Итак, Вы - Заказчик. И хотите знать, как происходит выбор оборудования для системы вентиляции.
При выборе оборудования необходимо рассчитать следующие параметры:
- Производительность по воздуху;
- Мощность калорифера;
- Рабочее давление, создаваемое вентилятором;
- Скорость потока воздуха и площадь сечения воздуховодов;
- Допустимый уровень шума.
Ниже мы приводим упрощенную методику подбора основных элементов системы приточной вентиляции, используемой в бытовых условиях.
Расход
воздуха или производительность по воздуху
Проектирование системы начинается с расчета требуемой производительности по воздуху, измеряемой в кубометрах в час. Для этого необходим поэтажный план помещений с экспликацией, в которой указаны наименования (назначения) каждого помещения и его площадь.
Расчет начинается с определения требуемой кратности воздухообмена, которая показывает сколько раз в течение одного часа происходит полная смена воздуха в помещении. Например, для помещения площадью 50 квадратных метров с высотой потолков 3 метра (объем 150 кубометров) двукратный воздухообмен соответствует 300 кубометров в час.
Требуемая кратность воздухообмена зависит от назначения помещения, количества находящихся в нем людей, мощности тепловыделяющего оборудования и определяется СНиП(Строительными Нормами и Правилами).
Так, для большинства жилых помещений достаточно однократного воздухообмена, для офисных помещений требуется 2-3 кратный воздухообмен.
Но, подчеркиваем, это не Правило!!! Если это офисное помещение 100 кв.м. и в нем работает 50 человек (допустим операционный зал), то для обеспечения вентиляции необходима подача около 3000 м3/ч.
Для определения требуемой производительности необходимо рассчитать два значения воздухообмена: по кратности и по количеству людей , после чего выбрать большее из этих двух значений.
- Расчет воздухообмена по кратности:
L = n * S * H , где
L
n — нормируемая кратность воздухообмена: для жилых помещений n = 1, для офисов n = 2,5;
S — площадь помещения, м 2 ;
H — высота помещения, м;
- Расчет воздухообмена по количеству людей:
L = N * Lнорм , где
L — требуемая производительность приточной вентиляции, м 3 /ч;
N — количество людей;
Lнорм — норма расхода воздуха на одного человека:
- в состоянии покоя — 20 м 3 /ч;
- работа в офисе — 40 м 3 /ч;
- при физической нагрузке — 60 м 3 /ч.
Рассчитав необходимый воздухообмен, выбираем вентилятор или приточную установку соответствующей производительности. При этом необходимо учитывать, что из-за сопротивления воздухопроводной сети происходит падение производительности вентилятора. Зависимость производительности от полного давления можно найти по вентиляционным характеристикам, которые приводятся в технических характеристиках оборудования.
Для справки: участок воздуховода длиной 15 метров с одной вентиляционной решеткой создает падение давления около 100 Па.
Типичные значения производительности систем вентиляции:
- Для квартир — от 100 до 600 м 3 /ч;
- Для коттеджей — от 1000 до 3000 м 3 /ч;
- Для офисов — от 1000 до 20000 м 3 /ч.
Мощность калорифера
Калорифер используется в приточной системе для подогрева наружного воздуха в холодное время года. Мощность калорифера рассчитывается исходя из производительности, требуемой температурой воздуха на выходе системы и минимальной температурой наружного воздуха.
Два последних параметра определяются СНиП. Температура воздуха, поступающего в жилое помещение, должна быть не ниже +18°С. Минимальная температура наружного воздуха зависит от климатической зоной и для Киева равен -22°С (рассчитывается как средняя температура самой холодной пятидневки самого холодного месяца в 13 часов).
Таким образом, при включении калорифера на полную мощность он должен нагревать поток воздуха на 40°С. Поскольку сильные морозы в Киеве непродолжительны, в приточных системах можно устанавливать калориферы, имеющие мощность меньше расчетной.
При этом приточная система желательно должна иметь регулятор производительности для уменьшения скорости вентилятора в холодное время года, дабы не платить большие счета за электричество (если стоит электрический калорифер, возможно обустройство водяного калорифера).
При расчете мощности калорифера необходимо учитывать следующие ограничения:
- Возможность использования однофазного (220 В) или трехфазного (380 В) напряжения питания. При мощности калорифера свыше 5 кВт необходимо 3-х фазное подключение, но в любом случае 3-х фазное питание предпочтительней, так как рабочий ток в этом случае меньше.
- Максимально допустимый ток потребления. Ток, потребляемый калорифером, можно найти по формуле:
I = P / U , где
I — максимальный потребляемый ток, А;
Р — мощность калорифера, Вт;
U — напряжение питание:
- 220 В — для однофазного питания;
- 660 В (3 × 220В) — для трехфазного питания.
В случае если допустимая нагрузка электрической сети меньше чем требуемая, можно установить калорифер меньшей мощности. Температуру, на которую калорифер сможет нагреть приточный воздух, можно рассчитать по формуле:
ΔT = 2,98 * P / L , где
ΔT — разность температур воздуха на входе и выходе системы приточной вентиляции,°С;
Р — мощность калорифера, Вт;
L — производительность по воздуху, м 3 /ч.
Типичные значения расчетной мощности калорифера — от 1 до 5 кВт для квартир, от 5 до 50 кВт для офисов. Если использовать электрический калорифер с расчетной мощностью не представляется возможным, следует установить калорифер, использующий в качестве источника тепла воду из системы центрального или автономного отопления (водяной калорифер).
Рабочее давление, скорость потока воздуха в воздуховодах и допустимый уровень шума
После расчета производительности по воздуху и мощности калорифера приступают к проектированию воздухораспределительной сети, которая состоит из воздуховодов, фасонных изделий (переходников, разветвителей, поворотов) и распределителей воздуха (решеток или диффузоров).
Расчет воздухораспределительной сети начинают с составления схемы воздуховодов. Далее по этой схеме рассчитывают три взаимосвязанных параметра — рабочее давление, создаваемое вентилятором, скорость потока воздуха и уровень шума.
