Jak obliczyć objętość płynu chłodzącego w systemie grzewczym?

Natężenie przepływu chłodziwa jest ważnym parametrem, który należy obliczyć podczas projektowania autonomicznego systemu grzewczego. Wartość ta jest brana pod uwagę przy wyborze pompy obiegowej, grzejników, kotła i innych typów urządzeń grzewczych. Jeśli obliczenie natężenia przepływu chłodziwa zostanie wykonane nieprawidłowo, w przyszłości może to prowadzić do negatywnych konsekwencji.

• Po pierwszeSystem może nie być w stanie poradzić sobie z obciążeniem, z powodu którego w pomieszczeniach będzie niewystarczająca temperatura, nawet gdy kocioł i pompa są włączone z pełną wydajnością.
• Po drugiePompa obiegowa, pracująca na granicy swoich możliwości, może szybciej się zużyć i ulec awarii.

Aby uniknąć tych i innych problemów, konieczne jest dokładne przestudiowanie koncepcji masowego natężenia przepływu chłodziwa i nauczenie się obliczania tej wartości.

Co to jest natężenie przepływu chłodziwa

Ta charakterystyka określa objętość płynu roboczego, który musi przepływać co sekundę przez grzejniki, kocioł lub rury, tak aby system zapewniał wymagany transfer ciepła i tworzył komfortowy reżim temperaturowy w pomieszczeniach. W oparciu o tę definicję, natężenie przepływu gorącego płynu jest obliczane w kilogramach na sekundę (kg/s). Na przykład, jeśli obliczenia dały wynik 10 kg/s, oznacza to, że przez jedną sekundę przez dowolny punkt obwodu grzewczego powinno przepływać 10 kilogramów wody lub specjalnego płynu niezamarzającego. Jeśli rzeczywiste natężenie przepływu płynu chłodzącego w systemie grzewczym jest niższe niż obliczone, do grzejników zostanie dostarczona mniejsza ilość energii cieplnej. W związku z tym zostaną one podgrzane do niższej temperatury, a pomieszczenia nie będą w stanie ustalić optymalnego reżimu temperaturowego.

Od czego zależy natężenie przepływu chłodziwa

Zgodnie z teorią, obliczenie natężenia przepływu chłodziwa dla obciążenia cieplnego jest przeprowadzane z uwzględnieniem trzech głównych parametrów: wydajności projektowej systemu, pojemności cieplnej płynu roboczego i różnicy temperatur między wlotem i wylotem kotła. Każda z tych charakterystyk zależy z kolei od wielu innych czynników. Na przykład, wydajność projektowa zależy od powierzchni i objętości ogrzewanych pomieszczeń, jakości izolacji termicznej, lokalnego klimatu i innych. Pojemność cieplna nośnika ciepła zależy od jego składu chemicznego. Różnica temperatur może się zmniejszać lub zwiększać w zależności od charakterystyki baterii grzewczych i ich liczby, materiału rur, wydajności pompy obiegowej itp. Aby prawidłowo określić natężenie przepływu czynnika grzewczego w zależności od obciążenia cieplnego, należy bardziej szczegółowo rozważyć każdą z trzech wymienionych wartości.

Wydajność projektowa systemu grzewczego

Wskaźnika tego nie należy mylić z mocą kotła. Wydajność projektowa systemu jest obliczana indywidualnie dla każdego budynku, biorąc pod uwagę wiele różnych parametrów:

• materiały ścian, sufitów i podłóg, ich właściwości przewodzenia ciepła i pojemność cieplna;
• specyfika klimatu w danym regionie, średnia roczna temperatura;
• liczba grzejników do zainstalowania i ich charakterystyka;
• straty ciepła w rurach;
• wymagana temperatura pokojowa itp.

Na podstawie obliczonej wydajności projektowej wybierany jest kocioł grzewczy o odpowiedniej charakterystyce. Z reguły moc jednostki kotła jest wybierana z rezerwą na wypadek nieprzewidzianych sytuacji: nietypowych mrozów, instalacji dodatkowych baterii itp.

