Зависимость теплоотдачи от температуры теплоносителя

Теплоотдача радиатора — показатель, который обозначает количество тепла, переданного радиатором помещению в единицу времени. Измеряется она в Ваттах (Вт). Также в интернете можно встретить другие названия этого показателя: тепловая мощность, мощность, тепловой поток. В качестве единицы измерения теплоотдачи можно встретить также кал/час, их можно перевести в Ватты и наоборот по зависимости: 1 Вт = 859,8452279 кал/ч.

Передача тепла помещению происходит двумя процессами: излучением и конвекцией. Конструкция современных отопительных приборов разработана так, чтобы, комбинируя оба процесса, достичь максимальной теплоотдачи.

Тепловая мощность радиаторов зависит кроме его конструкции от трех величин: температуры теплоносителя на входе радиатора, на выходе и температуры воздуха в помещении. Температурный напор (&#916t, K) представляет разность температуры радиатора и помещения. Температура радиатора берется как средняя между температурами на входе и выходе из радиатора. Т.о., простая формула температурного напора следующая:

Эта формула широко используется как для расчетов, так и в справочной литературе. Но расчет температуры радиатора как среднеарифметическое значение не отражает действительной температуры радиатора. Более точное значение можно получить, пользуясь логарифмической зависимостью, тогда логарифмическая формула температурного напора будет выглядеть так:

В технической документации производителей радиаторов можно встретить значения теплоотдачи, полученные по трем основным методам испытаний: по стандартам EN-442, DIN 4704 и НИИСТ. EN 442 — общеевропейский стандарт, на который ориентируются все производители отопительных приборов. Испытания проходят при температурном режиме 75/65/20 в кабине, где охлаждаются потолок, пол и стены кроме противоположной радиатору. В соответствии со стандартом DIN 4704 отопительный прибор испытывается при режиме 90/70/20 и охлаждаются все ограждающие конструкции. По НИИСТ температурный напор составляет 70 o C, не охлаждаются стена напротив радиатора и пол, радиатор отделен от стены теплоизолирующим экраном. Теплоотдача, полученная по разным стандартам может отличаться на 1-8%.

Если в системе отопления используется иной температурный режим, то теплоотдачу отопительных приборов нужно пересчитать. Это можно сделать по формуле пересчета теплоотдачи:

Показатель n характеризует конструкцию радиатора. Чем выше этот показатель, тем значительнее падает теплоотдача при низкотемпературных режимах отопления, и, наоборот, быстрее возрастает при высоких температурах теплоносителя.

Онлайн калькулятор для пересчета теплоотдачи стальных панельных радиаторов

В данной он-лайн программе учитывается влияние на теплоотдачу радиаторы таких факторов: атмосферное давление (влияет на теплоотдачу до 4%), способ подключения радиатора (влияет на теплоотдачу до 22%). Также программа позволяет пересчитывать фактическую теплоотдачу радиатора в зависимости от температурного напора и расхода теплоносителя, однако, для этой цели лучше пользоваться технической документацией производителя. Программу же можно использовать для дешевых и малоизвестных марок радиаторов, по которым недостаточно данных.

Тепловая мощность радиатора, Вт при &#916t= o C

Основными критериями выбора приборов для обогрева жилья является его теплоотдача.

Это коэффициент, определяющий количество выделенного тепла устройством.

Иными словами, чем выше теплоотдача, тем быстрее и качественнее будет осуществляться прогрев дома.

Сколько нужно тепла для отопления?

Для точного расчета необходимого количества тепла для помещения следует учитывать множество факторов: климатические особенности местности, кубатуру здания, возможные теплопотери жилья (количество окон и дверей, строительный материал, наличие утеплителя и др.). Данная система вычислений достаточно трудоемкая и применяется в редких случаях.

В основном, расчет тепла определяется на основании установленных ориентировочных коэффициентов: для помещения с потолками не выше 3 метров, на 10 м 2 требуется 1 Квт тепловой энергии. Для северных регионов показатель увеличивается до 1,3 Квт.

Теплоотдача – ключевой показатель эффективности

Коэффициент теплоотдачи радиаторов – это показатель его мощности. Он определяет количество выделенного тепла за определенный промежуток времени. На мощность конвектора влияют: физические свойства прибора, его тип подключения, температура и скорость теплоносителя.

