РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ
|
2
Рисунок 1.1 – Схемы компоновки блока ТЭНов
1.1 Тепловой расчет нагревательных элементовВ качестве нагревательных элементов в электрокалориферах используют трубчатые электронагреватели (ТЭН), смонтированные в единый конструктивный блок. В задачу теплового расчёта блока ТЭНов входит определение количества ТЭНов в блоке и действительной температуры поверхности нагревательного элемента. Результаты теплового расчёта используют для уточнения конструктивных параметров блока. Задание на расчет приведено в приложении 1. Мощность одного ТЭНа определяют исходя из мощности калорифера Pк и числа ТЭНов z, установленных в калорифере. . (1.1) Число ТЭНов z принимают кратным 3, причем мощность одного ТЭНа не должна превышать 3…4 кВт. ТЭН подбирают по паспортным данным (приложение 1). По конструктивному исполнению различают блоки с коридорной и шахматной компоновкой ТЭНов (рисунок 1.1).
Для первого ряда нагревателей скомпонованного нагревательного блока должно выполняться условие: оС, (1.2) где tн1 — действительная средняя температура поверхности нагревателей первого ряда, оС; Pm1 — суммарная мощность нагревателей первого ряда, Вт; ср— средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2оС); Fт1- суммарная площадь теплоотдающей поверхности нагревателей первого ряда, м2; tв — температура воздушного потока после калорифера, оС. Суммарную мощность и суммарную площадь нагревателей определяют из параметров выбранных ТЭНов по формулам , , (1.3) где k – количество ТЭНов в ряду, шт; Pт, Fт – соответственно мощность, Вт, и площадь поверхности, м2, одного ТЭНа. Площадь поверхности оребренного ТЭНа , (1.4) где d – диаметр ТЭНа, м; lа – активная длина ТЭНа, м; hр – высота ребра, м; a – шаг оребрения, м. Для пучков поперечно обтекаемых труб следует учитывать средний коэффициент теплоотдачи ср, так как условия передачи теплоты отдельными рядами нагревателей различны и определяются турбулизацией воздушного потока. Теплоотдача первого и второго рядов трубок по сравнению с третьим рядом меньше. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять за единицу, то теплоотдача первого ряда составит около 0,6, второго — около 0,7 в шахматных пучках и около 0,9 — в коридорных от теплоотдачи третьего ряда. Для всех рядов после третьего коэффициент теплоотдачи можно считать неизменным и равным теплоотдаче третьего ряда. Коэффициент теплоотдачи ТЭНа определяют по эмпирическому выражению , (1.5) где Nu – критерий Нуссельта, — коэффициент теплопроводности воздуха, = 0,027 Вт/(моС); d – диаметр ТЭНа, м. Критерий Нуссельта для конкретных условий теплообмена рассчитывают по выражениям для коридорных пучков труб при Re 1103 , (1.6) при Re > 1103 , (1.7) для шахматных пучков труб: при Re 1103, (1.8) при Re > 1103 , (1.9) где Re -критерий Рейнольдса. Критерий Рейнольдса характеризует режим обтекания ТЭНов воздухом и равен , (1.10) где — скорость воздушного потока, м/с; — коэффициент кинематической вязкости воздуха, = 18,510-6 м2 /с. Для обеспечения эффективной термической нагрузки ТЭНов, не приводящей к перегреву нагревателей, следует обеспечивать в зоне теплообмена движение потока воздуха со скоростью не менее 6 м/с. Учитывая возрастание аэродинамического сопротивления конструкции воздушного канала и нагревательного блока с ростом скорости потока воздуха, последнюю следует ограничить 15 м/с. Средний коэффициент теплоотдачи для коридорных пучков , (1.11) для шахматных пучков , (1.12) где n — количество рядов труб в пучке нагревательного блока. Температура воздушного потока после калорифера равна , (1.13) где Pк – суммарная мощность ТЭНов калорифера, кВт; — плотность воздуха, кг/м3; св – удельная теплоемкость воздуха, св= 1 кДж/(кгоС); Lв – производительность калорифера, м3/с. Если условие (1.2) не выполняется, выбирают другой нагревательный элемент или изменяют принятые в расчете скорость воздуха, компоновку нагревательного блока. Таблица 1.1 — значения коэффициента сИсходные данныеПоделитесь с Вашими друзьями: |
2
Методы обвязки
Регулирующий арматурный каркас (обвязка калорифера приточной вентиляции) в зависимости от используемого источника поступления нагретой воды зачастую осуществляется двумя способами:
- применение двухходовых вентилей – в случаях использования городской сети, в которой не фиксируется расход обратного количества воды, существует только необходимость поддержания постоянства температуры;
- использование трехходовых вентилей – в случаях потребления с бойлера или котельной, где строго фиксируется расход обратного объема воды, а любые изменения влияют на нормальное функционирование всей системы. Также вам будет полезно прочитать как организовать вентиляцию в котельной загородного дома.
