Нагреватели. методика и примеры расчета

Накопительные водонагреватели (бойлеры)

Без физико-математических формул бытовой расчёт описывается следующим образом: за 1 час 1 кВт нагревает 860 литров на 1 К. Для более точного определения времени нагревания, мощностных характеристик, объёма используется универсальная формула, из которой потом выводятся остальные результаты:

Эта формула состоит из нескольких и отражает целый ряд параметров, учитывая при этом фактор теплопотерь. (При малых мощностных характеристиках и большом объёме этот фактор становится более существенным, однако в бытовых нагревателях этим учётным значением чаще пренебрегают):

N_full – мощностные характеристики нагревательного элемента,

Q_c – теплопотери водонагревательной ёмкости.

1. c= Q/m*(tк-tн)
   • С – удельная теплоёмкость,
   • Q – количество теплоты,
   • m – масса в килограммах (либо объём в литрах),
   • tк  и tн  (в °С) – конечная и начальная температуры.
2. N=Q/t
   • N – мощностные характеристики нагрева.
   • t — время нагревания в секундах.
3. N = N_full — (1000/24)*Q_c

Упрощенные формулы с постоянным коэффициентом:

• Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды нужной температуры:
  W= 0,00117*V*(tк-tн)/T
• Определение времени,  необходимого для нагревания воды в водонагревателе:
  T= 0,00117*V*(tк-tн)/W

Составляющие формул:

• W (в кВТ) –  мощностная характеристика ТЭНов (нагревательного элемента),
• Т (в часах) – время нагрева воды,
• V (в литрах) – объем бака,
• tк  и tн  (в °С) – конечная и начальная температуры (конечная – обычно 60°C).

Часто объём приравнивают к массе (m). Тогда определение мощности ТЭНа будет производиться по формуле: W= 0,00117*m*(tк-tн)/T. Формулы считаются упрощёнными, ещё и потому что в них не учитывается:

• фактическая мощность электросети,
• температура окружающей среды,
• конструктивные особенности и потенциальные теплопотери бака,
• рекомендации некоторых производителей, относительно tн (порядка 5-8 °С летом и 15-18 °С – зимой).

При покупке устройства надо принимать во вниание, что относительно низкие мощностные характеристики накопительных водонагревателей по сравнению с проточными ещё не гарантируют финансовую экономию. Накопительные меньше «забирают», но из-за того, что работают дольше, больше и расходуют. Для финансовой экономии более надёжной стратегией будет общее снижение водопотребления за счёт установки различного вида экономителей (http://water-save.com/) и строгий учёт водорасхода.

Способы обвязки калорифера

Обвязку калорифера приточной вентиляции выполняют несколькими способами. Расположение узлов напрямую связано с местом установки, техническими характеристиками и используемой схемой воздухообмена. Чаще всего применяют вариант, в котором предусмотрено смешивание удаляемого из помещения воздуха с поступающими воздушными массами. Реже используют замкнутые модели, в которых рециркуляция воздуха происходит только в пределах одного помещения без смешивания с воздушными массами, поступающими с улицы.

Если работа естественной вентиляции хорошо отлажена, то в этом случае целесообразна установка приточной модели с нагревателем водяного типа. Его подключают к отопительной системе в точке воздухозабора, чаще всего находящейся в подвальном помещении. Если есть принудительная вентиляции, то нагревательное оборудование устанавливают в любом месте.

В продаже можно найти готовые обвязочные узлы. Они отличаются вариантами исполнения.

В комплект входит:

• насосное оборудование;
• обратный клапан;
• очистительный фильтр;
• балансировочный вентиль;
• двух- или трехходовые клапанные механизмы;
• шаровые краны;
• байпасы;
• манометры.

В зависимости от условий подключения используют один из вариантов обвязки:

1. Гибкую обвязку монтируют на управляющих узлах, которые расположены недалеко от прибора. Данный вариант монтажа более простой, поскольку для сборки всех деталей используют резьбовые соединения. Благодаря этому сварочное оборудование не понадобится.
2. Жесткую обвязку применяют, если узлы управления находятся далеко от устройства. В этом случае приходится прокладывать прочные коммуникации с жесткими сварными соединениями.

