Справочник строителя | Особенности отопительных приборов

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

Воздушные системы отопления рационально сочетать с приточной вентиляцией помещений. В качестве нагревательных приборов для повышения температуры подаваемого в помещения воздуха применяются теплообменники, которые часто называют калориферами. Наибольшее применение в системах воздушного отопления и вентиляции получили калориферы отечественного производства типа КСк3 и КСк4, конструктивные особенности которых показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Конструкция теплообменников для нагрева воздуха калориферов КСк3 и КСк4: 1 - теплообменный элемент - биметаллическая оребренная трубка; 2 - трубная решетка с приваренными патрубками; 3 - трубная решетка; 4 - наклонные перегородки в трубных решетках; 5 - щитки с овальными отверстиями для соединения калорифера с воздуховодами

В качестве теплообменного элемента применены биметаллические оребренные трубки 1. Эти трубки изготовляются по оригинальному отечественному методу.

На стальную трубу диаметром 16х 1,6 мм надевается толстостенная алюминиевая труба. Полученное двойное соединение труб закладывается во вращающийся прокатный конус. При вращении прокатного конуса из алюминиевой трубы выдавливаются гладкие ребра с наружным диаметром 39 мм и шагом расположения
ребер по длине трубы 2,8 мм.

Концы стальных труб завариваются в трубные решетки 2 и 3, которые разделены наклонными перегородками 4, образующими многоходовое движение воды по теплоотдающим трубам 1 в фасадном сечении. Трубные решетки 2 и 3 закрываются приварными крышками. Крышка на трубной решетке 2 имеет два приварных патрубка диаметром D, к которым присоединяются трубопроводы подачи и возвращения горячей воды, проходящей по ходам, образованным перегородками 4. В калориферах № 6 и № 10 осуществляется шестиходовое движение воды. В калориферах № 11 и № 12 - восьмиходовое движение. Для соединения калорифера с приточными воздуховодами или с перегородками в приточных агрегатах служат щитки 5, в которых предусмотрены овальные отверстия размером 11x16 мм для установки соединительных болтов и герметизирующих прокладок.

Индекс КСк3 обозначает калорифер из трех рядов оребренных трубок по глубине прохода нагреваемого воздуха. Индекс КСк4 обозначает наличие четырех рядов оребренных трубок по глубине.

Теплотехническая эффективность работы калориферов определяется опытными формулами:

Для калориферов КСк3 коэффициент теплопередачи:

(1)

Для калориферов КСк4 коэффициент теплопередачи:

(2)

где vρ - массовая скорость воздуха в фасадном сечении калорифера, кг/(м²·с); w - скорость воды в трубках одного хода теплообменника, м/с.

Массовая скорость нагреваемого воздуха в фасадном сечении калорифера вычисляется по формуле:

(3)

где L - расход воздуха через калорифер, м³/ч; ρ - массовая плотность воздуха, кг/ м³; 3600 - перевод м³/ч в м³/с; ƒ_ф - фронтальное сечение расположения оребренных трубок в калорифере, м². Фронтальное сечение для прохода воздуха через теплообменные элементы вычисляется по данным табл. 1 по формуле:

(4)

