Введение
На протяжении многих последних десятилетний при конструировании и последующем массовом выпуске отопительных приборов заводы-производители придерживались следующей последовательности решаемых задач. Первоочередным образом преодолевались трудности технологии производства. Известный всем чугунный секционный радиатор имеет характерную запоминающуюся форму во многом потому, что именно такой её позволяли реализовать имевшиеся в распоряжении литейных и машиностроительных производств технологии первой половины и середины ХХ века. Чугун имеет характерные ограничения по текучести и способности принимать форму при расплавлении, а также вполне конкретные характеристики по сохранению формы и прочности при определённых толщинах стенок и пластин оребрения. С учётом некоторой инерционности во вкусах и ожиданиях потребителей подобную форму данного типа радиаторов производители сохраняют до сих пор, однако уже из чисто маркетинговых соображений — чтобы заполнить соответствующую нишу на стороне спроса.
По целому ряду характеристик такой отопительный прибор не просто проигрывает десяткам конкурирующих решений, но и не соответствует требованиям времени и ожиданиям потребителя.
И потенциал его совершенствования ничтожен. Ни формой, ни размером, ни изменением свойств поверхности невозможно преодолеть выявленные недостатки. В работе [1] по итогам моделирования и экспериментального исследования подтверждено, что тонкая алюминиевая пластина наилучшим образом рассеивает теплоту в восходящем конвективном потоке воздуха. Сталь показывает более скромные результаты, а хуже всего работает пластина из чугуна, причём следует помнить, что чугунная пластина из соображений сохранения механической прочности не может быть тонкой, поэтому частота оребрения не может варьироваться в широких пределах. Высокая собственная масса и водоёмкость делают чугунный прибор крайне инерционным, что когда-то и могло рассматриваться как преимущество, но только не теперь. В наши дни при повсеместном термостатировании ожидается, что отопительный прибор будет как можно быстрее реагировать на изменение положение штока регулятора пропорциональным изменением теплового потока с поверхности [2].
По приоритетности решения с технологией изготовления конкурировали только задачи обеспечения надёжности и долговечности отопительного прибора. На протяжении нескольких десятилетий прошлого века остро конкурировали между собой в части предпочтительного применения системы водяного и парового отопления. И роль вторых в определённые моменты развития техники строительства не стоит недооценивать — они занимали значительную долю в объёмах производства. На стороне высокотемпературных систем парового отопления были высочайшая их эффективность, обусловленная огромной энергоёмкостью процессов парои конденсатообразования, относительная простота и заметные экономические преимущества. Однако такие системы требовали безупречной стойкости к коррозии как трубопроводов, так и применяемых отопительных приборов. А рост высотности застройки постепенно начинал предъявлять всё более строгие требования к рабочему давлению для всего применяемого в отоплении оборудования.
Задачей третьего ряда и уже значительно позже стали требования обеспечения привлекательного внешнего вида. В нашей стране эти вопросы стали актуальными лишь после «включения» рыночной экономики, и то далеко не сразу. При этом ответом на возрастающие эстетические ожидания потребителя стали поставки отопительных приборов из-за рубежа. И даже в наши дни, несмотря на почти заградительный характер валютного курса, а также введение требований по обязательной сертификации приборов отопления [3], российским производителям в поисках внимания потребителей приходится не только сохранять привлекательный внешний вид приборов, лаконичный и соответствующий любым интерьерам, но и усиливать свои позиции на рынке, брендируя продукцию элегантно звучащими названиями на латинице.
Следующим, нарастающим по значимости, но всё ещё недооценённым вопросом в определении конструктивных характеристик отопительных приборов, становится их теплотехническая эффективность. Обострению этой проблемы способствует изменение структуры внутрироссийского спроса со значительным перераспределением его в сторону крупных закупок по строгим правилам со стороны государственных или корпоративных заказчиков.
Причём одновременно с увеличением объёмов отдельных поставок и обязательным применением конкурсных процедур происходит всё большее упорядочивание и формализация оценки качества оборудования. В этих условиях на первый план выходит величина номинальной тепловой мощности одной секции или единицы площади наружной поверхности отопительного прибора.
При уже устоявшейся структуре производства и технологиях изготовления изделий основным полем борьбы производителей стало сравнение результатов испытаний отопительных приборов в соответствующих лабораториях.
Однако потенциал и этих маркетинговых преимуществ на сегодняшний день почти полностью исчерпан, поэтому следует переходить к этапу совершенствования эффективности оборудования. Одновременно с этим было бы правильно решить вопросы встраивания ранее исключительно «железных» систем в системы управления зданием, снизить металлоёмкость, водоёмкость и тепловую инерцию размещаемого в помещениях теплотехнического оборудования.
Основной раздел
Известно, что коэффициент теплопередачи отопительного прибора определяется тремя основными составляющими [4]: теплообменом на внутренней и внешней поверхности отопительного прибора и теплопроводностью его стенки. Выразить его также можно, как величину, обратную сопротивлению теплопередаче.
Тогда общее сопротивление теплопередаче последовательно расположенных по направлению теплового потока внутренней поверхности, стенки и внешней поверхности будет определяться следующим образом:
Rпр = Rв + Rст + Rн, (1)
где Rпр — сопротивление теплопередаче отопительного прибора, ( м²·°C)/Вт; Rв, Rст и Rн — соответственно, сопротивление теплообмену на внутренней поверхности, сопротивление стенки и сопротивление теплообмену на внешней поверхности, ( м²·°C)/Вт.
