Теплоотдача 1 м. стальной трубы

Расчёт теплоотдачи трубы требуется при проектировании отопления, и нужен, чтобы понять, какой объём тепла потребуется, чтобы прогреть помещения и, сколько времени на это уйдёт. Если монтаж производится не по типовым проектам, то такой расчёт необходим.

Для каких систем нужен расчёт?

Коэффициент теплоотдачи считается для тёплого пола. Всё реже эта система делается из стальных труб, но если в качестве теплоносителей выбраны изделия из этого материала, то произвести расчёт необходимо. Змеевик – ещё одна система, при монтаже которой необходимо учесть коэффициент отдачи тепла.

Радиатор из стальных труб

Регистры – представлены в виде толстых труб, соединённых перемычками. Теплоотдача 1 метра такой конструкции в среднем – 550 Вт. Диаметр же колеблется в пределах от 32 до 219 мм. Сваривается конструкция так, чтобы не было взаимного подогрева элементов. Тогда теплоотдача увеличивается. Если грамотно собрать регистры, то можно получить хороший прибор обогрева помещения – надёжный и долговечный.

Как оптимизировать теплоотдачу стальной трубы?

В процессе проектирования перед специалистами встаёт вопрос, как уменьшить или увеличить теплоотдачу 1 м. стальной трубы. Для увеличения требуется изменить инфракрасное излучение в большую сторону. Делается это посредством краски. Красный цвет повышает теплоотдачу. Лучше, если краска матовая.

Другой подход – установить оребрение. Оно монтируется снаружи. Это позволит увеличить площадь теплоотдачи.

В каких же случаях требуется параметр уменьшить? Необходимость возникает при оптимизации участка трубопровода, расположенного вне жилой зоны. Тогда специалисты рекомендуют утеплить участок – изолировать его от внешней среды. Делается это посредством пенопласта, специальных оболочек, которые производятся из особого вспененного полиэтилена. Нередко используется и минеральная вата.

Производим расчёт

Формула, по которой считается теплоотдача следующая:

• К – коэффициент теплопроводности стали;
• Q – коэффициент теплоотдачи, Вт;
• F – площадь участка трубы, для которого производится расчёт, м 2 dT – величина напора температуры (сумма первичной и конечной температур с учётом комнатной температуры), ° C.

Коэффициент теплопроводности K выбирается с учётом площади изделия. Зависит его величина и от количества ниток, проложенных в помещениях. В среднем величина коэффициента лежит в пределах 8-12,5.

dT называется также температурным напором. Чтобы параметр высчитать, нужно сложить температуру, которая была на выходе из котла, с температурой, которая зафиксирована на входе в котёл. Полученное значение умножается на 0,5 (или делится на 2). Из этого значения вычитается комнатная температура.

Если стальная труба изолирована, то полученное значение умножается на КПД теплоизоляционного материала. Он отражает процент тепла, который был отдан при прохождении теплоносителя.

Рассчитываем отдачу для 1 м. изделия

Посчитать теплоотдачу 1 м. трубы, выполненной из стали, просто. У нас есть формула, осталось подставить значения.

Q = 0,047*10*60 = 28 Вт.

• К = 0.047, коэффициент теплоотдачи;
• F = 10 м 2 , площадь трубы;
• dT = 60° С, температурный напор.

Об этом стоит помнить

Хотите сделать систему отопления грамотно? Не стоит подбирать трубы на глазок. Расчёты теплоотдачи помогут оптимизировать траты на строительство. При этом можно получить хорошую отопительную систему, которая прослужит долгие годы.

Выбираем ребристрые регистры, радиаторы и трубы отопления

Отопительные трубы с рёбрами используются много десятков лет и не утратили своей востребованности по сегодняшний день. У этого оборудования есть свои конструктивные особенности, обуславливающие применение, поэтому в системах отопления частного жилья они встречаются редко, но для обогрева помещений производственного назначения они применяются достаточно широко. Фото ребристых труб отопления подскажет, о каком оборудовании идёт речь, после чего рассмотрим характеристики этой продукции подробнее.

Устройство ребристых труб отопления

Трубный материал в системах отопления используются не только при монтаже отопительного трубопровода, но и в качестве радиаторов. Чтобы повысить эффективность такой системы, в контур отопления врезается участок трубы большего диаметра или фигурного исполнения (змеевик), что увеличивает площадь теплоотдачи.

