Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

При повышенных санитарно-гигиенических, а также противопожарных и противовзрыв-

ных требованиях, предъявляемых к помещению, выбирают приборы с гладкой поверхно-

стью. Как уже известно, это радиаторы и гладкотрубные приборы. Бетонные панельные

радиаторы в этом случае, особенно совмещенные со строительными конструкциями, наи-

лучшим образом способствуют содержанию помещения в чистоте. Чугунные радиаторы

допускаются лишь с секциями простой формы (с гладкими колонками). Стальные панель-

ные радиаторы и гладкотрубные приборы могут быть рекомендованы при менее строгом

отношении к гигиене и внешнему виду помещения.

При обычных санитарно-гигиенических требованиях, предъявляемых к помещению, мож- но использовать приборы с гладкой и ребристой поверхностью. В гражданских зданиях чаще применяют радиаторы и конвекторы. В производственных - радиаторы и гладкот-

рубные приборы (несколько труб друг над другом) как более компактные приборы, обес-

печивающие повышенную теплоотдачу на единицу их длины (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Относительная теплоотдача отопительных приборов

Примечание. Теплоотдача рассчитана при одинаковых расходе и средней разности тем- пературы теплоносителя воды и окружающего прибор воздуха.

В помещениях, предназначенных для кратковременного пребывания людей (менее 2 ч),

можно использовать приборы любого типа, отдавая предпочтение приборам с высокими

технико-экономическими показателями.

Благоприятным с точки зрения создания теплового комфорта для людей является обогре-

вание помещения через пол. Теплый пол, равномерно нагретый до температуры, допусти- мой по санитарно-гигиеническим требованиям (например, в жилой комнате до 26 °С),

обеспечивает ровную температуру и слабую циркуляцию воздуха, устраняет перегревание верхней зоны в помещении. Сравнительно высокая стоимость и трудоемкость устройства

теплого пола для отопления помещения часто предопределяют замену его вертикальными

отопительными приборами как более компактными и дешевыми. Есть еще одна причина,

по которой применение теплого пола для отопления в большинстве районов России огра-

ничено. Связано это с гигиеническим ограничением в СНиП [1] температуры на поверх-

ности нагретого пола. При нормируемой температуре теплоотдача от этой поверхности не

может компенсировать расчетные теплопотери помещения. В любом случае применение

теплого пола для отопления помещений требует достаточного обоснования и тщательного

теплового расчета.

91

Размещение вертикального отопительного прибора в помещении возможно как у наруж- ной, так и у внутренней стены (рис. 4.8). На первый взгляд целесообразна установка при- бора у внутренней стены помещения (рис. 4.8, б) - сокращается длина труб, подающих и отводящих теплоноситель от прибора (требуется один стояк на два прибора). Кроме того, увеличивается теплопередача такого прибора - радиатора в помещение (примерно на 7 % в равных температурных условиях) вследствие интенсификации лучистого теплообмена и устранения дополнительной теплопотери через наружную стену. Все же подобное разме-

щение прибора допустимо лишь в южных районах России с короткой и теплой зимой, так

как оно сопровождается неблагоприятным для здоровья людей движением воздуха с по-

ниженной температурой у пола помещений.

увнутренних стен; Пр - отопительный прибор

Всредней полосе и северных районах России целесообразно устанавливать отопительный прибор вдоль наружной стены помещения и особенно под окном (рис. 4.8, а). При таком

размещении прибора возрастает температура внутренней поверхности в нижней части на-

ружной стены и окна, что повышает тепловой комфорт помещения, уменьшая радиацион-

ное охлаждение людей. Поток теплого воздуха при расположении прибора под окном препятствует образованию ниспадающего потока холодного воздуха, если нет подоконни-

ка, перекрывающего прибор (рис. 4.9, а), и движению воздуха с пониженной температу-

рой у пола помещения (рис. 4.9, в). Длина прибора для этого должна быть не менее трех

четвертей ширины оконного проема.

направление движения во чдуха

Рис. 4.9. Схема циркуляции воздуха в помещении при различном месте размещения ото-

пительного прибора: а - под окнами без подоконника; б - под окнами с подоконником; в -

у внутренней стены; Пр - отопительный прибор

Вертикальный отопительный прибор следует размещать как можно ближе к полу поме-

щения, но не ближе 60 мм от пола для удобства очистки под приборного пространства от пыли.

