Автор: Олег Козлов
Секционные алюминиевые и биметаллические радиаторы широко применяются в системах отопления жилых и административных зданий. Помимо типовой подачи теплоносителя в радиатор сверху вниз по диагонали или сбоку используется и подача снизу вверх.
Такая подача создаёт проблемы для эксплуатации радиаторов и, как следствие, для потребителя.
Дело в том, что при подаче теплоносителя снизу прогреваются только одна-две секции, при этом остальные секции прогреваются плохо (рис. 3). Т.е. радиатор не выдаёт паспортной и проектной мощности. Соответственно, помещение не прогревается должным образом, и потребитель испытывает дискомфорт. Как правило, для исправления этой ситуации используют «удлинитель потока» (рис. 1). В настоящей статье разберём характерные особенности работы радиатора при подаче теплоносителя сверху вниз и снизу вверх при наличии удлинителя потока, установленного в коллектор радиатора снизу (рис. 2).
Известно, что более горячий теплоноситель (далее – вода) имеет меньшую плотность, чем холодный. Для примера, плотность воды при Т=20 °C равна 999,23 кг/м3, при Т=70 °C равна 977,23 кг/м3 , а при Т=90 °C равна 965,34 кг/м3 . Разность плотностей 90/20 °C составит 33,89 кг/м3 . Разность плотностей 90/70 °C составит 11,89 кг/м3.
Для сведения: типовой секционный радиатор (без запорной арматуры) имеет сопротивление от 2 Па при расходе теплоносителя 10 кг/час до 50 Па при 360 кг/час.
Рассмотрим две секции в радиаторе: в одной вода при температуре 90 °C, в другой – 20 °C, высота секции 0,5 м, разность давлений воды внизу у этих секций составит 168,45 Па (далее гравитационная тяга). Для разницы температур 90/70 °C температурная тяга составит 59,45 Па. Даже при близких температурах входа и выхода воды, например, 91/89 °C температурная тяга будет составлять 6,7 Па.
Таким образом, при реальных условиях эксплуатации радиатора (например: 95/70, 90/70, 80/60 и т.д.) и реальных расходах теплоносителя температурный перепад очень важен и определяет движение воды в радиаторе. При очень больших расходах (например, 360 кг/час) и близких температурах воды на входе и выходе определяющим движение воды в радиаторе будет теплоотдача и гидравлическое сопротивление элементов радиатора, этот случай нам не интересен, т.к. в практике не встречается.
При подаче в радиатор горячей воды сверху она распределяется по верхнему коллектору как имеющая минимальную плотность, далее при остывании плотность воды увеличивается, и вода опускается вниз. Это естественное гравитационное движение. Необходимо отметить, что в данном случае существует понятие максимальной секционности радиатора, при которой дальние секции достаточно прогреваются. Дело в том, что площадь поперечного сечения коллектора радиатора диаметром 1 дюйм составляет около 750 мм2, площадь вертикального канала составляет минимум 150 мм2. Поэтому для радиатора из 10 секций суммарная площадь поперечного сечения вертикальных каналов в два раз больше площади коллектора, поэтому скорость движения воды в коллекторе в дальних секциях падает, падает и температура воды из-за теплообмена в коллекторе. В результате этого двойного эффекта дальние секции радиатора прогреваются хуже. Как правило, производитель самостоятельно определяет максимальное количество секций, которые он рекомендует для каждой модели радиатора. Следует отметить, что длина прогрева будет определяться сопротивлением коллектора и величиной гравитационной тяги, т.к. сопротивление движению воды по любому контуру в радиаторе должно иметь одинаковое значение.
Рассмотрим движение воды в радиаторе снизу вверх. Потеря давления при движении всего расхода воды по одному вертикальному каналу Ду=14 мм при расходе 10 м3/час (кг/час) равна 1,5 Па, а при расходе 100 м3/час (кг/час) равна 17 Па, при этом значение гравитационной тяги значительно выше и составляет почти 60 Па при 90/70 °C. Поэтому для воды энергетически выгодно пропустить весь расход через одну секцию. По условиям движения струи (вода, входящая в коллектор) в затопленном пространстве это может быть не обязательно первая, но и вторая секция, или первая и вторая секции одновременно.
