Как да изчислим обема на охлаждащата течност в отоплителна система

Дебитът на охлаждащата течност е важен параметър, който трябва да се изчисли при проектирането на автономна отоплителна система. Тази стойност се взема предвид при избора на циркулационна помпа, радиатори, котел и други видове отоплително оборудване. Ако изчислението на дебита на охлаждащата течност е извършено неправилно, в бъдеще това може да доведе до негативни последици.

• На първо място, системата може да не е в състояние да се справи с натоварването, поради което температурата в помещенията ще бъде недостатъчна, дори когато котелът и помпата са включени с пълна мощност.
• Второ, циркулационната помпа, работеща на предела на възможностите си, може да се износи по-бързо и да излезе от строя.

За да се избегнат тези и други проблеми, е необходимо да се изучи задълбочено понятието "масов дебит на охлаждащата течност" и да се научи как да се изчислява тази стойност.

Какво представлява дебитът на охлаждащата течност

Тази характеристика определя обема на работния флуид, който трябва да преминава всяка секунда през радиаторите, котела или тръбите, така че системата да осигурява необходимия топлообмен и да създава комфортен температурен режим в помещенията. Въз основа на тази дефиниция дебитът на горещия флуид се изчислява в килограми в секунда (kg/s). Например, ако при изчисленията се получи резултат от 10 kg/s, това означава, че за една секунда през произволна точка от отоплителния кръг трябва да протекат 10 kg вода или специален антифриз. Ако действителният дебит на охлаждащата течност в отоплителната система е по-малък от изчисления, към радиаторите ще се подава по-малко топлинна енергия. Съответно те ще се нагряват до по-ниска температура и помещенията няма да могат да установят оптимален температурен режим.

От какво зависи дебитът на охлаждащата течност

Съгласно теорията изчисляването на дебита на охлаждащата течност за топлинния товар се извършва, като се вземат предвид три основни параметъра: проектният капацитет на системата, топлинният капацитет на работния флуид и температурната разлика между входа и изхода на котела. Всяка от тези характеристики, на свой ред, зависи от много други фактори. Например проектният капацитет се определя от площта и обема на отопляваните помещения, качеството на топлоизолацията, местния климат и други. Топлинният капацитет на топлоносителя зависи от неговия химичен състав. Температурната разлика може да намалява или да се увеличава в зависимост от характеристиките на отоплителните батерии и техния брой, материала на тръбите, капацитета на циркулационната помпа и др. За да се определи правилно дебитът на топлоносителя в зависимост от топлинния товар, всяка от трите изброени стойности трябва да се разгледа по-подробно.

Проектна мощност на отоплителната система

Този индикатор не трябва да се бърка с мощността на котела. Проектната мощност на системата се изчислява индивидуално за всяка сграда, като се вземат предвид много различни параметри:

• материали за стени, тавани и подове, техните топлопроводими свойства и топлинен капацитет;
• особеностите на климата в даден регион, средната годишна температура;
• броя на радиаторите, които ще бъдат монтирани, и техните характеристики;
• топлинни загуби в тръбите;
• необходимата стайна температура и т.н.

Въз основа на изчисления проектен капацитет се избира отоплителен котел с подходящи характеристики. По правило капацитетът на котела се избира с резерв в случай на непредвидени ситуации: аномални замръзвания, инсталиране на допълнителни батерии и др.

Вид и свойства на охлаждащата течност

Най-често в автономните отоплителни системи се използва дестилирана вода или специален антифриз - Thermagent. Първият вариант ви позволява да спестите от бюджета, но водата бързо се замърсява с външни вещества, причинява образуване на вътрешни отлагания и спомага за развитието на корозия. Нейният топлинен капацитет е 4200 J/kg-K, като по този показател водата превъзхожда всяка друга течност. Нагревателните антифризи, като Thermagent, са на алкохолна основа и съдържат етиленгликол или пропиленгликол. По отношение на специфичния топлинен капацитет те абсолютно не отстъпват на обикновената вода и я превъзхождат по всички останали параметри. На първо място, тези състави имат щадящо въздействие върху радиатори, котли, циркулационни помпи и тръби, което предотвратява преждевременни ремонти. Второ, Thermagent не предизвиква корозия и осигурява надеждна защита на металните повърхности. Трето, такива течности имат ниска температура на кристализация, което изключва замръзване на течността по време на планирано или аварийно спиране на котела в мразовито време.

Какво влияе на топлинната мощност

При проектирането на отоплителни мрежи е задължително да се изчисли топлинната мощност на батериите, тръбите и другите елементи на системата. На практика това се отразява в температурната разлика между входа и изхода на котела. Когато нагретият антифриз напусне котелното тяло, той отдава част от натрупаната топлинна енергия на радиаторите, тръбите и циркулационната помпа. Съответно той леко се охлажда, след като е завършил пълен кръг. След това охладеният антифриз се връща в котела през входната тръба, загрява се до зададената температура и цикълът се повтаря. Температурната разлика между входа и изхода на котела влияе пряко върху дебита на охлаждащата течност. Ако флуидът циркулира по-бързо по кръга (напр. когато циркулационната помпа е на пълна мощност), той ще преминава по-бързо през радиаторите. Съответно охлаждащата течност ще се охлажда за по-кратко време. Температурната разлика ще бъде толкова по-голяма, колкото по-висока е топлинната мощност на радиаторите и колкото по-голям е броят на радиаторите в системата. При преминаване през пет радиатора течността ще се охлади повече, отколкото при преминаване през три подобни радиатора за същото време.