Мощность конвектора, указанная в его техпаспорте, обусловлена физическими свойствами материала, из которого изготовлен прибор, и зависит от его межосевого расстояния. Чтобы рассчитать необходимое количество секций радиатора для помещения, понадобится площадь жилья и коэффициент теплового потока прибора.

Вычисления производятся по формуле:

Количество секций = S/ 10 * коэффициент энергии (K) / величина теплового потока (Q)

Пример: Необходимо рассчитать количество секций алюминиевой батареи (Q = 0,18) для помещения, площадью 50 м 2 .

Расчет: 50 / 10 * 1 / 0,18 = 27,7. То есть, для обогрева помещения понадобится 28 секций. Для монолитных приборов, за место Q, ставим коэффициент теплоотдачи радиатора и в результате получаем необходимое количество батарей.

Если конвекторы будут установлены рядом с источниками, влияющими на теплопотери (окна, двери), то коэффициент энергии берется из расчета — 1.3.

Для отопления используются радиаторы: стальные, алюминиевые, медные, чугунные, биметаллические (сталь + алюминий), и все они имеют разную величину теплового потока, обусловленную свойствами металла.

Схемы подключения радиаторов для частного дома, как выбрать лучший вариант, читайте здесь.

Как выбрать хороший масляный радиатор для дома: советы, рекомендации, польза и вред.

Сравнение показателей: анализ и таблица

Помимо материала, из которого изготовлен прибор, на коэффициент мощности влияет межосевое расстояние – высота между осями верхнего и нижнего выходов. Также существенное влияние на КПД оказывает величина теплопроводности.

Тип радиатора	Межосевое расстояние (мм)	Теплоотдача (КВт)	Температура теплоносителя ( 0 С)
Алюминиевые	350	0,139	130
	500	0,183
Стальные	500	0,150	120
Биметаллические	350	0,136	135
	500	0,2
Чугунные	300	0,14	130
	500	0,16
Медные	500	0,38	150

Факторы, которые влияют на показатели

Материал изготовления

На эффективность КПД влияет правильный монтаж теплоприборов:

• Оптимальное расстояние между полом и батареей – 70-120 мм, между подоконником – не менее 80 мм.
• Обязательно предусматривается установка воздуховыпускника (крана Маевского).
• Горизонтальное положение теплоприбора.

Радиаторы с лучшей теплоотдачей:

Материал	Модель, производитель	Номинальный тепловой поток (КВт)	Стоимость за секцию (руб)
Алюминий	Royal Thermo Indigo 500	0,195	700,00
	Rifar Alum 500	0,183	700,00
	Elsotherm AL N 500х85	0,181	500,00
Чугун	STI Нова 500 (секционного типа)	0,120	750,00
Биметалл	Rifar Base Ventil 500	0,204	1100,00
	Royal Thermo PianoForte 500	0,185	1500,00
	Sira RS Bimetal 500	0,201	1000,00
Сталь	Kermi FTV(FKV) 22 500	2,123 (панель)	8200,00 (панель)

Какие лучше выбрать биметаллические радиаторы, читайте в нашей статье.

Размещение радиаторов

Выделяют следующие типы подключения:

1. Диагональное. Подающая труба монтируется к конвектору слева сверху, а выводящая снизу справа.
2. Боковое (одностороннее). Подающая и обратная труба крепятся к теплоприбору с одной стороны.
3. Нижнее. Обе трубы подводятся к батарее снизу, с противоположных сторон.
4. Верхнее. Трубы монтируются к верхним выходам теплоприбора, с обеих сторон.

Если секций одного радиатора более 15, то данная схема будет неэффективной, так как дальняя боковая сторона не будет прогреваться в данной мере.

Как улучшить теплоотдачу

Указанный коэффициент мощности конвектора в его техпаспорте, имеет место быть, практически при идеальных условиях. На деле, величина теплового потока несколько снижена,и это обусловлено большими теплопотерями.

В первую очередь, для повышения коэффициента необходимо уменьшить потерю тепла – провести работы по утеплению дома, особое внимание, уделив крыше, так как через нее уходит около 70% теплого воздуха и оконным и дверным проемам.

На стену за теплоприбором целесообразно установить отражающий материал, чтобы направить всю полезную энергию внутрь помещения.

При монтаже теплопровода, следует отдать предпочтение металлическим трубам, так как они также осуществляют теплообмен, соответственно КПД значительно увеличивается.

