CC BY
13
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.113.11.011
ВЛИЯНИЕ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ТЕПЛОВОЙ ПОТОК РАДИАТОРОВ СЕКЦИОННОГО ТИПА
Научная статья
Пухкал В.А.1' *, Маркарян С.Р.2
1 ОЯСГО: 0000-0003-1380-4115; 1 2 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия
*
Корреспондирующий автор (pval 111 [at]rambler.ru)
Аннотация
При выполнении теплового расчета отопительных приборов секционного типа в системах водяного отопления учитывается зависимость теплового потока от расхода теплоносителя. Схема движения теплоносителя в отопительном приборе «сверху-вниз» характеризуется максимальным значением теплового потока, поэтому разрабатываются технические решения позволяющие осуществлять эту схему при подключении отопительного прибора снизу-вниз.
В гидродинамическом программном комплексе STAR CCM+ проведены исследования секционного биметаллического радиатора «Base 500» из 5 секций. Исследованы схемы движения теплоносителя «сверху-вниз» с односторонним присоединением, «снизу-вниз» и «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана. Определены распределения температур и скоростей потока теплоносителя в отопительном приборе секционного типа при исследованных схемах движения теплоносителя.
Установлено, что при подключении отопительного прибора по схеме «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана тепловой поток отопительного прибора при номинальном расходе соответствует тепловому потоку при схеме «сверху-вниз».
Определены значения показателей степени в зависимости поправочного коэффициента, учитывающего влияние массового расхода теплоносителя на тепловой поток отопительного прибора.
Ключевые слова: отопление, секционный радиатор, расход теплоносителя, тепловой поток.
ON THE INFLUENCE OF COOLANT FLOW ON THE HEAT FLOW OF SECTIONAL RADIATORS
Research article
Pukhkal V.A.1 *, Markaryan S.R.2
1 ORCID: 0000-0003-1380-4115;
1 2 Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Saint Petersburg, Russia
*
Corresponding author (pva1111 [at]rambler.ru)
Abstract
When performing the thermal calculation of sectional heating devices in water heating systems, the dependence of the heat flow on the flow rate of the coolant is taken into account. The "top-down" flow diagram of the coolant in the heating device is characterized by the maximum value of the heat flow, therefore there are technical solutions in development that allow this scheme to be implemented when connecting the heating device from bottom-down.
Using the hydrodynamic software package STAR CCM+, the article carries out a study of a sectional bimetallic radiator "Base 500" with 5 sections. The authors explore the flow patterns of the coolant "top-down" with one-way connection, the "bottom-down" and "bottom-down" flow with the installation of an internal spring valve. The article determines the distributions of temperatures and velocities of the coolant flow in a section-type heating device with the discussed flow patterns of the coolant.
It is established that when the heating device is connected according to the "bottom-down" scheme with the installation of an internal spring valve, the heat flow of the heating device at the nominal flow rate corresponds to the heat flow with the "top-down" scheme.
The values of the degree indicators are determined depending on the correction factor, which takes into account the influence of the mass flow of the coolant on the heat flow of the heating device.
Keywords: heating, sectional radiator, coolant flow, heat flow.
Введение
При проектировании систем водяного отопления выполняется тепловой расчет отопительных приборов, целью которого является определение числа секций отопительных приборов секционного типа. При этом рассчитывается комплексный коэффициент приведения номинального условного теплового потока к расчетным условиям применения отопительного прибора, зависящий от расхода теплоносителя. Методика расчета изложена в литературных источниках [1], [2], [4], [5].
В рекомендациях по применению отопительных приборов, например, алюминиевого секционного радиатора повышенной прочности «RIFAR Alum 500» [5], учет изменения теплового потока отопительного прибора при отличии расчётного массового расхода теплоносителя от нормального (0,1 кг/с; 360 кг/ч) производится с помощью безразмерного поправочного коэффициента [5, С. 20]
fi =
Gnp
(1)
где G - расход теплоносителя в приборе, кг/ч;
р - экспериментальное численное значение.
Значения показателя степени р зависят от типа отопительного прибора, расхода и направления движения теплоносителя в отопительном приборе [1, С. 44].