Позже стал применяться ещё один метод – оребрение участков трубопровода, выполняющих роль радиаторов.

Таким образом, ребристые трубы отопления представляют собой трубный фрагмент определённой длины (несущую трубу) с поперечными (реже – продольными) наружными рёбрами, расположенными с определённым шагом. Оребрённый элемент трубопровода оборудуется входным и выходным патрубками для подключения к отопительной системе. Патрубки такого радиатора могут быть с резьбой, гладкой поверхностью (под сварку) или фланцем.

Одно такое изделие, готовое к врезке в контур отопления, называется односекционным регистром. Если несколько односекционных регистров смонтировать в ряды, расположенные в одной или двух плоскостях, получится многосекционный регистр — конструкция, ещё более увеличивающая интенсивность обогрева.

*
В зависимости от материала исполнения, оребрение выполняется разными способами, но цель этой операции одна – улучшить теплообмен между трубопроводом отопления и окружающей средой за счёт увеличения площади их соприкосновения.

Виды оребрённых труб

Трубные элементы отопления ребристого исполнения изготавливаются из следующих металлов:

• чугун (с добавками магния и церия);
• сталь;
• нержавеющая сталь;
• медь;
• латунь;
• алюминий.

По структуре конструкции оребрённые трубы подразделяются на:

• монометаллические – цельные изделия, получаемые путём отливки или вытачивания из заготовки;
• биметаллические – изделия, собранные из трубы и рёбер.

К монометаллическим изделиям относятся чугунные оребрённые трубы, которые изготавливаются методом отливки и должны отвечать требованиям ГОСТ 1816-76, а также медные и алюминиевые изделия, на которых рёбра формируют выдавливанием/прокаткой на станке.

Биметаллическое изделие представляет собой внутреннюю несущую трубу, выполненную из нержавейки или латуни, на которой расположены продольные или поперечные медные или алюминиевые рёбра.

Оребрение биметаллических труб производится следующими методами:

• накатка – на несущую трубу надевается алюминиевая или медная муфта, на которой методом накатывания выдавливаются рёбра;
• спирально-винтовая навивка – в наружную поверхность несущей трубы вдавливается при спиральной навивке металлическая лента;
• спирально-винтовая ТВЧ – крепление ленты к несущей трубе путём сваривания контактных поверхностей после их разогрева током высокой частоты;
• продольное (осевое) оребрение – соединение ленты с несущей трубой одним из видов сварки.

При изготовлении биметаллических трубных регистров для теплообменников компоновка материалов может быть следующей (несущая труба + рёбра):

• сталь + алюминий;
• алюминий + алюминий;
• латунь + алюминий

Технические характеристики чугунных труб ребристой конструкции

Чугун – металл прочный и долговечный, с высокой теплопроводностью, поэтому в системах отопления наиболее распространены чугунные оребрённые трубы, которые характеризуются следующими параметрами:

• внутренний диаметр – от 32 до 70,0 мм;
• наружный диаметр (с рёбрами) – 175,0 мм;
• рабочая температура эксплуатации – до 90 град. (краткосрочное воздействие до 150 град.),
• рабочее давление теплоносителя в системе – 1,0 МПа;
• длина отдельных элементов – от 0,5 до 6,0 м.

Форма исполнения рёбер может быть круглой или прямоугольной. Прямоугольный формат ребристых труб отопления более эффективен из-за большей площади поверхности теплоотдачи.

Применение трубной продукции ребристого исполнения из чугуна

Чугунные оребрённые радиаторы из-за значительного веса и невысокого уровня эстетичности применяются в основном при паровом или водяном отоплении производственных цехов, складских помещений, животноводческих комплексов и других объектов значительных площадей. При этом одиночное использование такого оборудования неэффективно, и элементы устанавливают секциями из нескольких радиаторов. Такие регистры отопления из ребристой трубы увеличивают интенсивность обогрева помещения в разы, но при этом требуют значительной площади для установки.

Для обогрева жилья эти устройства также пригодны, но потребуется их дополнительная отделка в виде декоративных кожухов или фальш-стены.

Высокие технические характеристики чугуна обуславливают широкое применение чугунных оребрённых труб в экономайзерах – газы и агрессивные вещества при прохождении по ним не вызывают коррозии материала теплообменника.