Таблица 1. Технические характеристики калориферов КСк3 и КСк4

№ калорифера	Тип калорифера	Размеры, мм										Поверхность нагрева, м2	Живое сечение по теплоносителю, м2	Количество ходов		Рядность калорифера	Масса, кг	Гидравлический коэффициент, А
		А	А1	А2	А3	Б	Б1	Б2	Dy	N	М			n	m
6	КСк3	538	578	602	684	503	551	575	25	500	375	13,8	0,00085	4	3	3	34,0	13,4
	КСк4											18,1	0,00111			4	41,2	18
7	КСк3	663	703	727	809	503	551	575	25	625	375	17,0	0,00085	5	3	3	46,1	14,6
	КСк4											22,0	0,00111			4	48,0	19
8	КСк3	788	828	852	943	503	551	575	25	750	375	20,0	0,00085	6	3	3	52,8	15,8
	КСк4											26,5	0,00111			4	54,7	20
9	КСк3	913	953	974	1059	503	551	575	25	875	375	23,4	0,00085	7	3	3	59,2	17
	КСк4											30,8	0,00111			4	68,5	22
10	КСк3	1163	1203	1227	1309	503	551	575	25	1125	375	29,8	0,00085	9	3	3	74,2	20
	КСк4											39,2	0,00111			4	81,9	24
11	КСк3	1663	1703	1727	1774	1003	1951	1075	40	1625	875	86,0	0,00258	13	7	3	183,7	37
	КСк4											114,0	0,00341			4	220,5	50
12	КСк3	1663	1703	1727	1774	1503	1551	1575	50	1625	1375	130,0	0,00388	13	11	3	266,3	58
	КСк4											173,0	0,00516			4	340,6	78

 

Скорость воды в трубках одного хода калорифера вычисляется по формуле:

(5)

где G_w - массовый расход воды через калорифер, кг/ч; ρ_w - массовая плотность воды при ее средней температуре в калорифере, кг/м³; ƒ_w - живое сечение одного хода прохода воды в калорифере (принимается по данным табл. 1), м².

Теплотехническую эффективность режимов нагрева воздуха в калориферах удобно оценивать через показатель эффективности, вычисляемый по выражению:

(6)

где t₂ и t₁ - температура нагреваемого воздуха до и после калорифера, °С; t_гw1 - начальная температура горячей воды, поступающей в калорифер, °С.

Показатель теплотехнической эффективности является термодинамической оценкой реального процесса нагрева воздуха (t₂ – t₁) к предельно возможному, когда при бесконечном развитии поверхности теплообменника нагретый воздух t₂ приобретает температуру горячей воды t_гw1. В реальных условиях поверхность калорифера F всегда имеет конечные размеры и показатель теплотехнической эффективности, вычисляемый по выражению (6), всегда меньше единицы.

Зависимость показателя Θ_t от гидродинамических условий протекания процесса нагрева удобно оценивать с помощью двух критериев.

Показатель числа единиц переноса явной теплоты:

(7)

где F - поверхность калорифера со стороны оребрения трубок, м², по которой вычислялись опытные значения коэффициентов теплопередачи к, оцениваемые опытными зависимостями вида (1) и (2); с_р - теплоемкость воздуха, с_р = 1 кДж/(кг·°С); 3,6 - переводной коэффициент теплоемкости воздуха с_р в Вт.

Показатель отношения теплоемкостей потоков воздуха и воды:

(8)

где c_w - теплоемкость воды, c_w = 4,2 кДж/(кг·°С).

Наиболее энергетически эффективной является противоточная схема движения воды и воздуха. Для этой схемы найдена аналитическая зависимость показателя теплотехнической эффективности Θ_t от критериев N_t и W.

По этой аналитической зависимости для практических расчетов построен график, представленный на рис. 2.

Рисунок 2. Графическая зависимость показателя теплотехнической эффективности Θ_t для противоточной схемы движения теплообменивающихся сред

При проходе воздуха со стороны оребренных трубок калориферов затрачивается энергия на преодоление аэродинамического сопротивления, которое вычисляется по формулам:

для калориферов КСк3

(9)

для калориферов КСк4

(10)

где z - число калориферов одного типоразмера, собранных последовательно по потоку прохождения воздуха.

При прохождении воды по трубкам калориферов затрачивается энергия на преодоление гидравлического сопротивления, которая вычисляется по формулам:

для калорифера КСк3

(11)

где А - гидравлический коэффициент, зависящий от длины трубок калорифера и числа ходов; Z_w1 - число последовательно по воде соединенных калориферов.

Для калориферов КСк3 и КСк4 гидравлический коэффициент

А определяется по табл. 1.

График на рис. 2 позволяет проводить расчеты и для режимов нагрева приточного наружного воздуха утилизируемой теплотой из выбросного вытяжного воздуха (см. схему на рис. 3).