Нужно ли ориентироваться на СНиП?

Во всех расчетах, которые мы проводили, использовались рекомендации СНиП и МГСН. Эта нормативная документация позволяет определить минимально допустимую производительность вентиляции, обеспечивающую комфортное пребывание людей в помещении. Другими словами требования СНиП направлены в первую очередь на минимизацию стоимости системы вентиляции и затрат на ее эксплуатацию, что актуально при проектировании вентсистем для административных и общественных зданий.

В квартирах и коттеджах ситуация иная, ведь вы проектируете вентиляцию для себя, а не для усредненного жителя и вас никто не заставляет придерживаться рекомендаций СНиП. По этой причине производительность системы может быть как выше расчетного значения (для большего комфорта), так и ниже (для уменьшения энергопотребления и стоимости системы). К тому же субъективное ощущение комфорта у всех разное: кому-то достаточно 30–40 м³/ч на человека, а для кого-то будет мало и 60 м³/ч.

Однако если вы не знаете, какой воздухообмен вам нужен для комфортного самочувствия, лучше придерживаться рекомендаций СНиП. Поскольку современные приточные установки позволяют регулировать производительность с пульта управления, вы сможете найти компромисс между комфортом и экономией уже в процессе эксплуатации системы вентиляции.

Расчет воздуховодов

Расчет воздуховодов или проектирование систем вентиляции

В создании оптимального микроклимата помещений наиболее важную роль играет вентиляция. Именно она в значительной степени обеспечивает уют и гарантирует здоровье находящихся в помещении людей. Созданная система вентиляции позволяет избавиться от множества проблем, возникающих в закрытом помещении: от загрязнения воздуха парами, вредными газами, пылью органического и неорганического происхождения, избыточным теплом. Однако предпосылки хорошей работы вентиляции и качественного воздухообмена закладываются задолго до сдачи объекта в эксплуатацию, а точнее, на стадии создания проекта вентиляции. Производительность систем вентиляции зависит от размеров воздуховодов, мощности вентиляторов, скорости движения воздуха и других параметров будущей магистрали. Для проектирования системы вентиляции необходимо осуществить большое количество инженерных расчетов, которые учтут не только площадь помещения, высоту его перекрытий, но и множество других нюансов.

Расчет площади сечения воздуховодов

После того, как вы определили производительность вентиляции, можно переходить к расчету размеров (площади сечения) воздуховодов.

Расчет площади воздуховодов определяется по данным о необходимом потоке, подаваемом в помещение и по максимально допустимой скорости потока воздуха в канале. Если допустимая скорость потока будет выше нормы, то это приведет к потере давления на местные сопротивления, а также по длине, что повлечет за собой увеличение затрат электроэнергии. Также правильный расчет площади сечения воздуховодов необходим для того, чтобы уровень аэродинамического шума и вибрация не превышали норму.

При расчете нужно учитывать, что если вы выберете большую площадь сечения воздуховода, то скорость воздушного потока снизится, что положительно повлияет и на снижение аэродинамического шума, а также на затраты по электроэнергии. Но нужно знать, что в этом случае стоимость самого воздуховода будет выше. Однако использовать «тихие» низкоскоростные воздуховоды большого сечения не всегда возможно, так как их сложно разместить в запотолочном пространстве. Уменьшить высоту запотолочного пространства позволяет применение прямоугольных воздуховодов, которые при одинаковой площади сечения имеют меньшую высоту, чем круглые (например, круглый воздуховод диаметром 160 мм имеет такую же площадь сечения, как и прямоугольный размером 200×100 мм). В то же время монтировать сеть из круглых гибких воздуховодов проще и быстрее.

Поэтому при выборе воздуховодов обычно подбирают вариант, наиболее подходящий и по удобству монтажа, и по экономической целесообразности.

Площадь сечения воздуховода определяется по формуле:

Sс — расчетная площадь сечения воздуховода, см²;

L — расход воздуха через воздуховод, м³/ч;

V — скорость воздуха в воздуховоде, м/с;

2,778 — коэффициент для согласования различных размерностей (часы и секунды, метры и сантиметры).

Итоговый результат мы получаем в квадратных сантиметрах, поскольку в таких единицах измерения он более удобен для восприятия.

