Меню

Тепловая мощность по сечению трубы

Расчет труб отопления в частном доме по мощности

Расчет труб отопления и системы в целом заключается в определении тепловой мощности, выборе диаметров всех трубных элементов (гидравлический расчет), определении размеров отопительных приборов (тепловой расчет) и подборе оборудования.

При разработке системы отопления в первую очередь необходимо составить схему на основе плана дома. На схеме прорисовываются:

  • Расположение котлов (или иных теплогенераторов).
  • Циркуляционных насосов.
  • Места прохождения теплопроводов.
  • Места установки отопительных предметов.

Отталкиваясь от схемы и просчитав тепловую мощность системы, можно более детально рассчитать диаметр труб отопления.

Расчет тепловой мощности системы отопления

Тепловая мощность системы отопления — это количество теплоты, которое необходимо выработать в доме для комфортной жизнедеятельности в холодное время года.

Теплотехнический расчет дома

Существует зависимость между общей площадью обогрева и мощностью котла. При этом, мощность котла должна быть больше или равняться мощности всех отопительных приборов (радиаторов). Стандартный теплотехнический расчет для жилых помещений следующий: 100 Вт мощности на 1 м² отапливаемой площади плюс 15 — 20 % запаса.

Рассмотрим в качестве примера дом площадью 120 м². В данном случае мощность котла должна составлять: 100 Вт × 120 + 15 % = 13800 Вт = 13,8 кВт. Если котел (двухконтурный) будет использоваться и для горячего водоснабжения, то его требуемая мощность должно быть увеличена соразмерно предполагаемому расходу подогретой воды.

Расчет количества и мощности приборов отопления (радиаторов) необходимо проводить индивидуально для каждого помещения. Каждый радиатор имеет определенную тепловую мощность. В секционных радиаторах общая мощность складывается из мощности всех используемых секций.

В несложных отопительных системах приведенных способов расчета мощности бывает достаточно. Исключение — здания с нестандартной архитектурой, имеющие большие площади остекления, высокие потолки и другие источники дополнительных теплопотерь. В этом случае потребуется более детальный анализ и расчет с использованием повышающих коэффициентов.

Теплотехнический расчет с учетом тепловых потерь дома

Расчет тепловых потерь дома необходимо выполнять для каждого помещения в отдельности, с учетом окон, дверей и внешних стен.

Более детально для данных теплопотерь используют следующие данные:

  • Толщину и материал стен, покрытий.
  • Конструкцию и материал кровельного покрытия.
  • Тип и материал фундамента.
  • Тип остекления.
  • Тип стяжек пола.

Важно учитывать наличие в ограждающих конструкциях теплоизолирующего слоя, его состав и толщину.

Для определения минимально необходимой мощности отопительной системы с учетом тепловых потерь можно воспользоваться следующей формулой:

Qт(кВт×ч) = V × ΔT × K ⁄ 860, где:

— тепловая нагрузка на помещение.

V — объем обогреваемого помещения (ширина × длина × высота), м³.

ΔT — разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения, °C.

K — коэффициент тепловых потерь строения.

860 — перевод коэффициента в кВт×ч.

Коэффициент тепловых потерь строения K зависит от типа конструкции и изоляции помещения:

K Тип конструкции
3 — 4 Дом без теплоизоляции — упрощенная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа.
2 — 2,9 Дом с низкой теплоизоляцией — упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и крыши.
1 — 1,9 Средняя теплоизоляция — стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, крыша со стандартной кровлей.
0,6 — 0,9 Высокая теплоизоляция — улучшенная конструкция, кирпичные стены с теплоизоляцией, небольшое число окон, утепленный пол, кровельный пирог с высококачественной теплоизоляцией.

Разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения ΔT определяется исходя из конкретных погодных условий и требуемого уровня комфорта в доме. Например, если температура снаружи -20 °C, а внутри планируется +20 °C, то ΔT = 40 °C.