92

При значительном подъеме прибора над полом в помещении создается охлажденная зона, так как циркуляционные потоки нагреваемого воздуха, замыкаясь на уровне установки прибора, не захватывают и не прогревают в этом случае нижнюю часть помещения.

Чем ниже и длиннее сам по себе отопительный прибор, тем ровнее температура помеще-

ния, и лучше прогревается его рабочая зона. Примером такого отопительного прибора,

улучшающего тепловой режим рабочей зоны помещения, может служить низкий конвек-

тор без кожуха, который из-за малой теплоотдачи на единицу длины (см. табл. 4.3) раз- мещается фактически по всей длине наружной стены (рис. 4.10, а).

Высокий и относительно короткий отопительный прибор вызывает активный подъем

струи теплого воздуха, что приводит к перегреванию верхней зоны помещения и опуска-

нию охлажденного воздуха по обеим сторонам такого прибора в рабочую зону

(рис. 4.10, б).

Рис. 4.10. Размещение под окном помещения отопительного прибора: а - низкого и длин-

ного (желательно); б - высокого и короткого (нежелательно); Пр - отопительный прибор

Натурные исследования в общественном здании с двойным ленточным остеклением окон

вметаллических переплетах, под которыми в два яруса были установлены плинтусные

конвекторы, показали, что при 1И= -10 °С и Хк=22 °С температура внутренней поверхности

остекления над конвекторами равнялась 19,9 °С, посредине высоты окна - 16,5 °С и на-

верху окна-15,9 °С (температура поверхности конвекторов при этом составляла 54 °С).

Прибор обеспечивал тепловой комфорт в рабочей зоне помещения.

Вдругом общественном здании с тройным ленточным остеклением окон в деревянных

переплетах, под которыми в отдельных местах были расположены конвекторы с кожухом,

втот же период было установлено, что при 1„=-8 °С и 1В=14 °С температура на внутренней поверхности стены над конвектором равнялась 28 °С, на поверхности остекления над кон-

вектором - 12...13 °С и на поверхности стекла без конвектора под ним 8...9 °С (температу-

ра поверхности конвектора - 55 °С).

Впервом здании поток теплого воздуха поднимался от конвектора, над которым нет по- доконника, вертикально вдоль стекла (см. рис. 4.9, а). Во втором - подоконник над кон- вектором отклонял поток теплого воздуха вглубь помещения, и возникала циркуляция

воздуха, изображенная на рис. 4.9, б. Хотя температура внутренней поверхности стекла в

этом случае и возрастала, в помещении наблюдался неприятный воздушный поток, на-

правленный под некоторым углом вверх через рабочую зону. Еще более неприятный для

93

людей поток воздуха, аналогичный показанному на рис. 4.9, в, создавался в той половине помещения второго здания, где под окном нет прибора, и температура на поверхности ос- текления была сравнительно низкой.

Рассмотренная выше проблема в настоящее время усугубляется еще и тем, что согласно

действующим нормативным требованиям к теплозащите зданий значительно сократились

расчетные теплопотери отапливаемых помещений. При этом уменьшилась и установочная площадь отопительных приборов, что, в свою очередь, снижает возможность максимально

перекрыть прибором подоконное пространство. Решить эту задачу обеспечения комфорта

в помещении, в частности, возможно путем применения низких отопительных приборов или за счет увеличения их установочной площади при снижении расчетных температур-

ных параметров теплоносителя (до 50...70 °С). Следует отметить, что последнее решение

приведет к увеличению стоимости отопительной системы в целом.

Способность вертикального отопительного прибора вызывать активный восходящий по-

ток теплого воздуха можно использовать для отопления помещений увеличенной высоты. Обычно в помещении высотой более 6 м, особенно со световыми проемами наверху, часть отопительных приборов (от 1/4 до 1/3 общей площади) размещают в верхней зоне. Однако при использовании высоких отопительных приборов, например, высоких конвекторов или рециркуляционных воздухонагревателей (рис. 4.11), иногда достаточна их установка только в рабочей зоне помещения.

'// //А‘У / ///// / /////////7

Рис. 4.11. Схема рециркуляционного воздухонагревателя: 1 - калорифер; 2 - декоративная

решетка; 3 - канал для нагретого воздуха

Правило установки отопительного прибора под окном может не соблюдаться в помеще-

нии, периодически посещаемом людьми на короткое время, или если рабочие места людей в нем удалены от наружного ограждения. Это отклонение от правила может допускаться,

например, в производственном помещении с широким (более 2 м) проходом у окон, в вес-

тибюле и лестничной клетке гражданского здания, складе и тому подобных помещениях. Указанное правило вообще теряет смысл при дежурном отоплении помещения в отсутст-

вие людей.