Рисунок 3. Схемы приточного I и вытяжного II агрегатов по энергосберегающей технологии приготовления приточного наружного воздуха: 1 - многостворчатый воздушный клапан с ручным или автоматическим приводом; 2 - фильтр для очистки воздуха; 3 - теплоотдающий теплообменник; 4 - теплоизвлекающий теплообменник; 5 - соединительные трубопроводы; 6 - насос циркуляции промежуточного теплоносителя-антифриза; 7 - герметичный расширительный сосуд; 8 - калорифер подогрева от подачи в трубки горячей воды; 9 - приточный вентилятор; 10 - патрубок для присоединения приточного воздуховода; 11 - вытяжной вентилятор; 12 - патрубок присоединения воздуховода выброса воздуха; 13 - блок адиабатного увлажнения воздуха

Последовательность расчета режимов нагрева приточного наружного воздуха рассмотрим на конкретном примере.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: В помещение столовой в расчетных условиях холодного периода года подается в обеденный зал подогретый приточный наружный воздух с t_пн = +20 °С и расходом L_пн = 20 000 м³/ч. Вытяжка отепленного загазованного воздуха осуществляется через местные отсосы на кухне и из верхней зоны кухни в количестве L_у = 18 000 м³/ч при температуре t_у1 = +23 °С и энтальпии l_y1 = 41 кДж/кг.

Требуется: Провести расчет нагрева приточного воздуха в установке утилизации и калорифере, питаемом горячей водой.

Решение: 1. Задаемся параметрами охлажденного и осушенного воздуха по условиям отсутствия обмерзания конденсата: t_y2 = 4 °С, l_y2 = 15,1 кДж/кг (точка у₂ на рис. 4). По формуле  вычисляем количество извлеченной из вытяжного воздуха теплоты:

2. По преобразованной формуле  вычисляем нагрев приточного наружного воздуха утилизируемой теплотой:

или для рассматриваемого примера:

3. Вычисляем температуру приточного наружного воздуха после теплоотдающего теплообменника установки утилизации:

4. Приточный и вытяжной агрегаты размещают в помещениях и поэтому температуру замерзания антифриза - этиленгликоля - принимаем t_аф.зам = -20 °С, концентрацию - 35 %, массовую плотность ρ_аф = 1050 кг/м³ и теплоемкость с_аф = 3,64 кДж/(кг·°С). Температуру нагретого антифриза принимаем t_аф1 = +5 °С, а температуру охлажденного антифриза t_аф2 = -3 °С.

Вычисляем расход антифриза:

5. По формуле (8) вычисляем показатель отношения теплоемкостей потоков приточного наружного воздуха и антифриза в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации:

6. По выражению (6) вычисляем требуемый показатель теплотехнической эффективности теплоотдающего теплообменника для выбранного режима утилизации теплоты вытяжного воздуха:

7. По графику на рис. 2 при заданных значениях Θt_п.н = 0,697 и W_п.н = 0,37 находим требуемую величину показателя N_t = 1,4.

На рис. 2 ход графического нахождения требуемого показателя N_t показан стрелками.

8. По преобразованному выражению (7) вычисляем требуемую удельную тепловую нагрузку на теплоотдающий теплообменник:

(12)

Для рассматриваемого примера по выражению (12) получим:

9. Массовую скорость воздуха в фасадном сечении калориферов рекомендуется принимать в пределах 2,5-3,5 кг/(м²·°С). Скорость антифриза в трубках рекомендуется w_aф = 0,6-1,5 м/с. При этих условиях коэффициент теплопередачи в калориферах k ≈ 38-46 Вт/(м²·°С).

10. Принимаем k = 40 Вт/(м²·°С) и оцениваем потребную поверхность теплообменника:

10.1 По табл. 1 оцениваем варианты сборки калориферов, при которых можно получить поверхность нагрева, близкую к требуемой F= 261 м². Наиболее подходит сборка последовательно по воздуху калориферов КСк3-12.