Расчет диаметра труб отопления

Определившись с количеством радиаторов и их тепловой мощностью, можно переходить к подбору размеров подводящих труб.

Прежде чем переходить к расчету диаметра труб, стоит затронуть тему выбора нужного материала. В системах с высоким давлением придется отказаться от применения пластиковых труб. Для систем отопления с максимальной температурой выше 90 °C предпочтительнее стальная или медная труба. Для систем с температурой теплоносителя ниже 80 °C можно выбрать металлопластиковую или полимерную трубу.

Системы отопления частных домов характеризуются невысоким давлением (0,15 — 0,3 мПа) и температурой теплоносителя не выше 90 °C. В данном случае использование недорогих и надежных полимерных труб оправдано (по сравнению с металлическими).

Чтобы нужное количество теплоты пришло в радиатор без задержки, следует подобрать диаметры подводящих труб радиаторов так, чтобы они соответствовали расходу воды, необходимому каждой отдельно взятой зоне.

Расчет диаметра труб отопления проводится по следующей формуле:

D = √(354 × (0,86 × Q ⁄ Δt°) ⁄ V), где:

D — диаметр трубопровода, мм.

Q — нагрузка на данный участок трубопровода, кВт.

Δt° — разница температур подачи и обратки, °C.

V — скорость теплоносителя, м⁄с.

Разница температур (Δt°) десятисекционного радиатора отопления между подачей и обраткой в зависимости от скорости потока обычно варьирует в пределах 10 — 20 °C.

Минимальным значением скорости теплоносителя (V) рекомендуется считать 0,2 — 0,25 м⁄с. На меньших скоростях начинается процесс выделения избыточного воздуха, содержащегося в теплоносителе. Верхний порог скорости теплоносителя 0,6 — 1,5 м⁄с. Такие скорости позволяют избежать возникновения гидравлических шумов в трубопроводах. Оптимальным значением скорости движения теплоносителя считается диапазон 0,3 — 0,7 м⁄с.

Для более детального анализа скорости движения жидкости нужно учитывать материал труб и коэффициент шероховатости внутренней поверхности. Так, для трубопроводов из стали оптимальной считается скорость потока 0,25 — 0,5 м⁄с, для полимерных и медных труб — 0,25 — 0,7 м⁄с.

Пример расчета диаметра труб отопления по заданным параметрам

Исходные данные:

  • Комната площадью 20 м², с высотой потолков 2,8 м.
  • Дом кирпичный неутепленный. Коэффициент тепловых потерь строения примем 1,5.
  • В комнате есть одно окно ПВХ с двойным стеклопакетом.
  • На улице -18 °C, внутри планируется +20 °С. Разница 38 °С.
Читайте также:  Как приварить две трубы разного диаметра

В первую очередь определяем минимально необходимую тепловую мощность по ранее рассмотренной формуле Qт(кВт×ч) = V × ΔT × K ⁄ 860.

Получаем Qт = (20 м² × 2,8 м) × 38 °С × 1,5 ⁄ 860 = 3,71 кВт×ч = 3710 Вт×ч.

Теперь можно переходить к формуле D = √(354 × (0,86 × Q ⁄Δt°) ⁄ V). Δt° — разницу температур подачи и обратки примем 20°С. V — скорость теплоносителя примем 0,5 м⁄с.

Получаем D = √(354 × (0,86 × 3,71 кВт ⁄ 20 °С) ⁄ 0,5 м⁄с) = 10,6 мм. В данном случае рекомендуется выбрать трубу с внутренним диаметром 12 мм.