Особое размещение отопительных приборов требуется в лестничных клетках - вертикаль-

ных шахтах снизу доверху здания. Естественное движение воздуха в лестничных клетках

в зимний период, усиливающееся с увеличением высоты, способствует теплопереносу в верхнюю их часть и вместе с тем вызывает переохлаждение нижней части, прилегающей к открывающимся наружным дверям. Частота открывания наружных дверей и, следова-

94

тельно, охлаждение прилегающей части лестницы косвенно связаны с размерами здания,

и в многоэтажном здании в большинстве случаев выше, чем в малоэтажном. Очевидно,

при равномерном размещении отопительных приборов по высоте будет происходить пе-

регревание средней и верхней частей лестничной клетки и переохлаждение нижней части.

Натурными исследованиями в Москве установлено, что даже при размещении радиаторов

на 1/2...2/3 высоты лестничной клетки в многоэтажных зданиях наблюдается существен-

ное недогревание их нижней и перегревание средней и иногда верхней (если нет выхода на крышу здания) зон.

Таким образом, в лестничных клетках целесообразно располагать отопительные приборы

внижней их части рядом с входными дверями. В многоэтажных зданиях в настоящее вре-

мя для отопления лестничных клеток применяют высокие конвекторы и рециркуляцион-

ные воздухонагреватели (см. рис. 4.11). В малоэтажных зданиях обычно используют при-

боры, выбранные для отопления основных помещений. Их размещают на первом этаже

при входе и, в крайнем случае, переносят часть приборов (до 20 % в двухэтажных, до 30 %

втрехэтажных зданиях) на промежуточную лестничную площадку между первым и вто-

рым этажами.

Установка отопительного прибора во входном тамбуре с наружной дверью нежелательна

во избежание замерзания воды в нем или в отводной трубе в том случае, если наружная

дверь длительное время остается открытой.

Все отопительные приборы располагают так, чтобы были обеспечены их осмотр, очистка и ремонт. Вместе с тем вертикальные металлические приборы редко устанавливают от-

крыто у глухой стены (положение, принятое при лабораторных испытаниях образцов но-

вых приборов). Их размещают под подоконниками, в стенных нишах, специально ограж- дают или декорируют. Если по технологическим, противопожарным или эстетическим требованиям ограждение или декорирование прибора необходимо, то теплоотдача укры-

тых приборов по возможности не должна уменьшаться (или уменьшаться не более чем на

10 %). Поэтому конструкция укрытия прибора, вызывающая сокращение теплоотдачи из-

лучением, должна способствовать увеличению конвективной теплоотдачи. Например,

вертикальный щит, помещенный у поверхности радиатора, превращающий радиатор в

конвектор, будет отвечать такому условию.

На рис. 4.12 показано несколько приемов установки отопительных приборов в помещени- ях. Распространенное укрытие прибора декоративным шкафом, имеющим две щели высо- той по 100 мм (рис. 4.12, а) теплотехнически нецелесообразно: теплоотдача прибора

уменьшается на 12 % по сравнению с открытой его установкой у глухой стены. В таком

случае для передачи в помещение заданного теплового потока площадь нагревательной поверхности прибора должна быть увеличена на 12 % (при тепловом расчете прибора это должно быть учтено введением поправочного коэффициента 04=1,12). Размещение прибо- ров в глубокой открытой нише (рис. 4.12, б) или одного над другим в два яруса (рис. 4.12,

д) уменьшает теплоотдачу на 5 % (04=1,05).

95

Рис. 4.12. Способы размещения отопительных приборов: а - в декоративном шкафу; б - в глубокой нише; в - в специальном укрытии; г - за щитом; д - в два яруса

Возможна, однако, скрытая установка приборов, при которой теплоотдача не изменяется (рис. 4.12, в) или даже увеличивается (рис. 4.12, г). В этих случаях не требуется увеличивать площадь прибора (Р4=1"0) или можно даже ее уменьшить (р4=0,9).

§ 4.5. Коэффициент теплопередачи отопительного прибора

Тепловой поток от теплоносителя - воды или пара - передается в помещение через стенку отопительного прибора.

