Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
...
Реклама: Р-Климат | ИНН 7706739893 | ERID: 2VtzqvyKdmr
Summary:

Остывание теплоносителя в системах отопления

Cooling Down of Heat Transfer Media inHeating Systems

V .B.Volkov, Chief Specialist of  VentProekt Private Company, Minsk

Keywords: heat transfer media cooling, hydraulic calculation, heating, heat supply,heating networks,thermal insulation,heating appliances

Heating system calculation process is composed of several related computation stages, each of which takes significant time even when using special calculation programs. If at any stage you make a significant inaccuracy, mistake or error, adoptabstract source data, this can affect all of its elements, and the consequences will spread over the entire system to a certain extent. One of the most important parameters for selecting heating appliances is theaverage temperature of heat transfer media in them. And this means that the stage of calculation of heat transfer media cooling downinside pipelines is just as important.

Описание:

Расчет системы отопления представляет из себя несколько взаимосвязанных вычислительных этапов, каждый из которых занимает довольно много времени даже при использовании специальных вычислительных программ. И если на каком-то этапе допустить существенную неточность,погрешность или ошибку,принять абстрактные исходные данные, это может отразиться на всех ее элементах, а последствия распространятся так или иначе по всей системе. Одним из наиболее важных параметров для подбора приборов отопления являетсясредняя температура теплоносителя в них. А значит, так же важен и этап расчета остывания теплоносителя в трубопроводах.

Остывание теплоносителя в системах отопления

Одним из наиболее важных параметров для подбора приборов отопления является средняя температура теплоносителя в нем. А значит также важен и этап расчета остывания теплоносителя в трубопроводах.

Тенденции развития систем водяного отопления

Следует отметить несколько важных изменений в требованиях к системам отопления за последние 30–50 лет, которые повлияли на транзитные теплопотери трубопроводов и их учет в тепловом балансе помещения.

  1. Значительно снизилась доля однотрубных систем (см. рис. 1). И если в производственных или в общественных зданиях их еще можно встретить, например, в виде ветки для компактно расположенных технических помещений, то в жилье практически все системы отопления только двухтрубные. Напомню, одним из преимуществ однотрубных систем является экономия труб, меньшая металлоемкость по сравнению с двухтрубными. Больше труб – больше и потерь тепла.
  2. Стали практически обязательными требования архитекторов и заказчиков к скрытой прокладке труб отопления (см. рис. 2), тем самым значительно уменьшается та часть теплопотерь труб, которая также (равноценно!) участвует в нагреве воздуха помещения, как и приборы отопления. Потери тепла трубопровода, проложенного в коридоре от узла учета к входной двери квартиры, в отоплении этой квартиры практически не участвует. То же самое можно сказать и о трубопроводе, расположенном в подвесном потолке помещения. Почти все потери тепла трубами в здании остаются в самом здании, но учесть все перетоки этого тепла по зашивкам и строительным конструкциям практически невозможно.

Рис. 1.

 

Рис. 2.

3. Уменьшилась гидравлическая устойчивость систем отопления. А значит, все держится на автоматике и балансировке. Раньше подавляющее большинство систем проектировалось на сопротивление не более 1,5 м. Как правило, от 0,5 м в совсем малых объектах до 1–1,2 м в больших. Низкое сопротивление делало систему отопления гидравлически устойчивой, а теплоноситель, напрямую поступающий из тепловой сети, исключал дефицит расхода в системе отопления. Сегодня, вследствие широкого применения термостатических клапанов, балансировочной арматуры и независимой схемы подключения к тепловым сетям, потери давления в многоэтажных домах увеличились до 5–7 м. Такая система уже требует более точных расчетов, подбора оборудования и выполнения всего объема пусконаладочных работ, т. к. разница потерь давления по веткам или стоякам может быть довольно большой и вызывать критическое потокораспределение в системе трубопроводов.

Методика и некоторые особенности расчета

Методика расчета теплообмена между жидкостью (вода), движущейся в трубе с определенной скоростью, и окружающим трубу воздухом известна и хорошо проработана с достаточной для инженерных расчетов детализацией и учетом всех составляющих этого процесса. Этот сложный тип теплообмена включает в себя теплоотдачу жидкости к стенке трубопровода, перенос тепла теплопроводностью материала трубопровода и тепловой изоляции, если она есть, и теплоотдача от поверхности трубы (изоляции) к окружающему воздуху – конвективная и лучистая составляющие. Методика базируется на зависимостях, использующих критерии подобия Re, Nu, Gr, Pr. Для подстановки всех значений во все формулы потребуется собрать довольно большое количество данных: скорость течения жидкости и воздуха вокруг трубопровода, их температуры, теплофизические свойства, включая материал стенки трубы (изоляции), степень черноты поверхности трубы, приведенную (усредненную) степень черноты окружающих трубопровод поверхностей и т. д. Подробнее см. [1], стр. 69–103, а также некоторые уточнения в [2], табл. 2–33, стр. 177.

