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.

Характеристики стальных труб для отопления, расчет веса и теплоотдачи

Стальные водогазопроводные трубы являются самым популярным металлопрокатом широкого применения. Кроме использования для прокладки коммуникаций в соответствии с названием, они успешно выполняют функции отопительных приборов. Из труб вгп изготавливают гладкие и ребристые регистры разной конфигурации, которые по эффективности теплоотдачи не уступают современным радиаторам. Они прекрасно подходят для транспортировки теплоносителя в системах с естественной циркуляцией, при этом попутно участвуя в обогреве помещений.

Устанавливая стальные водогазопроводные трубы для отопления, очень важно знать их основные характеристики. В первую очередь к ним относятся вес и коэффициент теплоотдачи. Тщательно выполнив предварительные расчеты, вы убережете себя от неожиданных сложностей при монтаже и обеспечите требуемый эффект при эксплуатации.

Сортамент водогазопроводных труб

Водогазопроводные трубы изготавливаются в соответствии с требованиями государственного стандарта – ГОСТ 3262-75. Он действует уже более 40 лет и регламентирует все размеры и технические требования.

В сортаменте выделяется 3 разновидности труб:

Тип трубы определяется толщиной стенки. Она может варьироваться для разных диаметров от 1,8 до 5,5 мм. Усиление стенок позволяет изделиям выдерживать большее давление и обеспечивает более длительный срок службы. При этом, естественно, увеличивается расход металла на изготовление, стоимость и вес.

Приведенная в ГОСТе таблица веса стальных водогазопроводных труб позволяет определить массу 1 м погонного в зависимости от типа и диаметра.

Важно! Масса, определенная по таблице, является теоретической, фактическое значение может отличаться на 4-8%, что бывает ощутимо при больших партиях. Оцинкованные изделия всегда тяжелее примерно на 3-5%.

Как видно из таблицы, труба водогазопроводная стальная может иметь условный проход от 6 до 150 мм, что соответствует интервалу от ¼ до до 6 дюймов. Размеры в дюймах часто используются для маркировки фитингов и запорно-регулирующей арматуры. Поэтому очень важно правильно оперировать этими единицами измерения при комплектации системы.

На заметку: если под рукой нет таблицы, можно самостоятельно провести пересчет диаметра. Для этого достаточно знать, что 1 английский дюйм соответствует средней толщине большого пальца взрослого мужчины и равняется 25,4 мм. Все калибры легко определить, разделив значение условного прохода на 25 с округлением до ближайшего стандартного значения.

Масса трубы может быть также найдена вручную с помощью простых формул геометрии и физики, представленных на рисунке ниже. При больших объемах расчетов удобно использовать специальный онлайн калькулятор, который позволяет автоматизировать процесс.

На рисунке приняты следующие обозначения:

d – внутренний диаметр трубы;

D – наружный диаметр;

b – толщина стенки;

S – площадь металла в поперечном сечении;

V – объем металла;

m – масса изделия;

ρ – удельный вес стали, равный 7,85 г/см3.

Важно! Следует учитывать, что внутренний диаметр и условный проход – это не одно и то же. Трубы с разными толщинами стенок имеют разные внутренние диаметры при одинаковом условном проходе. Под условным проходом понимают некую стандартную величину в линейке сортамента, которая лишь примерно равна значению d. Приведение труб разных типов к одному условному диаметру значительно упрощает подбор фасонных элементов и других комплектующих.

Необходимо отметить высокие прочностные характеристики стальных труб. Они имеют жесткость, характерную для металлического прута аналогичного диаметра. При этом намного легче и дешевле. Так, изделие самого тяжелого типа будет иметь вес на 30-40% меньше, чем цельнометаллический прокат.

Благодаря этому, водогазопроводная труба широко применяется не только для транспортировки различных сред любой температуры, но также в строительстве и машиностроении для сооружения разнообразных конструкций.

Виды отопительных регистров

Стальные отопительные регистры представляют собой водогазопроводные или электросварные трубы, которые с помощью сварки соединяются в приборы для обогрева помещений. Они могут быть разной конфигурации. В соответствии с формой приборов выделяют следующие разновидности:

На рисунке показаны некоторые варианты их конструктивного исполнения.

Секционные в свою очередь подразделяются на виды в зависимости от способа соединения: ниткой или колонкой. В первом случае нагретая жидкость проходит последовательно по каждой трубе, двигаясь по прибору, как в змеевике. Во втором – теплоноситель входит в каждую последующую трубу с двух сторон параллельно, как показано на рисунке выше.

Иногда применяют аналогичные конструкции из металлического профиля прямоугольного или квадратного сечения. Они несколько дороже круглых, но могут быть удобны для самостоятельного изготовления при наличии исходного материала.

Несмотря на непривлекательный внешний вид, стальные регистры довольно популярны в помещениях технического назначения. Их часто можно встретить в гаражах, мастерских, производственных цехах, а иногда и в общественных зданиях. Некоторые домовладельцы отдают предпочтение именно регистрам из труб из-за относительной дешевизны изделия и возможности изготовления своими руками прибора нужной длины и формы.

По способности отдавать тепло такие приборы несколько уступают радиаторам аналогичной длины, но при этом имеют меньшую стоимость. Важным преимуществом гладкотрубных регистров является простота в уходе за ними. Именно удобство регулярного очищения обуславливает их частое применение в медицинских учреждениях.

