Как рассчитать теплоотдачу стальной трубы и для чего это делается

Опубликовано 18 мая 2022 Рубрика: Теплотехника | 33 комментария

Сколько тепла отдает воздуху помещения стояк или лежак системы отопления? На сколько градусов остывает вода в изолированной воздушной теплотрассе? Как правильно и экономично выполнить теплоизоляцию трубопровода? Используя представленную далее…

…программу в Excel, можно оперативно получить точные ответы на эти и другие вопросы!

Объект исследований — труба с теплоносителем — водой, окруженная воздушным пространством.

Очередные пользовательские функции (ПФ) Полковова Вячеслава Леонидовича выполняют автоматический расчет теплоотдачи трубы с теплоизоляцией поверхности и без таковой в любом пространственном положении.

Напомню, что пользовательской функцией (ПФ-функцией, UDF-функцией) в Excel называется программа (макрос), записанная на языке VBA в программном модуле файла, и имеющая вид:

y=f (x1, x2, x3, …, xn), где:

• y – значение функции (искомый расчетный параметр);
• x1, x2, x3, …, xn – значения аргументов функции (исходные данные).

Чуть подробнее о работе с пользовательскими функциями можно посмотреть в предыдущей статье на блоге и почитать в Интернете.

С какой целью рассчитывают теплоотдачу стальных труб

Преимущественно, расчет теплоотдачи стальных труб производится в таких случаях:

• если нужно определить мощность нагревательных приборов для системы отопления в доме;
• если возникла необходимость оценки теплопотерь, происходящих во время транспортировки теплоносителя по трубопроводу.

Стоит отметить, что нагревательные контуры, сквозь которые может отдаваться тепло, устанавливают в таких приборах:

• полотенцесушители и змеевики;
• регистры;
• системы теплого пола.

Производим расчёт

Формула, по которой считается теплоотдача следующая:

Q = K*F*dT, где

• К – коэффициент теплопроводности стали;
• Q – коэффициент теплоотдачи, Вт;
• F – площадь участка трубы, для которого производится расчёт, м2 dT – величина напора температуры (сумма первичной и конечной температур с учётом комнатной температуры), ° C.

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

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

dT = (0,5*(T1 + T2)) — Tк

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

Системы теплых полов

Если речь идет о водяном теплом полу, в отличие от электрического аналога, в качестве нагревательного контура в нем используются металлические трубы, хотя, их стали применять в последнее время все реже.

Главная причина снижения спроса на водяной теплый пол заключается в постепенном изнашивании стальных труб, снижении просвета в них. Кроме того, имеет значение и способ монтажа – сварные швы выполнить сможет далеко не каждый, а резьбовое соединение грозит утечкой теплоносителя через некоторое время. Естественно, никому не понравится результат утечки воды из системы в полу со стяжкой – будет затоплен потолок нижнего этажа или подвала, а перекрытие постепенно придет в негодность.

По этим причинам на замену стальным трубам в теплых водяных полах сначала пришли металлопластиковые змеевики, фитинги на которые крепились за пределами стяжки, а в настоящее время предпочитают армированный полипропилен.

Такому материалу присуще незначительное тепловое расширение, а при грамотной укладке и эксплуатации они могут прослужить не один десяток лет. Как вариант, используют и другие полимерные материалы.

Обратите внимание, что зазоры для теплового расширения армированного полипропилена все же нужно оставлять, хоть оно и небольшое.

Рассчитываем отдачу для 1 м. изделия

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

Q = 0,047*10*60 = 28 Вт.

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

Об этом стоит помнить

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

Теплопроводность стали достаточно высока – это закон физики, и спорить с ним нельзя. Зато можно обратить это свойство металла на пользу. Именно такая теплоотдача позволяет использовать сталь в производстве различных приспособлений для обогрева помещений.

Полотенцесушители

В домах старой постройки полотенцесушители из стальных труб встречаются очень часто, ведь в большинстве случаев они были заложены проектом, причем почти до конца прошлого века врезались в систему на резьбе.

Не так давно стали применять циркулярные врезки в элеваторных узлах, которые обеспечивают стабильную горячую температуру прибора.

Поскольку нагревательные контуры в полотенцесушителях постоянно подвергались перепадам температур – то нагревались, то остывали – резьбовым соединениям было сложно выдержать такой режим, поэтому они периодически начинали подтекать.