Секционные радиаторы подключаются к системе отопления по трём основным схемам движения теплоносителя в отопительном приборе (рисунок 1) [1], [3], [5], [6]:
- схема «сверху-вниз»; подключение может быть как односторонним, так и двухсторонним;
- схема «снизу-вверх»;
- схема «снизу-вниз».
а) - схема «сверху-вниз», одностороннее присоединение; б) - схема «сверху-вниз», двухстороннее присоединение; в) - схема «снизу-вверх», одностороннее присоединение; г) - схема «снизу-вниз», двухстороннее присоединение; д) -схема «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана для создания схемы движения теплоносителя
в радиаторе «сверху-вниз», двухстороннее присоединение
При схеме движения «сверху-вниз» тепловой поток отопительного прибора максимальный, а в остальных случаях уменьшается. Поэтому для увеличения теплового потока радиаторов применяются технические решения, реализующие схему движения теплоносителя «сверху-вниз» при схеме подключения «снизу-вниз». Для этого в нижний коллектор радиатора в месте подачи теплоносителя устанавливается внутренний пружинный клапан (рисунок 1,д) [6, С. 44]. В этом случае перекрывается нижний горизонтальный коллектор во второй секции и теплоноситель по первой
вертикальной трубке поднимается в верхний горизонтальный коллектор, а в остальных трубках движется по схеме «сверху-вниз» (рисунок 1,д).
Имеются результаты исследований при схемах движения теплоносителя в отопительном приборе «сверху-вниз», «снизу-вверх» и «снизу-вниз» [1], [6], [8], [9]. Данные об исследованиях теплового потока отопительных приборов с внутренним пружинным клапаном при схеме подключения «снизу-вниз» в литературных источниках не найдены.
Целью настоящей работы является исследование влияния расхода теплоносителя на тепловой поток секционных радиаторов при присоединении по схеме «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана.
Методы исследования
Проведены виртуальные исследования в гидродинамическом программном комплексе STAR CCM+ [10], [12], [13]. Для испытаний принят секционный биметаллический радиатор «Rifar» модели «Base 500» [4], состоящий из 5 секций. Основные характеристики прибора:
- номинальный тепловой поток 1 секции - 197 Вт;
- межосевое расстояние - 500 мм;
- габаритные размеры секции - 80x570x100 мм;
- секция прибора имеет 2 горизонтальных коллекторных канала (верхний и нижний) и 1 вертикальный канал;
- все каналы имеют круглое сечение;
- внутренняя поверхность прибора образована стальными трубами;
- соединение секций выполняется с помощью резьбовых муфт (ниппелей);
- наружная поверхность прибора имеет развитое оребрение.
Испытания отопительного прибора проведены в камере размерами 4х4х3 м [6]. Методика испытаний принята в соответствии с требованиями [6]. Пример испытаний отопительного прибора в камере приведен на рисунке 2.
0.18 0.37 0.55 0.73 0.92 Velocity: Magnitude (m/s) Рис. 2 - Камера для испытаний отопительных приборов
Примечание: линии тока воздуха в камере; номинальный расход теплоносителя и температурный напор;
схема подключения «сверху-вниз»
Основные результаты и обсуждение
Выполнено исследование влияния расхода теплоносителя на тепловой поток отопительного прибора при схемах движения теплоносителя:
- «сверху-вниз» с односторонним присоединением (рисунок 1,а);
- «снизу-вниз» (рисунок 1,г);
- «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана (рисунок 1,д). Диапазон изменения расходов принят от 36 кг/ч до 540 кг/ч.
Схема подключения и движения теплоносителя «сверху-вниз»
При минимальном расходе (О =36 кг/ч) температура и скорость теплоносителя равномерно распределены во всех
трубках прибора; диапазон скоростей - 0,012^0,048 м/с, температура теплоносителя на входе в прибор - 90 °С (см. рисунок 3).
При этом в центральной части вертикальных каналов наблюдается движение теплоносителя вверх со скоростью 0,04^0,08 м/с, а у стенок более интенсивное движение вниз со скоростью 0,08^0,2 м/с; между этими потоками образуется зона завихрений (вертикальные полосы со скоростью 0^0,04 м/с на рисунке 4).