Поднявшись в верхний коллектор, вода распространяется по верхнему коллектору и при остывании движется вниз и далее к первой, второй секциям, где частично будет подмешиваться к горячему потоку. Очевидно, в радиаторе будут прогреты первые секции и частично верхний коллектор (рис. 3). Теплоотдача радиатора не будет соответствовать паспортным и проектным данным.
На испытания были взяты следующие модели удлинителей потока (рис. 4):
- Удлинитель потока длиной на 10 секций, 10 отверстий, шаг 80 мм, диаметр 3,5 мм.
- Удлинитель потока длиной на 8 секций, 8 отверстий, шаг 80 мм, диаметр 3,5 мм, два отверстия двойные.
- Удлинитель потока длиной на 8 секций, 8 отверстий, шаг 80 мм, диаметр 3,5 мм. 4
- . Удлинитель потока длиной на 8 секций, 8 отверстий, шаг 80 мм, диаметр 4,0 мм. 5. Удлинитель потока длиной на 8 секций без отверстий.
Условия проведения испытаний
Стенд соответствует нормам ГОСТ Р 53583-2009 и EN 442-2; тепловой поток определяли по ГОСТ Р53583-2009 «Приборы отопительные. Методы испытаний» при движении воды в отопительном приборе по схеме сбоку «снизу-вверх» с удлинителем потока снизу. Температурный напор 70 °С, расход воды 50 кг/ час, 100 кг/час, 360 кг/час.
Расход воды 50 кг/час в условиях проведения испытаний приводит к разности температур входа и выхода воды, близкой к 20 °C, что соответствует реальным графикам отопления.
Расход воды 100 кг/час приводит к разности температур 10 °C.
Расход воды 360 кг/час является номинальным расходом при сертификационных испытаниях и приводит к разности температур 2 °C (Таблица 1).
Анализ полученных результатов
- Эффективность применения удлинителей потока различной конструкции зависит от расхода воды через радиатор.
- Радиатор без удлинителя потока при подаче воды снизу и реальных расходах имеет теплоотдачу на 30-50% меньше паспортной.
- Удлинитель потока 5 на 8 секций без отверстий даёт тепловой поток при расходе 50 кг/час на 17% меньше, чем 2 , и на 16% меньше, чем 4 . Он же при расходе 100 кг/час хуже на 11%, чем 4 .
- Удлинитель потока 1 , выполненный на всю длину радиатора, эффективен при очень больших расходах.
- Удлинитель потока 2 эффективен для расходов менее 60 кг/час и перепадах температур входа/выхода более 20 °C.
- Удлинитель потока 4 эффективен при расходах от 60 до 120 кг/час при перепаде температур от 18 до 8 °C.
- Сравнение результатов для удлинителей потока 3 и 4 показывает, что диаметр отверстий 3,5 или 4 мм существенного влияния на тепловой поток не оказывает.
- При подаче воды снизу и использовании удлинителя потока 4 теплоотдача 10-ти секционного радиатора будет ниже паспортной на 25% при расходе 50 кг/час.
- Переменной перфорацией можно добиться более равномерного распределения движения воды по секциям радиатора, однако для разных расходов должна быть разная переменная перфорация (рисунки 5, 6, 7, 8). Подбор универсального удлинителя потока невозможен.
Выводы
При подаче воды в радиатор снизу вверх необходимо использовать удлинитель потока, установленный снизу. Удлинитель потока при данных условиях эксплуатации должен иметь перфорацию, например, как 2 или 4 . Использование удлинителей потока для типовых графиков отопления с разностью температур воды на входе и выходе в 20 °C даёт положительный эффект до 25%. При расходе воды через радиатор менее 50 кг/час, что характерно для квартирного отопления, наиболее эффективным является применение удлинителя потока 2 (рисунки 7, 8).