На основе заявленной мощности радиатора производителем, можно сделать вывод, что биметаллические теплоприборы превосходят алюминиевые.

Однако, на практике больше тепла отдают приборы из алюминия, так как сталь, входящая в состав биметаллических конвекторов обладает высокой теплопроводностью, а значит остывает за более короткий промежуток времени.

7.1.1.Основной закон теплоотдачи

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс переноса теплоты конвекцией между твердыми поверхностями и омывающими их теплоносителями. Теплоносителем, как правило, является либо жидкость, либо газ. Однако в качестве теплоносителей могут использоваться двух- или трехфазные системы: газ – жидкость; газ – твердые частицы; газ – жидкость – твердые частицы.

В теплоносителе с неоднородным полем температур при вынужденном или естественном перемещении макроскопических элементов наряду с конвекцией происходит процесс переноса тепла теплопроводностью.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен протекает как внутри теплоносителя, так и на границах его соприкосновения с поверхностями обтекаемых тел.

Конвективный теплообмен между теплоносителем и поверхностью обтекаемого им тела называют теплоотдачей.

Обычно в инженерной практике исследуют теплоотдачу, конвективный же теплообмен внутри теплоносителя при этом не рассматривается.

Тепловой поток при теплоотдаче всегда направлен в сторону меньшей температуры. В процессе теплоотдачи плотность теплового потока, согласно закону Ньютона, прямо пропорциональна температурному напору между теплоносителем и поверхностью теплообмена, т.е.

(7.1)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый к о э ф ф и ц и е н-

т о м т е п л о о т д а ч и;

∆Т – температурный напор.

Здесь индексом m обозначена температура теплоносителя, индексом cm

– температура поверхности теплообмена (стенки).

Для произвольной поверхности при T_m > T_cm закон Ньютона запишется в виде:

. (7.2)

Значения F, T_m и T_cm в уравнении (6.2) не отражают условий теплообмена, влияющих на величину . Здесь α не является физической постоянной, присущей данному теплоносителю, а зависит от множества факторов, формирующих картину течения около стенки. По этой причине простота уравнения (7.1) представляется кажущейся, и особенности его использования заключаются в сложности определения коэффициента теплоотдачи.

7.1.2. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи характеризует интенсивность конвективного теплообмена на границе “теплоноситель-стенка”.

Численно коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, приходящемуся на единицу поверхности при температурном напоре, равный единице, т.е.

Отсюда же следует и единица α – Вт/(м 2 × К).

Коэффициент теплоотдачи имеет весьма широкий диапазон численных значений, табл. 7.1.

Особенности теплоотдачи	.
Естественная конвекция газов	6…40
Вынужденное движение газов	12…120
Вынужденное движение пара в трубах	110…2200
Естественная конвекция воды	110…1100
Вынужденное движение воды	500…11000
Пузырьковое кипение воды	8500…18000
Конденсация водяного пара	4500…22000

На величину коэффициента теплоотдачи влияют, прежде всего, теплофизические свойства теплоносителя, его фазовое состояние, вид движения (естественное или вынужденное) и режим течения теплоносителя. Различают ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения.

При ламинарном (слоистом) режиме макрочастицы жидкости движутся, не перемешиваясь, параллельно омываемым стенкам и траекториям других частиц. В силу внутреннего трения скорость теплоносителя переменна по сечению нормальному к поверхности. Так, для канала круглого сечения эпюра скорости имеет параболическую форму, рис.7.1, а Перенос тепла при ламинарном режиме движения происходит в осноном за счет теплопроводности теплоносителя и естественной конвекции.

При турбулентном режиме макрочастицы перемещаются по сложным траекториям, не совпадающим с общим направлением потока. Их движение неупорядоченное, хаотичное. Эпюра скорости имеет вид усеченной параболы, (см. рис. 7.1, б). Теплоотдача при турбулентном режиме течения теплоносителя отличается несравненно большей интенсивностью, чем при ламинарном режиме

Как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения скорость теплоносителя непосредственно на стенке равна нулю, а с увели -чением расстояния по нормали от стенки она возрастает.

Слой теплоносителя около поверхности тела, где скорость изменяется от нуля до величины, примерно равной 0,9 скорости невозмущенного потока, называют г и д р о д и н а м и ч е с к и м пограничным слоем и обозначают буквой δ_{д ,} рис.7.2.