Требуемое рабочее давление определяется техническими характеристиками вентилятора и рассчитывается исходя из диаметра и типа воздуховодов, числа поворотов и переходов с одного диаметра на другой, типа распределителей воздуха. Чем длиннее трасса и чем больше на ней поворотов и переходов, тем больше должно быть давление, создаваемое вентилятором. Проводим аэродинамический расчет, находим внешнее давление сети воздуховодов.
От диаметра воздуховодов зависит скорость потока воздуха. Обычно эту скорость ограничивают значением от 2,5 до 4 м/с. При больших скоростях возрастают потери давления и увеличивается уровень шума. В тоже время, использовать «тихие» воздуховоды большого диаметра не всегда возможно, поскольку их трудно разместить в межпотолочном пространстве. А межпотолочное пространство любят уменьшать и дизайнеры и вы, заказчик.
Поэтому при проектировании часто приходится искать компромисс между уровнем шума, требуемой производительностью вентилятора и диаметром воздуховодов. Для бытовых систем приточной вентиляции обычно используются гибкие воздуховоды сечением 160—250 мм и распределительные решетки размером 200×200 мм — 200×300 мм.
Помимо всего, осталось выполнить схему автоматики и всё - упрощенно система спроектирована!
Подаваемый в здания воздух должен соответствовать заданным характеристикам. Для этого воздух проходит обработку такими способами, как фильтрование, нагрев, охлаждение, увеличение содержания влаги. Нагревание воздуха обеспечивает калорифер для приточной вентиляции. Для получения воздушного потока заданного температурного режима, необходимо сделать расчет и подбор калорифера.
Типы калориферов
Теплообменники выпускаются в разнообразных модификациях и для различных типов теплоносителей. Теплоносителями чаще выступают пар или вода. Также распространены электрокалориферы.
Водяные калориферы
Калориферы на горячей воде используются в приточных вентиляционных системах круглого или прямоугольного сечения и монтируются в вентиляционных каналах. Водяные калориферы могут быть двух- или трехрядными. Воздух, проходящий через водяной теплообменник, не должен включать твердые, волокнистые или клейкие вещества.
Паровые калориферы
По сравнению с водяными, паровые устройства используется нечасто, - обычно на промышленных предприятиях, где есть производство пара для технологических потребностей.
Обратите внимание! Иногда случается масштабное потребление воздуха приточной вентиляцией, и при этом установка теплообменника со значительным проходным сечением не представляется возможной. В таких случаях производится установка целой серии устройств меньшего размера.
Для проведения расчета необходимы такие данные:
- Объем или масса приточного воздуха, подлежащего нагреву. Вычислять может объемный расход (куб. м/ч) или массовый расход (кг/ч).
- Изначальная температура воздуха, которая равна температуре воздуха на улице.
- Целевая температура, до которой необходимо разогреть приточный воздух, прежде чем подавать его в помещения.
- Температурный режим теплоносителя, который применяется для нагрева воздуха.
Инструкция для расчета
При расчете калорифера, используемого для приточной вентиляции необходимо вычислить площадь поверхности подогрева и необходимую мощность. Начинать нужно с вычисления площади сечения теплообменника по фронту:
Аф = Lρ / 3600 (ϑρ), здесь:
- L – расход приточного воздуха по объему, м³/ч;
- ρ – значение плотности наружного воздуха, кг/м³;
- ϑρ – массовая скорость воздушных масс в расчетном сечении, кг/(с м²).
Показатель фронтального сечения необходим для осведомленности о размере теплообменника. Далее нужно использовать для расчета ближайшее большее по размеру устройство. Если по расчетам вышла слишком значительная площадь сечения, понадобится остановить выбор на нескольких параллельно монтируемых калориферах, чтобы получить необходимую площадь.
Показатель реальной массовой скорости нужно вычислять, учитывая реальную площадь по фронту выбранных калориферов:
Q = 0.278Gc (tп – tн), где:
- Q – количество теплоты, Вт;
- G – массовый расход нагреваемого воздуха, кг/ч;
- с – величина удельной теплоемкости воздушной смеси, принимается равной 1.005 кДж/кг °С;
- tп – температура притока, °С;
- tн – начальная температура воздуха с улицы.
Так как установка вентилятора в приточной вентиляции производится до теплообменника, массовый расход G вычисляется, принимая во внимание плотность воздуха на улице.
В обратном случае плотность определяется по температуре воздуха после его подогрева. Вычисленное количество тепла позволяет сделать расчет затрат теплоносителя в калорифере (кг/ч) для отдачи этой теплоты пропускаемому воздуху:
Gw = Q / cw (tг – t0)
В данной формуле:
- cw – значение теплоемкости для воды, кДж/кг °С;
- tг – расчетная температура воды в подающем трубопроводе, °С;
- t0 – расчетная температура воды в обратном трубопроводе, °С.
Удельный величина теплоемкости воды - справочный показатель. Температурные характеристики теплоносителя, используемые для расчетов, берутся исходя из реальных показателей в существующих условиях. Если имеется котельная или подключение к центральной тепловой сети, для расчета понадобятся характеристики их теплоносителей . Имея информацию о расходе теплоносителя, можно рассчитать скорость (м/с) его передвижения по трубам калорифера:
w = Gw / 3600 ρwAmp, здесь:
- Amp – площадь поперечного сечения трубок теплообменника, м²;
- ρw – плотность воды при средней температуре теплоносителя в калорифере, °С.
Расчет средней температуры воды, циркулирующей через калорифер, проводится по формуле:
Скорость, подсчитанная по указанной выше формуле, будет справедлива для комплекта последовательно подключенных теплообменников. Если же произведена параллельная обвязка, произойдет увеличение площади сечения труб более чем вдвое. В свою очередь, это станет причиной уменьшения скорости перемещения теплоносителя. Подобное уменьшение не принесет увеличение производительности, но станет причиной снижения температуры в возвратном трубопроводе. Чтобы не столкнуться с чрезмерным ростом гидравлического сопротивления теплообменника, не нужно принимать скорость перемещения теплоносителя более чем 0,2 м/с.