Некоторые результаты расчета по данной методике, выполненные в программе «СигмаКАД», можно продемонстрировать получив величины изменения температуры теплоносителя и среднюю плотность теплового потока для наиболее распространенных диаметров в зависимости от скоростей теплоносителя, характерных для систем отопления (см. табл. 1).

Таблица 1

Изменение температуры теплоносителя, °С (числитель), и средняя плотность теплового потока, Вт/м (знаменатель), на участке трубопровода длиной 10 м из труб по ГОСТ 3262 в зависимости от диаметра и скорости теплоносителя.

Примечания:

температура теплоносителя в начале участка принята 80 0С, температура окружающего воздуха – 18 0С;
Н – не изолированный трубопровод;
И30, И50 – изолированный минеральной ватой, λ = 0,044 Вт/(м0С), толщиной соответственно 30 и 50 мм.

Расчет системы отопления представляет из себя несколько взаимосвязанных вычислительных этапов, каждый из которых, если конечно не прикидывать «на коленке», занимает довольно много времени даже используя специальные вычислительные программы. Можно выделить 6 этапов:

1. Определение тепловых потоков (Qi) на участках исходя из заданной теплоотдачи приборов отопления.

2. Вычисление расходов теплоносителя (Gi) на участках.

3. Вычисление теплопотерь трубопроводов и дополнительного расхода теплоносителя (G) для компенсации этих теплопотерь с пересчетом начиная с п. 2.

4. Гидравлический расчет системы трубопроводов (при заданных диаметрах) для определения суммарных потерь давления в системе. Если заданы потери давления, то определение диаметров трубопроводов с пересчетом начиная с п. 3.

5. Определение потерь давления по всем ответвлениям, их увязка и подбор балансировочной арматуры.

6. Подбор приборов отопления.

Большой объем подготовительных расчетов (теплопотери, балансы по теплу, воздуху, вычерчивание схемы трубопроводов, подсчет длин участков и т. д.), а также большой объем исходных данных, особенно для этапа 3 – требуют времени и соответствующего подхода к этой работе. И, если на каком-то этапе допустить существенную неточность, погрешность или ошибку, принять абстрактное исходное данное – это может отразиться на всех элементах, а последствия распространятся так или иначе по всей системе отопления и проявятся, скорее всего, в наиболее слабых и критичных ее местах. Иногда эти погрешности возникают из-за приближенного (упрощенного) выполнения некоторых этапов, а иногда некоторыми расчетами пренебрегают, полагаясь на «коэффициенты запаса». Но с ними можно не угадать, особенно в проектных настройках балансировочной арматуры. С насосом это может повлечь повышенный шум в трубах или ощутимую вибрацию в прилегающих к тепловому пункту помещениях. С переразмеренными приборами отопления снижается тепловой комфорт в помещениях, т. к. более низкая температура на греющей поверхности уменьшает долю теплообмена излучением и, как следствие, радиационную температуру помещения, а конвективное тепло уходит под потолок: радиатор становится воздухонагревателем. Неоправданно увеличиваются и капитальные затраты – особенно заметно это в больших объектах.

Несмотря на всю громоздкость методики и множество входных данных, написать для расчета простейшую программу или даже сделать вычисления в Excel большого труда не составляет. Но все осложняет специфика расчета системы отопления – взаимное влияние некоторых значений, которые на разных этапах вычислений одновременно являются и данными и результатами:

  1. изменение температуры теплоносителя на участках трубопроводов: dTi;
  2. температуры теплоносителя в системе в целом: dT(T1T2);
  3. теплопотери трубопровода на участках: Qi;
  4. расходы теплоносителя на участках: Gi.

dTi зависит от Qi. Qi зависит от Gi. Gi зависит от dT и Qi. dT зависит от dTi. Распутать этот клубок тривиальным способом – выразить одно через другое – не получится. Приходится применять итерационный метод. При этом полученные результаты принимаются как исходные данные для следующих итераций пока не будет достигнуто их совпадение для dT и для суммарного теплового потока ΣQ в системе с определенной (приемлемой) точностью. Но у этого процесса высокая сходимость, поэтому погрешность в 1–2 % достигается за несколько итераций. Для максимальной точности и достоверности результатов в процессе итераций необходимо отслеживать совпадение данных и результатов не только для ΣQ, но и для Qi по каждому участку трубопровода, количество которых в большом здании может достигать более 1000.