При максимальном из испытанных расходе (О =540 кг/ч) распределение температур и скоростей теплоносителя
соответствует распределению при номинальных расходе теплоносителя: движение во всём объеме вертикальных трубок сверху-вниз (см. рисунок 5).
а)
б)
Рис. 3 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «сверху-вниз»
Примечание: Опр =36 кг/ч
Рис. 4 - Векторное поле скоростей теплоносителя (а) и фрагмент скалярного поля скоростей теплоносителя с линиями тока во второй трубке со стороны подключения (б) при схеме «сверху-вниз»
Примечание: Опр =36 кг/ч; средний температурный напор - 61,5 °С
а)
б)
Рис. 5 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «сверху-вниз»
Примечание: Ор =540 кг/ч
Схема подключения и движения теплоносителя «снизу-вниз»
При минимальном расходе теплоноситель в первой секции поднимается в верхний коллектор со скоростью 0,105^0,135 м/с, в вертикальных каналах остальных секций наблюдается равномерное движение теплоносителя вверх в диапазоне скоростей 0^0,045 м/с (рисунок 6). При этом во всех секциях, включая первую, вдоль стенок теплоноситель движется вниз, между потоками образуется зона завихрений, аналогично схеме «сверху-вниз», скорость в нисходящем потоке находится в диапазоне 0,03^0,12 м/с в первой секции и 0,04^0,2 м/с в остальных секциях. В вертикальных каналах секций начиная со второй, в отличие от схемы «сверху-вниз», наблюдаются завихрения не только в зоне между потоками, но и в основном объеме восходящего потока.
При максимальном расходе О =540 кг/ч теплоноситель движется аналогично случаю с номинальным расходом:
по первой и второй секции теплоноситель поднимается в верхний коллектор, в третьей секции наблюдается также движение вверх, но с зонами завихрений в основном потоке, в четвертой секции циркуляция почти отсутствует, в пятой секции теплоноситель движется вниз (см. рисунок 7). При этом вдоль стенок вертикальных каналов наблюдается движение вниз.
а)
б)
70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 0 0.03 0.06 0.09 0.12
Temperature (С) Velocity: Magnitude (m/s)
Рис. 6 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «снизу-вниз»
Примечание: Gnp =36 кг/ч
а)
б)
82 84 86 88 90 0 0,06 0.12 0.18 0.24 0.3 0,36
Temperature (С) Velocity: Magnitude (m/s)
Рис. 7 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «снизу-вниз»
Примечание: Gnp =540 кг/ч
Схема подключения «снизу-вниз» с внутренним пружинным клапаном
Для схемы «снизу-вниз» с внутренним пружинным клапаном при минимальном расходе (О =36 кг/ч) характерно
распределение теплоносителя, идентичное схеме «снизу-вниз», как в основном объеме теплоносителя, так и у стенок вертикальных каналов. В канале первой секции скорость находится в диапазоне 0,105^0,135 м/с, в остальных секциях -в диапазоне 0^0,045 м/с. Наблюдается равномерное распределение температур теплоносителя в секциях, начиная со второй. Для схем «снизу-вниз» и «снизу-вниз» с внутренним пружинным клапаном характерны и схожие значения теплового потока (155,8 и 153,0 Вт, соответственно).
а)
б)
Рис. 8 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «снизу-вниз»
с внутренним пружинным клапаном
Примечание: Опр =36 кг/ч
При схеме «снизу-вниз» с внутренним пружинным клапаном схема движения теплоносителя внутри прибора и распределение температур при максимальном расходе Опр =540 кг/ч не отличается от случая с номинальным расходом
(см. рисунок 9).
