Рис. 1. Типы поверхностей теплообмена на базе термокабеля
Рис. 2. Зависимости мощности конвекторов длиной 1 м от температурного напора и высоты канала
Рис. 3. Инерционность спирального конвектора метровой длины
Рис. 4. Изменение температур поверхности нагревательного элемента и воздуха в конвекторе с капиллярным датчиком
Чтобы повысить эффективность использования энергоресурсов при отоплении, необходимо уменьшить перерасход энергии и снизить тепловые потери здания. Избежать перерасхода энергии можно, лишь используя эффективные системы управления мощностью отопительных приборов. Наиболее распространены водяные и электрические системы отопления. Управлять теплопроизводительностью в водяных отопительных системах достаточно сложно из-за сложности учета многих факторов, влияющих на мощность: температуры воды и воздуха, расход воды, скорость воздушного потока.
Наиболее простым представляется управление электрическими отопительными приборами, у которых вся электрическая мощность преобразуется в тепловую. Среди многообразия электрических отопительных приборов необходимо выделить отдельный их класс — пассивные (безвентиляторные) конвекторы, отличающиеся бесшумностью работы, низкой тепловой инерцией, простотой регулирования тепловой мощности с помощью широко распространенных преобразователей напряжения.
Принципиально конвекторы отличаются друг от друга конструкцией нагревательного элемента и в связи с этим геометрическими размерами канала, создающего естественную тягу воздуха, омывающего поверхность теплообмена. В последнее время нашел применение термокабель [1] — гибкий нагреватель, отличающийся высокой тепловой эффективностью, низким аэродинамическим сопротивлением, малой инерцией. Из термокабеля можно сформировать фактически любую конструкцию, чтобы использовать ее в качестве нагревательного элемента конвектора.
Низкая температура поверхности термокабеля, при которой не сгорают органические вещества, и его гибкость — вот его главные преимущества перед ТЭНами. Как показывают исследования, наиболее компактными и эффективными оказываются спиральная и спирально-тороидальная конструкции [2, 3].
Влияние режимных и конструктивных параметров на теплоотдачу конвектора. Теплообменник или нагревательный элемент располагается в нижней части вытяжного канала. Коэффициент теплоотдачи конвектора зависит от ширины S и высоты h канала, геометрических характеристик теплообменной поверхности диаметра d, шага расположения витков в нагревательном элементе, внешнего диаметра спирали Dсп (рис. 1а) для нагревателя, имеющего форму спирали.
Для спирально-тороидального нагревателя (рис. 1б) присутствует геометрический параметр диаметр трубы Dтр, вокруг которой установлена спираль. Поскольку в проведенных исследованиях [2] были определены оптимальные соотношения между шагами и перечисленными диаметрами, то здесь представим только зависимость теплоотдачи от относительной высоты канала h/S, температурного напора между поверхностью нагревательного элемента tп и окружающего воздуха tв для двух типов нагревателей: спирального и спирально-тороидального.
Для двух конструкций конвекторов длиной в 1 м с оптимальными абсолютными размерами нагревательных элементов зависимости для электрической мощности от высоты и температурного напора составляют, соответственно, для спирального нагревателя:
Q1 = 0,112h0,366(tп – tв)1,32, (1)
для спирально-тороидального нагревателя имеет место:
Q2 = 1,02h0,148(tп – tв)1,32, (2)
где h — высота в мм, а также: S1 = 40 мм, S2 = 105 мм, d = 3 м, l1 = 12,66 м, l2 = 25 м. На рис. 2 представлены зависимости мощности Q1 и Q2 конвекторов для диапазонов изменения высоты канала от 100 до 700 мм и температурного напора от 50 до 200 °C.
Изменение мощности для любой высоты конвектора в диапазоне температурного напора от 50 до 200 °C — шестикратное. У вентиляторных конвекторов, имеющих теплообменник «вода–воздух», реальные диапазоны регулирования мощности путем изменения оборотов вращения вентилятора следующие: для тангенциальных вентиляторов — 1,3, для осевых — 1,7.
Минимальная ширина канала 90 мм. Малые диапазоны регулирования мощности вентиляторных конвекторов связаны с ограничениями на уровень звукового давления, создаваемого вентилятором (40 дБ) и уровнем температуры теплоносителя 90 °C. Основным ограничением для электрического нагревателя на термокабеле является уровень температуры поверхности, т.к. при S = 40 мм, h = 300 мм, tп = 350 °C, Q = 2060 Вт, температура на нихромовой жиле 502 °C, плотность тока 14,73 А/мм2.