Третья составляющая правой части уравнения (1) Rн — не только наибольшая по величине из всех трёх (может отличаться на порядок от каждой), но ещё и наименее гибко изменяемая. Объясняется это тем, что воздух помещения имеет очень плохие характеристики как теплоноситель. У него малая плотность и, следовательно, теплоёмкость. В отличие, например, от воды, которая не просто может содержать и транспортировать большое количество теплоты в единице массы, но и эффективно её передаёт омываемым поверхностям. Причём на изменение этой величины для воды достаточно легко влиять незаметным для потребителя образом — просто изменяя расход воды и, следовательно, скорость её движения в отопительном приборе. При этом интенсивность теплообмена будет зависеть от квадрата скорости движения теплоносителя, то есть станет изменяться очень динамично.
Таким образом, если совершенствовать теплотехнические свойства отопительных приборов систем водяного отопления, то делать это нужно именно в части теплообмена на их наружной поверхности.
В своей работе [5], ставшей довольно известной, В. И. Сасин обратил внимание на прямую связь массы отопительного прибора и коэффициента его теплопередачи. Это утверждение не вызывает сомнений в связи со значительным объёмом данных, собранных автором, однако в самой работе не предложена гипотеза, которая бы объясняла наблюдаемое явление. А для конвективных приборов такие выводы скорее наоборот создают пространство для дальнейшего изучения [6]. Тем не менее, интерес специалистов к совершенствованию конструкции отопительных приборов, анализу их свойств и характеристик [7, 8] в последнее время возрастает. И можно надеяться на скорейшее углубление наших теоретических преставлений об устройстве и режимах работы отопительной техники.
Ещё одним важным обстоятельством является то, что несмотря на сохраняющиеся даже в непростых экономических условиях темпы строительства, обеспеченность населения нашей страны жильём всё ещё недостаточная. Говоря проще, граждане живут в стеснённых условиях.
И в этом случае предпочтительным вариантом конструкции отопительного прибора оказывается вновь, как и ранее, отопительный прибор с превалирующей долей конвективной составляющей в общем тепловом потоке. А для такого отопительного прибора всё меньшую роль играет именно толщина стенок оребрения. И, как следствие, прямая связь между весом прибора и коэффициентом его теплопередачи не будет подтверждаться. Значительную роль в конвективной части теплообмена на поверхности отопительного прибора играет то, что его интенсивность неодинакова на всей площади теплообмена, в особенности по вертикали.
В экспериментальной работе [9] отмечается, что нагретая пластина при омывании её восходящим воздушным потоком всегда имеет несколько большую температуру в своей верхней части. И этот эффект тем сильнее выражен, чем выше средняя температура этой поверхности. Что может означать только одно: чем выше температура пластины, тем меньшее количество теплоты с верхней её части собирает омывающий её восходящий поток. То есть потенциал теплоёмкости воздуха оказывается полностью «выбран» ещё в нижней и средней частях пластины, просто в силу естественных физических ограничений.
В самом деле, потенциал роста скорости естественного конвективного потока невелик, а интенсивность съёма теплоты с поверхности напротив, довольно ограничена и уменьшается по высоте пластины в связи с уменьшением температурного напора, ведь восходящий поток по мере продвижения вверх вдоль пластины непрерывно нагревается.
В отмеченной работе описан ещё один важный для отопительной техники эффект — возникновение вихревых обратных токов, направленных вниз вдоль поверхности теплообмена. Для конвекторов систем отопления это наблюдение не содержит прямых последствий, так как в работе всё-таки исследуются геометрически значительно более крупные объекты, а диапазон температур в эксперименте лишь частично захватывает область работы среднеи высокотемпературных систем водяного отопления. Тем не менее, отмеченные особенности надо учитывать и перепроверять в лаборатории или на цифровых моделях [10] для конкретных типов и конструкций оборудования и условий его использования. Очень ценным выводом из того обстоятельства, что пластина теплообменника конвектора работает не одинаково по всей своей высоте, будет то, что при конструировании новых типов отопительных приборов или совершенствовании существующих, во-первых, нет никакой объективной необходимости стремиться наращивать высоту гладкой пластины. А во-вторых, допустимо и даже целесообразно смещать точку контакта источника теплоты и теплообменной пластины вверх.
Иными словами, необходимо отказываться от простой и понимаемой всеми геометрической симметрии в пользу теплотехнической эффективности и пропускать трубу в конвекторе через пакет пластин в точке, расположенной по возможности выше геометрического центра пластины. Величину такого смещения следует уточнить отдельным исследованием для различных диапазонов температур теплоносителя, расстояния между пластинами и их размеров.
Кроме того, надо отметить и общую тенденцию к снижению температурных параметров теплоносителя в контуре как систем отопления, так и систем теплоснабжения. Даже там, где сохраняется прокладка трасс с применением стальных трубопроводов, управляющие организации тепловых сетей стараются с большей осторожностью относиться к сохранности как самих труб, так и всех стыковых сварных соединений. И для этого, без сомнений, все идут по пути снижения температурных параметров. Хотя следует отметить, что соображения сохранения сетей — далеко не единственная причина снижения температуры теплоносителя.
Заключение
Из сказанного выше всё более очевидным становится образ и характеристики отопительного прибора системы водяного отопления ближайшего будущего. Кратко можно отметить, что это отопительный прибор малой высоты со значительной конвективной долей в общем тепловом потоке, которая достигается применением теплообменника с частым оребрением пластинами выверенной толщины и геометрической формы. Такой отопительный прибор в части теплообменника может не иметь центральной или осевой симметрии. Однако потребителю не придётся привыкать к нетрадиционным изменениям внешнего вида прибора, поскольку любая экспериментальная или инновационная конструкция будет обязательно скрыта декоративным корпусом с гармоничным сочетанием геометрических пропорций и максимальным сохранением пространства помещения.
