Радиатор отопления, мощность, расход теплоносителя, падение температуры.

Здравствуйте, господа-специалисты. Я действительно любитель-строитель, потому если буду писать глупости — не пеняйте строго, пожалуйста.

Стоим мы с женой домик. Само собой, вопрос отопления входит в круг задач. В силу множества факторов был выбран вариант водяного отопления. Прошерстил интернет на заданную тему, нашел много чего интересного и полезного, но в силу привычки решил проверить, кое-какие сведения экспериментом. Пошел в магазин, купил радиатор из 8 секций Термохит 500/96 (не биметалл: давления нет, не нужно), заявленная мощность каждой секции 200 ватт при стандартных параметрах замера — 90 на входе, 70 на выходе.

Собрал стенд: к нижнему выходу батареи прикрутил насосик китайский, что бы поток организовать, от насосика в бачок, в бачке ТЕН на 1.5 квт, из бачка обратно, в верхний вход батареи, расположенный диагонально. Т.е. фактически, маслянный радиатор, но вместо масла вода и с внешним бачком.

Во вход и выход батареи запустил по термодатчику, подключил оба к компу, что бы снимать показания. Запустил сие чудо, порадовался как в комнате по мере прогрева стало заметно теплее.
Но вот незадача: разница температур на входе и на выходе стабильно держится в районе 3 градусов. Предполагаю, что, возможно, скорость потока великовата: не успевает остывать, тем более, что помещение отапливаемое не только этим стендом. Решил чистый эксперимент произвести. Вынес стенд ну почти на улицу (в недостроенную часть дома, стены пол есть, но он местами не утеплен, температура на 3 — 4 градуса выше, чем за бортом, сейчас на улице +3, там соответсвенно +7-8. Включил стенд, наблюдаю. Ничего не изменилось: разница температур на входе и выходе из батареи около 3 градусов. по мере прогрева воздуха в помещении, абсолютная температура воды растет, но разница как гвоздями прибита. Вот в настоящий момент температура на входе установилась 80 градусов — помещение большое, так что всё что радиатор рассеивает, оно поглощает, ТЕН тоже все свои 1.5 КВТ честно рассеивает в воду. Т.е, вроде бы всё нормально, но где правда? Количество передаваемой теплоты в единицу времени то разное, при дельта-t 20 и 3?
Сопутствующий вопрос: при каком расходе теплоносителя в единицу времени те самые 200 ватт на секцию измеряют?

Заранее признателен за полезные мысли.

21.10.2014, 06:38 2 | #2

Thượng Tá Quân Đội Nhân Dân Việt Nam

Эксперименты неверные.
1. Обязательным условием является знание расхода теплоносителя. Насосих может быть хоть китайским, хоть каким, но надо знать расход, т.е. как минимум иметь водомер.

2. Брать расход насоса по паспорту нельзя. Каждый насос в любой конкретной сети имеет конкретную производительность. Её можно и рассчитать, но если уж эксперимент, то надо просто замерять, хотя бы обычным водосчетчиком.

3. Не оперируйте ваттами! Это абстрактная, не ощущаемая физически величина. Используйте старые добрые ккал/ч. Когда-то даже детишкам школе наглядно объясняли- «одна килокалория это один литр воды нагретый на один градус». Не по научному, но понятно и отражает физический смысл. Переводите единицы — 1Квт=860 ккал/ч. 8 секций по 200 Вт = 1.6 кВт = 1.6*860= 1376 ккал/ч. Это если верить про 200 Вт/секцию.

4. Вот теперь можно экспериментировать. Только надо учитывать, что все данные должны быть для стационарного установившегося режима, когда радиатор уже прогрелся и воздух тоже.

5. Всё связано простыми зависимости.

Радиатор отдаст тепла Qрад=K*F*(Тпов.ср — Твозд). Здесь K — коэффициент теплопередачи. При эксперименте он неизвестен. F — поверхность нагрева, Тпов.ср — средняя температура поверхности радиатора, Твозд — температура воздуха. Тпов.ср примерно равна средней температуре воды (Твх-Твых). Более точно надо замерять пирометром и высчитывать, т.к. средняя температура поверхности не одинакова и зависит от схемы протока воды.

Вода отдаст тепла Qвод=G*(Твх-Твых). Очевидно, что всегда Qрад=Qвод. Т.е. зная расход воды G можно высчитать и коэффициент теплопередачи, а потом оценить и «скока дает в ваттах».

