Typy a technické vlastnosti topných registrů | RegOtop

Klíčová slova: vytápění, výběr topných zařízení pro místnosti s emisemi prachu, stanovení tepelného výkonu hladko trubkových topných zařízení (registrů), výpočet a návrh zařízení s požadovaným tepelným výkonem.

UDC 67.53.29. Počet vědeckých oborů: 2.1.3 (05.23.03).

Výpočet a konstrukce topných zařízení z hladkých potrubí

BP Novoselcev, PhD, docent; NA Drapalyuk, PhD, docent; E.Yu Dudkina, odborný asistent, Katedra bydlení a komunálních služeb, Voroněžská státní technická univerzita (VSTU)

Článek se zabývá návrhem a výpočtem otopných zařízení z hladkého potrubí pro systémy ohřevu vody.

Klíčová slova: vytápění, výběr topných zařízení pro místnosti s emisemi prachu, stanovení tepelného výkonu hladko trubkových topných zařízení (registrů), výpočet a návrh zařízení s požadovaným přenosem tepla.

Topná zařízení v topných systémech slouží k přenosu tepla z chladiva přes stěnu zařízení do vzduchu vytápěné místnosti. Uvažujme zařízení s hladkými trubkami. Taková topná zařízení mohou být vyrobena ve formě cívky nebo registru. Když jsou horizontální potrubí zapojena paralelně, průtok chladiva se rozdělí a rychlost jeho pohybu se sníží. Pokud má zařízení hadovitý tvar, to znamená, že potrubí jsou zapojena do série, pak je rychlost pohybu chladicí kapaliny (obvykle vody) stejná po celé délce zařízení.

Zařízení vyrobená z hladkých trubek mají vysoký tepelný výkon. Například jejich součinitel prostupu tepla je 10,5–14,0 W/(m² °C), což je více než u litinových radiátorů. Kvůli nevyvinutému povrchu jsou však taková zařízení objemná, zabírají hodně místa a jsou drahá. Tato zařízení mají hladký povrch a snadno se čistí od prachu, který se na nich usadil.

Většina autorů doporučuje vyrábět zařízení s hladkými trubkami z vodovodních a plynových potrubí o průměru Dy od 32 do 100 mm, přičemž závity jsou od sebe umístěny ve vzdálenosti o 50 mm větší, než je jejich vnější průměr; Výše uvedené korunuje přenos tepla sáláním.

Pro návrh topného zařízení s požadovanou topnou plochou je nutné znát tepelný výkon každého zařízení, jeho délku, průměr závitů (v konečném důsledku teplosměnnou plochu), parametry chladicí kapaliny a výpočtovou teplotu vzduchu v místnosti. Kromě uvedených parametrů je nutné stanovit součinitel prostupu tepla navrženého zařízení. Tak velké množství počátečních dat značně komplikuje výpočet a návrh zařízení s hladkou trubkou, proto je často nutné toto provádět metodou postupné aproximace (iterace).

Při výpočtu a návrhu topných zařízení z hladkých potrubí je třeba vzít v úvahu následující:

• plánovací a konstrukční řešení, která určují základní rozměry topného zařízení, jakož i průměr závitů a jejich počet;
• požadovaný tepelný výkon každého topného zařízení;
• účel prostor a kategorie výroby v nich podle požárního nebezpečí;
• konstrukční parametry chladicí kapaliny;
• pracovní tlak v topné síti;
• vypočítaná teplota vzduchu v místnosti;
• jiné [1].

Kromě toho SNiP 41-01-2003 stanoví určité požadavky na výběr a umístění topných zařízení v prostorách. Například pokud místnost uvolňuje prach z hořlavých materiálů (kategorie B, B1-B3), pak musí mít topná zařízení hladký povrch a jejich umístění musí umožňovat snadné čištění od prachu a opravu.

Délka topného zařízení může být rovna délce okna (optimální možnost) nebo může být určena výpočtem, nebo může být délka měřena v souladu s pokyny SNiP 41-01-2003, například délka zařízení musí být alespoň 5% délky světelného otvoru v průmyslových budovách atd.

Obecně uznávaný způsob výpočtu a návrhu požadované teplosměnné plochy topných zařízení z hladkých trubek nebyl v dostupné literatuře nalezen.

Uvažujme jednu z možných možností pro výpočet a návrh topných zařízení z hladkých potrubí s požadovaným tepelným výkonem.