Монтаж чугунных ребристых труб

В силу значительности веса, оребрённые регистры отопления предъявляют повышенные требования к основанию. Несущая способность стен (при настенном исполнении радиаторов) и прочность кронштейнов должны быть высокими, а заделка креплений в основание – надёжной. При напольном исполнении устройства агрегата у него внизу должны быть приварены опоры, штатные или самостоятельного изготовления. Если пол – деревянный настил, то в нём устраиваются прорези, чтобы опоры радиатора располагались на несущей плите перекрытия.

Перед установкой оребрённый радиатор очищают от старой краски и грязи, обезжиривают, а затем грунтуют и красят. Покраску лучше выполнить краскопультом, так как из-за конфигурации регистра площадь окраски велика, а оребрение плохо доступно для работы кистью.

В качестве грунтовки подойдёт раствор железного сурика в олифе, а финишный слой – термостойкая краска (эмаль) подходящего цвета или раствор алюминиевой пудры. Окрашиваемый регистр не должен находиться под прямыми лучами солнца – краска потечёт.

Важно! Ребристый радиатор устанавливается так, чтобы от пола до продольной оси его нижнего регистра было не менее 20 см, а от боковой поверхности до стены – не мене 15 см.

Окрашенный радиатор после высыхания краски устанавливается по месту, после чего выполняется дополнительное крепление устройства к стене во избежание случайного опрокидывания при механическом воздействии.

Подключение к контуру отопления производится после окончательной установки агрегата, чтобы его смещение не нарушило герметичность соединений. Врезка производится в зависимости от исполнения патрубков регистра – фланцевым соединением, на резьбе или сваркой. При фланцевом соединении рекомендуется в качестве прокладочного материала использовать паронит, вырезанный по размерам зеркал фланцев (зеркала очищаются от краски мелкой наждачной бумагой), или использовать штатные прокладки, если они предусмотрены комплектацией.

После окончательной установки агрегата производится точечная окраска участков, повреждённых при монтаже.

Достоинства и недостатки ребристых труб

Именно благодаря целому ряду достоинств чугунные ребристые трубы отопления используются в отопительных системах по сегодняшний день, перечислим эти факторы:

• герметичность корпуса;
• большая площадь теплоотдачи;
• нейтральность к любому виду коррозии;
• высокая теплопроводность;
• прочность;
• долговечность (100 лет – не предел);
• доступная стоимость.

Но при этом есть и недостатки:

• значительный вес;
• низкая стойкость к ударным воздействиям;
• сложность содержания в чистоте (скопление пыли в оребрении, плохая доступность площади окраски);
• громоздкость.

Заключение

По своей функциональности отопительный радиатор ребристой конструкции из чугуна являются лучшим вариантом комплектации системы отопления хозяйственных и подсобных помещений — недостаток эстетичности компенсируется долговечностью, надёжностью и доступной стоимостью, так как фактор сложности покраски в условиях подсобного помещения отходит на второй план.

Основная суть статьи

1. Ребристые регистры отопления из чугуна – не изживший себя материал.
2. От выбора места эксплуатации зависит уместность применения ребристых труб отопления.
3. Правильность монтажа – один из факторов эффективности работы регистра.
4. Знание характеристик радиатора помогает обеспечить долговечность.

Регистры отопления из труб

Всем известно, что теплообмен (теплоотдача) – передача тепловой энергии – между телами и средами возникает при наличии разницы температур. Среда или тело имеющая более высокую температуру, остывая, нагревает более холодную среду и повышает ее температуру.

В системах водяного отопления горячая вода (теплоноситель), поступая в прибор отопления, нагревает его стенки (оболочку). Стенки через свои наружные поверхности отдают тепло воздуху в основном двумя способами: конвекцией и излучением.

Конвекция – это передача тепла потокам воздуха, протекающим вдоль горячих стенок прибора отопления.

Тепловое излучение – это передача тепловой энергии за счет излучения электромагнитных волн горячими стенками прибора отопления в окружающее пространство.

Наглядным примером действия теплового излучения является костер. Если в прохладный вечер стать боком к тлеющим углям костра на расстоянии трех – четырех метров, то часть лица, обращенная к костру, быстро нагреется, а противоположная часть лица будет оставаться холодной. При этом температура воздуха с обеих сторон будет примерно одинаковой.