Сопутствующий вопрос: при каком расходе теплоносителя в единицу времени те самые 200 ватт на секцию измеряют?

Методы испытаний описаны в ГОСТ Р 53583-2009. Там и схема стенда есть. Испытывают не просто в помещении или «ну почти на улице», а в камере определенных размеров. Помимо иных обязательных условий должен быть расход 360 кг/час. Это не на секцию, а на весь отопительный прибор. Такой расход примерно соответствует обычному в отопительных системах.

Ну а ваши 3 градуса перепада вполне предсказуемы. Насосик гоняет воды больше испытательного расхода, соответственно и перепад температур воды получается меньше расчетного. Очень грубо, если пренебречь потерями (при испытаниях это недопустимо), то 1.5 кВт дадут 1.5*860=1290 ккал/ч. При перепаде 3 градуса это соответствует 1290/3=430 кг/ч.

Измеряйте расход, а не оценивайте «скорость великовата» и получите приемлемые результаты. Можете не сомневаться — теплоотдача будет ниже 200 Вт. Да и у буржуев методика испытаний другая и расчетные параметры другие. У нас 97-70, а у них 90-70, и расход другой.

21.10.2014, 15:32 #3

@ShaggyDoc
спасибо огромное за скорый ответ. По паспорту этот насос гоняет около 600 (точнее данных найти не удалось) литров в час китайской воды в китайских условиях измерения. Насос, к счастью, питается постоянным током штатно от 12 вольт. В хозяйстве, думаю, найдется подходящий потенциометр, что бы сделать расход приблизительно совпадающим с нужным. Под руками есть обычный расходомер воды. Ему уже правда 6 лет и каждую зиму он «вымерзал». Если найду время — доеду до магазина куплю новый, если нет — подключу этот. Результатами поделюсь.

В связи с вашим ответом всплыл вопрос, ранее возникавший у меня и освешавшийся на этом форуме уже, в том числе и вами. Ответ на него в целом такой: «в рамках одного строения особо не заморачивайтесь с разными диаметрами труб».
И всё же. В разных источниках в сети можно найти много рекомендаций на тему «вот если у вас на одном контуре столько-то радиаторов висит, то надо тянуть двадцать-пятку». Но тут ведь как у той обезьяны из мультика: «один, два, три, а дальше — много». Из общего курса физики, я помню, что количество жидкости протекающей через отвестие известного сечения в единицу времени при постоянном давлении есть величина постоянная, зависящая только от поперечного сечения этого отверстия. Так же из статей на этом форуме и некоторых других, я уловил, что неоправданное завышение диаметров труб пиводит к снижению эффективности системы (по множеству гидродинамических и прочих причин).

Если я всё это правильно осознал и исходя из «помимо иных обязательных условий, должен быть расход 360 кг/час», правильно ли я понимаю, что я должен в каждой точке системы обеспечить сечение, необходимое для питания всех радиаторов, находящихся после этой точки исходя из необходимого расхода теплоносителя 360 кг/час в радиаторах и учитывая оптимальную скорость движения теплоносителя в трубе? (Понятное дело, что если утверждение в моем вопросе верное, то обратка должна так же увеличиваться по мере приближения к котлу).

Едит: не найду потенциометр — вставлю вентиль: это стенд, на перерасход электноэнергии мне наплевать в данном случае

21.10.2014, 19:10 2 | #4

Thượng Tá Quân Đội Nhân Dân Việt Nam

По паспорту этот насос гоняет около 600

Если откроете паспорт или каталог, там должен быть график Напор-Расход характеристики насоса. Это примерно нисходящая парабола. По этому графику расход насоса изменяется от нуля (при закрытой арматуре) до какого-томаксимума.
В паспортах указывается расход и напор в одной точке характеристики — обычно при максимальном КПД. А сколько именно воды прокачает насос в конкретной сети определяется по графику путем наложения характеристики сети и характеристики насоса. Производительность может быть и меньше и больше паспортной. Но для экспериментов надо просто поставить водосчетчик и узнаете фактический расход.

В разных источниках в сети можно найти много рекомендаций на тему «вот если у вас на одном контуре столько-то радиаторов висит, то надо тянуть двадцать-пятку».

Не читайте надписи «на заборах».