Вычисление поверхности нагрева
Коэффициент отдачи тепла для нагревателя поверхностей определяют по справочникам для вычисленных показателей скорости движения теплоносителя и массовой скорости притока воздуха. Далее определяется площадь поверхности подогрева (кв. м) теплообменника, используя формулу:
Amp = 1.2Q / K (tср.т – tср.в), где:
- К – коэффициент передачи тепла калорифером, Вт/(м°С);
- tср.т – значение средней температуры теплоносителя, °С;
- tср.в – значение средней температуры приточного воздуха для вентиляции, °С;
- число 1,2 – необходимый коэффициент запаса, учитывает дальнейшее остывание воздушных масс в воздухопроводах.
Средняя температура воздуха вычисляется по формуле:
В указанном варианте, если для прогрева воздуха не хватает нагревательной поверхности одного теплообменника, число калориферов одного вида необходимо рассчитать так:
Nmp = Amp / Ak, тут Ak
Итоговый результат - это значение, полученное с использованием формулы, округленное в большую сторону.
Qфакт = К (tср.т – tср.в) Nфакт Ak.
здесь Nфакт принимается с округленным значением Nmp, остальные параметры – как в предыдущих формулах.
Потребуется учесть дополнительный запас мощности теплообменника - 12-15%. Такому подходу есть объяснения:
- истинные показатели коэффициента передачи тепловой энергии калорифера практически никогда не совпадают с данными в таблицах, причем чаще в сторону снижения;
- производительность устройства уменьшается с увеличением срока эксплуатации оборудования и образования засоров труб.
Однако не желательно превосходить запас мощности, поскольку существенное расширение нагреваемой поверхности приводит к их избыточному охлаждению, а во время низких температур воздуха - к размораживанию. Некоторые производители дают гарантию на точность указанных параметров . В таком случае запас мощности можно установить в пределах 5%. Чтобы не столкнуться с размораживанием, скорость перемещения теплоносителя должна устанавливаться на уровне - 0,12 м/с. Обвязка теплообменника может включать циркуляционную насосную систему, поддерживающую баланс производительности. Отдельные модели теплообменников выпускаются с вмонтированным обводным клапаном, защищающим от размораживания.
Особенности расчета для паровых калориферов
Если теплоноситель - это пар, выбор и расчет калорифера осуществляется таким же способом, но расход теплоносителя при разогреве воздуха вычисляется следующим образом:
В этой формуле параметр r (кДж/кг) – удельная теплота, выделяемая при конденсации водяного пара. Скорость движения водяного пара в трубках калорифера не рассчитывается.
Методы обвязки
Узел обвязки - это специальный арматурный каркас для регулировки поступления горячей воды. Обвязка проводится одним из двух методов:
- двухходовые вентилями - сети, где не контролируется обратный расход воды;
- трехходовые вентили - при использовании бойлера или котельной.
Монтаж узла обвязки необходим, так как дает возможность держать под контролем производительность калорифера и защищает его от промерзания.
Выбор электрического калорифера
Если решено применять в приточной вентиляционной системе электокалорифер, то выбор устройства осуществляется по требуемому расходу воздуха, а также его температурах на входе и выходе. Если производитель электрокалорифера прописывает в документации расход потребляемого воздуха и электрическую мощность - выбор оборудования прост. Однако здесь необходимо поддерживать минимально разрешенный заводом объем воздушного притока. Игнорирование этого требования приводит к поломке нагревательных элементов электрокалорифера. Если предполагаемое приобретение предусматривает такой эксплуатационный режим, нужно использовать ступенчатое регулирование нагревательных элементов. Размер запаса мощности для электрокалорифера - до 10%.
Для помещений небольшой площади лучше остановить выбор на электрических калориферах, поскольку они не сложны в эксплуатации и просты в монтаже. Для зданий большой площади лучшим выбором будет установка водяных калориферов, так как в сравнении с электрокалориферами они более экономичны.
Расчет и подбор водяных калориферов КСк
осуществляется в следующей последовательности:
1.
подсчет тепловой мощности для нагрева воздуха, 2.
расчет фронтального сечения для прохода воздуха и подбор подходящих калориферов, 3.
нахождение массовой скорости, 4.
определение расхода теплоносителя, 5.
подсчет скорости горячей воды в теплообменнике, 6.
вычисление коэффициента теплопередачи, 7.
определение среднего температурного напора, 8.
нахождение теплопроизводительности калорифера или установки, 9.
установление запаса по тепловой мощности, 10.
расчет аэродинамического сопротивления, 11.
определение гидравлического сопротивления по теплоносителю.
Все действия по расчету и подбору водяных калориферов типа КСк выложены пошагово. Прилагаются
формулы и таблицы
, технические данные и характеристики всех моделей данных воздухонагревателей. Каждый шаг подсчетов и вычислений сопровождается конкретным примером.
1.
Определить тепловую мощность для нагрева определенного объема воздуха.
а) Определяем массовый расход нагреваемого воздуха
G
(кг/ч)
=
L
х
р
L
-
объемное
количество нагреваемого воздуха, м3/час
p
- плотность воздуха
при средней температуре (сумму температуры воздуха на входе и выходе из калорифера разделить на два) -
таблица показателей плотности
представлена выше, кг/м3
б) Определяем расход теплоты для нагревания воздуха
Q
(Вт)
=
G
х
c
х
(t
кон
-
t
нач
)
G
-
массовый расход воздуха, кг/час
с
- удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг
K)
, (показатель берется по температуре входящего воздуха, смотреть ниже - по таблице)
t
нач
- температура воздуха на входе в теплообменник,
°С
t
кон
- температура нагретого воздуха на выходе из теплообменника,
°С
.
Шаг- 1
1.
Определить тепловую мощность, необходимую для нагрева 1700
0
м3/час с температуры - 25°С до +23°С.
