Повышение удельной мощности отопительных приборов является важной задачей для их разработчиков. Одной из последних идей по повышению теплоотдачи стальных панельных радиаторов является применение перфорированных боковых панелей. Однако данное решение недостаточно исследовано. Цель этой работы заключается в экспериментальной оценке увеличения теплоотдачи панельного радиатора с перфорированной боковой панелью в сравнении с классическим вариантом, а также анализ математической модели.
Задачей исследования является измерение теплового потока на экспериментальных образцах, анализ математической модели, выявление путей повышения точности.
В работе представлены результаты измерения экспериментальных образцов, а также анализ их термограмм. Намечены пути доработки математической модели.
По результатам проведённого эксперимента на изготовленных образцах эффект увеличения мощности не обнаружен, или он оказался менее точности испытательного стенда. Потенциально эффект может быть обнаружен на другой геометрии прибора или боковой перфорации. Для повышения точности математической необходимо учитывать кондуктивный теплообмен пары «боковая панель — тело радиатора».
В настоящее время мощность аналогичных стальных панельных радиаторов различных производителей практически сравнялась и отличается незначительно, поскольку конструкция стального панельного радиатора общеизвестна и примерно одинакова. Учитывая, что тепловой поток отопительного прибора — одна из основных конкурентных характеристик, то любой производитель хотел бы увеличить её без изменения количества металла, используемого при производстве. Одна из таких идей по повышению эффективности приборов отопления была представлена в работе [1]. В данной статье говорится о возможности увеличения мощности отопительного прибора за счёт перфорации боковых панелей стального панельного радиатора. Для проверки реальности данного физического эффекта был проведён эксперимент.
Точность измерений теплового потока принята по годовому внутрилабораторному контролю качества измерений за 2023 год в испытательной теплотехнической лаборатории Научно-исследовательского технологического института «Прогресс» (ОАО «НИТИ «Прогресс»).
Для экспериментальной проверки математической модели были изготовлены боковые декоративные панели, имеющие конвективные окна, в двух вариантах: вариант I — 11 конвективных окон (рис. 1а); вариант II — десять конвективных окон (рис. 1б). Как видно из рис. 1, боковая панель вариант I имеет шесть «входных» окон для забора воздуха и пять «выходных» окон для отвода нагретого воздуха, а боковая панель вариант II имеет аналогичную конструкцию, но «входных» окон пять и «выходных» тоже пять.
Рис. 1. Боковая декоративная панель с 11-ю конвективными окнами (вариант I) [а] и десятью конвективными окнами (вариант II) [б]
Конструкция боковых панелей была максимально приближена к модели в [1], однако полного совпадения достичь не удалось, и окна по геометрии примерно соответствуют «продыхам», предложенным в оригинальном исследовании. Испытания для оценки влияния боковых панелей на тепловой поток в зависимости от длины радиатора проводились на трёх радиаторах типа 22 высотой 500 мм и разной длины (500, 600 и 1000 мм).
Измерения теплового потока проводились в соответствии с методикой по ГОСТ Р 53583–2009 [2] в изотермической камере испытательного стенда испытательной теплотехнической лаборатории ОАО «НИТИ «Прогресс». Результаты испытаний оценивались по «электрическому» методу. Номинальный тепловой поток измерялся при нормальных условиях (п. 3.11 [2]): при температурном напоре 70°C (разность между среднеарифметической температурой теплоносителя в отопительном приборе и температурой воздуха в помещении); при расходе воды через отопительный прибор — 360 кг/ч; при нормальном атмосферном давлении 101325 Па; при движении воды по схеме «сверху-вниз». Радиаторы устанавливались на расстояние от пола до низа прибора 100 мм, от стены до задней стенки прибора — 30 мм. Внутренний размер испытательной камеры — 4000×4000×3000 мм. Стена за отопительным прибором охлаждается и утеплена по всей длине на высоту 1 м, термическое сопротивление слоя теплоизоляции R = 2,05 м²·°C/Вт. Тепловой поток каждого радиатора измерялся три раза со стандартными боковыми панелями и три раза с боковыми панелями, имеющими конвективные окна. По три измерения проводилось для исключения случайной ошибки и сравнения средних значений номинальных тепловых потоков одного и того же радиатора, но полученных при измерениях с разными боковыми панелями.