Интенсивность теплопередачи характеризуют коэффициентом теплопередачи кпр, который выражает плотность теплового потока на внешней поверхности стенки, отнесенную к разности температуры разделенных стенкой теплоносителя и воздуха отапливаемого помещения. Термин "плотность" в данном случае применяется для теплового потока, переда-

ваемого через единицу площади внешней поверхности отопительного прибора.

Коэффициент теплопередачи прибора кпр, Вт/(м2-°С), численно равен величине, обрат-

ной сопротивлению теплопередаче Япр от теплоносителя через стенку прибора в помеще-

ние:

Величина Кпр слагается из сопротивления теплообмену К.в на внутренней поверхности стенки прибора, термического сопротивления стенки К.ст и сопротивления теплообмену Кн

на внешней поверхности прибора Апр:

96

Процесс теплопереноса от теплоносителя в помещение осуществляется: от теплоносителя к стенке прибора - конвекцией и теплопроводностью, через стенку - только теплопровод- ностью, а от стенки в помещение -конвекцией, радиацией и теплопроводностью. В слож- ном случае теплопередачи основным явлением в большинстве случаев является конвек- ция.

Коэффициент конвективного теплообмена в слое воздуха (снаружи) значительно меньше,

чем в слое воды или пара (внутри прибора), поэтому сопротивление внешнему теплооб-

мену Кн для отопительного прибора сравнительно велико. Следовательно, для увеличения

теплового потока необходимо развивать внешнюю поверхность отопительного прибора. В

приборах это выполняют созданием специальных выступов, приливов и оребрения. Одна-

ко при этом уменьшается коэффициент теплопередачи.

Рассмотрим слагаемые выражения (4.7) применительно к отопительному прибору с более развитой площадью внешней поверхности Апр по сравнению с площадью внутренней по-

верхности Ав*

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности, отнесенное к площади

внешней поверхности прибора, т.е. к расчетному измерителю (отношение площадей равно

Апр/Ав), составляет

Коэффициент теплообмена на внутренней поверхности прибора ав изменяется в широких

пределах в зависимости от вида теплоносителя. Наибольших значений он достигает при

паре. При воде его значение зависите основном от скорости движения воды и ее темпера- туры.

Для конвекторов коэффициент теплообмена в прямых гладких трубах малого диаметра на внутренней поверхности стенки определяется прежде всего режимом течения воды. На

рис. 4.13 представлена зависимость сопротивления теплообмену от расхода теплоносителя

в трубах. Можно установить, что с увеличением расхода воды сопротивление заметно

уменьшается (коэффициент внутреннего теплообмена ав возрастает), а затем при расходе

воды более 200 кг/ч остается практически неизменным.

Дн,м^С/Вт

0,043

0,034

0.026

0,017

0,0085

0 40 80 120 160 200 240 280 320 О, кг/ч

Рис. 4.13. Зависимость сопротивления теплообмену на внутренней поверхности стенки

трубы от расхода теплоносителя и внутреннего диаметра: 1 - с1в = 21,2 мм; 2 - 15,7 мм; 3 -

12,6 мм

97

При движении воды в изогнутых трубах (отводах, змеевиках) возникает центробежная си-

ла, вызывающая так называемую вторичную циркуляцию, вследствие чего теплоперенос

усиливается. Поэтому значение коэффициента внутреннего теплообмена в изогнутых тру-

бах выше, чем в прямых.

На численном примере для чугунного секционного радиатора с отношением Апр/Ав=1,3

сопоставим значения сопротивлений, входящих в формулу (4.7).

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности стенки радиатора найдем при

скорости движения воды около 0,001 м/с (ламинарный режим течения), когда ав.~ 60 Вт/(м2-°С), по формуле (4.8):

К = (1 / 60)1,3 = 0,022 м2-°С/Вт.

Термическое сопротивление стенки чугунного и стального отопительного прибора без учета загрязнения, окраски и специального оребрения его внешней поверхности составля-

ет

Термическое сопротивление стенки вместе с сопротивлением теплообмену на внутрен-

ней поверхности стенки обусловливают снижение температуры наружной поверхности приборов по сравнению с температурой теплоносителя. Из рис. 4.14 видно, что в средней

по высоте части чугунного секционного радиатора температура поверхности отличается

от температуры теплоносителя не менее, чем на 7...8 °С.