Таблица диаметров труб для отопления дома

Таблица расчета диаметра трубы для двухтрубной системы отопления с расчетными параметрами (Δt° = 20 °С, плотность воды 971 кг ⁄ м³, удельная теплоемкость воды 4,2 кДж ⁄ (кг × °С)):

Диаметр трубы внутренний, мм Тепловой поток / расход воды Скорость потока, м/с
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
8 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 409

193 10 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 639

302 12 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 920

435 15 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 1437

680 20 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 2555

1208 25 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 3992

1999 32 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 6540

3093 40 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 10219

4834 50 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 15967

7552 70 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 31295

14803 100 ΔW, Вт

Q, кг ⁄ час 63868

На основании предыдущего примера и данной таблицы выберем диаметр трубы отопления. Нам известно, что минимально необходимая тепловая мощность для комнаты площадью 20 м² равна 3710 Вт × час. Смотрим таблицу и ищем ближайшее значение, которое соответствует рассчитанному тепловому потоку и оптимальной скорости движения жидкости. Получаем внутренний диаметр трубы 12 мм, который при скорости движения теплоносителя 0,5 м ⁄ с обеспечит расход 198 кг ⁄ час.

Расчет диаметра трубы отопления для магистрали

Расчет системы отопления производится после того, как определены теплопотери каждого отапливаемого помещения, выбран тип нагревательных приборов, они размещены на плане этажей, определены вид системы и места расположения магистралей и стояков.

Рассмотрим простой пример:


Посчитав суммарную требуемую мощность, можно определить диаметр трубы по таблице:

Диаметр труб, дюймов Расход теплоносителя, л ⁄ мин Тепловая нагрузка, кВт
1 ⁄ 2 5,7 5,5
3 ⁄ 4 15 14,6
1 30 29,3

В помещении А мощность тепловой нагрузки составляет 3,3 кВт, соответственно, нужный диаметр трубы 1 ⁄ 2 дюйма (2).

В помещении В мощность тепловой нагрузки составляет 16,4 кВт, соответственно, нужный диаметр трубы 3 ⁄ 4 дюйма (1).

Для магистрали (3) необходимо сложить суммарные мощности помещения А и В. Получаем 20,2 кВт. Соответственно, диаметр труб должен быть 1 дюйм.

Правильный выбор диаметра труб отопления поможет сэкономить средства. Чем меньше диаметр труб, тем меньше цена на фитинги к ним. Однако, не стоит необоснованно занижать сечение труб — это приведет к снижению коэффициента полезного действия (КПД) всей отопительной системы.

Источник

Расчет теплоотдачи трубы

Сколько тепла отдает воздуху помещения стояк или лежак системы отопления? На сколько градусов остывает вода в изолированной воздушной теплотрассе? Как правильно и экономично выполнить теплоизоляцию трубопровода? Используя представленную далее.

. программу в Excel, можно оперативно получить точные ответы на эти и другие вопросы!

Объект исследований — труба с теплоносителем — водой, окруженная воздушным пространством.

Очередные пользовательские функции (ПФ) Полковова Вячеслава Леонидовича выполняют автоматический расчет теплоотдачи трубы с теплоизоляцией поверхности и без таковой в любом пространственном положении.

Напомню, что пользовательской функцией (ПФ-функцией, UDF-функцией) в Excel называется программа (макрос), записанная на языке VBA в программном модуле файла, и имеющая вид:

  • y – значение функции (искомый расчетный параметр);
  • x1,x2,x3, …,xn – значения аргументов функции (исходные данные).

Чуть подробнее о работе с пользовательскими функциями можно посмотреть в предыдущей статье на блоге и почитать в Интернете.

Расчет в Excel теплоотдачи трубы.

Для выполнения расчетов необходимо ввести в таблицу MS Excel исходные данные. Их – 13. Это — физические параметры теплоносителя (воды), температура окружающего воздуха, геометрические размеры трубы и слоя теплоизоляции, теплопроводность материалов и степень черноты наружных поверхностей трубы и изоляции.

В ячейках результатов автоматически выводится значение мощности тепловой отдачи трубы в Ваттах для четырёх вариантов, и температура остывания воды в градусах Цельсия за время движения по заданному участку трубопровода.