Несколько позднее, когда прогрев этих приспособлений стал стабильным благодаря врезке в стояки отопления, проблема протечек стала не настолько актуальной. В то же время размеры змеевика стали намного меньше, в результате чего снизилась площадь теплоотдачи стальной трубы. Однако такой полотенцесушитель оставался теплым не только во время использования горячей воды, а постоянно.

Элементарный расчет отопительного регистра

Если у покупной батареи уровень теплоотдачи можно узнать из ее паспорта, то в случае с самодельными нагревателями все приходится рассчитывать самому. Иначе эффективно и равномерно прогреть помещение не получится.

Подсчет необходимой мощности радиатора для обогрева помещения

Для расчета пользуются формулами, может, и несложными, но требующими определенных математических навыков. Еще вариант – онлайн-калькуляторы, которых сейчас более чем достаточно в сети. Строго говоря, тема довольно обширна и заслуживает отдельной статьи, поэтому воспользуемся простыми способами подсчета

В любом случае, этому вопросу стоит уделить пристальное внимание, иначе ваши домашние будут жаловаться, что батареи плохо греют и в комнате холодно

Упрощенная методика вычисления необходимой тепловой энергии заключается в подсчете площади обогрева с последующим умножением на 100. Почему так? Потому что для комфортного проживания на квадратный метр нужно 100 Вт тепла. Чтобы быть точнее в расчетах, учтем количество оконных проемов и стен:

• Помещение с одним окном и одной внешней стеной – 100 Вт на 1 м² площади.
• Помещение с одним окном и двумя наружными стенами – 120 Вт на 1 м².
• Помещение с двумя окнами и двумя внешними стенами – 130 Вт на 1 м².

Простой расчет тепловой мощности радиатора из стальных труб

Зная, к чему стремиться, остается подобрать конструкцию отопительного прибора, которая удовлетворяла бы вашим потребностям. Как это выполнить?

Есть элементарное решение – воспользоваться таблицей. В ней уже рассчитаны показатели теплоотдачи трубного проката. В значениях учитывается температурный режим, при котором на подаче температура теплоносителя составляет +90℃, а на обратке +20℃.

Итак, нижеприведенная таблица позволяет узнать тепловую мощность одного погонного метра трубы регистра на квадратный метр отапливаемой площади.

Какие еще величины нужно знать?

Итак, с вариантом определились – осталось составить чертеж. На этом этапе часто забывают такой параметр как расстояние от секции до секции – h.

При сборке радиатора змеевикового типа из стальных труб эта величина определяется габаритами используемых отводов

Здесь стоит уделить внимание значению F – это так называемая высота отвода. Без сомнений, межсекционное расстояние здесь будет выражено формулой:

h = 2F-D

Если решено собирать простой секционный радиатор, то промежуток между трубами может задаваться самостоятельно, но с одним условием:

H = D+50 мм

Такой же принцип и при работе с профильным прокатом, только вместо диаметра ставят высоту квадратного или прямоугольного профиля. Разумеется, при этом учитываются конструктивные особенности прибора.

Методы повышения теплоотдачи

Круглая форма отнюдь не способствует увеличению теплоотдачи металлических труб. Еще более низкий коэффициент отношения объема и поверхности можно встретить только у сферы.

Следовательно, проблема как увеличить теплоотдачу трубы, несомненно, стояла у разработчиков первых простых отопительных приборов.

Чтобы увеличить коэффициент теплоотдачи стальной трубы раньше применялись такие методы:

• Поверхность трубы покрывали матовой черной краской, чтобы усилить инфракрасное излучение нагревательного элемента. Это позволяло добиться значительного роста температуры в помещении. Стоит отметить, что современное хромирование на полотенцесушителях крайне неэффективно для усиления теплоотдачи – оно, скорее, для красоты.
• Увеличение теплоотдачи трубы за счет наваривания на нее дополнительных ребер, что делало площадь нагревательного элемента, а значит и теплоотдачу, существенно больше. Наиболее передовым вариантом использования данного способа можно назвать конвектор, то есть участок загнутой трубы с приваренными поперечными ребрами. Хотя сама труба в данном случае отдает минимум тепла.