Рассмотрим возможные варианты распределения температур теплоносителя в системе отопления. За вариант 0 примем случай, когда остыванием теплоносителя в трубах пренебрегают.

Вариант 1. Распределение температур в системе при условии обеспечения расхода теплоносителя с учетом дополнительной величины бесполезных теплопотерь трубопроводами (см. рис. 3). При этом расчетные температуры T1–T2 заданы на источнике тепловой энергии (ИТЭ). У потребителя тепловой энергии (ПТЭ) их необходимо вычислить.

Рис. 3.

В этом варианте все подборы приборов отопления в двухтрубной системе (с симметричной подающей и обратной частями трубопроводов) остаются приемлемыми в сравнении с вариантом 0, т. к. средняя температура теплоносителя у приборов отопления падает не существенно и близка к «эталонным» 80 °C. Так, в примере системы отопления 1 для Q1: 79,69 °C, Q2: 79,56 °C, Q3: 79,39 °C, Q4: 79,45 °C. А повышенные расходы теплоносителя не оказывают ощутимого влияния на теплоотдачу радиаторов. Хотя в реальных примерах могут быть исключения (несимметричные, смешанные системы и т. д.).

Вариант 2. Распределение температур в системе, если расчетные температуры T1–T2 заданы у ПТЭ (см. рис. 4). На ИТЭ их необходимо вычислить.

Рис. 4.

Здесь также подборы приборов отопления практически совпадают с вариантом 0. Этот вариант актуален для тепловых сетей, когда необходимо обеспечить определенные температуры подающего и обратного теплоносителя у абонентов.

Вариант 3. Распределение температур в системе, если задана температура T1 на ИТЭ, а также расчетный перепад температур у ПТЭ (см. рис. 5). Температуру T2 на ИТЭ следует вычислить. Также необходимо определить температуры у ПТЭ.

Рис. 5.

Этот вариант показывает распределение температур в системе, когда в варианте 1 расход теплоносителя оставлен таким же как в варианте 0. Последствия: сильное падение средней температуры в системе, критическое снижение теплоотдачи приборов отопления и температур воздуха во всех помещениях.

Вариант 4. Распределение температур в системе, если задана температура обратного теплоносителя T2 на ИТЭ, а также расчетный перепад температур у ПТЭ (см. рис. 6). Температуру подающего теплоносителя T1 на ИТЭ следует вычислить. Также необходимо определить температуры у ПТЭ.

Рис. 6.

Этот вариант актуален для теплоснабжения некоторых технологических потребителей или из-за особенностей тепловой схемы в ИТЭ.

Примеры расчета простейших систем отопления.

В качестве «испытуемых» для расчета распределения температур на участках возьмем две простейшие системы отопления.

Рис. 7.

Система отопления 1 (рис. 7) является обычной двухтрубной, строго симметричной системой с полностью одинаковыми длинами подающей и обратной частей.

Рис. 8.

Система отопления 2 (рис. 8) отличается от системы 1 только лишь тем, что врезан еще один прибор отопления Q5, причем в транзитный подающий трубопровод (T1) по однотрубной проточной схеме. Понятно, что это несколько ухудшит работу радиаторов Q2 и Q3. Посмотрим насколько работоспособно такое решение. Отметим также, что радиаторы Q2 и Q3 при этом становятся уже однотрубными проточными. Каждый совместно с радиатором Q5 составляет проточную часть системы.

В обоих системах участки 1, 4, 7, 8 теплоизолированы минеральной ватой, λ = 0,044 Вт/(м°С), толщиной изоляции 40 мм для уч. 1, 4 и 30 мм для уч. 7, 8.

Примеры рассчитаны в программе «СигмаКАД». Основные результаты расчета сведены в табл. 2–4.

Таблица 2

Результаты расчета остывания теплоносителя на участках системы отопления 1

Таблица 3

Основные результаты расчета системы отопления 1

Таблица 4

Основные результаты расчета системы отопления 2

Для системы отопления 1 дополнительно вычислено падение теплоотдачи чугунных секционных радиаторов (по методике [3], стр. 43) из секций 2К60П для варианта 3 в сравнении с вариантом 0 (см. табл. 5). Подключение радиаторов принято «снизу-вниз»: p = 0,15; n = 0,08; c = 1 (табл. 9.2, [3]).  Но здесь следует иметь ввиду, что в данном расчете определения теплопотерь трубопроводами полезная их часть никак не учитывалась, а она в каком-то количестве будет присутствовать, например, на открытых подводках к приборам отопления.