Фактическая площадь сечения воздуховода определяется по формуле:

S = π * D² / 400 — для круглых воздуховодов,

S = A * B / 100 — для прямоугольных воздуховодов, где

S — фактическая площадь сечения воздуховода, см²;

D — диаметр круглого воздуховода, мм;

A и B — ширина и высота прямоугольного воздуховода, мм.

Расчет сопротивления сети воздуховодов

После того как вы рассчитали площадь сечения воздуховодов, необходимо определить потери давления в вентиляционной сети (сопротивление водоотводной сети). При проектировании сети необходимо учесть потери давления в вентиляционном оборудовании. Когда воздух движется по воздуховодной магистрали, он испытывает сопротивление. Для того чтобы преодолеть это сопротивление, вентилятор должен создавать определенное давление, которое измеряется в Паскалях (Па). Для выбора приточной установки нам необходимо рассчитать это сопротивление сети.

Для расчета сопротивления участка сети используется формула:

Где R – удельные потери давления на трение на участках сети

L – длина участка воздуховода (8 м)

Еi – сумма коэффициентов местных потерь на участке воздуховода

V – скорость воздуха на участке воздуховода, (2,8 м/с)

Y – плотность воздуха (принимаем 1,2 кг/м3).

Значения R определяются по справочнику (R – по значению диаметра воздуховода на участке d=560 мм и V=3 м/с). Еi – в зависимости от типа местного сопротивления.

В качестве примера, результаты расчета воздуховода и сопротивления сети приведены в таблице:

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.

Виды

Нагреватели для приточной вентиляции классифицируются по виду источника тепла и бывают водяными, паровыми и электрическими.

Водяные модели

Используются во всех типах вентсистем и могут иметь двух- и трёхрядное исполнение. Приборы устанавливают в системы вентиляции помещений, площадь которых превышает 150 квадратных метров. Данный вид калориферов является абсолютно пожаробезопасным и наименее энергозатратным, что обусловлено возможностью использования в качестве теплоносителя воды из отопительной системы.

Принцип работы водяных нагревателей сводится к следующему: уличный воздух забирается сквозь воздухозаборные решётки и подаётся по воздуховоду к фильтрам грубой очистки. Там воздушные массы очищаются от пыли, насекомых и мелкого механического мусора, и поступают в калорифер. В корпусе нагревателя установлен медный теплообменник, состоящий из звеньев, располагающихся в шахматном порядке, и оснащённых алюминиевыми пластинами. Пластины значительно увеличивают теплоотдачу медного змеевика, чем существенно повышают КПД прибора. В качестве теплоносителя, протекающего через змеевик, может выступать вода, антифриз или водно-гликолевый раствор.

Потоки холодного воздуха, проходя через теплообменник, забирают тепло от металлических поверхностей и переносят его в помещение. Использование водяных нагревателей позволяет нагревать воздушные потоки до 100 градусов, что предоставляет широкие возможности для их применения в спортивных сооружениях, торговых центрах, подземных паркингах, складах и теплицах.

Наряду с очевидными преимуществами, водяные модели имеют ряд недостатков. К минусам приборов относят риск перемерзания воды в трубах при резком понижении температур, и невозможность использования подогрева в летний период, когда система отопления не функционирует.

Паровые модели

Устанавливаются на предприятиях промышленного сектора, где есть возможность производства большого количества пара для технических нужд. В приточных вентсистемах бытового назначения такие калориферы не используются. В роли теплового носителя данных установок выступает пар, что объясняет мгновенный нагрев проходящих потоков и высокий КПД паровых калориферов.

Чтобы этого не произошло, все теплообменники в процессе производства подвергаются тесту на герметичность. Испытания осуществляются при помощи струй холодного воздуха, подаваемых под давлением в 30 Бар. Тепловой обменник при этом помещается в резервуар с тёплой водой.

Электрические модели

Являются наиболее простым вариантом нагревателей, и устанавливаются в вентсистемы, обслуживающие небольшие пространства. В отличие от калориферов водяного и парового типов, электрокалорифер не предполагает обустройства дополнительных коммуникаций. Для их подключения достаточно иметь поблизости розетку напряжением 220 В. Принцип работы электрокалориферов не отличается от принципа действия других нагревателей и заключается в нагреве воздушных масс, проходящих сквозь ТЭНы.