Рис. 2. Радиатор 22–500–600 в камере испытательного стенда (стандартные боковые панели)
Результаты измерений теплового потока радиатора типа 22 высотой 500 и длиной 600 мм со стандартными боковыми панелями (рис. 2) и с панелями, имеющими конвективные окна по варианту I (рис. 3), представлены в табл. 1. Как видно из полученных результатов, разница средних значений фактических номинальных тепловых потоков радиатора со стандартными боковыми панелями и с панелями, имеющими конвективные окна, составила 3 Вт или 0,22%.
Рис. 3. Радиатор 22–500–600 в камере испытательного стенда с боковыми панелями, имеющими конвективные окна (вариант I)
Результаты испытаний радиаторов 22–500–1000 и 22–500–500 со стандартными и имеющими конвективные окна боковыми панелями также представлены в табл. 1. Инструментальная погрешность измерения теплового потока «электрическим» методом по [2], оценённая по [3], составляет 0,3%. Погрешность измерения теплового потока по данным внутрилабораторного контроля за 2023 год (внутрилабораторная прецизионность) — 0,7%.
Как видно, полученная разница средних значений тепловых потоков одного и того же радиатора, но с разными боковыми панелями, не выходит за границы погрешности измерения испытательного стенда (±0,7%) и только в одном случае превышает теоретическую инструментальную погрешность стенда (±0,3%), то есть достоверно эффект увеличения мощности отопительного прибора не наблюдается.
Было высказано предположение, что данное расхождение связано с тем, что математическая модель теплообмена в оригинальном исследовании требует доработки, а именно следует учитывать перенос теплоты теплопроводностью (кондукцией) от основного тела радиатора к боковым панелям. Так, разработчики пишут, что боковой экран — изначально холодный, с моделируемой теплоотдачей по граничным условиям третьего рода, боковые плоскости вне источника тепла (yx и yz) обозначены как свободное конвективное поле.
Однако, задавая граничные условия третьего рода, в данном случае теплообмена по Ньютону — Рихману, разработчики предполагают, что боковые панели «висят в воздухе». В то время как в реальности имеется теплообмен с основным телом радиатора по закону Био — Фурье, поскольку панели имеют П-образный профиль, плотную посадку и прижаты к поверхности радиатора.
Рис. 4. Термограмма боковой панели
Наблюдение радиатора в тепловизор при физическом эксперименте при температуре воды в радиаторе +90°C позволяет получить данные, представленные на рис. 4 и 5.
Рис. 5. Распределение температур в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях, проведённых через центр боковой панели отопительного радиатора
Как видно из термограмм, средняя температура боковой панели составляет +57°C при температуре тела радиатора +90°C. То есть боковые панели работают как оребрение, но с ухудшенным тепловым контактом в паре «радиатор — панель». При температуре радиатора +80°C ожидаемая температура боковых панелей будет 45–47°C. В математической модели средняя температура панели получается 25–30°C, рис. 6 (или рис. 8 оригинальной статьи [1]). Очевидно, что математическая модель, разработанная авторами оригинальной статьи [1], требует доработки и проверки корректности на тестовых задачах.
Рис. 6. Распределение температур в математической модели
Следует отметить, что в работе [1] приведены визуализации модели тепло- и массообмена вблизи гладкой и перфорированной пластин (рис. 9 и 12 [1]), однако они не были включены в общую модель отопительного прибора.
Несмотря на указанные несоответствия и замечания, работа [1] по моделированию теплообмена в отопительных приборах, несомненно, интересна, и при соответствующей доработке и проверке физическими экспериментами может быть применена для анализа конструкции отопительных приборов.
Выводы
Результатом физического эксперимента является полученная разница средних значений тепловых потоков одного и того же радиатора, но с разными боковыми панелями, которая не выходит за границы погрешности испытательного стенда ±0,7%. Следовательно, можно сделать вывод, что предложенные конструкции декоративных боковых панелей не оказывают влияния на тепловой поток стального панельного радиатора. С определённой долей вероятности этот вывод можно распространить и на другие типы перфорации боковых панелей.
Реальные отопительные приборы с подобным решением следует проверять последовательным испытанием одного и того же отопительного прибора с цельными и с перфорированными панелями, по аналогии с испытанием, приведённым в статье.
Предложенная в работе [1] модель требует доработки в части учёта переноса теплоты теплопроводностью (кондукцией) от основного тела радиатора к боковым панелям. Также, по мнению авторов, граничные условия следует задавать в соответствии с действующей методикой физического измерения теплового потока отопительного прибора, а именно с [2].