Инженерна формула

При проектирането на отоплителна система формула най-често се използва дебитът на флуида m = Q / (Cp × Δt). Стойността Q е проектният капацитет на системата. Cp е специфичният топлинен капацитет на течността, използвана като топлоносител. Той може да варира значително за различните антифризи. За да разберете специфичната стойност, е необходимо да прочетете документацията за охлаждащата течност или описанието в каталога. Тази информация може да бъде получена и от производителя на материала.

За да се избегнат грешки, е необходимо да се спазва еднакъв ред на входните параметри. Например, ако мощността Q е зададена в kW, специфичният топлинен капацитет трябва да се въведе във формулата в kJ/kg-K. Съответно, ако Q е посочено във ватове, размерът на топлинния капацитет трябва да бъде J/kg-K без префикса "кило".

Нека дадем прост пример. Изчислената мощност на автономна отоплителна система е 50 kW. Вместо обикновена вода в контура се налива охлаждаща течност със специфичен топлинен капацитет 0,9 kJ/kg-K. Температурната разлика между входната и изходната тръба на котела е 10 градуса. В този случай изчислен дебит на охлаждащата течност ще бъде равен на 50/0,9-10 = 5,56 kg/s.

Допълнителни коефициенти

Формулата m = Q/(Cp × Δt), описана по-горе, в първоначалния си вид може да се използва само при идеализирани условия, когато отоплението на къщата не се влияе от външни фактори. На практика такива ситуации са невъзможни, тъй като топлината неизбежно изтича през стени, прозорци, тавани и подове. Различните строителни материали (тухли, дърво, бетон и др.) имат различни стойности на съпротивлението на топлопреминаване. При изчисленията често се използват следните коефициенти:

• 1,33-1,56 - стените на сградата са изградени от дървена греда с дебелина 200-240 mm;
• 1.4 - стените са направени от декоративни тухли и са с дебелина 65 см;
• 1,28 - за тухлена зидария с дебелина 65 cm и вътрешна въздушна кухина;
• 1.13 - стените са изградени от тухли, дебелината на зидарията е 65 см и няма въздушна междина;
• 1.0 - стаята е с чисти подове, под които има дървени дъски или земя;
• 0,9 - този коефициент се използва в топлинните изчисления за тавани, покрити със стоманена вълнообразна ламарина, керемиди или азбестоцимент;
• 0,8 - за тавански помещения с подобни покрития, но с масивна подова настилка;
• 0,75 - за сгради, чиито покриви са покрити с рулонни покрития;
• 0,7 - тази стойност на съпротивлението е за вътрешни стени, прилежащи към неотопляеми помещения без външни стени;
• 0,6 - за помещения с мазета, разположени под повърхността на земята или до 1 m над нея;
• 0,4 - подобно на предишната точка, но съседните стаи имат външни стени.

Посочените коефициенти се добавят към знаменателя на формулата m = Q / (Cp × Δt). Така крайната формула ще бъде m = Q / k (Cp × Δt), където k е параметърът на съпротивлението при топлообмен.

Избор на циркулационна помпа в зависимост от дебита на топлоносителя

В техническите характеристики на циркулационните помпи дебитът по правило се посочва в литри в минута (l/min). Във формулата, описана по-горе, резултатът се посочва в килограми в секунда (kg/s). Съответно, за да се избере единицата на помпата, трябва да се направят прости преобразувания. Първо, количеството антифриз трябва да се изчисли не в килограми, а в литри. За тази цел полученият резултат трябва да се раздели на плътността на антифриза. Например, ако плътността на течността е 1,06 ^g/cm3, тогава дебитът в литри от горното изчисление ще бъде равен на 5,56/1,06 = 5,25 l/s. Второ, вместо секунди трябва да се използват минути. За да направите това, умножете резултата по 60. В този пример дебитът ще бъде 5,25-60 = 315 л/мин. Като се вземе предвид възможната грешка, помпата трябва да се избере с известен резервен капацитет, например 330-350 l/min.

Дебит на охлаждащата течност през радиатора

В повечето случаи дебитът се изчислява, за да се избере подходяща циркулационна помпа. Но си струва да се вземе предвид и при избора на отоплителни радиатори. Факт е, че дебитът на антифриза в отоплителната система е пропорционален на скоростта на потока на флуида. Колкото по-силно е налягането в тръбите, толкова по-високо е то. Съответното налягане ще е налице и в радиаторите. Всеки тип радиатор има максимално допустимо налягане. Ако то бъде превишено, радиаторът може да се разхерметизира и да протече. Това е особено важно, ако топлината се подава към радиатори от панелен тип. Такива радиатори могат да издържат на по-малко налягане от секционните радиатори. Поради това панелните радиатори трябва да се монтират, ако дебитът на потока през радиатора е сравнително малък.