Pokud je znám účel místnosti, její rozměry, počet a velikosti oken, určí se tepelný výkon topného systému Qс.о [W], pak lze jako první přiblížení určit tepelný výkon každého topného zařízení Qпр (za předpokladu, že pod každým oknem bude instalováno zařízení s hladkými trubkami) pomocí následujícího vzorce:

kde Qс.® je vypočtený tepelný výkon topného systému, W; n — počet oken v místnosti, ks. Délka topných zařízení lpr vyrobených z hladkých trubek se může rovnat délce okna lок, pak se délka závitů zařízení stane známou:

kde lpr je délka ohřívacího zařízení s hladkými trubkami, m.

Pokud je například délka okna 1,5 m, pak lze délku zařízení považovat za 1,5 m nebo méně, v závislosti na účelu místnosti a tepelném výkonu zařízení (SNiP 41-01-2003), ale ne méně než polovina délky okna, pak lpr = 0,75 m (pro uvažovaný případ).

Pro dosažení požadovaného přenosu tepla u zařízení s hladkými trubkami mohou být průměry závitů vyrobeny z potrubí s různými průměry.

Je třeba mít na paměti, že při velkém tepelném zatížení topného systému lze v některých případech zvýšit počet zařízení, to znamená, že v blízkosti vnějších stěn může být instalováno jedno nebo více zařízení.

V tabulce. II. 23, str. 267 [1] je prostup tepla otevřeným potrubím [W/m] uveden pro různé hodnoty tп — tv. Pokud uvedená tabulka neobsahuje potřebné údaje, lze je převzít z jiného zdroje nebo interpolací.

Množství tepla [W], které potrubí vydává, je určeno následujícím vzorcem:

kde A je plocha vnějšího povrchu potrubí, m²; k – součinitel prostupu tepla, W/(m² °C) – převzat z referenčních údajů, například [2]; ∆t — rozdíl mezi průměrnou teplotou chladiva a teplotou okolního vzduchu (tepelná výška), °C.

Plocha vnějšího povrchu potrubí je určena vzorcem:

kde dн je vnější průměr potrubí, ze kterého je vyrobeno topné zařízení, m; l je délka potrubí použitého k výrobě zařízení, m Přibližné hodnoty součinitelů prostupu tepla topných zařízení z hladkého potrubí [W/(m² °C)] jsou stanoveny na základě referenčních údajů [2].

Požadovaný (vypočítaný) průměr potrubí [m] pro výrobu příslušného topného zařízení lze určit společným řešením rovnic (3) a (4):

Ve vzorci (5) jsou dvě neznámé veličiny: dн a l. Délka potrubí l [m], používaných k výrobě topného zařízení, závisí na konstrukčních vlastnostech zařízení, a to na délce zařízení, průměru a počtu závitů.

Úkol se pak řeší následovně. Je nutné navrhnout topné zařízení (obr. 1) a určit přibližnou délku potrubí, následně vypočítat množství tepla, které by měl vydat jeden metr potrubí (t.j. qtr [W/m]), dále dle tabulky. II. 22 [1] a pomocí získané hodnoty qtr určete přibližný průměr potrubí, poté upřesněte rozměry topného zařízení atd.

Další průběh výpočtů je podrobněji zvažován na konkrétním příkladu.

Příklad výpočtu a návrhu registru z hladkých trubek

Uveďme příklad výpočtu a návrhu topného zařízení z hladkých potrubí.

Počáteční data. Ve skladu hotových výrobků je navržen vertikální dvoutrubkový systém ohřevu vody s tepelným výkonem Qс.® = 5200 W. Jako topná zařízení se používají registry z hladkých ocelových potrubí. Teplota vzduchu ve skladu je tв = 2 0 °C. Počet oken o rozměru 1,5×1,5 m – 5 ks. Potrubí je uloženo otevřené, průměry svislé stoupačky a přípojek v místnosti jsou v průměru 20 mm, parametry teplonosného média tg = 9 °C, tо = 5 °C. Připojení topných zařízení se provádí podle schématu „shora dolů“.

Provedení. Na základě výše uvedeného bereme počet topných zařízení 5 ks, délku závitů registru 1,5 m, počet závitů 3 ks, výšku jednoho sloupu 0,4 m Pomocí vzorce (1) určíme tepelný výkon jednoho zařízení (registru): 5200/5 = 1040 W.

Celková délka potrubí v registru:

∑l = 1,5×3 + 0,8 = 5,3 m (obr. 1).