а) Определяем массовый расход нагреваемого воздуха
G
(кг/ч)
=
1
7000
х
1.3
0
=
2
21
00
кг/час
1
700
0
- объемное количество нагреваемого воздуха, м3/час
1.3
0
- плотность воздуха при температуре
-
1°С
(температура на входе - 25
°С
плюс температура воздуха на выходе +2
3°С
- делим на два) (- 25+2
3
)/2= -
2
/2= -
1
Плотность воздуха при температуре -
1
имеет значение 1.3
0
б) Определяем расход те
п
лоты для нагревания воздуха
Q
(Вт)
=
(2
21
00
/3600
)
х
1009
х
(2
3
- (-
25
)
)
=
2
97319
Вт
2
21
00
1009
- удельная теплоемкость
при температуре входящего
воздуха
- 25
°С, Дж/(кг K)
+2
3
- температура нагретого воздуха на выходе из
теплообменника
, °С
- 25
- температура воздуха на входе в
теплообменник
, °С
Температуру входящего воздуха можно принять, исходя из географического региона, в котором будут эксплуатироваться калориферы. Данные с расчетными средними температурами городов представлены в 3- х таблицах справа. Если в таблице отсутствует ваш город, следует принять показатели близлежащего.
2.
Подбор и расчет калориферов - этап второй. Определившись с необходимой тепловой мощностью для обогрева требуемого объема, находим фронтальное сечение для прохода воздуха. Фронтальное сечение - рабочее внутреннее сечение с теплоотдающими трубками, через которое непосредственно проходят потоки нагнетаемого холодного воздуха.
f
(м2) =
G
/
v
G
v
-
массовая скорость воздуха - для оребренных калориферов принимается в диапазоне 3 - 5 (кг/м2 с
). Допустимые значения - до 7 - 8
кг/м2 с
Пример подбора и расчета калорифера КСк
.
Шаг- 2
0
м3/час от температуры - 25°С до +23
2.
Расчет фронтального сечения для прохода воздуха. Подбираем необходим
ую площадь
сечени
я
под массовый расход воздуха 2
210
0 кг/час. Принимаем массовую скорость - 3.6
кг/м2 с
.
f
(м2)
=
(2
2100
/3600
)
/
3.6
=
1.
705
м2
2
21
00
- массовый расход воздуха, кг/час
3.6
- массовая скорость воздуха
,
кг/м2 с
Из расчета получилась требуемая площадь фронтального сечения для прохода воздуха - 1.705 м2. Далее, ориентируясь на данные из нижевыложенной таблицы, подбираем калорифер КСк, подходящий под это сечение. Наиболее подходящие модели КСк 3- 11 и КСк 4- 11 (площадь фронтального сечения этих теплообменников - 1.660 м2).
Что делать, если при расчете, мы получаем требуемую площадь сечения, а в таблице для подбора калориферов КСк, нет моделей с таким показателем. Тогда мы принимаем два или несколько калориферов одного номера, чтобы сумма их площадей соответствовала или приближалась к нужному значению. Например: при расчете у нас получилась требуемая площадь сечения - 0.926 м2. Воздухонагревателей с таким значением в таблице нет. Принимаем два теплообменника КСк 3- 9 с площадью 0.455 м2 (в сумме это дает 0.910 м2) и монтируем их по воздуху параллельно.
При выборе трех или четырех рядной модели (одинаковые номера калориферов - имеют одну и ту же площадь фронтального сечения), ориентируемся на то, что теплообменники КСк4 (четыре ряда) при одной и той же входящей температуре и производительности по воздуху, нагревают его в среднем на восемь- двенадцать градусов больше, чем КСк3 (три ряда теплонесущих трубок), но имеют большее аэродинамическое сопротивление.
Ниже представлена таблица с данными воздухонагревателей типа КСк. В таблице приводятся основные технические характеристики всех моделей данного теплообменника: площадь поверхности нагрева и фронтального сечения, присоединительных патрубков, коллектора и живого сечения для прохода воды, длина теплонагревательных трубок, число ходов и рядов, масса.
3.
Находим действительную массовую скорость для выбранного одного или нескольких калориферов.
v
(кг/м2
с) =
G
/
f
G
- массовый расход воздуха, кг/час
f
-
площадь действительного фронтального сечения, берущегося в расчет, м2
Пример подбора и расчета калорифера КСк
.
Шаг- 3
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 17000
3.
Задача - найти действительную массовую скорость тех
теплообменников
, что мы подобрали
. Принимаем калорифер КСк 3 11, как наиболее подходящий по фронтальному сечению для прохода воздуха (1.660 м2).
v
(кг/м2 с)
= (22100
/3600) /
1.660
=
3.
70
кг/м2 с
2
21
00
- массовый расход воздуха, кг/час
1.660
- площадь
фронтального сечения
КСк 3- 11
, берущегося в расчет, м2
4.
Рассчитываем расход теплоносителя.
G
w
(кг/сек)
=
Q
/
((c
w
х
(t
вх
-
t
вых
)
)
Q
-
расход тепла для нагрева воздуха, Вт
c
w -
удельная теплоемкость воды - принимается по таблице внизу - (температура воды на подаче и выходе суммируется и делится пополам),
Дж/(кг K)
t
вх - температура воды на входе в теплообменник,
°С
t
в
ы
х - температура
воды
на в
ы
ходе
из
теплообменник
а
, °С
Шаг-
4
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 17000 м3/час от температуры - 25°С до +23°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
4.
Подсчет расхода горячей воды. Рассчитывается потребление теплоносителя с температурным графиком 95
°С
- 50
°С
для нагрева 1700
0
м3/час от температуры - 25°С до +23°С
.
G
w
(кг/сек) =
297319
/
((4192
х (95
-
50
)
)
=
1.
576
кг/сек
297319
- расход тепла для нагрева воздуха, Вт
4192
- удельная теплоемкость воды
при температуре 72.5
°С
(95
°С
+ 50
°С
= 145
°С
/ 2 =
72.5°С
)
, Дж/(кг K)
95
- температура на входе в теплообменник, °С
50
- температура на выходе из теплообменника, °С
5.
Подсчет скорости движения воды в трубках принятого калорифера.
W
(м/сек)
=
G
w
/
(p
w
х
f
w)
G
w
-
расход теплоносителя, кг/сек
p
w
- плотность воды при средней температуре в воздухонагревателе (принимается по таблице внизу), кг/м3
f
w
-
средняя площадь живого сечения одного хода теплообменника (принимается по таблице подбора калориферов КСк), м2
Пример подбора и расчета калорифера КСк
.
Шаг- 5
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 1700
0
м3/час от температуры - 25°С до +23°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
5
.