Все 22 пользовательские функции, задействованные в этой расчетной программе Excel, записаны каждая в своем Module в папке Modules. Доступ к папке — в Редакторе Visual Basic.

Теория, алгоритмы, литература.

Трубы, в системах теплоснабжения, могут выполнять две функции — транспортировать теплоноситель к месту его использования и служить сами отопительным прибором (регистром).

При реализации любой из вышеперечисленных функций необходимо производить количественную оценку эффективности её выполнения.

Основные показатели для систем транспорта тепловой энергии определены нормативными документами СО 153-34.20.523-2003 в 4 частях.

В любом случае возникает необходимость оперативного и точного расчёта:

  • параметров теплообмена между трубой и окружающей её средой;
  • затрат энергии на транспортирование теплоносителя (воды) через трубу.

Теплоотдача «голой» трубы

Параметры, знание которых позволяет рассчитывать тепловые процессы в системе «вода — труба — воздух», собраны и показаны в блоке исходных данных таблицы из предыдущей части статьи.

На рисунке ниже приведена эквивалентная схема теплоотдачи голой трубы.

При расчётах теплоотдачи трубы удобно использовать метод аналогии между теплотехникой и электротехникой, принимая:

  • перепад температур dt=tводаtвозд, как разность электрических потенциалов;
  • тепловой поток q, как электрический ток;
  • термическое сопротивление Rt, как электрическое сопротивление.

По аналогии с законом Ома получаем следующее уравнение:

q=dt/Rt=(tвода tвозд)/(Rвн+Rтр+Rнар), Вт.

Термическое сопротивление между двумя средами – водой и воздухом – препятствует всем формам теплообмена между ними:

Каждая из перечисленных форм теплообмена имеет свою специфику и описывается соответствующими аналитическими выражениями.

1. Конвективный теплообмен между движущейся водой и твёрдой цилиндрической стенкой

Rвн=1/(αвн·Fвн) – термическое внутреннее сопротивление, °С/Вт, где:

  • αвн – средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи от движущейся воды внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С);
  • Fвн — площадь смачиваемой внутренней стенки трубы, м².

αвн=Nuвода·λвода/Dтр – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С), где:

  • Nu – критерий Нуссельта;
  • λвода – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·°С);
  • Dтр – гидравлический диаметр трубы, м.

Число Нуссельта (Nuвода) для движущейся воды в цилиндрической трубе, равно:

Nuвода=С·Reвода m ·Prвода n ·K число Нуссельта для движущейся воды в цилиндрической трубе, где:

  • Reвода – число Рейнольдса для движущейся воды;
  • Prвода – число Прандтля для воды;
  • С,m,n и K – индексы, значения которых зависят от характера потока воды (ламинарный или турбулентный).

2. Термическое сопротивление твёрдой стенки цилиндрической трубы

Rтр=Ln(Dнар/Dтр)/(λтр·2·π·Lтр) — термическое сопротивление стенки трубы, °С/Вт, где:

  • Dнар – наружный диаметр трубы, м;
  • Dтр – внутренний диаметр трубы, м;
  • λтр – к-т теплопроводности материала трубы, Вт/( м·°С);
  • Lтр – длина трубы, м.

3. Конвективный и лучистый теплообмены между твёрдой цилиндрической стенкой трубы и окружающим воздухом

Rнар=1/[(αклFнар] – термическое наружное сопротивление, °С/Вт, где:

  • αк – средний по длине трубы коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
  • αл – средний по длине трубы коэффициент лучистой теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
  • Fнар — площадь омываемой воздухом наружной стенки трубы, м².

αк=Nuвозд·λвозд/Dнар — коэффициент теплоотдачи за счёт конвекции, Вт/(м²·°С), где:

  • Nuвозд – критерий Нуссельта для воздуха;
  • λвозд – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/( м·°С);
  • Dнар – наружный диаметр трубы, м.