Обем на охлаждащата течност в системата

Когато правите изчисления и проектирате отоплителна система, не е достатъчно да знаете как да изчислите дебита на охлаждащата течност. Необходимо е да се вземе предвид и обемът на работната течност в отоплителния кръг. Този параметър трябва да се изчисли, за да се закупи достатъчно количество антифриз и да се избегне презареждането. Общият обем на охлаждащата течност в системата се състои от три компонента:

• капацитета на топлообменника в котела;
• обем на радиаторите;
• обем на тръбите.

Първите две стойности могат да бъдат намерени в техническата документация за котела и радиаторите. Повечето котелни агрегати имат топлообменници, предназначени за 3-7 литра. Моделите на твърдо гориво са по-обемни и побират до 25 литра антифриз. Вместимостта на радиаторите зависи от размера на секциите или панелите, както и от техния брой и дизайн. Средно една секция на чугунен акумулатор побира 1,5 литра течност, биметален - 0,3 литра, алуминиев - около 0,4 литра.

Какво трябва да се вземе предвид при изчисляване на обема на антифриза

Изчисляването на общия капацитет на тръбопроводите е съвсем просто. Ако в системата се използват тръби с еднакъв размер, е достатъчно да се измери вътрешният им диаметър и общата дължина. Обемът се изчислява по формулата V = π × r2 × L, където π = 3,14, L - дължината на тръбопроводите, а r - радиусът на вътрешното сечение на тръбата (половината от нейния диаметър). За да се избегнат грешки, дължината и радиусът трябва да се измерват в едно и също измерение - например в метри. Ако напречното сечение се измерва в милиметри, дължината също трябва да се посочи в милиметри, а изчисленият обем ще се измерва в кубични милиметри (^mm3). За да превърнете кубичните милиметри в литри, разделете резултата на ^mm3 на 1 000 000. За улеснение на изчисленията могат да се използват типични стойности за стандартни размери тръби. Списъкът по-долу показва стойностите в този ред: размер на тръбата в инчове, вътрешен диаметър и обем на метър дължина.

• 1/2, 15 mm - 0,177 l/m;
• 3/4, 20 mm - 0,314 l/m;
• 1, 25 mm - 0,491 l/m;
• 1 1/2, 40 мм - 1,257 л/м;
• 2, 50 mm - 2,467 l/m.

Да разгледаме един пример. Системата използва котел с топлообменник от 6 литра, 10 радиатора с вместимост от 4 литра всеки и 50 метра 3/4-инчов тръбопровод. Общият обем на системата ще бъде 6 + 10 × 4 + 50 × 0,314 = 61,7 литра.

Каква охлаждаща течност да се използва в системата

За да може системата за автономно отопление ефективно да изпълнява функциите си, е важно не само правилно да се изчисли дебитът на охлаждащата течност, но и правилно да се избере нейният състав и свойства. Използването на обикновена вода, дори и добре пречистена, не се препоръчва. Тя може да доведе до преждевременни повреди на котела и ранно износване на радиаторите, както и до образуване на запушвания в тръбите. Необходимо е в контура да се налива специален антифриз - Termagent, който трябва да има следните свойства.

Достатъчен топлинен капацитет. От тази характеристика зависи способността на течността да акумулира топлинна енергия и да я предава от котела към отоплителните батерии.

Химическа неутралност. Веществата, които влизат в състава на охлаждащата течност, не трябва да влизат в химични реакции с метали, пластмаса, гума и други материали, използвани в котлите, радиаторите, помпите, тръбите и уплътненията.

Устойчивост на замръзване. Обикновената вода започва да се превръща в лед при нулева температура. Ако котелът е изключен през зимата поради липса на употреба или поради повреда, течността може да замръзне и да спука отвътре тръбите, радиаторите и топлообменника на котела. Това се дължи на факта, че ледът има плътност 10% по-малка от тази на водата в течно състояние. Специалните антифризи за отопление имат висока мразоустойчивост. Например термоагентът етиленгликол кристализира при -65 °C.

Безопасност. Парите на топлоносителя не трябва да представляват заплаха за човешкото здраве. Това е от решаващо значение, тъй като работният флуид може да се изпари и да се разпространи в помещенията чрез течове, отворени капаци на разширителни съдове и по други начини. Съдържанието на летливи токсични вещества в състава на антифриза за отопление е недопустимо.

Прочетете повече за това как да заредите отоплителната система с термичен агент.

Заключение

Правилният избор на антифриз и точното изчисляване на дебита на охлаждащата течност - едно от ключовите условия за стабилна и ефективна работа на отоплителната система. Качественият флуид ще осигури качествен топлообмен и комфортен микроклимат в помещенията, а правилното изчисляване на дебита ще ви позволи да изберете циркулационна помпа с най-подходящите технически характеристики.