Любым из этих методов можно воспользоваться, если стоит вопрос, как увеличить теплоотдачу трубы отопления своими руками, ведь они совсем не сложные и вполне осуществимы в домашних условиях.

Расчет в Excel теплоотдачи трубы.

Для выполнения расчетов необходимо ввести в таблицу MS Excel исходные данные. Их – 13. Это — физические параметры теплоносителя (воды), температура окружающего воздуха, геометрические размеры трубы и слоя теплоизоляции, теплопроводность материалов и степень черноты наружных поверхностей трубы и изоляции.

В ячейках результатов автоматически выводится значение мощности тепловой отдачи трубы в Ваттах для четырёх вариантов, и температура остывания воды в градусах Цельсия за время движения по заданному участку трубопровода.

Все 22 пользовательские функции, задействованные в этой расчетной программе Excel, записаны каждая в своем Module в папке Modules. Доступ к папке — в Редакторе Visual Basic.

Теплопотери сквозь трубы

В условиях квартир особого смысла рассчитывать теплоотдачу нержавеющей трубы нет, ведь в данном случае все тепло, отдаваемое стояком и отопительными контурами, будет рассеиваться внутри, обогревая помещение.

А вот если необходимо качественно обогреть подвальные или складские мощности, а теплоноситель к ним должен подаваться из другого места, то в данном случае расчет теплоотдачи трубы будет более чем целесообразен, чтобы можно было сориентироваться, сколько тепла теряется по пути. Тогда можно попробовать поискать способы сократить теплопотери труб с горячей водой.

Какие бывают

Отопительные регистры изготавливают из разного материала, имеют они разную форму. У каждой есть плюсы и минусы.

Из чего делают

Если говорить о материалах, то самый распространенный — сталь, а вернее стальные электросварные трубы. Сталь имеет не самую лучшую теплоотдачу, но это компенсируется невысокой ценой, легкостью в обработке, доступностью и большим выбором типоразмеров.

Совсем редко встречаются сделанные из нержавеющей трубы — для приличной мощности требуется большое количество труб, а сколько стоят изделия из нержавейки, вы имеете представление. Если и делали их, то, наверное, давно. Используют еще «оцинковку», но работать с ней сложнее — варить не получится.

• требуется нейтральный и чистый теплоноситель, без твердых частиц
• в системе нежелательно присутствие других металлов и сплавов, кроме совместимых — бронза, латунь, никель, хром, потому все фитинги и арматуру нужно будет искать из этих материалов;
• обязательно тщательно выполненное заземление — без него при наличии воды начинается процессы электрохимической коррозии;
• мягкость материала требует защиты — нужны кожухи и т.п.

Есть регистры из чугуна. Но они слишком громоздки. К тому же имеют очень большую массу, под них нужно делать не менее массивные стойки. Плюс ко всему чугун отличатся хрупкостью — один удар, и он может расколоться. Получается, что и этот тип регистров нуждается в защитных кожухах, а они снижают теплоотдачу и увеличивают стоимость. Причем устанавливать их — сложная и тяжелая работа. К плюсам можно отнести высокую надежность и химическую нейтральность: этому сплаву все равно, с каким теплоносителем работать.

В общем, медь и чугун — это непросто. Вот и получается, что оптимальный выбор — стальные регистры.

Применение теплоизоляционных материалов

Наверное, первое, что приходит в голову при необходимости сохранить максимум тепла внутри трубы – это обмотать ее теплоизоляционным материалом. В конце прошлого века для этих целей применяли утеплитель из стекловолокна с дополнительной обмоткой негорючей тканью (данный способ рекомендован нормативной базой). Еще чуть раньше активно использовались растворы гипса или цемента, то есть теплоизоляция получалась твердой. В действительности же нерадивые сантехники нередко просто обматывали трубы старой ветошью, в надежде, что никто не проконтролирует.

Обилие современных материалов, например накладки на трубы из пенопласта, разрезные полиэтиленовые оболочки, минеральная вата и прочие, позволяет выполнить теплоизоляцию отопительных труб намного более качественно. И в новостройках такие материалы с успехом применяются. Тем не менее, отсталость ЖЕКов зачастую приводит к тому, что трубы по старинке обматывают тряпьем.