Nuвозд=С·(Grвозд·Prвозд) n ·K число Нуссельта для воздуха, омывающего цилиндрическую горизонтальную трубу, где:

  • Grвозд – критерий Грасгофа для воздуха;
  • Prвозд – критерий Прандтля для воздуха;
  • С,m и n – индексы, значения которых зависит от характера потока воздуха, омывающего трубу.

Если Grвозд·Prвозд≤10 9 — ламинарный поток воздуха: С=0,47; n=0,26; К=1.

Если Grвозд·Prвозд>10 9 — турбулентный поток воздуха: С=0,2; n=0,33; К=1.

Grвозд=g·β·ρвозд²·dtнар·Dнар³/μвозд² — число Грасгофа для воздуха, омывающего горизонтальную трубу, где:

  • g ускорение свободного падения, м/с²;
  • β температурный коэффициент объёмного расширения для воздуха, 1/К;
  • ρвозд – объёмная плотность воздуха, кг/м³;
  • dtнар – разность температур между наружной стенкой трубы и воздухом, °С;
  • μвозд — динамическая вязкость воздуха, Н·с/м² (Па·с).

qл=eизл·С·[(T+tвозд+dtнар) 4 -(T+tвозд) 4 ] — удельный тепловой поток за счёт излучения, Вт/м², где:

  • eизл – излучательная способность (степень черноты) поверхности трубы;
  • С– постоянная Стефана-Больцмана, С=5,67·10 -8 Вт/(м²·К 4 ).

αл=qл/dtнар — коэффициент теплоотдачи за счёт излучения, Вт/(м²·К).

4. Перепад температур между наружной стенкой трубы и воздухом

Значение разности температур между наружной стенкой трубы и воздухом (dtнар) находится с помощью метода итераций при использовании следующих равенств:

Rнар=φ(dtнар) -> dtнар=Rнар·q -> Rнар=φ(dtнар) n раз, или до момента Δ(dtнар) ≈ 0.

5. Итоговые обобщения алгоритма

При движении воды по трубе изменяются физические параметры воды и, следовательно, меняются режимы теплообмена. Для «длинных» труб погрешности расчёта могут быть очень большими, даже при использовании усреднённых значений физических параметров (Р, t) воды.

Одним из вариантов повышения точности расчётов является разбиение трубы на участки небольших размеров, физические параметры воды на которых изменяются в «приемлемых границах». При этом параметры воды на выходе предыдущего участка являются входными параметрами воды последующего участка.

Рассмотренный выше алгоритм расчета разработан для горизонтально расположенных труб.

Аналогичный алгоритм расчёта и аналитические зависимости используются и при расчёте теплоотдачи вертикальной трубы. Незначительные отличия в формулах и новые значения индексов представлены далее.

Nuвозд=С·(Grвозд·Prвозд) n — критерий Нуссельта для воздуха, омывающего цилиндрическую вертикальную трубу, где:

Grвозд=g·β·ρвозд²·dtнар·Lтр³/μвозд² — критерий Грасгофа для воздуха, омывающего вертикальную трубу.

Если Grвозд·Prвозд≤10 9 — ламинарный поток воздуха: С=0,59; n=0,25.

Если Grвозд·Prвозд>10 9 — турбулентный поток воздуха: С=0,021; n=0,4.

6. Пользовательские функции

Для автоматизации рутинных расчетов были разработаны перечисленные ниже пользовательские функции (ПФ), предназначенные для вычисления параметров теплообмена между «голой» трубой и внешней воздушной средой:

  1. ПФ для расчёта теплоотдачи горизонтальной «голой» трубы с водой в воздушном пространстве:

РтрГГ=qТрВодаВоздухГор(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, kэ, Lтр, етр), Вт.

  1. ПФ для вычисления тепловой мощности вертикальной «голой» трубы, заполненной движущейся водой и окруженной воздушной средой:

РтрВГ=qТрВодаВоздухВерт(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, kэ, Lтр, етр), Вт.

