Передача тепла от теплоносителя — воды или пара — в помещение происходит через стенку отопительного прибора. Интенсивность теплового потока характеризуется коэффициентом теплопередачи fenp. Вели­чина коэффициента теплопередачи выражается плотностью теплового потока на внешней поверхности стенки, отнесенного к разности температуры теплоносителя и воздуха, разделенных стенкой. Термин «плот­ность» в данном случае применен к количеству тепла, переносимого в единицу времени через единицу площади внешней поверхности отопительного прибора.

Процесс переноса тепла от теплоносителя в помещение осуществляется: от теплоносителя к стенке прибора — конвекцией и теплопроводностью, через стенку — только теплопроводностью, а от стенки в поме­щение — конвекцией, радиацией и теплопроводностью. В сложном случае передачи тепла основным явлением, как будет выяснено ниже, преимущественно является конвекция.

При передаче теплового потока через цилиндрическую стенку (например, гладкотрубного отопительного прибора) сопротивление теплообмену со средой приводится к диаметру трубы.

В этой закономерности проявляется различие в размерах внешней поверхности плоской стенки, трубы и шара.

Известно также, что коэффициент конвективного теплопереноса в слое воздуха значительно меньше такового в слое воды или пара и поэтому сопротивление внешнему теплообмену у стенки отопительного прибора сравнительно велико. Следовательно, для увеличения теплового потока необходимо развивать площадь внешней поверхности отопительного прибора. В отопительных приборах это выполняется путем создания специальных выступов, приливов и оребрения.

Рассмотрим слагаемые выражения (III.6) применительно к отопительному прибору с несколько развитой площадью внешней поверхности Fnp по сравнению с площадью внутренней поверхности FB.

Сопротивление теплообмену у внутренней поверхности, отнесенное к площади внешней поверхности прибора (отношение площадей равно FupfFn),

Коэффициент теплообмена у внутренней поверхности прибора ав из- меняется в широких пределах в зависимости от вида теплоносителя: наибольших значений он достигает при паре; при воде его величина поряд­ка сотен и десятков Вт/(м2-К) определяется в основном скоростью движения и температурой воды.

В емких чугунных и стальных радиаторах передача тепла через пограничный слой часто происходит при незначительной скорости движения воды — около 0,001 м/с. Такой скорости соответствует величина ReT«80, относящаяся к ламинарному режиму течения воды (ReT< <3-103).

За определяющую температуру здесь принята средняя температура воды tT, а за определяющий размер — эквивалентный диаметр dB. Теплообмен, как видно из уравнения (Ш.8), зависит не только от режима течения, который определяется числом ReT, и физических свойств воды, характеризуемых числом Ргт, но и от естественной конвекции воды (число GrT) и направления теплового потока (отношение Ргт/Ргст, где число Ргст определяется при температуре стенки).

Для учета зависимости теплообмена от направления теплового потока требуется знать температуру стенки прибора тСт. В расчетах можно
ограничиться приближенной оценкой тст«^0,9 ^,так как отношение чисел Прандтля входит в уравнение (II 1.8) лишь в степени 0,25.

Формула (III.8) дает среднее по длине значение коэффициента теплообмена при отношении длины к диаметру //й?э>50, При длине /<50^э, характерной для большинства отопительных приборов, величина <хн возрастает. Поправочный коэффициент имеет значение, например, при l/dd—20—1,13, а при l/d3=10 увеличивается до 1,28.

Из уравнения (Ш.8) после его преобразования в обычных расчетных условиях для чугунных радиаторов можно получить ав«60 Вт/(м2-К) [50 ккал/(ч-м2-°С)]. Сопротивление теплообмену у внутренней поверхности обусловливает снижение температуры наружной поверхности радиаторов по сравнению с температурой воды. Из рис. III.4 видно, что в средней по высоте части прибора температура понижается не менее чем на 7—8° (прямая / представляет собой предполагаемое по линейному закону изменение температуры воды, прямая 2 построена по измеренной в натуре температуре поверхности по высоте радиатора).

В прямых гладких трубах конвекторов и панелей теплообмен у внутренней поверхности стенки определяется прежде всего режимом движения воды. При ламинарном и слабо развитом турбулентном режимах коэффициент теплообмена ав находится из уравнения (III.8), при турбулентном режиме (ReT>104) — из уравнения подобия.