Для увеличения теплоотдачи стальной трубы используют оребрение из пластин. Они существенно увеличивают площадь контакта с окружающим воздухом, к тому же улучшают конвекцию. Эффективность таких отопительных приборов примерно раза в 3 выше, чем гладкотрубных. Недостаток регистров с оребрением только в сложности удаления пыли, которая скапливается между пластинами.

Существуют и более сложные современные конструкции вертикальных регистров. Они могут быть как прямыми, так и дугообразными в плане, повторяя очертания самых сложных архитектурных форм. Возможны варианты расположения колонок в один или два ряда. Такие регистры очень удобны для больших высоких помещений и дают свободу смелым дизайнерским решениям.

Определение теплоотдачи

Для правильного подбора размера регистров для отопления помещений в соответствии с теплопотерями необходимо знать значение теплоотдачи трубы длиной 1 метр. Эта величина зависит от используемого диаметра и разницы температур теплоносителя и окружающей среды. Температурный напор определяется по формуле:

где t₁ и t₂ – температуры на входе в котел и выходе из него соответственно;

t_к – температура в отапливаемой комнате.

Быстро определить ориентировочное значение количества тепла, получаемого от регистра, поможет таблица теплоотдачи 1 м стальной трубы. Не смотря на то, что результат получается весьма приближенным, этот метод является самым удобным и не требует проведения сложных расчетов.

Для справки: 1 БТЕ/ час · фут 2 · o F = 5,678 Вт/м 2 К = 4,882 ккал/час· м 2 · o C.

Таблица показывает, какой будет теплоотдача стальных труб в воздушной среде при некоторых температурных перепадах. Для промежуточных значений разницы температур выполняются расчеты путем интерполяции.

Для более точного определения количества тепла, которое дает стальная труба, следует пользоваться классической формулой:

Q=K ·F · ∆t,

где: Q – теплоотдача, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · 0 С);

F – площадь поверхности, м 2 ;

∆t – температурный напор, 0 С.

Принцип определения ∆t был описан выше, а значение F находится по простой геометрической формуле для поверхности цилиндра: F = π·d·l,

где π = 3,14, а d и l – диаметр и длина трубы соответственно, м.

При расчете участка длиной 1 м формула приобретает вид Q = 3,14·K·d·∆t.

На заметку: при определении теплоотдачи одиночной трубы достаточно подставить справочное значение коэффициента теплообмена для стали при передаче тепла от воды к воздуху, которое составляет 11,3 Вт/(м 2 · 0 С). Для отопительного прибора значение К зависит не только от материала, из которого изготовлены трубы, но также от их диаметра и количества ниток, так как они влияют друг на друга.

Средние значения коэффициентов теплопередачи для самых популярных типов нагревательных приборов приведены в таблице.

Важно! Подставляя значения в формулы необходимо внимательно следить за единицами измерения. Все величины должны иметь размерности, которые согласовываются между собой. Так, коэффициент теплопередачи, найденный в ккал/(час· м 2 · 0 С) необходимо перевести в Вт/(м 2 · 0 С), учитывая, что 1 ккал/час = 1,163 Вт.

Безусловно, таблица теплоотдачи стальных труб позволяет получить результат более быстро, чем расчет по формулам, но если важна точность, придется немного повозиться.

Чтобы определить необходимый размер регистра, требуемую тепловую мощность нужно разделить на теплоотдачу 1 метра с округлением в большую сторону к ближайшему целому числу. Для ориентира можно взять средние данные для утепленного помещения высотой до 3 м: 1 м регистра при диаметре 60 мм способен обогреть 1 м 2 помещения.

На заметку: Как видно из таблицы, коэффициент К для стальных труб может меняться от 8 до 12,5 ккал/(час· м 2 · 0 С). Увеличение диаметров и количества ниток приводит к уменьшению эффективности передачи тепла. В связи с этим для увеличения теплоотдачи регистра следует отдавать предпочтение увеличению длины элементов.

Необходимо учитывать также, что трубы больших размеров требуют повышенного объема воды в системе, что создает дополнительную нагрузку на котел. Рекомендуемое расстояние между нитками равно равняться диаметру труб плюс еще 50 мм.

Если система заполняется не водой, а незамерзающей жидкостью, то это существенно влияет на теплоотдачу регистра и требует увеличения его размеров после проведения дополнительных расчетов. Это особенно актуально при использовании приборов с ТЭНами и маслом в виде теплоносителя.

Заключение

Стальной трубопровод является довольно прочным, долговечным изделием с хорошей теплоотдачей. Регистры из гладких труб могут иметь различные конфигурации, очень удобны в уходе и не требуют периодической промывки. Это позволяет им успешно конкурировать с легкими биметаллическими и алюминиевыми отопительными приборами, а также с традиционными «неубиваемыми» чугунными радиаторами.

Водогазопроводные трубы получили широкое распространение в наружных тепловых сетях при открытой прокладке благодаря высокой жесткости и износоустойчивости. Целесообразность использования стальных труб для отопления помещений определяется условиями эксплуатации, финансовыми возможностями и эстетическим вкусом хозяев. Применение регистров наиболее оправдано в производственных и технических помещениях, но и в других случаях у них найдутся свои преимущества.