Typ i właściwości chłodziwa

Najczęściej w autonomicznych systemach grzewczych stosuje się wodę destylowaną lub specjalny środek przeciw zamarzaniu - Thermagent. Pierwsza opcja pozwala zaoszczędzić budżet, ale woda szybko ulega zanieczyszczeniu substancjami zewnętrznymi, powoduje powstawanie wewnętrznych osadów i sprzyja rozwojowi korozji. Jej pojemność cieplna wynosi 4200 J/kg-K, według tego wskaźnika woda przewyższa każdą inną ciecz. Środki zapobiegające zamarzaniu, takie jak Thermagent, są oparte na alkoholu i zawierają glikol etylenowy lub glikol propylenowy. Pod względem specyficznej pojemności cieplnej absolutnie nie ustępują zwykłej wodzie i przewyższają ją we wszystkich innych parametrach. Po pierwsze, takie kompozycje mają łagodny wpływ na grzejniki, kotły, pompy obiegowe i rury, co zapobiega przedwczesnym naprawom. Po drugie, Thermagent nie powoduje korozji i zapewnia niezawodną ochronę powierzchni metalowych. Po trzecie, takie ciecze mają niską temperaturę krystalizacji, co wyklucza zamarzanie cieczy podczas planowanego lub awaryjnego wyłączenia kotła w mroźną pogodę.

Co wpływa na moc cieplną

Podczas projektowania sieci grzewczych obowiązkowe jest obliczenie mocy cieplnej akumulatorów, rur i innych elementów systemu. W praktyce znajduje to odzwierciedlenie w różnicy temperatur między wlotem i wylotem kotła. Gdy podgrzany płyn niezamarzający opuszcza jednostkę kotła, oddaje część zgromadzonej energii cieplnej do grzejników, rur i pompy obiegowej. W związku z tym po wykonaniu pełnego obiegu ulega nieznacznemu schłodzeniu. Schłodzony płyn niezamarzający powraca następnie do bojlera przez rurę wlotową, jest ponownie podgrzewany do ustawionej temperatury i cykl się powtarza. Różnica temperatur między wlotem i wylotem bojlera bezpośrednio wpływa na natężenie przepływu chłodziwa. Jeśli płyn krąży szybciej w obiegu (np. gdy pompa obiegowa jest włączona na pełną moc), będzie on szybciej przepływać przez grzejniki. W związku z tym płyn chłodzący schłodzi się w krótszym czasie. Różnica temperatur będzie tym większa, im wyższa będzie moc cieplna chłodnic i im większa będzie liczba chłodnic w układzie. Przepływając przez pięć chłodnic, płyn schłodzi się bardziej niż przepływając przez trzy podobne chłodnice w tym samym czasie.

Formuła inżynieryjna

Podczas projektowania systemu grzewczego formuła najczęściej używanym jest natężenie przepływu płynu m = Q / (Cp × Δt). Wartość Q to projektowa wydajność systemu. Cp to pojemność cieplna właściwa cieczy używanej jako nośnik ciepła. Może się ona znacznie różnić dla różnych płynów niezamarzających. Aby poznać konkretną wartość, należy zapoznać się z dokumentacją chłodziwa lub opisem katalogowym. Informacje te można również uzyskać od producenta materiału.

Aby uniknąć błędów, należy przestrzegać tej samej kolejności parametrów wejściowych. Na przykład, jeśli moc Q jest określona w kW, pojemność cieplna właściwa powinna być wprowadzona do wzoru w kJ/kg-K. Odpowiednio, jeśli Q jest określone w watach, wymiar pojemności cieplnej powinien wynosić J/kg-K bez przedrostka "kilo".

Podajmy prosty przykład. Obliczona moc autonomicznego systemu grzewczego wynosi 50 kW. Zamiast zwykłej wody do obiegu wlewany jest czynnik chłodzący o pojemności cieplnej właściwej 0,9 kJ/kg-K. Różnica temperatur między rurami wlotowymi i wylotowymi kotła wynosi 10 stopni. W tym przypadku obliczone natężenie przepływu chłodziwa będzie równa 50/0,9-10 = 5,56 kg/s.

Dodatkowe współczynniki

Wzór m = Q/(Cp × Δt), opisany powyżej, w swojej oryginalnej formie może być stosowany tylko w wyidealizowanych warunkach, gdy na ogrzewanie domu nie mają wpływu czynniki zewnętrzne. W praktyce takie sytuacje są niemożliwe, ponieważ ciepło nieuchronnie ucieka przez ściany, okna, sufity i podłogi. Różne materiały budowlane (cegła, drewno, beton itp.) mają różne wartości oporu przenikania ciepła. W obliczeniach często stosuje się następujące współczynniki:

• 1,33-1,56 - ściany budynku zbudowane są z drewnianej belki o grubości 200-240 mm;
• 1.4 - ściany wykonane są z cegły dekoracyjnej i mają grubość 65 cm;
• 1,28 - dla muru o grubości 65 cm z wewnętrzną pustką powietrzną;
• 1.13 - ściany są wykonane z cegieł, grubość muru wynosi 65 cm i nie ma szczeliny powietrznej;
• 1.0 - pokój ma czyste podłogi, pod którymi znajdują się drewniane deski lub podłoże;
• 0,9 - współczynnik ten jest stosowany w obliczeniach cieplnych dla poddaszy pokrytych stalową blachą falistą, dachówką lub cementem azbestowym;
• 0,8 - dla poddaszy z podobnym pokryciem, ale z litą podłogą;
• 0,75 - dla budynków, których dachy pokryte są rolowanym pokryciem dachowym;
• 0,7 - ta wartość oporu dotyczy ścian wewnętrznych przylegających do nieogrzewanych pomieszczeń bez ścian zewnętrznych;
• 0,6 - dla lokali z piwnicami położonymi poniżej powierzchni gruntu lub do 1 m nad nim;
• 0,4 - podobnie jak w poprzednim punkcie, ale sąsiednie pokoje mają ściany zewnętrzne.

Określone współczynniki są dodawane do mianownika wzoru m = Q / (Cp × Δt). Tak więc ostateczny wzór będzie miał postać m = Q / k (Cp × Δt), gdzie k jest parametrem oporu wymiany ciepła.

Dobór pompy obiegowej w zależności od natężenia przepływu czynnika przenoszącego ciepło

W charakterystykach technicznych pomp obiegowych z reguły natężenie przepływu podawane jest w litrach na minutę (l/min). We wzorze opisanym powyżej wynik podawany jest w kilogramach na sekundę (kg/s). W związku z tym, aby wybrać jednostkę pompy, należy dokonać prostych konwersji. Po pierwsze, ilość płynu niezamarzającego należy obliczyć nie w kilogramach, ale w litrach. W tym celu uzyskany wynik należy podzielić przez gęstość płynu niezamarzającego. Na przykład, jeśli ciecz ma gęstość 1,06 ^g/cm3, wówczas natężenie przepływu w litrach z powyższego obliczenia będzie równe 5,56/1,06 = 5,25 l/s. Po drugie, zamiast sekund należy użyć minut. W tym celu należy pomnożyć wynik przez 60. W tym przykładzie natężenie przepływu wyniesie 5,25-60 = 315 l/min. Biorąc pod uwagę możliwy błąd, pompa powinna być wybrana z pewną rezerwą wydajności, na przykład 330-350 l/min.

Natężenie przepływu płynu chłodzącego przez chłodnicę

W większości przypadków natężenie przepływu jest obliczane w celu wybrania odpowiedniej pompy obiegowej. Ale warto to również wziąć pod uwagę przy wyborze grzejników. Faktem jest, że natężenie przepływu płynu niezamarzającego w systemie grzewczym jest proporcjonalne do prędkości przepływu płynu. Im silniejsze ciśnienie w rurach, tym wyższe ciśnienie. Odpowiednie ciśnienie będzie również obecne w grzejnikach. Każdy typ grzejnika ma maksymalne dopuszczalne ciśnienie. Jeśli zostanie ono przekroczone, może dojść do rozszczelnienia chłodnicy. Jest to szczególnie istotne, jeśli ciepło jest dostarczane do grzejników płytowych. Takie grzejniki mogą wytrzymać mniejsze ciśnienie niż grzejniki sekcyjne. Dlatego grzejniki płytowe powinny być instalowane, jeśli natężenie przepływu przez grzejnik jest stosunkowo niskie.

Objętość płynu chłodzącego w układzie

Podczas wykonywania obliczeń i projektowania systemu grzewczego nie wystarczy wiedzieć, jak obliczyć natężenie przepływu chłodziwa. Konieczne jest również uwzględnienie objętości płynu roboczego w obiegu grzewczym. Parametr ten należy obliczyć w celu zakupu wystarczającej ilości płynu niezamarzającego i uniknięcia konieczności jego uzupełniania. Całkowita objętość płynu chłodzącego w układzie składa się z trzech składników:

• wydajność wymiennika ciepła w bojlerze;
• objętość grzejników;
• objętość rur.

Pierwsze dwie wartości można znaleźć w dokumentacji technicznej kotła i grzejników. Większość kotłów posiada wymienniki ciepła zaprojektowane na 3-7 litrów. Modele na paliwo stałe są bardziej pojemne i mieszczą do 25 litrów płynu niezamarzającego. Pojemność grzejników zależy od wielkości sekcji lub paneli, a także ich liczby i konstrukcji. Średnio jedna sekcja akumulatora żeliwnego mieści 1,5 litra płynu, bimetalicznego - 0,3 litra, aluminiowego - około 0,4 litra.