Установка узла обвязки
Определение необходимого значения мощности установки
При подборе нагревательного оборудования для обустройства приточной вентиляции нужно в обязательном порядке произвести расчет необходимых показателей:
- производительности на основе наружного воздушного потока окружающей среды;
- давления, которое создается работой вентиляторов;
- общей мощности нагревательного прибора;
- площади трубоотводов подачи воздуха;
- допустимой нормы возникновения различного рода шумовых эффектов;
- скорости проникновения воздушных потоков.
Особое внимание уделяется определению уровня мощности калорифера. Процесс установки калориферов применяется в приточных вентиляционных системах в целях нагрева внешнего воздуха преимущественно в холодное время
Показатель мощности возможно рассчитать на основе параметров производительности вентиляции, минимальной, а также заданной температуры воздушных потоков, как снаружи, так и на выходе. Для эффективной работы приточная система зачастую оснащается регулятором мощности, предназначенного для снижения в холодный период времени скорости вращения вентилятора
Процесс установки калориферов применяется в приточных вентиляционных системах в целях нагрева внешнего воздуха преимущественно в холодное время. Показатель мощности возможно рассчитать на основе параметров производительности вентиляции, минимальной, а также заданной температуры воздушных потоков, как снаружи, так и на выходе. Для эффективной работы приточная система зачастую оснащается регулятором мощности, предназначенного для снижения в холодный период времени скорости вращения вентилятора.
Выполняя расчет калорифера приточной вентиляции
- возможность применения разного типа питания;
- трехфазное подключение необходимо при использовании калорифера мощностью более 5кВт. В данном случае трехфазное питание является наиболее приемлемым вариантом, поскольку при этом ток будет гораздо ниже.
Максимально допустимое значение тока, потребляемого калориферным оборудованием, рассчитывается на основе довольно простой формулы:
I = P (мощность) /U (напряжение питания)
Для однофазного напряжения значение U приравнивают к 220В, при трехфазном питании – 660В.
Немаловажным параметром также является температура приточного воздушного потока при нагревании калорифера заданного параметра мощности, которая рассчитывается по формуле:
T =2.98 x P (мощность) / L (производительность вентиляционной системы)
Стандартные значения рассчитываемой мощности калориферной установки для квартир и домов может составлять 1-5кВт и 5-50кВт – на предприятиях или в офисе. В случаях невозможности применения электрического типа калориферного прибора с заданной мощностью, следует прибегнуть к установке водяного калорифера, который использует в виде основного тепла воду из различных систем отопления, в том числе автономное или центральное.
В целом, в небольших помещениях целесообразнее устанавливать калориферы для приточной вентиляции на электрической основе, так как они удобны в эксплуатации и не занимают много времени при установке. Для строений с большой площадью наилучшим вариантом станет монтаж водяных калориферов, благодаря которым значительно экономится электроэнергия и уменьшаются энергозатраты, необходимые для подогрева воды.
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.
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.
Вид #1 – калориферы гладкотрубные
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.
Теплотехнические характеристики гладкотрубных калориферов не очень высокие. Их применение целесообразно, когда не требуется значительного расхода воздуха и его нагрева до высокой температуры.
Вид #2 – ребристые воздухонагреватели
Трубы ребристых приборов обладают оребренной поверхностью, следовательно, теплоотдача от них больше. При меньшем количестве труб теплотехнические характеристики у них выше, чем у гладкотрубных воздухонагревателей.
Краткая характеристика
В профессиональной среде многофункциональный калорифер принято называть капитальным нагревателем. Этот универсальный агрегат активно эксплуатируется во внутренних системах вентилирования, благодаря чему вся тепловая энергия передаётся от нагревательных элементов к воздуху, который проходит через отдел полых трубок.
Абсолютно все канальные установки отличаются способом передачи тепла:
- Электрические. Используются специальные тэны, которые получают энергию от центральной сети электроснабжения.