Délku topného zařízení (závitu) bereme 1,5 m (délka okna). Rozdíl teplot mezi průměrnou teplotou vody v zařízení a vzduchu v místnosti (tepelný tlak) bude:

∆tcp = 0,5(tg + tо) — tв = 0,5×(95 + 70) — 20 = 62 °C.

Pojďme určit tepelný výkon stoupačky topení a připojení k zařízení:

Qtr = qвlв + qгlг = 81 × 2,8 + 102 × 0,4 + 60 × 0,4 + 47 × 0,4 = 311 W.

kde qg a qv jsou přenos tepla stoupačkou a přípojkami podle tabulky. II. 22, str. 264 [1].

Potřebný tepelný výkon jednoho registru (bez tepelného výkonu stoupačky a přípojek) bude

Qpr = 1040–311 = 729 W.

Dále je nutné navrhnout registr (obr. 1). Vzdálenosti mezi závity závisí na průměru závitů a průměr je stále neznámý, takže lze přibližně určit celkovou délku potrubí.

Celková délka potrubí použitých k výrobě registru je ∑l = 1,5×3 + 0,8 = 5,3 m.

Registr se skládá ze tří závitů 1 a dvou vertikálních sloupků 2 (obr. 1).

Vzhledem k tomu, že tepelný výkon registru by měl být roven 729 W, pak v průměru jeden metr potrubí registru přenese do místnosti qcp = 729/5,3 = 137,5 W/m. Dále v tabulce. II. 22, str. 264 [1] určíme průměr potrubí, jehož jeden metr při tepelném tlaku 62 °C propustí 5 W/m. Podle zadané tabulky určíme, že pro trubku o průměru Dу = 137,5 mm bude prostup tepla 40 W/m, což je o něco méně než qср = 132 W/m. Potrubí o jmenovitém průměru Dу = 137,5 mm vyzařuje do místnosti 50 W/m, což je větší hodnota než qср = 160 W/m.

Pomocí vzorce (5) určíme vypočítaný průměr potrubí v metrech:

Podle údajů [1] se vodovodní a plynové potrubí o průměru dн = 67 mm nevyrábí, proto pro další výpočty přebíráme potrubí jmenovitého průměru Dу = 50 mm, vnější průměr potrubí je 60 mm [1] (tab. III. 1, str. 268).

Určíme skutečný přenos tepla registru znázorněného na Obr. 1, z trubky Dу = 50 mm; přenos tepla tří vodorovných závitů qг = 160×3 = 480 W; prostup tepla dvou vertikálních sloupů qв = 141×0,8 = 113 W (tab. II. 22, str. 264 [1]).

Odhadovaný tepelný výkon vyvinutého registru (obr. 1): Qreg = 480 + 113 = 593 W. To znamená, že tepelný výkon vyvinutého registru je menší, než vyžaduje stávající zadání.

Pro zvýšení prostupu tepla lze použít registr vyrobený z trubky o průměru Dу = 65 mm, nebo nainstalovat v dílně další (šestý) registr, případně prodloužit závity registru apod.

Rozhodli jsme se použít registr se čtyřmi závity, vyrobený z trubek Dу = 50 mm.

Provádíme ověřovací výpočet (uvádíme výsledky výpočtu):

∑l = 1,5×4 + 0,4×2 = 6,8 m;

qcp = 729/6,8 = 107,2 W/m.

Určíme skutečný přenos tepla soutisku vyrobeného se čtyřmi závity: přenos tepla čtyřmi vodorovnými závity (Dу = 50 mm) bude qг = 160×4 = 640 W; prostup tepla dvou vertikálních sloupů (výška dvou sloupů se podmíněně nemění) bude qв = 141×0,8 = 113 W;

Celkový tepelný výkon registru: Qreg = 640 + 113 = 753 W.

Tepelný výkon vyvinutého registru je pouze o 24 W vyšší než požadovaná hodnota. Navržený registr proto zajišťuje potřebný přívod tepla pro udržení pokojové teploty na +2 0 °C.

Pokud je vypočtená hodnota přestupu tepla navrženého zařízení rovna požadované hodnotě nebo se liší nejvýše o 60 W, pak se výpočet považuje za úplný (viz SNiP 41-01-2003). Pokud se ukáže, že prostup tepla navrženého zařízení Qс.п je větší, než je požadováno, tedy Qс.п > Qпр, pak by se měla délka závitů (zařízení) nebo průměr závitů zmenšit, případně by se mělo rozhodnout jinak a výpočet opakovat.