  1. ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе горизонтальной «голой» трубы при теплообмене с воздушной средой:

dtтрГГ=dtТрВодаВоздухГор(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, kэ, Lтр, етр), °С.

  1. ПФ для вычисления изменения температуры воды на участке от входа до выхода из вертикальной «голой» трубы, находящейся в воздушном пространстве:

dtтрВГ=dtТрВодаВоздухВерт(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, kэ, Lтр, етр), °С.

Теплоотдача изолированной трубы

На следующем рисунке приведена эквивалентная схема к расчету теплоотдачи изолированной трубы.

Расчётный алгоритм для теплоизолированной трубы отличается от алгоритма для «голой» трубы учётом дополнительного термического сопротивления теплоизоляции.

Rиз=Ln(Dиз/Dнар)/(λиз·2·π·Lтр) – термическое сопротивление изоляции, °С/Вт, где:

  • Dиз – наружный диаметр теплоизоляции, м;
  • Dнар – наружный диаметр голой трубы, м;
  • λиз коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/( м·°С);
  • Lтр – длина трубы, м.

q=dt/Rt=(tвода tвозд)/(Rвн+Rтр+Rиз+Rнар) — тепловой поток от воды через стенку трубы, слой изоляции к окружающему водуху, Вт.

Остальные формулы — те же, что и в расчетах «голой» трубы.

Для упрощения расчётов теплоотдачи изолированных труб были разработаны похожие на предыдущие четыре пользовательские функции:

  1. ПФ для расчёта теплоотдачи изолированной горизонтальной трубы:

РтрГИ=qТрИзолВодаВоздухГор(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, hиз, λиз, kэ, Lтр, eиз), Вт.

  1. ПФ для вычисления тепловой мощности изолированной вертикальной трубы:

РтрВИ=qТрИзолВодаВоздухВерт(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, hиз, λиз, kэ, Lтр, eиз), Вт.

  1. ПФ для определения падения температуры воды в теплоизолированной горизонтальной трубе:

dtтрГИ=dtТрИзолВодаВоздухГор(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, hиз, λиз, kэ, Lтр, eиз), °С.

  1. ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе теплоизолированной вертикальной трубы:

dtтрВИ=dtТрИзолВодаВоздухВерт(Pвода, Gвода, tвода, tвозд, Dтр, hтр, λтр, hиз, λиз, kэ, Lтр, eиз), °С.

Влияние степени черноты наружной поверхности на мощность теплового потока «голых» и изолированных труб

В рассмотренном ниже примере расчёты теплоотдачи выполнены с использованием пользовательских функций для «голой» и теплоизолированной труб со степенью черноты наружных поверхностей в диапазоне e=0,1…1,0.

Графики наглядно демонстрируют, что коэффициент излучения наружной поверхности теплоизоляции не значительно влияет на относительную мощность теплового потока. В то же время степень черноты внешней стенки «голой» трубы оказывает весьма существенное влияние на теплоотдачу! Это означает, что для «голых» труб необходимо более точно в расчётах задавать значение коэффициента излучения их наружных поверхностей. Для теплоизолированных труб точность задания степени черноты поверхности изоляции менее критична.

Коэффициенты излучения поверхностей различных материалов существенно отличаются и часто значительно зависят от температуры.

Литература:

  1. Х.Уонг Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. Москва. Атомиздат. 1979.
  2. Ф.Крейт, У.Блэк Основы теплопередачи. Москва, Мир, 1983.
  3. М.А. Михеев, И.М. Михеева Основы теплопередачи. Издание второе. Москва, Энергия, 1977.
  4. В.Р. Кулинченко Справочник по теплообменным расчётам. Киев. Тэхника, 1990.

Ссылка на скачивание файла: raschet-teplootdachi-truby (xls 271,0KB).

Источник

Adblock
detector