Цель - п
одсчет скорости движения воды в трубках
принятого оребренного воздухоподогревателя КСк 3 11.
W
(м/сек)
=
1.
576
/
(976
х
0.00235
)
=
0.6
87
м/сек
1.
576
- расход теплоносителя, кг/сек
976
- плотность воды при средней температуре в
теплообменнике
(график 95
°С
- 50
°С
, средняя 72.5
°С), кг/м3
0.00235
- средняя площадь живого сечения одного хода
калорифера КСк 3- 11
, м2
В случае если для расчета приняты два или более калориферов, эта формула действительна только при их последовательном подсоединении по теплоносителю. То есть калориферы присоединены так, что горячая вода пройдя по контурам одного теплообменника, подается во- второй и т.д. При параллельном подсоединении, например двух воздухонагревателей КСк по теплоносителю, значение
fw
будет 2
fw
и т.д. Например: для нагрева воздуха нам требуются два
теплообменника КСк 3- 9 с площадью 0.455 м2 (в сумме это дает 0.910 м2)
. Расход теплоносителя составил 0.600 кг/сек. Подсчитать скорость движения одного хода калориферов. При последовательном подсоединении по теплоносителю формула будет иметь вид -
W (м/сек) = Gw / (pw х fw
)
, при параллельном (теплопровод подключен к каждому воздухонагревателю отдельно) -
W (м/сек) = Gw / (pw х
2
fw
)
. Соответственно и скорость движения воды в трубках, в первом случае будет иметь большее значение, чем во втором. Рекомендуемая скорость движения теплоносителя в калориферах водяных типа КСк - (0.2 - 0.5) м/сек. Превышение этой скорости, связано с увеличением гидравлического сопротивления.
6.
Расчет коэффициента теплопередачи (теплотехнической эффективности), выбранного калорифера
Коэффициент теплоотдачи выбранного теплообменника, можно узнать двумя способами. Первый - рассчитать по формуле (использовав коэффициенты и показатели степеней данного вида воздухонагревателей). Второй - воспользоваться готовой таблицей, с данными при разных показателях массовой скорости воздуха и скорости воды. Табличные данные можно посмотреть на странице сайта: Калориферы КСк. Коэффициент теплопередачи калориферов КСк
.
v
-
действительная
массовая скорость воздуха
,
кг/м2 с
W
-
A
,
n
,
m
-
Расчетные значения для подсчета коэффициентов теплопередачи |
|||
Индекс калорифера |
A |
n |
m |
КСк 2 (дву хрядная модель) |
33.3 |
0.383 |
0.175 |
КСк3 (трехрядная модель) |
29.3 |
0.437 |
0.168 |
КСк4 (четырехрядная модель) |
25.5 |
0.496 |
0.160 |
Пример подбора и расчета калорифера КСк
.
Шаг- 6
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 1700
0
м3/час от температуры - 25°С до +23°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
6
.
Задача - подсчитать коэффициент теплоотдачи воздухонагревателя КСк 3 11 при массовой скорости в фронтальном сечении
3.70 кг/м2 с
и скорости движения теплоносителя в трубках
0.687 м/сек
.
=
4
8
.
73
Вт/(м2 °C)
3.
70
-
действительная
массовая скорость воздуха
,
кг/м2 с
0.6
87
-
скорость движения воды в трубках, м/сек
29.3
,
0.437
,
0.168
-
значение модуля и степеней из таблицы
7 . Расчет температурного напора . Ниже представлены формулы для определения среднего арифметического или среднего логарифмического температурного напора (в зависимости от итогового показателя отношения дельт температур). Если этот шаг вызовет у вас затруднения, его можно пропустить и перейти к пункту 8. Там представлена общая формула нахождения фактической тепловой мощности выбранного калорифера, которая позволит (в большинстве случаев) подобрать теплообменник с допустимой степенью погрешности.
Принцип работы водяного калорифера построен на теплообмене двух сред. Первичный теплоноситель - горячая или перегретая вода, вторичный - воздух. Поэтому этот теплообменник называют еще и водовоздушным. Нагрев воздуха происходит за счет отдачи тепла первичным теплоносителем (горячей водой) - вторичному теплоносителю (холодному воздуху). То есть условно мы можем разделить теплообменные среды на два потока или контура.
Первый контур
- греющая сторона - теплоноситель горячая вода
, второй контур
- нагреваемая сторона - теплоноситель воздух
.
Чем больше разница температур потоков, тем эффективней происходит теплообмен.
Средний температурный напор рассчитывается по формуле:
Натуральный логарифм
l
n
- это логарифм по основанию e, где e - иррациональная константа, равная приблизительно 2,718281828
.
Обозначение -
l
n
(x)
показатель степени, в которую нужно возвести число 2,718281828, чтобы получить
x
.
Пример подбора и расчета калорифера КСк
.
Шаг- 7
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 17000 м3/час от температуры - 25°С до +23°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
7
.
Задача - подсчитать средний температурный напор с теплоносителем на входе +95
°С
- на выходе +50
°С
, температурой входящего- выходящего воздуха - 25
°С
- +23
°С
8.
Подсчет фактической тепловой мощности подобранных калорифера (ов).
q
(Вт
)
=
K
х
F
х
((
t
вх
+
t
вых)
/2
-
(
t
нач
+
t
кон)
/2)
)
или, если подсчитан температурный напор, то
q
(Вт)
=
K
х
F
х
средний температурный напор
K
-
коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2 °C)
F
-
площадь поверхности нагрева выбранного калорифера (принимается по таблице подбора), м2
t
вх - температура
воды
на входе в теплообменник, °С
t
вых - температура
воды
на выходе из теплообменника, °С
t
нач - температура воздуха на входе в теплообменник, °С
t
кон - температура нагретого воздуха на выходе из теплообменника, °С
Пример подбора и расчета калорифера КСк.
Шаг-
8
7000
3
°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
8
.