Co należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu objętości płynu niezamarzającego?

Obliczenie całkowitej wydajności rurociągów jest dość proste. Jeśli system wykorzystuje rury o tym samym rozmiarze, wystarczy zmierzyć ich średnicę wewnętrzną i długość całkowitą. Objętość oblicza się według wzoru V = π × r2 × L, gdzie π = 3,14, L - długość rurociągu, a r - promień wewnętrznego przekroju rury (połowa jej średnicy). Aby uniknąć błędów, długość i promień powinny być mierzone w tym samym wymiarze - na przykład w metrach. Jeśli przekrój jest mierzony w milimetrach, długość powinna być również określona w mm, a obliczona objętość będzie mierzona w milimetrach sześciennych (^mm3). Aby przeliczyć milimetry sześcienne na litry, należy podzielić wynik przez ^mm3 przez 1 000 000. Dla ułatwienia obliczeń można użyć typowych wartości dla standardowych rozmiarów rur. Poniższa lista przedstawia wartości w następującej kolejności: rozmiar rury w calach, średnica wewnętrzna i objętość na metr długości.

• 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 mm - 1,257 l/m;
• 2, 50 mm - 2,467 l/m.

Rozważmy przykład. System wykorzystuje bojler z 6-litrowym wymiennikiem ciepła, 10 grzejników o pojemności 4 litrów każdy i 50 metrów rur 3/4 cala. Całkowita objętość systemu wyniesie 6 + 10 × 4 + 50 × 0,314 = 61,7 litra.

Jakiego płynu chłodzącego użyć w układzie

Aby system autonomicznego ogrzewania skutecznie spełniał swoje funkcje, ważne jest nie tylko prawidłowe obliczenie natężenia przepływu chłodziwa, ale także prawidłowy dobór jego składu i właściwości. Używanie zwykłej wody, nawet dobrze oczyszczonej, nie jest zalecane. Może to prowadzić do przedwczesnych awarii kotła i wczesnego zużycia grzejników, a także do powstawania zatorów w rurach. Konieczne jest wlanie do obwodu specjalnego płynu niezamarzającego - Termagent, który powinien mieć następujące właściwości.

Wystarczająca pojemność cieplna. Od tej charakterystyki zależy zdolność cieczy do gromadzenia energii cieplnej i przekazywania jej z kotła do akumulatorów grzewczych.

Neutralność chemiczna. Substancje wchodzące w skład chłodziwa nie powinny wchodzić w reakcje chemiczne z metalami, plastikiem, gumą i innymi materiałami stosowanymi w kotłach, grzejnikach, pompach, rurach i uszczelkach.

Odporność na zamarzanie. Zwykła woda zaczyna zamieniać się w lód przy zerowej temperaturze. Jeśli kocioł zostanie wyłączony zimą z powodu braku użytkowania lub z powodu awarii, ciecz może zamarznąć i spowodować pęknięcie rur, grzejników i wymiennika ciepła kotła od wewnątrz. Wynika to z faktu, że lód ma gęstość 10% mniejszą niż woda w stanie ciekłym. Specjalne środki zapobiegające zamarzaniu mają wysoką odporność na mróz. Na przykład glikol etylenowy krystalizuje w temperaturze -65 °C.

Bezpieczeństwo. Opary płynu do wymiany ciepła nie mogą stanowić zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. Ma to krytyczne znaczenie, ponieważ płyn roboczy może parować i rozprzestrzeniać się w pomieszczeniach poprzez nieszczelności, otwarte pokrywy zbiorników wyrównawczych i w inny sposób. Zawartość lotnych substancji toksycznych w składzie płynu niezamarzającego do ogrzewania jest niedopuszczalna.

Przeczytaj więcej o tym, jak napełnić system grzewczy czynnikiem termicznym.

Wnioski

Prawidłowy wybór płynu niezamarzającego i dokładne obliczenie natężenia przepływu chłodziwa - jeden z kluczowych warunków stabilnej i wydajnej pracy systemu grzewczego. Wysokiej jakości płyn zapewni wysokiej jakości wymianę ciepła i komfortowy mikroklimat w pomieszczeniach, a prawidłowe obliczenie natężenia przepływu pozwoli wybrać pompę obiegową o najbardziej odpowiedniej charakterystyce technicznej.