Ь. мм

Рис. 4.14. Изменение температуры воды (1) и наружной поверхности (2) по высоте чугун- ного секционного радиатора при движении теплоносителя по схеме "сверху-вниз" в двух-

трубной системе отопления

Продолжая начатый пример, определим сопротивление стенки чугунного радиатора при

еесредней толщине 4 мм по формуле (4.9)

=(0,004 / 50)1,3 = 0,0001 м-°С/Вт,

98

Видно, что термическое сопротивление металлической стенки пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением теплообмену на ее поверхности. Этот вывод не относится к бетонному панельному радиатору, где термическое сопротивление слоя бетона заметно увеличивает общее сопротивление теплопередаче прибора. Это сопротивление слоя бето- на зависит от нескольких факторов: диаметра греющих труб бв, расстояния между ними - шага труб 8, глубины заложения труб в бетон й, теплопроводности массива бетона Хм.

Для бетонных приборов с трубчатыми греющими элементами принято определять терми-

ческое сопротивление массива бетона Ям, отнесенное к 1 м трубы, при теплопроводности

бетона А,м=1,0 Вт/(м • °С/Вт). На рис. 4.15, а и б приведены для примера графики для по- лучения Я’м, отнесенного к 1 м трубы, расположенной в ряду среди других (средняя тру-

ба). В специальной литературе даны также значения Я’м, отнесенные к 1 м крайней и оди-

ночной трубы в бетонной панели. Термическое сопротивление массива

а)

Рис. 4.15. Изменение термического сопротивления массива бетона Ям, отнесенного к 1 м средних труб бетонного панельного радиатора: а - при односторонней теплоотдаче; б -

при двусторонней теплоотдаче; теплопроводность бетона Х=1,0 Вт/(м*°С)

прибора при теплопроводности бетона, отличающейся от единицы, вычисляют по форму-

ле

где ^ - шаг труб, м, численно равный площади наружной поверхности, соответствующей 1 м средней трубы в приборе.

99

где ан - коэффициент теплообмена на наружной поверхности, который может быть пред- ставлен в виде суммы коэффициентов конвективного ак и лучистого ал теплообмена, т.е.

Теплообмен конвекцией при свободном движении воздуха зависит от разности темпера-

туры нагретой поверхности и температуры окружающего воздуха, а также от общей под- вижности воздуха в помещении.

В нашем примере при свободном движении воздуха (1в=20 °С) у гладкой вертикальной

поверхности радиатора и температуре воды 1ВХ=95 °С,1вых 70'С:

ак = 1,66(1^ - 1,)0.зз _ 6,6 Вт/(м2-°С).

Теплоперенос излучением зависит от материала и формы приборов, размеров, температу- ры и взаимного расположения отопительных приборов и поверхности ограждений поме- щения.

Для чугунного радиатора с гладкой поверхностью, принимая приведенный коэффициент

излучения СПр=5,1 Вт/(м~ °С) и коэффициент облученности ф=0,5, получим

а„ = ЬСпрф -1,3-5,1 0,5 = 3,3 Вт/(м^С).

Коэффициент облученности ф здесь принят равным 0,5, так как для двухколончатых сек-

ционных радиаторов характерно, что в помещение попадает около 50 % излучения (ос-

тальное поглощается близко расположенными, взаимно закрывающими друг друга сек- циями).

В результате сопротивление теплообмену на внешней поверхности радиатора по форму-

лам (4.11) и (4.12) составит

Ян = 1 / (6,6 + 3,3) = 0,1 м2 -°С/Вт.

Сравнивая полученное значение сопротивления со значением сопротивления теплообмену

на внутренней поверхности радиатора (Кв=0,022), убеждаемся, что Ян примерно в 4,5 раза

превышает Яв. Несмотря на приблизительность проделанных расчетов (расчеты продела-

ны для плоской стенки), можно установить, что значение коэффициента теплопередачи

кПр (формулы (4.6) и (4.7)) для металлических отопительных приборов с гладкой поверх-

ностью определяется в основном значением коэффициента теплообмена на их внешней поверхности ан. У неметаллических приборов кпр зависит также от теплопроводности ма-

териала стенок и степени неравномерности температуры их поверхности.

Для металлических отопительных приборов со специально оребренной внешней поверх-

ностью - конвекторов, ребристых труб - доля теплоотдачи излучением составляет всего

5... 10 % общего теплового потока, попадающего в помещение. Поэтому значение коэф- фициента теплообмена на внешней поверхности ан таких отопительных приборов, а вслед

100