Расчет фактической теплопроизводительности воздухоподогревателя КСк 3- 11 при заложенных и подсчитанных значениях.
q
(Вт) =
48.73
х
86.2
х
((95
+
50
)/2 - (- 25
+
23
)/2)
)
=
48.73 х 86.2 х (145/2 - (- 2/2)) = 48.73 х 86.2 х (72.5 + 1)
=
308739
Вт
48.73
- коэффициент теплоотдачи
калорифера
, Вт/(м2 °C)
86.2
- площадь поверхности нагрева
воздухонагревателя КСк 3- 11
, м2
95
50
- температура воды на выходе из теплообменника, °С
- 25
- температура воздуха на входе в теплообменник, °С
23
- температура нагретого воздуха на выходе из теплообменника, °С
9.
Определяем запас тепловой производительности принятого калорифера (ов)
((q
-
Q
)
/
Q
) х 100
q
-
фактическая тепловая мощность подобранных калориферов, Вт
Q
-
расчетная
тепловая мощность
, Вт
Пример подбора и расчета калорифера КСк.
Шаг-
9
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева
1700
0 м3/час от температуры - 25°С до +2
3
°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
9
.
Осуществляем подсчет расхождения фактической и расчетной тепловой мощности подобранного теплообменника
((308739
-
297319
) /
297319
)
х 100
=
3.8%
30
8739
ого
теплообменника, Вт
297319
- расчетная тепловая мощность
, Вт
Фактическая тепловая производительность принятого калорифера должна быть больше, чем расчетная. Диапазон допустимого процентного соотношения фактической и расчетной мощности, по разным источникам, может составлять от 96 до 120 (от - 4 до 20) %. В любом случае, нужно стремиться к максимально приближенному равенству мощностей (фактическая производительность = 100 - 110 % от расчетной). Если при подсчете, разница составила большее значение, чем вышеупомянутые цифры, следует произвести перерасчет.
10.
Подсчитываем фактический расход воды.
G
w
(кг/сек)
=
q
/
(c
w
х
(t
вх -
t
вых)
)
q
- фактическая тепловая мощность подобранных калориферов
, Вт
c
w
- удельная теплоемкость воды - принимается по таблице (температура воды на подаче и выходе сум
м
ируется и делится поп
о
лам), Дж/(кг K)
t
вх
- температура воды на входе в теплообменник, °С
t
вых
Пример подбора и расчета калорифера КСк.
Шаг-
10
Подобрать подходящий калорифер КСк для нагрева 1
7000
м3/час от температуры - 25°С до +2
3
°С. Теплоноситель горячая вода с графиком 95°С на входе в воздухонагреватель, 50°С на выходе.
10
.
Задача - уточнить реальный расход воды в выбранном теплообменнике.
G
w (кг/сек)
=
308739
/
(4192
х (95
-
50
)
)
=
1.637
кг/сек - 5893 кг/час
308739
- фактическая тепловая мощность подобранн
ого
калорифер
а
, Вт
4192
- удельная теплоемкость воды при температуре 72.5°С (95°С + 50°С = 145°С / 2 = 72.5°С), Дж/(кг K)
95
- температура воды на входе в теплообменник, °С
50
- температура воды на выходе из теплообменника, °С
11. Расчет аэродинамического сопротивления. Величину потерь по воздуху можно узнать двумя способами. Первый - подсчитать по формуле, используя коэффициент и значения степеней подобранного калорифера. Второй - путем подбора - по таблице, используя данные при разной массовой скорости воздуха. Посмотреть
Калориферы имеют высокую производительность, поэтому с их помощью обогреть даже очень большие помещения можно за довольно короткое время. В продажу поступает много моделей этих приборов, работающих на основе разных теплоносителей. Чтобы выбрать оптимальный вариант, нужен расчет калорифера, выполнить который можно как вручную, так и воспользовавшись онлайн-калькулятором.
Система обогрева дома, основывающаяся на подаче прогретого до установленной температуры воздуха непосредственно в дом, представляет особый интерес для владельцев собственного жилья.
Такая конструкция отопительной системы состоит из следующих важных узлов:
- калорифера, выступающего в роли теплогенератора, подогревающего воздух;
- каналов (воздуховодов), по которым поступают нагретые воздушные массы в дом;
- вентилятор, направляющий хорошо прогретый воздух по всему объему помещения.
Преимуществ у системы такого типа много. К ним относится и высокий КПД, и отсутствие вспомогательных элементов для теплообмена в виде радиаторов, труб, и возможность объединить ее с климатической системой, и малая инерционность, в результате чего прогрев больших объемов происходит очень быстро.
Калорифер прост в монтаже и эксплуатации, доступен по цене, но главное, он является эффективным прибором для обогрева помещения. На фото водяной калорифер, вмонтированный в систему
Для многих домовладельцев недостатком является то, что монтаж системы возможен только одновременно со строительством самого дома и затем дальнейшая модернизация ее невозможна. Минусом является и такой нюанс, как обязательное наличие резервного питания и потребность в регулярном техническом обслуживании.
Классификация калориферов по разным признакам
Калориферы включают в конструкцию системы отопления для нагрева воздуха. Существуют следующие группы этих приборов по виду используемого теплоносителя: водяные, электрические, паровые. Электрические приборы имеет смысл использовать для помещений площадью не более 100 м². Для зданий с большими площадями более рациональным выбором будут калориферы водяные, которые функционируют только при наличии источника тепла.
Наиболее популярны паровые и водяные калориферы. Как первые, так и вторые по форме поверхности делятся на 2 подвида: ребристые и гладкотрубные. Ребристые калориферы по геометрии ребер бывают пластинчатыми и спирально-навивными.
Производительность калориферов, работающих на таком теплоносителе как пар, регулируют при помощи специальных клапанов, установленных на входной трубе (+)
По конструкционному исполнению эти приборы могут быть одноходовыми, когда теплоноситель в них совершает движение по трубкам, придерживаясь постоянного направления и многоходовыми, в крышках которых имеются перегородки, вследствие чего направление движение теплоносителя постоянно меняется. В продажу поступают 4 модели калориферов водяных и паровых, отличающиеся площадью поверхности нагрева:
- СМ - самая малая с одним рядом труб;
- М - малая с двумя рядами труб;
- С - средняя с трубами в 3 ряда;
- Б - большая, имеющая 4 ряда труб.