Таблица 5

Падение теплоотдачи радиаторов в системе отопления 1

* 2К60П – радиатор чугунный секционный отопительный (ГОСТ 8690-94).

Выводы

1. Снижение параметров теплоносителя по длине трубопроводов может оказывать существенное влияние на подбор приборов отопления, особенно, если есть жесткие требования дизайнера или заказчика по максимально скрытой прокладке труб. В некоторых случаях для компенсации теплопотерь трубопроводами требуется существенно увеличивать типоразмеры оборудования в ИТП: мощность теплообменников систем отопления, а также расход теплоносителя циркуляционных насосов. Для приведенной системы отопления расход теплоносителя следует увеличить с 221,5 до 473,7 кг/ч. Иначе распределение температур в трубопроводах будет как в варианте 3, и как следствие – уменьшение теплоотдачи приборов отопления, недостаточный нагрев помещений (см. табл. 5).

2. Большое значение имеет тепловая изоляция всех транзитных участков, особенно малых диаметров и (или) с низкой скоростью теплоносителя (см. табл. 1). Наиболее критичные места прокладки труб: подвалы, шахты, ниши, особенно примыкающие к наружным ограждающим конструкциям. Наиболее критичные участки с малыми скоростями теплоносителя:

– длинные подводки к приборам отопления;

– распределительные (поэтажные) трубопроводы к поквартирным узлам учета, а также от узлов учета до входа в квартиры, как правило, проложенные в подготовке пола коридоров;

– протяженные транзитные трубопроводы диаметром до 50 мм.

3. Падение температуры теплоносителя в трубопроводе увеличивается с уменьшением скорости теплоносителя в нем. Поэтому при стремлении уменьшить гидравлическое сопротивление трубопроводов системы отопления путем снижения скоростей теплоносителя (увеличения диаметров) следует находить приемлемый баланс, особенно в варианте 1, в котором от теплопотерь трубопровода также зависит расход теплоносителя, а следовательно, скорости и потери давления на участках.

4. Теплопотери трубопроводов могут достигать 40 % от суммарной нагрузки системы отопления. Если их не учитывать, то скорее всего это останется без последствий, т. к. часть тепла все-таки участвует в отоплении помещений, а зимой редко температуры наружного воздуха приближаются к расчетным, да и запасы даются почти во всех подборах основного оборудования: теплообменниках, насосах и приборах отопления. Слабым местом здесь скорее является балансировочная арматура, в подбор и настройки которой вносятся существенные погрешности, которые могут как взаимно уничтожаться, так и складываться (накапливаться), и тут уж как повезет. Может получиться так: слишком большой запас – очевидное завышение сметной стоимости, недостаточный – жалобы и проблемы.

5. Максимально точный учет теплопотерь трубопроводами и мероприятия по их тепловой изоляции еще более важны для тепловых сетей, с их протяженностью и диаметрами. Ведь все потери тепла там очевидно бесполезны.

6. Расчет распределения температур в системе отопления 2 показывает, что такое подключение радиатора Q5, с небольшой мощностью, не оказывает критического влияния на работоспособность других радиаторов и системы в целом. Хотя для возможности регулировки теплоотдачи его все-таки следует подключить через замыкающий участок № 14.

Литература

1. Баскаков А. П., Берг Б. В., Витт О. К. и др. Теплотехника: учебник для вузов / под ред. А. П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Теплотехнический справочник. В 2-х т. Т. 2 / под общ. ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1976.

3. Богословский В. Н., Крупнов Б. А., Сканави А. Н. и др. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3-х ч. Ч.1. Отопление / под ред. И. Г. Староверова, Ю. И. Шиллера. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1990. – 344 с.: ил. (Справочник проектировщика).

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №1'2023

PDF pdf версия


Статьи по теме

Реклама на нашем сайте
...
ООО «Арктика групп» ИНН: 7713634274 erid: 2VtzqvPGbED
...
Реклама / ООО «ИЗОЛПРОЕКТ» / ИНН: 7725566484 | ERID: 2VtzqwqnKQU
...
ООО "РУТЕКТОР" | ИНН: 2312103020 erid: 2VtzqvkEYLd
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Реклама на нашем сайте
...
ООО «РОСТерм Северо-Запад» / ИНН: 7801518005 / Erid: 2VtzqwY9YBJ
...
Реклама / ООО “ТПК Арекс” / ИНН: 7722489658 / erid: 2VtzqvwmHP3
...
реклама ООО "БДР ТЕРМИЯ РУС" / ИНН: 7717615508 / Erid: 2VtzqvBV5TD
BAXI
Онлайн-словарь АВОК!