а)
б)
Рис. 9 - Поля температур (а) и скоростей (б) теплоносителя при схеме подключения «снизу-вниз»
с внутренним пружинным клапаном
Примечание: О =540 кг/ч
В вертикальном канале первой секции теплоноситель поднимается в верхний коллектор. Далее теплоноситель распространяется по верхнему коллектору. На выходе из первой трубки поток теплоносителя «прилипает» к верхней части коллектора, При распределении теплоносителя по остальным трубкам скорость в них возрастает по мере удаления
от стороны подключения подачи. Температура теплоносителя в трубках при этом остается равномерной. В основном объеме нижнего коллектора присутствует застойная зона в области первой и второй трубки. В целом в трубках со второй по пятую наблюдается равномерное распределение теплоносителя, сравнимое с распределением при схеме «сверху-вниз».
Рузультаты определения теплового потока радиатора модели «Base 500» из 5 секций при исследованных схемах подключения и движения теплоносителя и одинаковой температуре теплоносителя на входе в отопительный прибор приведены на рисунке 10. Численные значения показателя степени p в зависимости (1) приведены в таблице 1.
Установлено, что при расходе теплоносителя более 160 кг/ч тепловой поток отопительного прибора изменяется незначительно для всех исследованных схем подключения отопительного прибора. Применение внутреннего пружинного клапана при расходах теплоносителя 160 кг/ч и более позволяет получить тепловой поток отопительного прибора, равный тепловому потоку при схеме движения теплоносителя «сверху-вниз» (отличие не более 1%). При снижении расхода теплоносителя от 160 до 36 кг/ч превышение теплового потока относительно схемы «сверху-вниз» составит 2,4%.
Q, Вт 1000
900
800
700
600
500
0
100
200
300
400
500
600 G, кг/ч
—- "сверху-вниз"; - "снизу-вниз"; - "снизу-вниз" с клапаном Рис. 10 - Зависимость теплового потока от расхода теплоносителя биметаллическоо радиатора «Base 500» из 5 секций
Таблица 1 - Значения показателя степени p в зависимости (1)
Схема подключения Значения p при расходах теплоносителя
менее 160 кг/ч от 160 до 540 кг/ч
Сверху-вниз 0,096 0,022
Снизу-вниз 0,041 0
Снизу-вниз с внутренним пружинным клапаном 0,088 0,014
Заключение
1. Исследовано влияние расхода теплоносителя на тепловой поток отопительного прибора секционного типа при схемах движения теплоносителя «сверху-вниз» с односторонним присоединением, «снизу-вниз» и «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана. Определены распределения температур и скоростей потока теплоносителя в отопительном приборе секционного типа при исследованных схемах движения теплоносителя.
2. Установлено, что при подключении отопительного прибора по схеме «снизу-вниз» с установкой внутреннего пружинного клапана тепловой поток отопительного прибора при номинальном расходе соответствует тепловому потоку при схеме «сверху-вниз».
3. Определены значения показателей степени в зависимости поправочного коэффициента, учитывающего влияние массового расхода теплоносителя на тепловой поток отопительного прибора.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 1. Отопление / В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави и др.; Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1990. -344 с.
2. Махов Л.М. Отопление / Л.М. Махов. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2014. - 400 с.
3. Отопительные приборы и поверхности. - М.: Издательский Центр «Аква-Терм», 2012. - 84 с.
4. Крупнов Б.А. Отопительные приборы, производимые в России и ближнем зарубежье / Б.А. Крупнов, Д.Б. Крупнов. - Москва: Издательство АСВ, 2015. - 176 с.
5. Рекомендации по применению алюминиевого секционного радиатора повышенной прочности «RIFAR Alum 500». - М.: ООО «Витатерм», 2009. - 35 с.
6. RIFAR. Радиаторы отопления. Технический каталог. 2020. - [Электронный ресурс]. URL: https://rifar.ru/upload/iblock/2ee/katalog_rifar-050320.pdf (дата обращения: 12.09.2021)
7. ГОСТ Р 53583-2009. Приборы отопительные. Методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2010. - 16 с.
8. Arpino F. Influence of installation conditions on heating bodies thermal output: preliminary experimental results / F. Arpino, G. Cortellessa, M. Dell'Isola et al. // Energy Procedia, Volume 101, 2016, pp. 74-80.
9. Marchesi R. Experimental analysis of radiators' thermal output for heat accounting / R. Marchesi, F. Rinaldi, C. Tarini et al. // Thermal Science, 2019, Volume 23, Issue 2 Part B, pp. 989-1002.
