Расчетные формулы и расчеты.

Работа 8. РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

1. Цель работы. Рассчитать теплоотдачу отопительного прибора.

Основные положения.

Различают три основных вида передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводностью называют молекулярный перенос теплоты в телах (между телами), обусловленный разностью температур в рассматриваемом пространстве. Теплота передается за счет непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную температуру, что приводит к обмену энергией между молекулами, атомами и свободными электронами.

Конвекцией называется перенос теплоты при перемещении объемов газа или жидкости в пространстве. Конвекция возможна только в текучей среде. При этом перенос теплоты непрерывно связан с переносом самой среды. Чем больше скорость движения самой среды, тем интенсивнее конвекция. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой. Конвективным теплообменом называют процесс, обусловленный совместным действием конвективного переноса теплоты и теплопроводностью. В инженерной практике значение имеет частный случай этого способа переноса теплоты – теплоотдача.

Теплоотдача – конвективный теплообмен между движущей средой и поверхностью ее раздела с другой средой: твердым телом. Конвективный теплообмен может быть вынужденным и свободным.

Излучение – это процесс распространения теплотыэлектромагнитными волнами, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. Этот вид передачи теплоты обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения и его поглощением веществом.

В общем, процесс теплопередачи сложен и зависит от большого числа различных факторов, основными из которых являются:

1. Характер движения жидкости (свободное или вынужденное движение);

2. Режим течения жидкости (ламинарный или турбулентный);

3. Физические свойства жидкостей (вязкость, плотность, теплопроводность, теплоемкость и т.д.);

4. Температура жидкости и стенки

5. Форма, размеры и состояние поверхности.

При практических расчетах используют уравнение Ньютона-Рихмана:

Расчет конвективного теплообмена заключается в нахождении величины α.

Отопительные приборы являются основным элементом системы отопления зданий и предназначены для передачи теплоты помещению от теплоносителя. Приборы должны хорошо передавать тепло от теплоносителя (вода или пар) отапливаемым помещениям, т.е. коэффициент теплопередачи их должен быть как можно выше.

Данные, необходимые для расчета

Таблица 1.

Вариант
температура в 6 точках прибора, 0С	t1
t2
t3								57,5
t4					52,5
t5
t6					55,5
Температура воздуха tв, 0С
Марка отопительного прибора	РСВ 1-4	МС-140-108	МС-140-98	М-90	РСВ 1-5	2РСВ 1-3	РСГ 2-1-8	РСГ 2-2-7	РСГ 2-2-4	РСГ 2-2-5
Число секций
Металл	Алюминий	Бронза	Латунь	Медь	Свинец	Сталь	Сталь нержавеющая	Чугун	Бронза	Латунь

Расчетные формулы и расчеты.

4.1. Количество тепла, передаваемого отопительным прибором:

, Вт

где к_пр – коэффициент теплопередачи прибора, ;

t_пр^ср – средняя температура поверхности прибора, ⁰С;

t_в – температура воздуха в помещении;

F_пр – площадь поверхности нагрева отопительного прибора, м².

4.2. Коэффициент теплопередачи отопительного прибора:

, Вт/м²К

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от воды, движущейся в приборе, к стенке прибора, Вт/м²К;

λ_ст – коэффициент теплопроводности материала, их которого изготовлен прибор, Вт/м∙К; Определяется из таблицы 2 приложения 4.

δ_ст – толщина стенки отопительного прибора, м; δ = 4…5 мм;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки прибора к воздуху помещения, Вт/м²К;

4.3. Коэффициент теплоотдачи α₁ определяется для вынужденного движения жидкости в трубах по формуле:

где Re – критерий Рейнольдса. Рассчитывается по формуле:

где ω – скорость движения воды в трубах отопления. Скорость воды не должна превышать 1,5 м/с. Для расчета скорость воды принимается 1 м/с;

d - определяющий размер, м. d = 0,040 м;

μ_воды – динамический коэффициент вязкости воды, н∙сек/м². Принимается при температуре t_пр^ср по приложению 1.

ρ_воды = 1000 кг/ м³.

Соотношение числа Прандтля для воды Рr_ж и стенки прибора Pr_ст принимаются по приложению 2.

Зная число Нуссельта, можно определить коэффициент теплоотдачи α₁ из уравнения:

, Вт/м²∙К

где λ_воды - коэффициент теплопроводности воды, Вт/м∙К. Определяется по приложению 3.

4.4. Коэффициент теплоотдачи с наружной стороны прибора:

, Вт/м²∙К

4.5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией α₂^конв определяют из уравнения:

где А = 0,75; n = 0,25 при 10³ < Gr∙Pr<10⁹;

А = 0,15; n = 0,33 при Gr∙Pr>6∙10¹⁰;

Pr_возд принимаем равным1.

4.6. Критерий Грасгофа Gr определяется по формуле:

где g = 9,81 м /с – ускорение свободного падения;

В – коэффициент объемного расширения, 1/К;

υ_возд – коэффициент кинематической вязкости воздуха определяется при t_пр^ср по приложению 3;

l – определяющий размер – длина секции радиатора, l = 0,5 м.

4.7. Коэффициент объемного расширения рассчитывается:

, 1/К

где Т_ср - средняя температура, определяется по формуле: , К

4.8. Затем находят коэффициент теплоотдачи излучением α₂^изл по формуле:

, Вт/м²∙К

где λ_возд определяется при по таблице 2

 

Таблица 2. Параметры коэффициента теплопроводности воздуха.

t, 0C
λвозд∙102, Вт/м∙К	2,51	2,59	2,67	2,75	2,82	2,89	2,96	3,04	3,12	3,20	3,33	3,48	3,63	3,77	4,55

 

4.9. Затем находят коэффициент теплоотдачи излучением α₂^изл по формуле:

, Вт/м²∙К

4.10. Теплота, передаваемая излучением определяется:

где С₀ = 5,67 Вт/м²∙К⁴ – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

ε – эффективный коэффициент черноты стенки, ε = 0,8…1,0

4.11. Площадь поверхности нагрева определяется по формуле:

, м²

где m – число секций отопительного прибора;

S_сек – площадь одной секции, м². Определяется из таблицы 1 приложения 4.

 

Приложение 1

 

 

 

Приложение 2

 

Приложение 3

 

 

 

Приложение 4

Таблица 1. Характеристика отопительного прибора

Марка отопительного прибора	Материал отопительного прибора	Площадь поверхности нагрева секции, Sсек, м2
МС-140-108	чугун	0,244
МС-140-98	0,24
МС-90-108	0,187
М-90	0,2
РСВ 1-4	сталь	1,44
РСВ 1-5	1,68
2РСВ 1-3	2,38
РСГ 2-1-8	1,93
РСГ 2-2-7	2,38
РСГ 2-2-4	1,08
РСГ 2-2-5	1,48

 

Таблица 2. Коэффициенты теплопроводности металлов при температуре 0 – 100 ⁰С

Металл	Коэффициент теплопроводности λ, Вт/мК
Алюминий	203,5
Бронза
Латунь
Медь
Свинец	34,9
Сталь	46,5
Сталь нержавеющая	17,5
Чугун	46,5 – 93