Из общего курса физики, я помню, что количество жидкости протекающей через отвестие известного сечения в единицу времени при постоянном давлении есть величина постоянная, зависящая только от поперечного сечения этого отверстия

При постоянном давлении. И при истечении через отверстие. И не только от сечения отверстия, а и от его формы, т.е. коэффициета расхода. А любая «труба» — это не отверстие. В ней теряется напор на трение и местные сопротивления. И постоянный напор практически всегда отсутствует. При движении воды по трубе существует квадратичная зависимость потерь напора от расхода. Увеличили расход через эту же трубу в два раза, потери напора возрастут в 4 раза, а потребляемая мощность в 8 раз. Уменьшили расход в 2 раза — потери сократятся в 4 раза.

Если я всё это правильно осознал и исходя из «помимо иных обязательных условий, должен быть расход 360 кг/час», правильно ли я понимаю, что я должен в каждой точке системы обеспечить сечение, необходимое для питания всех радиаторов, находящихся после этой точки исходя из необходимого расхода теплоносителя 360 кг/час в радиаторах и учитывая оптимальную скорость движения теплоносителя в трубе?

360 кг/ч — это стандартный испытательный расход. А в реальных условиях расход изменяется в широких пределах. Например в однотрубной системе с П-образными стояками в 5-этажном доме через каждый радиатор проходит расход порядка 1000. 150 кг/ч (одинаковый через все). И остывание воды в каждом радиаторе предусмотрено порядка 3-х градусов. Здесь вода последовательно проходит через 10 радиаторов и только в сумме остынет на 25 градусов.

Если этот же дом переделать на двухтрубную систему, то через каждый радиатор будет проходить только расход, требуемый чтобы вода в нем остыла на 25 градусов. Т.е. примерно в 10 раз меньше.

Особенности гидравлического расчета системы радиаторного отопления

Комфорт в загородном доме во многом зависит от надёжной работы системы отопления. Теплоотдача при радиаторном отоплении, системе «тёплый пол» и «тёплый плинтус» обеспечивается за счёт движения по трубам теплоносителя. Поэтому правильному подбору циркуляционных насосов, запорно-регулирующей арматуры, фитингов и определению оптимального диаметра трубопроводов предшествует гидравлический расчёт системы отопления.

Данный расчёт требует профессиональных знаний, поэтому мы в данной части учебного курса «Системы отопления: выбор, монтаж», с помощью специалиста компании REHAU, расскажем:

• О каких нюансах следует знать перед выполнением гидравлического расчёта.
• Чем отличаются системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя.
• В чём состоят цели гидравлического расчёта.
• Как материал труб и способ их соединения оказывает влияние на гидравлический расчёт.
• Каким образом специальное программное обеспечивание позволяет ускорить и упростить процесс гидравлического расчета.

Нюансы, о которых надо знать перед выполнением гидравлического расчёта

В современной системе отопления протекают сложные гидравлические процессы с динамически меняющимися характеристиками. Поэтому на гидравлический расчёт оказывает влияние множество нюансов: начиная от типа системы отопления, вида отопительных приборов и способа их присоединения, режима регулирования и заканчивая материалом комплектующих.

Важно: Трубопроводная отопительная система загородного дома — это сложная разветвлённая сеть. Гидравлический расчет определяет её правильную работу так, чтобы ко всем отопительным приборам поступало необходимое количество теплоносителя. Правильно рассчитать и спроектировать систему отопления может только квалифицированный специалист, имеющий профильное образование по данной дисциплине.

Системы радиаторной и водопроводной разводок — это разветвленные трубопроводные сети. В трубопроводах давление теряется на трение о стенки труб и на местные сопротивления в фасонных частях при разделении или слиянии потоков, на внезапные расширения или сужения «живого» сечения. Для того чтобы теплоноситель или вода поступали к отопительным приборам или точкам водоразбора в необходимом количестве, трубопроводная сеть должна быть правильно рассчитана.

Вне зависимости от того, какая система отопления смонтирована в доме, например, радиаторная разводка или тёплый пол, принцип гидравлического расчёта одинаков для всех, но каждая система требует индивидуального подхода.

Например, система отопления может быть заправлена водой, этилен- или пропиленгликолем, а это повлияет на гидравлические параметры системы.

У этиленгликоля или пропиленгликоля большая вязкость и меньшая текучесть, чем у воды, а значит, и сопротивление при движении по трубопроводу будет больше. Кроме этого, теплоёмкость этиленгликоля меньше, чем у воды, и составляет 3,45 кДж/(кг▪К), а у воды 4.19 кДж/(кг*К). В связи с этим расход, при том же перепаде температур, должен быть на 20 с лишним процентов выше.