Водяные калориферы в процессе эксплуатации выдерживают большие температурные колебания - 70-110⁰. Для хорошей работы калорифера этого типа вода, циркулирующая в системе должна быть нагретой максимум до 180⁰. В теплое время года калорифер может выполнять роль вентилятора.
Конструкция калориферов разных видов
Отопительный водяной калорифер состоит из корпуса, выполненного из металла, размещенного в нем теплообменника в виде ряда трубок и вентилятора. На торце агрегата имеются входные патрубки, через которые его подключают к котлу или централизованной системе отопления. Как правило, вентилятор находится в тыльной части прибора. Его задача - прогонять воздух через теплообменник.
После нагрева, через решетку, находящуюся на фасадной части калорифера, воздух обратно поступает в комнату. Чаще всего корпус изготавливают в форме прямоугольника, но есть модели, предназначенные для вентиляционных каналов круглого сечения. На подводящей магистрали устанавливают двух- или 3-ходовые вентили для регулировки мощности агрегата.
Вентилятор обдувает трубки, расположенные в корпусе калорифера. По трубкам движется нагретая вода из системы отопления, а вентилятор распределяет равномерно теплый воздух по комнате
Различаются калориферы и по способу монтажа - они бывают потолочными и настенными. Модели первого типа размещают за фальшпотолком, за его пределы выглядывает только решетка. Настенные приборы более популярны.
Устройство калориферов гладкотрубных
Гладкотрубную конструкцию составляют нагревательные элементы в виде полых тонких трубок диаметром от 20 до 32 мм, расположенные на расстоянии 0,5 см по отношению друг к другу. По ним циркулирует теплоноситель. Воздух, омывая нагретые поверхности трубок, нагревается благодаря конвективному обмену теплом.
Трубки в воздухонагревателе располагают в шахматном или коридорном порядке. Их концы вварены в коллекторы - верхний и нижний. Теплоноситель поступает в распределительную коробку через входной патрубок, затем, пройдя по трубкам и нагрев их, выходит через выходной патрубок в виде конденсата или охлажденной воды.
Более стабильную передачу тепла обеспечивают приборы с шахматным расположением трубок, но сопротивляемость воздушным потокам здесь выше. Нужно обязательно выполнять расчет мощности агрегата, чтобы знать реальные возможности устройства.
К воздуху предъявляют определенные требования - не должно быть волокон, взвешенных частиц, липких субстанций. Допустимая запыленность - меньше чем 0,5 мг/мᶾ. Температура на входе -минимум 20⁰.
Одноходовой и 3-ходовой калориферы. 1 – входной патрубок, через который поступает теплоноситель, 2 – распредкоробка, 3 – трубка, 4 – выходной патрубок, 5 – перегородка
Теплотехнические характеристики гладкотрубных калориферов не очень высокие. Их применение целесообразно, когда не требуется значительного расхода воздуха и его нагрева до высокой температуры.
Особенности ребристых воздухонагревателей
Трубы ребристых приборов обладают оребренной поверхностью, следовательно, теплоотдача от них больше. При меньшем количестве труб теплотехнические характеристики у них выше, чем у гладкотрубных воздухонагревателей. В состав пластинчатых калориферов входят трубки с насаженными на них пластинами - прямоугольными или круглыми.
Первый вид пластин насаживают на группу труб. Теплоноситель проходит в распределительную коробку прибора через штуцер, прогревает воздух, проходящий со значительной скоростью через каналы небольшого диаметра, а после этого из сборной коробки выходит через штуцер.
Калориферы этого вида компактны, удобны в обслуживании и монтаже.
Одноходовые пластинчатые приборы обозначают: КФБ КФС КВБ СТД3009В КЗПП К4ПП, а многоходовые - КВБ, К4ВП, КЗВП, КВС, КМС, СТДЗОЮГ, КМБ. Средняя модель имеет обозначение КФС, а большая - КФБ. На трубки этих калориферов навивают стальную гофрированную ленту шириной 1 см и толщиной 0,4 мм. Теплоносителем для них может быть как пар, так и вода.
Водяные калориферы нельзя подключать металлопластиковыми или полимерными трубами т.к. они не рассчитаны на высокую температуру теплоносителя. Нужны стальные трубы и лучше оцинкованные, чтобы исключить коррозию
Первая оснащена тремя рядами трубок, а вторая четырьмя. Пластинки средней модели имеют толщину 0,5 мм и размеры 11,7х 13,6 см. Пластины большой модели такой же толщины и ширины отличаются большей длиной - 17,5 см. Пластины находятся на расстоянии друг от друга 0,5 см и имеют зигзагообразное расположение, тогда как у моделей среднего вида пластины расположены по коридорному принципу.
Воздухонагреватели с маркировкой СТД имеют 5 номеров (5, 7, 8, 9, 14). В калориферах СТД4009В теплоносителем является пар, а в СТД3010Г – вода. Монтаж первых выполняют с вертикальной ориентацией трубок, вторых - с горизонтальной.
Биметаллические калориферы с оребрением
В системах отопления с подогревом воздуха часто применяют модели биметаллических калориферов КП3-СК, КП4-СК, КСк – 3 и 4 с особым видом оребрения - спирально-накатным. Теплоносителем для калориферов КП3-СК, КП4-СК является горячая вода с наибольшим давлением 1,2 МПа и максимальной температурой 180⁰.
Для работы двух других воздухонагревателей необходим пар с таким же рабочим давлением, как и для первых, но с несколько большей температурой - 190⁰. Производители обязательно проводят приемо-сдаточные испытания. Тестируют приборы и на герметичность.
Теплообменник калорифера КСК состоит из трубок, выполненных из стали и имеющих алюминиевые ребра. Соединяют их трубные решетки
Существует 2 линейки биметаллических калориферов - КСК3, КПЗ, имеющие 3 ряда трубок, относятся к средним, а КСК4, КП4 с 4 рядами трубок - к большим моделям. Составляющими этих приборов являются биметаллические теплообменные элементы, боковые щитки, решетки из трубок, крышки с перегородками.