Все приборы – чугунные батареи, регистры отопления из труб, стальные и алюминиевые панели, конвекторы и инфракрасные излучатели – отличаются друг от друга (кроме габаритов, внешнего вида, коэффициентов теплоотдачи) преобладающим видом передачи тепла окружающему воздуху и предметам. При этом, как правило, и конвекция и излучение существуют одновременно и действуют параллельно.

В этой статье будет рассмотрен пример расчета теплоотдачи регистров отопления из труб. Изготавливать регистры отопления из гладких труб экономически не было выгодно никогда — ни сегодня, ни вчера. Если 30-50 лет назад их широко применяли из-за дефицита качественных дешевых и эффективных приборов отопления, то применение регистров сегодня – это скорее инерционная привычка теплотехников. Стоимость системы отопления с применением, например, конвекторов на 20-30% ниже стоимости системы, где применены регистры отопления из труб. Теплоотдача приборов должна быть максимальной при минимальной стоимости и, соответственно, минимальной материалоемкости и трудоемкости изготовления. Однако часто это — взаимоисключающие критерии.

Тем не менее, вопрос теплоотдачи стальных труб остается актуальным, если ими выполняется разводка, а также при выполнении сравнительных расчетов различных вариантов систем и при ремонтах действующих систем, в которых применены регистры отопления из гладких труб.

Опираясь на теорию и практические опыты по теплоотдаче, а так же на основе многочисленных табличных данных с помощью Excel мне удалось найти достаточно точные формульные зависимости теплофизических характеристик воздуха (температуропроводности, теплопроводности, кинематической вязкости, критерия Прандтля) от температуры. Ниже представлена программа расчета теплоотдачи регистров отопления из горизонтальных металлических труб при свободном движении воздуха, являющаяся итогом проделанной работы.

Программа расчетов написана в MS Excel, но можно использовать и программу OOo Calc из пакета Open Office.

Правила форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, представлены на странице « О блоге ».

Теплоотдача регистров отопления из гладких труб. Расчет в Excel.

Регистр отопления из четырех гладких труб и схема движения теплоносителя показаны на рисунке, представленном ниже.

Включаем компьютер, MS Office и начинаем расчет в Excel.

Исходные данные:

Исходных данных не много, они понятны и просты.

1. Диаметр труб D в мм заносим

в ячейку D3: 108,0

2. Длину регистра (одной трубы) L в м записываем

в ячейку D4: 1,250

3. Количество труб в регистре N в штуках пишем

4. Температуру воды на «подаче» t_п в °C заносим

5. Температуру воды на «обратке» t_о в °C пишем

6. Температуру воздуха в помещении t_в в °C вводим

7. Вид наружной поверхности труб выбираем из выпадающего списка

в объединенных ячейках C9D9E9: «При теоретическом расчете»

8. Постоянную Стефана-Больцмана C₀ в Вт/(м 2 *К 4 ) заносим

в ячейку D10: 0,00000005669

9. Значение ускорения свободного падения g в м/с 2 вписываем

в ячейку D11: 9,80665

Меняя исходные данные можно смоделировать любую «температурную ситуацию» для любого типоразмера регистра отопления!

Теплоотдача просто одиночной горизонтальной трубы также может легко быть посчитанной по этой программе! Для этого достаточно указать количество труб в регистре отопления равное единице ( N =1).

Результаты расчетов:

10. Степень черноты излучающих поверхностей труб ε автоматически определяется по выбранному виду наружной поверхности

в ячейке D13: =ИНДЕКС(H5:H31;G2) =0,810

В базе данных, расположенной на одном листе с программой расчета, для выбора представлены 27 видов наружных поверхностей труб и их степени черноты. (Смотри в файле для скачивания в конце статьи.)