Někdy je navíc vhodnější průměr závitů zvětšit.

V uvažovaném případě lze průměr závitů zvětšit, to znamená, že je možné vzít Dу = 65 mm s vnějším průměrem dн = 73 mm. Nicméně v dostupné literatuře [1] v tab II. 22 nejsou pro tuto trubku o délce 1 m uvedeny žádné hodnoty prostupu tepla ve [W/m]. V reálném návrhu je nutné použít jiný zdroj nebo převzít hodnoty založené na interpolaci. Při absolvování školení je snazší zajistit instalaci přídavného topného zařízení.

Náklady na systémy ústředního vytápění jsou určeny obsahem kovů v nich. V závislosti na parametrech chladicí kapaliny se spotřeba kovu pro instalaci systémů ohřevu vody velmi liší.

Ukazatelem ekonomické účinnosti z hlediska spotřeby kovu a v závislosti na parametrech chladiva může být ukazatel tepelného namáhání kovu topného zařízení M [W/(kg °C)] [3]. Zadaný ukazatel je určen vzorcem:

kde Qpr je množství tepla vydaného zařízením, W; Gm je hmotnost zařízení, kg (pro ocelovou trubku Dу = 50 mm, hmotnost 1 m trubky je 4,38 kg); ∆t — rozdíl mezi průměrnou teplotou chladiva a okolního vzduchu, °C.

Čím vyšší je hodnota M, tím ekonomičtější bude topné zařízení z hlediska spotřeby kovu. Je zřejmé, že zvýšení hodnoty indikátoru M je v tomto případě spojeno s poklesem hmotnosti kovu zařízení bez snížení jeho přenosu tepla. Výše uvedené do značné míry závisí na správném návrhu topných zařízení z hladkých trubek – dodržení podmínky, že spotřeba kovu na kilowatt instalovaného výkonu zařízení je minimální.

Podle vzorce (6) je nutné vypočítat ukazatel ekonomické účinnosti pro spotřebu kovu (s parametry chladiva tg = 9 °C, tо = 5 °C):

Výkon

Měli bychom také vyvodit závěr z výzkumu, který jsme provedli. Tento článek navrhuje způsob návrhu a výpočtu topných zařízení z hladkých potrubí s požadovaným tepelným výkonem.

1. Příručka designéra. Vnitřní sociální zařízení. Ve 3 částech: Vytápění. 1. vydání, přepracované. a přidat. / V.N. Bogoslovsky, B.A. Krupnov, A.N. Skanavi a další; vyd. I.G. Staroverová, Yu.I. Schiller. — M.: Stroyizdat, 4. 1990 s.
2. Belousov V.V. Vytápění a větrání: učebnice. Část 1: Vytápění. — M.: Stroyizdat, 1967. 280 s.
3. Bogoslovsky V.N., Skanavi A.N. Vytápění: pracovna. pro univerzity. — M.: Stroyizdat, 1991. 736 s.
4. Novoseltsev B.P., Drapalyuk N.A., Dudkina E.Yu. Výpočet a návrh topných zařízení z hladkých potrubí: metoda. instrukce. — Voroněž: Nakladatelství VSTU, 2023. 23 s.

Trubkové topné registry jsou v mnoha ohledech lepší než radiátorové systémy. Jsou pevné, cenově dostupné a odolné a exkluzivní designové modely vypadají jako umělecké předměty a zdobí interiér.

Registry se zároveň vyznačují velkou setrvačností – pomaleji se zahřívají, ale také déle udržují teplo. Tato funkce je prakticky nepostřehnutelná v bytě s ústředním topením, ale nemusí být vhodná v soukromém domě. Stejně jako vyšší požadavky na chladicí kapaliny – pro tepelné registry byste se měli postarat o výkonný kotel a čerpadlo.

Navzdory tomu jsou trubkové systémy stabilní poptávkou, což vede k široké škále takových zařízení. Vyznačují se následujícími vlastnostmi:

• Podle materiálu;
• Podle formy výroby;
• Podle typu instalace;
• Podle způsobu připojení.

Bez ohledu na podtyp mají všechny trubkové systémy jednoduchý design, který se snadno udržuje. Při dlouhodobém a intenzivním používání stačí pouze setřít prach vlhkou houbičkou a ošetřit antikorozním prostředkem. Pokud si přejete, můžete si trubkový ohřívač vyrobit sami z trubek vhodného průměru.