Формула (III.9) также применима при длинных трубах (при l/d>50). При коротких трубах (при //<2<;50) передача тепла протекает более интенсивно, чем при длинных. Поправочный коэффициент к величине <хв имеет значение, например, при l/d=20—1,13 (ReT = 104), уменьшающееся по мере возрастания числа ReT.

Для труб малого диаметра на основании рис. III.5 можно установить, что с увеличением расхода воды коэффициент теплообмена <хв заметно возрастает, а затем при массовом расходе воды более 200 кг/ч остается практически неизменным.

При движении воды в изогнутых трубах (отводах, змеевиках) возникающий центробежный эффект вызывает так называемую вторичную циркуляцию, и вследствие этого перенос тепла усиливается. Поэтому значение коэффициента внутреннего теплообмена в изогнутых трубах выше, чем в прямых.

Сопротивление теплопроводности стенки чугунного и стального отопительного прибора без учета загрязнения, окраски и специального оребрения его внешней поверхности равно:

В бетонных отопительных панелях сопротивление теплопроводности слоя бетона заметно отражается на общем сопротивлении теплопередаче прибора. Это сопротивление зависит от диаметра труб dy расстояния между ними — шага труб s, глубины заложения труб h, теплопроводности массива бетона Ям, а также различно для панелей с односторонней и двухсторонней теплоотдачей.

Для бетонных панелей с трубчатыми греющими элементами обычно определяется сопротивление теплопроводности массива бетона RMf отнесенное к 1 м трубы при теплопроводности бетона Ям=1 Вт/(м-К) [1 ккал/(ч-м-°С)]. На рис. Ш.6, а и б приведены графики для определения Rw , отнесенного к 1 м трубы, расположенной в ряду среди других (средняя труба). В специальной литературе можно также найти данные для отыскания RM> отнесенного к 1 м крайней и одиночной трубы в бетонной панели.

Сопротивление теплопроводности массива панели при теплопроводности бетона, отличающейся от указанной на рис. II 1.6, составит:

где s— шаг труб, м, численно равный площади наружной поверхности, соответствующей 1 м средней трубы в панели.

В качестве определяющей температуры здесь принята средняя температура пограничного слоя ?ср=0,5(тст-Кв).

Для условий свободной конвекции воздуха при (Gr-Pr)cp>*2- Ю7 показатель степени п— —, а постоянный множитель |3 получает некоторые
значения в зависимости от положения поверхности отопительного прит бора в пространстве и температуры (в среднем для вертикальных приборов 0 = 0,135).

1 Сборник трудов № 66 Ленинградского инженерно-строительного института, Лч 1971,

За определяющую температуру здесь принята начальная температура воздуха tB, а за определяющий размер — длина стенки отопительного прибора по направлению потока воздуха или эквивалентный диаметр трубы.
с ранее полученными значениями RB и RCt, Можно сделать вывод, что величина коэффициента теплопередачи металлических отопительных приборов &Пр с гладкой поверхностью определяется в основном значением коэффициента теплообмена у их внешней поверхности. Для неметаллических отопительных приборов кщ> существенно зависит также и от теплопроводности материала их стенок.

Внешняя поверхность некоторых металлических отопительных приборов — конвекторов, ребристых труб, калориферов — имеет специальное стальное или чугунное оребрение прямоугольными или круглыми пластинами. В сложном процессе теплообмена у их наружной поверхности участвуют пластины-ребра и гладкие трубы.

Для отопительных приборов с сильно оребренной поверхностью доля передачи тепла излучением со всей площади внешней поверхности, попадающая в помещение, составляет всего 5—10% общего теплового потока. Поэтому в уравнении (II 1.18) главным является конвективный теплообмен.

Существенное влияние на интенсивность конвективного теплообмена у поверхности вертикального ребра отопительного прибора оказывает взаимное направление теплового и воздушного потоков. При нагре­вании, например, верхнего торца ребра теплообмен конвекцией по вышеупомянутым исследованиям, проведенным в ЛИСИ, протекает на 30% активнее, чем при нагревании нижнего торца, и на 25% интенсивнее, чем при нагревании боковой кромки ребра. Это явление объясняется различием значений температурного напора по высоте ребра.

Подобное же явление отмечается в теплопередаче радиаторов при различных схемах движения воды в них. Однако влияние направления распространения теплового и воздушного потоков сглаживается по мере выравнивания температурного поля на поверхности отопительных приборов, а сам процесс конвективного теплообмена интенсифицируется (например, при увеличении расхода воды в радиаторах, см. рис. ШЛО).