- Водяные. Своевременная подача энергии происходит через трубы вместе с паром, горячей водой.
Водяной аппарат
Основной рабочий узел таких калориферов представлен в виде специальных нагревательных элементов, которые изготовлены из полых металлических трубок. Именно по ним подаётся горячий пар и вода. Захват наружного воздуха происходит с противоположной стороны. Иными словами, пар движется вниз, а вода — вверх.
Такая технология позволяет эффективно удалять пузырьки воздуха через специальные клапаны. Многофункциональный водяной канальный нагреватель применяется во многих средних и крупных вентиляционных системах. Большой спрос обусловлен высокой производительностью, ремонтоспособностью и надёжностью оборудования.
Помимо нагревательного элемента, в состав такого калорифера входит мощный узел обвязки, который обеспечивает своевременный подвод теплоносителя к главному обменщику. Этот отдел укомплектован прямыми и обратными клапанами, насосом, высококачественным блоком для автоматизированного управления, а также запорной арматурой. Для тех регионов страны, где минимальная температура воздуха в зимний период опускается ниже нуля, производители предусмотрели наличие специальной функции, которая предотвращает замерзание рабочих трубок.
Электрическая установка
В качестве основного рабочего узла представлен нагревательный элемент, который состоит из спиралей либо проволоки. Именно этот отдел калорифера обеспечивает своевременную подачу электрического тока. Между спиралями проходит холодный уличный воздух, который постепенно нагревается и подаётся в обогреваемое помещение. Такой электронагреватель идеально подходит для обслуживания маломощных вентиляционных систем. Преимущество в том, что для его эксплуатации не нужно проводить особых расчётов, так как все необходимые параметры заранее прописаны производителем.
Расчет теплообменника онлайн
1. Теплообменник «труба в трубе»
. В системах теплоснабжения, где ожидается невысокий расход энергоносителя, используют двухтрубную конструкцию. «Труба в трубе» есть не что иное, как калорифер из труб разных диаметров. Количество материала берется из такого расчета теплообменного аппарата, чтобы общая площадь внешнего изделия составляла не более 20 м2. Проходное сечение трубок должно обеспечивать свободное прохождение теплоносителя для максимально эффективной отдачи энергии.
Конструкции типа «труба в трубе» изготавливаются в двух модификациях. Они бывают разборные и не разбирающиеся. Второй вид обладает высокими показателями жесткости, герметичности. Данные модификации нельзя использовать при температуре энергоносителя более 70 градусов: возможна деформация труб.
Разборные конструкции сохраняют свои свойства в любых условиях, легко демонтируются или наращиваются при необходимости. Основное преимущество конструкции – минимальное сопротивление проходящему потоку энергоносителя.
Теплообменник эффективен в системах, в которых необходимо обеспечить нагрев или быстрое охлаждение теплоносителем, не изменяющим своего агрегатного состояния. Например, вода или газ в закрытом контуре.
2. Теплообменники пластинчатые
. Увеличение эффективности происходит за счет добавления металлических пластин, облегающих водопровод. Общая поверхность теплообмена увеличивается, что в разы повышает эффективность нагрева или охлаждения.
Устройство состоит из каркаса – основания для крепления системы пластин. Каждая «шторка» крепится одной стороной к неподвижной плите, а второй стороной – к подвижной. В процессе эксплуатации можно менять расстояние между пластинами: сдвигать или раздвигать их, тем самым изменяя мощность.
Если тип «труба в трубе» для повышения мощности наращивается дополнительными секциями туб, то в случае с пластинчатыми теплообменниками можно увеличить активную площадь пластин без выключения трассы и демонтажа всей конструкции. Общий размер поверхности для теплообмена может достигать 800 м2. Также можно почистить все пластины и внутренние детали в период обслуживания.
3. Спиральные теплообменники
. Поверхность для теплообмена в них представлена скрученными лентами из стали. Между листами образуются каналы, по которым циркулирует теплоноситель. Общая площадь активной поверхности может достигать 100 м2. Диапазон температурного режима: от 20 С° до -200 С°. Устройства могут работать с носителями, в структуре которых имеются твердые фракции.
Различные типы конструкций теплового оборудования применяются для оснащения разных помещений. Нельзя утверждать, что какой-то тип оборудования одинаково хорошо подходит для всех зданий. Однако лучше всех себя зарекомендовали именно пластинчатые теплообменники – высокоэффективные и простые в обслуживании.
