Рис. 1. Зависимость строительной высоты отопительного прибора от диаметра труб в регистре
Табл. 1. Расчет чисел Рейнольдса Re*
Обычно в системах отопления зданий тепловая энергия недостаточно эффективно отдается отапливаемым помещениям, поэтому разработка мероприятий по ее рациональной отдаче является актуальной задачей. Рациональная и эффективная передача тепловой энергии от теплоносителя в отапливаемое помещение закладывается при проектировании отопительных приборов систем отопления зданий и реализуется при выполнении строительно-монтажных работ и эксплуатации систем.
Отопительные приборы являются основным и самым массовым оборудованием систем отопления. Во многих производственных зданиях применяют отопительные приборы, изготовленные из гладких или оребренных труб. В помещениях производственных зданий категории Б и В–В3, где выделяется горючая пыль, в системах водяного отопления регламентируется принимать отопительные приборы с гладкой поверхностью, допускающей легкую очистку, — приборы из гладких стальных труб в виде регистров [1].
Эти приборы восполняют тепловые потери в помещениях и определяют не только металлоемкость системы отопления, но и эффективность передачи тепловой энергии в отапливаемые помещения. Габариты отопительных приборов, изготовленных из труб в виде регистра, зависят от диаметра, числа рядов, и определяются расчетами. Высота и длина отопительных приборов определяются в зависимости от конструктивновозможных размеров при размещении их в помещении. Исходя из габаритов строительных конструкций помещения здания, монтажная высота устанавливаемых отопительных приборов может составлять 0,3–2,0 м, а длина определяется размерами окон или пролетов здания.
Так, для помещений административно-бытовых корпусов промышленных предприятий регистры изготавливают из труб Dy 32–100, а в производственных цехах это могут быть отопительные приборы из труб от Dy 100 до Dy 200. Для регистров, исходя из стандартных размеров стальных гладких труб, рассчитаны конструктивные габариты отопительных приборов.
По результатам расчетов приведена зависимость монтажной высоты отопительного прибора от диаметра труб в регистре. В трубные регистры теплоноситель поступает по подводящим трубам (подводкам), диаметры которых dтр принимаются равными 15, 20 и 25 мм и более. На рис. 1 выделена область габаритов трубных регистров наиболее часто применяемых в практике систем водяного отопления.
Это регистры из труб диаметром от Dy 50 до Dy 200 со строительной высотой 0,3–2,0 м. В трубах регистра в зависимости от скорости потока и температуры теплоносителя могут формироваться ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения. Также в трубах могут иметь место зоны вышеуказанных течений. Количество тепловой энергии, передаваемое в отапливаемое помещение, определяется коэффициентом теплопередачи k [Вт/(м2⋅К)].
Количество теплоты отдаваемой отопительным прибором в отапливаемое помещение, зависит от условий внутреннего и внешнего теплообмена, определяемых коэффициентами теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности изменчив и зависит от скорости движения и температуры теплоносителя, которые и определяют режим течения. Термическое сопротивление стенки трубы зависит от материала, ее толщины и незначительно по сравнению с сопротивлением теплообмена на поверхности (рис. 1).
Считается, что в воздушно-водяных теплообменниках, к которым относятся трубные регистры, сопротивление на внутренней поверхности и сопротивление стенки достаточно малы, поэтому без большой погрешности коэффициент теплопередачи отопительного прибора можно принимать равным коэффициенту теплоотдачи от внешней поверхности стенки [5].
Однако известно, что внутренние условия течения жидкости в трубе при определенных режимах течения также влияют на коэффициент теплопередачи прибора [2, 4]. Для трубных регистров, имеющих наиболее распространенные габариты, применяемые в практике водяных систем отопления зданий, рассчитаны режимы течения теплоносителя. Расчеты выполнялись для отопительных трубчатых приборов, имеющих различные размеры (диаметры труб регистра, диаметры подводок) при максимально-допустимой скорости воды в подводящих трубах и расчетной температуре теплоносителя. Конструктивные размеры приборов приняты из условия, что теплоотдающие поверхности изготовлены из стандартных труб Dy 50–200, а трубы, подводящие теплоноситель, имеют диаметр dтр = 15, 20 и 25 мм.
При выполнении расчетов выбирались габариты приборов, которые попадают в область применяемых трубных регистров в практике систем отопления, в соответствии с рис. 1. Скорость движения теплоносителя в трубопроводах систем водяного отопления принималась в зависимости от допустимого эквивалентного уровня звука в помещениях [3]. Наиболее скоростными участками в трубах систем отопления являются подводки.
В связи с этим расходы теплоносителя в трубах регистров рассчитаны исходя из максимальных значений скорости воды в подводках приборов. Скорость воды в трубных подводках к отопительным приборам составляет [3]: w = 0,30–0,4 м/с для dтр = 15 мм; w = 0,5– 0,65 м/с для dтр = 20 мм; w = 0,80–1,5 м/с для dтр = 25 мм. Режимы течения теплоносителя в трубах теплоотдающих поверхностей определены по величинам чисел Re. Величины Re определены при температуре воды в приборе 150–70 °C и кинематической вязкости ν = 0,272 × 10–6 м2/с.
Результаты расчетов чисел Re для некоторых типоразмеров приборов, входящих в область применяемых трубных регистров в практике систем отопления и имеющих диаметры подводок dтр = 15, 20 и 25 мм, с соответствующей им скоростью потока воды w = 0,4; 0,55 и 1,2 м/с, наглядно приведены в табл. 1. В этой таблице выделены области режимов течения теплоносителя в трубах отопительных приборов.
Верхняя часть таблиц отражает турбулентный режим, средняя — переходный, а нижняя — ламинарный режимы течения. При dтр = 0,015 м и w = 0,4 м/с в таблице показаны две области переходного и ламинарного течения, а при dтр = 0,02 м, w = 0,55 м/с и dтр = 0,025 м, w = 1,2 м/с — все три области, включая область развитого турбулентного течения. Анализ табл. 1 показывает, что в условиях подачи теплоносителя по подводкам dтр = 15, 20 и 25 мм для габаритов отопительных приборов, попадающих в область применяемых в практике систем отопления (рис. 1), в трубах теплоотдающих поверхностей преобладают ламинарный и переходный режимы течения.
Анализ полученных результатов показал, что при диаметре подводок dтр = 15 мм в трубах регистров практически всех типоразмеров приборов (при максимальной температуре теплоносителя) наблюдается ламинарный режим течения, который составляет 85,7 %. Переходный режим составляет 14,3 %, а турбулентный режим отсутствует. Для регистров с диаметрами подводок dтр = 20 мм ламинарный режим составляет — 45,56 %, переходный — 53,71 % и совсем незначительно — 0,73 % турбулентный режим течения.
В регистрах с подводками dтр = 25 мм ламинарный режим составляет 3,3 %, переходный — 76,7 % и турбулентный — 20,0 %. Итак, в трубных регистрах, применяемых в практике отопления зданий, преобладает ламинарный режим, в меньшей степени — переходный, и крайне редко — турбулентный режим течения теплоносителя.
При проектировании приборов из труб для определения величины теплового потока, передаваемого в помещение от регистров в условиях доминирующей роли теплообмена на внешней поверхности труб, следует учитывать режимы течения теплоносителя, определяющие условия теплообмена на их внутренней поверхности. В проектируемых системах отопления это позволит снижать металлоемкость и рационально отдавать тепловую энергию.