10. Basta J. Pocitacova simulace deskovych otopnych teles / J. Basta, R. Vavficka. [Electronic resource]. URL: https://www.tzb-info.cz/2254-pocitacova-simulace-deskovych-otopnych-teles (accessed: 12.09.2021)
11. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А.А. Алямовский. М.: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.
12. Pukhkal, V. Virtual thermal tests of heating devices / V. Pukhkal, // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614 012073. [Electronic resource]. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1614/1/012073 (accessed: 12.09.2021)
13. Гримитлин А.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования / А.М. Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина. - СПб: АВОК Северо-Запад, 2013. - 192 с.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Vnutrennie sanitarno-tekhnicheskie ustrojstva [Internal sanitary facilities]. In 3 parts. Part 1. Otoplenie [Heating] / V.N. Bogoslovskij, B.A. Krupnov, A.N. Skanavi and others; Under edited by I.G. Staroverov and Yu.I. Schiller. - 4th ed., Rev. and add. - M .: Stroyizdat, 1990. - 344 p. [in Russian]
2. Mahov L.M. Otoplenie [Heating] / L.M. Mahov. - M.: Publishing house of the Association of building universities, 2014.
- 400 p. [in Russian]
3. Otopitel'nye pribory i poverkhnosti [Heating devices and surfaces]. - M.: Publishing Center "Aqua-Term", 2012. - 84 p. [in Russian]
4. Krupnov B.A. Otopitel'nye pribory, proizvodimye v Rossii i blizhnem zarubezh'e [Heating devices manufactured in Russia and neighboring countries] / B.A. Krupnov, D.B. Krupnov. - Moskva: ASV Publishing House, 2015. - 176 p. [in Russian]
5. Rekomendacii po primeneniyu alyuminievogo sekcionnogo radiatora povyshennoj prochnosti «RIFAR Alum 500» [Recommendations for the use of the high-strength aluminum sectional radiator «RIFAR Alum 500»]. - M.: OOO «Vitaterm», 2009. - 35 p. [in Russian]
6. RIFAR. Radiatory otopleniya. Tekhnicheskij catalog [Heating radiators. Technical catalog]. 2020. - [Electronic resource]. URL: https://rifar.ru/upload/iblock/2ee/katalog_rifar-050320.pdf (accessed: 12.09.2021) [in Russian]
7. GOST R 53583-2009. Pribory otopitel'nye. Metody ispytanij [Heating devices. Test methods]. - M.: Standartinform, 2010.
- 16 p. [in Russian]
8. Arpino F. Influence of installation conditions on heating bodies thermal output: preliminary experimental results / F. Arpino, G. Cortellessa, M. Dell'Isola et al. // Energy Procedia, Volume 101, 2016, pp. 74-80.
9. Marchesi R. Experimental analysis of radiators' thermal output for heat accounting / R. Marchesi, F. Rinaldi, C. Tarini et al. // Thermal Science, 2019, Volume 23, Issue 2 Part B, pp. 989-1002.
10. Basta J. Pocitacova simulace deskovych otopnych teles [Computer simulation of plate radiators] / J. Basta, R. Vavficka. [Electronic resource]. URL: https://www.tzb-info.cz/2254-pocitacova-simulace-deskovych-otopnych-teles (accessed: 12.09.2021) [in Polish]
11. Alyamovskij A.A. Inzhenernye raschety v SolidWorks Simulation [Engineering calculations in SolidWorks Simulation] / A.A. Alyamovskij. M.: DMK Press, 2010. - 464 p. [in Russian]
12. Pukhkal, V. Virtual thermal tests of heating devices / V. Pukhkal, // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614 012073. [Electronic resource]. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1614/1/012073 (accessed: 12.09.2021)
13. Grimitlin A.M. Matematicheskoe modelirovanie v proektirovanii sistem ventilyacii i kondicionirovaniya [Mathematical modeling in the design of ventilation and air conditioning systems] / A.M. Grimitlin, T.A. Dacyuk, D.M. Denisikhina. - SPb.: AVOK North-West, 2013. - 192 p. [in Russian]
