conditions. The calculation of a thermal mode ofpremises, shows the deviation of indoor air temperature in view of the divergence of calculation results for thermal energy.

Key words: heating system, thermal calculation of the heating of the priori, the equation of thermal balance, the heat transfer coefficient of the heater.

Елистратова Юлия Васильевна, аспирант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: tgv.bel@gmail.com

Семиненко Артем Сергеевич, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения и вентиляции. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: seminenko.as@gmail.com