11. Среднюю температуру стенок труб t_ст в °C вычисляем

в ячейке D14: =(D6+D7)/2 =72,5

12. Температурный напор dt в °C рассчитываем

в ячейке D15: =D14-D8 =54,5

13. Коэффициент объемного расширения воздуха β в 1/K определяем

в ячейке D16: =1/(D8+273) =0,003436

14. Кинематическую вязкость воздуха ν в м 2 /с вычисляем

в ячейке D17: =0,0000000001192*D8^2+0,000000086895*D8+0,000013306 =0,00001491

15. Критерий Прандтля Pr определяем

в ячейке D18: =0,00000073*D8^2-0,00028085*D8+0,70934 =0,7045

16 . Коэффициент теплопроводности воздуха λ рассчитываем

в ячейке D19: =-0,000000022042*D8^2+0,0000793717*D8+0,0243834 =0,02580

17. Площадь теплоотдающих поверхностей труб регистра A в м 2 определяем

в ячейке D20: =ПИ()*D3/1000*D4*D5 =1,6965

18. Тепловой поток излучения с поверхностей труб регистра отопления Q_и в Вт вычисляем

в ячейке D21: =D10*D13*D20*((D14+273)^4- (D8+273)^4)*0,93^(D5-1) =444

19. Коэффициент теплоотдачи при излучении α_и в Вт/(м 2 *К) рассчитываем

в ячейке D22: =D21/(D15*D20) =4,8

20. Критерий Грасгофа Gr вычисляем

в ячейке D23: =D11*D16*(D3/1000)^3*D15/D17^2 =10410000

21. Критерий Нуссельта Nu находим

в ячейке D24: =0,5*(D23*D18)^0,25 =26,0194

22. Конвективную составляющую теплового потока Q_к в Вт вычисляем

в ячейке D25: =D26*D20*D15 =462

23. А коэффициент теплоотдачи при конвекции α_к в Вт/(м 2 *К) определяем соответственно

в ячейке D26: =D24*D19/(D3/1000)*0,93^(D5-1) =5,0

24. Полную мощность теплового потока регистра отопления Q в Вт и Ккал/час считаем соответственно

в ячейке D27: =D21+D25 =906

и в ячейке D28: =D27*0,85985 =779

25. Коэффициент теплоотдачи от поверхностей регистра отопления воздуху α в Вт/(м2*К) и Ккал/(час*м2*К) находим соответственно

в ячейке D29: =D22+D26 =9,8

и в ячейке D30: =D29*0,85985 =8,4

На этом расчет в Excel завершен. Теплоотдача регистра отопления из труб найдена!

Расчеты многократно подтверждены практикой!

Теплотехническим расчетам на этом сайте посвящен еще ряд статей. Быстро перейти к ним можно по ссылкам, расположенным ниже статьи или через страницу «Все статьи блога». В этих статьях просто и понятно на примерах рассказывается об основных понятиях теплотехники.

Замечания.

1. Правильнее в расчетах было бы использовать не коэффициент теплоотдачи α между наружными стенками регистра и воздухом, а коэффициент теплопередачи k , учитывающий теплообмен между теплоносителем (водой) и внутренними стенками труб регистра отопления, а так же передачу тепла через материал стенки (термическое сопротивление стенки). Рассчитывается коэффициент теплопередачи от воды к воздуху помещения по формуле:

α₁ ≈2000…3000 Вт/(м 2 *К) – коэффициент теплоотдачи между водой и внутренней стальной стенкой

λ_ст ≈50…60 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности материала стенок труб

2. Теплоотдача регистров отопления зависит от способа подачи воды в них (сверху вниз, снизу вверх …), от монтажных расстояний до ограждающих конструкций (до пола, до подоконника, до стены, до экрана), от толщины лакокрасочного покрытия и прочих факторов. Фактическая теплоотдача может быть меньше расчетной на 15…20%. Это необходимо учитывать при окончательных расчетах!

3. Расстояние между трубами и количество труб также оказывают влияние на теплоотдачу регистров отопления. В программе это частично учтено применением понижающего коэффициента (0,93) на каждый дополнительный ряд труб. Расстояние между трубами желательно выдерживать не менее диаметра трубы D (больше — лучше) .

4. Коэффициент теплопередачи k не является постоянной величиной для конкретного прибора отопления и значительно меняется при изменении температурного напора dt ! Подробнее об этом (и не только) читайте в ближайших статьях блога.

Подписывайтесь на анонсы статей в окнах, расположенных в конце каждой статьи или вверху каждой страницы и не забывайте подтверждать подписку кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (может прийти в папку «Спам»).

Уважаемые читатели, оставляйте комментарии к статье! Ваши мысли, замечания, предложения, вопросы, советы всегда интересны и полезны коллегам и автору.