Изготовление батареи отопления из профильной трубы

Радиатор отопления является таким устройством, которое могут изготовить не только промышленные компании, но и хозяева домов, включая новичков в этом деле. Правда, последним придется потратить немало времени.Наиболее просто изготавливать батарею из профильной трубы с квадратной или прямоугольной формой в разрезе. Это потому, что она не крутится, и ее легко зафиксировать, что позволяет сосредоточиться на выполнении всех сварочных работ и работ, связанных с резкой металла.

Устройство радиатора отопления из трубы профильной является таковым:

• 3 горизонтальные трубы;
• 4 вертикальные перемычки;
• 6 заглушек;
• приваренные к концам верхней и нижней трубы муфточки с внутренней резьбой.

Вертикальные перемычки размещаются у концов труб и позволяют воде попадать с верхней трубы в нижнюю.

Регистры

Самая простая конструкция радиаторов отопления – регистры. Это заваренные с торцов трубы среднего или большого диаметра, одиночные или соединенные в секции трубками-перемычками. Их можно увидеть в подъездах, на промышленных объектах или в частных домах с индивидуальным отоплением.

Стальные трубопроводы считаются традиционными для устройства систем водоснабжения, водоотведения и подземной подачи газа

Чтобы повысить их тепловую мощность используют метод увеличения площади – наваривают тонкие металлические пластины. Это улучшает теплоотдачу батареи почти в полтора раза. Примерно такой же теплопередачей обладают компактные радиаторы – ближайшие родственницы чугунных батарей-гармошек. Хотя до панельных биметаллических приборов им, конечно, далеко.

Чтобы теплоотдача радиаторов отопления была максимальной, используют простой и незатратный метод конвекции. Этот способ заключается в правильном навешивании прибора. Его устанавливают как можно ближе к полу, где скапливается холодный воздух, но оставляют необходимые для циркуляции зазоры, в том числе и у самой стены.

При таком монтаже секции батареи соприкасаются со средой, имеющей минимально возможную в данных условиях температуру, то есть увеличивается тепловой напор. А нагретый регистрами воздух благодаря оставленным зазорам беспрепятственно поднимается вверх, и помещение протапливается быстрее.

Отличный метод – увеличить площадь передающей тепло поверхности. Делают это разными способами:

1. Наращиванием общей длины нагревательных труб путем формирования из них U-образных регистров.
2. Оребрением – строго говоря, этот способ увеличивает не конкретно теплопроводность стальной трубы, а всего радиатора, но мощность возрастает на 50%.
3. Увеличением количества секций.

Лучшей теплоотдачей обладают поверхности черного цвета, но далеко не в каждый интерьер впишется такая мрачная батарея, отчего этот способ и не нашел применения. Регистры традиционно продолжают окрашивать в белый цвет.

Возможные ошибки в установке

Во избежание каких-либо трудностей технического характера после установки, необходимо предусмотреть распространенные ошибки, которые часто допускаются в работе. Так, если установить батареи менее чем в 7 сантиметрах от поверхности пола, то в будущем мы столкнемся со сложностью не только проведения уборки под ними, но также с теплообменом в помещении. И напротив, если установить батареи выше, чем в 15 сантиметрах, то, скорее всего, будут иметь место значительные температурные перепады.

Помимо этого, отдача тепла может ухудшиться, если установить радиатор впритык к стене. Также не забываем, что не стоит закрывать самодельные радиаторы отопления из труб декоративными решетками – это приведет к снижению их мощности.

Замена батарей

Если радиаторы требуется заменить, то к работе желательно приступать в теплое время года. Дело в том, что отопление в этот период отключено, поэтому демонтаж/установку можно будет провести без каких-либо трудностей. Зачастую замена требуется в случае износа оборудования или, как вариант, если необходимо уменьшить кол-во секций. К слову, к замене подготавливаем не только батареи, но и поверхности стен, находящиеся за ними.

Обратите внимание! Шпаклюем, выравниваем и красим стены еще перед монтажом, так как после него, как уже отмечалось выше, сделать это не удастся. Видео – Замена радиаторов

Видео – Замена радиаторов

Сравнение видов батарей отопления — ищем лучший

Ранее мы делали обзор и сравнивали различные виды радиаторов отопления, тем самым выявляя их положительные и отрицательные стороны, в дополнение к этой статье советуем вам ознакомится с данной информацией