10.2По формуле (4) вычисляем фасадное сечение ƒ_ф = 1,663·1,503 = 2,5 м².

По формуле (3) вычисляем массовую скорость воздуха в фасадном сечении:

10.3.      По формуле (5) вычисляем скорость антифриза в трубках при противоточном последовательном проходе через два калорифера:

Для сокращения гидравлического сопротивления рационально антифриз подавать параллельно в два калорифера КСк3-12 и скорость антифриза будет w_аф = 0,68 м/с.

10.4.       По формуле (1) вычисляем коэффициент теплопередачи в калорифере:

что близко к первоначально принятому.

10.5.       Вычисляем достигаемую удельную тепловую производительность:

10.6.       Вычисляем процент расхождения действительного и расчетного значения удельной тепловой производительности:

Наличие такого запаса вполне допустимо (запас допускается до 15 %).

11. Вычисляем по формуле (9) аэродинамическое сопротивление собранных последовательно по воздуху двух калориферов КСк3-12:

12. По формуле (11) вычисляем гидравлическое сопротивление проходу антифриза параллельно по двум калориферам КСк3-12:

Гидравлические коэффициенты А по табл. 1 получены для опытов при прохождении по калориферам воды. Вязкость антифриза больше и поэтому гидравлическое сопротивление будет больше на повышающий коэффициент 1,25:

13. Для работы установки утилизации между теплообменниками в приточном и вытяжном агрегатах от работы насоса циркулирует антифриз (см. схему на рис. 3).

В теплоизвлекающий теплообменник охлажденный антифриз поступает с температурой t_аф2 = -3 °С.

14. На рис. 4 представлено построение на l-d-диаграмме влажного воздуха режимов работы установки утилизации в расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы t_н.х = t_н1 = -26 °С, (точка H₁).

Рисунок 4. Построение на l-d-диаграмме состояния влажного воздуха режимов последовательного нагрева приточного наружного воздуха в установке утилизации от теплоты вытяжного воздуха и в калорифере, питаемом горячей водой. Н₁ - Н₂ - нагрев приточного воздуха теплотой, извлеченной из вытяжного воздуха; y₁ - y₂ - режим охлаждения и осушения удаляемого вытяжного воздуха; у₁'- у₂' - условно «сухой» режим охлаждения удаляемого вытяжного воздуха; Н₂ - ПН – нагрев приточного наружного воздуха в калорифере, питаемом горячей водой

Нагрев приточного наружного воздуха утилизируемой теплотой вытяжного воздуха достигается до температуры t_н2 = -4,4 °С (точка H₂). Теплота из вытяжного воздуха извлекается из начального состояния в точке у₁ до конечного - в точке у₂. Соединяем прямой линией точки у₁ и у₂, и продолжаем эту прямую до кривой полного насыщения влажного воздуха φ = 100 % в точке ƒ, которая отвечает минимально допустимой средней температуре t_ƒ = +2 °С на оребренной и поверхности теплоизвлекающего теплообменника. Процесс охлаждения и осушения воздуха y₁ - y₂ трудно правильно рассчитать. Поэтому предложено заменить реальный процесс охлаждения и осушения воздуха на условный режим охлаждения при постоянном влагосодержании d_f = 4,4 г/кг и одинаковом перепаде энтальпий l_y1 – l_y2 с реальным режимом охлаждения и осушения вытяжного воздуха. В точке пересечения энтальпии l_y1 = 41 кДж/кг с вертикалью d_ƒ = 4,4 г/кг получаем точку у₁' с температурой t'_y1 = 29,6 °С, а в пересечении l_y2 =15,1 кДж/кг с d_ƒ =4,4 г/кг получаем точку у'₂ с t'_y2 = +5 °С.