Классификация калориферов
Калофиреры отличаются по способу нагрева теплоносителя
Устройства работают от разных источников энергии и классифицируются по виду теплоносителя. Широко используются три типа:
- водяные;
- паровые;
- электрические.
Первые сами не нагревают воздух, а только осуществляют передачу тепла воздушному потоку, поскольку к калориферу подводят теплоноситель. Электрические приборы не используют теплоноситель, нагревают воздух благодаря электроэнергии. Главные элементы в таких устройствах – ТЭНы.
Водяные
Водяной калорифер с обвязкой из металлических труб и насосом
Водяные калориферы – бюджетный вариант. Их цена и расходы на обслуживание невелики. Нужно подвести к прибору систему водоснабжения, поэтому монтаж требует определенных навыков. Быстро перенести его на другое место не получится. Теплоноситель (вода или этиленгликоль) может поступать от системы отопления, ГВС или котла. Чтобы отрегулировать температуру воздуха, необходимо учесть мощность, уровень нагрева теплоносителя и воздушной массы. Управление осуществляется с помощью термостата.
Помимо экономичности, водяной прибор отличается:
- удобством эксплуатации;
- высокой эффективностью;
- безопасностью;
- простым принципом действия.
Недостаток – ограничения по минимальной температуре и запыленности входного потока.
Паровые
Кроме теплоносителя, паровые калориферы практически ничем не отличаются от водяных. Несущественная разница – 2-миллиметровая толщина стенок трубок против 1,5-миллиметровой. Необходимость дополнительного усиления связана с большим давлением в системе, работающей на пару. Оно варьируется от 0,5 до 1,2 Па. Используют углеродистую и нержавеющую сталь.
Паровые калориферы также устанавливают на предприятиях, причем таких, где пар образуется в процессе производства. Максимальная температура пара – 180°C.
Электрические
Для мощных электрических калориферов необходима трехфазная сеть
К электрическому калориферу не нужно подводить магистраль с теплоносителем, он имеет небольшие габариты и вес, поэтому более простой в монтаже.
Преимущества электрических устройств:
- удобство использования;
- мобильность;
- компактность.
- работают на электричестве;
- сушат воздух.
Высокие расходы на электроэнергию делают постоянное использование приборов такого типа невыгодным. Они менее мощные, чем паровые и водяные приборы, поэтому для отопления помещений площадью более 100 м2 не подходят, но оптимальны для обогрева квартир. Электрические приборы используют в три раза больше энергии по сравнению с водяными калориферами, но производительность у них ниже. Зачастую они применяются в качестве временных обогревателей.
Чтобы сэкономить электроэнергию, следует выполнить монтаж рекуператора.
Водяной калорифер: принцип действия и предназначение
Водяные калориферы используют для подогрева воздуха в различных помещениях, где отсутствует централизованное отопление. Также они предназначены для систем вентиляции или кондиционирования. Этот вид калориферов является климатическим оборудованием, служащим как теплоутилизатор, наполненный промежуточным теплоносителем. Теплоноситель в данном оборудовании – это подогретая или горячая вода.
Калорифер паровой от водяного отличается тем, что в качестве теплоносителя в приборе служит сухой насыщенный пар. Это более усовершенствованные модели обогревателей, поэтому цена калорифера такого класса на порядок выше.
Принцип действия калорифера отопления: синие стрелки — холодный воздух, красные стрелки — тёплый воздух
Воздухонагреватель водяной: особенности конструкции и функционирования устройства
Водяной обогреватель имеет очень высокий уровень производительности. Это возможно, благодаря широкому температурному диапазону, колеблющемуся от 70 до 110°С. Перепад температур создает сам калорифер. Конструкция прибора представляет собой трубчатый корпус из металла, покрытый реберными пластинами.
Наиболее распространенным видом воздухонагревателей считается водяной калорифер с перпендикулярным потоком. Его используют в разных вентиляционных устройствах. При этом вода движется противоположно потоку воздуха, в прямоугольном направлении. В результате вода поднимается по каналам снизу-вверх, пузырьки воздуха поступают вверх устройства, а оттуда выводятся через специальные воздухоотводы.
В любом водном калорифере в обязательном порядке должен быть установлен узел обвязки, представляющий собой специальный компонент устройства, отвечающий за подведение к теплообменнику горячей воды.