Даже при незначительном понижении этого показателя происходит перегрев электронагревательного элемента, и его поломка. Более дорогие модели оборудованы биметаллическими термовыключателями, отключающими элемент в случае явного перегрева.

Плюсами электрических калориферов является простой монтаж, отсутствие необходимости подведения трубопровода, и независимость от отопительного сезона. К минусам относят большой расход электроэнергии и нецелесообразность установки в мощные вентиляционные системы, обслуживающие большие пространства.

Классификация

Для создания в здании оптимального микроклимата применяется система калориферного обогрева, то есть принудительного подогрева с помощью оборудования, которое устанавливается в воздушных каналах.

В зависимости от того, какой теплоноситель используется, выделяют 4 типа калориферов:

• Паровые – применяются чаще всего на промышленных предприятиях, где выработка пара предусмотрена технологическими процессами.
• Электрические – этот вариант самый простой в установке (нужен только источник питания для нагрева встроенных ТЭНов), но требует большого расхода электроэнергии. Использование электрокалорифера считается целесообразным только на объектах, площадь которых не превышает 150 м²
• Водяные – этот тип нагревателя работает на основе горячей воды и устанавливается в системах вентиляции с прямоугольным или круглым сечением на площадях свыше 150 м² Данный тип обогрева надёжен, практичен, прост в обслуживании и недорог.

Особенностью нагревателя является то, что состав поступающего с улицы воздушного потока не должен быть липким, волокнистым, содержать твёрдые частицы. Допустимая запылённость — не более 0,5 мг/м³. Минимальная температура забираемого воздуха -20 °C.

При выборе калорифера учитывают следующие факторы:

• площадь помещения;
• погодные условия в данном климатическом поясе;
• мощность вентиляции.

Нагреватель устанавливают во внутренней части вентиляционной шахты, поэтому он должен соответствовать её параметрам (конфигурации и размеру).

Если производительность будет низкой, то прибор не сможет прогреть воздушные массы.

Если нет возможности установить калорифер с нужными параметрами, то последовательно монтируются несколько механизмов, имеющих меньшую мощность.

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.

Расчёт мощности

Получение воздуха с необходимыми температурными показателями предполагает проведение правильных расчётов и грамотного выбора устройства для вентиляции приточного типа. Даже несмотря на то, что особой популярностью пользуются современные водяные приборы с тепловым носителем в виде горячей воды, при выборе устройства любого типа изначально требуется определиться с его мощностью на основе исходных данных, представленных:

• объёмом нагреваемых приточных воздушных масс в м³/ч или кг/ч;
• температурными показателями исходных воздушных масс, равными расчётной температуре уличного воздуха в конкретном регионе;
• предпочтительным температурным режимом воздушных потоков после нагрева;
• температурным графиком теплового носителя, который используется для прогрева.

Упрощённое определение мощности канального нагревателя выполняется в соответствии с простой формулой:

Р = 0,34 × Q × Т

Q — производительность вентиляционной системы в м3/час;

Т — разница температурных показателей на вход и выход в вентиляционном канале.

Таблица: расчёт мощности для основных параметров вентиляционной системы

Например, объём воздуха в комнате площадью в 20 м2 при высоте потолка 300 см, равен 60 м3, поэтому однократный воздухообмен составляет 60 м2/час.

Таблица: показатели мощности электрического, парового и водяного канального нагревателя

Подаваемый в помещение с улицы приточный воздух требует обработки, чтобы получить нормативные параметры. Обрабатывать воздушные массы можно фильтрацией, нагревом, охлаждением и увлажнением. Прогрев приточных воздушных потоков осуществляется внутри специального теплообменного оборудования, представленного калориферами.

Жидкостные канальные воздухонагреватели являются сегодня самыми популярными, широко используемыми в большинстве вентиляционных систем. Теплоноситель жидкого типа постоянно перемещается в направлении, которое противоположно воздушным потокам, что обеспечивает эффективное и недорогое отопление, существенно экономящее энергоресурсы и поддерживающее оптимальные микроклиматические условия в помещениях любого типа.