Кроме того, необходимо отметить, что в турбулентном пограничном слое непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким, или л а м и н а р н ы м п о д с л о е м и обозначают δ_л (см. рис. 7.2, б).

Если температуры стенки и теплоносителя не одинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой δ_т (см. рис.7.2, в). В нем температура изменяется от T_cm до ≈ T_m , т.е. все изменение температуры происходит в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности теплоотдачи. Значения толщин δ_д и δ_т в общем случае не равны, соотношение между ними зависит от рода жидкости. Однако изменения в δ_д приводят к изменениям δ_т. С увеличением скорости теплоносителя значения толщин δ_д , δ_т и δ_л уменьшаются.

При вынужденной конвекции режим течения оценивают по безразмерному комплексу, называемому критерием Рейнольдса. Для цилиндрического канала критерий Рейнольдса имеет вид:

где c — скорость течения теплоносителя,;

d — диаметр канала,;

ν — коэффициент кинематической вязкости,.

Течение теплоносителя в трубах принято считать ламинарным до

Re Re 10000 течение турбулентное.

Для того, чтобы качественно оценить влияние режима течения теплоносителя на коэффициент теплоотдачи, запишем уравнение теплоотдачи в дифференциальной форме.

Для слоя теплоносителя непосредственно на поверхности теплообмена по закону Фурье следует:

где n – нормаль к поверхности тела,.

С другой стороны, согласно закону Ньютона,

Приравнивая правые части этих уравнений, получим:

(7.3)

Уравнение (7.3) выражает условия теплоотдачи на границе “твердая стенка – теплоноситель”.

Чем больше скорость движения теплоносителя, тем меньше толщина пограничного слоя, тем больше градиент температуры и, следовательно, больше коэффициент теплоотдачи. Через толщину пограничного слоя на влияют форма и размер поверхности теплообмена.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от физических свойств теплоносителя.С увеличением плотностиρ, теплопроводности λ, теплоем-кости c_pи уменьшением вязкости ν коэффициент теплоотдачи возрастает.

Влияние температур T_m и T_cm на сказывается через их воздействие на физические свойства теплоносителя.

Таким образом, в самом общем виде коэффициент теплоотдачи является функцией многих факторов:

где X – характер движения теплоносителя;

Ф – форма поверхности теплообмена;

l – характерный геометрический размер;

c – скорость движения теплоносителя.

Для определения коэффициента теплоотдачи в зависимости от поста-

новки задачи могут использоваться следующие методы: экспериментальный,

аналитический и метод теплового подобия.

Чисто экспериментальный метод определения коэффициента теплоотдачи весьма прост и достоверен, так как требует опытного измерения

только трех величин: , T_m и T_cm. Отсюда

.

Этот метод широко используется при исследовании влияния различных факторов на интенсивность теплоотдачи в функционирующих теплообменных установках. Однако экспериментальный метод имеет существенный недостаток, состоящий в том, что полученное значение α не может быть рекомендовано для использования при расчетах устройства, характеристики которого хотя бы незначительно отличаются от характеристик опытной установки.

Аналитические методы основаны на теории пограничного слоя. Сущность этих методов состоит в составлении замкнутой системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс конвективного теплообмена в движущемся теплоносителе и последующем решении этой системы. Дифференциальные уравнения, описывающие конвективный теплообмен, устанавливают самую общую связь между величинами, характерными для этого процесса. Следовательно, эти дифференциальные уравнения являются математической моделью целого класса процессов теплообмена. Для получения частного решения эти уравнения дополняются условиями однозначности.

В большинстве случаев, из-за сложности математического описания профиля скорости в пограничном слое, решения, удовлетворяющие дифференциальным уравнениям и условиям однозначности, весьма трудоемки.

Следовательно, если недостатком экспериментального метода определения α является невозможность распространения результатов опытов на другие условия теплообмена, отличающиеся от изученного, то недостатком аналитического метода является невозможность перейти от класса явлений конвективного теплообмена, характеризующегося дифференциальными уравнениями, к единичному, конкретному явлению. Каждый из этих методов в отдельности не может быть эффективно использован для решения практических задач.

В настоящее время для определения коэффициента теплоотдачи в основном используется метод теплового подобия, который объединяет в себе положительные стороны экспериментального и аналитического методов.