Конструкция водяного калорифера включает такие обязательные детали:
- насос для циркуляции теплоносителя;
- трехходовой клапан;
- арматура конструкции;
- блок управления;
- узел для обвязки, контролирующий производительность калорифера и препятствующий его заморозке.
Схема строения электрического калорифера
Калорифер водяной для приточной вентиляции: принцип работы и сфера использования
Калорифер электрический для приточной вентиляции используют для подогрева или, наоборот, для охлаждения воздуха, который поступает с улицы. Устанавливают такие приборы в середине канала вентиляции. Агрегат создает благотворный микроклимат, независимо от времени года. Канальные калориферы используют в помещениях с разной площадью. Работа калорифера для приточной вентиляции будет особенно эффективна в просторных цехах, теплицах, складских помещениях, которые оборудованы соответствующей вентиляционной системой.
Приточная установка с водяным калорифером считается самым эффективным способом отопления или охлаждения в помещениях с большой площадью. Наиболее актуальна их эксплуатация зимой, когда воздух, который поступает сквозь вентиляционную приточную систему, требует подогрева.
Агрегаты устанавливают в середине канала вентиляции, имеющий круглое или прямоугольное сечение. Воздух, поступающий с улицы, пропускается сквозь систему фильтрации и попадает в калорифер для приточной вентиляции, где происходит его нагрев за счет тепла, который отдает водяная отопительная система, поступающая к теплообменнику через канал воздухонагревателя.
Схема установки калориферов в приточную вентиляцию
Приточные установки с электрическим калорифером также обеспечивают поступление в помещение свежего, чистого, прохладного воздуха. При этом через вентиляционную систему выходят отработанные массы. Как в промышленности, так и в быту более востребованы приточные установки с электрокалорифером, работающие от сети.
Чем лучше обогревать
Что конкретно выбрать для отопления своего дома? Вариантов много и каждый имеет свои достоинства и недостатки. Можно оснастить помещения конвекторами, инфракрасными или масляными обогревателями. В новостройке хорошо сделать систему теплого пола на основе кабельной или пленочной системы или совместить несколько вариантов.
Здесь уже разбиралось несколько вариантов выбора отопительных систем. Например, в статье «Инфракрасный обогреватель или конвектор что лучше» разбирались преимущества и недостатки этих приборов. А статья «Противостояние: настоящий камин VS электрокамин VS инфракрасный обогреватель» поможет вам разобраться с особенностями электрокаминов и инфракрасных систем отопления.
Как подобрать сечение воздуховода
Система вентилирования, как известно, может быть канальной или бесканальной. В первом случае нужно правильно подобрать сечение каналов. Если принято решение устанавливать конструкции с прямоугольным сечением, то соотношение его длины и ширины должно приближаться к 3:1.
Длина и ширина сечения канальных воздуховодов с прямоугольной конфигурацией должны соотноситься как три к одному, чтобы уменьшить количество шума
Скорость перемещения воздушных масс по основной магистрали должна составлять около пяти метров в час, а на ответвлениях — до трех метров в час. Это обеспечит работу системы с минимальным количеством шума. Скорость движения воздуха во многом зависит от площади сечения воздуховода.
Чтобы подобрать размеры конструкции, можно использовать специальные расчетные таблицы. В такой таблице нужно выбрать слева объем воздухообмена, например, 400 куб.м\ч, а сверху выбрать значение скорости — пять метров в час. Затем нужно найти пересечение горизонтальной линии по воздухообмену с вертикальной линией по скорости.
С помощью этой диаграммы вычисляют сечение воздуховодов для канальной вентиляционной системы. Скорость движения в магистральном канале не должна превышать 5 км/ч
От этого места пересечения проводят линию вниз до кривой, по которой можно определить подходящее сечение. Для прямоугольного воздуховода это будет значение площади, а для круглого — диаметр в миллиметрах. Сначала делают расчеты для магистрального воздуховода, а затем — для ответвлений.
Таким образом расчеты делают, если в доме планируется только один вытяжной канал. Если же предполагается установить несколько вытяжных каналов, то общий объем воздуховода по вытяжке нужно разделить на количество каналов, а затем провести расчеты по изложенному принципу.
Эта таблица позволяет подобрать сечение воздуховода для канальной вентиляции с учетом объемов и скорости перемещения воздушных масс
Кроме того, существуют специализированные калькуляционные программы, с помощью которых можно выполнить подобные расчеты. Для квартир и жилых домов такие программы могут быть даже удобнее, поскольку дают более точный результат.