Расчеты для оребренных отопительных приборов показывают, что у чугунных прямоугольных ребристых труб сопротивление теплопроводности самих ребер толщиной 3—5 мм можно не учитывать. Допустимо также определять сопротивление #н, отнесенное ко всей площади внешней поверхности прибора (Firp=Fp--FTp), по формуле (III.12) при высоте ребер, не превышающей 50—65 мм, т. е. практически для всех ре­альных конструкций конвекторов и ребристых труб.

Исследования процесса теплопередачи в водяных конвекторах с кожухом позволили установить, что практически коэффициент теплообмена у их внешней поверхности в условиях естественного движения воздуха может считаться близким к ан=7 Вт/(м2-К) [6 ккал/(ч-м2-°С).1

Доля лучистого теплопереноса у конвекторов с кожухом наименьшая.

На основании изложенного следует повторить в более общем виде вывод, сделанный ранее, о преобладающем влиянии интенсивности теплообмена у внешней поверхности отопительных приборов на величину теплового потока от теплоносителя в помещение и об определяющем значении внешней конвекции в этом процессе для гладких и особенно для оребренных вертикальных приборов.

Коэффициент теплопередачи каждого нового отопительного прибора, помимо предварительного аналитического исследования по приведенным выше зависимостям процессов внутреннего и внешнего теплопереноса д

теплопроводности, выявляется опытным путем. Экспериментальный путь определения коэффициента теплопередачи выбирается в связи с наличием многих факторов, влияющих на величину коэффициента прямо или косвенно и затрудняющих точное его определение расчетным путем. При экспериментах в большинстве случаев не проводится разделения теплового потока на части, выражающие передачу тепла конвекцией и радиацией.

Для дальнейшего рассмотрения практического способа вычисления коэффициента теплопередачи отопительного прибора следует разделить все факторы на основные, определяющие величину /гпр, и дополнитель­ные, влияющие в некоторой степени на его величину.

Основные факторы, определяющие величину коэффициента теплопередачи отопительного прибора, — это конструктивные особенности прибора и условия его эксплуатации.

Конструктивные особенности отопительных приборов, влияющие на внешние условия теплопередачи от теплоносителя в помещение.

Для гладкотрубных приборов коэффициент теплопередачи &Пр уменьшается при увеличении диаметра и числа параллельных труб. Это объясняется уменьшением интенсивности конвективного теплообмена на поверхности верхней части прибора, омываемой воздухом, подогревшимся внизу, и взаимным экранированием поверхностей труб, расположенных близко друг к другу, вследствие чего в помещение попадает только часть излучения.

Уменьшение коэффициента теплопередачи ребристых труб по сравнению с гладкостенными приборами объясняется падением температуры по длине ребра и взаимным экранированием поверхностей смежных ребер, обращенных друг к другу. Коэффициент теплопередачи уменьшается также с увеличением числа ребристых труб, помещенных одна над другой (как и для гладких труб).

У секционных отопительных приборов — радиаторов по тем же причинам на величину &Пр влияют форма и число колонок в секции, расстояние между смежными секциями, глубина и высота секции (чем ниже секция, тем выше &Пр), число секций, но в общем значение коэффициента теплопередачи радиаторов всегда выше, чем ребристых труб и конвекторов.

Для конвекторов, кроме отмеченного выше, можно констатировать возрастание интенсивности теплообмена у их внешней поверхности с увеличением высоты ребер до определенного предела (около 130 мм при толщине ребер 1 мм), увеличение &пр при увеличении высоты кожуха, а также наличие определенных расстояния между ребрами (около 6 мм при ребрах 50X100 им) и толщины ребер для получения наивысшего значения knp.

Коэффициент теплопередачи бетонных отопительных панелей зависит от диаметра и глубины заложения греющих труб в массив бетона, расстояния между смежными трубами, положения (горизонтального или вертикального) панелей и высоты вертикальных и размеров горизонтальных панелей. Увеличению &Пр способствуют уменьшение глубины заделки и расстояния между трубами, уменьшение высоты панелей, а также увеличение диаметра труб.

Области значений коэффициента теплопередачи для основных видов отопительных приборов представлены на рис. II 1.7.