Теплообменный элемент представляет собой 2 трубки - внутренней диаметром 1,6 см, изготовленной из стали и насаженной на нее алюминиевой наружной с оребрением. Поперечный интервал между теплопередающими трубками 4,15 см, а продольный - 3,6 см.
Необходимые расчеты при выборе калорифера
Для расчета мощности водяного или парового калорифера нужны следующие исходные параметры:
- Производительность системы или другими словами - количество воздуха, перегоняемого за час. Единица измерения объемного расхода - мᶾ/ч., массового кг/ч. Условное обозначение - L.
- Исходная или наружная температура - tул.
- Конечная температура воздуха - tкон.
- Плотность и теплоемкость воздуха при определенной температуре - данные берут из таблиц.
Сначала вычисляют площадь сечения по фронту воздухонагревательного устройства. Узнав эту величину, получают предварительные размеры агрегата с запасом. Для расчета используют формулу: Аф = Lρ / 3600 (ϑρ), где L - объемный расход воздуха или производительность в м³/ч, ρ - плотность воздуха снаружи измеряемая в кг/м³ ϑρ – массовая скорость воздуха в рассчитываемом сечении, измеряется в кг/(см²).
Получив этот параметр, для дальнейших вычислений берут типовой размер калорифера, ближайший по размерам. При большом итоговом значении площади, устанавливают параллельно несколько одинаковых агрегатов, площадь которых в сумме равна полученному значению.
Калориферами называют не только устройства для теплообмена, но и воздухоохладители, работающие на основе холодной воды, которые пользуются намного меньшей популярностью
Для определения необходимой мощности для нагрева какого-то конкретного объема воздуха нужно узнать общий расход подогреваемого воздуха в кг за 1 час по формуле: G = L х р. Здесь р - плотность воздуха в условиях средней температуры. Ее определяют, суммируя температуры на входе и выходе из агрегата, затем делят на 2. Показатели плотности берут из таблицы.
Из этой таблицы можно взять данные по плотности и удельной теплоемкости воздуха при определенной температуре для расчета мощности прибора
Теперь можно вычислить расход тепла для прогрева воздуха для чего применяют следующую формулу: Q (Вт) = G х c х (t кон. — t нач.). Буквой G обозначают массовый расход воздуха в кг/час. Учитывают при расчете и удельную теплоемкость воздуха измеряемую в Дж/(кг х K). Зависит она от температуры входящего воздуха, а ее значения есть в таблице выше. Температура на входе в прибор и на выходе из него обозначается t нач. и t кон. соответственно.
Допустим, надо подобрать калорифер производительностью 10 000 мᶾ/час, чтобы он нагревал воздух до 20⁰ при температуре снаружи -30⁰. Теплоносителем является вода, имеющая температуру на входе в агрегат 95⁰ и 50⁰ на выходе. Массовый расход воздушной массы: G = 10 000 мᶾ/ч. х 1,318 кг/мᶾ = 13 180 кг/ч. Значение ρ: (-30 + 20) = -10, при делении этого результата пополам получили -5. Из таблицы выбрали, соответствующую средней температуре, плотность.
Подставив полученный результат в формулу, получают расход тепла: Q = 13 180 /3600 х 1013 х 20 – (-30) = 185 435 Вт. Здесь 1013 - это удельная теплоемкость, выбранная из таблицы при температуре — 30⁰ в Дж/(кг х K). К расчетной величине мощности калорифера добавляют от 10 до 15% запаса.
Причина в том, что табличные параметры часто отличаются от реальных в сторону уменьшения, а тепловая производительность агрегата, из-за засорения трубок, снижается со временем. Превышение величины запаса нежелательно. При значительном увеличении поверхности нагрева может произойти переохлаждение, и даже размораживание в большие морозы.
В паровой калорифер теплоноситель подводят сверху, а воду, получившуюся в результате конденсации отработанного пара, отводят снизу. На фото - схема обвязки парового калорифера
Мощность паровых калориферов рассчитывают таким же способом, как и водяных. Отличается только формула расчета теплоносителя - G = Q / r где r - удельная теплота, которая выделяется во время конденсации пара, измеряемая в кДж/кг.
Выбор электрического калорифера
Производители в каталогах электрических калориферов часто указывают установленную мощность и расход воздуха, что значительно упрощает выбор. Главное, чтобы параметры не были меньшими, чем указанные в паспорте иначе он быстро выйдет со строя. В конструкцию калорифера входят несколько специальных электрических нагревательных элементов, площадь которых увеличена за счет напрессовки на них оребрения.
Мощность приборов может быть очень большой, иногда это сотни киловатт. До 3,5 кВт калорифер может питаться от розетки 220 В, а при напряжении выше этого необходимо подключение отельным кабелем прямо к щитку. Если есть необходимость в использовании калорифера мощностью выше 7 кВт, потребуется питание 380 В.
Эти приборы имеют небольшие габариты и вес, они полностью автономны, для них необязательно присутствие централизованного горячего водоснабжения или пара. Существенный минус - низкая мощность недостаточная для применения их на больших площадях. Второй недостаток - большое потребление электроэнергии.
Из расчета калорифера следует, что результатом использования прибора является ощутимая экономия энергетических ресурсов. Иногда этот агрегат совмещают с рекуператором и тогда забор воздуха происходит не снаружи, а с помещения
Чтобы узнать какой ток потребляет калорифер можно воспользоваться формулой: I = P /U, где P - мощность, U - напряжение питания. При однофазном подключении калорифера U принимают равным 220 В. При 3-фазном - 660 В.
Температуру, до которой калорифер определенной мощности нагревает воздушную массу, определяют по формуле: T =2.98 x P/ L. Буква L здесь обозначает производительность системы. Оптимальные значения мощности калорифера для дома от 1 до 5 кВт, а для офисов - от 5 до 50 кВт.
Видео на тему подбора калорифера
Какую плотность воздуха брать при расчете, рассказано в этом видео:
Видео о том, как работает калорифер в системе отопления:
Выбирая определенный вид калорифера, следует исходить из соображений целесообразности и эксплуатационных характеристик дома. Для небольших площадей удачным приобретением будет электрический калорифер, а для отопления большого дома лучше подобрать другой вариант. В любом случая не обойтись без предварительного расчета.