Это говорит о том, что окисления жилы не происходит, а ток утечки не будет превышать допустимой величины при использовании электроизолятора на базальтовой основе, а температура корпуса конвектора не будет превышать 40 °C.
Управление мощностью электрического конвектора. Управление температурой воздуха в помещение производится термостатами: электронными, капиллярными, биметаллическими, а также таймерами. Термостаты работают по принципу включение/выключение, что вызывает попеременный нагрев и охлаждение отопительного прибора, при этом датчик температуры реагирует на температуру воздуха в помещении.
Современным регулятором электрообогрева является бесшаговый регулятор, который с высокой точностью адаптирует выходную мощность прибора к реальной потребности в тепле. Симисторная схема включает и выключает нагрузку с такой частотой, что температура поверхности нагревательного элемента поддерживается практически постоянной для необходимой мощности. Циклы включения/ выключения регулятора осуществляются симистором в нулевой точке синусоидальной кривой напряжения. Это позволяет избежать телеи радиопомех.
Управление тепловой мощностью отопительного электрического конвектора можно осуществлять по температуре на поверхности термокабеля. В этом случае для тарировки регулятора мощности используются зависимости (1) и (2). Для этой цели подходят практически все типы термостатов. Управление мощностью конвектора по температуре поверхности нагревательного элемента позволяет вести более точный контроль над расходом электроэнергии.
При этом необходимо учитывать инерционность самого нагревателя (рис. 3). Здесь был исследован конвектор со спиральным нагревательным элементом с вышеприведенными геометрическими параметрами и высотой канала 200 мм. На рис. 3 жирными линиями указаны кривые температур поверхности нагревателя и воздуха для мощности 852 Вт, а тонкими — для мощности 296 Вт. Определено, что чем меньше необходимая температура на поверхности, тем больше времени требуется конвектору, чтобы войти в стационарный режим нагрева.
При включении нагревателя воздух на выходе из канала еще остается холодным (как видно из рисунка в начальный момент времени). Это время задержки составляет для различных режимов 8–10 секунд и обусловлено невысокой скоростью движения воздуха в канале (0,1–0,4 м/с). При выключении нагревателя воздух некоторое время еще прогревается (8–10 секунд), после чего начинает медленно охлаждаться. Время выхода конвектора в стационарный режим нагрева составляет 140–162 секунд, тогда как время охлаждения — не менее 300 секунд при естественной тяге.
Также были сняты режимные характеристики конвектора, регулируемого капиллярным термостатом с диапазоном регулировки 0–40 °C, чувствительный элемент которого выставлен на температуру выходящего воздуха. Для температуры 40 °C инерционность его такова, что при номинальной мощности 660 Вт частота его включения/выключения достигает соотношения по времени 1:7, т.е. конвектор выделяет тепло только 14 % от своей мощности (95 Вт). При низких мощностях это соотношение достигает величины 1:2, однако эффективная мощность остается низкой. При температуре на регуляторе 30 °C эффективная мощность понижается и может доходить до 6 % от максимальной.
Периодичность срабатывания капиллярного датчика с установленной температурой 40 °C можно увидеть на рис. 4. Интересно, что после первого включения нагревателя наблюдается наибольшая амплитуда температур поверхности и воздуха на выходе канала, но уже со второго срабатывания датчика изменение этих температур подчиняются одинаковым закономерностям.
Несогласованность тепловых инерций конвектора и капиллярного термостата приводит к неэффективному использованию мощности конвектора. Поэтому управлять этой величиной по температуре воздуха следует электронными термостатами, у которых в качестве датчиков температуры используются термопары, полупроводниковые терморезисторы или проволочные термометры сопротивления, обладающие малой тепловой инерцией.
Возможно использование симисторной схемы регулирования мощности конвектора в ручном и автоматическом (вариант дороже) исполнении по заданной величине температуры воздуха. При ручном управлении градуировка регулятора мощности проводится в единицах мощности или температурного напора, или температуры воздуха на выходе конвектора.
Выводы таковы. Система отопления помещений, реализованная на электроконвекторах, у которых используется нагреватель из термокабеля, обладает малой тепловой инерцией, большим диапазоном регулирования мощности, высокой надежностью и соответствует нормам, установленным государственными стандартами. Малая тепловая инерция и широкий диапазон регулирования мощности дают возможность эффективно управлять системой отопления, что способствует существенной экономии энергозатрат.
Современные электронные устройства предоставляют огромные возможности для более совершенного достаточно простого и недорогого процесса управления системой отопления. Управление электрической мощностью по температуре воздуха может обеспечиваться с точностью ее задания не менее 0,99. В результате конвекторы приведенной конструкции являются перспективными для обогрева помещений различного назначения.
