Меню

Тепловая мощность одного метра трубы

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:

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 = t вода — t возд, как разность электрических потенциалов;
  • тепловой поток q, как электрический ток;
  • термическое сопротивление R t, как электрическое сопротивление.

По аналогии с законом Ома получаем следующее уравнение:

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

  • конвективному;
  • контактному;
  • излучением.

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

1. Конвективный теплообмен между движущейся водой и твёрдой цилиндрической стенкой

  • α вн – средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи от движущейся воды внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С);
  • F вн — площадь смачиваемой внутренней стенки трубы, м².
  • Nu – критерий Нуссельта;
  • λ вода – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·°С);
  • D тр – гидравлический диаметр трубы, м.

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

  • Re вода – число Рейнольдса для движущейся воды;
  • Pr вода – 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

  • D нар – наружный диаметр трубы, м;
  • D тр – внутренний диаметр трубы, м;
  • λ тр – к-т теплопроводности материала трубы, Вт/( м·°С);
  • L тр – длина трубы, м.

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

R нар =1/ – термическое наружное сопротивление, °С/Вт, где:

  • α к – средний по длине трубы коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
  • α л – средний по длине трубы коэффициент лучистой теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
  • F нар — площадь омываемой воздухом наружной стенки трубы, м².
  • Nu возд – критерий Нуссельта для воздуха;
  • λ возд – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/( м·°С);
  • D нар – наружный диаметр трубы, м.
  • Gr возд – критерий Грасгофа для воздуха;
  • Pr возд – критерий Прандтля для воздуха;
  • С, m и n – индексы, значения которых зависит от характера потока воздуха, омывающего трубу.
  • g – ускорение свободного падения, м/с²;
  • β – температурный коэффициент объёмного расширения для воздуха, 1/К;
  • ρ возд – объёмная плотность воздуха, кг/м³;
  • dt нар – разность температур между наружной стенкой трубы и воздухом, °С;
  • μ возд — динамическая вязкость воздуха, Н·с/м² (Па·с).
  • e изл – излучательная способность (степень черноты) поверхности трубы;
  • С 0– постоянная Стефана-Больцмана, С 0=5,67·10 -8 Вт/(м²·К 4 ).

4. Перепад температур между наружной стенкой трубы и воздухом

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

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.

Читайте также:  Как увеличить мощность однофазного электродвигателя 220 вольт

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.

Nu возд =С·( Gr возд · Pr возд ) n — критерий Нуссельта для воздуха, омывающего цилиндрическую вертикальную трубу, где:

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:
  1. ПФ для вычисления тепловой мощности вертикальной «голой» трубы, заполненной движущейся водой и окруженной воздушной средой:
  1. ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе горизонтальной «голой» трубы при теплообмене с воздушной средой:
  1. ПФ для вычисления изменения температуры воды на участке от входа до выхода из вертикальной «голой» трубы, находящейся в воздушном пространстве:

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.

  • D из – наружный диаметр теплоизоляции, м;
  • D нар – наружный диаметр голой трубы, м;
  • λ из – коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/( м·°С);
  • L тр – длина трубы, м.

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:
  1. ПФ для вычисления тепловой мощности изолированной вертикальной трубы:
  1. ПФ для определения падения температуры воды в теплоизолированной горизонтальной трубе:
  1. ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе теплоизолированной вертикальной трубы:

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

Теплоотдача 1 м. стальной трубы

Расчёт теплоотдачи трубы требуется при проектировании отопления, и нужен, чтобы понять, какой объём тепла потребуется, чтобы прогреть помещения и, сколько времени на это уйдёт. Если монтаж производится не по типовым проектам, то такой расчёт необходим.

Стальная труба

Для каких систем нужен расчёт?

Коэффициент теплоотдачи считается для тёплого пола. Всё реже эта система делается из стальных труб, но если в качестве теплоносителей выбраны изделия из этого материала, то произвести расчёт необходимо. Змеевик – ещё одна система, при монтаже которой необходимо учесть коэффициент отдачи тепла.

Радиатор из стальных труб

Радиатор из стальных труб

Регистры – представлены в виде толстых труб, соединённых перемычками. Теплоотдача 1 метра такой конструкции в среднем – 550 Вт. Диаметр же колеблется в пределах от 32 до 219 мм. Сваривается конструкция так, чтобы не было взаимного подогрева элементов. Тогда теплоотдача увеличивается. Если грамотно собрать регистры, то можно получить хороший прибор обогрева помещения – надёжный и долговечный.

Как оптимизировать теплоотдачу стальной трубы?

В процессе проектирования перед специалистами встаёт вопрос, как уменьшить или увеличить теплоотдачу 1 м. стальной трубы. Для увеличения требуется изменить инфракрасное излучение в большую сторону. Делается это посредством краски. Красный цвет повышает теплоотдачу. Лучше, если краска матовая.

Расчет

Другой подход – установить оребрение. Оно монтируется снаружи. Это позволит увеличить площадь теплоотдачи.

В каких же случаях требуется параметр уменьшить? Необходимость возникает при оптимизации участка трубопровода, расположенного вне жилой зоны. Тогда специалисты рекомендуют утеплить участок – изолировать его от внешней среды. Делается это посредством пенопласта, специальных оболочек, которые производятся из особого вспененного полиэтилена. Нередко используется и минеральная вата.

Производим расчёт

Формула, по которой считается теплоотдача следующая:

  • К – коэффициент теплопроводности стали;
  • Q – коэффициент теплоотдачи, Вт;
  • F – площадь участка трубы, для которого производится расчёт, м 2 dT – величина напора температуры (сумма первичной и конечной температур с учётом комнатной температуры), ° C.

Коэффициент теплопроводности K выбирается с учётом площади изделия. Зависит его величина и от количества ниток, проложенных в помещениях. В среднем величина коэффициента лежит в пределах 8-12,5.

Читайте также:  Мощность трансформатора 560 ква

teplootdacha_stalnoj_truby_03

dT называется также температурным напором. Чтобы параметр высчитать, нужно сложить температуру, которая была на выходе из котла, с температурой, которая зафиксирована на входе в котёл. Полученное значение умножается на 0,5 (или делится на 2). Из этого значения вычитается комнатная температура.

Если стальная труба изолирована, то полученное значение умножается на КПД теплоизоляционного материала. Он отражает процент тепла, который был отдан при прохождении теплоносителя.

teplootdacha_stalnoj_truby_01

Рассчитываем отдачу для 1 м. изделия

Посчитать теплоотдачу 1 м. трубы, выполненной из стали, просто. У нас есть формула, осталось подставить значения.

Q = 0,047*10*60 = 28 Вт.

  • К = 0.047, коэффициент теплоотдачи;
  • F = 10 м 2 , площадь трубы;
  • dT = 60° С, температурный напор.

Об этом стоит помнить

Хотите сделать систему отопления грамотно? Не стоит подбирать трубы на глазок. Расчёты теплоотдачи помогут оптимизировать траты на строительство. При этом можно получить хорошую отопительную систему, которая прослужит долгие годы.

Источник



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:

  • Легкие;
  • Обычные;
  • Усиленные.

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.

[adinserter block=»9″][adinserter block=»20″]

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.

[adinserter block=»10″][adinserter block=»21″]

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:

  • Змеевиковые;
  • Секционные.

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.

Читайте также:  Мощность помпы для аквариума 200 литров

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;

tк – 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.

Источник