Эксплуатационные условия. В эксплуатационных условиях коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов изменяется под влиянием таких переменных факторов, как температурный напор At, скорость теплоносителя w и скорость нагреваемой среды v:

При этом наибольшему температурному напору соответствует наивысшее значение коэффициента теплопередачи.

Температуру наиболее распространенного теплоносителя — воды принято вычислять при экспериментах как среднеарифметическую между температурой воды, входящей и выходящей из прибора, хотя в действительности средняя температура воды в приборе ниже среднеарифметической. Поэтому температурный напор, вычисляемый при среднеарифметическом значении температуры воды, является относительной расчетной величиной, принимаемой при испытаниях, а затем и при определении необходимой площади нагревательной поверхности конкретного прибора.

Физическая неточность этой величины особенно проявляется тогда, когда фактическое количество воды, протекающей через прибор, отличается of предполагаемого (например, при трубчатых приборах). Точно известна в таких случаях лишь температура воды, входящей в прибор.

Температура другого теплоносителя — пара определяется в зависимости от давления пара в приборе как температура насыщенного пара, этой же температуре равна и температура конденсата в приборе.

Скорость движения воды в приборе w зависит от площади его внутреннего сечения и количества воды Gnp, протекающей в единицу времени через прибор, т. е. от расхода. Расход воды Gnp влияет на равномерность температурного поля на наружной поверхности прибора. Действительно, с увеличением расхода уменьшается степень охлаждения воды в приборе и различие в температуре его отдельных частей (особенно такого прибора, как радиатор емкостью около 5 л/м2 энп), средняя температура поверхности прибора повышается, вследствие чего увеличивается коэффициент теплопередачи.

Повышенная скорость движения воздуха и у внешней поверхности (несколько метров в секунду) характерна для калориферов, обычно находящихся в вынужденном потоке воздуха, и их коэффициент теплопе­редачи в значительной степени зависит от и. Для других отопительных приборов, даже для конвекторов, некоторое изменение подвижности окружающего воздуха (на десятые доли метра в секунду) является не определяющим, а дополнительным фактором, влияющим на коэффициент теплопередачи.

Следует еще раз подчеркнуть, что для водяного прибора, особенно емкого, определение коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода воды является условным. Расход отражается лишь (кроме влияния на ав) на температуре воды, выходящей из приборов. В данном случае с расходом воды связывается равномерность внешнего температурного поля приборов.

При теплоносителе паре используется формула (III.26).

Кроме рассмотренных двух основных факторов, на коэффициент теплопередачи отопительных приборов влияют другие факторы, названные выше дополнительными.

Среди многочисленных дополнительных факторов можно выделить следующие:

а) место установки отопительного прибора в помещении и конструкция ограждения прибора.

При установке прибора у внутреннего ограждения коэффициент теплопередачи повышается за счет усиления циркуляции воздуха в помещении. Точно также &Пр увеличивается при свободной установке по срав­нению с установкой приборов в нишах стен. Декоративное ограждение прибора, выполненное без учета теплотехнических требований, может значительно понизить величину fcnp*,

б) способ присоединения отопительного прибора к трубам системы
водяного отопления.

Характер циркуляции воды в приборе, связанный с местом ее подвода и отвода (вверху или внизу прибора), отражается на равномерности температурного поля на внешней поверхности прибора, а следовательно, и на величине коэффициента теплопередачи;

в) окраска отопительного прибора.

Состав и цвет краски могут несколько изменять коэффициент теплопередачи. Краски, обладающие повышенной излучательной способностью, увеличивают теплоотдачу прибора, и наоборот. Например, окраска цинковыми белилами повышает теплопередачу чугунного радиатора на 2,2%, нанесение алюминиевой краски, растворенной в нитролаке, уменьшает ее на 8,5%. Терракотовая краска, растворенная в бензине (матовая поверхность), увеличивает теплопередачу радиатора на 0,9%, эта же краска, разведенная на натуральной олифе (блестящая поверхность), уменьшает ее на 1,7%.

Влияние окраски связано также с конструкцией прибора. Нанесение алюминиевой краски на поверхность отопительной панели — прибора с повышенным излучением — снижает теплопередачу на 13%. Окраска конвекторов и ребристых труб незначительно влияет на их теплопередачу.

На значении коэффициента теплопередачи сказываются также качество обработки внешней поверхности, загрязненность внутренней поверхности, наличие воздуха в приборах и другие эксплуатационные факторы.