Важно: вид теплоносителя, который будет циркулировать в системе отопления, определяется заранее. Соответственно: проектировщик при гидравлическом расчёте системы отопления должен учесть его характеристики.

Выбор одно- или двухтрубной системы отопления также влияет на методику гидравлического расчёта.

Это связано с тем, что в однотрубной системе вода последовательно проходит через все радиаторы, и расход через все приборы в расчетных условиях будет единым при различных небольших перепадах температур на каждом приборе. В двухтрубной системе вода через отдельные кольца поступает независимо в каждый радиатор. Поэтому в двухтрубной системе перепад температур на всех приборах будет одинаковым и большим, порядка 20 К, а вот расходы через каждый прибор будут существенно различаться.

При гидравлическом расчете выбирается самое нагруженное кольцо. Оно является расчётным. Все остальные кольца увязываются с ним так, чтобы потери в параллельных кольцах были одинаковыми, с соответствующими им участками главного кольца.

При выполнении гидравлического расчета обычно вводятся следующие допущения:

1. Скорость воды в подводках не более 0,5 м/с, в магистралях в коридорах 0,6-0,8 м/с, в магистралях в подвалах 1,0-1,5 м/с.
2. Удельные потери давления на трение в трубопроводах — не более 140 Па/м.

Системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя

Отметим, что в системах радиаторной разводки, при едином принципе гидравлического расчёта, существуют разные подходы, т.к. системы подразделяются на тупиковые и попутные.

При тупиковой схеме теплоноситель движется по трубам «подачи» и «обратки» в противоположные стороны. И, соответственно, в попутной схеме теплоноситель движется по трубам в одном направлении.

В тупиковых системах расчет ведётся через дальние — наиболее нагруженные участки. Для этого выбирается главное циркуляционное кольцо. Это самое неблагоприятное направление для воды, по которому прежде всего подбираются диаметры отопительных труб. Все остальные второстепенные кольца, которые возникают в этой системе, должны увязываться с главным. В попутной системе расчёт ведётся через средний, наиболее нагруженный, стояк.

В системах водопровода соблюдается аналогичный принцип. Система рассчитывается через самый удалённый и самый нагруженный стояк. Но есть особенность – в расчёте расходов.

Важно: если в радиаторной разводке расход зависит от количества тепла и перепадов температур, то в водопроводе расход зависит от норм водопотребления, а также от типа установленной водоразборной арматуры.

Цели гидравлического расчета

Цели гидравлического расчета заключаются в следующем:

1. Подобрать оптимальные диаметры трубопроводов.
2. Увязать давления в отдельных ветвях сети.
3. Выбрать циркуляционный насос для системы отопления.

Раскроем подробнее каждый из этих пунктов.

1. Подбор диаметров трубопроводов

Чем меньше диаметр трубопровода, тем больше сопротивление оказывается потоку теплоносителя из-за трения о стенки трубопровода и местных сопротивлений на поворотах и ответвлениях. Поэтому для малых расходов, как правило, берутся малые диаметры трубопроводов, для больших расходов, соответственно, большие диаметры, за счёт чего можно ограниченно отрегулировать систему.

Если система разветвлённая – есть короткая и длинная ветка, то на длинной ветке идёт большой расход, а на короткой — меньший. В этом случае короткая ветка должна выполняться из труб меньших диаметров, а длинная ветка должна выполняться из труб большего диаметра.

И, по мере уменьшения расхода, от начала к концу ветки диаметры труб должны уменьшаться так, чтобы скорость теплоносителя была примерно одинакова.

2. Увязка давлений в отдельных ветвях сети

Увязка может производиться подбором соответствующих диаметров труб или, если возможности этого способа исчерпаны, то за счёт установки регуляторов расхода давления или регулировочных вентилей на отдельных ветвях.

Частично мы, как это описано выше, можем увязать давление с помощью подбора диаметров трубопроводов. Но не всегда это удаётся сделать. Например, если берём самый маленький диаметр трубопровода на короткой ветке, а сопротивление в нём все равно недостаточно большое, тогда весь поток воды будет идти через короткую ветку, не заходя в длинную. В этом случае требуется дополнительная регулировочная арматура.

Регулировочная арматура может быть разной.