Nutno podotknout, že mají solidní životnost, která je u ocelových konstrukcí minimálně 25 let, u litinových a hliníkových konstrukcí cca 40 let a u hliníkových až 100 let.

Díky jejich jednoduché konstrukci se v registrech méně hromadí usazeniny soli, které blokují průtok vody systémem a snižují účinnost vytápění. Zároveň je v registrech upevněn malý hydraulický odpor, což umožňuje jejich použití i při spínání s přirozenou cirkulací.

Většina tepla je distribuována sáláním, ohřívá vzduch v pohodlné výšce, na rozdíl od radiátorů, od nichž teplo stoupá ke stropu.

Typy registrů podle materiálu

Trubkové ohřívače mohou být vyrobeny z různých kovů, z nichž každý má jedinečné vlastnosti. Nejběžnější jsou registry z uhlíkové oceli. V tomto případě lze pro ohřívače použít následující:

• Ocelové – elektrosvařované trubky různých průměrů s kruhovým nebo čtvercovým průřezem. Hotové konstrukce jsou potaženy žáruvzdornou barvou nebo niklem;
• Nerezová ocel je odolná, praktická a levná. Vynikající pro použití v koupelnách. Nerezová ocel je flexibilní a snadno zaujme požadovaný tvar. Je odolný vůči korozi a poškození.
• Litina – rejstříky z tohoto kovu jsou extrémně těžké a setrvačné z hlediska přenosu tepla. Tento materiál také není oblíbený kvůli obtížnosti opravy. Používá se k dekorativním účelům.
• Měď je cenný materiál ve všech ohledech. Měď je odolná, pevná, snadno se s ní pracuje a působí esteticky. Jsou z něj vyrobeny designové topné systémy prémiového segmentu;
• Mosaz je vzácný materiál, který je ceněn pro své estetické vlastnosti;
• Hliník – registry z tohoto kovu vyrobené lisováním patří do střední cenové kategorie. Jedná se o univerzální variantu z hlediska poměru ceny a kvality.

Při výběru materiálu je důležité vzít v úvahu účel registru (výlučně praktický, nebo dekorativní), možnosti jeho instalace a provozní podmínky.

Typy registrů podle formy výroby

Ohřívače mohou být sekční nebo jako had:

• Cívky – jsou vyrobeny z trubky kruhového průřezu malého průměru spojením rovných prvků s obloukovými. Měděné a ocelové trubky jsou ohýbány dle zvolených parametrů.
• Sekční – sestávají ze samostatných vodorovných trubek spojených propojkami ve formě tzv. závitu nebo sloupku.

Existují také kombinované modely, stejně jako s vertikálním uspořádáním hladkých nebo žebrovaných trubek.

Typy podle způsobu instalace

Registry mohou být instalovány trvale nebo mohou být mobilní:

• Stacionární jsou namontovány na stěnách na speciálních konzolách nebo nohách;
• Mobilní ohřívače fungují pomocí topných těles a jsou naplněny olejem a nemrznoucí kapalinou. Takové možnosti jsou oblíbené v místnostech bez centralizovaného vytápění – chaty, garáže, hospodářské budovy.

Je důležité bezpečně upevnit registr ke stěně, aby nedošlo k rozbití a poškození topného systému. K tomu se používají hmoždinky a kovové podpěry.

Modely podle typu připojení

Pro snadné umístění a uvedení do provozu jsou tepelné registry navrženy s různými typy spínání:

• S tím spodním je registr umístěn podél podlahy. Tato metoda neposkytuje maximální přenos tepla, ale potrubí lze snadno zamaskovat;
• Diagonální je z hlediska výkonu nejúčinnější. V horní části systému je vstup, ve spodní části je výstup. Voda naplní celý objem zařízení a uvolňuje maximum tepla do místnosti;
• S horní – trubky jsou umístěny pod stropem. Jedná se o nejneefektivnější typ připojení, protože teplo se uvolňuje z registrů sáláním, zůstává pod stropem, aniž by se místnost ohřívala na úrovni obsazenosti. Používá se ve vzácných případech, kdy není možné připojit jiný typ.

Pro průmyslové prostory se používají přírubové a svařované spoje. U obytných budov se používají závitové spoje pro zajištění možnosti opravy, čištění a modernizace.

Aby standardní tepelné registry z hladké trubky získaly dekorativní vzhled, mohou být zakryty speciální clonou. To pomůže umístit zařízení do interiéru, ale sníží účinnost chladicí kapaliny.