14.1. По выражению (6) вычисляем требуемую теплотехническую эффективность для осуществления условного сухого охлаждения вытяжного воздуха (процесс у₁'- у₂'):

По методике, одинаковой с изложенной в пунктах 4-10 примера расчета, находим требуемую поверхность теплоизвлекающего теплообменника. По результатам расчетов получили, что достаточно применить в вытяжном агрегате два калорифера КСк3-12, как и в приточном агрегате.

15. Гидравлическое сопротивление в присоединительных трубопроводах к насосу составляет 10 кПа. Общее гидравлическое сопротивление контура циркуляции антифриза составляет:

15.1. Затрачиваемая энергия на привод насоса в контуре циркуляции антифриза вычисляется по формуле:

(13)

где Q_W - объем перекачиваемой жидкости, м³/ч; Н_нас - требуемый напор насоса, кПа; η_нас - КПД насоса, можно принять 0,6.

15.2. По формуле (13) получим:

16. На преодоление аэродинамического сопротивления теплообменников установки утилизации затрачивается энергия электродвигателей вентиляторов:

(14)

где ∆p - аэродинамическое сопротивление, кПа; η_вн - КПД вентилятора, равный 0,7.

16.1. Доля расхода энергии в приточном вентиляторе по формуле (14) составит:

16.2. Доля расхода энергии в вытяжном вентиляторе:

17. Общая потребная электрическая мощность на функционирование установки утилизации составляет:

18. В расчетных условиях холодного периода года на нагрев приточного наружного воздуха в установке утилизации извлекается теплота потоком:

19. Энергетическая эффективность преобразования электроэнергии в теплоту определяется показателем:

(15)

При прямом электрическом нагреве в электронагревателе Э_т = 1. Для разработанной установки утилизации в расчетных условиях холодного периода года по (15) получим:

Проведенный расчет показывает на значительные энергетические преимущества утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

20. По заданию приточный наружный воздух должен быть нагрет до t_пн = +20 °С. Вычислим количество теплоты горячей воды, требуемой на догрев приточного наружного воздуха:

(16)

Процесс H₂ - ПН на рис. 4 отвечает режиму нагрева приточного наружного воздуха в калорифере приточного агрегата (см. позицию 8 на рис. 3).

Количество теплоты горячей воды по формуле (16) составит:

21. При снабжении горячей водой от центрального источника температура обратной воды от нагревательных приборов в расчетных условиях холодного периода года должна отвечать температурному графику теплоснабжения и быть не выше 70 °С. По нормативным требованиям СНиП скорость воды в трубках калориферов, питаемых горячей водой, должна быть не ниже w = 0,122 м/с.

21.1. В приточном агрегате конструктивно рационально применить калориферы одинаковых фасадных сечений. В установке утилизации применены калориферы КСк3-12. Из табл. 1 следует, что одинаковое фасадное сечение будет у калорифера КСк3-12, имеющего следующие конструктивные показатели:

21.2. Определяем расход горячей воды через калорифер КСк3-12 в расчетном перепаде температур по горячей воде (95-70) = 25 °С:

21.3. Вычисляем скорость горячей воды в калорифере КСк3-12:

что отвечает требованиям СНиП.

22. По опытной формуле (1) вычисляем коэффициент теплопередачи:

23. По выражению (7) вычисляем достигнутый показатель числа единиц переноса теплоты:

24. По выражению (8) вычисляем показатель отношения теплоемкостей потоков:

25. По графику на рис. 2 при заданных N_t = 0,742 и W = 1,03 находим достигаемый показатель теплотехнической эффективности Θ_twг = 0,42.

26. Преобразуем выражение (6) относительно требуемой начальной температуры горячей воды:

(17)

26.1 Применительно к рассматриваемому примеру по выражению (17) получим:

26.2 Вычислим температуру воды после калорифера:

Приведенный расчет показал, что калорифер в приточном агрегате может потреблять теплоту от обратной воды системы теплоснабжения, что обеспечивает дополнительную экономию в системе воздушного отопления. Для реализации выбранного режима работы калорифера необходимо применение смесительного насоса.