Бюджетный вариант — ставим регулировочный вентиль — т.е. вентиль с плавной регулировкой, который имеет градацию в настройке. Каждый вентиль имеет свою характеристику. При гидравлическом расчёте проектировщик смотрит, какое давление необходимо погасить, и определяется так называемая невязка давлений между длинной и короткой ветками. Тогда по характеристике вентиля проектировщик определяет, на сколько оборотов этот вентиль, от полностью закрытого положения, надо будет открыть. Например, на 1, на 1.5 или на 2 оборота. В зависимости от степени открытия вентиля будет добавляться разное сопротивление.

Более дорогой и сложный вариант регулировочной арматуры — т.н. регуляторы давления и регуляторы расхода. Это устройства, на которых мы задаём необходимый расход или необходимый перепад давлений, т.е. падение давлений на этой ветке. В этом случае устройства сами контролируют работу системы и, если расход не соответствует требуемому уровню, то они открывают сечение, и расход увеличивается. Если расход слишком большой, то сечение перекрывается. Аналогично происходит и с давлением.

Если все потребители после ночного понижения теплоотдачи одновременно открыли утром свои отопительные приборы, то теплоноситель попытается, в первую очередь, поступать в ближние к тепловому пункту приборы, а до дальних дойдет спустя часы. Тогда сработает регулятор давления, прикрывая ближайшие ветки и, тем самым, обеспечит равномерное поступление теплоносителя во все ветки.

3. Подбор циркуляционного насоса по давлению (напору) и по расходу (подаче)

Расчетные потери давления в главном циркуляционном кольце (с небольшим запасом) определят напор для циркуляционного насоса. А расчетный расход насоса – это суммарный расход теплоносителя по всем ветвям системы. Насос подбирается по напору и по расходу.

Если в системе стоит несколько циркуляционных насосов, то в случае их последовательного монтажа у них суммируется напор, а расход будет общим. Если насосы работают параллельно, то у них суммируется расход, а напор будет одинаковым.

Важно: Определив в ходе гидравлического расчёта потери давления в системе, можно выбрать циркуляционный насос, который оптимально будет соответствовать параметрам системы, обеспечивая оптимум затрат – капитальных (стоимость насоса) и эксплуатационных (стоимость электроэнергии на циркуляцию).

Как выбор комплектующих для системы отопления влияет на гидравлический расчёт

Материал, из которого изготовлены трубы системы отопления, фитинги, а также техника их соединения, оказывает существенное влияние на гидравлический расчет.

Трубы, имеющие гладкую внутреннюю поверхность, уменьшают потери на трение при движении теплоносителя. Это даёт нам преимущества – берём трубопроводы меньшего диаметра и экономим на материале. Также уменьшаются затраты электроэнергии, необходимые для работы циркуляционного насоса. Можно взять насос меньшей мощности, т.к. за счёт меньшего сопротивления в трубопроводах требуется меньший напор.

В местах соединений «фитинг-труба», в зависимости от способа их монтажа, могут быть большие потери, или, наоборот, потери на сопротивление потоку при движении теплоносителя сведены к минимуму.

Например, если используется техника соединения методом «надвижной гильзы», т.е. развальцовывается конец трубопровода, и внутрь вставляется фитинг, то за счёт этого не происходит заужения живого сечения. Соответственно: уменьшается местное сопротивление, и уменьшаются энергетические затраты на циркуляцию воды.

Подведение итогов

Выше уже говорилось, что гидравлический расчёт системы отопления — это сложная задача, требующая профессиональных знаний. Если предстоит спроектировать сильно разветвлённую систему отопления (большой дом), то расчёт вручную отнимает много сил и времени. Для упрощения данной задачи разработаны специальные компьютерные программы.

С помощью этих программ можно сделать гидравлический расчёт, определить регулировочные характеристики запорно-регулировочной арматуры и автоматически составить заказную спецификацию. В зависимости от типа программ, расчёт осуществляется в среде AutoCAD или в собственном графическом редакторе.

Добавим, что сейчас при проектировании промышленных и гражданских объектов наметилась тенденция к использованию BIM технологий (building information modeling). В этом случае все проектировщики работают в едином информационном пространстве. Для этого создаётся «облачная» модель здания. Благодаря этому любые нестыковки выявляются ещё на стадии проектировании, и своевременно вносятся необходимые изменения в проект. Это позволяет точно спланировать все строительные работы, избежать затягивания сроков сдачи объекта и тем самым сократить смету.